長江經濟帶土地利用轉型及生態環境效應

冉端　李江風

摘要：研究1990—2015年長江經濟帶縣級尺度下土地利用轉型與生態環境效應變化特征，為長江經濟帶土地利用與生態環境保護提供參考。研究結果如下：（1）1990—2015年，長江經濟帶土地利用轉型的總體特征為耕地、林地和未利用地面積減少，草地、水域和建設用地面積的增加。（2）在1990—2000年、2000—2010年、2010—2015年3個研究期中，長江經濟帶土地利用動態變化強度從大到小依次是1990—2000年、2010—2015年、2000—2010年。（3）1990—2015年，長江經濟帶生態環境質量小幅下降;長江經濟帶生態環境質量空間分布呈現出以長江為分界線北低南高的空間格局。（4）1990—2015年對長江經濟帶生態環境質量貢獻率較高的土地利用類型依次是林地、草地和耕地，而水域、建設用地、未利用地對區域生態環境質量的貢獻較小。（5）1990—2015年，導致長江經濟帶生態環境惡化的主要原因是耕地和林地轉型為建設用地、林地轉型為耕地以及林地的內部轉型。

關鍵詞：土地利用轉型;生態環境質量;長江經濟帶

中圖分類號： F301.24

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）02-0256-08

收稿日期：2018-10-04

作者簡介：冉 端（1995—），男，重慶人，土家族，碩士研究生，主要從事資源環境、區域經濟研究。E-mail：501253961@qq.com。

通信作者：李江風，教授，博士生導師，主要研究方向為土地利用規劃、國土資源調查評價及地質公園規劃。E-mail：jfli0524@163.com。

土地是人類從事社會生產活動的重要載體，對維持區域生態穩定起著十分重要的作用[1-4]，而土地利用轉型往往會直接或者間接對生態系統和生態環境造成正面或負面的影響[5-8]。近40年來，隨著我國城鎮化進程的快速發展，區域土地利用轉型日趨劇烈，由此帶來的區域生態環境問題不斷凸顯[9-10]，因此研究快速城鎮化下的區域土地利用轉型對區域生態環境的影響和區域可持續發展具有重要的現實意義。

1995年Grainger在森林轉型的啟發下提出了土地利用轉型概念[11]。21世紀初土地利用轉型研究作為研究土地利用/覆被變化（LUCC）的新途徑已成為國內外學者重要關注的學術課題[12-13]。國內學者將其與我國在土地利用管理中出現的問題相結合進行研究，涌現出大量相關研究成果[14-17]，其內涵可以理解為土地利用形態在時序上的變化，土地利用形態包括顯性形態和隱性形態或者土地利用空間形態和土地利用功能形態，其實質是為適應區域社會經濟的發展目標，該區域的各個社會經濟部門在土地利用類型上相互競爭，在時空上通過土地利用形態的轉變，競爭得到緩解的一個復雜過程[18-20]。遙感及地理信息技術的快速發展為大尺度大區域研究土地利用變化提供了可能，也為大區域大尺度研究區域生態環境質量變化提供了一種新的手段和方法。雖有學者通過測量區域生物量的植被覆蓋度指數（normalized difference vegetation index，NDVI）[21]、增強的植被指數（enhanced vegetation index，EVI）[22]和植被凈初級生產力（net primary productivity，NPP）[23]等指標研究區域生態環境質量，然而目前學術界測度區域生態環境質量的主要選擇模型或指標為基于遙感解譯的LULCC數據的生態環境測度模型的生態系統服務價值模型（ecosystem services value，ESV）[24]、新型生態環境質量評價指數（remote sensing based ecological index，RSEI）[25]、生態環境質量指數（eco-environmental quality index，EQI）[26]等。以往研究主要針對一級土地利用類型進行專家賦值[24]，而生態環境質量指數模型是基于二級土地利用類型進行專家生態賦值，可以更加精確地刻畫區域土地利用轉型的生態環境效應空間演化特征[27-29]。

