東北地區土地利用轉型及其生態環境效應

路 昌 張 傲

(1.山東建筑大學 管理工程學院，濟南 250101；2.東北大學 文法學院，沈陽 110169)

土地利用轉型研究作為土地利用/覆被變化(LUCC)研究的一個新視角[1]，指的是在經濟社會變化和革新的驅動下，一段時期內區域土地利用形態發生動態變化的過程[2]。土地利用轉型最早由英國學者Grainger提出[3]，龍花樓等[4]將其引入中國，近10多年來逐漸成為研究熱點，土地利用轉型包括顯性形態轉型和隱性形態轉型，其中，顯性形態主要表現在數量結構和空間分布等方面；而隱性形態主要通過權屬、投入產出和功能等屬性特征來反映[5]。目前，國內研究主要集中在土地利用轉型的內涵和理論[5]、土地利用轉型對社會、經濟和生態[6-7]的影響，以及耕地[8]、建設用地[9]和農村居民點[10]等單一土地類的轉型特征分析等方面。黨的“十八大”指出，社會經濟發展模式應從以生產為主轉變為生產、生態和生活空間(即“三生空間”)的協調發展。在社會經濟發展模式加速轉型時期，土地利用轉型以及產生的空氣污染、濕地萎縮、水土流失和林地退化等生態環境問題大量出現。在此背景下，通過構建土地利用主導功能分類體系，對區域“三生空間”的相互轉變過程進行深入分析，成為研究土地利用轉型的重要切入點[11-12]。

此外，在區域經濟社會轉型發展過程中，土地利用轉型對生態環境造成的影響是重要研究內容之一。近年來成為地理學、經濟學、管理學和環境科學等多學科的研究熱點[7,11]，目前國內已有大量研究，研究區域多集中在長江流域[13]和東部沿海[14]等經濟發達和高度城市化的地區，研究尺度多以流域單元[15]、省域單元[7,14]為主，研究方法多以生態系統服務價值系數法[7]、生態環境質量指數法[13]為主，對糧食主產區來說，糧食安全與生態安全的矛盾較為突出，而經濟發展則相對滯后，以區域尺度對其進行整體定量分析的研究相對較少。

東北地區作為世界僅有的三大黑土區之一，其農業資源十分豐富，同時其工業基礎也較為雄厚，逐漸成為我國重要的糧食主產區和重工業基地；但自20世紀90年代以來，伴隨著城市的擴張以及“以稻治澇”農業結構調整政策的推行，在實際土地利用過程中對以生態功能為主導的土地利用類型重視嚴重不足，大量具有較高生態系統服務價值的地類(如林地、水域等)轉變成了其他地類，嚴重制約著區域“三生空間”的協調發展[16]。因此，本研究基于1995、2005和2015年3期土地利用遙感監測數據，構建土地利用主導功能分類體系，對1995—2015年東北地區土地利用轉型特征及生態環境效應進行定量分析，以期為促進糧食主產區社會經濟發展模式轉變、實現“三生空間”協調發展提供科學參考和決策支持。

1 研究區概況

本研究中的東北地區指的是傳統意義上的“東北三省”，包括黑龍江省、吉林省和遼寧省(不包括加格達奇和松嶺區)，地理坐標38°41′～53°33′N，118°05′～135°06′E。地貌類型以平原和臺地為主，地勢整體呈現“東高西低、北高南低”的態勢，區域差異較大，海拔高差可達2 700 m。東北地區屬溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷漫長，年均日照時數2 411 h，年均降水量585 mm，降水季節分布不均。2015年末區域總人口1.09億，土地總面積78.85×104km2，糧食總產量占全國19.27%，GDP僅占全國8.43%，產業結構以第二產業為主。20世紀90年代，東北地區城市擴張顯著，墾荒高潮又一次出現，土地利用格局變化劇烈，生態環境問題突出；進入21世紀，農業結構調整基本結束，生態環境保護相關政策開始實施，土地利用格局變化速度顯著下降。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

東北地區1995、2005和2015年3期土地利用遙感監測數據來自于中國科學院資源環境科學數據中心的“全國陸地區域的多時相土地利用現狀數據庫”(http:∥www.resdc.cn)，分辨率為100 m，采用土地利用二級分類系統，包括6個一級類型和25個二級類型(表1)，其中一級類的綜合精度94.3%以上，二級類綜合精度91.2%以上[17]。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用主導功能分類

