衡陽市主城區土地利用變化的生態環境效應研究

史玲 賀秋華 肖雪

摘? 要：以衡陽市主城區為例，利用2005年、2012年和2016年3期TM遙感影像解譯圖獲取土地利用變化數據。首先，對衡陽市主城區土地利用變化特征進行分析。然后，運用區域生態環境質量指數和區域土地利用變化類型生態貢獻率，對研究時段內衡陽市主城區土地利用變化的生態環境效應以及導致生態環境質量變化的主導土地利用變化類型進行分析。結果表明，2005—2016年間，衡陽市主城區生態環境質量先增加后下降，總體上維持著區域生態環境的動態穩定，但生態改善和惡化的2種趨勢并存。其中，導致衡陽市主城區生態環境質量惡化的主要土地利用變化類型是耕地向城鄉建設用地的轉變，促進衡陽市主城區生態環境質量改善的主要土地利用變化類型是耕地向水域用地的轉變。

關鍵詞：衡陽市主城區;土地利用變化;生態環境效應;生態環境質量指數

中圖分類號 F301.24文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）（02-03）-0119-06

Abstract：This paper obtained the data of land use change based on the TM images interpreted in 1980，1995 and 2005 taking the main urban areas of Hengyang City as a case study.First，this paper analyzed the characteristics of land use change.Then，eco-environmental quality was associated with land use types according to the relative ecological service value of different land use types .The effect of land use change on the eco-environmental quality was measured and quantified by calculating the regional eco-environmental indices .The major land use transformation types causing the change of eco-environmental quality were found out by calculating the contribution proportions of land use transformation types to eco-environmental quality .The ecological environment quality of the main urban area of Hengyang increased at first and then decreased，which maintained the dynamic stability of the regional ecological environment as a whole，but the two trends of ecological improvement and deterioration coexist;and the rate w as faster and faster .In the study phases，the transformation from arable land to constructive land was the major land use transformation type deteriorating the eco-environmental quality ;the transformation from arable land to water area was the major land use transformation type improving the eco-environmental quality .

Key words：The main urban areas of Hengyang City;Land use change;Eco-environmental effect;Eco-environmental quality index

土地利用變化是指在不同時空尺度上，人類和自然相互作用引起的一種復雜變化[1-2]。土地利用變化是目前全球生態環境變化的主要原因之一[3]，它反映了人類與大自然間相互影響與相互作用最直接、最密切的關系[4]。隨著社會經濟的發展、城市化進程的加快，使城市建成區范圍逐年擴張，人類對土地的需求日益多元化，加速了各種土地利用類型在時空上的變化，由此引起的生態環境問題不斷加劇，嚴重影響到人類賴以生存的自然環境[5]。作為自然景觀變化最明顯的區域，城市土地利用變化已成為當前土地利用研究的熱點[6]。

目前，國內外學者對土地利用變化的生態環境效應研究主要集中于土地利用變化的水環境效應、大氣環境效應等單一生態環境效應上。例如，Tilman等通過分析林地和水域轉向農業生產用地的土地利用變化情況，對淡水、陸地和海岸帶海洋生態系統的富營養化程度進行了研究[7]。Solomon等研究了土地利用變化對土壤有機質變化的影響[8]。賈宇平等研究了土地利用變化對土壤有機碳、全氮的影響[9]。劉廷祥等以嫩江流域農林交錯帶為典型研究區，從土地利用變化分析方面系統地研究了農林交錯帶土地利用格局變化及其區域氣溫變化效應[10]。楊倩楠等采用枯季徑流分割法分析了干旱區流域基流、基流指數與景觀格局指數的相關性，研究了流域景觀格局變化對基流的作用[11]。姜雨青等用統計學方法分析了我國西北干旱區土地利用變化和歸一化植被指數的時空變化特征[12]。這些研究區域主要集中在生態環境脆弱區或經濟落后地區[13]，研究對象主要集中在單一的生態環境要素[14-16]，而對于城鎮化快速發展地區的整體生態環境效應研究較少。

