安寧河流域土地利用轉(zhuǎn)型及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

王雪力,覃發(fā)超

(1.西華師范大學(xué) a.生命科學(xué)學(xué)院,b.四川省干旱河谷土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與控制工程實(shí)驗(yàn)室,四川 南充 637009; 2.大小涼山干旱河谷土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)野外科學(xué)觀測(cè)研究站,四川 喜德 616753)

土地利用/覆蓋變化(Land Use Land Cover Change,LUCC)已經(jīng)受到全世界的廣泛關(guān)注[1],為進(jìn)一步優(yōu)化土地資源配置和建設(shè)區(qū)域生態(tài)文明,國(guó)土開(kāi)發(fā)方式正轉(zhuǎn)為生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間相協(xié)調(diào)的“三生”空間模式[2]。土地利用轉(zhuǎn)變的表現(xiàn)形式之一就是土地利用主導(dǎo)功能的轉(zhuǎn)變,即“三生”主導(dǎo)功能之間的轉(zhuǎn)變[3]。土地利用功能的轉(zhuǎn)變對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境有深刻影響,研究其功能轉(zhuǎn)變是評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)之一[4]。對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)來(lái)說(shuō),經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型帶來(lái)的土地利用功能的變化與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾日益突出。所以,分析生態(tài)脆弱地區(qū)的土地利用功能轉(zhuǎn)型及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng),對(duì)該區(qū)域的土地資源合理配置以及生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有指導(dǎo)性意義。

近年來(lái),土地利用功能轉(zhuǎn)型給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的影響已引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究尺度方面,大多關(guān)注于全球[5-6]、國(guó)家[7-8]、省市[9-10]等大范圍尺度下的研究,對(duì)生態(tài)脆弱的流域尺度的相關(guān)研究較少。研究?jī)?nèi)容主要涉及土地利用功能轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)理論、土地利用功能轉(zhuǎn)型與區(qū)域發(fā)展的關(guān)系等[11-12],具體集中于土地利用功能轉(zhuǎn)型的特征分析[13]、時(shí)空演變分析[14]、對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響效應(yīng)分析[15]等方面,對(duì)生態(tài)脆弱地區(qū)的土地利用功能轉(zhuǎn)型的影響效應(yīng)研究相對(duì)較少。

安寧河流域氣候干旱,生態(tài)環(huán)境極其脆弱,是我國(guó)干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題研究的典型地區(qū)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,加之礦產(chǎn)、林業(yè)等資源的不合理開(kāi)發(fā),安寧河流域出現(xiàn)了植被退化、水土流失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,導(dǎo)致其生態(tài)屏障功能嚴(yán)重受損[16]。本研究通過(guò)土地利用功能轉(zhuǎn)移矩陣、單一和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和土地利用功能轉(zhuǎn)型生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)率等方法,探究安寧河流域土地利用功能轉(zhuǎn)型及生態(tài)環(huán)境效應(yīng),揭示其生態(tài)環(huán)境變化,以期為安寧河流域的土地管理與合理開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及進(jìn)一步的深入研究奠定基礎(chǔ),也為其他生態(tài)脆弱區(qū)的土地資源可持續(xù)利用與環(huán)境改善提供參考和借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

安寧河流域位于四川西南(26°38′—29°02′E,102°06′—102°10′E)(圖1),安寧河是長(zhǎng)江上游金沙江的二級(jí)支流,流經(jīng)西昌、冕寧、德昌及米易4縣市,流域面積約11 150 km2[17-18]。流域南北長(zhǎng)250 km左右,東西寬26～75 km,呈狹長(zhǎng)形狀,海拔在900～4 750 m,地勢(shì)北高南低,西高東低[19]。區(qū)內(nèi)氣候垂直帶譜明顯,降水的季節(jié)性差異顯著,夏秋雨量大,冬春雨量少,年平均降水量1 133 mm,多集中于每年5—10月,山地降水多于鄰近谷地[16]。

