快速城鎮(zhèn)化地區(qū)土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)*——以佛山市順德區(qū)為例

楊麗萍，胡月明，廖 琪，緱武龍，劉吼海

（1.廣州市華南自然資源科學(xué)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510610；2.自然資源部建設(shè)用地再開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；3.廣東省土地調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州 510075；4.廣東友元國土信息工程有限公司，廣東 廣州 510642；5.海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，海南 ?？?570228）

0 引言

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的主要物質(zhì)來源，生態(tài)環(huán)境的發(fā)展與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有關(guān)，它在人類改造自然的同時(shí)對人類的破壞會(huì)產(chǎn)生負(fù)反饋[1]。近年來，城市化與工業(yè)化的快速發(fā)展已經(jīng)影響到生態(tài)環(huán)境[2]。為此，我國“十四五”規(guī)劃綱要中明確提出：堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展和共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)，協(xié)同推動(dòng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，打造人與自然和諧共生的美麗中國樣板。評價(jià)生態(tài)環(huán)境狀況是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要基礎(chǔ)和前提，已有眾多學(xué)者開展生態(tài)環(huán)境評價(jià)研究并取得一定的成效[3-5]。早期學(xué)者主要針對生態(tài)環(huán)境某一單方面要素進(jìn)行評價(jià)，如氣候要素評價(jià)[6]、土壤要素評價(jià)[7]、水文要素評價(jià)[8]等。但生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是一個(gè)由多要素構(gòu)成的綜合體，僅以單一要素為切入點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)評價(jià)研究，評價(jià)結(jié)果缺乏系統(tǒng)性與綜合性。因此，近年來，已有大量學(xué)者開展生態(tài)環(huán)境綜合評價(jià)研究。例如，束加穩(wěn)等在現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境評價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上結(jié)合杭州市實(shí)地情況將該市評價(jià)指標(biāo)體系分為自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三個(gè)子系統(tǒng)，進(jìn)而選擇SO2年均濃度、PM2.5濃度、NOx削減率等43個(gè)指標(biāo)，將IAHP與熵值法相結(jié)合用于確定指標(biāo)權(quán)重值，運(yùn)用AHP方法評價(jià)杭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，并提出提高杭州市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的對策[9]。目前，有關(guān)生態(tài)環(huán)境綜合評價(jià)的研究已較為成熟，但較少考慮土地利用變化所導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境變化對其帶來的影響，而土地利用變化與人類活動(dòng)密切相關(guān)，對生態(tài)環(huán)境演變有著重要的影響[2]。

課題組以城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的順德區(qū)為研究對象，以Landsat TM、ETM+遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用RS、GIS技術(shù)，在系統(tǒng)分析1992—2012年順德區(qū)土地利用/覆被格局時(shí)空變化特征的基礎(chǔ)上，對研究區(qū)土地利用變化引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行定量評價(jià)，剖析土地利用/覆被變化對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，揭示土地利用/覆被變化的生態(tài)效應(yīng)，以期為研究區(qū)合理利用土地資源、治理生態(tài)環(huán)境問題提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

順德區(qū)位于珠三角腹地，地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°1'~113°23'，北緯22°40'~23°2'。行政區(qū)域面積806.55 km2，北接廣州，南近港澳，該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，是廣佛都市圈、粵港經(jīng)濟(jì)圈的重要組成部分。順德區(qū)地理位置示意圖如圖1所示。該區(qū)于2019年實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值突破3 500億元，比上年增長7.0%以上；連續(xù)8年位居全國綜合實(shí)力百強(qiáng)區(qū)第一。經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)伴隨著土地利用類型的快速轉(zhuǎn)變，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境狀況，為此，對該區(qū)開展土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)相關(guān)研究具有重要的意義。

圖1 順德區(qū)地理位置示意圖Figure 1 Geographical location of Shunde District

1.2 數(shù)據(jù)來源

課題組采用Landsat遙感影像為主要數(shù)據(jù)源進(jìn)行土地利用變化研究，分別為1992年11月1日Landsat-5 TM影像（來源于美國地質(zhì)勘探局）、2002年11月7日和2012年11月2日Landsat 8 OLI影像（來源于地理空間數(shù)據(jù)云：http://www.gscloud.cn/）。空間分辨率為30 m×30 m，影像含云量均小于1%，圖像質(zhì)量好。并且，利用ENVI軟件對影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、裁剪等預(yù)處理操作，以消除在影像獲取中產(chǎn)生的幾何與輻射畸變。此外，在生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)中主要用到的數(shù)據(jù)包括順德區(qū)2008—2013年統(tǒng)計(jì)年鑒、2007—2012年生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)與相關(guān)文字資料。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用類型解譯

