秦嶺地區近40年土地利用變化及其生態環境效應

崔國屹, 張 艷,2, 晁 陽, 趙永華,2, 潘博華

(1.長安大學 土地工程學院, 西安 710054; 2.陜西省土地整治重點實驗室, 西安 710054)

土地是人類賴以生存的基礎資源和社會持續發展的物質保障，土地利用反映了人類活動與自然變化的相互影響和交互作用[1]。土地利用變化是引起生態環境質量的變化重要影響因素之一[2]，因此清晰地認識土地利用變化的生態環境效應是目前國內外學者研究的熱點之一。土地利用變化的生態效應研究方向主要集中在兩方面[3]：宏觀上從全球尺度，如大氣構成、氣候變化等對于土地利用的制約和限定等角度展開研究；微觀方面是分析區域土地利用變化過程對水土流失[4]、土地荒漠化[5]、氣候環境[6]、水環境污染[7]、生物多樣性[8]以及重大自然災害災情等單一要素造成的影響。近年來，越來越多的國內外學者開始基于土地利用變化來研究區域生態環境質量指數，采用的方法有生態系統服務價值[9-10]、InVEST模型[11-12]、景觀生態指數[13-14]、遙感生態指數等[15]來定量表征土地利用引起生態環境質量的時空變化。目前，李曉文等[16]學者提出的生態環境質量指數得到了較廣泛的應用[17-19]，然而，在研究區域方面，針對秦嶺山區土地利用變化生態環境效益的研究相對較少；在研究尺度方面，以往學者在不同尺度進行了嘗試，但大多是基于行政區單位，人為分割了生態系統的連續性，對研究的準確性產生一定的影響。

秦嶺是我國重要的生態安全屏障和地理分界線[20]，其地形地貌復雜多樣，具有豐富的生物多樣性。由于人類過度的耕地開墾、工礦開采、亂砍濫伐、城市擴張等活動，該地區生態環境面臨威脅。近年來，黨中央高度重視秦嶺生態環境保護，客觀的認識秦嶺生態環境質量狀況和影響因素，對保護好秦嶺生態環境具有重要意義。因此，本文以秦嶺地區為研究區，基于1980年、2000年、2018年三期土地利用數據，采用網格為研究單元保證生態環境的連續性，研究秦嶺地區不同時間段土地利用變化的時空格局演變特點；運用生態環境質量指數法確定秦嶺地區的生態環境質量指數，并且利用地統計原理對生態環境質量情況進行時空量化，并測算生態環境質量變化冷熱點格局和土地利用變化類型的生態貢獻度。本研究旨在為秦嶺生態環境保護和土地資源的可持續利用，為政府制訂社會經濟發展規劃、國土空間規劃、生態政策以及劃分城市發展邊界與生態功能區等方面提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

本文所研究的秦嶺山脈范圍為，南北限定在關中平原和漢江谷地之間，東西以陜西省、甘肅省和河南省的省界為界，即狹義的秦嶺，地理坐標為105°42′—111°03′E，32°30′—34°48′N。涉及西安市、寶雞市、渭南市、商洛市、漢中市和安康市等地級市內的32個縣(區、市)，總面積達6.07萬km2，約占陜西省總面積的31%，是我國南方與北方的重要分界線。研究區海拔范圍215～3 747 m，坡度范圍0°～73.15°，地形復雜。年均溫5～16℃，夏秋季雨水充沛，全年降水量范圍438～1 287 mm。生物多樣性和生態系統類型極為豐富[21]。秦嶺地區的土地利用類型主要以林地、草地和耕地為主，森林覆蓋率40%以上。秦嶺地區現有46個森林公園、1個大熊貓國家公園、32個自然保護區、14個景點和8個地質公園。因此，該地區具有重要的生態價值。

2018年秦嶺地區的32個區縣的GDP為5 618.18億元，區域間經濟發展水平較不均衡。截至2018年，該地區的人口約為1 300萬人，人均GDP為4.32萬元。整體經濟發展水平較低。

1.2 數據來源

本研究所使用的1980年、2000年、2018年三期土地利用數據下載于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn )，該數據是基于landsat 8遙感影像人工目視解譯產生的，空間分辨率為1 000 m×1 000 m。土地利用分類標準采用的是中國科學院分類系統，將土地利用類型劃分為6個一級地類和25個二級地類(表1)。行政邊界數據為2015年發布的中國行政區劃數據，源于國家基礎地理信息中心(www. ngcc. cn)。

1.3 研究方法

1.3.1 生態環境質量指數 生態環境質量指數：通過構建土地利用變化與生態環境質量之間的定量關系，來表征區域內生態環境質量的總體特征[22]，見公式(1)：

(1)

