重慶市北碚區土地利用轉型及生態環境效應

何青澤, 謝德體, 王 三, 閻建忠, 陳 林

(西南大學 資源環境學院, 重慶 400715)

土地利用/覆蓋變化(Land use and cover change，LUCC)是人類活動的真實反映，是自然人文等因素綜合作用的結果[1-2]。土地利用轉型，即土地利用形態(一個區域在特定時期內由主要土地利用類型構成的結構)在時間序列上的變化，是土地利用變化的表現形式之一[3-4]。社會經濟發展和土地利用形態的相互作用、相互影響，共同促進了土地利用轉型[3]。近年來，土地利用轉型研究已成為研究土地利用/覆被變化的重要途徑[5]。土地利用轉型最早是由Grainger等研究林業用地變化時提出[6]，后來龍花樓等將土地利用轉型這一研究理念引入中國[1]，國內學者結合中國土地利用實際情況，對土地利用轉型進行研究。主要涉及土地利用轉型的理論和假說[7-8]、土地利用類型轉換的動力機制[9-10]、耕地、建設用地等單一土地利用類型轉型[11-12]、土地利用轉型對區域生態環境的影響[13-15]等方面的研究。在土地利用層面，各土地利用類型均具有多種功能，但其有主導功能，土地利用主導功能分類是按照基于行為主體的主觀用地意圖作為某一類土地的土地利用分類[16]。如耕地既能生產糧食又有生態維持等功能，但我們利用耕地的主要意圖在于生產糧食，因此將之歸為生產用地。土地利用轉型的主要表現之一就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)三大主導功能之間的轉換[17]。主導功能轉變反映了區域經濟社會轉型發展的不同階段，基于“三生”土地利用主導功能視角，將土地利用轉型與區域經濟社會轉型發展相銜接，是研究土地利用轉型新的切入點。此外，在區域經濟社會轉型發展過程中，土地利用轉型對生態環境的影響是全球變化研究的重要方面之一。因此，本文以重慶市北碚區為例，利用2009年、2013年、2017年三期土地利用現狀數據，以土地利用主導功能為視角，建立“三生”分類體系，采用ArcGIS和Ucinet軟件，定量對該區土地利用結構特征、空間轉型及其生態環境質量變化進行研究，以期為區域土地利用規劃、國土管理等提供一定的參考。

1 材料與研究方法

1.1 研究區概況

北碚區位于重慶市經濟發達圈的西北部(東經106°18′—106°56′與北緯29°39′—30°03′)，轄區總面積755 km2，包括15個鎮街。該區地處川東平行嶺谷地帶，受地質構造的制約，境內為“三山兩谷”地貌。平壩、丘陵、低山等是其主要地貌類型，呈現“六分丘陵、三分山地，一分平壩”的自然特征。稻土和紫色土是其主要的土壤類型，隸屬亞熱帶季風濕潤氣候，水熱條件豐富，常年雨量充沛，宜于植物生長，被稱為重慶的“后花園”。截至2017年末，城市建成區面積55.31 km2，全區常住人口80.58萬人。2009—2017年，北碚區人均GDP從26 525元增加到63 507元，地區生產總值三產比例從4.4∶60.8∶34.8變化為3.0∶63.0∶33.1，城鎮化率從71.2%上升至82.3%。

1.2 數據來源與研究方法

1.2.1 數據來源 以2009—2017年為研究時段，屬性數據主要來源于北碚區統計年鑒、重慶市北碚區人民政府工作報告、重慶市北碚區國民經濟和社會發展統計公報、政府官方網站的統計資料等。空間分析數據主要來源于2009年、2013年、2017年重慶市北碚區土地利用變更調查及土地利用現狀分析。其土地利用現狀數據按照《土地利用現狀分類標準(GB/T 21010～2007)》，采用兩級分類系統。基于土地利用主導功能視角，按照“三生”理論劃分為“生產、生活、生態”功能用地[18-20]，利用ArcGIS軟件平臺，對土地利用基礎數據進行重分類(表1)。同時，參考李曉文、崔佳等多位學者[21-24]研究成果制定的不同二級地類的生態環境質量值，結合研究區實際情況，基于專家評分(實行1～10分評分制)，對“三生”土地利用主導功能分類的生態環境質量指數進行[0-1]內模糊賦值。

表1 土地利用主導功能分類及生態環境質量指數

1.2.2 研究方法

(1) 土地利用類型轉移矩陣。土地利用類型轉移矩陣可表征研究區土地利用/覆蓋結構特征及其類型變化方向，能夠全面反映不同時段土地利用類型的動態變化過程。本文基于土地利用主導功能新視角，利用ArcGIS軟件平臺，將任意兩期的土地利用現狀數據進行疊加分析(ArcToolbox/Analysis Tools/Overlay/Identity)，結合2009—2013年、2013—2017年兩個時期的土地利用轉移矩陣，在一定程度上能夠更好地反映北碚區土地利用轉型的規律及其特征。土地利用轉移矩陣的通式為[25]：

