重慶三峽庫區土地利用時空轉型及其生態環境響應研究
——以重慶市忠縣為例

(重慶交通大學 建筑與城市規劃學院,重慶 400074)

重慶三峽庫區土地利用時空轉型及其生態環境響應研究
——以重慶市忠縣為例

譚 靜,官冬杰,虎 帥

(重慶交通大學 建筑與城市規劃學院,重慶 400074)

以重慶市忠縣為例,構建土地利用轉移矩陣模型和重心模型,采用區域生態環境質量指數、土地利用生態貢獻率指數等分析了忠縣土地利用時空轉型特點及其重心演變規律,揭示出忠縣區域生態環境變化趨勢。結果表明:①1990—2015年,忠縣土地利用轉型特征主要表現為生態用地面積顯著增加,生活用地面積不斷擴大,生產用地面積明顯減少。②1990—2015年,生態用地和農業生產用地重心在空間上變化不明顯,城鄉生活用地和工礦生產用地重心發生明顯偏移。③1990—2015年,忠縣總體生態環境質量指數稍有增加,區域內生態環境改善與惡化趨勢并存,生態改善趨勢大于惡化趨勢。

土地利用轉型;主導功能;生態環境質量;忠縣

土地利用轉型研究是土地利用/覆被變化綜合研究的新途徑,是區域土地利用類型隨著時間推移在形態上發生的動態變化,區域經濟和社會發展轉型制約著區域土地利用轉型的發展趨勢[1-3]。國外對土地利用轉型研究發展較早,多以林地為例,時空維度轉型理論研究較成熟[4]。我國對土地利用轉型研究起步較晚,自龍花樓將土地利用轉型研究引入后,土地利用轉型研究才逐漸成為地理學、生態學等學科研究的熱點。目前,國內外關于土地利用的研究較為成熟,如Guan等[5]以日本佐賀市為例,引入自然因子和經濟社會因子構建CA-Markov模型,對未來土地利用情況進行時空模擬;王莉等[6]以西安地區為例,構建馬爾可夫模型對西安地區1990—2000年土地利用時空變化進行了探討;梁溪等[7]利用2003—2008年蘭州市土地利用變更調查數據及相關統計數據,采用主成分分析法分析了蘭州市土地利用演變規律,探討其驅動機制。綜合國內外相關研究看來,多從土地的自然屬性與經濟屬性方面進行探討,以土地的三大主導功能為基礎的研究鮮見。

土地利用是一個綜合性的系統,具有生產、生活、生態功能[8]。從三大主導功能出發對土地利用轉型進行研究,是實現區域可持續發展的有效途徑。忠縣作為重慶三峽庫區的特殊區域,在維持庫區生態安全與社會經濟發展方面有著重要的作用。隨著三峽工程的修建和“百萬移民”政策的實施,忠縣土地利用結構變化劇烈,加之市場經濟的快速發展和城鎮化過程的大力推進,忠縣生態環境受到了人類活動的沖擊。本研究結合生態學理論分析忠縣土地利用時空轉型及動態演變規律,探討區域生態環境的變化趨勢,解決區域后續發展過程中土地可持續利用和生態安全問題,為區域土地部門管理和生態環境的改善提供理論依據。

1 研究區域概況與數據源

忠縣位于重慶市中部長江北岸,土地利用以農用地為主,耕地、林地的比重大,建設用地的比重較小,內部結構不太合理。2010年，忠縣土地總面積為2182.911km2。其中,耕地面積903.271km2,占土地總面積的41.38%;林地面積1098.880km2,占土地總面積的50.34%;草地面積27.912km2、水域面積98.536km2、建設用地面積54.298km2、未利用地面積0.0144km2,土地利用率高,未利用土地開發潛力小。

