沈陽市2000—2020年土地利用變化及其生態(tài)效應分析

張舒涵，姜海玲，王麗遙，陳光義，于海淋

(吉林師范大學 旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000)

0 引言

隨著人口的急劇增長和城市化的快速發(fā)展，生態(tài)系統的結構和功能受到極大干擾[1]。經濟的飛速發(fā)展導致生物多樣性下降、水土流失和土地退化[2]，高密度的人類活動迅速改變土地利用變化模式，導致生態(tài)系統穩(wěn)定性下降，威脅生態(tài)安全[3]，極大地影響了城市環(huán)境狀況。

草林地的隨意砍伐、耕地退化一直是生態(tài)平衡中的重要議題[4]。土地利用變化是各區(qū)域環(huán)境變化分析的中心內容，土地資源的合理分配關系著生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定發(fā)展，決定能否給人類生產生活帶來一系列正面影響[5]。土地利用變化與結構轉型是人地關系間最主要的體現形式[6]，具有復雜的時空變化特征，是引起生態(tài)環(huán)境質量變化的重要影響因素之一[7]。合理的土地規(guī)劃是區(qū)域生態(tài)文明建設的基礎，不合理的土地利用甚至土地擴張將給自然環(huán)境與人類生活帶來很多不可逆的影響，如水土流失嚴重、土地的荒漠化、土地鹽堿化、建設用地與耕地、草地之間難以取舍平衡等問題，這些問題在未來的城市發(fā)展中會變得日益嚴峻，大大限制城市的生態(tài)文明建設與可持續(xù)發(fā)展理念的實施。

近年來學者們從不同視角探析土地利用問題，深入分析生態(tài)效應，開展了大量綜合性研究。國際上學者指出分析土地利用變化的驅動因素過于單一，將陸續(xù)轉向設計可持續(xù)的土地轉型[8]。Long等[9]建立了區(qū)域土地利用轉型的理論模型，探討了土地利用轉型與土地管理相互反饋的機制。在國內，林柳璇等[10]結合土地利用轉移矩陣分析法、動態(tài)度對廈門市土地變化過程進行動態(tài)監(jiān)測與分析。葉晶萍等[11]借助ArcGIS和Frgstats4.2軟件，探究分析尋烏水流域的土地利用動態(tài)變化及其引起的景觀格局演變，同時運用遙感生態(tài)指數評價研究期內生態(tài)環(huán)境質量時空演變，進行生態(tài)環(huán)境效應研究。

沈陽是東北地區(qū)的核心城市，發(fā)展迅速、資源發(fā)達。本文以沈陽市為研究對象，以保護生態(tài)環(huán)境為落腳點，利用ArcGIS空間分析功能，明晰土地間轉換規(guī)模及種類，應用土地利用動態(tài)度、轉移矩陣、生態(tài)環(huán)境質量指數和生態(tài)環(huán)境貢獻率等研究方法，對研究區(qū)土地變化趨勢及轉換、生態(tài)效應進行綜合評估，分析退耕還林等系列政策下的土地利用轉型及生態(tài)環(huán)境間的協調耦合關系，探索“天平兩端”的城市發(fā)展所必要的土地利用轉型和生態(tài)效應之間的砝碼重量，使其達到平衡狀態(tài)，促進沈陽市生態(tài)保護，為高質量的生態(tài)建設提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

作為遼寧省省會，沈陽市地處東北地區(qū)南部，遼河平原中部，地理位置處于41°11′～43°2′N，122°25′～123°48′E，總面積約12 860 km2。東部是低山丘陵，中西部是遼闊平原，北部是遼北丘陵，主要以平原為主，市區(qū)地勢不高，相對平坦，海拔最高不過450 m。沈陽市地屬溫帶大陸性季風氣候，年均溫度在6.4～9.8 ℃，四季分明，附近集結著許多資源豐富的功能性城市，形成了一個互通互利的城市群，是遼寧省經濟發(fā)展的重點地區(qū)，同時也是政治和文化中心。2020年底，全市常住人口約907萬人，是我國14個特大城市之一。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源與處理

本文選取中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心(http:∥www.resdc.cn) 2000，2010，2020年3期的土地利用數據，利用ArcGIS軟件地理處理功能重新整合數據，并參照《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)[12]，劃分為6個一級地類，空間分辨率為30 m×30 m，具體土地利用類型分類及編碼如表1所示。此外，本文提到的生態(tài)環(huán)境質量指數，參照李曉文等[17]的研究成果。土地利用分類及其生態(tài)環(huán)境質量指數如表1所示。

