長春市土地利用時空轉型及其生態環境響應

范銘軒，姜海玲，張舒涵，呂增淼，王麗遙

(吉林師范大學 旅游與地理科學學院，吉林 四平136099)

0 引言

在對全球變化的研究中,社會經濟飛速發展,導致了土地利用類型的轉變和空間重構,對區域生態環境造成惡劣影響,甚至威脅區域生態安全[1-2]。臭氧層破壞、生態系統受損加劇、海平面上升等眾多生態環境問題嚴重影響人類活動,全球變化科學已受到廣泛重視[3-4]。

研究表明,土地利用轉型是造成生態環境變化的主要原因[5-6],它是人地關系間最主要的體現形式[7],其改變不僅對區域氣候、水資源和碳排放等[8]環境因素產生變化,還會影響景觀生態格局[9]、區域生態系統結構及其服務價值[10-11],從而產生復雜多變的生態環境效應。區域生態文明建設離不開規范化、合理化的土地利用空間布局[12],反之,隨意變更土地利用格局將會帶來諸多生態環境問題,如土地荒漠化、河流泛濫和生物多樣性減弱等問題,嚴重侵害人類健康與發展,此類生態問題將在以后的城市發展體現得更為突出,嚴重干擾城市生態文明建設。

目前國內外學者已對土地利用轉型及其區域生態環境質量(生境質量)變化獲得了大量研究成果。國外學者認為,土地利用分析的影響因子過于單一,將逐步向可持續發展的土地轉變[13]。Du等[14]利用遙感影像探究了快速城市化進程中杭州市土地利用轉型的生態效應。Li等[15]利用生態系統服務模型和地理加權模型分析了中國南四湖的空間格局與生態系統服務的時空變化關系。在國內,任涵等[16]利用西安市景觀格局變化分析,結合同心緩沖區分析城鄉梯度內景觀指數與生態系統服務價值的特征及其相互關系。王成等[17]通過建立評價指標體系探究重慶市榮昌區村鎮城市化進程與生態環境效應協調發展的時空格局。

長春是吉林省的重要發展城市,經濟發展迅速,城市化和工業化水平較高。本文以長春市為研究對象,基于2001年、2011年和2021年3期高分辨率遙感解譯數據,分析2001—2021年間長春市土地利用格局與空間轉型特征,并對生態效應進行綜合評估,旨在揭示長春市環境改善與惡化的影響因素,為規范長春市土地利用格局,解決人類活動導致的生態環境問題提供參考依據。

1 研究區概況

長春市(包括公主嶺市)總面積約為25 000 km2,位于120°30′E～127°51′E,43°13′N～45°17′N。長春市包括3個縣級市、1個縣和7個區,與松原市、四平市、吉林市和哈爾濱市相鄰,是吉林省的政治、經濟和文化中心。長春市位于松嫩平原東部,地勢由東南向西北降低,相對高度平緩,土地類型以耕地為主,屬于溫帶季風氣候,年均降雨量約為600 mm,主要集中在夏季,冬季寒冷干燥。長春市是全國的重要交通樞紐城市,境內有京哈線、長大線等多條鐵路線,并有東北地區四大國際機場之一——長春龍嘉國際機場,社會經濟發展前景向好。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源與處理

土地利用數據來源于武漢大學Yang J和Huang X教授團隊發布的CLCD全國土地利用數據[18],空間分辨率為30 m×30 m,總體精度高于80%。本文選取2001、2011、2021年3期長春市高分辨率土地利用遙感解譯數據,參照《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)[19],利用ArcGIS軟件將遙感解譯結果重新劃分成6個一級地類,與之對應的生態環境質量指數數據來源于文獻[20]的研究結果,如表1所示。

表1 土地利用分類與生態環境質量指數

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣來自于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述[21],指將各地類土地利用轉移的面積,按照矩陣的形式進行排列,直觀反映不同地類間面積的轉變情況[22-24],從而實現土地利用功能在不同情景下轉型。通過GIS軟件對土地利用數據進行疊加分析,得出各時段的轉移矩陣,表達式為:

(1)

式中:Aij為i類土地利用類型變化為j類土地利用類型的面積,n為區域土地利用類型數量。

2.2.2 土地利用動態度

區域研究初期到末期各土地利用類型前后的面積變化強度,通常采用土地利用動態度來計算,可直觀看出不同用地類型的動態強度特征[25],也可用來預測未來土地趨勢。計算公式為:

(2)

式中:K表示t1、t2時段前后某種土地類型的動態度,St1、St2表示此時段前后該地類的面積。K值的變化波動,反映了轉化成其他地類的數量。

2.2.3 土地利用生態效應評價

① 區域生態環境質量指數

區域生態環境質量指數可定量評定區域內生態環境綜合狀況[26],表達式為:

(3)

式中:EVt為t時期環境質量指數,Ati為t時期第i種地類面積,Ri為第i種地類的生態質量指數,TAt為區域總面積,n為土地利用類型數。

② 土地利用轉型生態貢獻率

為便于量化區域內土地利用功能轉型的生態環境質量貢獻情況,通常使用土地利用轉型生態貢獻率方法,可直觀表達生態環境的改善與惡化效應[27],表達式為:

