昌黎縣土地利用轉型對生態環境效應的影響

袁 悅, 井立蛟, 楊鴻雁, 張黎明, 朱永明

(1.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定 071001; 2.北京地星規劃設計院, 北京 100080;3.石家莊市國土資源局, 石家莊 050051; 4.河北普度中昊土地開發整理有限公司, 石家莊 050000)

土地利用轉型是指在經濟社會變化和革新的驅動下，一段時期內與經濟社會發展階段轉型相對應的土地利用形態(含顯性形態和隱性形態)的轉變過程，包括區域土地利用功能和結構層面的考究。土地利用轉型作為土地利用/覆被變化(LUCC)綜合研究的一種新途徑[1]，相關的理論與研究正在逐步完善。主要涉及土地利用轉型的理論與理念[2-3]、土地利用轉型對社會、經濟、生態環境的影響與評價[4-6]、土地利用轉型與景觀格局變化研究[7]。關于土地利用功能分類體系的研究，不同土地類型均存在多種功能，但總有其主導功能。土地利用轉型的表現之一是土地利用主導功能的轉型，即土地利用的生產、生態、生活(簡稱“三生”)三大主導功能間的轉化[8]。中共黨的十八大報告提出“調整空間結構、促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”，從政策層面對用地格局提出了新要求。基于“三生用地”的土地利用主導功能分類體系，可將土地利用轉型和區域轉型發展相銜接，是研究土地利用轉型的新視角。

在區域社會經濟轉型發展的過程中，土地利用轉型對生態環境的影響是重要研究內容之一，研究內容涉及大氣成分和地表生態系統等。目前，關于土地利用轉型對生態環境效應分析主要有3類：一是對區域氣候、水環境與生物多樣性等單要素的影響分析[9-10]；二是對生態系統服務功能的影響效應[11]；三是對景觀生態格局的影響效應[12]。然而，對縣域尺度的土地利用轉型的生態環境效應研究尚不多見。

因此，本文以河北省昌黎縣為例，基于2009年、2012年和2015年3期土地利用現狀數據，定量研究2009—2015年昌黎縣基于“三生用地”的土地利用功能結構的轉型、空間轉型的特征及生態環境效應的規律，揭示土地利用主導功能轉型在縣域發展過程中對生態環境造成的影響，以期為協調縣域土地資源開發和生態環境保護提供借鑒。

1 研究區概況

昌黎縣位于河北省東緣，東臨渤海，西南挾灤河，北依燕山，隸屬于秦皇島市，地理坐標為118°45′—119°20′E，39°22′—39°48′N。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年降水量為597.7 mm，年均溫為12.3℃。截至2015年，昌黎縣總人口56.2萬人，土地總面積1 210 km2，下轄11鎮5鄉1區，地區生產總值為206.8億元，比2014年增長10.5%。昌黎縣位于環渤海經濟圈的中心地帶，區位優勢明顯，境內礦產資源豐富。昌黎縣地質結構復雜，以京哈鐵路為界，北部為低山丘陵，是縣內林果的主產區；南部為山前平原和濱海平原，是縣內糧食作物和經濟作物的主產區。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

本文選取的秦皇島市昌黎縣2009年、2012年和2015年3期土地利用現狀數據來源于2009年、2012年和2015年土地利用變更調查數據庫中的DLTB圖層，經自然資源部(原國土資源部)驗收后下發，由秦皇島市昌黎縣國土資源局提供，數據格式為shp格式，圖形完整、無拓撲錯誤，數據屬性齊全，真實可靠。

基于土地利用主導功能的視角，借鑒劉繼來等[13]的“三生用地”分類體系，通過歸并土地利用現狀數據中的各用地類型，建立“生產—生活—生態”土地利用主導功能分類體系，將全縣土地分為生產用地、生活用地、生態用地、生活生產用地和生產生態用地5大類。此外，借鑒李曉文[14]、崔佳[15]和楊清可[16]等研究成果制定不同二級地類的生態環境質量指數(表1)。

表1 土地利用主導功能分類及其生態環境質量指數

2.2 研究方法

2.2.1 建立土地利用轉移矩陣 本文采用土地利用轉移矩陣實現土地利用功能結構轉型。土地利用功能結構轉型通過土地利用轉移矩陣模型實現。該方法將土地利用變化轉移面積按矩陣的形式加以列出，能夠具體刻畫土地利用的結構特征與用地功能類型變化[17]。

本文利用ArcGIS 10.2軟件，對3期土地利用類型數據進行交叉分析(Arc Toolbox/Analysis Tools/Overlay/Intersect)，重新計算面積并導出屬性表，結合Excel數據透視表進行處理，建立各期土地類型轉移矩陣。

