喀斯特城市新區土地利用時空演變及生態效應分析*
——以貴陽市觀山湖區為例

魏 媛 朱玉丹

(1.貴州財經大學管理科學與工程學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州財經大學公共管理學院,貴州 貴陽 550025)

土地資源的利用對生態環境有著高度影響,其生態效應研究也愈加成為各學者的聚焦熱點[1]。近年來,國內學者基于“三生”空間研究發達或生態脆弱區土地利用轉型生態效應。如莫宏偉等[2]基于生態價值測算模型得出風沙過渡區土地利用變化生態效益明顯。張楊等[3]通過測算武漢市生態貢獻率,總結出生態環境改善和惡化趨于平衡。韓美等[4]分析1998-2018年黃河三角洲“三生”用地轉型的生態效應。對于喀斯特地區,許俐俐等[5]采用MATLAB軟件對廣西某縣生態效應進行研究。胡鋒等[6]從“三生”視角定量剖析黔中“亞喀斯特”區域生態效應。焦露等[7]則以貴州省為研究對象進行綜合分析。但對喀斯特城市新區土地利用生態效應鮮有研究。觀山湖區作為喀斯特城市中心區和生態區,在脆弱地貌生境影響下,過度開發利用土地資源易造成生態環境惡化。

故本研究運用空間分析技術,基于研究區土地利用時空動態變化特征深入挖掘其生態效應,以期為貴州省推動土地低碳綠色利用,降低土地利用負外部性,促進生態文明建設可持續、高質量發展提供參考依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

觀山湖區坐落于貴州省貴陽市西北部,地處106°25′E～106°41′E、26°31′N～25°45′N,是貴陽市2000年規劃建設的城市新區,地理位置見圖1。觀山湖區總面積307 km2,截至2021年底,常住人口約642 634人,區內巖溶地貌廣布,以溶丘洼地和峰叢洼地為主,喀斯特地貌突出。

圖1 觀山湖區地理位置Fig.1 Geographical location of Guanshanhu District

1.2 數據來源

基于地理空間數據云獲取2010—2020年共3期Landsat-5 TM和Landsat-8 OLI_TRIS衛星遙感影像,按照6個一級土地利用類型(簡稱地類)和18個二級地類進行目視解譯和監督分類,精度達到研究需要。根據研究區實際狀況,借鑒李曉文等[8]和楊述河等[9]研究成果,對二級地類生態環境質量指數進行賦值,結果見表1。

2 研究方法

2.1 土地利用時空演變分析

國內學者主要基于土地利用動態度、轉移矩陣、重心轉移等模型進行土地利用時空演變研究。張佩芳等[10]結合動態度模型與土地利用破碎度研究云南基諾山土地利用動態演變和人地關系。徐麗華等[11]利用重心轉移模型計算杭州市1995—2010年地類空間重心偏移程度。田立鑫等[12]在構建土地利用漲落勢圖譜基礎上分析海岸帶地類轉移。本研究主要剖析研究區時空序列下用地變化強度、趨勢及轉移狀況。

2.1.1 土地利用動態度模型

土地利用動態度分為單一和綜合動態度。單一動態度表示區域內一定時期某地類數量結構的演變狀況及速率;綜合動態度表示一定時期內研究區整體地類轉移及變化強度。兩者計算公式參考王秀蘭等[13]、呂建華等[14]的相關研究。

2.1.2 地類轉移矩陣模型

地類轉移矩陣主要利用ArcGIS軟件的疊加分析對同一時期不同地類間的相互轉移狀況進行描述,其表達式參考吳琳娜等[15]的相關研究。

2.2 土地利用變化的生態效應分析

國內學者聚焦于典型區域、流域和城市研究。楊風亭等[16]、宋翔等[17]、楊清可等[18]97-106利用生態環境質量指數、生態貢獻率、景觀生態學方法分別對中國東南紅壤丘陵區、黃河源區、長江三角洲核心區的土地利用轉型與生態效應進行綜合分析。本研究通過計算土地覆被狀況指數、生態環境質量指數和土地利用變化類型生態貢獻率,定量表征研究區各地類動態變化對生態環境狀況的影響。

2.2.1 土地覆被狀況指數

土地覆被狀況指數能定量表示研究區土地覆被所反映的總體生態系統服務水平,數值愈接近1說明生態狀況和服務功能越好[19],其計算公式為：

Z=(S1+S2+S3)/A×100%

(1)