土地利用/覆被數據來源于中國科學院共享的90年西南三省一市的土地利用數據、環境保護部和中國科學院聯合開展的“全國生態環境十年變化(2000—2010年)遙感調查與評估”項目三期解譯數據,空間分辨率為30m,從中提取忠縣數據(1990年、2000年、2005年、2010年),2015年數據來自遙感影像解譯。對土地利用數據進行整合,結合土地利用的三大主導功能即生態、生活、生產功能,建立土地利用分類體系。依據文獻資料對二級地類的生態環境質量指數進行賦值[9,10],結合其實際情況對指數進行歸一化處理,各土地利用類型的生態環境質量指數賦值見表1。

表1 土地利用分類及其生態環境質量指數

2 研究方法

2.1 土地利用功能結構轉型模型

土地利用功能結構轉型通過探討各土地利用類型間數量結構的變化,分析其內部轉化規律。土地利用轉移矩陣可定量分析區域各類用地流失去向和來源構成,綜合反映某一區域某一時段期初和期末各地類面積之間相互轉化的動態過程[11,12]，計算公式從略。

2.2 土地利用功能空間轉型模型

土地利用功能空間轉型采用重心模型[13,14]進行研究,土地利用類型重心能直接反映土地利用類型在空間分布的均衡性,是揭示土地資源空間演化規律的有效方法。

2.3 土地利用轉型的生態環境響應模型

區域生態環境質量指數:該指數定量分析被評價區域生態環境質量狀況,總體上揭示整個研究區域的生態質量情況,計算公式為[15,16]:

(1)

式中,EVt為區域第t時期生態環境質量指數;LUi和Ci為該區域第t時期第i種土地利用類型的面積和生態環境指數;TA為該區域總面積;n為該區域土地利用類型數。

區域土地利用功能轉型的生態貢獻率:該指數量化了各類用地之間的相互轉變對區域生態環境產生的影響大小,反映區域生態環境發展趨勢,揭示造成區域生態環境變化的主導因素,計算公式為[17,18]

CLEI=(LE1-LE0)LA/TA

(2)

式中,CLEI為生態貢獻率;TA為研究區域總面積;LA為發生該變化的土地利用面積;LE1、LE0分別為某種土地利用變化類型所反映的變化期初和期末的土地利用類型具有的生態質量指數。

3 1990—2010年忠縣土地利用時空轉型

3.1 土地利用功能結構轉型

利用重慶市忠縣1990年、2000年、2005年、2010年、2015年5期土地利用數據(圖1),計算得到1990—2000年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年和1990—2015年土地利用類型轉移矩陣(表2)。可以看出,1990—2015年忠縣土地利用結構轉型呈現以下特點:①生產用地面積明顯減少。1990—2015年忠縣的生產用地面積減少了148.632km2,用地面積比例由原來的45.77%減少到39.01%。按照二級地類,農業生產用地面積25年間減少了157.813km2,多數轉化為城鄉生活用地、林地和水域生態用地。三峽庫區蓄水、水位上升淹沒耕地、忠縣城市擴張是導致農業生產用地減少的主要原因。工礦生產用地呈現小幅度增加趨勢,面積由1990年的1.743km2,增加到2015年的10.924km2,主要是占用耕地和生態林地。 ②生態用地面積不斷增加。1990—2015年生態用地面積增長了89.789m2,生態用地面積比例由原來的53.92%增長到58.01%。按照二級地類來看,林地生態用地和水域生態用地面積都在增加,分別增長了33.913km2和57.710km2,是由于忠縣種植業的興起和耕種模式的調整。生態林地的增長來源于農業用地,有152.193km2的農業生產用地轉化為林地。隨著三峽庫區的修建,庫區水位上升,淹沒大量的林地生態用地和農業生產用地,其轉化比例分別為25.19%和20.50%。草地生態用地面積呈現小幅度增長,其他生態用地一直呈減少趨勢,大部分為林地生態用地和水域生態用地利用。③生活用地面積不斷擴大。1990—2015年生活用地面積由原來的6.732km2增加到65.442km2,用地比例從0.31%增加到2.98%,生活用地與其他地類之間的轉化不頻繁,較少轉換為其他用地類型。按照二級地類,1990—2015年城鄉生活用地總體上呈上升趨勢,農業生產用地向城鄉生活用地轉移是城鄉生活用地面積增加的主要原因,轉移比例為63.11%。結合圖1,生活用地主要集中在長江流域附近,面積不斷增加,多為占用水域用地所得。