2.2.2 分析土地利用轉型的生態環境響應

(1) 生態單元環境質量指數分析。本文格網大小根據經驗公式而來[18]。綜合考慮各生態單元內二級分類體系下各土地利用類型所具有的生態環境質量，利用面積加權法對“三生用地”分類的生態環境質量進行計算，定量表征區域內生態單元環境質量狀況，其表達式為：

(1)

式中：EVi第i個生態單元的生態環境質量指數；Ri為第i類用地類型的生態環境質量指數；Aki為第k個生態單元內用地類型i的面積；Ak為第k個生態單元的面積；n為土地利用類型的數目。

本文將3期地類圖斑視為采樣點，2009年、2012年、2015年3個節點年份的土地利用現狀地類圖斑數均為2萬個左右，基于采樣點的數量，格網數量大約為采樣點的1/2，經過多次調試，利用ArcGIS 10.2軟件，最終確定以340 m×340 m的正方形格網(Arc Toolbox/Cartography Tools/Data Driven Pages/Grid Index Features)對研究區進行等間距采樣，生成大約1萬個樣區。將生成的格網與DLTB進行疊加(Arc Toolbox/Analysis Tools/Overlay/Intersect)，結合Excel計算每個格網內各用地類型的面積，依據表1各用地類型的生態環境質量指數，利用面積加權法計算各生態單元的生態環境質量指數。

(2) 地統計分析。利用地統計學的半變異函數理論可以較好地描述研究樣區的空間變異特征，它能反映隨距離而變化的空間變異程度。半方差計算公式為：

(2)

式中：γ(h)是半方差；h是樣本距；Z(xi)，Z(xi+h)是位于xi，xi+h處的生態環境質量值；n(h)是間距為h的樣本對總數。

本文利用ArcGIS 10.2軟件，將1萬個生態單元的環境質量指數賦給樣區中心點(Arc Toolbox/Data Management Tools/Features/Feature To Point)。將樣區中心點x，y坐標和生態環境質量指數輸入GS+7.0中，運用GS+7.0空間分析模型對半方差函數進行擬合，得到相應模型及塊金值、基臺值、變程等參數。在此基礎上，采用克里格法對昌黎縣生態環境質量指數進行空間插值(Geostatistical Analyst/Geostatistical Wizard: Kriging/CoKriging)，利用自然斷點法將其分為5級，即低質量區(EV≤0.20)、較低質量區(0.200.65)。

(3) 土地利用轉型的生態貢獻率分析。土地利用變化類型生態貢獻率是指某一種土地利用類型變化所導致的區域生態質量的改變。其表達式為[19]：

LEI=(LEt+1-LEt)LA/TA

(3)

式中：LEI為土地利用功能轉型的生態貢獻率；LEt+1，LEt分別為某種土地利用變化類型所反映的變化初期和末期土地利用類型所具有生態質量指數；LA為該變化類型的面積；TA為區域總面積。

本文通過地圖代數和土地利用轉移矩陣獲得各類三生用地生態環境質量指數變化情況，結合Excel數據透視表分離出影響生態環境質量變動的功能類型，有利于探討區域生態環境變化的主導因素。

3 結果與分析

3.1 土地利用轉型分析

3.1.1 土地利用轉型情況 昌黎縣土地利用功能結構轉型中，生產用地面積從2009年的2 718.69 hm2增加至2015年的4 588.98 hm2，增加近1倍；生活用地面積從2009年的15 510.81 hm2增加至2015年的16 888.36 hm2，增長緩慢；生態用地面積從2009年21 069.83 hm2減少到2015年的20 363.21 hm2，緩慢減少；生產生態用地面積從2009年的81 148.50 hm2減少到2015年的78 609.02 hm2；生產生活用地面積相對穩定，保持在570.00 hm2左右。按照二級地類來看，農業生產生態用地分布最為廣泛，其次是村莊生活用地和林草生態用地，除東部沿海和北部林地有林草生態用地外，農業生產生態用地和村莊生活用地均勻分布于全縣。2015年，農業生產生態用地和村莊生活用地面積分別為72 679.17，15 204.44 hm2，分別占總面積的60.06%，12.56%。昌黎縣東部地區沿海，主要分布著水域生態用地，占總面積的4.78%。其他生態用地面積為3 374.68 hm2，占總面積的2.79%，主要分布在東部和北部林場地區，表明昌黎縣土地開發利用程度較低，后備土地資源較充裕(表2，圖1)。

