黑河流域中段甘州區土地利用和生態環境協調研究

鄢繼選, 孫棟元, 喬蕻強, 鄭志琴

黑河流域中段甘州區土地利用和生態環境協調研究

鄢繼選1, 孫棟元1, 喬蕻強2, 鄭志琴2

1. 甘肅農業大學水利水電工程學院, 蘭州 730070 2. 甘肅農業大學管理學院, 蘭州 730070

借助于熵權法、耦合協調度研究甘州區土地利用與生態環境的關系, 為黑河流域中游甘州區的土地利用變化及生態環境保護指明方向。結果表明: ①甘州區由2003—2017年的土地利用綜合指數由0.2613上升到0.6545, 增幅150%; 生態環境綜合指數由2003年0.3809上升到2017年的0.4716, 增幅23.81%, 土地利用綜合指數和生態環境綜合指數都在持續提升。②甘州區土地利用與生態環境的耦合度整體呈現出上升的態勢,處于中級耦合發展生態環境滯后型。③通過關聯分析可知, 土地利用綜合程度指數、三廢排放量分別作為甘州區土地利用和生態環境最主要的影響因素, 今后適當加強土地利用程度, 減少三廢排放量, 以促進土地利用與生態建設良好協調發展。

土地利用; 生態環境; 耦合協調度; 甘州區

0 前言

二十世紀以來, 生態環境的明顯變化引起國際社會的廣泛關注, 土地利用被普遍認為是生態環境變化最重要的驅動力, 所以有效地協調區域土地利用與生態環境關系問題顯得十分重要[1]。然而, 自上世紀八十年代以來, 由于工業化和城市化的高速發展, 城郊結合區域成為建設用地開發利用最快且最多的區域, 造成農用地面積急劇減少, 使區域生態氣候發生了變化[2], 同時對生態系統演變以及生物多樣性等造成了影響[3]。因此, 學者開始深入研究如何協調土地利用和生態環境的關系, 為區域生態環境建設提供理論依據。

土地利用與生態環境相互關系的內涵是人地關系和諧發展。1865年, Marsh首次在《Man and Nature》一書中提出工業化快速增長會造成自然環境利用范圍的擴大[4], Gegur等學者提出了土地資源的不合理利用是生態環境破壞的重要影響因素[5]。進入21世紀, 3S技術的應用為生態變化和土地利用的研究提供了新的方法[6]。我國學者童紹玉在研究農用地對生態環境的外部性影響時, 分析了農用地對區域生態環境的正外部性影響, 并強調農用地兼有生產功能和生態功能[7]。劉杰等在研究人為活動對生態環境的影響時, 采用了統計與對比的分析方法, 重點研究建設用地, 指出擴大建設用地不僅影響人們的行為方式, 而且會給生態環境帶來不良影響[8]。沈佩瑜在研究交通用地與生態環境的相互關系時, 采用空間分析的方法, 發現在交通用地中公路用地對生態環境的不良影響最大, 而且公路用地的擴張會對其周邊的生態環境構成很大的威脅[9]。同時, 人們開始意識到土地利用變化將引起生態環境的變化, 生態環境的變化同時限制了土地利用, 二者相互影響并且互相牽制[10]。因此, 一些區域開始進行土地利用和生態環境的耦合關系研究, 注重調控土地利用方式。

甘州區處于祁連山國家級自然保護區, 是我國“西菜東運”的樞紐和國家商品糧生產基地。甘州區綜合了城鄉結合地帶、綠洲農業區、生態脆弱區, 面臨大城市和大農村發展、第三產業發展和特色農業種植, 城市建設用地擴張與農地保護之間的矛盾, 最終都使甘州區的土地利用結構發生了很大的變化, 同時也給甘州區帶來了一系列生態問題, 危及到整個黑河流域的生態安全建設。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

甘州區介于38°32′—39°24′N, 100°6′—100°52′E之間, 北靠內蒙古自治區的阿拉善右旗、南連民樂、東接山丹縣、西鄰臨澤縣。地處黑河流域中游, 是張掖市的政治, 經濟, 文化和交通中心, 同時也是古代絲綢之路上重要節點, 區域行政總面積4240 km2, 海拔1410—3600 m。甘州區為典型的溫帶大陸性氣候, 全年降水多集中在6—9月, 全年多西北風, 平均氣溫7℃, 干旱、風沙、冰雹、霜凍是該地區常見的自然災害。全區植被覆蓋率低于60%, 典型特點是樹種單一, 植被稀疏, 群落外觀趨同。2017年甘州區現轄22個鄉鎮, 243個行政村。全區總人口為51.63 萬人, 其中非農業人口占總人口的38.9%。截止2017年年底全區GDP總量為25.31 億元, 其中非農業產值17.23 億元, 占GDP總量的68.08%, 人均收入達到13001 元。

