近20a衡邵婁干旱走廊土地利用/覆被與生態環境狀況變化研究

張沛 陳吟 趙偉明 鄧曉雅 盛東 王燕云

摘 要：土地利用/覆被變化與區域生態環境關系密切，在一定程度上反映了生態環境變化，影響區域生態環境質量優劣。為探究土地利用/覆被變化與生態環境狀況變化的成因與驅動因素，采用空間分析技術和生態環境狀況評價方法，對比分析了衡邵婁干旱走廊2000—2020年土地利用/覆被變化，評估區域生態環境質量變化情況并探討其變化原因。結果表明，衡邵婁干旱走廊區域土地利用/覆被類型主要以林地和耕地為主，面積占區域總面積的94.22%，但近20 a來林地與耕地面積呈現顯著減少的趨勢，主要原因是區域經濟的增長導致城鎮化加速，造成了建設用地的面積激增，占用了大量耕地和林地。同時，干旱缺水在一定程度上促使區域耕地面積轉化為其他土地利用類型。多種因素作用下，區域生態環境狀況等級從“優”降為了“良”。

關鍵詞：土地利用/覆被變化；生態環境狀況指數；土地利用轉移；衡邵婁干旱走廊

中圖分類號：K903；X22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引 言

土地利用/覆被變化是影響區域生態環境的重要因素，也是生態環境變化的重要表征[1-2]。隨著人類活動影響范圍不斷擴張，土地利用/覆被受干擾程度不斷加大，其功能結構性變化更加劇烈，引發的水文效應、生態環境效應等問題日益突出[3-4]。土地利用/覆被變化對水文效應的影響主要表現為農業大規模開墾種植，城市化過程，水土保持措施對降水徑流過程、水量平衡狀況的影響[5]。對生態環境的影響主要表現在三個方面。一是改變了地表物理特征，從而影響太陽輻射的吸收和反射[6]，例如，天然植被轉化為硬化建筑面積之后，對太陽輻射的吸收量減少，反射量增加，導致區域溫度升高。二是影響大氣中的微量元素，從而改變地表生物地球化學的循環過程[7]。三是改變和影響生態系統的結構及組成、生物多樣性、區域水分循環特征，從而對生態系統功能產生影響[8]。土地利用/覆被變化對生態環境影響的相關研究多而龐雜。從研究內容上看，主要涉及單一研究土地利用變化，土地利用變化對社會、經濟、生態環境的影響及其耦合交互內涵與機理分析研究[9]；從研究區域看，相關研究涉及了重要城市群[10-12]、重要功能區[13-14]和生態脆弱區[15-16]等。

傳統意義上的干旱區生態環境變化是廣大學者關注的焦點，而因特殊環境條件影響造成的干旱地區生態環境變化相對研究較少。衡陽、邵陽和婁底位于湖南省中部地區，由于四面環山、降水時空分布不均等因素的影響，在濕潤區形成了一個相對干旱的走廊地帶[17]。衡邵婁干旱走廊是湖南省主要的產糧區，在氣候變化和人類活動的雙重影響下，土地利用/覆被變化在近10 a（2010—2020）較為劇烈[18]，其變化原因、變化過程需要進一步研究。基于此，本文對比分析衡邵婁干旱走廊2000—2020年土地利用/覆被變化，評估區域生態環境質量，探討土地利用/覆被變化的驅動因素與生態環境質量變化的成因，為區域綜合治理提供決策支撐和科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

衡邵婁干旱走廊包含湖南省衡陽市、邵陽市、婁底市，以及永州市的新田、東安、祁陽和冷水灘4縣區，地理位置位于湖南省中部，東低西高，東西長350 km，南北寬280 km，總面積5.12×104 km2，占全省國土面積的24.2%。1961—2015年區域多年平均降雨量1 361 mm[19]，多年平均水面蒸發量為765.3 mm。受四面環山的地形影響，區域水汽被阻斷，降水量較省內其他區域偏少，并且區域內土壤土質保水性差，大旱和特大旱發生概率達到30%[20]。

1.2 數據來源

采用的遙感數據為Landsat 8-TM影像，分辨率為30 m，獲取的三期影像成像時間均為7—9月份，年份分別為2000年、2010年和2020年。水資源數據來源于湖南省水利廳，污染物排放數據來源于湖南省生態環境狀況公報，河道長度、湖庫面積數據來源于遙感影像，土壤侵蝕數據分級根據《土壤侵蝕分類分級標準SL19—2007》中土壤侵蝕強度面蝕（片蝕）分級指標（見表1）。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用數據生成