對某一種利用類型的土地來說，本身兼具多種功能，但總是會有其主導功能，依據科學性、主導功能性及實用性的原則，基于行為主體的主觀用地意圖確定各地類的土地利用主導功能，如耕地既有糧食生產功能同時也有調節區域氣候和水土平衡等生態功能，但人類利用耕地的主觀意圖主要在于生產糧食，因此將其劃分為生產用地，最終確定基于“三生空間”的土地利用主導功能分類體系[14,18]。同時，借鑒相關學者[19-20]的研究成果，利用面積加權法得到東北地區各地類的生態環境質量指數(表1)。

表1 東北地區土地利用主導功能分類及其生態環境質量指數

2.2.2土地利用功能結構轉型模型

利用土地利用轉移矩陣分析土地利用功能結構轉型，該方法是通過矩陣來反映一定時期內土地利用格局的變化情況，數學表達式為[13]：

(1)

式中：S為土地面積；n為地類的個數；i為研究初期地類；j為研究末期地類。

2.2.3土地利用功能空間轉型模型

土地利用功能空間轉型分析主要利用重心模型來實現。重心模型通過對一定時期內不同功能類型重心的轉移方向、路徑和距離的具體分析，直觀反映土地利用功能空間轉型的時空變化特征，數學表達式為[14]：

(2)

(3)

2.2.4土地利用轉型的生態環境效應模型

1)區域生態環境質量指數。區域生態環境質量指數(EV)是通過計算各區域(單元)內生產用地、生態用地和生活用地不同的生態質量水平和面積比例，定量描述各區域(單元)整體的生態環境質量狀況。EV的計算基礎是不同時期東北地區三生用地的面積變化數據，并不是對區域生態系統質量指標的直接觀測[19]，利用土地利用網格采樣的方法對EV進行空間化處理，通過計算每個生態單元的EV，以此作為樣點中心的區域生態環境質量指數，數學表達式為：

(4)

式中：EVi為東北地區第i個生態單元的區域生態環境質量指數(i=1,2…,n)；Aij為第i個生態單元內第j種地類的面積；Rj為第j種地類的生態環境質量指數(表1)，n為研究區土地利用類型數量；TAi為第i個生態單元的土地總面積。

2)地統計分析法。利用地統計分析方法實現對區域生態環境質量的空間分析，采用半方差分析法對樣點中心的區域生態環境質量指數進行空間插值，得到東北地區1995、2005和2015年3期生態環境質量分布圖[13]，數學表達式為：

(5)

式中：r(h)為變異函數；N(h)是樣本對總數；Z(xi)和Z(xi+h)分別為生態環境質量指數在xi和xi+h處的數值；h是樣本的空間距離。

3)區域土地利用變化類型生態貢獻率。區域土地利用變化類型生態貢獻率可以用來表征由于土地利用類型的轉變所導致的區域生態質量的變化情況[13]，可以用來分析影響區域生態環境變化的主導因素，數學表達式為：

LEI=(LEt+1-LEt)LA/TA

(6)

式中：LEI是區域土地利用變化類型的生態貢獻率；LEt、LEt+1分別為研究初期和末期某地類的區域生態環境質量指數；LA為該地類的面積；TA為區域土地總面積。

3 結果與分析

3.1 土地利用基本情況

20年間，東北地區土地利用結構以生態用地和生產用地為主，生活用地面積較小，占土地總面積比例均值分別為58.75%、38.76%和2.49%。按照“三生用地”分類體系的一級分類來看，生態用地的變化最為劇烈，由1995年的46.90×104km2減少至2015年的45.85×104km2；其次是生產用地，增長了9 749.12 km2；生活用地持續小幅增加；表明隨著社會經濟的快速發展和農業現代化的逐步推進，東北地區糧食安全與生態安全之間的沖突進一步加劇。按照二級分類來看，農業生產用地和林業生態用地面積最大，農業生產用地主要集中在東北平原地區，林業生態用地集中分布在大小興安嶺、長白山脈和努魯爾虎山地區，其他生態用地面積較小，零星分布于東北平原，占土地總面積比例均值僅為5.00%，表明東北地區土地開發程度處于較高水平，未來可供開發利用的后備土地資源較為缺乏(表2和圖1)。