1.2 數據來源

考慮到研究區域計量指標和數據的易獲取性、連續性和準確性, 本文所采用的2003—2017年甘州區的部分數據來自《甘州區統計年鑒》與《甘州區國民經濟和社會發展統計公報》, 還有部分數據來源于第二次土地調查和年度變更資料。

1.3 研究方法

(1)標準化處理

本文研究采用處理方法是極差標準化處理消除各個指標在量綱以及數量級上的差別, 使得各指標值在0-1間。極差標準化處理所運用的公式如下:

式中,x為指標原始值, rij表示標準化后的某一個指標值,為指標個數, 相應取值為1-20,為年份( 2003—2017年), 取值范圍為1—15, ximax為第個指標最大值, ximin為第個指標最小值。

(2)權重的確定。為了指標權重更具科學性, 避免人為因素的影響, 本文采取熵值法來確定指標權重。

(1)計算熵值。在個指標,個被評價對象的評價問題之中, 將第個指標的熵值定義為E, 熵值計算[11]公式如下:

(2)計算指標的差異性系數。定義第個指標的差異性系數為e, 差異性系數的計算公式如下⑶:

(3)確定指標權重。定義第個指標的權重為w, 權重的計算見公式⑷:

(3)土地利用與生態環境耦合性研究

在學者們對兩個不同系統的耦合度或者協調度的研究基礎上, 構造分析評價模型。在計算出土地利用綜合指數與生態環境綜合指數后, 基于離差系數構建土地利用和生態環境耦合關系分析評價模型。當離差越小, 表明土地利用和生態環境間的耦合水平越高, 同時協調程度也越高; 反之則越低。

式中:W為土地利用第個指標權重;X為其標準化值;為描述土地利用狀況的指標個數。

式中:A為第個生態環境指標權重; Yi為其標準化值;為描述生態環境水平的指標個數。

與的離差越小, 說明土地利用與生態環境之間的協調程度越高并且耦合水平也越高, Cv表示離差系數, 如下:

式中: S為和的標準差。

當Cv為極小值時, 得土地利用與生態環境之間耦合度公式:

式中:數值越大, 說明土地利用與生態環境耦合程度越高, 表明該系統是有序的協調關系; 反之則表明系統是失調關系。為調節系數, 在土地利用和生態環境耦合研究中, 調節系數一般取=2[12]。

構建了兩者的耦合發展度模型, 令土地利用與生態環境的綜合效益的描述能夠更清晰、準確, 其能進一步反映土地利用系統和生態環境系統的總體發展水平, 判斷土地利用與生態環境交互耦合的協調發展程度(耦合發展度), 其公式如下:

(4)耦合性評判依據

依據國內外眾多學者對耦合性的研究成果[13-15], 再全面綜合考慮甘州區的實際情況, 把土地利用和生態環境耦合發展劃分為6個發展類型與18個綜合評價結果, 具體見表1。

2 結果與分析

2.1 指標系統構建

本文綜合國內外學術研究的基礎上[15-16], 結合甘州區實際情況對土地利用與生態環境評價指標體系進行構建。土地利用的內涵包括土地利用結構、土地利用程度、土地利用效果以及土地利用污染四個方向綜合土地利用系統的特征, 生態環境的內涵包括生態涵養能力、生態環境指數、生態環境壓力以及生態環境保護四個方面綜合生態環境系統的特征[17-18]。考慮到數據的真實性、規范性和易獲取性, 本文選取28項指標作為評價指標, 見表2。

(1)土地利用結構。本文以區域優勢為根據, 選取耕地比例、林地比例、水域比例以及土地總面積, 其中水域比例=水域面積/土地總面積。

(2)土地利用程度。在土地利用程度本文選取了人口密度、土地利用綜合程度指數、人均耕地面積、復種指數以及耕地有效灌溉率。人口密度=行政區域內人口數/行政面積, 復種指數=全年播種(或移栽)作物的總面積/耕地總面積, 耕地有效灌溉率=耕地灌溉有效面積/耕地灌溉總面積, 人均耕地面積=耕地面積/行政區域內總人數。運用劉紀遠之前所提出的數量化方法[19], 把土地利用強度按土地自然綜合體在社會因素下以自然平衡保持狀態進行劃分為4級: 未利用土地級,林、草以及水域用地級, 農業用地級以及城鎮聚落用地, 并分別將指數設定為1、2、3、4, 計算公式如下:

表1 土地利用與生態環境耦合發展分類標準

表2 甘州區土地利用與生態環境關系評價指標體系

該式子中,為土地利用程度綜合指數; Ai為第i級的土地利用程度分級指數; Ci為第級土地利用分級面積百分比;為土地利用分級指數, n=4。土地利用程度反映土地利用中土地本身的自然屬性, 另外還反映了人為因素與自然因素對土地利用方式的綜合效應[20]。

(3)土地利用效益: 選取糧食單位面積產量、地均GDP以及地均農業生產總值。具體來說, 糧食單位面積產量=糧食總量/耕地面積, 地均GDP=糧食總量/土地總面積, 地均農業生產總值=農業的生產總值/土地總面積。

(4)生態環境效益: 選取地均工業生產總值與人均建設用地面積。具體來說, 地均工業生產總值=工業生產總值/土地總面積, 人均建設用地面積=行政區域內人口數/建設用地面積。

(5)生態環境壓力: 選取單位建設用地三廢排放量與單位耕地化肥施用量。具體來說, 單位建設用地三廢排放量=三廢排放量/建設用地總面積, 單位耕地化肥施用量=耕地面積/化肥施用量。

(6)生態環境水平: 選取人均造林面積、人均水資源量以及人均公共綠地。具體來說, 人均造林面積=新造林地面積/行政人口, 人均水資源量=水資源總量/行政人口, 最后, 人均公共綠地=公共綠地面積/行政人口。

(7)生態環境指數。生態環境指數指的是各土地利用類型的生態環境質量及面積比例[21]。生態環境狀況指數(Ecological Index)=0.25×生物豐度指數+0.2×植被覆蓋指數+0.2×水網密度指數+0.2×土地退化指數+0.15×環境質量指數

其中生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地退化指數以及環境質量指數具體計算如下:

生物豐度指數=×(0.5×森林面積+0.3×水域面積+0.15×草地面積+0.05×其它面積)/區域面積, (式中: 生物豐度指數的歸一化系數)[22]。

植被覆蓋指數=×(0.5×林地面積+0.3×草地面積+0.2×農田面積)/區域面積, (式中: 植被覆蓋指數的歸一化系數)。

水網密度指數=×河流長度/區域面積+×湖庫( 近海) 面積/區域面積+×水資源量/區域面積, (式中: 河流長度的歸一化系數;湖庫面積的歸一化系數;: 水資源量的歸一化系數)。

土地退化指數=×(0.05×輕度侵蝕面積+0.25×中度侵蝕面積+0.7×重度侵蝕面積)/區域面積, (式中: 土地退化指數的歸一化系數)。

污染負荷指數=(×0.4×排放量+Asol× 0.2×固廢排放量)/區域面積+×0.4×COD排放量/區域年均降雨量, (式中ASO是SO2排放量的歸一化系數;是固廢排放量的歸一化系數;是COD排放量的歸一化系數)。

2.2 標準化及指標權重計算

由于數據來源較廣而且數據的量綱不同, 需要對數據進行無量綱化處理。首先對原始數據進行分類和編碼, 再對原始數據進行標準化處理。根據熵權系數法(3)與(4)來計算土地利用與生態環境指標層的權重, 詳見表3。

表3 甘州區土地利用和生態環境指標權重

2.3 土地利用與生態環境的耦合關系

(1)土地利用與生態環境的耦合關系

將2003—2017年甘州區各項指標數據代入所構建的模型中, 計算甘州區2003—2017年土地利用與生態環境的耦合度, 再根據前文的分類標準, 可知甘州區2003—2017年土地利用與生態環境的交互耦合結果, 詳見表4。

根據表4可以可知, 2003—2017年, 甘州區土地利用綜合指數處于穩步提升的趨勢, 從2003年的0.2613上升至2017年的0.6545, 說明甘州區土地利用程度不斷提高。甘州區生態環境綜合指數從2003年的0.3809下降至至2004年的0.3471; 2004年至2006年生態環境綜合指數從0.3471上升至0.5561; 在2007—2017年生態環境綜合指數總體上升, 但是在2009、2010、2014年有波動, 說明生態環境總體有所改善, 但是還存在許多不合理利用資源的問題, 對生態環境造成了影響。

