西部平原區生態用地時空動態特征及環境效應

蔣好雨, 陳榮蓉, 楊朝現, 信桂新, 楊 馗

(1.西南大學 資源環境學院, 重慶 400716;2.長江師范學院 武陵山區特色資源開發與利用研究中心, 重慶 408100)

隨著城鎮化的深入推進，土地利用方式變化導致生態用地的分布格局變化劇烈，給區域生態功能和生態安全帶來了一系列的影響，從而導致區域生態環境質量下降、生態系統平衡受到嚴峻挑戰[1-2]。研究生態用地的演變特征及其所帶來的生態環境效應，將有利于保障生態用地合理布局，弱化負面生態環境效應，恢復區域生態系統彈性。

20世紀90年代，我國學者首次提出“生態用地”這一說法[3]，城市生態用地逐漸成為生態用地研究的重點[4]，學者們最初以生態用地內涵揭示和分類為主要研究內容[5]。鄧小文等[6]根據土地的屬性將城市生態用地劃分為功能型和服務型兩類；鄧紅兵等[7]將其概括為以維護區域生態環境為主要功能的土地利用類型。后來學者們針對生態用地空間結構及演變機制[8]、生態用地景觀安全格局[9-10]和生態用地需求量測算研究等[11]問題進行研究。近年來，許多學者基于用地演變規律對生態空間演變及其驅動力分析進行了大量研究，主要采用轉移概率矩陣等研究方法對地類轉化性質和轉化數量進行定性定量分析。研究區域集中在東部沿海經濟發達和高度城市化的地區[12-13]，研究尺度多以大中尺度為主，較少有學者對西部平原區域展開小尺度的生態用地變化研究。

平原地區較山地丘陵地區，具有地形平坦、人口集中等特點。廣漢市受到成都經濟發展輻射帶動作用強烈，由傳統農業耕種縣發展為依靠石油裝備業和食品制藥業為主的西部百強縣市，是西部平原快速城鎮化區域的典型代表，境內三星堆古蜀文化遺址和眾多古樹名木也對其生態環境保護提出了較高要求。本研究選取西部成都平原的四川省廣漢市作為研究對象，基于土地利用轉移概率矩陣和重心遷移模型分析研究區生態用地的時空演變特征，然后從承擔生態風險、生態服務供給、均衡生態系統的維度分析評價研究區生態用地演變導致的生態環境效應。以期研究結果能為生態用地空間的科學保護和土地資源的優化配置提供參考。

1 研究區概況

廣漢市位于成都平原東北部(104°6′—104°29′E,30°53′—31°8′N)，幅員面積548.68 km2(圖1)。境內地貌以平原為主，丘陵地貌僅為7.7%，總體地勢西北低東南高，海拔450～590 m，相對高差較小。因近代河流的長期切割，形成六河六埂、槽埂相間的地形。青白江、石亭江、鴨子河、綿遠河等河流橫貫全市，構成通達的水系網絡。土地利用以耕地為主，主要分布在平壩地區，多數土層深厚，適宜農作物生長，地勢平坦，機械作業便利。森林覆蓋率為17.1%，遠低于全省43個重點開發區縣森林覆蓋率平均值41.18%，林地面積數量少。廣漢地理區位優越(位于成都半小時經濟圈和成德綿經濟帶腹心地帶)，社會經濟發達，素有“川西明珠”之稱。2017年末廣漢市總人口數為60.1萬人，其中，城鎮人口31.4萬人、鄉村人口28.7萬人，城鎮化率52.3%。2017年全年實現GDP值400.1億元，三產結構比例為9∶51∶40，工業十分發達。

圖1 研究區高程

2 數據來源與研究方法

2.1 生態用地的定義

目前，國內外尚未形成精準的生態用地定義，學者們從土地利用主體功能[14]、土地空間格局等[15]角度對生態用地的內涵進行了討論。本文選擇從土地生態功能角度，將生態用地劃分為具有生態服務功能或具有保護生態系統和生物生境作用的土地[16]。受到平原地形影響，研究區的生態用地以耕地、水域、林地、草地等地類為主，其中起到主導生態服務功能和生態屏障作用主要為林地、水域等用地斑塊。