(4)

式中:LEI為土地利用功能變化的生態貢獻率,LE0、LE1分別為變化前后的生態環境質量指數,LA為變化面積,TA為區域總面積。

3 結果與分析

3.1 土地利用轉型分析

3.1.1 土地利用時空變化

根據長春市2001年、2011年和2021年3期土地利用類型圖(如圖1所示),總體來看2001—2021年間長春市耕地面積占比最大,幾乎遍布全市;草地和未利用土地面積較少,主要位于農安縣;林地大部分位于長春東部地區,在九臺區、雙陽區和二道區分布最廣泛,少量分布在榆樹市和公主嶺市;水域集中在長春市中部地區,主要分布在南關區、二道區和九臺區南部,農安縣也存在部分水域;建設用地主要位于長春市中南部(寬城區、綠園區、朝陽區、南關區和二道區),分布集中且規模較大。結合圖2可更直觀探析長春市近20年間的土地利用變化趨勢,可看出: 2001—2021年耕地面積占比常年超過75%,其次是建設用地和林地,未利用土地范圍較小,面積最小。耕地、建設用地是長春市發展所需的重心土地利用類型,隨著城市的擴張,建筑物急劇增加,由城區逐步擴大到郊區,20年間建設用地共增加了759.91 km2,增長率為39.01%。相較之下,林地、水域、草地和耕地的原有面積遭到破壞,分別減少了37.51、68.41、246.58、282.94 km2,面積減少率分別為2.35%、9.21%、35.58%、1.46%。

圖1 2001年、2011年和2021年長春市土地利用圖Fig.1 Land use maps in Changchun in 2001, 2011 and 2021

圖2 2001—2021年長春市不同土地利用類型面積變化Fig.2 Area change of different land use types in Changchun from 2001 to 2021

3.1.2 土地利用轉移矩陣

長春市在2001—2021年地類間轉換較為明顯,各種土地類型間都存在空間轉移與面積變化情況,基于轉移矩陣直觀表達出地類間的相互轉換,如表2所示。整體來看,林地面積并未發生太大變化,主要與耕地相互轉換,面積的轉入轉出基本持平,即維持自身的生態平衡。近20年間由于政策的變化,導致耕地面積變化劇烈,與其他地類間轉換頻率較高,其中轉入耕地面積較多的是林地和草地,分別為187.47、295.99 km2,同時耕地向外轉出的地類面積主要以建設用地和林地為主,分別為614.18、157.09 km2。草地的轉出量約占總轉出量的21%,轉型成其他面積為425.91 km2。由于政府對水域和未利用土地的保護,使其開墾面積較少。

表2 2001—2021年長春市各土地利用類型轉移矩陣

20年間長春市經濟建設不斷完善,城市化進程加快,建設用地不斷擴張,致使其他土地利用類型轉入建設用地面積最多,為784.62 km2,其中絕大部分來源于耕地,小部分源自水域、荒廢草地;轉入耕地的面積,主要來自草地、林地和水域,其中草地約占40%,可以看出適當的毀草造田可以為城市增加部分耕地面積。

3.1.3 土地利用動態度變化

根據式(2)得出長春市土地利用動態度,如圖3所示。結果顯示,在2001—2021年間,前10年草地的土地動態度最為明顯,后10年建設用地的土地利用動態度最為顯著;建設用地動態度始終為正值,面積不斷擴張;草地、水域和未利用土地動態度始終為負值,面積持續減少;耕地和林地因不確定因素動態度在20年間出現正負值交替情況。具體體現在:

圖3 2001—2021年長春市土地利用動態度Fig.3 Land use dynamic degree in Changchunfrom 2001 to 2021

① 2001—2011年,長春市正處于城市發展初級階段,土地利用類型間轉化緩慢。其中建設用地開發迅速,土地利用動態度最大,為1.25%;林地陸續被開發利用,為0.13%;耕地變化較小,為0.03%。由于各地類間的相互轉型,導致草地、水域和未利用土地面積減少,動態度表現為負值,其中草地面積減少最快?？梢钥闯霾糠植莸?、水域被破壞和未利用土地被破壞,轉型為建設用地等其他地類。

② 2011—2021年,長春市發展迅猛,建設用地面積范圍不斷向外擴展,土地動態度最大,從1.25%升高至2.36%。相比之下,其他地類均呈現負值,面積減少由快到慢排序為:未利用土地>草地>水域>林地>耕地。各土地利用動態度變化明顯,長春市的發展重心與產業結構在持續變化和改革。

同時,20年間長春市人口從705.7萬快速增長至851.7萬,加上經濟高速發展,直接導致了土地城市化進程加快。耕地出現大面積減少,草地、未利用土地面積部分被開墾,而建設用地面積不斷擴張。