鑒于此，本研究在前人研究的基礎上，以長江經濟帶為研究對象，從土地利用轉型視角（顯性形態），基于遙感解譯的1990年、2000年、2010年和2015年等4個時間節點土地利用數據，采用土地利用綜合動態度和土地利用轉型矩陣等方法刻畫長江經濟帶土地利用轉型特征，利用生態環境質量指數與土地利用轉型對生態環境的貢獻指數等模型定量刻畫生態環境質量時空變化特征，并借助“3S”手段予以可視化，此外，運用數理統計方法，定量刻畫區域土地利用轉型與區域生態環境質量的空間差異程度，以此對長江經濟帶1990—2015年土地利用轉型及其生態環境質量變化特征進行刻畫，以期為該區域土地資源開發利用及生態環境保護提供科學借鑒。

1 研究區概況

長江經濟帶涵蓋我國上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南和貴州等11個省份（圖1），總面積約205.7萬km2，占全國總面積的21.27%，串聯著長江三角洲城市群、合肥城市群、長江中游城市群和成渝城市群等經濟、人口密集區，擔負著我國社會經濟和生態文明建設等一體化的重要任務。鑒于長江經濟帶重要的國家和區域發展戰略、復雜的地形條件、非均衡的發展水平，刻畫長江經濟帶土地利用轉型及其生態環境質量變化特征具有較強的現實意義。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究涉及長江經濟帶1990年、2000年、2010年和2015年的LUCC數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn），該數據為基于Landsat TM/ETM遙感影像的解譯數據，空間分辨率為1 000 m×1 000 m。土地利用類型包括6個一級類型以及25個二級類型（表1）。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉型矩陣 基于長江經濟帶1990年、2000年、2010年和2015年的LUCC數據，根據劃分的6個土地利用一級類型，在ArcGIS 10.3軟件支持下，將研究基期與研究末期土地利用數據進行疊加運算，獲取土地利用轉型矩陣，從而能更好地表達土地利用類型的變化[30]。計算公式為

3 結果與分析

3.1 區域土地利用轉型分析

利用ArcGIS 10.3軟件的空間分析功能，獲得長江經濟帶1990—2000年、2000—2010年、2010—2015年、1990—2015年土地利用轉型矩陣（因版面原因，僅展示1990—2015年土地利用轉型矩陣，表2）。1990—2015年，長江經濟帶土地利用的特點為耕地、林地和未利用地面積的減少伴隨著草地、水域和建設用地面積的增加。25年間，耕地、林地和未利用地面積分別減少3.98%、0.38%和0.40%，而草地、水域和建設用地面積分別增加0.13%、7.51%和69.64%。1990—2000年，長江經濟帶土地利用轉型特征主要表現為耕地向林地、草地、水域和建設用地轉變;林地向草地、水域和建設用地轉變;草地和水域向建設用地和未利用地轉變;未利用地向耕地、林地和建設用地轉變。2000—2010年，長江經濟帶土地利用轉型特征主要表現為耕地向林地、水域、建設用地和未利用地轉變;林地向水域、建設用地和未利用地轉變;草地向耕地、林地、水域、建設用地和未利用地轉變;水域向建設用地轉變;建設用地向未利用地轉變;未利用地向水域轉變。2010—2015年，長江經濟帶土地利用轉型特征主要表現為耕地向水域、建設用地和未利用地轉變;林地向耕地、草地、水域、建設用地和未利用地轉變;草地向耕地、水域、建設用地和未利用地轉變;水域向建設用地轉變;未利用地向水域和建設用地轉變。

從土地利用轉移矩陣及類型轉換分析來看，25年間，建設用地的規模擴張主要來源于耕地和林地的轉型，分別占所有地類向建設用地轉換總面積的82.03%和9.91%;草地面積的增加來源于林地和耕地的轉型，分別占所有地類向林地轉換總面積的64.88%和27.11%;水域面積的增加主要來源于耕地和林地的轉型，分別占所有地類向水域轉換總面積的57.14%和21.49%。