2.2 數據來源

本文選取2000—2017年5期Landsat系列衛星作為數據源，空間分辨率為30 m，來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺，采用ENVI 5.3軟件對影像進行幾何校正、圖像增強、鑲嵌與裁剪等預處理工作。參照中國土地利用現狀分類國家標準(GB/T21010—2007)，結合研究區實際情況，采用監督分類法將土地利用類型劃分為有林地、經濟林地(苗圃、果園等)、河流濕地(水域、灘涂)、疏林地、草地、耕地(水田、旱地)、城鎮建設用地(城鎮用地、其他建設用地)和農村居民點8類[17]，并結合Google Earth對分類結果進行精度檢驗，Kappa系數均達到0.8以上。基于ArcGIS 10.2軟件，參照監督分類得到的結果，進行目視解譯，最終獲得2000年、2005年、2010年、2015年、2017年5期土地利用分類數據。NDVI數據由遙感影像計算得到；空間分辨率為30 m×30 m的DEM數據來自國際科學數據鏡像網，通過GIS空間分析得到坡度、起伏度數據；距河流水體距離通過將研究區矢量數據轉化為柵格數據，利用GIS鄰域分析方法獲取；社會經濟數據主要來自研究區統計年鑒和鄉村振興規劃編制課題組調查數據。

2.3 研究方法

2.3.1 生態用地空間特征量化

(1) 土地利用轉移概率矩陣。基于ArcGIS 10.2平臺，利用土地轉移矩陣模型，分析研究區各類用地轉移特征，其公式[18]為：

(1)

式中:A為土地面積;i為研究初期土地利用類型序號;j為研究末期的土地利用類型序號;n為土地利用的類型數。

(2) 重心遷移模型。運用重心遷移模型，分析生態用地和建設用地全局重心動態演變特征。t年用地重心計算公式[19]為：

(2)

(3)

式中:Xt,Yt分別為t年土地利用類型i重心的經度和緯度坐標;Ati為t年土地利用類型i的面積;Xi,Yi分別為土地利用類型的重心經度、緯度坐標。

2.3.2 生態環境效應評價 本文選擇生態系統服務價值、生態敏感性與生態協調評估來反映生態用地演變對于研究區生態環境的供給生態服務功能、應對外界干擾、承載生態威脅等方面的影響。

(1) 生態系統服務價值。根據謝高地的改進型ESV價值評估方法中的標準當量因子價值量[20-21]，結合研究區現狀地類面積，計算各用地類型的生態系統服務價值。計算公式為：

(4)

式中:ESV為生態系統服務價值;Pi為生態系統價值系數;Si為第i種用地類型面積;n為用地類型數量。

(2) 生態敏感性評價。生態敏感性能夠反映生態系統對區域內自然和人類活動干擾的敏感程度[22]。根據相關研究[23-24]和研究區自然環境狀況，選擇高程、坡度、起伏度、植被覆蓋指數(NDVI)、距水體距離5類影響因子，運用自然斷點法將敏感性劃分為5級(表1)。

表1 生態敏感性因子分級及權重

單因子對生態環境的影響水平各異，使用層次分析法計算權重，將各單因子評價加權疊加后得到生態敏感性綜合評價結果。

(3) 生態協調評估。借鑒生態足跡、生態承載力與生態協調度模型，進行生態協調定量評價。用生態足跡量化人類生存發展對自然資源的要求，用生態承載力計算區域環境的提供能力，用生態協調度來表示生態系統承受壓力情況。生態協調度計算模型[30]為：

(5)

式中:Ds為生態協調度，取值范圍為1≤Ds≤1.414,其中Ds越小表示其生態系統壓力越大,越大表示生態需求和供給越趨于平衡,可定量揭示區域生態環境的風險程度;EF為生態足跡(hm2/人);EC為標準生態承載力(hm2/人)。