式中:EQIt為t時期生態環境質量指數;LUi為t時期第i種土地利用類型面積;EVi為第i種土地利用類型的生態環境質量指數(見表1);TA為整個區域的總面積。

本文通過專家打分法，結合相關文獻[23-25]和秦嶺實際情況[26]，對二級土地利用類型的生態環境質量指數進行賦值，得到秦嶺地區土地利用類型生態環境質量指數。

表1 土地利用類型生態環境質量指數賦值

1.3.2 地統計分析 利用GS+和ArcGIS 10.6軟件地統計學模塊，采用半方差函數分析，確立最佳擬合模型。在此基礎上采用克里格法對秦嶺地區生態環境質量指數進行空間插值，從而表征秦嶺地區生態環境質量的空間分異性和時間變化趨勢。

1.3.3 冷熱點格局測算 熱點分析廣泛應用于地理研究中，熱點和冷點分別代表統計上顯著的高值空間聚集和低值空間聚集[22]。本文利用ArcGIS 10.5空間統計工具(Spatial Statistics Tools)中熱點分析(Getis-OrdGi*)計算標準差倍數的Z得分和表示概率的p值，從而得到秦嶺生態環境改善和惡化的聚集區。

1.3.4 土地利用變化類型的生態貢獻率 土地利用變化類型的生態貢獻率是指某種土地利用變化類型所導致的區域生態質量的改變，可表征土地利用之間的相互轉換對區域生態環境質量的影響[25]，其表達式為：

LEI=(LEt- LE0)LA/TA

(2)

式中:LEI為土地利用變化類型生態貢獻率;LEt,LE0分別是指某種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生態質量指數；LA是指該變化類型的面積；TA是指該研究區域的總面積。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

秦嶺地區土地利用類型主要是林地、草地、耕地，三者總所占比例約為97%。秦嶺地區地勢由東向西逐漸升高，北面山坡陡峭而南坡相對平緩[27]。中西部的高海拔地區以林地為主，草地主要分布在周邊中低海拔的山地地區，耕地分布在北部關中平原及南部漢江谷地地區，城鄉建設用地被耕地環繞，水域用地主要為漢江、渭河流域以及南部山區的少量水庫，未利用地分布在高山地區和河流沿岸。

耕地面積1980—2000年微小幅度下降，2000—2018年有明顯減少，減少面積為418 km2。林地面積1980—2000年有小幅下降，2000—2018年有所回升。草地面積1980—2000年減少了61 km2，2000—2018年有一定幅度的增加。城鄉建設用地面積逐年增加，2000—2018年增長幅度更為明顯，1980—2018年總增長率為46.3%。水域面積1980—2000年小幅下降，2000—2018年上升較多，漲幅12.5%。未利用地面積先減少后增加(表2)。

表2 1980-2018年土地利用變化

2.2 土地利用的生態環境效應

2.2.1 時序變化 秦嶺地區生態環境質量指數常年保持在0.55以上，與同時期全國水平(約0.41)相對比[22]，生態環境情況狀況明顯高于全國水平。但秦嶺地區生態環境質量指數在1980—2018年38年間整體呈下降的趨勢，1980—2000年下降了0.001 16，2000—2018年又有回升了0.000 61。呈現先減后增的變化趨勢(圖1)。

2.2.2 空間分異 由于秦嶺是一個自然存在的山脈，環境質量的評價單元應當突破人為劃分的行政單元的制約，為了更好地擬合秦嶺地區的生態環境質量情況，本文應用半變異函數模型描述其空間的連續性，此過程借助GS+9.0軟件實現。經多次調試，不同模型下的3個時期數據參數見表3，可決系數(r2)表明模型與變異函數數據的擬合程度，其值越大，表明模型擬合更得更好，殘差(RSS)的值越小越好，綜上，1980年、2000年、2018年秦嶺地區生態環境質量的空間分異情況的均用指數模型擬合最為理想。

圖1 1980-2018年生態環境質量指數均值統計

表3 半方差函數擬合參數

1980—2018年指數模型中的基臺值(C0+C)從0.070 7逐年增加至0.070 9，表明秦嶺地區生態環境質量空間分布逐漸呈現更大程度的不均勻性。變程(A)表示空間相關性的有效范圍，變程從1980年的39 000 m減少到2018年的37 800 m，表明生態環境質量指數的相關性范圍不斷縮小。塊金基臺比[28][C0/(C0+C)]為空間內由隨機因素引起的突變所占比例，該值越大，說明空間變異更多的是由隨機成分引起的，反之，則是因為某個特定的地理事件引起的。1980年、2000年與2018年的該值在0.64～0.67之間浮動，該值說明秦嶺生態環境質量指數值的空間自相關性一直保持中等水平[29-30]。