根據表4可以可知, 2003—2017年, 甘州區土地利用與生態環境的耦合發展度從2003年的0.5470提高到2017年的0.7306, 說明土地利用與生態環境兩者的耦合處于遞增狀態, 總體狀況向利好趨勢轉變, 但耦合程度較低。15年間, 耦合發展度經歷了勉強耦合, 初級耦合, 中級耦合三個階段, 具體是2003—2004年的勉強耦合發展的土地利用滯后型到同步型, 2005—2011年的初級耦合發展的土地利用滯后型到同步型, 2012—2017年的中級耦合發展的兩者同步型到生態滯后型, 說明從2003年的土地利用滯后轉變到2017年的生態環境保護滯后, 原因是黑河流域屬于我國西北的生態屏障保護區域, 首要工作就是要保護黑河流域的生態環境, 各級政府重視對黑河流域生態系統建設, 而且甘州區是黑河中游的重心城鎮建設區域, 經濟發展水平不高, 減少對土地開發利用。2004年后, 隨著甘州區社會經濟的發展, 土地利用逐漸趨向粗放, 并對生態環境造成了一定的影響, 尤其是2017年祁連山生態環境事件的通報, 說明了發展過程中對生態環境的保護不力, 給區域生態系統保護造成很大的壓力, 尤其是甘州區作為祁連山自然保護區的重心城鎮建設區域, 土地開發利用與生態保護之間的矛盾進一步加劇。

(2)土地利用系統各因子關聯狀況

為了進一步研究影響土地利用和生態環境變化的因素, 以利于調控對策的制定。因此, 本節運用了灰色關聯度分析法, 分析土地利用、生態環境各系統內部間的關聯狀況, 厘清影響因素及影響大小。

以2003—2017年土地利用的各項指標的原始數據作為子序列, 母序列為以2003—2017年間的土地利用綜合指數, 先運用標準化對原始數據進行轉化, 再通過數據處理系統軟件分析得到土地利用綜合指數與各因子的關聯序[23-24], 詳見表5。

表4 甘州區土地利用與生態環境交互耦合分析結果

表5 土地利用各因子與土地利用綜合指數的關聯序

通過關聯分析結果可以看出, 土地利用綜合指數與土地利用各因子之間的關聯度由高到低的排列次序是X、X、X、X、X、X、X等, 具體上看其所對應的準則層是土地利用綜合程度指數、復種指數、耕地有效灌溉率、林地比例、糧食單位面積產量、人口密度、地均GDP、地均農業生產總值, 依次反映了對土地利用綜合指數的影響大小。具體來看, 土地利用綜合指數從2003年的245.52增加到2017年的264.58, 糧食單位面積產量從2003年的4570.7 增加到2017年的6142.9 kg·hm-2, 地均GDP從2003年的101.42增加到2017年的428.16萬元·km-2, 地均農業生產總值從2003年的52.25增加到2017年的178.59 萬元·km-2, 復種指數從2003年的0.71增加到2017年的1.12, 人口密度從2003年的114.78增加到2017年的138.81 人·km-2, 以上數值的變化說明甘州區在2003—2017年土地利用效益和產值不斷增加, 同時也使土地利用綜合指數進一步提高的原因。

(3)生態環境系統各因子關聯狀況

以2003—2017年生態環境的各項指標的原始數據作為子序列, 母序列為2003—2017年間的生態環境綜合指數, 運用標準化對原始數據進行轉化, 再通過數據處理系統分析得出生態環境綜合指數和各因子的關聯序[25], 詳見表6。

綜上關聯分析結果可知, 各因子與生態綜合指數之間的關聯度依次是Y、Y、Y、Y、Y、Y、Y, 相對應單位建設用地三廢排放量、單位耕地化肥施用量、生態環境指數、人均公共綠地、人均水資源量、地均工業生產總值、人工造林面積、人均建設用地面積, 依次反映了對生態綜合指數的影響大小。具體數據上來看, 單位建設用地三廢排放量從2003年660.88下降到2017年的234.16 t·hm-2, 單位耕地化肥施用量從2003年1873.27下降到2017年的1120.82 t·hm-2, kg·hm-2、生態環境指數從2003年0.538增加到2017年的0.5707, 人均公共綠地的從2003年12.55增加到2017年的21.45m2·人-1, 人均水資源量從2003年18.37增加到2017年的21.45 L·人-1, 地均工業生產總值從2003年的66.17增加到2017年的306.6 萬元·km-2, 人工造林面積從2003年的0.02增加到2017年的0.06 m2·人-1, 這些因子的變化說明隨著經濟的發展, 甘州區的生態污染降低, 生態覆被面積增大, 生態系統整體在好轉, 今后應繼續增加環境治理經費, 提升環保意識。