表2 2009-2015年昌黎縣各地類面積及其變化 hm2

2009—2015年，昌黎縣土地格局發生了顯著變化，農業生產生態用地面積大幅減少，其次是林草生態用地、水域生產生態用地和其他生態用地面積有所減少，其他生產用地和村莊生活用地面積增長較快。農業生產生態用地減少2 267.71 hm2，林草生態用地、水域生產生態用地和其他生態用地分別減少340.17，271.76，242.65 hm2；其他生產用地和村莊生活用地分別增加1 812.73，1 379.76 hm2，其中其他生產用地增幅最大，年均增長320.12 hm2。表明隨著城鎮化水平的快速提升，昌黎縣其他生產用地和村莊生活用地需求增加，土地供需矛盾進一步加劇。由于受區域自然條件、交通區位、經濟政策、發展戰略等因素的影響，各地區建設用地變化程度差別明顯(圖1)。

圖1 2009-2015年昌黎縣“三生”土地利用現狀

3.1.2 土地利用轉型方式 為探討各土地利用類型間的內部轉換，基于圖1的3期土地利用功能分類圖，借助ArcGIS 10.2的空間分析功能對不同時期的土地利用圖進行疊加分析，獲得研究區3個時期土地利用功能類型的轉移模式，明確了土地利用功能類型相互轉化的方向和數量(表3—4)。結果主要表現為其他生產用地和村莊生活用地面積的增加，農業生產生態用地和林草生態用地及水域生產生態用地面積的減少。

2009—2012年，農業生產生態用地主要轉化為村莊生活用地和其他生產用地，轉移面積分別為717.25，353.53 hm2，對應的轉移率分別為0.96%，0.47%；水域生產生態用地主要轉化為其他生產用地，轉化面積為207.33 hm2；其他生態用地和林草生態用地主要轉化為村莊生活用地，轉化面積分別為147.62，126.84 hm2；其他土地功能類型間的轉化不明顯。

2012—2015年，其他各功能類型用地向村莊生活用地轉化的面積大幅下降，較2009—2012年減少了0.29倍，農業生產生態用地、林草生態用地、水域生產生態用地等轉化為其他各功能類型用地的面積均減少2倍及以上。其中，農業生產生態用地主要轉化為其他生產用地和村莊生活用地，轉化面積分別為729.18，209.35 hm2，相應轉化率分別為0.99%，0.28%；林草生態用地主要轉化為其他生產用地和村莊生活用地的面積分別為80.38，58.79 hm2，相應轉化率分別為0.71%，0.52%；其他生態用地轉化為村莊生活用地的面積為60.95 hm2，相應轉化率為1.77%。

由此可見，不斷推進以實現農業生產用地總量的動態平衡為目的的土地整治活動初見成效。

3.2 土地利用轉型的生態環境響應

3.2.1 生態環境綜合質量時空演變規律 按照公式(2)的方法計算出1萬個生態環境小區中心點的質量值。在GS+7.0顯示，3個時期數據用指數模型擬合最為理想，計算出的生態環境質量指數半變異函數的相關參數(表5)。基臺值從2009年的0.040 06減少至2015年的0.038 68，表明土地利用生態環境質量空間分布均勻性增強，差異逐漸縮小。變程值無變化，表明生態環境質量指數的相關性范圍保持穩定。2009年、2012年、2015年的塊金基臺比變化在0.70～0.72之間浮動，總體較為穩定，表明質量指數值的空間相關性中等。

表3 2009-2012年昌黎縣土地利用變化轉移矩陣 hm2

表4 2012-2015年昌黎縣土地利用變化轉移矩陣 hm2

表5 半方差函數擬合

(1) 時序變化。昌黎縣總體生態環境質量指數值從2009年的0.330持續降至2015年的0.325，整體質量水平有所惡化。各級生態環境質量值表現出以下差異(表6)：2009—2015年，較低質量區、中質量區和較高質量區總和保持在80%以上，構成了區域土地利用環境狀況的主體。高質量區較為穩定，但較高質量區和中質量區面積和比重緩慢減少，呈下降的趨勢，而較低質量區和低質量區面積和比重持續增加，呈不斷擴張的趨勢(圖2)。

對2009—2015年生態環境質量面積轉移矩陣進行分析(表6—7)，結果表明：6 a間生態環境質量等級增加的區域為570.11 hm2，等級降低的面積為10 027.39 hm2，是前者的17.59倍之多。其中，2009—2012年，生態環境質量等級下降面積為5 521.48 hm2，占總面積的4.56%，2012—2015年等級下降面積為4 525.00 hm2，占總面積的3.74%。2009—2015年，低質量區和較低質量區面積緩慢增加，主要是由中質量區和較高質量區轉化，轉化面積為8 261.24 hm2。質量等級增加面積在前一階段為192.15 hm2，占總面積的0.16%，而后一階段為377.96 hm2，占總面積的0.31%，主要是較低質量區和中質量區分別轉化為中質量區和較高質量。表明高級別的生態環境質量區域呈下降趨勢，是區域整體質量水平惡化重要原因。