衡陽市作為中西部地區快速發展區域，具有一定的代表性，經濟的快速發展，驅使主城區面積不斷擴張，城市土地利用格局發生劇烈變化，從而導致了眾多環境問題。為此，本文以衡陽市為研究區域，研究城鎮化快速發展背景下土地利用變化的整體生態環境效應，以期為土地利用、城市建設和區域可持續發展提供科學依據和決策支持，也為國內外同類區域研究提供借鑒。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區概況 衡陽市2005—2016年城鎮率由31.58%上升至51.07%，全市GDP由541.23億元上升至2868.57億元。主城區（雁峰區、珠暉區、石鼓區、蒸湘區）總面積約為518.55km2，占全市土地總面積的3.39%，是衡陽市政治、經濟、文化中心。主城區建設用地、水域、交通用地的比例和土地利用效益高于其他土地利用區。21世紀以來，主城區交通條件和產業布局的不斷完善，經濟帶動作用不斷增強。

1.2 數據來源及處理 本研究使用空間數據選用2005、2012和2016年分辨率為30m的3期Landsat TM影像，其中，Land TM遙感影像波段組成為4、3、2（RGB），以土地利用方式和覆蓋特征為主要分類依據，采用人機交互目視解譯法，以1∶1萬地形圖數據為參考，應用相關分析并綜合影像特征判定各類地物的邊界，利用ArcGIS插件，生成現狀土地利用專題圖。以此為基礎，使用ArcGIS空間疊置分析功能，生成3個時間段的土地利用變化專題圖;最后通過對照GoogleEarth提供的高分辨率數據視圖并結合野外實地觀察及經驗判定地物類型并驗證預判圖的精度。通過參照《土地利用現狀分類》國家標準（GBT21010-2007），研究區共分為耕地、園地、林地、建設用地、未利用地、水域6類一級類型。

2 研究方法

2.1 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣能夠直觀地反應出各類土地利用類型之間的轉換情況，它不僅可以反映研究期內各類土地利用類型的轉移變化情況，還可以反映出研究期末各土地利用類型的來源與結構。其數學形式為：

2.2 土地利用變化的生態環境效應評價

2.2.1 土地利用類型生態環境質量指數 不同的土地利用類型代表不同生態環境質量差異，根據各土地利用類型的相對生態價值，建立土地利用類型與區域生態環境質量的關聯。通過分析土地利用變化特征，定量分析區域生態環境變化特征[17]。土地利用類型二級分類具有較高的分辨率，且體現了明顯的生態差異性，在確定一級土地利用類型相對生態價值的基礎上，對二級土地利用類型的生態環境質量進行賦值[18]。

（1）一級土地利用類型相對生態服務價值的確定根據謝高地等對中國不同陸地生態系統單位面積生態服務價值評估結果，對不同土地利用類型的生態環境質量進行賦值，定義為不同土地利用類型的相對生態服務價值[19]，詳見表1。

（2）二級土地利用類型相對生態服務價值的確定：在一級土地利用類型相對生態服務價值確定的基礎上，對二級土地利用類型進行生態環境質量賦值，詳見表2。

2.2.2 區域生態環境質量指數 區域生態環境質量指數是指綜合考慮區域內各土地利用類型所具有的生態環境質量及面積比例，用以定量表征某一區域內生態環境質量的總體狀況[20]，其表達式為：

2.2.3 區域土地利用類型轉變的生態貢獻率 區域土地利用變化類型生態貢獻率是指某一種土地利用變化類型所導致的區域生態環境質量的改變[15]，其表達式為：

式中：LEIt+1，LEt—某一土地利用變化類型所反映的變化末期和初期土地利用類型所具有的生態環境質量指數;LA--該變化類型的面積;其他指標解釋同上。

3 結果與分析

3.1 衡陽市主城區土地利用變化特征 根據公式（1），利用GIS的空間分析功能對衡陽市主城區2005、2012和2016年3期數據進行分析，得到2005—2016年、2005—2012年和2012—2016年衡陽市主城區土地利用類型變化幅度、空間分布圖和土地利用類型轉移矩陣，結果如表3、表4和表5所示。

