土地利用變化與城市空氣環境效應的關系

彭文甫，周介銘，羅懷良，楊存建，趙景峰

（1.四川師范大學 西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室，成都610068；2.四川師范大學 地理與資源科學學院，成都610068）

人類活動已引起地球系統的巨大變化，并導致地球環境及生境的嚴重后果［1－2］，人類正面臨著全球變化造成的各種自然災害的不斷侵襲［3］。土地利用／土地覆被變化改變著地球表面的生物、能量和水分的過程，是全球環境變化的重要組成部分和造成全球環境變化的重要原因［4－8］，影響到人類的可持續發展。改革開放以來，我國經濟和社會的快速發展，對土地的開發利用導致了自然資源需求量的急劇增加，引起了土地利用／土地覆被發生了顯著的變化［9］，由此產生了影響中國經濟、社會可持續發展和生態安全問題［10］。近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，大規模的城市用地開發己經成為人類活動改造自然環境的主要方式之一［11］，導致對各種自然過程和生態過程的改變，產生了復雜的生態環境后果，影響區域和全球的可持續發展。

城市土地利用變化，導致人類活動頻繁、干預強度大，生態系統脆弱，由此帶來的生態環境問題已經凸顯，已經成為制約成都市社會、經濟持續發展的主要限制因子。成都市地處四川盆地，靜風頻率高，逆溫強度大等特殊氣候條件，形成空氣流動不暢、阻礙大氣污染物擴散、遷移的不利的污染性氣象條件，使成都市空氣環境質量受到嚴重威脅。成都市生態環境保護，不僅對四川省的經濟、社會發和生態安全極其重要，而且在長江上游及三峽庫區的生態環境保護中，具有重要的戰略地位。

成都城市空氣環境質量主要取決于SO2濃度、NO2濃度和總懸浮微粒物濃度等三項指標。我們分析認為，NO2污染主要因素來自機動車尾氣，SO2污染主要來自工業及生活燃煤，總懸浮微粒物主要來自建筑工地、市政工地、拆遷工地、閑置土地產生的揚塵和道路交通揚塵。因此，城市土地利用對成都市空氣環境質量產生重要影響。基于數據的可獲得性、在成都市NO2和總懸浮微粒物濃度采樣點數據基礎上，通過克里格插值獲得其空間分布，基于GIS空間分析方法，疊加土地利用變化與城市空氣環境質量二項目指標含量圖層，分析不同土地利用的城市空氣環境效應，為城市可持續發展和城市政府制定科學應對決策提供科學依據。

1 研究區概況

成都市位于四川省中部，四川盆地西部，介于東經102°54′－104°53′，北緯30°05′－31°26′，東西長192km，南北寬166km，現轄10區（錦江、青羊、金牛、武侯、成華、龍泉驛、青白江、新都、溫江、高新）、6縣（金堂、雙流、郫縣、大邑、蒲江、新津）、4市（都江堰、彭州、邛崍、崇州），總面積1.239萬km2。成都市地形從西到東，分為山地、平原、丘陵3個部分。西部是龍門山和邛崍山，海拔大多在3 000m以上，垂直分布比較明顯；中部是成都平原，面積約占全市總面積的一半，海拔450～720m，地勢由西北向東南微微傾斜；東部是龍泉山和四川盆地中部丘陵的西緣，海拔多在1 000m以下。成都市屬亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和、四季分明、雨量充沛、日照較少。研究區涉及成華區、武侯區、青羊區、錦江區、金牛區、高新區、龍泉驛區、青白江區、新都區、溫江區、雙流縣和郫縣，面積約3.7萬hm2。2008年研究區人均生產總值達4.435萬元，人口822.44萬人。

2 研究方法

2.1 數據源

研究采用的數據有遙感數據和輔助數據。遙感數據包括1992年、2000和2008年3個時期TM／ETM＋遙感影像，均來自中國科學院衛星地面站的2級數據，已進行了輻射校正和幾何粗校正；輔助數據包括研究區地形圖、土地利用現狀圖、GPS數據以及1992年以來歷年《成都市統計年鑒》和成都市環科院相關數據。

2.2 研究方法

（1）遙感數據處理。依據成都市1∶50 000地形圖，選擇突出的地物點，通過采用二次多項式函數轉化方法，對1992年的TM 圖像進行幾何校正；采用最鄰近法重采樣，將原始圖像上的像素灰度值轉化成校正后圖像的灰度值；以經過幾何校正后的1992年TM圖像為標準參照圖像，將2000年TM、2008年ETM＋影像等分別與其進行配準，配準的誤差不超過0.5個像元。