擬合結果見圖2，生態環境高質量和較高質量區主要分布于秦嶺的中西部，這些地區海拔較高、主要分布著林地。中質量區主要分布于研究區東南部，這些地區坡緩且大面積被草地覆蓋。而秦嶺北麓的西安市、寶雞市以及南麓的漢中市地區主要是由于海拔較低且地勢相對平坦，地處渭河、漢河流域，水系豐富，人類開發利用的強度較高，建設用地和耕地密布，因此大部分地區是較低質量和低質量區。

圖2 1980年、2000年、2018年秦嶺地區生態環境質量指數空間分布

2.3 生態環境質量變化冷熱點格局演化特征

1980—2000年秦嶺生態環境質量改善區主要分布在3個熱點區域(圖3)：即華陰市和潼關縣的北部(H1地區)、漢濱區的南部(H2地區)和商南縣的北部(H3地區)。這是由于華陰市和潼關縣的北部地處渭河下游(H1地區)，80年代該地區洪水頻發。1983年雨季，關中盆地渭河流域大面積連續性降雨，發生了較為嚴重的內澇，淹沒了部分未利用地、耕地，有些地區洪水蒸發退卻后耕地鹽堿化被荒廢，退化為天然草地。1983年7月漢濱區漢江流域(H2地區)發生特大洪水，河水決堤沖入安康老城區，淹沒了一些民房和耕地，致使部分農村居民點、耕地和草地變為水域。商南縣北部(H3地區)靠近秦嶺主脈，華山南坡，1982年開始采取人工林、飛播林等方式開展植樹造林，使部分草地進化為林地，改善了當地生態環境。

圖3 1980-2000年秦嶺生態環境質量變化的熱點和冷點空間分布

生態環境惡化區主要分布在5個冷點區域(圖4)：即周至縣的西部(C1地區)、長安區北部(C2地區)、華州區東部(C3地區)、商州區的南部(C4地區)以及山陽縣的東部(C5地區)。其中C1地區，地處秦嶺主峰太白山南坡，原周至伐木場在此設立，1983年108國道周至段通車后更為商品林的砍伐銷售提供了便利，天然林砍伐盛行。且周至在1986年經歷了美國白蛾蟲害，林地遭到啃食。這些事件導致該地區大量林地變為草地，從而生態環境質量發生退化。C2地區在建設用地擴張侵占耕地的同時，人口壓力致使草地被開墾成耕地用于生產糧食，導致該地區冷點聚集；C3地區80年代初期在落實農業生產責任制時，誤認為集體樹木也全歸私有，致使砍伐風興起，僅5個月，南部林區樹木有25%被砍掉；C4地區南部和C5地區東部遠離秦嶺主脈，山地坡度較緩便于開墾梯田，于是在該時間段大片林地被開發為耕地。

2000—2018年秦嶺生態環境質量改善區主要分布在5個熱點集中的區域(圖4)：長安區和鄠邑區的南部(H1地區)、華陰市北部(H2地區)、潼關縣西南部(H3地區)、商州區南部(H4地區)和周至縣北部(H5地區)。H1地區由于靠近省會城市，人口持續流向西安城區，大量耕地閑置退化成草地；H2地區在2011年開挖萬畝耕地建造“華湖”，形成大片新水域；H3地區地處華山北坡，坡度較大，種植條件不佳，且大量勞動力流向華陰和潼關城區，因此這一時期大量耕地棄耕。H4地區鄰近國家南水北調工程的二龍山水源保護地，該地區自2004年實施了退耕還林工程以來，森林覆蓋率大幅提高，因此地類變化體現為耕地轉化為林地和草地。H5地區是“引漢濟渭”工程“過渭干線”的所在地，即漢江水流通過引水渠從此地進入渭河。一些耕地、林地和草地被改造成河道。

圖4 2000-2018年秦嶺生態環境質量改善的熱點和冷點空間分布

2000—2018年秦嶺生態環境惡化區主要分布在5個冷點區域(圖4)：金臺區東部和渭濱區交界處(C1地區)、長安區和鄠邑區的北部(C2地區)、臨渭區的中部(C3地區)、勉縣的東南部和城固縣的中部(C4地區)和城固縣的東南部(C5地區)。其主要原因是C1地區靠近寶雞市城區，C2地區靠近西安市城區、C3地區靠近渭南市城區、C4地區靠近漢中市城區，上述城市的開發邊界快速擴張侵蝕其他地類，社會經濟發展對生態環境造成了一定壓力。而城固縣的東南部(C5地區)主要是因為當地的部分草地被開墾為耕地。

