鄢继选, 孙栋元, 乔蕻强, 郑志琴

黑河流域中段甘州区土地利用和生态环境协调研究

鄢继选1, 孙栋元1, 乔蕻强2, 郑志琴2

1. 甘肃农业大学水利水电工程学院, 兰州 730070 2. 甘肃农业大学管理学院, 兰州 730070

借助于熵权法、耦合协调度研究甘州区土地利用与生态环境的关系, 为黑河流域中游甘州区的土地利用变化及生态环境保护指明方向。结果表明: ①甘州区由2003—2017年的土地利用综合指数由0.2613上升到0.6545, 增幅150%; 生态环境综合指数由2003年0.3809上升到2017年的0.4716, 增幅23.81%, 土地利用综合指数和生态环境综合指数都在持续提升。②甘州区土地利用与生态环境的耦合度整体呈现出上升的态势,处于中级耦合发展生态环境滞后型。③通过关联分析可知, 土地利用综合程度指数、三废排放量分别作为甘州区土地利用和生态环境最主要的影响因素, 今后适当加强土地利用程度, 减少三废排放量, 以促进土地利用与生态建设良好协调发展。

土地利用; 生态环境; 耦合协调度; 甘州区

0 前言

二十世纪以来, 生态环境的明显变化引起国际社会的广泛关注, 土地利用被普遍认为是生态环境变化最重要的驱动力, 所以有效地协调区域土地利用与生态环境关系问题显得十分重要[1]。然而, 自上世纪八十年代以来, 由于工业化和城市化的高速发展, 城郊结合区域成为建设用地开发利用最快且最多的区域, 造成农用地面积急剧减少, 使区域生态气候发生了变化[2], 同时对生态系统演变以及生物多样性等造成了影响[3]。因此, 学者开始深入研究如何协调土地利用和生态环境的关系, 为区域生态环境建设提供理论依据。

土地利用与生态环境相互关系的内涵是人地关系和谐发展。1865年, Marsh首次在《Man and Nature》一书中提出工业化快速增长会造成自然环境利用范围的扩大[4], Gegur等学者提出了土地资源的不合理利用是生态环境破坏的重要影响因素[5]。进入21世纪, 3S技术的应用为生态变化和土地利用的研究提供了新的方法[6]。我国学者童绍玉在研究农用地对生态环境的外部性影响时, 分析了农用地对区域生态环境的正外部性影响, 并强调农用地兼有生产功能和生态功能[7]。刘杰等在研究人为活动对生态环境的影响时, 采用了统计与对比的分析方法, 重点研究建设用地, 指出扩大建设用地不仅影响人们的行为方式, 而且会给生态环境带来不良影响[8]。沈佩瑜在研究交通用地与生态环境的相互关系时, 采用空间分析的方法, 发现在交通用地中公路用地对生态环境的不良影响最大, 而且公路用地的扩张会对其周边的生态环境构成很大的威胁[9]。同时, 人们开始意识到土地利用变化将引起生态环境的变化, 生态环境的变化同时限制了土地利用, 二者相互影响并且互相牵制[10]。因此, 一些区域开始进行土地利用和生态环境的耦合关系研究, 注重调控土地利用方式。

甘州区处于祁连山国家级自然保护区, 是我国“西菜东运”的枢纽和国家商品粮生产基地。甘州区综合了城乡结合地带、绿洲农业区、生态脆弱区, 面临大城市和大农村发展、第三产业发展和特色农业种植, 城市建设用地扩张与农地保护之间的矛盾, 最终都使甘州区的土地利用结构发生了很大的变化, 同时也给甘州区带来了一系列生态问题, 危及到整个黑河流域的生态安全建设。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

甘州区介于38°32′—39°24′N, 100°6′—100°52′E之间, 北靠内蒙古自治区的阿拉善右旗、南连民乐、东接山丹县、西邻临泽县。地处黑河流域中游, 是张掖市的政治, 经济, 文化和交通中心, 同时也是古代丝绸之路上重要节点, 区域行政总面积4240 km2, 海拔1410—3600 m。甘州区为典型的温带大陆性气候, 全年降水多集中在6—9月, 全年多西北风, 平均气温7℃, 干旱、风沙、冰雹、霜冻是该地区常见的自然灾害。全区植被覆盖率低于60%, 典型特点是树种单一, 植被稀疏, 群落外观趋同。2017年甘州区现辖22个乡镇, 243个行政村。全区总人口为51.63 万人, 其中非农业人口占总人口的38.9%。截止2017年年底全区GDP总量为25.31 亿元, 其中非农业产值17.23 亿元, 占GDP总量的68.08%, 人均收入达到13001 元。