表2 1995—2015年東北地區土地利用結構變化情況

圖1 1995—2015年東北地區土地利用空間格局

3.2 土地利用轉型分析

3.2.1土地利用功能結構轉型

為進一步分析各功能類型內部轉移情況，利用土地利用類型轉移矩陣模型，得到表3和表4，可以發現，東北地區1995—2015年土地利用功能結構轉型的基本特性如下：

1)1995—2005年，主要轉型特征為農業生產用地增加，林業和牧業生態用地減少。生產用地中，農業生產用地的主要轉入功能地類為林業生態用地，轉移比例是10.79%；工礦生產用地主要轉出方向是農業生產用地、林業生態用地和水域生態用地，比例分別為17.59%、10.61%和10.28%。生態用地中，林業和牧業生態用地減少的主要去向均是農業生產用地，轉移面積分別為32 978.32和11 861.05 km2；水域和其他生態用地主要轉入來源均是農業生產用地，轉移比例分別為17.57%和16.42%。生活用地中，城鎮生活用地主要轉入來源是農業生產用地，比例為22.62%；農村生活用地主要轉出方向是農業生產用地，比例為68.98%。

2)2005—2015年，主要轉型特征為農業生產用地增加，林業生態用地和其他生態用地減少，各地類相互轉移趨勢逐步放緩，整體土地利用功能結構趨于穩定。生產用地中，農業生產用地主要轉入來源是林業生態用地；工礦生產用地主要轉入來源是農業生產用地，轉移面積為382.90 km2。生態用地中，林業生態用地、牧業生態用地、其他生態用地主要轉出方向均是農業生產用地，比例分別為0.85%、2.16%和4.61%；水域生態用地主要轉入來源是農業生產用地，比例為1.11%。生活用地中，城鎮生活用地主要轉入來源是農業生產用地，比例為13.70%；農村生活用地主要轉出方向是農業生產用地和城鎮生活用地，比例分別為2.47%和0.51%。

3.2.2土地利用功能空間轉型

利用ArcGIS 10.2“空間格局統計”工具得到1995—2015年東北地區各功能用地重心變化圖(圖2)，深入分析土地利用功能轉型的空間特征。

生產用地中，農業生產用地和工礦生產用地的重心均位于東北地區幾何重心的南部，研究期間分別持續朝西北方向和東北方向偏移，空間分布不均衡性均有所緩和。1995—2015年遼寧省農業生產用地減少了767.29 km2，吉林省和黑龍江省分別增加了2 686.00和7 443.90 km2，農業生產用地的重心持續向北偏移。1995—2015年遼寧、吉林和黑龍江省工礦生產用地分別增加了216.68、116.91和114.69 km2，省域之間差距縮小，工礦生產用地的重心由鐵嶺市逐漸向北偏移到四平市。

生態用地中，林業生態用地和水域生態用地重心位于東北地區幾何重心的西南方向，牧業生態用地和其他生態用地重心位于幾何重心的西北方向。其中，1995—2015年林業生態用地重心持續向東北方向偏移5.32 和4.94 km，空間分布不均衡性有所緩和。1995—2005年牧業生態用地重心向西北方向偏移17.30 km，2005—2015年向東偏移1.49 km，省域之間面積差距逐漸擴大，空間分布不均衡性進一步加劇。研究期間水域生態用地重心向東南方向偏移24.00 km，向東北方向偏移0.79 km，空間分布不均衡性進一步加劇。其他生態用地重心先是向西南方向偏移18.93 km，然后向東南方向偏移2.71 km，三江平原和松嫩平原眾多濕地因人類的土地開發利用而大量減少，遼河平原的沙地和裸地等地類持續增加，省域之間面積差距縮小，空間分布不均衡性有所緩和。