式中：Si為轉移前土地利用類型面積；Sj為轉移后土地利用類型面積；n為土地利用的類型數目。

(2) 土地利用重心轉移模型。土地利用重心轉移模型[26-27]可以反映土地利用的空間變化，土地利用重心轉移模型為：

(1)

(2)

重心移動距離[26]：

(3)

式中：Dm為某年份重心與隨后相鄰年份重心之間的直線距離。

(3) 土地利用轉型生態環境響應模型。①土地生態環境質量指數(EV)。綜合考慮研究區內“三生”用地所具有的生態質量及面積比例，定量評定某一區域內生態環境質量的總體情況，其表達式為[28]：

(4)

式中：EVt為生態環境質量指數；LUi為第t時期第i種土地利用類型面積；Ci為第i種土地利用類型的生態環境指數；TA為區域總面積；n為區域所有土地利用類型數量。②土地利用功能轉型生態貢獻率(CLEI)。土地利用功能轉型生態貢獻率指某種土地利用類型轉型所導致區域生態環境質量的改變，其表達式為[28-29]：

CLEI=(LE1-LE0)LA/TA

(5)

式中：CLEI為土地利用類型轉型生態貢獻率；LE1，LE0為某種土地利用類型在變化初期和末期所具有的生態質量指數；LA為變化類型面積；TA為區域總面積。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構轉型分析

2.1.1 土地利用變化分析 北碚區土地利用類型以農業生產用地、林地生態用地為主(表2)。2009—2017年土地利用類型變化較為顯著，生產用地由2009年的38 655.67 hm2減少至33 940.99 hm2，生活用地從2009年的9 885.18 hm2上升至2017年的14 501.28 hm2，生態用地總量變化較小，大致維持在26 500 hm2。從2009—2013年、2013—2017年兩個時期的土地利用類型變化來看，北碚區土地利用結構發生了顯著變化，農業生產用地大幅度減少(5 497.55 hm2)；城鎮生活用地增幅明顯(4 872.87 hm2)；工礦生產用地略有增加(739.81 hm2)；林地生態用地略有增加(254.47 hm2)；農村生活用地略有減少(256.78 hm2)；服務以及其他生產用地、牧草地生態用地、其他生態用地、水域生態用地變化不大。按照土地利用結構轉型角度，北碚區農業生產用地、林地生態用地分布最廣，農業生產用地集中分布在較為平坦的槽谷地帶，林地生態用地主要分布在該區海拔較高的三大背斜低山區。2017年農業生產用地和林地生態用地面積分別為31 536.54 hm2，23 148.66 hm2，占總面積的41.96%和30.80%；其他生態用地比重較小，且數量較為穩定，2017年其面積為434 hm2，僅占總面積的0.58%，表明北碚區土地資源開發利用程度較高，土地后備資源不足。

2.1.2 土地利用功能結構轉型分析 為了更客觀地表現土地利用結構轉型特征，采用2009年、2013年、2017年三期的土地利用現狀數據，運用ArcGIS軟件空間疊加分析功能，對3個時期的土地利用結構進行研究，得到2009—2013年、2013—2017年2個時段的土地利用轉移矩陣，并將轉移矩陣輸入Ucinet軟件制作出北碚區土地利用轉移矩陣網狀結構圖(圖1)。

(1) 生產用地。生產用地面積明顯減少。2009—2017年，生產用地面積從38 655.67 hm2減少至33 940.99 hm2，年均減少1.52%，用地比例從51.43%降至45.16%。按照土地利用主導功能的二級地類來看，2009—2013年、2013—2017年兩個時期，農業生產用地面積減幅較大，分別占生產用地面積減少量的115.66%和77.23%，主要轉化為城鎮生活用地，不同時段轉出率分別為88.83%和46.12%。工礦生產用地2009—2017年增長46.73%，其增加的主要來源是農業生產用地、林地生態用地、農村生活用地以及城鎮生活用地，轉移比例分別為13.82%，2.77%，1.58%和1.04%。服務以及其他生產用地呈上升趨勢，但增長量較小，年均增加量僅為5.38 hm2，增加的主要來源是農業生產用地，占其他地類向服務以及其他生產用地轉型的74.97%。