從表3、表4和表5可知，2005—2016年衡陽市主城區各土地利用類型變化總體特征如下：（1）耕地面積明顯減少。2005—2016年耕地面積減少總量為2775.31hm2，年均減少252.30hm2;相較而言，2012—2016年耕地減少幅度小于2005—2012年。2005—2016年土地利用類型轉移面積總量為52900.56hm2，耕地轉出量最大，占轉出總量的32.06%，主要轉化為建設用地、林地和水域。其中，耕地轉化為建設用地主要集中分布于主城區邊緣區及原有農村居民點附近;耕地轉化為水域主要分布于原有河流水面周圍。（2）林地面積先增后減。2005—2016年林地面積增加了34.33hm2，2005—2012年退耕還林是林地面積增加的主要原因，轉入百分比為41.05%;2012—2016年建設用地占用林地面積增加，導致林地面積減少，轉出百分比為37.38%。（3）建設用地明顯增加。2005—2016年建設用地面積增加了3867.12hm2，年均增加351.56hm2;2012—2016年變化速度加快，建設用地轉入量最大，占轉入總量的33.88%，其主要來源于耕地、林地和水域。可見隨著城市化進程的加快，建設用地擴張明顯，主要表現為向中心城區外圍擴張，南拓、北擴和東移。（4）水域面積先增后減，總體呈增加趨勢。12年間水域面積增加了34.63hm2，2005—2012年47.79%水域由耕地轉化而來，2012—2016年39.98%水域由耕地轉化而來。（5）園地和未利用地轉移量占比較小，其轉出方向基本一致，主要轉化為林地、耕地和建設用地。

3.2 生態環境效應

3.2.1 區域生態環境質量變化 根據區域環境生態質量指數模型，計算得到衡陽市主城區2005、2012和2016年的區域生態環境質量指數，詳見表6。由表6可知，2005—2012年間，衡陽市主城區生態環境質量共下降3.75%，其中，2005—2012年衡陽市主城區的生態環境質量指數由0.797上升至0.809，年均上升0.25%;2012—2016年下降1.24%。這表明，2005—2016年衡陽市主城區生態環境質量先增加后下降，但總體上維持著區域生態環境的動態穩定。在各類土地利用類型中，林地、水田和水域的生態環境質量最高，對區域生態環境的貢獻率也最大。

3.2.2 區域土地利用類型生態貢獻率變化 區域生態環境質量維持穩定的同時，區域內生態質量往往同時存在著改善和惡化2種相反的趨勢。在相當程度上，這2種趨勢在一定區域內相互抵消，使其總體趨于穩定。生態環境改善和惡化趨勢可從分析2級土地利用類型變化得出。表7給出了2005—2016年衡陽市主城區導致生態環境改善和惡化的主要土地利用變化類型的面積和貢獻率。

由表7可知，2005—2016年，促進衡陽市主城區生態環境質量改善的主要土地利用變化的驅動因子有退耕還水、退耕還林和建設用地向水域轉化。2005—2012年，退耕還水、退耕還林和建設用地向水域轉化的生態貢獻率占比分別為23.36%、21.79%和19.52%。2005—2016年退耕還水、退耕還林和建設用地向水域轉化的生態貢獻率占比分別為19.67%、23.22%和20.11%。相較而言，2012—2016年退耕還水占比降低，其他基本不變。

2012—2016年，致使衡陽市主城區生態環境質量惡化的主要土地利用變化的驅動因子是城鄉用地規模的擴大、毀林造田和圍水造田。城鄉建設用地規模的擴大主要表現為耕地、林地和水域的轉化。2005—2012年土地利用類型轉化為建設用地、林地轉化為耕地和水域轉化的生態貢獻率占比分別為45.38%、19.04%和16.54%。2012—2016年土地利用類型轉化為建設用地、林地轉化為耕地和水域轉化的生態貢獻率占比分別為46.20%、19.83%和21.50%。總體上，衡陽市主城區盡管同時存在著改善和惡化的2種趨勢，但其總體生態環境質量保持相對穩定的態勢。

4 結論與討論

（1）2005—2016年衡陽市主城區土地利用變化主要表現為：耕地面積顯著減少，建設用地積大量增——園地、其他土地、未利用土地面積持續減少，林地、水域地面積先增加后少。其中，耕地主要轉化為林地、建設用地和水域這3種變化類型分布最為廣泛。耕地轉建設用地主要集中分布于主城區邊緣區及原有農村居民點附近，耕地轉化為水域主要分布于原有河流水面周圍。發生以上轉變的原因主要是退耕還水、還林政策的實施及快速城鎮背景下建設用地的不斷擴張。