3.2 土地利用動態變化分析

對不同時期長江經濟帶土地利用綜合動態度進行統計，結果（表3）表明，1990—2000年長江經濟帶土地利用綜合動態度的期望值和標準差均遠大于2000—2010年和2010—2015年，2010—2015年長江經濟帶土地利用綜合動態度的期望值和標準差大于2000—2010年，而1990—2000年長江經濟帶土地利手綜合動態度的變異系數遠小于2000—2010年和2010—2015年，且2010—2015年長江經濟帶土地利手綜合動態度的變異系數小于2000—2010年，其中2000—2010年和2010—2015年長江經濟帶土地利手綜合動態度的變異系數均大于1。表明1990—2000年長江經濟帶土地利用動態變化強度較大，2000—2010年土地利用動態變化強度較小，2010—2015年土地利用動態變化強度介于其他2個研究期之間;2000—2010年和2010—2015年土地利用動態變化強度的空間差異較大，且2000—2010年土地利用動態變化強度空間差異大于2010—2015年。

利用公式（2）和在ArcGIS 10.3的技術支持下獲得1990—2015年長江經濟帶土地利用綜合動態度空間分布圖（圖2）。1990—2000年，長江經濟帶土地利用動態變化強度的特點主要表現為西南地區的貴州、重慶、云南和四川等省份較高;東部地區的上海、江蘇、浙江和中部地區的安徽、湖北和江西等省份較低;中部地區其余省份處于兩者之間。2000—2010年，長江經濟帶土地利用動態變化強度的特點主要表現為長江沿線11個省份的省會城市（政府駐地）均較高，其中東部地區的上海和浙江、中部地區的湖北和江西以及西南地區的貴州等省份較其余省份高。2000—2015年，長江經濟帶土地利用動態變化強度的特點主要表現為由東向西逐漸減弱的趨勢。25年間，西南地區的貴州、四川、重慶和云南等省份土地利用動態變化強度較高，而其余社會經濟較為發達的省份變化強度均較低。

3.3 生態環境質量分析

根據公式（3）計算得到長江經濟帶1990年、2000年、2010年和2015年的區域生態環境質量指數（eco-environmental quality index，EQI），結果（表4）分別為0.525 7、0.526 8、0.517 3和0.514 9。對不同年份長江經濟帶生態環境質量指數進行統計分析，結果表明，4個年份長江經濟帶生態環境質量指數期望值的極差、標準差的極差和變異系數的極差分別為0.011 9、0.007 3和 0.008 4，4個年份長江經濟帶生態環境質量指數的變異系數均小于0.3。以上數據表明，1990—2000年長江經濟帶生態環境質量有所提高，2000—2010年及2010—2015年長江經濟帶生態環境質量小幅下降，2000—2010年的生態環境質量下降幅度較2010—2015年大。25年間，長江經濟帶總體生態環境質量小幅下降且空間差異較小。

利用公式（3）和在ArcGIS 10.3的技術支持下獲得1990年、2000年、2010年和2015年長江經濟帶生態環境質量空間分布圖（圖3），將長江經濟帶生態環境質量指數依次分為5個等級，分別是高質量區（EV>0.80）、較高質量區（0.65

3.4 土地利用轉型對生態環境的貢獻指數

在長江經濟帶1990、2000、2010、2015年4個時期土地利用類型生態環境質量指數中（表5），林地對長江經濟帶生態環境質量貢獻率均為最高，4個年份的貢獻率分別為64.27%、63.98%、64.06%、63.96%。其次對長江經濟帶生態環境質量有較為突出貢獻的是草地和耕地，草地的貢獻率略微大于耕地，草地對區域生態環境質量的貢獻隨著時間推移總體上表現為增強趨勢，而耕地對區域生態環境質量的貢獻率隨著時間推移逐漸減小，生態環境質量指數從1990年的 0.087 1 減小到2015年的0.083 5，貢獻率從15.81%減小到15.16%。水域、建設用地、未利用地對區域生態環境質量的貢獻微乎其微，水域和建設用地對區域生態環境質量的貢獻率雖小，但隨著時間的推移保持著逐漸增加的趨勢，未利用地的生態環境質量指數和貢獻率基本保持穩定。