（2）土地利用變化信息提取。基于監督分類、運用人機交互解譯與野外校核相結合的方法，通過對1992年、2000年和2008年3期影像進行分類，提取3個時期土地利用狀況，構建城市土地利用數據庫。

（3）土地利用變化的生態環境效應分析。利用Erdas和ArcGIS等軟件，建立土地利用變化轉移矩陣，闡明研究區1992－2008年城市土地利用時空演變特征；應用GIS與數理統計分析方法，定性與定量分析研究區城市土地利用變化的生態環境效應。

3 結果與討論

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 變化幅度分析 基于TM／ETM＋遙感影像，應用RS與GIS技術，獲得3期城市土地利用數據（表1）。

表1 城市土地利用數據 hm2

據表1可知，1992－2008年期土地利用變化以耕地的大幅度減少和建設用地中的城鎮用地顯著增加為主要特征，面積變化分別達14.753萬hm2、3.246萬hm2；建設用地中的工礦與交通用地和農村宅基地均呈持續增加的態勢，16年間面積分別增加1.385萬hm2和1.562萬hm2；林地、水域用地均呈持續增加的態勢，面積分別增加3.189萬hm2和2.641萬hm2。在1992－2000年旱地面積增加了4.384萬hm2，水田面積減少了11.039萬 hm2，工礦與交通用地增加面積1 910.331hm2，林地面積增加3.280萬hm2，水域用地面積增加4 492.717hm2。2000－2008年林地、旱地、水田均呈下降趨勢，面積分別 減 少 905.821hm2、3.714 萬 hm2、1.656 萬hm2，建設用地（城鎮用地、工礦與交通用地）均呈持續增加的態勢，面積分別增加1.787萬hm2、1.194萬hm2，其中城鎮用地，增加面積和速度較1992－2000年有所增加，水域用地面積持續增加，達2.192萬hm2，但增加面積和速度較1992－2000年有所減緩。

3.1.2 土地利用空間轉移分析 通過ArcGIS空間分析模塊、對1992－2008年土地利用類型圖分別進行運算，獲取1992－2008年土地利用轉移矩陣（表2、表3）。

由表2可見，1992－2000年城市土地利用轉化的主要特點：林地的轉入主要來自于耕地（水田），面積為97 387.48hm2，轉移出去的林地絕大部分轉化成為耕地和農村宅基地，分別為6.219萬hm2、6 930.2 hm2；新增水域主要來自于林地，其面積為3 493.16 hm2，轉移出去的水域絕大部分轉化為建設用地和林地，面積分別為1 098.24hm2、757.10hm2；轉移出去的水田絕大部分轉化為林地和建設用地（城鎮、工礦交通與農村宅基地），分別為9.738萬hm2、3.658萬hm2，比新增水田面積多出11.08萬hm2，導致研究區域內水田凈面積是在減少；新增旱地面積比轉移成其它類型的旱地面積多出4.387萬hm2，主要來自耕地，其面積為3.403萬hm2；新增城鎮用地主要來自于耕地（水田）的轉化，面積6 326.45hm2；新增農村宅基地主要來自于耕地（水田）和林地的轉化，其面積為1.96萬hm2和6 930.2hm2。

表3 2000－2008年研究區土地利用轉移面積和轉移概率矩陣 hm2

由表3可見，2000－2008年城市土地利用轉化的主要特點：林地絕大部分轉化為耕地（水田）和建設用地（農村宅基地）和植被，分別為2.369萬hm2、43.352萬hm2，新增林地主要來自耕地（水田和旱地），其面積為6.474萬hm2；水域絕大部分轉化為旱地，為1 778.02hm2，新增水域主要來自林地和耕地（水田和旱地），其面積分別為8 912.086hm2和1.097萬hm2；轉移出去的水田絕大部分轉化為了林地和建設用地（城鎮、工礦交通與農村宅基地），分別為4.488萬hm2、1.825萬hm2，新增水田主要來自林地，其面積為2.369萬hm2；轉移的旱地被轉化成林地和建設用地（農村宅基地），其面積分別為1.985萬hm2、5 764.76hm2，新增旱地主要來自于林地和耕地（水田），其面積為7 379.81 hm2和5 414.6hm2；新增城鎮用地主要來自于林地和耕地（水田）的調整，其面積為1.552萬hm2和3 372.71 hm2；新增工礦交通用地主要來自于耕地（水田、旱地）的轉化，其面積為8743.64hm2，新增農村宅基地主要來自于耕地（水田、旱地）和林地的轉化，其面積為1.163萬hm2和1.571萬hm2。