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究使用的土地利用/覆被數(shù)據(jù)(1985、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020年,空間分辨率為30 m×30 m)來(lái)源于遙感信息處理研究所(http://irsip.whu.edu.cn/)。本文依據(jù)楊清可等[3]所確立的“三生”土地利用主導(dǎo)型功能劃分標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)依據(jù)安寧河流域土地利用實(shí)際功能狀況,將生產(chǎn)、生態(tài)、生活3個(gè)一級(jí)用地類型進(jìn)一步細(xì)分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地(農(nóng)產(chǎn)地)、林地生態(tài)用地(林態(tài)地)、草地生態(tài)用地(草態(tài)地)、水域生態(tài)用地(水態(tài)地)、其他生態(tài)用地和建設(shè)生活用地(建設(shè)地)6個(gè)二級(jí)地類。使用面積加權(quán)法對(duì)安寧河流域“三生空間”分類下的6個(gè)二級(jí)地類的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行賦值,如表1所示。

表1 土地利用功能分類及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)賦值Table 1 Classification of land use function and index value of ecological environment quality

2.1 土地利用功能轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣能反映任意2個(gè)時(shí)段內(nèi)土地利用功能的轉(zhuǎn)換,包括來(lái)源、去向、數(shù)量等信息[20-21],其表達(dá)式為:

(1)

式中:S為土地面積;n為用地類型數(shù);i為研究期初的土地利用功能;j為研究期末的土地利用功能。

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度模型

2.2.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度指一定時(shí)段內(nèi)某類土地利用功能的數(shù)量變化情況,反映某類土地利用功能的具體變化情況[22]。其表達(dá)式為:

(2)

式中,K是某類土地利用功能的動(dòng)態(tài)度;Ua、Ub是研究初期和末期某地類的面積;T為研究時(shí)長(zhǎng)。

2.2.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度用來(lái)表征研究區(qū)內(nèi)不同類型土地在某一時(shí)間段的變化速率[23]。公式為:

(3)

式中:L表示T時(shí)段內(nèi)土地利用變化速率,即綜合土地利用動(dòng)態(tài)度;Ui、Uj表示研究時(shí)段內(nèi)某種地類的初期和末期面積;n表示土地利用類型數(shù)量;T表示研究時(shí)長(zhǎng)。

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的構(gòu)建

借用經(jīng)典生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型[24-25]對(duì)安寧河流域整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量情況進(jìn)行定量表達(dá)。該公式涉及區(qū)域內(nèi)各土地利用功能的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)及面積,用以表征某區(qū)域的整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。其公式為:

(4)

式中:EVt是第t時(shí)期區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);LUAi是第t時(shí)期第i類土地利用功能面積;EVi是第i類土地利用功能的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)賦值;TA是研究區(qū)總面積。

2.4 土地利用功能轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻(xiàn)率

生態(tài)貢獻(xiàn)率用來(lái)定量反映各類土地間相互轉(zhuǎn)化對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的作用,探討引起生態(tài)環(huán)境變化的主導(dǎo)土地利用功能[26]。表達(dá)式如下:

LEI=(LE1-LE0)LA/TA,

(5)

式中:LEI是研究區(qū)某一土地利用功能變化的生態(tài)貢獻(xiàn)率;LE0、LE1是某一地類在變化初期和變化末期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);LA是該地類的變化面積;TA是研究區(qū)總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用功能變化總體特征