圖1 忠縣1990年、2000年、2005年、2010年和2015年土地利用空間格局

表2 1990—2015年忠縣土地利用轉移矩陣(km2)

3.2 土地利用空間結構轉型

本文基于ArcGIS空間分析功能,以重慶市忠縣各鎮域作為基本研究單元,構建了區域土地利用重心模型,并分別計算了忠縣幾何重心和1990年、2000年、2005年、2010年、2015年忠縣各主導功能用地重心,得到了1990—2015年各主導功能用地重心軌跡動態變化圖(圖2)。

圖2 1990—2015年忠縣各類用地重心演變軌跡

具體的動態演化特征為:①農業生產用地的重心位于忠縣幾何重心的西南方向,且逐漸向幾何重心的正西方偏移。2000年忠縣農業生產用地重心處于1990年重心的東北方向,兩重心之間的距離較小,2005年重心向北偏東方向移動217.92m,2010年農業生產用地重心偏移幅度最大,移動距離為389.02m,2015年農業生產重心向西南方向偏移513.49m?？傮w上,忠縣的農業生產用地重心移動距離較小,說明受整個區域的發展影響較小,空間分布均衡穩定。②工礦生產用地重心在空間上的變化最為劇烈,偏移距離較大。1990—2010年忠縣工礦生產用地重心呈現出“N”字型的偏移趨勢,1990年、2000年工礦生產用地重心處于忠縣幾何重心的東南方向,2005年、2010年的用地重心處于區域幾何重心的西南方向。2000年與1990年相比,重心向東北方向偏移了1185.81m,2005年向西偏北方向偏移了10213.29m,2010年向東偏北方向偏移了901.28m,2015年變化較劇烈,重心向西南方向偏移了5185.10m。1990—2015年忠縣的工礦生產用地重心向西北方向偏移,忠縣東南角是長江生態水域,工業向西北方向遷移是忠縣實施生態環境保護的必經之路。同時,忠縣城市擴張、工業化發展、庫區水位線以下的區民點和工廠后靠安置,加大了對建設用地的需求,特別是高速公路建設,使工礦生產用地增加,重心發生偏移。③生態用地重心坐落于忠縣幾何重心的東北方向,緊鄰忠縣幾何重心?？傮w上看,生態用地重心在區域空間上變化不明顯,5期用地重心均處于忠縣白石鎮內。2000年生態用地重心1990年變化小,2005年生態用地重心向西南方向偏移了129.60m,2010年又向東南方向偏移了106.21m,2015年向西南偏移了240.87m。總體而言,2015年忠縣的生態用地重心較1990年向北偏移,但偏移距離較小,5期的生態用地重心較集中,表明忠縣生態用地空間分布較均勻,生態用地與其他各類用地之間的轉入與轉出較均衡,這種趨勢有利于區域經濟與環境的可持續發展。④生活用地的重心落在忠縣幾何重心東南方向,且偏移距離較大。1990—2010年忠縣的生活用地重心呈現出“Z”字型的動態變化,較1990年的生活用地重心而言,2000年忠縣生活用地向東偏移了2707.44m,2005年向西南方向偏移了2913.33m,2010年向東偏移了892.22m,2015年向北移動了2623.00m。結合圖1可見,1990年城鄉生活用地主要集中于長江流域附近。隨著三峽水利工程的修建,庫區水位線上升,水位線以下的居民必須進行搬遷安置,新增移民安置點多為遠離長江沿線區域,忠縣其他地方雖有新增居民用地,但增幅小于長江沿岸的居民用地的擴張,因此2000年忠縣城鄉生活用地重心向東偏移。2005年以后,隨著長江沿岸生態工程建設和庫區水位升高,庫區周圍生態環境得到優化,城鎮集群效應加強,忠縣人口和產業不斷向城鎮集中,長江沿岸建設用地擴張,城鄉生活用地重心向庫區方向偏移。2010年后以忠州鎮為代表的長江沿岸鄉鎮生活用地已經達到飽和,隨著對生活環境要求的提升,城鄉生活用地向著生態環境更好的北方鄉鎮遷移。