(2) 生態用地。生態用地漲幅較小，2009—2013年，生態用地面積減少了444.44 hm2，而20013—2017年，生態用地呈上升趨勢，從26 170.15 hm2上升至26 713.17 hm2，年均增長135.75 hm2。按照土地利用主導功能的二級地類來看，2009—2013年，林地生態用地面積減少238.07 hm2，主要轉出方向為城鎮生活用地及工礦生產用地，轉移比例分別為4.46%和1.17%；牧草地生態用地和其他生態用地變化不大；水域生態用地面積從3 062.73 hm2下降至2 880.71 hm2，主要轉出方向為城鎮生活用地及工礦生產用地，轉移比例分別為8.63%和0.91%。2013—2017年，林地生態用地面積增長了492.55 hm2，主要增長來源是農業生產用地，占其他地類向林地生態用地轉型的99.91%。林地生態用地的增加在一定程度上是由于生態保護意識的增強，“退耕還林”政策以及農民種植意愿的改變所導致。牧草地生態用地和其他生態用地變化不大；水域生態用地有較小幅度的增加，年均增長量僅為14.70 hm2。

(3) 生活用地。生活用地面積增幅較大。2009—2017年增長了46.70%。按照土地利用主導功能的二級地類來看，2009—2017年城鎮生活用地前5 a年均增長率明顯大于后4 a，共計增長4 872.87 hm2(103.33%)，城鎮生活用地的擴張主要來源于農業生產用地的轉型，占其他地類向城鎮生活用地轉型的80.25%。城鎮生活用地的轉入主要分布在水土、蔡家崗、歇馬等鎮，這些鎮街均位于北碚區“三山夾兩槽”的槽谷地帶及該區城市周邊范圍內，是發展的重要區域。農村生活用地減少了4.97%。2009—2013年農村生活用地呈下降趨勢，減少了376.63 hm2，轉移的主要去向為城鎮生活用地，占農村生活用地向其他地類轉型的88.50%。2013—2017年農村生活用地增加119.85 hm2，增長的主要來源是農業生產用地和林地生態用地，轉移比例分別為5.16%和1.01%。

2.2 土地利用功能空間轉型分析

以北碚區各個具體圖斑為基本單元，利用ArcGIS軟件平臺，通過重心轉移模型對不同年份的土地利用現狀進行分析，計算出不同年份各功能用地的重心，得到2009—2017年北碚區各功能用地重心動態變化圖(圖2)，能較好地反映該區土地利用功能空間轉型過程。

農業生產用地重心落在北碚區幾何重心的附近，表明農業生產用地分布比較均勻。2009—2017年蔡家崗、復興、水土以及歇馬鎮農業生產用地面積減幅較大，建設占用是其減少的主要原因，其中，復興鎮農業生產用地面積減少量高達1 598.58 hm2，導致農業生產用地重心向東北方向偏移。工礦生產用地重心落在北碚區幾何重心的西南方向，2009—2017年工礦生產用地重心向西南方向偏移，除了金刀峽鎮，其余各鎮街工礦生產用地面積均有增長，但增長幅度不大。北碚區西南方向的鎮街工礦生產用地增幅快于東北方向的鎮街，導致該區工礦生產用地重心向西南方向偏移。服務以及其他生產用地重心落在北碚區幾何重心的西南方向，2009—2017年除了復興鎮、東陽街道，其余鎮街的服務以及其他生產用地面積變化較小，而復興鎮的服務以及其他生產用地面積增幅明顯大于東陽街道，導致該區服務以及其他生產用地重心向東南方向偏移。

牧草生態用地、林地生態用地、水域生態用地以及其他生態用地的重心均向東北方向偏移，并且偏移距離較小。2009—2013年、2013—2017年兩個時段重心均向北方向偏移。表明生態用地空間分布不均的現狀得到了一定的改善。牧草生態用地、林地生態用地及其他生態用地幾何重心位置變化不大，究其原因主要是因為該區的山脈、森林等自然資源位置固定，增減幅度較小。水域生態用地幾何重心在水土鎮靠近龍鳳橋街道，主要是因為嘉陵江橫穿北碚區的南部。但2009—2017年由于靜觀鎮、柳蔭鎮等地的水域生態用地面積增加，導致水域生態用地幾何重心向北方向偏移。

農村生活用地、城鎮生活用地的重心均向東北方向偏移。農村生活用地重心落在北碚區幾何重心的西南方向，兩個時段均向東北方向偏移，偏向幾何重心，表明農村生活用地的布局更加均勻。水土、蔡家崗等鎮農村生活用地面積減少，同時，該區開展村莊規劃項目，導致農村生活用地重心像東北方向偏移，但偏移距離不大。城鎮生活用地重心落在北碚區幾何重心的西南方向，2009—2017年北碚區大力發展經濟，同時，蔡家崗、施家梁等鎮被納入兩江新區范圍，城市擴張向蔡家片區、水復片區轉移，在這兩大主要因素作用下城鎮生活用地的幾何重心向東北方向偏移且偏移距離較大。