依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 21010—2017），結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀特征，基于ENVI軟件平臺(tái)，采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、坑塘水面、林地、城鎮(zhèn)用地、河流水域、農(nóng)村居民地與其他用地七類，得到研究區(qū)1992年、2002年和2012年土地利用現(xiàn)狀圖。

1.3.2 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)

土地利用變化影響著資源與環(huán)境的變化，并影響著區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著城市化進(jìn)程的加快、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類加大了對土地的利用程度，區(qū)域土地利用類型也發(fā)生了變化，生態(tài)環(huán)境也變得愈發(fā)脆弱。課題組在對研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀、土地利用結(jié)構(gòu)變化以及動(dòng)態(tài)演變的時(shí)序特征進(jìn)行了探討后，對順德區(qū)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評價(jià)。

1）評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建。PSR模型是指20世紀(jì)80年代末聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署共同提出的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（PSR）模型框架。其優(yōu)點(diǎn)在于能將生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)兩者有機(jī)地統(tǒng)一在一起，是目前應(yīng)用較多的一種研究生態(tài)安全評價(jià)的思路[10-11]。課題組以PSR框架為基礎(chǔ)，參考前人研究[1,12]并綜合考慮順德區(qū)的土地利用變化情況以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，確定順德區(qū)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，以此建立順德區(qū)土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。由于評價(jià)指標(biāo)體系包含著正向相關(guān)性與負(fù)向相關(guān)性不同的指標(biāo)，課題組采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法[13]對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)值。

表1 順德區(qū)土地利用變化生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Comprehensive evaluation index system of eco-environmental effects of land use change in Shunde District

2）指標(biāo)權(quán)重確定。確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重是評價(jià)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于課題組所選的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)綜合性強(qiáng)，包含的信息量復(fù)雜，因此，課題組采用熵權(quán)法用于確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。該方法是一種客觀的指標(biāo)權(quán)重確定方法，操作簡單，精度較高，且能有效排除了主觀因素的影響[12]。信息熵越小，信息的無序度越低，其信息的效用值越大，指標(biāo)的權(quán)重也越大；反之，信息熵越大，信息的效用值越小[14]。

3）評價(jià)指數(shù)計(jì)算。單項(xiàng)指標(biāo)及其權(quán)重只能反映土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)其中一方面的狀況，而土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)系統(tǒng)具有層次性和復(fù)雜性。為了更好地反映生態(tài)環(huán)境效應(yīng)狀況，課題組結(jié)合順德區(qū)的特點(diǎn)，根據(jù)前人的研究成果[15-16]，確定本研究生態(tài)環(huán)境安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。將各單項(xiàng)指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行逐層計(jì)算，采用指數(shù)加乘混合法將加法和乘法混合一起使用，利用權(quán)重分別計(jì)算得出生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)綜合指數(shù)、壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)和響應(yīng)指數(shù)。

參考國內(nèi)其他學(xué)者所構(gòu)建的模型[17-18]得出以下計(jì)算公式：

生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)綜合指數(shù)：

壓力指數(shù)：

狀態(tài)指數(shù)：

響應(yīng)指數(shù)：

式中：Wi為各指標(biāo)權(quán)重；Yij為指標(biāo)歸一化值；m為指標(biāo)項(xiàng)數(shù)；Wpi為壓力指標(biāo)對壓力指數(shù)的權(quán)重（各壓力指標(biāo)權(quán)重做歸一化處理，下同）；Wsi為狀態(tài)指標(biāo)對狀態(tài)指數(shù)的權(quán)重；Wri為響應(yīng)指標(biāo)對響應(yīng)指數(shù)的權(quán)重。E、P、S、R的數(shù)值取值范圍為［0，1］，綜合指數(shù)值為0時(shí)，則表示人類活動(dòng)對順德區(qū)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合影響趨于消極，即壓力強(qiáng)，響應(yīng)弱，生態(tài)環(huán)境差。綜合指數(shù)值為1時(shí)，則表示人類活動(dòng)對順德區(qū)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合影響趨于積極，即壓力弱，響應(yīng)強(qiáng)，生態(tài)環(huán)境良好。即指數(shù)值越大表明人類活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合影響越積極[18]。順德區(qū)生態(tài)環(huán)境安全等級劃分如表2所示。

表2 順德區(qū)生態(tài)環(huán)境安全等級劃分Table 2 Classification of ecological environment safety level in Shunde District