4 主導功能用地轉型的生態環境響應

4.1 區域生態環境綜合質量演變

結合土地用數據和土地利用二級地類的生態環境質量指數,計算得到忠縣1990—2015年的5期生態環境質量指數分別為0.1850、0.1851、0.1865、0.1888、0.1916。從5期生態環境質量指數可知,忠縣總體生態環境質量指數基本維持穩定,區域生態環境質量總體上有小幅度的提高。

表3 區域生態環境主要土地利用類型變化及貢獻率

4.2 各功能用地轉型對生態環境影響的貢獻度

為了探究生態環境內部的變化情況,本研究引入生態貢獻率指數,根據式(2),計算得到忠縣各土地利用功能轉型的生態貢獻率,計算結果見表3。從表3可見，忠縣生態環境改善主要是由于農業生產用地轉換為生態用地,其中農業用地被林地占用對忠縣生態環境改善做出了主要貢獻,占生態貢獻率的78.14%。其次,其他用地類型向水域生態用地轉換,水域生態用地面積增加也促進了忠縣生態環境質量的改善。造成忠縣生態環境惡化的主要原因是：林地和農用地被生活和成產用地占用,兩者占生態貢獻率的96.96%。其中,城鄉生活用地面積擴張,占用大量的林地資源是導致忠縣生態環境惡化的主要因素,占生態貢獻率的60.89%。其次,林地的生態用地轉化為工礦生產用地也是導致區域生態環境退化的主要原因,占生態貢獻率的19.75%,農業生產用地轉化為城鄉生活用地占生態貢獻率的9.95%?？傮w而言,1990—2015年忠縣區域內生態環境改善的趨勢略大于環境惡化趨勢。

本研究通過縱向與橫向對比具有相同環境背景的區域生態環境質量情況,進一步說明忠縣生態環境質量變化的速度和方向。馬澤忠[19]通過遙感技術,采用綜合指數法對忠縣2001—2007年的生態環境質量進行了評價，表明忠縣整體上生態環境質量呈上升態勢,這與本研究結果一致。橫向層面上選擇貴州省黔中部分區域[20]作為忠縣的對比評價對象,2000—2010年忠縣生態環境質量指數為0.1850—0.1888,均低于黔中地區的0.5397—0.5615,兩個區域的生態環境質量均呈上升的趨勢。忠縣的生態環境改善貢獻率為0.070108%,黔中地區為0.026566%,生態環境惡化貢獻率分別為0.016279%和0.003471%。忠縣生態環境質量指數比黔中地區低,其大小受生態環境指數賦值的影響,說明忠縣生態用地面積比例略低于黔中地區。與黔中地區相比,忠縣生態環境惡化趨勢仍有降低的空間,減少局部環境惡化,整個區域均衡發展。

5 結論與討論

本文基于ArcGIS,以重慶三峽庫區典型區域忠縣為研究區域,充分考慮土地的自然屬性,從三大主導功能的角度,探討長時間序列的忠縣土地利用轉型特點,并分析忠縣區域生態環境變化特征,對忠縣生態建設具有重要的參考意義。