1.2 数据来源

考虑到研究区域计量指标和数据的易获取性、连续性和准确性, 本文所采用的2003—2017年甘州区的部分数据来自《甘州区统计年鉴》与《甘州区国民经济和社会发展统计公报》, 还有部分数据来源于第二次土地调查和年度变更资料。

1.3 研究方法

(1)标准化处理

本文研究采用处理方法是极差标准化处理消除各个指标在量纲以及数量级上的差别, 使得各指标值在0-1间。极差标准化处理所运用的公式如下:

式中,x为指标原始值, rij表示标准化后的某一个指标值,为指标个数, 相应取值为1-20,为年份( 2003—2017年), 取值范围为1—15, ximax为第个指标最大值, ximin为第个指标最小值。

(2)权重的确定。为了指标权重更具科学性, 避免人为因素的影响, 本文采取熵值法来确定指标权重。

(1)计算熵值。在个指标,个被评价对象的评价问题之中, 将第个指标的熵值定义为E, 熵值计算[11]公式如下:

(2)计算指标的差异性系数。定义第个指标的差异性系数为e, 差异性系数的计算公式如下⑶:

(3)确定指标权重。定义第个指标的权重为w, 权重的计算见公式⑷:

(3)土地利用与生态环境耦合性研究

在学者们对两个不同系统的耦合度或者协调度的研究基础上, 构造分析评价模型。在计算出土地利用综合指数与生态环境综合指数后, 基于离差系数构建土地利用和生态环境耦合关系分析评价模型。当离差越小, 表明土地利用和生态环境间的耦合水平越高, 同时协调程度也越高; 反之则越低。

式中:W为土地利用第个指标权重;X为其标准化值;为描述土地利用状况的指标个数。

式中:A为第个生态环境指标权重; Yi为其标准化值;为描述生态环境水平的指标个数。

与的离差越小, 说明土地利用与生态环境之间的协调程度越高并且耦合水平也越高, Cv表示离差系数, 如下:

式中: S为和的标准差。

当Cv为极小值时, 得土地利用与生态环境之间耦合度公式:

式中:数值越大, 说明土地利用与生态环境耦合程度越高, 表明该系统是有序的协调关系; 反之则表明系统是失调关系。为调节系数, 在土地利用和生态环境耦合研究中, 调节系数一般取=2[12]。

构建了两者的耦合发展度模型, 令土地利用与生态环境的综合效益的描述能够更清晰、准确, 其能进一步反映土地利用系统和生态环境系统的总体发展水平, 判断土地利用与生态环境交互耦合的协调发展程度(耦合发展度), 其公式如下:

(4)耦合性评判依据

依据国内外众多学者对耦合性的研究成果[13-15], 再全面综合考虑甘州区的实际情况, 把土地利用和生态环境耦合发展划分为6个发展类型与18个综合评价结果, 具体见表1。

2 结果与分析

2.1 指标系统构建

本文综合国内外学术研究的基础上[15-16], 结合甘州区实际情况对土地利用与生态环境评价指标体系进行构建。土地利用的内涵包括土地利用结构、土地利用程度、土地利用效果以及土地利用污染四个方向综合土地利用系统的特征, 生态环境的内涵包括生态涵养能力、生态环境指数、生态环境压力以及生态环境保护四个方面综合生态环境系统的特征[17-18]。考虑到数据的真实性、规范性和易获取性, 本文选取28项指标作为评价指标, 见表2。

(1)土地利用结构。本文以区域优势为根据, 选取耕地比例、林地比例、水域比例以及土地总面积, 其中水域比例=水域面积/土地总面积。

(2)土地利用程度。在土地利用程度本文选取了人口密度、土地利用综合程度指数、人均耕地面积、复种指数以及耕地有效灌溉率。人口密度=行政区域内人口数/行政面积, 复种指数=全年播种(或移栽)作物的总面积/耕地总面积, 耕地有效灌溉率=耕地灌溉有效面积/耕地灌溉总面积, 人均耕地面积=耕地面积/行政区域内总人数。运用刘纪远之前所提出的数量化方法[19], 把土地利用强度按土地自然综合体在社会因素下以自然平衡保持状态进行划分为4级: 未利用土地级,林、草以及水域用地级, 农业用地级以及城镇聚落用地, 并分别将指数设定为1、2、3、4, 计算公式如下:

表1 土地利用与生态环境耦合发展分类标准

表2 甘州区土地利用与生态环境关系评价指标体系

该式子中,为土地利用程度综合指数; Ai为第i级的土地利用程度分级指数; Ci为第级土地利用分级面积百分比;为土地利用分级指数, n=4。土地利用程度反映土地利用中土地本身的自然属性, 另外还反映了人为因素与自然因素对土地利用方式的综合效应[20]。

(3)土地利用效益: 选取粮食单位面积产量、地均GDP以及地均农业生产总值。具体来说, 粮食单位面积产量=粮食总量/耕地面积, 地均GDP=粮食总量/土地总面积, 地均农业生产总值=农业的生产总值/土地总面积。

(4)生态环境效益: 选取地均工业生产总值与人均建设用地面积。具体来说, 地均工业生产总值=工业生产总值/土地总面积, 人均建设用地面积=行政区域内人口数/建设用地面积。

(5)生态环境压力: 选取单位建设用地三废排放量与单位耕地化肥施用量。具体来说, 单位建设用地三废排放量=三废排放量/建设用地总面积, 单位耕地化肥施用量=耕地面积/化肥施用量。

(6)生态环境水平: 选取人均造林面积、人均水资源量以及人均公共绿地。具体来说, 人均造林面积=新造林地面积/行政人口, 人均水资源量=水资源总量/行政人口, 最后, 人均公共绿地=公共绿地面积/行政人口。

(7)生态环境指数。生态环境指数指的是各土地利用类型的生态环境质量及面积比例[21]。生态环境状况指数(Ecological Index)=0.25×生物丰度指数+0.2×植被覆盖指数+0.2×水网密度指数+0.2×土地退化指数+0.15×环境质量指数

其中生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数以及环境质量指数具体计算如下:

生物丰度指数=×(0.5×森林面积+0.3×水域面积+0.15×草地面积+0.05×其它面积)/区域面积, (式中: 生物丰度指数的归一化系数)[22]。

植被覆盖指数=×(0.5×林地面积+0.3×草地面积+0.2×农田面积)/区域面积, (式中: 植被覆盖指数的归一化系数)。

水网密度指数=×河流长度/区域面积+×湖库( 近海) 面积/区域面积+×水资源量/区域面积, (式中: 河流长度的归一化系数;湖库面积的归一化系数;: 水资源量的归一化系数)。

土地退化指数=×(0.05×轻度侵蚀面积+0.25×中度侵蚀面积+0.7×重度侵蚀面积)/区域面积, (式中: 土地退化指数的归一化系数)。

污染负荷指数=(×0.4×排放量+Asol× 0.2×固废排放量)/区域面积+×0.4×COD排放量/区域年均降雨量, (式中ASO是SO2排放量的归一化系数;是固废排放量的归一化系数;是COD排放量的归一化系数)。

2.2 标准化及指标权重计算

由于数据来源较广而且数据的量纲不同, 需要对数据进行无量纲化处理。首先对原始数据进行分类和编码, 再对原始数据进行标准化处理。根据熵权系数法(3)与(4)来计算土地利用与生态环境指标层的权重, 详见表3。

表3 甘州区土地利用和生态环境指标权重

2.3 土地利用与生态环境的耦合关系

(1)土地利用与生态环境的耦合关系

将2003—2017年甘州区各项指标数据代入所构建的模型中, 计算甘州区2003—2017年土地利用与生态环境的耦合度, 再根据前文的分类标准, 可知甘州区2003—2017年土地利用与生态环境的交互耦合结果, 详见表4。

根据表4可以可知, 2003—2017年, 甘州区土地利用综合指数处于稳步提升的趋势, 从2003年的0.2613上升至2017年的0.6545, 说明甘州区土地利用程度不断提高。甘州区生态环境综合指数从2003年的0.3809下降至至2004年的0.3471; 2004年至2006年生态环境综合指数从0.3471上升至0.5561; 在2007—2017年生态环境综合指数总体上升, 但是在2009、2010、2014年有波动, 说明生态环境总体有所改善, 但是还存在许多不合理利用资源的问题, 对生态环境造成了影响。