利用ENVI 5.3和ArcGIS系統平臺，參照《生態環境狀況評價技術規范（HJ 192—2015）》[21]對于土地利用類型的劃分，對遙感影像進行監督分類和人機交互式判讀，生成標準化矢量數據，并通過野外調研和實地驗證對土地利用數據進行校正，最終獲得研究區不同時期土地利用數據。通過野外調研驗證和對比分析，三期土地利用數據精度的Kappa系數分別為0.891、0.903和0.911。

1.3.2 土地利用轉移矩陣計算

土地利用轉移矩陣可以表征研究區內土地利用類型流轉的方向和數量，是研究土地利用動態變化的有力工具。基于ArcGIS空間分析功能，將得到的區域土地利用數據進行疊加運算，獲取衡邵婁干旱走廊2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年三期土地利用轉移矩陣，對研究區各時段土地利用/覆被的流動與轉化情況進行分析。土地利用轉移矩陣的計算方法見式（1）。

式中：Sij為土地利用類型j轉變為土地利用類型i的面積；n表示土地利用類型的數量。

1.3.3 植被覆蓋度提取

歸一化植被指數NDVI是反映植被生長狀態和植被空間分布的最佳指示因子[22]，其大小綜合反映了植被覆蓋區域的植被類型和植被生長狀態等，被定義為近紅外波段與紅波段的反射率之差和反射率之和的比值。本研究采用NDVI作為植被覆蓋度的重要參數，具體計算方法見公式（2）和（3）。

式中：Fc為對應像元植被蓋度，NDVIveg是對應純植被像元的NDVI值，NDVIsoil是對應純土壤像元的NDVI值。

1.3.4 生態環境狀況指數計算

根據文獻[21]，生態環境狀況指數（Ecological Index，EI）可分為5級（見表2）。

2 結果分析

2.1 土地利用組成及其變化分析

基于三期遙感影像的解譯結果，將各土地利用/覆被類型取均值進行分析，可知衡邵婁干旱走廊地區以林地為主，占區域總面積的59.63%；其次是耕地，占區域總面積的34.59%；草地、建筑用地、水域濕地面積分別占2.55%、1.84%和1.36%，未利用地面積為0.03%。

將三期遙感解譯土地利用/覆被按時間順序縱向比較，分析其變化情況，可知耕地、林地、草地20 a來呈現顯著減少的趨勢，總面積減少了848 km2，其中近10 a（2010—2020年，下同）減少面積達691 km2，占整個研究時期的81.49%。減少的面積中，以耕地和林地為主，尤其是耕地面積減少336 km2，

林地面積減少275 km2。而建筑用地和水域濕地面積近20 a有所增加，尤其是建筑用地，近20 a增加了806 km2。未利用地面積從研究時段初期的15 km2減少到7 km2，面積減少了53.33%。

2.2 土地利用/覆被動態變化分析

采用土地利用轉移矩陣，分析區域土地利用/覆被變化的驅動因素。2000—2010年，耕地面積凈減少97.99 km2，林地凈減少52.29 km2，主要是被建設用地擴張占用，其中建設用地占用耕地67.76 km2，占用林地67.70 km2。建設用地面積凈增加136.85 km2，水域濕地面積凈增加了19.26 km2。詳見表4。

2010—2020年，建設用地面積凈增加668.14 km2，水域濕地面積凈增加了30.27 km2，二者增加的主要來源是耕地和林地；耕地面積凈減少了336.47 km2，林地面積凈減少274.67 km2，草地面積凈減少80.30 km2。詳見表5。

分析研究時段內各種土地利用類型的動態變化，可知，建設用地、水域濕地一直呈正向動態變化，耕地、林地、草地和未利用地呈負向動態變化，其中建設用地動態度絕對值最大，說明近20 a建設用地呈現大幅度擴張的態勢。對比分析同一土地利用類型動態度在2000—2010年和2010—2020年之間的差別（見表6），可知2010—2020年時段內各土地利用類型之間的轉化程度較前一階段劇烈。

2.3 生態環境狀況變化

利用生態環境狀況指數計算方法，分別計算了生物豐富度指數、植被覆蓋度指數、水網密度指數、土地脅迫指數、污染負荷指數，見表7。

近20 a，生物豐富度指數略有降低，從2000年的65.89降低到2020年的64.49，下降了1.40；植被覆蓋度指數降低幅度較大，從2000年的79.03下降到2020年的72.11，下降了6.92；水網密度指數從2000年的77.05增加到2020年的79.21；土地脅迫指數從2000年的4.24增加到2020年的4.76；污染負荷指數從19.86增加到26.81。在各指數的綜合作用下，生態環境狀況指數從2000年的76.74下降到74.03，下降幅度為2.71，說明區域生態環境略有變差。生態環境狀況分級則從2000年的“優”降為了2020年的“良”。