3.1.1 土地利用功能基本情況

從整體上看,安寧河流域土地利用類型中,林態(tài)地、農(nóng)產(chǎn)地和草態(tài)地普遍分布,其中林態(tài)地是安寧河流域分布最廣的土地利用類型;農(nóng)產(chǎn)地主要集中分布在安寧河流域中上部,以西昌市、冕寧縣、米易縣為主;草態(tài)地主要位于安寧河流域邊緣地區(qū),以喜德縣的分布面積最廣。在安寧河流域土地利用功能面積變化中(表2),生產(chǎn)用地面積從1985年的2 445.658 km2增長(zhǎng)至2020年的2 593.154 km2;生態(tài)用地面積呈下降趨勢(shì),從1985年的8 614.912 km2下降至2020年8 405.267 km2,減少了209.645 km2;生活用地面積呈增加趨勢(shì),從1985年的22.741 km2增長(zhǎng)至2020年的84.890 km2。從二級(jí)地類來(lái)看,1985—2020年,安寧河流域土地利用格局有明顯變化,草態(tài)地和其他生態(tài)用地呈減少趨勢(shì),分別減少了362.925 km2和4.879 km2,農(nóng)產(chǎn)地、林態(tài)地和建設(shè)地增長(zhǎng)較快,分別增加了147.496 km2、137.130 km2和62.149 km2,其中以農(nóng)產(chǎn)地面積增加最多。說(shuō)明安寧河流域用地矛盾逐漸凸顯,需合理開(kāi)發(fā)后備土地資源。在快速城鎮(zhèn)化過(guò)程中,安寧河流域建設(shè)地逐年增加,零星分散在各縣市,2020年的建設(shè)地面積是1985年的3.7倍。這是安寧河流域近35 a經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和城市迅速擴(kuò)張的結(jié)果。

表2 1985—2020年安寧河流域土地利用功能面積變化Table 2 Area change of land use function area in Anning River basin (1985—2020) (單位:km2)

3.1.2 土地利用功能轉(zhuǎn)型分析

1985—2020年安寧河流域各土地利用功能面積及其變化如表3所示:主要表現(xiàn)在草態(tài)地、農(nóng)產(chǎn)地向林態(tài)地轉(zhuǎn)移,林態(tài)地轉(zhuǎn)入676.267 km2,林態(tài)地、草態(tài)地向農(nóng)產(chǎn)地轉(zhuǎn)移,農(nóng)產(chǎn)地轉(zhuǎn)入面積680.229 km2。草態(tài)地和林態(tài)地轉(zhuǎn)移面積較大,分別是657.420 km2和532.985 km2。其中,林態(tài)地轉(zhuǎn)為農(nóng)產(chǎn)地的面積最多,占轉(zhuǎn)出面積的87.04%,草態(tài)地轉(zhuǎn)為林態(tài)地的面積次之,占總轉(zhuǎn)出面積的64.34%。農(nóng)產(chǎn)地轉(zhuǎn)為林態(tài)地也較大,為252.213 km2,占轉(zhuǎn)出面積的47.94%?？傮w來(lái)說(shuō),至2020年,安寧河流域的林態(tài)地面積最大,農(nóng)產(chǎn)地和草態(tài)地次之,其他生態(tài)用地面積最小。

表3 1985—2020年安寧河流域土地利用功能轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transfer Matrix of land use function in Anning River basin (1985—2020) (單位:km2)

3.1.3 土地利用變化動(dòng)態(tài)度分析

如表4所示:安寧河流域1985—2020年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為12.190%,屬于土地利用變化極緩慢類型。1995—2000年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為20.524%,說(shuō)明這5年安寧河流域的土地利用功能變化最大。單一土地利用動(dòng)態(tài)度中,農(nóng)產(chǎn)地、林態(tài)地和草態(tài)地均在1%以下,說(shuō)明土地利用功能變化極緩慢。建設(shè)地在1985—2020年的動(dòng)態(tài)度為7.808%,在所有土地利用功能中變化最大,說(shuō)明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建設(shè)用地面積在逐年增加。水態(tài)地在不同時(shí)期呈現(xiàn)正負(fù)交叉的情況,并在1995—2000年達(dá)到了最大值,為6.682%。

表4 1985—2020年安寧河流域單一和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度Table 4 Dynamic degree of single and comprehensive land use in Anning River basin (1985—2020) (單位:%)

3.2 土地利用功能轉(zhuǎn)型對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)

1985—2020年,安寧河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)變化情況如表5所示:安寧河流域在1985年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為0.213,2020年為0.205,可以看出這35a,安寧河流域總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈下降趨向,略有惡化。

表5 各年份生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)Table 5 Eco-environmental quality index of each year