根据表4可以可知, 2003—2017年, 甘州区土地利用与生态环境的耦合发展度从2003年的0.5470提高到2017年的0.7306, 说明土地利用与生态环境两者的耦合处于递增状态, 总体状况向利好趋势转变, 但耦合程度较低。15年间, 耦合发展度经历了勉强耦合, 初级耦合, 中级耦合三个阶段, 具体是2003—2004年的勉强耦合发展的土地利用滞后型到同步型, 2005—2011年的初级耦合发展的土地利用滞后型到同步型, 2012—2017年的中级耦合发展的两者同步型到生态滞后型, 说明从2003年的土地利用滞后转变到2017年的生态环境保护滞后, 原因是黑河流域属于我国西北的生态屏障保护区域, 首要工作就是要保护黑河流域的生态环境, 各级政府重视对黑河流域生态系统建设, 而且甘州区是黑河中游的重心城镇建设区域, 经济发展水平不高, 减少对土地开发利用。2004年后, 随着甘州区社会经济的发展, 土地利用逐渐趋向粗放, 并对生态环境造成了一定的影响, 尤其是2017年祁连山生态环境事件的通报, 说明了发展过程中对生态环境的保护不力, 给区域生态系统保护造成很大的压力, 尤其是甘州区作为祁连山自然保护区的重心城镇建设区域, 土地开发利用与生态保护之间的矛盾进一步加剧。

(2)土地利用系统各因子关联状况

为了进一步研究影响土地利用和生态环境变化的因素, 以利于调控对策的制定。因此, 本节运用了灰色关联度分析法, 分析土地利用、生态环境各系统内部间的关联状况, 厘清影响因素及影响大小。

以2003—2017年土地利用的各项指标的原始数据作为子序列, 母序列为以2003—2017年间的土地利用综合指数, 先运用标准化对原始数据进行转化, 再通过数据处理系统软件分析得到土地利用综合指数与各因子的关联序[23-24], 详见表5。

表4 甘州区土地利用与生态环境交互耦合分析结果

表5 土地利用各因子与土地利用综合指数的关联序

通过关联分析结果可以看出, 土地利用综合指数与土地利用各因子之间的关联度由高到低的排列次序是X、X、X、X、X、X、X等, 具体上看其所对应的准则层是土地利用综合程度指数、复种指数、耕地有效灌溉率、林地比例、粮食单位面积产量、人口密度、地均GDP、地均农业生产总值, 依次反映了对土地利用综合指数的影响大小。具体来看, 土地利用综合指数从2003年的245.52增加到2017年的264.58, 粮食单位面积产量从2003年的4570.7 增加到2017年的6142.9 kg·hm-2, 地均GDP从2003年的101.42增加到2017年的428.16万元·km-2, 地均农业生产总值从2003年的52.25增加到2017年的178.59 万元·km-2, 复种指数从2003年的0.71增加到2017年的1.12, 人口密度从2003年的114.78增加到2017年的138.81 人·km-2, 以上数值的变化说明甘州区在2003—2017年土地利用效益和产值不断增加, 同时也使土地利用综合指数进一步提高的原因。

(3)生态环境系统各因子关联状况

以2003—2017年生态环境的各项指标的原始数据作为子序列, 母序列为2003—2017年间的生态环境综合指数, 运用标准化对原始数据进行转化, 再通过数据处理系统分析得出生态环境综合指数和各因子的关联序[25], 详见表6。

综上关联分析结果可知, 各因子与生态综合指数之间的关联度依次是Y、Y、Y、Y、Y、Y、Y, 相对应单位建设用地三废排放量、单位耕地化肥施用量、生态环境指数、人均公共绿地、人均水资源量、地均工业生产总值、人工造林面积、人均建设用地面积, 依次反映了对生态综合指数的影响大小。具体数据上来看, 单位建设用地三废排放量从2003年660.88下降到2017年的234.16 t·hm-2, 单位耕地化肥施用量从2003年1873.27下降到2017年的1120.82 t·hm-2, kg·hm-2、生态环境指数从2003年0.538增加到2017年的0.5707, 人均公共绿地的从2003年12.55增加到2017年的21.45m2·人-1, 人均水资源量从2003年18.37增加到2017年的21.45 L·人-1, 地均工业生产总值从2003年的66.17增加到2017年的306.6 万元·km-2, 人工造林面积从2003年的0.02增加到2017年的0.06 m2·人-1, 这些因子的变化说明随着经济的发展, 甘州区的生态污染降低, 生态覆被面积增大, 生态系统整体在好转, 今后应继续增加环境治理经费, 提升环保意识。