(6)

式中:j為6類生態生產性土地資源[31];i為消費的資源或能源賬戶項目類別;ci為資源和能源的消費總量(t);pi為第j類生態生產性土地中第i類中產品全球平均產量;rj為某類土地均衡因子。

(7)

式中:aj為實際生態生產性土地面積;yj為產量因子;rj為均衡因子。

3 結果與分析

3.1 生態用地時空動態特征

3.1.1 生態用地時空分布 2000—2017年研究區各類生態用地空間分布見附圖1。由附圖1可知，耕地是研究區主要的生態用地類型，環繞中心城區分布，研究期間城市建設用地由中心區域逐漸向四周擴張，大量耕地受到擠壓。河流是研究區生態用地的重要組成部分，由于鴨子河濕地自然保護區的設立和金雁湖公園、房湖公園等公園的修繕，河流濕地面積保持穩定并有少量增加，主要沿研究區境內鴨子河與石亭江分布。有林地和經濟林地主要分布在研究區東部淺丘區，屬于龍泉山脈的丘陵一角。其他生態用地較為細碎，星羅棋布于研究區境內。

2000—2017年研究區各類生態用地面積變化如表2所示。2000—2017年，研究區生態用地面積由49 410.57 hm2減至39 641.06 hm2，減少9 769.51 hm2，年均減少574.68 hm2。耕地是減少面積最多的地類，減少了10 726.91 hm2，受到快速城鎮化和產業結構重心向工業傾斜的影響，大量耕地轉變為其他用地。有林地和灌木林分別減少了63.01 ，6.12 hm2，這兩類林地面積基數小，數量變化幅度較小；經濟林地在研究期間增長了596.59 hm2，這得益于松林桃花山和東部苗木基地的建設。草地面積從40.31 hm2增加至68.8 hm2，河流濕地增加了401.44 hm2。2000—2005年，研究區石油裝備業和制藥、食品生產等第二產業迅速發展，傳統種植業受沖擊，耕地面積出現一定程度的下降，各類林地面積也呈下降趨勢。2005—2010年，耕地依然是減少最多的地類，人工草地、有林地和灌木林減少量較少，河流濕地和經濟林地分別增加了119.61 ，347.64 hm2。2010—2017年，耕地保護制度愈加嚴格，耕地面積減少速率放緩，而鴨子河濕地瀕危候鳥保護區的恢復和改善以及金雁水苑濕地公園、馬牧河濕地公園等濕地建設使得河流濕地面積出現較大增長，經濟林地則因為水果種植業在東部區域的發展不斷增長。

表2 2000-2017年研究區各類生態用地面積 hm2

3.1.2 生態用地轉移特征 2000—2017年研究區土地利用轉移情況見表3。2000—2005年，主要轉移特征是耕地大量轉移為非生態用地，有林地、灌木林地和經濟林地轉出量較小，其他生態用地基本維持總量不變。生態用地中，城鎮建設用地和農村居民點是耕地主要轉出對象，分別占轉出總量的49.24%， 45.26%；經濟林地的主要轉移對象為河流濕地和城鎮建設用地，占轉出量比重為43.01%， 28.13%；河流濕地主要轉出為耕地和非生態用地，其他生態用地變化較小。非生態用地轉出總面積較少，致使期末總面積出現了明顯增長。2005—2010年，主要轉移特征是一定數量耕地向城鎮建設用地轉移，經濟林地和河流濕地轉入量較大，其他生態用地轉移量較小。生態用地中，占耕地轉出量69.54%的土地轉移為城鎮建設用地，但耕地轉出總量降低；經濟林地轉入量有明顯增加，442.03 hm2非生態用地轉移為經濟林地；河流濕地也有來自非生態用地的100.49 hm2轉入，整體面積增加119.61 hm2。非生態用地中，城鎮建設用地有2 996.49 hm2的轉入面積來自耕地，農村居民點增速放緩。2010—2015年，主要轉移特征是耕地轉移速率放緩，經濟林地、河流濕地等生態用地轉入量增加。生態用地中，仍有部分耕地向城鎮建設用地轉移，轉入耕地大多是農村居民點用地，耕地總量減少；經濟林地向河流濕地轉移，轉出土地578.45 hm2；有林地轉出土地中的74.65%轉移為經濟林地；河流濕地共有745.96 hm2的轉入土地量，主要來自經濟林地和農村居民點；其他生態用地轉移較少。非生態用地中，城鎮建設用地和農村居民點分別有4 235.47，224.17 hm2的生態用地轉入。2015—2017年，主要轉移特征是各地類轉移速率放緩，用地結構漸趨穩定。生態用地中，經濟林地有254.07 hm2轉移為耕地，占轉出量的80.95%；耕地轉移為河流濕地和經濟林地的面積為151.21，80.23 hm2，分別占轉出量的56.59%，30.08%。非生態用地總量基本不變，農村居民點用地有部分轉出。