可以看出城市發展不協調,耕地—建設用地的轉型使土地生產能力遭到破壞,同時土地水土保持能力也受到不同程度的影響。

3.2 生態環境對土地利用轉型的響應

3.2.1 生態環境綜合質量演變

① 生態環境質量指數分析

通過區域生態環境質量指數計算得出長春市2001、2011、2021年各土地利用類型生態環境質量指數(如表3所示),建設用地生態環境質量指數逐漸增大,草地、水域和未利用土地生態環境質量指數不斷減小,綜合指數分別為0.312 1、0.308 1和0.304 3,整體上長春市生態環境質量呈現微下降趨勢,說明地類變化的最終結果對生態環境存在消極影響,建設用地的開發可能對生態環境造成一定損害。

表3 長春市各土地利用類型生態環境質量指數

② 生態環境質量空間格局

通過自然斷點法將長春市的生態環境質量分成4個級別,如圖4所示,生態環境質量等級和土地利用類型的分類差異有一定的空間對應關系。耕地類型是高質量區,幾乎未被城市污染,生態環境質量穩定,主要分布在中部地區;低質量區主要以建設用地和水域為主,主要位于長春市中北部,在寬城區、綠園區、南關區和朝陽區,這些地區經濟發展較快、社會設施完善以及人文因素較強,生態環境和城市發展節奏不一致。綜上所述,2001—2021年生態格局整體較為穩定,一直維持相對平衡的生態環境,總體向好。

圖4 長春市 2001年、2011年和2021年生態環境質量空間分布格局Fig.4 Spatial distribution pattern of eco-environmental quality in Changchun in 2001, 2011 and 2021

③ 各縣區功能定位及生態環境質量變化

近20年來,長春市以中心城區(朝陽區、南關區、寬城區、二道區和綠園區)發展為重心,促進新型產業向中心城區及周邊組團集聚,引導傳統產業向外圍地區轉移,其中朝陽區大力發展第三產業且加強水庫匯水區保護;南關區重點發展現代服務業;寬城區加快老工業基地改造;二道區大力推進舊城改造;綠園區發展軌道客車產業。以上城區的功能定位致使長春市中心城區建設用地范圍不斷向外圍擴張,中心水域面積得到保護,而耕地等其他用地面積則減少,導致中心城區的低質量區范圍逐漸擴大。另外,次中心城區中雙陽區接納中心城區轉移的教育產業,九臺區和農安縣等地大力發展農副產品加工產業和旅游休閑產業等。次中心城區長期以耕地和林地為主且沒有明顯變化,建設用地面積未出現大幅度增加,以致次中心城區中農安縣的較低質量區范圍略有減少,其他地區生態環境質量趨于穩定狀態。

3.2.2 土地利用轉型生態貢獻率分析

為深入探討影響長春市生態環境質量的原因,通過土地利用轉型生態貢獻率計算出長春市土地利用轉型及其生態指數貢獻率(如表4所示),進而分析各地類間的轉化對生態環境質量的影響。通過對比分析可知,長春市大面積的土地利用轉型主要集中在耕地與草地、林地和水域之間的相互轉變,大量生態價值較低的耕地轉變為草地、林地和水域,是生態環境改善的主要原因,貢獻率占比分別為20.21%、56.70%和17.75%。造成部分耕地退耕還林還草的主要原因是九臺區、農安縣等地大力發展旅游業,需擴大林地草地面積,優化當地生態環境,提高生態環境質量,從而加強旅游資源的培育與養護。

表4 長春市2001—2021年土地利用轉型及其生態指數貢獻率

與此同時,造成長春市生態環境質量惡化的主要原因是草地和林地轉化為生態價值較低的耕地以及大面積耕地被建設用地占用,貢獻率占比分別為37.58%、27.12%和16.32%,此3種地類轉型占總惡化貢獻率達80%以上?？煽闯?長春市在2001—2021年間生態環境質量的改善和惡化同時存在,耕地向林地轉型大大加強了長春市生態環境質量的改善,但惡化程度總體依舊高于改善趨勢。因此,應綜合考慮長春市產業布局與其貢獻效率,對土地利用格局進行合理規劃,在確保經濟穩定發展的同時,注重保護生態,改善生態環境質量。

4 結束語

本文以高空間分辨率土地利用數據為基礎,通過土地利用轉移矩陣和生態環境質量等方法,從多角度分析土地利用空間格局,可以看出土地利用轉型和生態效應的聯系。2001—2021年間城市化發展造成長春市土地利用格局發生改變,部分自然生態環境受到污染,雖然有些地類間的轉型對生態環境有所改善,但生態環境質量未能出現上升趨勢。土地利用空間格局優化,需要協調各地類間面積占比,適時調整產業結構,加強生態文明建設,推動土地利用的可持續發展等工作。因此,政府需重視退耕還林還草的生態政策,落實耕地保護政策,同時合理節約利用建設用地,尋找平衡點以協調城市建設和生態安全之間的關系。

由于篇幅有限,本文沒有深度探究造成影響土地利用轉型的具體因素以及未來變化,在今后研究中將對地類間轉型的驅動力進行探析,結合自然因素、人文因素和國家政策等因素分析不同時期長春市土地利用轉型,權衡經濟建設和生態環境保護關系,旨在為長春市構建可持續發展的土地利用格局。