3 结论与讨论

3.1 讨论

在土地利用与生态环境二者关系中, 人们对土地的利用是主导因素, 如果人们按照客观规律合理的利用土地, 就会使土地资源及生态环境能保持良好的耦合状态; 相反, 如果利用不合理, 则会导致地力下降、生态环境恶化。通过对甘州区的研究发现, 社会经济的发展促使土地利用程度提高, 加大了对生态环境的干扰, 由于缺乏良好的生态保护机制, 导致两者的耦合中出现生态滞后状态, 而且耦合度低, 潘竟虎、石培基的研究也证明了这一点[26-27]。研究生态耦合度对区域人地和谐发展具有十分重要的作用, 其研究结果与实地调研结果一致, 充分说明了研究区域生态保护的紧迫性。土地利用与生态环境之间耦合度的提高是一个长期的、渐进的过程, 只有把土地利用和生态环境建设两者并重, 因此, 政府要制定科学的发展规划, 才能达到土地利用效益和生态环境效益同步耦合发展。

表6 生态环境各因子与生态环境综合指数的关联序

3.2 结论

(1)甘州区土地利用综合指数和生态环境综合指数都呈现增加态势。其中土地利用综合指数从2003—2017年土地利用综合指数从2003年0.2613增加到2017年的0.6545, 增幅达150%; 生态环境综合指数从2003年0.3809增加到2017年的0.4716, 增幅达23.81%。

(2)2003—2017年甘州区土地利用和生态环境二者耦合协调度不断上升, 目前处于中度耦合状态。耦合发展类型经历了2003—2004年的勉强耦合发展的土地利用滞后型到同步型, 2005—2011年的初级耦合发展的土地利用滞后型到同步型, 2012—2017年的中级耦合发展的两者同步型到生态滞后型。

(3)关联分析可知, 对土地利用影响由高到低依次是土地利用综合程度指数、复种指数、耕地有效灌溉率、林地比例和粮食单位面积产量。对生态环境影响由高到低依次是单位建设用地三废排放量、单位耕地化肥施用量、生态环境指数、人均公共绿地、人均水资源量、地均工业生产总值、人工造林面积和人均建设用地面积。政府根据各因子的影响大小, 制定对策调控两者的关系。

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The middle of Heihe basin Ganzhou district land utilization and ecological environment coordinated research

Yan Jixuan1, Sun Dongyuan1, Qiao Hongqiang2, Zheng Zhiqin2

1. College of Water Resources and Hydropower Engineering, Gansu Agricultural University, Gansu Lanzhou 730070, China 2. College of Management, Gansu Agricultural University, Gansu Lanzhou 730070, China

The article studies the relationship between land use and ecological environment in Ganzhou District by means of entropy weight method and coupling coordination degree, and points out the direction of land use change and ecological environment protection in Ganzhou District in the middle reaches of Heihe River Basin. The results show that the comprehensive index of land use in Ganzhou district increased from 0.2613 to 0.6545, with an increase of 150%; the comprehensive index of ecological environment increased from 0.3809 in 2003 to 0.4716, with an increase of 23.81%, and the comprehensive index of land use and ecological environment continued to increase. The coupling degree of land use and ecological environment in Ganzhou increased as a whole, which was in the middle stage of coupling development and the lagged type of ecological environment. Through the correlation analysis, it can be seen that comprehensive degree index of land use and the emission of three wastes are the most important influencing factors of land use and ecological environment in Ganzhou district. In the future, we should strengthen the degree of land use and reduce the emission of three wastesto promote the coordinated development of land use and ecological construction.

land use; ecological environment; coupling cooperation; Ganzhou District.

鄢继选, 孙栋元, 乔蕻强, 等. 黑河流域中段甘州区土地利用和生态环境协调研究[J]. 生态科学, 2021, 40(1): 95–102.

Yan Jixuan, Sun Dongyuan, Qiao Hongqiang, et al. The middle of Heihe basin Ganzhou district land utilization and ecological environment coordinated research[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 95–102.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.013

F301.2

A

1008-8873(2021)01-095-08

2020-01-02;

2020-10-18

国家重点研发计划项目(2016YFC0402900, 2016YFC0402902); 甘肃农业大学水利水电工程学院青年教师科技创新基金(项目编号: SLSDXY- QN2018-4); 甘肃省高等学校科研项目(2017A-034); 甘肃农业大学盛彤笙科技创新项目(GSAU-STS-1747)

鄢继选(1983—), 男, 甘肃西峰市人, 博士研究生, 讲师, 研究方向为大地测量学、航空摄影遥感。E-mail: yanjx@gsau.edu.cn