主要結論為:①1990—2015年,忠縣在重慶三峽庫區發展過程中土地利用轉型主要表現為生態用地和生活用地面積增加,生產用地面積則明顯減少。按二級分類來看,水域生態用地、草地生態用地、林地生態用地、城鄉生活用地、工礦生產用地面積呈增加的趨勢，農業生產用地、其他生態用地面積則呈減少的趨勢。②1990—2015年,忠縣各主導功能用地重心在空間上呈現出不同的變化趨勢。生態用地和農業生產用地重心變化不明顯,空間分布較為均勻;工礦生產用地空間不均衡性呈現加劇—緩和—加劇的趨勢,重心由新生鎮偏移至白石鎮,工礦生產用地向西偏北方向移動;城鄉生活用地向東北方向偏移,整體均衡性減弱。③1990—2015年,忠縣生態環境質量指數稍有增加,區域的生態環境質量有所改善。忠縣生態環境改善的貢獻率1.30270大于惡化的貢獻率0.79506,忠縣生態環境朝著好的方向發展。在生態環境改善方面,忠縣大量的農業生產用地轉換為林地，為生態用地做出了主要貢獻,占生態貢獻率的78.14%。國家政策扶持、對三峽庫區進行生態補償、增加耕地投入、有效改善農用地污染和退化情況,對研究區域環境的改善起到了積極的作用。“百萬移民”工程將庫區人口統一安置,大大減少了“空心房”的數量,避免了“建新不拆舊、新房沒人住”的問題,保護了農村土地和耕地資源,土地屬性轉型對區域生態環境做出了貢獻。同時,三峽水利工程修建后關閘蓄水,三峽庫區水位提高,水域面積拓展促進了長江河谷兩側生態環境改善,大量土地利用優化項目的實施對區域生態環境質量提高也產生了積極的影響。

本文以重慶市忠縣為例,忠縣的土地利用轉型與生態環境變化趨勢與國家政策相對應,是政策導向的結果。總體來看，1990—2015年忠縣的生態環境有所改善,但不能忽視局部的生態環境惡化,在未來的土地利用中,應加大環境保護力度,加快土地利用可持續發展進程。

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LandUseTransitionandEco-environmentalResponseinThreeGorgesReservoirRegionofChongqing——ACaseStudyofZhongxianinChongqng

TAN Jing,GUAN Dong-jie,HU Shuai
(College of Architecture and Urban Planning,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

This paper picked up the land use data of 1990,2000,2005,2010 and 2015 in Zhongxian to establish the transition matrix model and gravity model of land use based on the classification of land use function dominated by “production-ecology-living”.Then,index of regional eco-environmental quality and ecological contribution ratio of different kinds of land changes were employed to quantitatively analyze the spatial-time transformation characteristics and evolution regulation of gravity center of land use.Consequently,the changing tendency of regional eco-environmental caused by the land use transition was revealed,and the response mechanism of eco-environmental against land use type was illustrated.The results showed:①From 1990 to 2015,characteristics of land use transition in Zhongxian were that ecological land and living land were increased by 89.789km2and 58.710km2respectively,and productive land was decreased by 148.632km2.The land use transition in 1990-2000 was most intensively.②The gravity centers of dominantly functional land uses showed distinctive spatial changing tendency.The gravity centers of ecological and agricultural lands had a little change,the gravity centers of rural land and mining land had change obviously.The rural land showed the “Z”-typed change.The mining land showd the “N”-typed change from 1990 to 2010.③The eco-environment quality was increased slightly.The contribution ratios for environmental improvement and deterioration were 1.30270 and 0.79506 respectively.The improvement of eco-environmental was mainly because a large fraction of agricultural land was occupied by the forest ecological land,and the contribution ratio was as high as 78.14%.Whereas,the critical reason for the eco-environmental deterioration was that the ecological land was occupied by living and production lands to a larger extent.

land use transition;land leading function;ecological environment quality;Zhongxian

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.03.010

X37；F301

A

1005-8141(2017)03-0311-05

2017-01-06；

2017-02-24

國家自然科學基金項目(編號:41201546);國家社科基金后期資助項目(編號:16FJY010);重慶市自然科學基金項目(編號:cstc2012jjA20010);國家科技支撐計劃項目(編號:2014BAB03B01);重慶交通大學研究生教育創新基金項目(編號:20140108)。

譚靜(1991-),女,四川省廣漢人,碩士研究生,研究方向為生態環境規劃與生態恢復。

官冬杰(1980-),女,黑龍江省富錦人,工學博士,教授,博士生導師,研究方向為生態環境評價、土地利用模擬、3S應用等。