表1 土地利用分類及其生態(tài)環(huán)境質量指數Tab.1 Land use classification and eco-environmental quality index of different land-use types

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉移矩陣

利用ArcGIS軟件對3期數據進行空間疊加分析，得出各時段的轉移矩陣，對其分類匯總，即統計出不同土地利用類型的面積。土地利用類型轉移矩陣反映出不同土地類別間的轉變情況[13]，可實現不同場景下土地利用的功能轉型。其數學形式為：

(1)

式中，Ai為轉移前的i類土地面積；Aj為轉移后的j類土地面積；n為土地利用類型數。

2.2.2 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度可直觀地看出不同地類的變化速度與幅度，區(qū)域差異、選取時間的跨度都影響其值的變化，因此可用來預測未來土地趨勢。單一土地利用動態(tài)度可反映該地類的變化速度[14]：

(2)

式中，K表示t1～t2時段內某地類的動態(tài)度；St1，St2分別為此時段內該地類的面積。K值的變化波動反映了轉化成其他地類的數量。

綜合土地利用動態(tài)度可表示總體土地變化態(tài)勢[15]：

(3)

式中，S為某時段的綜合土地利用動態(tài)度；Si為研究初期第i類土地面積；ΔSij為i地類轉化為j地類的面積；T為研究時長。

2.2.3 土地利用生態(tài)效應評價

(1) 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數可定量評定區(qū)域內生態(tài)環(huán)境綜合狀況[16]，即：

(4)

式中，EVt為t時期的生態(tài)環(huán)境質量指數；Ati為t時期第i類土地面積；Ri為第i類土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質量指數[17](見表1)；TAt為研究區(qū)總面積；n為土地利用類型數。

(2) 土地利用轉型生態(tài)貢獻率

生態(tài)貢獻率是指某種土地利用類型變化所引起的區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改變[18]，即：

(5)

式中，LEI為生態(tài)貢獻率；LE0，LE1分別為變化初期、末期的土地利用類型具有的生態(tài)環(huán)境質量指數；LA為變化用地的面積；TA為研究區(qū)總面積。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構轉型分析

3.1.1 土地利用變化

根據沈陽市2000，2010，2020年3期土地利用類型圖(如圖1所示)，參照表1的土地利用類型分類，得到2000—2020年沈陽市不同土地類型的面積變化，如圖2所示，進一步掌握沈陽市20年間的土地利用變化趨勢。

圖1 2000年，2010年和2020年沈陽市土地利用圖Fig.1 Land use maps of Shenyang in 2000,2010 and 2020

圖2 2000—2020年沈陽市不同土地利用類型面積變化Fig.2 Area variation of different land use types in Shenyang from 2000 to 2020

從圖1和圖2可以看出，耕地與建設用地作為沈陽市發(fā)展所需的重心土地利用類型，2000—2020年二者面積占比常年超過85%；未開墾的荒地范圍較少，面積最小。城市發(fā)展，建筑物數量驟增，逐漸從市區(qū)向周圍擴建，20年間用地增加了353.99 km2，增長率為21.62%；流經沈陽市的遼河、渾河蓄水量增長，人工湖泊、公園水域建立，水域面積提高了53.48 km2，增加率為24.94%。相較之下，耕地、草地的原始面積受到侵占，面積減少率為2.03%，26.24%。

3.1.2 土地利用轉移矩陣

20年間土地利用變化顯著，不同土地類型間均呈現不同程度的空間位置轉換與數量變化，從而建立土地利用轉移矩陣(如表2所示)，可分析土地轉換間的趨勢。整體來看，林地轉入與轉出成其他地類的面積均衡，相差不大，保持了自身的生態(tài)穩(wěn)定。不同時期政策的轉變，使得耕地轉入、轉出頻繁，其中轉出頻次多、變化劇烈，轉出成其他地類的總面積為749.13 km2，占總轉出量的48.97%；草地次之，轉出面積為377.65 km2，占24.69%。政府對未利用土地的保護，使其開墾面積較少，轉出量僅占2.63%。轉出面積按降序排序，可得出：耕地>草地>建設用地>林地>水域>未利用土地。

表2 2000—2020年沈陽市各土地利用類型轉移矩陣Tab.2 Conversion matrix of different land use types in Shenyang from 2000 to 2020 單位：km2