式中：Z為區域土地覆被狀況指數,%;S1、S2、S3分別為林地、水域及高覆蓋度草地面積,km2;A為研究區總面積,km2。

2.2.2 生態環境質量指數

生態環境質量指數可表示研究區一定時期地類變化下生態環境的宏觀狀況。結合研究區各地類面積可得性,其計算公式參考王家慧等[20]的相關研究。

2.2.3 土地利用變化類型生態貢獻率

土地利用變化類型生態貢獻率用于定量反映地類轉移對研究區生態環境的影響程度和貢獻狀況,一般有導致環境改善和惡化兩種趨勢相互制約,其計算公式參考楊清可等[18]99的相關研究。

表1 觀山湖區2010—2020年地類面積變化及生態環境質量指數賦值Table 1 Land use types area change from 2010 to 2020 and assignment of ecological environmental quality index in Guanshanhu District

3 結果與分析

3.1 觀山湖區土地利用時空變化

3.1.1 不同地類面積變化特征

為了解研究區土地利用時序上的面積變化狀況和特征,統計觀山湖區2010-2020年不同地類面積,結果見表1。觀山湖區耕地總體呈現減少趨勢,水田和旱地10年來分別減少19.46、27.00 km2。林地總體呈增長趨勢,有林地面積雖小幅減少,但灌木林地面積受退耕還林還草政策積極影響,由2010年的0.05 km2增至2020年的30.28 km2。建設用地中城鎮用地10年來增長27.33 km2,同時因推進新農村建設工程,農村居民點用地持續增加。草地、水域及水利設施用地和未利用地面積總體呈小幅度減少狀態。總體看,觀山湖區林地、耕地和建設用地為主要地類,各地類在研究期內面積變化較明顯,與城市新區開發建設特征吻合。

3.1.2 地類空間格局變化特征

利用ArcGIS軟件處理得到觀山湖區2010—2020年地類空間格局分布變化情況,結果見圖2。經分析,水田和旱地相間分布,2010—2015年較密集,以中部縱向布局為顯著特征。2020年中部水田和旱地受城鎮化和水土流失影響減少,有林地和灌木林地顯著增加,生態文明建設和城市建設成效顯著。東部原金陽新區為建設核心區,城鎮用地分布廣泛,并逐年向西南方向擴張,使南部金華鎮在2020年成第二發展中心,符合城市新區快速發展期變化特征。西部有林地集中連片,森林覆蓋率較高,百花湖水域10年來無明顯空間變化。

3.1.3 地類轉移矩陣分析

根據相關模型計算得出觀山湖區2010-2020年地類轉移矩陣,見表2至表4。整體上,觀山湖區2010—2020年各地類轉型強度劇烈,耕地轉為林地(29.55 km2)和建設用地(25.76 km2)的面積最大;草地由12.38 km2減至3.57 km2,其中約7.43 km2轉為林地,說明10年來土地資源在退耕還林還草、生態文明建設和快速城鎮化三者制約下開發利用強度和轉型趨勢明顯。分時段看,2010—2015年,地類轉移集中在建設用地、林地和耕地,林地和耕地是建設用地主要來源地類,表明短期城市擴張占用部分耕地和林地資源。草地向其他地類轉移整體低于1 km2。2015—2020年建設用地轉移幅度小于2010—2015年。向林地轉入總面積大于向建設用地轉入總面積,其中林地最大轉移類型來源于耕地,該時期觀山湖區退耕還林還草工程取得顯著生態成效。

圖2 觀山湖區2010—2020年地類空間分布Fig.2 Spatial distribution of land use types in Guanshanhu District from 2010 to 2020

表2 觀山湖區2010—2020年地類轉移矩陣Table 2 Transition matrix of land use types in Guanshanhu District from 2010 to 2020 km2

表3 觀山湖區2010—2015年地類轉移矩陣Table 3 Transition matrix of land use types in Guanshanhu District from 2010 to 2015 km2

表4 觀山湖區2015—2020年地類轉移矩陣Table 4 Transition matrix of land use types in Guanshanhu District from 2015 to 2020 km2

3.1.4 土地利用動態度分析

計算研究區土地利用單一和綜合動態度,結果見圖3。觀山湖區2010—2020年耕地、草地動態度均在0以下,即利用速率較高且面積持續減少;林地動態度在2010—2015年為負數,2015—2020年上升為0.004%,面積小幅增長;建設用地動態度2010—2015、2015—2020、2010—2020年均呈正數,分別為0.114%、0.031%、0.081%,2010—2015年利用強度最大;水域及水利設施用地動態度趨于平穩,