表3 1995—2005年東北地區土地利用變化轉移矩陣

表4 2005—2015年東北地區土地利用變化轉移矩陣

圖2 1995—2015年東北地區各功能用地重心動態變化

生活用地中，城鎮生活用地和農村生活用地均位于東北地區幾何重心的西南方向，空間分布不均衡性均有所緩和。1995—2005年城鎮生活用地重心向東北方向偏移14.76 km，2005—2015年向東南方向偏移10.58 km，遼寧省作為東北地區經濟發展中心，在經濟發展水平、城市化進程和人口等方面均領先于黑龍江省和吉林省，但東北地區區域整體經濟活力欠缺，發展速度緩慢，城鎮生活用地增加幅度較小。1995—2005年農村生活用地重心向西北方向偏移5.92 km，2005—2015年向西南偏移1.94 km，研究期間黑龍江、吉林和遼寧省農村生活用地分別減少了258.73、102.88 和268.34 km2。

3.3 土地利用轉型的生態環境效應

利用ArcGIS 10.2中的Geostatistics Analyst工具對東北地區1995、2005和2015年EV數據樣本進行常規統計，結果表明三期EV數據均接近于正態分布，具有空間相關性，適用于普通克里金法進行空間插值[17]。在球面、三角、指數、高斯和K-Bessel 5種半變異函數模型中，采用指數函數得到三期EV空間插值方案的檢驗參數均為最優。因此，本研究的空間插值方法為普通克里金法，指數函數為半變異模型。依據自然斷點法并根據研究區實際情況進行小數取整等細微調整之后，將東北地區區域生態環境質量劃分為低質量區(EV<0.30)、中低質量區(0.30≤EV<0.45)、中質量區(0.45≤EV<0.60)、中高質量區(0.60≤EV<0.75)、和高質量區(EV≥0.75)共5級。

3.3.1生態環境質量結構變化分析

東北地區1995、2005和2015年區域生態環境質量指數分別為0.581、0.577和0.575，研究期間東北地區整體生態環境質量持續惡化。1995—2015年，低質量區是面積變化最為劇烈的類型區，其面積持續增加，占土地總面積的比例由15.99%增長至17.99%，年均增長788.25 km2，近10年增長趨勢有所放緩；中低質量區前期減少后期增加，比例基本維持在21%左右，整體上小幅減少；中質量區和中高質量區均是持續減少的變化趨勢，前期變化劇烈后期變化較為平緩；高質量區占土地總面積的比例均在35%以上，占據東北地區生態環境的主體地位，前期增加后期減少，整體上小幅增加，近10年減少趨勢明顯(表5)。

3.3.2生態環境質量空間差異分析

1995—2015年，東北地區土地利用區域生態環境質量基本上表現出“東高西低、北高南低”的空間分布特征，區域差異明顯，整體空間格局變化較小(圖3)。

2015年，東北地區生態環境質量的低質量區和中低質量區主要分布在三江平原、松嫩平原、遼河平原和遼東半島地區，主要為平原和丘陵，地類主要為農業生產用地和其他生態用地。中質量區廣泛分布于東北地區境內，是分布最為廣泛的類型區，主要分布的是農業生產用地和林業生態用地，空間分布范圍的持續減少。中高、高質量區主要分布在大小興安嶺、長白山、千山和努魯爾虎山地區，在三江平原也有部分分布，地貌類型主要為山地和丘陵。其中，中高質量區主要為林業生態用地和農業生產用地，而高質量區的林業生態用地面積占比高達91.30%(圖3)。

表5 1995—2015年東北地區生態環境質量等級面積變化

圖3 2015年東北地區生態環境質量空間分布

結果表明，東北地區不同生態環境質量類型區的時空變化特征與區域社會經濟發展水平、城市化進程和農業開發進程基本保持一致。1995—2005年，隨著市場經濟的快速發展以及當地政府推行“以稻治澇”種植模式，農戶為追求更高的經濟效益，墾荒高潮又一次出現，大量生態用地轉變為農業生產用地，低質量區面積大幅增加，中等質量等級(0.30≤EV<0.75)地區大幅減少。2005—2015年，東北地區農業開發進程逐漸放緩，隨著相關生態保護政策的推行和濕地保護修復工程的建設，生態環境保護工作全面展開，一定程度上影響了區域土地利用格局變化方向，研究后期低質量區面積增加趨勢、中質量區面積減少趨勢均明顯放緩。