20年間沈陽城市化發(fā)展迅猛，建設用地占地持續(xù)擴大，轉入該地類的土地面積最多，為567.09 km2，它由部分荒廢草地、退耕土地和其他用地轉化集納而來；其次是耕地，轉入該地類的面積為552.51 km2，主要來自草地，說明合理的毀草造田也是一種城市為擴大耕地面積的處理方式。轉入面積按降序排序，可得出：建設用地>耕地>草地>林地>水域>未利用土地。

3.1.3 土地利用動態(tài)度變化

根據式(2)和式(3)得出沈陽市土地利用動態(tài)度(如圖3所示)。數據表明，2000-2020年各地類的單一土地利用動態(tài)度差異顯著，除建設用地始終是正值，耕地始終為負值外， 其他4種地類因不確定因素整體呈現不同程度的增減變化。其中：

圖3 沈陽市土地利用動態(tài)度Fig.3 Land use dynamic degree in Shenyang

① 2000—2010年，沈陽市處于城市發(fā)展的起步階段，土地間波動不大。其中,草地陸續(xù)被開發(fā)利用，單一土地利用動態(tài)度最大，為0.64%。受其他地類互相轉化的影響，動態(tài)度呈負值的是耕地、水域和未利用土地，其中面積減少最快的是耕地，這說明部分農用地被荒廢，轉化成草地等其他地類。

② 2010—2020年，沈陽市發(fā)展迅猛，土地綜合動態(tài)度最大，達到0.24%。這10年的土地利用變化速度比前10年提高了約一倍，土地利用類型在不斷地相互轉化。建設用地的土地動態(tài)度最大，從0.61%提高到1.46%，城市規(guī)劃面積范圍不斷擴大，各土地利用類型動態(tài)度變化強烈，城市產業(yè)結構和城市重心在不斷地調整和轉移。

20年間，沈陽市人口從720.4萬人增長到907.3萬人，社會高速運轉，人口激增導致土地城市化的進程明顯。綜合土地利用動態(tài)度達到0.16%，耕地、草地持續(xù)減少，建設用地持續(xù)增加，說明城市發(fā)展缺乏控制，城市擴張無規(guī)劃遠景，建設用地激增的同時耕地銳減，土地利用類型轉化削弱了土地生產能力，也降低了土地保水保土能力。

3.2 土地利用變化生態(tài)效應分析

3.2.1 生態(tài)環(huán)境綜合質量演變

(1) 生態(tài)環(huán)境質量指數分析

基于式(4)計算得出沈陽市2000,2010,2020年的土地生態(tài)環(huán)境質量指數,如表3所示，分別為0.306 0,0.307 6,0.297 4，整體上沈陽市的生態(tài)環(huán)境質量比較穩(wěn)定。2000—2010年生態(tài)環(huán)境質量指數有所升高，說明環(huán)境得到相應改善，2010—2020年建筑用地的擴張可能導致了一定程度的生態(tài)環(huán)境破壞，區(qū)域內生態(tài)環(huán)境的改善與惡化共存。

表3 沈陽市各土地利用類型生態(tài)環(huán)境質量指數Tab.3 Eco-environmental quality index of land use in Shenyang

(2) 生態(tài)環(huán)境質量空間格局

利用自然斷點法將生態(tài)環(huán)境質量劃分為4個等級，分析其空間分布特征，如圖4所示。生態(tài)等級與土地功能區(qū)劃的不同有直接或間接的空間對應關系。高質量區(qū)是研究區(qū)面積的主體，主要分布在中部地區(qū)，耕地面積占比大，沒被城市污染的土地多，生態(tài)環(huán)境質量穩(wěn)定。低質量區(qū)主要分布在沈陽市的東南方向，在和平區(qū)、鐵西區(qū)和大東區(qū)等經濟發(fā)展相對迅猛的地方，人口密集、社會設施健全，人為因素強烈，建設用地集中，城市發(fā)展過快，生態(tài)建設與其節(jié)奏不一致，導致生態(tài)環(huán)境較差。但研究期內的整體生態(tài)格局變化不大，始終保持較為均衡的生態(tài)局面，整體向好。

圖4 沈陽市 2000年，2010年，2020年生態(tài)環(huán)境質量空間格局Fig.4 Spatial distribution of eco-environmental quality of Shenyang in 2000,2010 and 2020