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用變化

順德區(qū)1992年、2002年和2012年土地利用現(xiàn)狀圖、土地利用結(jié)構(gòu)變化情況及土地利用類型面積變化數(shù)據(jù)，分別如圖2、圖3、表3所示。統(tǒng)計(jì)分析1992—2012年順德區(qū)不同土地利用/覆被類型面積特征可以看出，該區(qū)土地利用類型呈現(xiàn)“四增三減”的變化規(guī)律。即城鎮(zhèn)用地、林地、農(nóng)村居民地和其他用地四種土地利用類型的面積增加，而耕地、坑塘水面與河流水域三類的面積減少。其中，城鎮(zhèn)用地面積增加幅度最大，1992—2012年期間增幅為147.89 km2。城鎮(zhèn)用地與農(nóng)村居民地面積的較大幅度增加，主要與研究區(qū)的城市化建設(shè)快速發(fā)展有關(guān)。人口增加、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展致使居民用地以及基礎(chǔ)設(shè)施用地、交通用地增加，研究區(qū)的工業(yè)發(fā)展也是城鎮(zhèn)用地增加的很重要的原因。林地面積的小幅度增加，主要與研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境治理工作以及開荒種植有關(guān)。坑塘水面是研究期間面積減少最多的地類，1992—2012年期間共減少了252.1 km2，主要原因可能是城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張占用、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。此外，未利用地開發(fā)程度也越來越高。

表3 順德區(qū)土地利用類型面積變化Table 3 Area changes of land use types in Shunde District

圖2 順德區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖Figure 2 Land use types in Shunde District

圖3 順德區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化Figure 3 Changes in land use structure in Shunde District

2.2 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）、式（4）計(jì)算得出順德區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價(jià)指數(shù)，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯鲅芯科陂g順德區(qū)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合指數(shù)處于0.25~0.75之間，生態(tài)環(huán)境屬于“較差”與“一般”狀況。綜合指數(shù)最小為2007年的0.425，最大的為2012年的0.630，并呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。2007—2009年生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合評價(jià)指數(shù)均處于0.25~0.5之間，即研究區(qū)生態(tài)環(huán)境處于“較差”狀況，生態(tài)環(huán)境受到一定破壞，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，受干擾后易惡化，生態(tài)問題顯現(xiàn)。2010—2012年生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合評價(jià)指數(shù)均處于0.5~0.75之間，即研究區(qū)生態(tài)環(huán)境處于“一般”狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境受到破壞較少，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較完整，生態(tài)問題不明顯。從表4可以看出，研究期間壓力指數(shù)逐漸上升時(shí)，響應(yīng)指數(shù)也逐漸增加，而綜合指數(shù)也有著逐漸上升的趨勢，狀態(tài)指數(shù)在壓力指數(shù)增大的同時(shí)間歇性地減小。表明順德區(qū)在研究期間對于生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度是逐年加強(qiáng)的，有著積極的成效。

表4 順德區(qū)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合評價(jià)指數(shù)表Table 4 Comprehensive evaluation index table of ecological environment effect in Shunde District

總體來看，近年來，順德區(qū)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，工業(yè)化程度快速發(fā)展，人口不斷增加，人類活動(dòng)對土地利用需求程度不斷加重，土地利用結(jié)構(gòu)變化不合理，土地利用變化給生態(tài)環(huán)境帶來了許多負(fù)面的影響。雖然對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度在不斷加強(qiáng)，但仍無法滿足快速發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)的需求，土地生態(tài)環(huán)境的有序性與穩(wěn)定性遭到破壞，人口、資源與環(huán)境的壓力不斷增加，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的生態(tài)調(diào)節(jié)功能被逐漸削弱，生態(tài)環(huán)境狀態(tài)變差。

3 結(jié)論

1）在1992—2012年20年期間，順德區(qū)土地利用格局變化較大，土地轉(zhuǎn)換明顯，土地利用類型變化呈現(xiàn)“四增三減”的變化規(guī)律。即城鎮(zhèn)用地、林地、農(nóng)村居民地和其他用地面積增加，耕地、坑塘水面與河流水域面積減少。其中，城鎮(zhèn)用地面積增加幅度最大，坑塘水面是研究期間面積減少最多的地類。

2）順德區(qū)在研究期間壓力指數(shù)呈現(xiàn)上升態(tài)勢，狀態(tài)指數(shù)呈現(xiàn)減小與增大波動(dòng)態(tài)勢發(fā)展，響應(yīng)指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。生態(tài)環(huán)境遭到的壓力響應(yīng)是積極的，有利于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。綜合指數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，但總體上數(shù)值偏小，生態(tài)環(huán)境綜合狀況一般，生態(tài)環(huán)境處于較嚴(yán)峻的態(tài)勢。