资源型城市土地利用变化及生态环境效应研究——以白银市区为例<br/>

资源型城市土地利用变化及生态环境效应研究——以白银市区为例

2013-08-17张万萍雒占福孟越男

水土保持研究 2013年6期

张万萍，雒占福，孟越男，张剑，何珊

（西北师范大学地理与环境科学学院，兰州730070）

20世纪90年代中期以来，我国城市化进程加快，2011年我国的城市化率为51．27%，城市土地利用变化成为当前土地利用研究的热点［1］。目前，国内学者对土地利用的研究主要集中在城市土地利用时空动态变化与驱动机制方面，如孙雁等［2］以多时相历史数据为基础，研究了沈阳市100a来土地利用空间结构的演变特征和规律；贾文臣等［3］应用土地利用空间形态分形模型研究了威海市土地利用分形特征时空格局变化特点；谢叶伟等［4］在RS与GIS技术支持下，研究了沿海城市土地利用变化及其驱动力；钟春棋等［5］运用主成分分析法确定了福州市土地利用变化的主要驱动因子。相对而言，对城市土地利用变化及其引起的生态环境效应研究较少［6－9］，张杨等［6］运用生态环境质量评价模型对武汉市土地利用变化的生态环境效应作了分析；李鹏山等［9］采用生态环境效应评价模型，对海口市滨海旅游区生态环境效应进行了研究。且研究的对象多为东部城市，对西部城市特别是资源型城市的土地利用变化及其生态效应研究十分薄弱［10－13］。鉴于此，本文以白银市区为例，研究1980年代后期西北干旱区资源型城市转型下的土地利用变化及其对生态环境的影响，以期为解决资源型城市转型过程中产生的问题和实现城市可持续发展提供依据和借鉴。

1 研究区概况

白银市区（郝家川）位于白银区中部，是典型的黄土高原矿农交错区，土地总面积为5．01×104hm2。市区地势较为平坦，平均海拔1 709．2m，属中温带大陆性干旱、半荒漠气候，年均气温8℃，年均降雨量198mm，植被覆盖度低，土壤类型以灰钙土为主［14］。白银市区是白银市的政治、经济和文化中心，也是我国重要的有色金属基地和甘肃省能源化工基地，素以“铜城”闻名。白银市区交通便利，距兰州中川机场仅70km，包兰铁路、白宝支线铁路，G6白兰高速、109国道穿境而过。从1988年开始，白银市区实施了资源型城市的转型战略，城市职能和产业布局发生了重大变化，产业转型下土地利用变化及其生态环境变化剧烈，因而对其土地利用变化和生态环境效应的整体研究具有重要的现实意义。研究区内地物种类多，影像解译时考虑到不同土地利用程度的差异，将一些附属或是难以区分的类型予以归并，将研究区的土地利用类型划分为水体、草地、耕地、林地、建设用地、未利用地六种［15］。

图1 遥感影像图处理流程

2 数据来源与研究方法

2．1 数据来源及处理

本文以1990年8月18日、2000年11月1日和2011年9月29日的3期30m分辨率，轨道号为130／35的陆地卫星（Landsat TM）影像作为基础数据，以白银区统计年鉴（2011年）、白银市统计年鉴（2011年）等为社会经济数据源。基于ENVI 4．7软件对3期遥感影像进行解译（图1），分类图的总体分类精度和Kappa系数在85%以上，Kappa系数均高于最低允判精度（0．7），满足土地利用变化监测的精度需要；再利用ENVI中的分类统计、分类结果比较后，获得各时相土地利用图（图2）。

图2 1990－2011年白银市区土地利用

2．2 研究方法

2．2．1 土地利用类型动态度［2］单一土地利用动态度可以定量地描述区域土地利用变化的速度。其计算公式如下：

式中：K——研究时段内某一土地利用动态度；Ua、Ub——研究期初和研究期末某一土地类型数量；T——研究时段长，当T设定为年时，K为研究时段内某一土地利用类型的年变化率。

2．2．2 区域生态环境指数为了定量表征研究区域（县级行政单元）内生态环境质量的总体状况，引入区域生态环境指数模型［12］，其表达式为：

式中：LUi、Ci——该区域内t时期第i种土地利用类型的面积和生态环境数；TA——该区域总面积；N——区域内的土地利用类型数量。

2．2．3 区域生态环境质量贡献指数区域土地利用变化类型生态贡献率是指某一种土地利用变化类型所导致的区域生态环境质量的改变，其表达式为［13］：

式中：LEt＋1，LEt——某一土地利用变化类型所反映的变化末期和初期土地利用类型所具有生态质量指数；LA——该变化类型的面积；TA——该研究单元（如县级行政单元）的总面积。

3 土地利用变化特征及区域生态环境变化分析

3．1 土地利用结构变化

分析土地利用结构变化有助于认识土地利用变化趋势。1990—2011年白银市区的主要用地类型是未利用地、建设用地和耕地（图3），其所占比例分别由1990年的83．04%，8．43%和5．80%变化为2000年的65．66%，15．88%和16．49%，到2011年则分别达到63．8%，16．98%和14．13%。21a间，未利用地所占比例最大，但一直处于减少态势，建设用地处于增长态势，这与白银市1988年开始实施资源型城市转型战略在老城西郊发展新区（又称西区）占用荒滩地相吻合。耕地面积表现为先增后减，其中先增与新区建设相伴随的周边宜农荒地开垦为耕地，发展城郊农业有关，后期减少与原市区边缘区的开发占用相一致。水体和林草地所占比重小，但略有增加，是建设城市公园，改变城市环境的结果。