3.2.2 土地利用轉型生態(tài)貢獻率分析

為更好地探究研究區(qū)生態(tài)環(huán)境內部的變化情況，根據式(5)計算出導致生態(tài)環(huán)境發(fā)生改善或惡化的貢獻率及所占比例(如表4所示)，從而分析出不同土地利用類型間的轉換對生態(tài)環(huán)境的影響。從表4得出結論，2000—2020年導致生態(tài)環(huán)境改善的因素包括退耕還林、退耕還草、荒廢的建設用地復墾為耕地以及合理開拓未利用土地等，其中耕地向草、林用地的轉換是核心重點，排在前2位，貢獻率占比分別是37.69%，19.51%，其次是建設用地轉向耕地，貢獻率占比為15.64%。

表4 沈陽市2000—2020年影響生態(tài)環(huán)境質量的主要土地轉型及其貢獻率Tab.4 Main land transformation affecting eco-environmental quality and its contribution rate in Shenyang from 2000 to 2020

致使區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量惡化的因素不乏存在：草地耕作為肥沃農用地、建設用地的開發(fā)與占用、林地的砍伐與消失等。前3名地類轉化：草地轉向耕地、耕地轉向建設用地、林地轉向耕地，貢獻率占比分別為55.40%，22.09%，9.45%，此3類地類的貢獻率占比超過80%。綜上所述，沈陽市在研究期內生態(tài)環(huán)境的改善與惡化時時并存，退耕還林的政策對改善生態(tài)環(huán)境的效果最為顯著，但惡化趨勢仍略高于改善趨勢。

4 結束語

從沈陽市土地利用變化的總體趨勢看，土地利用轉型存在時空差異性，土地轉換對生態(tài)環(huán)境質量起著關鍵性的作用。主要結論如下：

① 20年間耕地、草地面積持續(xù)地收縮減少，說明大幅增加的建設面積多由耕地、草地變更而來，部分農用土地轉換成其他非農用地。而城市化建設的不斷推進，不僅導致耕地面積減少、城市無節(jié)制地擴張，還占用自然生態(tài)的生存空間。

② 20年間土地動態(tài)度的結果表明，建設用地的土地動態(tài)度最大。人口不斷向城市中心集中，建設用地的需求量持續(xù)增加，耕地面積變化速度略有下降，多重因素的綜合影響下，沈陽市的土地利用格局發(fā)生變化。

③ 20年間沈陽市生態(tài)環(huán)境質量指數穩(wěn)定在0.29～0.30，研究期內整體略有下滑，建設用地、耕地和林地之間的互相轉化是生態(tài)改善或惡化的主要原因，局部范圍內生態(tài)環(huán)境的2種態(tài)勢并存。退耕還林、退耕還草等環(huán)境保護政策的完善使城市的生態(tài)質量整體穩(wěn)定化上升，但伴隨著城市化進程的腳步，生態(tài)質量上升趨勢逐漸平緩，政府需要平衡生態(tài)和城市發(fā)展之間的關系。

本文通過分析30 m分辨率的土地利用數據，利用動態(tài)度、轉移矩陣等方法，從不同的角度探究土地利用類型結構，發(fā)現土地利用變化與生態(tài)環(huán)境質量有密切關系。近20年的城市化發(fā)展導致沈陽市的土地利用結構發(fā)生變化，自然生態(tài)環(huán)境被破壞，耕地、草地和林地的生存空間被侵占，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數未能保持時刻上升的趨勢。要優(yōu)化城市的土地利用結構，就要加強生態(tài)環(huán)境建設，修復自然多樣的生態(tài)要素，平衡建設用地與耕地、草地等主要地類的面積占比，及時調整產業(yè)結構，控制建設用地面積無規(guī)劃地蔓延增長，才能實現生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，改善生態(tài)環(huán)境。

當土地利用格局達到“最優(yōu)解”時，生態(tài)環(huán)境質量最好，城市發(fā)展沒有隱患。政府要重視退耕還林、退耕還草的生態(tài)政策，謹慎對待未利用土地的開發(fā)，權衡好經濟發(fā)展與生態(tài)保護之間的動態(tài)變化，找到平衡點，以達到“雙贏”的最終目的。

由于篇幅有限，本文未能深入研究導致生態(tài)環(huán)境改善或惡化的原因、轉移地類的具體影響及后續(xù)變化，在后續(xù)研究中可以結合社會因素及當地政策分析不同階段建設用地的發(fā)展與變化，對建設用地的生態(tài)服務功能做進一步分析和探究，尋找基于可持續(xù)發(fā)展背景的土地最優(yōu)路徑。