3 討 論

從土地利用/覆被的變化情況看，對生態環境狀況有促進作用的土地利用類型中，除水域濕地面積有所增加，林地和耕地面積均呈現下降的過程（見表3），主要由建設用地面積擴張導致。近20 a建設用地的擴張是衡邵婁干旱走廊土地利用變化的主要驅動因素。經濟的增長和產業結構的變化推動了城鎮化的發展，城鎮人口的增長和城鎮化的發展，推動了建設用地面積的擴張。由圖3可知，近20 a衡邵婁干旱走廊區域社會經濟取得了長足發展，國內生產總值、第一、二、三次產業增加值分別增長了948%、414%、1 028%和1 256%，增速均超過全國平均水平。在社會經濟增長的同時，城鎮化率也逐步提高，從近20 a的人口組成變化來看，人口總數逐年減少而城鎮人口數量逐年增加，從而促進城鎮化率的不斷上升，從2001年的26%增長至2020年的52%。

水域濕地面積增加主要是由降水增加所導致。從相關研究結果來看，雖然衡邵婁地區降水量未有明顯突變趨勢，但近10 a降水量增加的趨勢十分明顯，導致地表水資源量增加。根據《湖南省水資源公報》，近20 a湖南省地表水資源量較多年平均值偏多，2020年衡邵婁干旱走廊區域地表水資源量較多年平均值增加7%。

耕地面積的減少主要有兩個方面的原因：一是建設用地的就近擴張占用。二是由于區域干旱情況較為嚴重，受氣候干旱的影響，部分農業用地不得不荒廢，從而向其他土地利用類型進行轉化。近10 a耕地面積減少了3.36萬hm2，但農業用水量2020年比2010年不減反增。因此，衡邵婁干旱走廊用水壓力依然巨大。2020年7月開工建設的犬木塘水庫是國務院部署的172項重大水利工程項目之一，是解決衡邵婁干旱走廊地區干旱缺水問題的骨干水源。灌區設計灌溉面積8.11萬hm2，灌區渠系包括1條總干渠、5條分干渠和13條骨干支渠[20]。項目建成后，可優化區域水資源配置、解決衡邵婁干旱走廊中心區域缺水現狀，對保障糧食安全、保證區域居民生活用水安全以及改善灌區內河道生態環境均具有十分重要的意義。

4 結 論

采用空間分析技術和生態環境質量評價方法，對比分析了衡邵婁干旱走廊2000—2020年土地利用/覆被變化，評估了區域生態環境質量變化情況并探討其變化原因。主要結論如下。

（1）衡邵婁干旱走廊區域土地利用/覆被類型主要以林地為主，面積占區域總面積的59.63%，耕地面積占區域總面積的34.59%，草地、建筑用地、水域濕地面積分別占2.55%、1.84%和1.36%，未利用地面積為0.03%。

（2）林地、耕地、草地面積20 a呈現顯著減少的趨勢，建設用地和水域濕地面積則呈顯著增加的趨勢，尤其是建筑用地20 a增加了806 km2。近10 a土地利用/覆被類型轉化的強度較大，主要原因是區域經濟的增長導致城鎮化加速，造成建設用地的面積激增，且以占用耕地和林地為主要擴張方式。

（3）由于建筑用地的擴張和林草地、耕地面積的減少，導致區域生態環境狀況有所下降，生態環境狀況等級從“優”降為“良”。

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Changes of Land Use and Cover and Ecological Environment in the Arid Corridor of Hengyang-Shaoyang-Loudi from 2000 to 2020

ZHANG Pei1，CHEN Yin1，2，ZHAO Weiming3，DENG Xiaoya1，SHENG Dong3，WANG Yanyun1，4

（1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2. International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation，Beijing 100048，China；3. Hunan Institute of Water Conservancy and Hydropower Research，Changsha 410007，China；4. China Reinsurance （Group） Corporation，Beijing 100033，China）

Abstract：Land use/cover change （LUCC） is closely related to regional ecological environment，and，to some extent，reflects the eco-environment changes and affects regional eco-environmental quality. To investigate the causes and drivers of LUCC and eco-environmental changes，and to assess regional eco-environmental quality，we employed spatial analysis techniques and eco-environmental evaluation methods to compare the LUCC in the arid corridor of Hengyang-Shaoyang-Loudi between 2000 and 2020. Results indicate that forest land and cultivated land constitute the primary land use types in the Arid Corridor，accounting for 94.22% of the total area. However，over the past two decades，both forest land and cultivated land have experienced a significant decline largely due to accelerated urbanization resulting from regional economic growth，leading to a surge in construction land and encroachment upon cultivated land and forest land. Meanwhile，drought and water scarcity have contributed to the conversion of arable land to other land use types. Consequently，the regions ecological condition has downgraded from being “excellent” to “good”.

Key words：Land use/cover change；ecological index；transfer of land use；Arid Corridor of Hengyang-Shaoyang-Loudi