3.2 土地利用的空氣環境效應

（1）土地利用變化的NO2效應。不同土地利用對在NO2濃度變化影響差異較大（表4）。由表4可見，林地、旱地和水域用地對NO2濃度在0.298 0～0.386 0μg／m3、水田對 NO2濃度在0.386 0～0.474 0 μg／m3、城鎮用地對 NO2濃度在0.561 9～0.064 99 μg／m3、工礦與交通用地和農村宅基地對NO2濃度在0.386 0～0.474 0μg／m3的空氣環境效應影響顯著。就NO2濃度變化在研究區分布面積分析，NO2濃度在0.386 0～0.474 0μg／m3的土地利用面積為最大，達9.489萬hm2，約占研究區總面積的25.613%，NO2濃度范圍最大的土地利用類型為城鎮用地，面積為3.375萬hm2，占研究區總面積的8.198%。

表4 城市土地利用與NO2濃度變化

土地利用變化導致大氣中NO2濃度在0.209 9～0.649 9μg／m3變化的空間變化呈現不均衡分布狀況（附圖7）。從NO2濃度空間變化分析，以青白江區－新都區－中心城區一線NO2濃度最高，濃度變化達0.561 9～0.649 9μg／m3，以此線向兩側，二氧化探濃度依次降低，NO2濃度最低值出現在研究區的東南部，幅度范圍在0.209 9～0.298 0μg／m3之間，與城鎮用地、工礦與交通用地的空間分布基本一致。

（2）土地利用變化的總懸浮顆粒物效應。土地利用變化導致研究區總懸浮顆粒濃度變化是不同的（表5）。由表5可知，林地和農村宅基地對總懸浮顆粒濃度在1.198 7～1.267 1μg／m3、水田對總懸浮顆粒濃度在1.267 1～1.398 81μg／m3、旱地對總懸浮顆粒濃度在0.460 0～0.855 4μg／m3、城鎮用地對對總懸浮顆粒濃度在1.267 1～1.398 8μg／m3、工礦與交通用地對總懸浮顆粒濃度在1.075 8～1.198 7μg／m3、農村宅基地對對總懸浮顆粒濃度在1.075 8～1.198 7 μg／m3、水 域 用 地 總 懸 浮 顆 粒 濃 度 在 0.855 4～1.075 8μg／m3空氣環境效益影響顯著。在0.460 0～1.267 1μg／m3的濃度變化范圍的主要土地利用變化類型是林地，而在1.26～1.39μg／m3濃度變化范圍的主要土地利用變化類型是城鎮用地。

總懸浮顆粒濃度在0.46～1.389μg／m3變化，且濃度在研究區的空間變化呈現不均衡分布狀況（附圖8）。就總懸浮顆粒濃度空間變化分析，以青白江區北部和雙流縣與武侯區結合部為濃度最高，達1.267～1.389μg／m3，濃度最低值出現在研究區的東南部與西北部區域，達0.46～0.855μg／m3之間；其次以青白江區－新都區－中心城區一線及其兩側向周圍區域漸低，表現為東北－西南向延伸分布。總懸浮顆粒濃度的空間分布與工礦與交通用地的空間分布基本一致。

研究區總懸浮顆粒濃度變化在研究區分布面積是不同的，在1.267 1～1.398 8μg／m3的濃度范圍的土地利用面積為最大，8.523萬hm2，占研究區總面積的23%；總懸浮顆粒濃度范圍最大的土地利用類型為城鎮用地，面積為3.488萬hm2，約占研究區總面積的9.415%。

表5 城市土地利用與總懸浮顆粒濃度變化

4 結論

（1）城市土地利用變化表現為耕地面積顯著減少，建設用地面積持續增加，1992－2000年與2000－2008年2個時段的耕地、植被、建設用地等主要土地利用變化時空轉化速度有所加快，呈現不同的特點，對城市空氣環境效應產生重要影響。

（2）以城市機動車排氣污染、工地揚塵和道路揚塵整治為重點，分別采取限制沒有環保標志的車輛進入二環路內，將有效控制和削減中心城區機動車污染負荷總量和加大對城市建筑工程工地和閑置土地的監管、對城市道路采取機械化清潔保潔、濕法作業有效減輕氮氧化物和總懸浮顆粒物污染程度，促進城市空氣環境質量的明顯改善。

（3）城市土地利用變化的復雜性體現在土地利用規模、空間布局形態和用地結構3個方面，經濟發展、人口增長與城市化等因素共同對土地利用變化產生的影響，這一變化對環境產生重大影響。我國城市發展面臨巨大的資源、環境、人口和空間壓力，促使綜合集成遙感數據、社會與經濟數據，從理論、方法、實踐應用方面開展城市土地利用變化的環境效益研究，對促進當前城市土地利用、城市建設和區域可持續發展具有積極的意義。

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