图3 1990－2011年不同土地利用类型的面积

3．2 土地利用强度变化

1990—2000年白银市“移山造地”，西区工业园的建设加速了城市用地扩张，带动了培育新农业品种的市场需求，加快了切边地缘的农田林业和以道路水系绿化为主的绿色通道林业发展，使得市区耕地和林地面积变化最快，年变化率分别达到18．44%和10．15%（图4）。2000—2011年，扩建的白银新区内土地的集约利用使用地种类趋于多样化，各地类变化趋于平缓，面积增加缓慢；其中水体和草地变化相对较快，年增长率分别达到10．63%和9．41%，这种现状是市区用地结构调整（退耕还湖、开发未利用地为生态草坪）的结果。21a白银市区用地经历了“急剧变化—缓慢变化”的过程。

图4 白银市区土地利用的年变化率

3．3 白银市区土地利用变化空间转化

基于ENVI 4．7软件平台，对不同时相遥感图像的分类结果进行叠加运算，得到研究区各土地利用类型的相互转移情况（表1、表2）。

表1 1990－2000年白银市区土地利用转移矩阵hm2

表2 2000－2011年白银市区土地利用转移矩阵 hm2

1990年后白银新区开发建设使得耕地（生态农业用地）、建设用地增加，这与未利用地大量转化为耕地（3 209．23hm2）、建设用地（2 454．90hm2）的现状吻合，其中少量耕地转化为建设用地211．23hm2，分布于原市区边缘区以及交通建设区域，未利用地和耕地转化为建设用地的面积表现为：未利用地＞耕地。表明，生态质量低劣的土地覆盖类型（西郊荒漠地）转变为生态质量略高的城市用地类型（耕地和城市用地等）对白银市区改善生态环境有很大益处。为达到用地占补平衡，建设用地转化为耕地199．98hm2分布于白银市区偏南，主要是居民点用地复垦为生态农业用地。表明这些地区伴随着生态建设（如经济林、地膜蔬菜等）的城市化过程也能使生态环境质量有所改善。2000年以后，耕地面积下降，主要转化为建设用地（570．85hm2）和林地（171．72hm2），主要分布在金鱼公园的动物园、中科院白银高技术产业园等建筑用地，林地主要是大型防护林建设；建设用地转化为生态质量较高的水体面积为126．09hm2，主要分布在西区水库和金鱼公园人工湖，对生态环境有促进作用。林草地和水体转化过程中所占比例较小，属于比较稳定的地类。

3．4 区域生态环境质量变化

由不同土地利用类型的生态环境指数［12］计算得到各土地利用类型生态环境质量指数（表3）。

表3 白银市区1990－2011年生态环境质量指数

表3表明，1990—2011年间，耕地、建设用地和林地生态环境质量指数变化幅度最大，说明这三种地类的区域生态环境变化最明显，未利用地生态环境质量指数呈负向变化，说明未利用地生态环境质量降低。总体而言，白银市区1990年和2011年的区域生态环境质量指数分别为0．087和0．126，年均上升0．19%，这种现象与白银市区利用区位优势和土地资源优势，引进投资，加快城市扩张力度，加强城市生态建设政策相符，表明城市生态环境朝好的方向发展。

3．5 区域土地利用类型生态贡献率变化

土地利用类型间相互转化面积直观反映了区域生态环境是趋于改善还是退化，生态贡献指数高低可以看出哪种地类间转化对生态环境变化影响最显著（表4）。1990—2011年间，使得白银市区生态环境质量改善的因素中，退耕还林、未利用地转化为耕地两个因素的贡献指数最高，分别为0．29%和1．87%。导致白银市区生态环境质量恶化的因素中，林地转化为未利用地和耕地的贡献指数最高，分别为－0．13%和－0．19%。说明耕地、未利用地、林地之间的转化是生态环境变化的主要影响因子，未利用地向耕地转化对生态环境好转起着促进作用，耕地转化为建设用地、未利用地加快了生态环境退化程度，耕地变化是影响生态环境变化的主导因子。白银市区生态环境变化同时存在好转和恶化两种趋势，但是生态环境质量改善的土地面积远高于生态环境质量退化的土地面积，说明总体上白银市区生态环境质量呈现改善趋向。

4 结论与展望

本文基于已建立的三期白银市区遥感数据库，定量分析了1990—2011年间白银市区土地利用时空变化特点及区域生态环境效应，研究表明：

（1）白银市区1990—2011年间，土地利用变化剧烈，并且生态环境双向演进的过程显著，同时存在着生态环境改善和恶化两种相反的趋势。在大尺度范围内，研究区域生态环境质量朝着健康的方向发展，但是与1990年相比，局部工矿地区2011年生态环境恶化显著。这些变化受到白银市区推行开发未利用地为生态农业用地、退耕还林等政策的影响。白银市区产业转型引起的产业结构调整使得土地朝着集约利用的方向发展。

表4 1990－2011年土地利用／覆盖转变类型及生态贡献指数

（2）利用生态环境质量指数模型建立土地利用与生态环境的数量关系，不仅可以了解区域整体生态环境状况，也可以通过土地利用类型转移矩阵了解影响区域生态环境质量的主要驱动力。但是生态环境质量指数模型仅对生态环境进行综合评价，未能对土地利用类型生态效应的具体内容进行分析。如何把土地利用类型的生态效应定量化，为区域土地可持续发展和生态环境保护提供依据仍需要进一步的研究。

（3）白银市区铜矿资源枯竭使得城市发展缓慢，建议白银市区在产业转型下向西区扩张建设中，加强土地集约利用，在大量侵占耕地生态环境状况差的区域，应该适当控制土地利用变化速度，引导土地利用向减少环境污染的方向发展，使土地利用趋于有序化；市区边缘居民点区域，生态环境状况好，经济发展相对落后，应该优化土地利用结构，转变低效用地的利用方式，提高土地利用的综合效益。

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