圖3 觀山湖區2010—2020年各時段土地利用動態度變化Fig.3 Land use dynamic changes in each period in Guanshanhu District from 2010 to 2020

基本不受人類活動影響;未利用地2015—2020年轉換強度較大,動態度高達-0.150%。綜合動態度起伏較大,各地類利用強度劇烈且轉換頻繁,2015—2020年達到峰值(0.546%),即近5年土地資源總體利用強度高漲。

3.2 土地利用變化的生態效應

3.2.1 土地覆被狀況及生態環境質量評價

經計算,觀山湖區土地覆被狀況指數由2010年的50.69%大幅上升至2020年的57.63%,其生態系統服務功能因林地增加不斷增強,表明生態用地增減變化與生態狀況密切相關。2010—2015年生態環境質量指數隨有林地和中覆蓋度草地大幅減少而降低;2010—2020年由0.555 2上升至0.555 7,生態環境有所改善。總體看,土地覆被狀況指數和生態環境質量指數呈正比關系。

3.2.2 土地利用變化類型生態貢獻率分析

根據二級地類轉移矩陣和相關公式計算,2010—2020年導致觀山湖區生態環境改善和惡化兩種情形的主要土地利用變化轉移類型的生態貢獻率見表5和表6。由表5可知,旱地向有林地轉移貢獻最突出,即由生態環境質量指數賦值低的旱地向賦值高的有林地轉換;旱地和其他林地向有林地轉移是改善生態環境的主要原因。根據表6,有林地向旱地、城鎮用地轉移是導致研究區生態環境惡化的主要驅動因素;轉移面積最突出的是旱地向城鎮用地轉換,貢獻率最大的為有林地轉城鎮用地,即觀山湖區近10年占用部分有林地和耕地進行擴張導致生態環境質量低下。觀山湖區在研究期內導致生態環境改善和退化的地類轉移數量相近,但前者貢獻率略高于后者,因此近10年整體生態效應屬良性發展。

表5 生態環境改善的主要土地利用轉型指標Table 5 Major land use transformation indices to improved ecological environment

表6 生態環境惡化的主要土地利用轉型指標Table 6 Major land use transformation indices to deteriorated ecological environment

4 結論與建議

4.1 結 論

(1) 數量結構上,耕地、林地和建設用地為主要地類,近10年水田和旱地面積呈減少趨勢,灌木林地和城鎮用地面積增大最大。

(2) 空間布局上,2010—2015年水田和旱地較密集,2020年中部水田和旱地減少,有林地和灌木林地顯著增加;東部城鎮用地逐年向西南方向擴張。

(3) 地類轉移上,總體轉型強度劇烈,其中耕地轉為林地和建設用地面積最大;2015—2020年建設用地轉移幅度小于2010—2015年。

(4) 土地利用動態度上,2010—2020年耕地、草地動態度均呈負數,建設用地利用強度較大;2015—2020年綜合土地利用動態度達到峰值(0.546%)。

(5) 生態效應上,觀山湖區生態系統服務功能因林地增加不斷增強,近10年土地覆被狀況指數與生態環境質量呈正比關系;旱地和其他林地向有林地轉移是改善生態環境的主要原因,有林地向旱地、城鎮用地轉移是導致生態環境惡化的主要驅動因素,整體生態效應呈良性發展。

4.2 建 議

(1) 合理規劃用地結構。科學布局和引導各地類健康轉型,嚴控建設用地亂占耕地和林地,系統開展占補平衡和生態補償,堅持底線約束。

(2) 加大綜合治理力度。高覆蓋度草地退化區域實行封育施肥和松土改良,為植被恢復提供營養支持,統籌推進綜合生態治理。

(3) 加強國土空間開發管制。健全國土空間用途管制制度,根據分區管理合理分解開發強度指標,降低土地利用生態效應的負外部性。

(4) 培育新型綠色產業模式。基于資源環境承載力評價和區域生態要素稟賦,培育茶葉等適宜喀斯特生境的新型綠色產業模式。

(5) 健全問責機制建設。完善并加強破壞生態環境問責機制建設,積極推行“林長制”和“湖長制”等,構建生態空間綜合治理體系。