3.3.3影響生態環境質量的主要用地轉型分析

利用區域土地利用變化類型生態貢獻率對東北地區生態環境質量改變的主要用地轉型類型進行分析，得到表6。

由表6可知，1995—2015年，農業生產用地轉變為林業、牧業和其他生態用地，牧業和其他生態用地轉變為林業生態用地，是導致東北地區生態環境質量改善的主要用地轉型類型，5種類型占貢獻率比重達到86.29%；林業、牧業和其他生態用地被開發利用為農業生產用地，以及林業生態用地轉變成牧業和其他生態用地，則是生態環境惡化的主要類型，5種類型占貢獻率比重達到86.44%。2005—2015年，農業生產用地轉變為林業、牧業、水域和其他生態用地，牧業轉變為林業生態用地，是改善東北地區生態環境質量的主要用地轉型類型，貢獻率比重達到92.06%；林業、其他、牧業和水域生態用地被開發利用為農業生產用地則是生態環境惡化的最主要類型，貢獻率比重達到88.92%。總體而言，東北地區影響生態環境質量的用地轉型類型前期后期整體趨勢基本相同，且均基本集中于前五種類型。東北地區同時存在著生態改善和生態惡化的2種變化，但是生態環境惡化大于生態環境改善，總體生態環境質量持續惡化。

表6 東北地區影響生態環境質量的主要用地轉型及貢獻率

4 結論與討論

本研究基于土地利用遙感監測數據，從土地利用主導功能的角度出發，構建基于“三生空間”的土地利用主導功能分類體系，采用土地利用轉型分析模型和生態環境效應分析模型，對東北地區1995—2015年土地轉型特征及生態環境效應進行了分析，主要結論如下：

1)1995—2015年，東北地區土地利用功能結構轉型主要表現為：按照一級分類來看，生產用地持續增加、生態用地持續減少和生活用地小幅增加，前期劇烈后期趨緩；按照二級分類來看，農業生產用地和城鎮生活用地持續增加，林業、牧業和其他生態用地大量減少，工礦生產用地、水域生態用地和農村生活用地較為穩定。

2)1995—2015年，東北地區土地利用功能空間轉型主要表現為：各類功能用地的空間分布表現出較為明顯的地域差異性和不均衡性，農業生產用地、牧業生態用地和水域生態用地的空間分布不均衡性進一步加劇，其他地類的空間分布不均衡性有所緩和。水域生態用地和其他生態用地重心向南偏移，其他地類重心均向北偏移，其中城鎮生活用地的重心先向東北偏移后向東南方向偏移。

3)東北地區區域生態環境質量指數從1995年的0.581持續下降至2015年的0.575，東北地區整體生態環境質量持續惡化。研究期間高質量區始終占據主體地位，但中高質量區和中質量區面積大量減少，低質量區面積大量增加，則是區域整體生態環境質量下降的主要原因。

4)1995—2015年，東北地區同時存在著生態改善和生態惡化的2種變化趨勢，生態環境惡化大于生態環境改善，總體生態環境質量持續惡化，研究前期與研究后期整體變化趨勢基本相同。農業生產用地轉變為林業生態用地是影響生態環境改善的主要因素，林業生態用地轉變為農業生產用地是影響生態環境惡化的主要因素。

通過分析發現，東北地區土地利用轉型及生態環境質量的時空變化特征與區域社會經濟發展水平、城市化進程、農業開發進程基本保持一致。有研究表明長江流域、東部沿海等經濟發達和高度城市化地區近20年間土地利用轉型特征主要表現為農業生產用地大量減少和生活用地大量增加，區域生態環境質量惡化的主要影響因素是農業生產用地轉變為生活用地[13-14]，而東北地區土地利用轉型特征主要表現為生態用地大量減少和農業生產用地的大量增加，區域生態環境質量惡化的主要因素是生態用地轉變為農業生產用地。由此可看出，近20年間，東北糧食主產區土地利用轉型及其生態環境效應特征具有一定的獨特性。東北地區作為我國重要的糧食主產區之一，對其土地利用轉型及生態環境效應特征的分析，具有一定的代表性，另一方面，考慮到我國不同糧食主產區在種植制度、自然環境、社會經濟等條件均存在著較為明顯的差異，受此影響，土地利用轉型進程和生態環境效應特征均不盡相同，未來需要選取多個糧食主產區進行對比分析，進而更為準確揭示我國糧食主產區土地利用轉型及生態環境效應的特征。