3.1.3 土地重心轉移特征 如圖2所示，研究區生態用地重心處于中東部，2000—2010年生態重心向東部遷移，2010—2017年生態重心沿西北方向遷移；城鎮建設用地重心處于中部，2000—2005年城鎮重心向西北方向移動，2005—2010年城鎮重心向西南遷移，2010—2017年城鎮重心向東部遷移。2000—2010年，城鎮建設用地集中于中部地區并向西南和西北方向快速擴張，擠壓了生態用地空間，中部和西部的耕地面積轉變為城鎮建設用地，而東部經濟林地面積有所增加，致使生態用地重心向東北方向移動。2010—2017年，研究區南部受到成都的輻射帶動作用較強，旅游業發展迅速，位于研究區東南部的廣漢經濟開發區也由省級經濟開發區升級為國家高新技術產業開發區，帶給生態用地強烈的擴張壓力。研究區西北區域分布著四川省重要商品糧基地，耕地面積流失較少，生態用地重心逐漸偏向西北方向移動。

表3 2000-2017年研究區土地利用轉移矩陣

3.2 生態環境效應評價

3.2.1 生態系統服務與調節功能分析 2000—2017年研究區生態系統服務價值變化見表4。研究期內，生態系統服務價值由27.89億元降至23.13億元，減少17.07%，年均減少0.28億元。其中，耕地景觀減少量最大，生態系統服務價值占比由37.51%降至31.26%；其次為草地、林地、水域。受到研究區生態景觀單一特性的限制，河流水域承擔著主要的生態系統服務作用，耕地被建設用地擠占導致其對綜合生態系統服務價值的貢獻呈現減少趨勢，而草地、林地景觀數量較小，生態系統服務功能也較弱。因此，各景觀類型中，水域的服務價值最大，且其占比由59.27%增至65.05%，表明它在區域生態系統服務價值供給中的地位逐年提升并趨于主導地位；然后是耕地和林地，草地服務價值最小。廣漢市作為典型西部平原城市，其生態系統恢復與調節功能長期處于較弱狀態，這是由于平原地區缺乏生態屏障易受人類活動擾動。但自2010年以后，生態系統服務價值下降趨勢趨于和緩，這表明廣漢市近年來愈加重視生態環境保護，維持了生態系統供給服務功能的穩定。

圖2 2000-2017年研究區城鎮建設用地與生態用地重心遷移

表4 2000-2017年研究區生態系統服務價值 億元

3.2.2 生態敏感性分析 由附圖2可知，2000—2017年，研究區生態極敏感和高度敏感區面積分別由1 865.61，6 900.53 hm2增加至3 495.08 ，11 194.93 hm2，主要分布在東部區域和河流沿岸：中度敏感區面積由12 545.58 hm2增加為24 371.79 hm2，中部和西部許多城鎮化程度較高區域由輕度敏感轉變為中度敏感；輕度敏感和不敏感區面積呈現明顯下降，分別由17 614.71，15 886.66 hm2轉變為13 717.27，2 034.02 hm2。從格局上看，生態敏感性總體呈現由東到西敏感程度逐漸遞減的趨勢，呈現這種分布規律主要是受到地勢起伏和河網密度的影響。研究區西部地勢和緩、地形平坦，地表覆蓋多為耕地，生態敏感性較低；東部為低山丘陵區，河網分布密集，為高度敏感和極敏感分布區域，需要更嚴格的生態保護。