3 結論與討論

3.1 討論

在土地利用與生態環境二者關系中, 人們對土地的利用是主導因素, 如果人們按照客觀規律合理的利用土地, 就會使土地資源及生態環境能保持良好的耦合狀態; 相反, 如果利用不合理, 則會導致地力下降、生態環境惡化。通過對甘州區的研究發現, 社會經濟的發展促使土地利用程度提高, 加大了對生態環境的干擾, 由于缺乏良好的生態保護機制, 導致兩者的耦合中出現生態滯后狀態, 而且耦合度低, 潘竟虎、石培基的研究也證明了這一點[26-27]。研究生態耦合度對區域人地和諧發展具有十分重要的作用, 其研究結果與實地調研結果一致, 充分說明了研究區域生態保護的緊迫性。土地利用與生態環境之間耦合度的提高是一個長期的、漸進的過程, 只有把土地利用和生態環境建設兩者并重, 因此, 政府要制定科學的發展規劃, 才能達到土地利用效益和生態環境效益同步耦合發展。

表6 生態環境各因子與生態環境綜合指數的關聯序

3.2 結論

(1)甘州區土地利用綜合指數和生態環境綜合指數都呈現增加態勢。其中土地利用綜合指數從2003—2017年土地利用綜合指數從2003年0.2613增加到2017年的0.6545, 增幅達150%; 生態環境綜合指數從2003年0.3809增加到2017年的0.4716, 增幅達23.81%。

(2)2003—2017年甘州區土地利用和生態環境二者耦合協調度不斷上升, 目前處于中度耦合狀態。耦合發展類型經歷了2003—2004年的勉強耦合發展的土地利用滯后型到同步型, 2005—2011年的初級耦合發展的土地利用滯后型到同步型, 2012—2017年的中級耦合發展的兩者同步型到生態滯后型。

(3)關聯分析可知, 對土地利用影響由高到低依次是土地利用綜合程度指數、復種指數、耕地有效灌溉率、林地比例和糧食單位面積產量。對生態環境影響由高到低依次是單位建設用地三廢排放量、單位耕地化肥施用量、生態環境指數、人均公共綠地、人均水資源量、地均工業生產總值、人工造林面積和人均建設用地面積。政府根據各因子的影響大小, 制定對策調控兩者的關系。

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The middle of Heihe basin Ganzhou district land utilization and ecological environment coordinated research

Yan Jixuan1, Sun Dongyuan1, Qiao Hongqiang2, Zheng Zhiqin2

1. College of Water Resources and Hydropower Engineering, Gansu Agricultural University, Gansu Lanzhou 730070, China 2. College of Management, Gansu Agricultural University, Gansu Lanzhou 730070, China

The article studies the relationship between land use and ecological environment in Ganzhou District by means of entropy weight method and coupling coordination degree, and points out the direction of land use change and ecological environment protection in Ganzhou District in the middle reaches of Heihe River Basin. The results show that the comprehensive index of land use in Ganzhou district increased from 0.2613 to 0.6545, with an increase of 150%; the comprehensive index of ecological environment increased from 0.3809 in 2003 to 0.4716, with an increase of 23.81%, and the comprehensive index of land use and ecological environment continued to increase. The coupling degree of land use and ecological environment in Ganzhou increased as a whole, which was in the middle stage of coupling development and the lagged type of ecological environment. Through the correlation analysis, it can be seen that comprehensive degree index of land use and the emission of three wastes are the most important influencing factors of land use and ecological environment in Ganzhou district. In the future, we should strengthen the degree of land use and reduce the emission of three wastesto promote the coordinated development of land use and ecological construction.

land use; ecological environment; coupling cooperation; Ganzhou District.

鄢繼選, 孫棟元, 喬蕻強, 等. 黑河流域中段甘州區土地利用和生態環境協調研究[J]. 生態科學, 2021, 40(1): 95–102.

Yan Jixuan, Sun Dongyuan, Qiao Hongqiang, et al. The middle of Heihe basin Ganzhou district land utilization and ecological environment coordinated research[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 95–102.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.013

F301.2

A

1008-8873(2021)01-095-08

2020-01-02;

2020-10-18

國家重點研發計劃項目(2016YFC0402900, 2016YFC0402902); 甘肅農業大學水利水電工程學院青年教師科技創新基金(項目編號: SLSDXY- QN2018-4); 甘肅省高等學校科研項目(2017A-034); 甘肅農業大學盛彤笙科技創新項目(GSAU-STS-1747)

鄢繼選(1983—), 男, 甘肅西峰市人, 博士研究生, 講師, 研究方向為大地測量學、航空攝影遙感。E-mail: yanjx@gsau.edu.cn