圖2 昌黎縣生態環境質量等級面積及比重

(2) 空間分異。土地利用生態環境質量指數整體上呈現“東高西低、南北高中間低”的空間格局(圖3)。高生態質量區主要位于東部、南部和北部，功能類型主要為水域生態用地和林草生態用地，生態環境質量較高，但高質量區范圍正緩慢縮小。中質量區和較高質量區范圍逐漸縮小，主要分布在中部和北部，面積占比約50%。較低質量區集中分布在昌黎縣中部和西部的廣大范圍內，面積占比約30%，且比重不斷上升。2009年，西部安山鎮和靖安鎮僅有小面積低質量區，至2015年，擴張近兩倍，周邊較高質量區也在向較低質量區轉移，集中連片分布趨勢明顯，與鄉鎮擴張范圍基本上保持一致。

2009—2015年村莊生活用地和其他生產用地面積不斷增加，低質量區呈擴張趨勢。其中，2012—2015年村莊生活用地擴張范圍較2009—2012年明顯縮小。面對資源約束趨緊、環境污染嚴重和生態系統退化等嚴峻形勢，把生態文明建設放在突出地位，并且將其融入經濟、政治、文化和社會建設的各方面與全過程，是努力建設美麗中國、實現中華民族永續發展的需要。

3.2.2 土地利用轉型對生態環境影響的貢獻率分析 區域內生態質量往往同時發生著改善和惡化兩種相反趨勢，在相當程度上這兩種趨勢在一定區域內相互抵消，使其總體上維持相對穩定，但指數的穩定并不意味著生態環境沒有發生改變。表8給出了2009—2015年期間昌黎縣導致生態環境改善和退化的主要土地功能類型的質量指數變化和貢獻率。

表6 2009-2012年昌黎縣生態環境質量等級面積轉移矩陣 hm2

表7 2012-2015年昌黎縣生態環境質量等級面積轉移矩陣 hm2

2009—2012年，其他生態用地轉化為村莊生活用地，是生態環境改善的主導因素，導致生態環境改善的土地功能類型相對集中，對生態質量的改善比重占98.55%。與此相反，其他生產用地和村莊生活用地對農業生產生態用地的占用是導致生態環境質量惡化的重要因素，二者總和占總貢獻率的90.37%。

圖3 2009-2015年昌黎縣生態環境質量空間分布

2012—2015年，其他生態用地轉化為村莊生活用地和村莊生活用地轉化為農業生產生態用地，是生態環境改善的主要原因，二者總和占總貢獻率的95.27%。導致生態環境惡化的主導因素為農業生產生態用地轉化為其他生產用地，對生態質量的改善比重占87.48%。總體而言，昌黎縣同時存在生態改善與惡化的兩種趨勢，但是生態環境改善的趨勢小于環境惡化的趨勢，且生態環境惡化的程度在不斷加大。

表8 影響生態環境質量的主要用地轉型及貢獻率

4 結 論

(1) 2009—2015年，昌黎縣基于“三生用地”的土地利用轉型主要表現為生產用地和生活用地的快速增加，生態用地和生產生態用地的快速減少，生活生產用地的穩定。按照二級地類來看，農業生產用地面積的快速減少，生活生產用地和城鎮生活用地相對保持穩定，其他生產用地和村莊生活用地大幅增加。

(2) 昌黎縣生態環境質量指數從2009年的0.330持續降至2015年的0.325，整體質量有所惡化。2009—2015年，較低質量區、中質量區和較高質量區面積占80%左右，構成了土地利用環境狀況的主體。高質量區面積與比重保持較為穩定，但較高質量區和中質量區持續減少，低質量區和較低質量區面積持續增加，呈不斷擴張的趨勢。土地利用生態環境質量指數整體上呈現“東高西低、南北高中間低”的空間格局。

(3) 2009—2015年，昌黎縣同時存在生態改善與惡化的兩種趨勢，但是生態環境改善的趨勢小于環境惡化的趨勢，且生態環境惡化的程度不斷加大。研究期間其他生態用地轉化為村莊生活用地和村莊生活用地轉化為農業生產生態用地是生態環境改善的主導因素，其他生產用地和村莊生活用地占用是區域生態環境質量退化的重要因素。