2.4 影響生態環境質量的主要用地轉型及貢獻率

研究區生態環境質量指數由優化和惡化兩種趨勢共同作用形成，由表4—5可知，1980—2000年引起生態環境質量改善的土地利用變化類型較為多樣，貢獻率排名前三的是旱地轉化成為高覆蓋度草地、河渠與水庫坑塘；造成生態環境質量惡化的主要是有林地變為灌木林、高覆蓋度草地和中覆蓋度草地轉化為旱地，三者總和占總貢獻的45.37%，其中有林地退化為灌木林地貢獻率占24.68%，這與這一時期的亂砍濫發行為有著密不可分的聯系。2000—2018年引起生態環境質量改善的主要土地利用變化類型是旱地轉化為高覆蓋度草地(貢獻率0.000 7，占52.19%)、其次是旱地轉變為灘涂和其他林地；造成研究區生態環境質量惡化的變化類型較為多樣和復雜，占比較大的轉換類型是高覆蓋度草地變為旱地、旱地轉化為建設用地，兩者共占比36.9%。

表4 1980-2000年影響生態環境質量的主要用地轉型及貢獻率

表5 2000-2018年影響生態環境質量的主要用地轉型及貢獻率

3 討論與結論

3.1 討 論

土地利用變化及其生態環境質量的定量分析和時空變化評估對區域生態安全和可持續發展具有重要意義。本文探究了1980—2018年秦嶺地區的土地利用變化及其生態環境質量指數的時空變化情況以及土地利用轉型對生態環境質量產生的影響。為秦嶺生態環境保護和可持續發展，以及區域國土空間規劃、生態管理政策制定等提供科學依據。研究表明，近40年間的生態環境指數的時間變化整體上有小幅度降低，空間分布格局呈現研究區中西部較高，秦嶺北麓及南麓的低海拔平原地區較低的特征。研究區生態環境質量的改善主要與退耕還林等生態保護工程有關；而研究區生態環境質量的退化主要與建設用地開發、工礦業活動、植被退化有關。這說明土地利用的轉型與生態環境質量指數關系密切，這與王永洵等[31]在福建海岸帶的研究結果相近。在未來的土地利用管理和規劃中，建議關注土地利用變化導致對秦嶺地區生態環境質量的影響，建立完善的自然保護地體系，明確生態保護紅線范圍。此外，林地和草地的植被狀況也對秦嶺地區的生態環境效應產生一定的影響。因此，需要因地制宜地開展退耕還林工程和天然林保護工程等生態修復措施，以提升生態用地的生態系統功能；實施可持續的生態農業發展策略，減少農藥和化肥的濫用，緩解對土壤和水體的污染；合理限制建設用地的開發，提高集約利用效率，避免建設用地的過度擴張對生態環境的影響，從而實現社會經濟與生態環境的可持續發展。

本文生態環境指數的最小研究尺度基于土地利用數據的分辨率為1000 m×1 000 m，數據精度還有一定的局限性，后期應對數據單元的影響進行探究并選擇優化。另外文章使用的土地利用分類體系較為陳舊，沒有考慮使用其他新型土地利用分類對于生態環境質量的評價結果有何影響，尚有待進一步分析和補充。在以后的研究中，還可以考慮運用土地利用預測模型對未來的秦嶺地區的生態環境效應指數進行模擬研究。

3.2 結 論

(1) 1980—2018年秦嶺地區土地利用變化總體情況為：耕地面積持續減少，城鄉建設用地面積大幅上漲，水域面積也有所提高，其他類別土地比例變化較小。

(2) 秦嶺地區生態環境質量指數穩定在0.557～0.559，研究期內整體有所下降。生態環境高質量主要分布于研究區中西部，中質量區分布于研究區東南部，低質量區分布在秦嶺北麓及南麓的平原地區。

(3) 秦嶺生態環境質量改善區主要分布在華陰市北部、商南縣北部、漢濱區、南部、華陰市東南部、長安區和鄠邑區的南部以及商州區南部。1980—2018年秦嶺生態環境惡化區主要分布在華州區東部、商州區的南部、長安區北部、鄠邑區北部、臨渭區中部、金臺區東部以及城固縣的南部。這與當時期不同地區洪水災害、開墾耕地、濫砍濫發、城市擴張、棄耕棄墾、退耕還林、水利改造等自然和人為因素有著密不可分的關系；

(4) 引起生態環境質量改善的主要土地利用變化類型是旱地轉化為高覆蓋度草地、其他林地、河渠、水庫坑塘和灘地；導致生態環境質量惡化的主要變化類型是有林地轉化為灌木林、高覆蓋度草地和中覆蓋度草地轉化為旱地、旱地變為其他建設用地和農村居民點。