區域生態環境質量往往同時發生著改善和惡化2種相反趨勢，使其在總體上呈現相對穩定的狀態，但生態環境質量指數的穩定并不意味著生態環境質量并沒有發生改變。據公式（3）計算獲得影響長江經濟帶生態環境質量的主要土地利用轉型及貢獻率（表6）。1990—2000年期間耕地轉型為林地、草地和水域，草地轉型為林地和未利用地以及未利用地的內部轉型（表現為沼澤地的增加）是長江經濟帶生態環境質量改善的主要原因，這6種土地利用轉型對長江經濟帶生態環境質量改善的累計貢獻率達92.58%;林地轉型為耕地、草地，草地轉型為耕地，水域轉型為耕地，耕地和林地轉型為建設用地是長江經濟帶生態環境質量惡化的主要原因，這6種土地利用轉型對長江經濟帶生態環境質量惡化的累計貢獻率達98.12%。在2000—2010年間耕地轉型為林地、水域、草地，草地轉型為林地以及草地的內部轉型（較低覆蓋度草地轉型為較高覆蓋度草地）是長江經濟帶生態環境質量改善的主要原因，6種土地利用轉型對長江經濟帶生態環境質量改善的累計貢獻率為 74.82%;林地的內部轉型（有林地轉型為疏林地）、耕地轉型為建設用地以及林地轉型為建設用地、耕地是長江經濟帶生態環境質量惡化的主要原因，6種土地利用轉型對長江經濟帶生態環境質量惡化的累計貢獻率達95.95%。在2010—2015年期間耕地轉型為林地、草地和水域，草地轉型為林地以及建設用地轉型為耕地和林地是長江經濟帶生態環境質量改善的主要原因，6種土地利用轉型對長江經濟帶生態環境質量改善的累計貢獻率為87.72%;林地轉型為建設用地和耕地、林地的內部轉型（有林地轉型為疏林地）、耕地和草地轉型為建設用地、建設用地的內部轉型（城鎮用地和農村居民點轉型為其他建設用地）是長江經濟帶生態環境質量惡化的主要原因，這6種土地利用轉型對長江經濟帶生態環境質量惡化的累計貢獻率為84.39%。總體而言，25年間，長江經濟帶同時存在生態環境改善和惡化2種變化趨勢，生態環境質量改善的趨勢小于惡化的趨勢，使得長江經濟帶2015年的生態環境質量略微低于1990年，其中導致長江經濟帶生態環境改善的主要原因是耕地轉型為林地，導致長江經濟帶生態環境惡化的主要原因是耕地和林地轉型為建設用地、林地轉型為耕地以及林地的內部轉型（有林地轉型為疏林地）。

4 結論

在以往國內外學者研究的基礎上，采用土地利用綜合動態度、土地利用轉型矩陣、生態環境質量指數模型和數理統計等方法對1990—2015年長江經濟帶土地利用轉型和生態環境質量進行變化特征分析。結論如下：

（1）1990—2015年，長江經濟帶土地利用轉型的總體特征為耕地、林地和未利用地面積減少，分別減少3.98%、0.38% 和0.40%;草地、水域和建設用地面積的增加，分別增加0.13%、7.51%和69.64%;建設用地、草地和水域面積的增加主要均來源于耕地和林地的轉型。

（2）在1990—2015年3個研究期中，長江經濟帶土地利用動態變化強度從大到小依次是1990—2000年、2010—2015年、2000—2010年;25年間，土地利用動態變化強度表現十分強勁的地區主要分布在西南地區的貴州、四川、重慶和云南等省份。

（3）1990—2015年，長江經濟帶總體生態環境質量下降，除1990—2000年長江經濟帶生態環境質量有所提高以外，其他研究期生態環境質量小幅下降，且2000—2010年的生態環境質量下降幅度較大。長江經濟帶生態環境質量空間分布呈現出以長江為分界線北低南高的空間格局，生態環境質量較低質量區和低質量區基本集中在長江以北的上海市、江蘇省、安徽省、重慶市以及湖北省省會城市武漢市、四川省省會成都市等社會經濟較為發達的地區。

（4）在1990、2000、2010、2015年4個時期長江經濟帶土地利用類型生態環境質量指數中，對長江經濟帶生態環境質量貢獻率較高的土地利用類型依次是林地、草地和耕地，而水域、建設用地、未利用地對區域生態環境質量的貢獻微乎其微。

（5）1990—2015年，長江經濟帶同時存在生態環境改善和惡化2種變化趨勢，生態環境質量改善的趨勢小于惡化的趨勢，導致生態環境惡化的主要原因是耕地和林地轉型為建設用地、林地轉型為耕地以及林地的內部轉型。

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