2.3 土地利用轉型生態環境效益分析

2.3.1 生態環境質量演變 根據公式(4)可以推出北碚區2009年、2013年及2017年的土地生態環境質量指數，分別為0.494 8，0.486 8，0.487 0。從計算結果可知，2009—2017年北碚區總體生態環境質量基本上維持穩定，但呈下降趨勢。由于區域生態環境保持穩定的同時，生態質量可能是好轉和惡化兩種相反情況，因此，以鎮街為基本單元，對其生態環境質量空間變化進行研究，得出2009年、2013年、2017年3個時期的生態環境質量變化空間特征(圖3)。從圖3可以看出，除靜觀鎮、金刀峽鎮、柳蔭鎮的生態環境得到改善，其余鎮街生態環境均有所退化，但不明顯。總體上，北碚區生態環境質量保持穩定。

圖22009-2017年北碚區各功能用地重心動態變化

2.3.2 土地利用轉型對生態環境影響的生態貢獻度研究區生態環境質量指數的穩定并不等同于生態環境質量沒有發生改變，根據公式(5)計算出2009—2013年、2013—2017年主要土地利用功能轉型對該區生態環境影響的貢獻度(表3)。由表3可知：(1) 2009—2013年，生態環境質量改善的主要因素是工礦生產用地轉型為農業生產用地，生態貢獻率為0.000 08，而導致該區生態環境質量惡化的因素較多，究其主要原因，是農業生產用地轉型為城鎮生活用地，生態貢獻率為0.003 98。(2) 2013—2017年北碚區生態環境質量改善的主要因素是農業生產用地轉型為林地生態用地，生態貢獻率為0.002 57。而導致該區生態環境質量惡化的主要原因農業生產用地轉型為城鎮生活用地和工礦生產用地，生態貢獻率分別為0.001 32，0.000 49。總體上，北碚區同時存在生態環境改善和惡化兩種趨勢，并且其生態惡化趨勢略大于生態改善趨勢，生態環境指數略微下降。但整體生態質量指數變化不大，維持在0.49水平。

圖3 北碚區生態環境質量演變的空間分布

3 結 論

(1) 2009—2017年北碚區土地利用功能結構轉型明顯，主要表現為生產用地面積減少，而生態、生活用地面積增加。按照土地利用主導功能的二級地類來看，農業生產用地、牧草地生態用地、農村生活用地、其他生態用地及水域生態用地面積減少，其中，農業生產用地面積減少最為顯著。服務以及其他生產用地、工礦生產用地、林地生態用地、城鎮生活用地面積均有增加，其中，城鎮生活用地面積增幅最明顯。表明北碚區城區發展較快，在2010年蔡家崗、水土等鎮納入兩江新區范圍后，城市經濟建設邁入更高更快的發展軌道。城市的發展，難免會以占用耕地為代價，使得農業生產用地轉為城鎮生活用地。

(2) 2009—2017年北碚區土地利用功能空間轉型主要表現為除農業生產用地外，其余各土地利用功能用地空間分布不均。2009—2013年的轉移幅度明顯大于2013—2017年的轉移幅度。牧草生態用地、林地生態用地、水域生態用地、其他生態用地、農業生產用地、農村生活用地及城鎮生活用地重心均向北方向偏移，服務以及其他生產用地、工礦生產用地重心均向南方向偏移。

(3) 2009—2017年北碚區土地利用生態環境質量維持穩定，生態惡化趨勢略大于生態改善趨勢。按空間分布來看，大部分鎮街生態環境呈退化趨勢，僅靜觀、金刀峽、柳蔭3個鎮的生態環境質量得到改善。2009—2013年，生態環境質量改善的主要因素是工礦生產用地轉型為農業生產用地，而農業生產用地被占用是該區生態環境質量惡化的主要原因。2013—2017年北碚區生態環境質量改善的主要因素是農業生產用地轉型為林地生態用地，而導致該區生態環境質量惡化的主要原因農業生產用地轉型為城鎮生活用地和工礦生產用地。

以北碚區為例，基于“土地利用主導功能”視角，對土地利用功能結構轉型、土地利用功能空間轉型及土地利用轉型生態環境響應三方面進行研究，并未深入探討該區土地利用轉型的驅動力機制，未來需要進一步結合北碚區經濟發展等研究各時段土地利用轉型的驅動力機制，更加深入分析土地利用轉型的相關問題。