（2）2005—2016年衡陽市主城區生態環境在一定程度上保持相對穩定，生態環境變化存在著改善和惡化2種趨勢。從研究結果可以看出，衡陽市主城區生態環境惡化的主要驅動因素是建設用地的擴張，生態環境改善的驅動因素是農業結構調整和生態退耕，即生態服務價值較低的耕地向生態服務價值相對較高的水域轉化;同時對不適宜耕種的坡耕地，有步驟地實施生態退耕。

（3）在城鎮化快速發展背景下，建設用地不斷擴張是必然趨勢，但不能只顧發展而忽視生態環境保護。為維持經濟發展與生態環境之間的相對平衡，要在建設用地不斷擴張的同時，盡可能地對建設用地進行內涵挖潛，提高城市建設用地利用效率，從而滿足城市經濟發展的需求。

參考文獻

[1]Lambin E F，Geist H J.Global land-use and cover change：What have we learned so far[J].Global Change Newsletter，2001，46：27-30.

[2]Diego Valbuena，Peter H Verburg，Arnold K Bregt.A method to define a typology for agent-based analysis in regional land-use research[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2008，128（1）：27-36.

[3]左偉，陳洪玲，王橋，等.基于遙感的山區縣域土地覆被變化的驅動力因子和生態環境效應分析——以重慶市忠縣為例[J].山地學報，2004（02）：240-247.

[4]劉彥隨，陳百明.中國可持續發展問題與土地利用/覆被變化研究[J].地理研究，2002（03）：324-330.

[5]邱金根.喀斯特地區土地利用/覆被變化及其生態環境效應研究[D].重慶：西南大學，2010.

[6]楊雪，談明洪.近年來北京市耕地多功能演變及其關聯性[J].自然資源學報，2014，29（05）：733-743.

[7]Tilman D，Fargione J，Wolff B，et al.Forecasting agriculturally driven globalenvironmental change[J]. Science，2001，292：281-284.

[8]Solomon D，Lehmann J，Zech W.Land use effects on soil organic matter properties of chromic luvisols in semi-arid northern Tanzanua：carbon，nitrogen，lignin and carbohydrates[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2000，78：203-213.

[9]賈宇平，侯志華，安祥生.土地利用變化對土壤有機碳、全氮的影響—以右玉縣牛心堡鄉為例[J].山西農業科學，2016，44（11）：1648-1652.

[10]劉廷祥.東北地區農林交錯帶土地利用變化及其對區域氣溫影響模擬研究[D].長春：中國科學院研究生院（東北地理與農業生態研究所），2012.

[11]楊倩楠，高海東，李占斌，等.干旱區流域土地利用變化對基流的影響[J].水土保持研究，2018，25（03）：317-322，331.

[12]姜雨青，李寶富，宋美帥，等.定量評估我國西北干旱區土地利用變化對植被指數的影響[J].冰川凍土，2018，40（03）：616-624

[13]劉建飛，楊勤科，梁偉，等.近30年來陜北黃土高原土地利用動態變化分析[J].水土保持研究，2009，16（02）：112-116，269.

[14]Overmars K P，Verburg P H.Analysis of land use drivers at watershed and household level linking two paradigms at the Philippine forest fringe[J].International Journal of Geographical Information Science，2005，19（2）：125-152.

[15]張有全，宮輝力，趙文吉，等.北京市1990年～2000年土地利用變化機制分析[J].資源科學，2007（03）：206-213.

[16]張曉明，曹文洪，余新曉，等.黃土丘陵溝壑區典型流域徑流輸沙對土地利用/覆被變化的響應[J].應用生態學報，2009，20（01）：121-127.

[17]張芳怡等，蘇州市土地利用變化的生態環境效應研究[J].水土保持研究，2009（05）：98-103.

[18]秦泗剛.城市邊緣區土地利用變化及其生態環境效應：以西安市城南為例[D].西安：西北大學，2005.

[19]謝高地，魯春霞，肖玉，等.青藏高原高寒草地生態系統服務價值評估[J].山地學報，2003，21（1）：50-55.

[20]李曉文，方創琳，黃金川，等.西北干旱區城市土地利用變化及其區域生態環境效應：以甘肅河西地區為例[J].第四紅研究，2003，23（3）：280-292.

（責編：張宏民）