3.2.3 生態系統協調度分析 由圖3可知，2000—2017年，研究區人均生態足跡從0.894 2增加至1.321 3 hm2/人，增加率為23.51%；人均生態承載力從0.654 2 hm2/人減少至0.494 4 hm2/人；生態協調度由平衡趨向不平衡發展。研究區生態系統協調度在2000—2005年靠近1.41，按照前文有關生態協調度的定義，在此期間生態系統處于較為平衡狀態，生態赤字較小。2005—2010年，生態協調度趨向于1發展，表明生態系統整體偏向失衡方向發展，承受著較大的生態壓力。可見，研究區人口快速增長和城鎮擴展致使用地開發強度加大，生態容量逐漸減小，生態系統協調度降低。2010—2017年期間，人均生態足跡出現緩慢下降，人均生態承載力也基本維持不變，生態協調度數值整體較低但逐步向平衡狀態發展。說明此期間廣漢市優化農業布局、著力發展高新技術產業、積極治理水污染等舉措對減輕城市發展對自然生態帶來的壓力起著積極作用。

圖3 2000-2017年研究區人均生態足跡、生態承載力與生態協調度

4 討論與結論

(1) 2000—2017年，受到城鎮化的影響，廣漢市生態用地流失嚴重，大量城鎮邊緣的生態用地被快速轉化為建設用地。研究區生態用地總面積由49 410.57 hm2減至39 641.06 hm2，減少了9 769.51 hm2；其中耕地減少最多，減少了10 726.91 hm2；經濟林地和河流濕地面積有所增長。從生態用地轉移特征來看，耕地是轉出面積最多的生態用地，大部分耕地轉化為城鎮建設用地；經濟林地的主要轉入面積來自耕地和城鎮建設用地；河流濕地的主要轉入面積來自林地和耕地。隨著生態空間格局的改變，生態用地重心先向東部遷移，再向西北部遷移。

(2) 城鎮化進程對生態系統整體狀態產生了一定的負向影響，區域生態環境提供服務與承載威脅能力有所減弱，但從發展趨勢來看，研究區生態供給能力和恢復能力緩慢趨向穩定方向發展。研究期內，生態系統服務價值減少了17.11%，生態極敏感和高度敏感區面積分別增加1 629.47，4 294.40 hm2，生態協調度下降了10.36%，生態系統處于趨穩狀態。

土地利用類型轉移通過改變生態景觀格局與生態過程對區域生態系統結構、功能與承載能力等方面造成影響，引發系列生態環境效應。本文通過轉移矩陣和重心變化較為清楚地對廣漢市生態用地時空演變特征進行了闡述，從多角度分析了生態用地演變帶來生態系統供給能力、承載能力與平衡能力方面的變化。但本文僅探討了生態用地的變化造成的生態環境效應研究，不足以揭示用地變化與生態環境之間的影響機制和相互關系。

從時間上看，2000—2010年廣漢市經濟快速發展，城鎮建設迅速擴張，強烈擾動了生態用地格局，生態空間被嚴重擠壓，帶來負面生態環境效應，使得生態系統承受巨大壓力；2010—2017年在廣漢市傾力打造水生態體系的背景下，鴨子河、湔江、石亭江等河流生態系統的保護與修復，以及多個濕地公園和經濟種植果園的建設促進了生態用地面積的增加，為生態系統釋放了壓力，生態環境保護取得明顯成效。受到地形地貌的影響，為支撐生態系統和諧穩定做出大量貢獻的并不是占地面積最大的耕地，而是河流水系和林地。因此，廣漢市應加大力度保護林地和河流水系這兩類生態系統服務價值系數較高的生態用地，利用有限的土地資源實現合理的生態用地規劃。