從導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境改善的主要土地利用轉(zhuǎn)型指標(biāo)(表6)和表3可以得出:草態(tài)地和農(nóng)產(chǎn)地轉(zhuǎn)為林態(tài)地的面積為675.17 km2,占生態(tài)環(huán)境改善總貢獻(xiàn)率的99.48%。與此同時(shí),水態(tài)地及其他生態(tài)用地向農(nóng)產(chǎn)地的轉(zhuǎn)化對(duì)于安寧河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升亦具有積極作用,以上的土地利用功能轉(zhuǎn)型共占生態(tài)環(huán)境改善總貢獻(xiàn)率的99.86%。

表6 1985—2020年安寧河流域主要土地利用功能轉(zhuǎn)型及其貢獻(xiàn)率Table 6 Transformation and contribution rate of major land use functions in Anning River basin(1985—2020)

從導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的主要土地利用轉(zhuǎn)型指標(biāo)(表6)和表3得出:林態(tài)地向農(nóng)產(chǎn)地、草態(tài)地、其他生態(tài)用地的轉(zhuǎn)化面積達(dá)532.44 km2,占生態(tài)環(huán)境惡化總貢獻(xiàn)率的89.78%。另有草態(tài)地向農(nóng)產(chǎn)地、水態(tài)地、建設(shè)地、其他生態(tài)用地的轉(zhuǎn)化,分別占生態(tài)環(huán)境惡化總貢獻(xiàn)率的6.29%、0.44%、0.36%、0.04%,累計(jì)達(dá)到7.13%。

4 討論與結(jié)論

土地利用功能轉(zhuǎn)型可以反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的演變,研究土地利用功能轉(zhuǎn)型有利于合理配置區(qū)域內(nèi)土地資源,進(jìn)一步改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。本文以安寧河流域1985—2020年8期遙感影像為基本數(shù)據(jù)源,探究了安寧河流域土地利用功能以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化規(guī)律,并分析了安寧河流域土地利用功能轉(zhuǎn)型引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。研究結(jié)果表明,在綜合土地利用動(dòng)態(tài)下,安寧河流域?qū)儆谕恋乩米兓瘶O緩慢類型,且安寧河流域的土地利用功能轉(zhuǎn)型主要表現(xiàn)為草態(tài)地、農(nóng)產(chǎn)地、林態(tài)地和建設(shè)地的轉(zhuǎn)變,并且呈現(xiàn)以草態(tài)地面積減少,農(nóng)產(chǎn)地、林產(chǎn)地和建設(shè)地面積增加的變化格局;在單一土地利用動(dòng)態(tài)下,建設(shè)地在所有土地利用功能中變化最大。從安寧河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)可以看出,近35年,安寧河流域總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈下降趨向,略有惡化,并且從2010年起,生態(tài)環(huán)境指數(shù)呈持續(xù)下降的趨勢(shì),林態(tài)地向農(nóng)產(chǎn)地、草態(tài)地的轉(zhuǎn)變,是區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的主要原因。

另外,本研究認(rèn)為,草態(tài)地、農(nóng)產(chǎn)地和林態(tài)地面積波動(dòng)是影響安寧河流域生態(tài)環(huán)境變化的主要因素,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,建設(shè)用地也逐漸成為重要影響因素。安寧河流域土地利用功能變化與自然條件退化、區(qū)域氣候改變以及人類活動(dòng)干擾密切相關(guān)。安寧河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的原因是嚴(yán)重的森林火災(zāi)、大型水庫(kù)的修建及礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā),這些活動(dòng)毀壞了大量的農(nóng)產(chǎn)地、林態(tài)地和草態(tài)地。土地利用功能變化作為引起生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的人為因素之一,對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有重要影響。介于此,建議安寧河流域在未來(lái)的發(fā)展規(guī)劃中,需要更加重視保護(hù)林地和草地,尤其是在高寒、坡陡的生態(tài)脆弱區(qū),嚴(yán)禁人為占用林地和草地發(fā)展農(nóng)業(yè),必須充分保障安寧河流域生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善。