寧夏“三生”用地功能轉型及其生態環境效應

蔣忙舟

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

生態環境質量下降是制約當前社會發展的重要因素之一，其直接影響人類社會的可持續發展［1］。自20世紀90年代以來，我國城市化的快速推進加劇了土地利用的轉型，由此導致一系列的生態環境質量問題［2］，如大氣污染、水質惡化、森林資源減少、生物多樣性降低等，這些問題嚴重制約了生態系統功能和國土資源的可持續利用［3-4］。土地利用轉型的表現形式之一為其主導功能發生了變化，如土地的調節功能、供給功能、支持功能、承載功能等［5-6］，簡單地來說，即“三生”（生產-生態-生活）用地主體功能之間的相互轉換，最終造成了生態環境質量朝著正向或負向發生演變［7］。因此，準確掌握區域土地利用/土地覆蓋變化（LUCC）導致的生態環境質量演化和空間分布是改善區域生態環境質量的重要途徑。

近年來，隨著3S等空間可視化技術的發展，土地利用生態環境效應的度量有了新的發展。如植被凈初級生產力［8-10］（NPP）、植被覆蓋指數［11-12］（NDVI）、生態容量［13-14］（ESC）等指標被用來通過監測植被生物量而反映區域生態環境質量的變化。另外，還有基于遙感解譯的LUCC數據對生態環境質量進行測度，如改進的遙感生態指數［15-16］（MRSEI）、生態系統服務價值［17-18］（ESV）、生態環境質量指數［19］（EQI）等。高精度的遙感影像為科學劃分不同土地利用提供了有效手段，在一定程度上反映了區域生態環境質量的差異。以往的研究針對不同地域單元基于一級土地分類進行生態環境質量賦值［20］。本研究采用生態環境質量指數法（EV）來描述區域生態環境效應的空間演化特征，其基于二級土地利用進行賦值，能夠更加精細地反映區域生態環境效應；采用李曉文等［21］針對西北地區提出的生態環境質量指數法，并結合面積加權法來測度寧夏區域“三生”用地生態環境效應和“三生”用地轉型對生態環境質量的貢獻率，明確了不同發展時期生態環境質量的空間演變特征，可以為緩解寧夏生態環境質量惡化和國土資源規劃提供科學參考。

1 研究區概況

寧夏位于我國西北地區，地處黃河中上游，總面積6.64萬km2。屬溫帶大陸性氣候，年降雨量300～677 mm。地勢從北向南遞增，平均海拔在1100～2000 m之間。寧夏全區共有自然保護地125個，主要涉及自然保護區、森林公園、國家級沙化土地封禁區等［22］；與此同時，作為西北地區重要的生態安全屏障，寧夏全區資源環境承載力有限、三面環沙、干旱少雨、生態環境本底脆弱，因此，其生態環境質量的優劣將直接影響我國西北地區的生態安全。

2 材料與方法

2.1 數據來源與處理

本研究所用寧夏土地利用數據來源于中國土地利用現狀遙感監測數據庫（http：//www.resdc.cn），選取年份為1990、2000、2010、2018年共4期。在前人研究的基礎上結合寧夏的實際情況，從經濟生產空間、生態環境空間、宜居生活空間的視角，基于“自上而下，功能分級”的原則，利用現有的土地分類體系進行生產、生態、生活空間的劃分［23］（表1）。根據劃分的“三生”用地，采用生態環境質量指數建立不同地類與生態環境質量之間的“橋梁”關系，對不同土地利用進行生態環境質量指數的賦值。

表1 土地利用分類及其生態環境質量指數

2.2 土地利用轉移矩陣

將“三生”用地下的二級地類分別用阿拉伯數字進行編碼，在ArcGis 10.2軟件中進行圖譜單元代數疊加，計算公式如下：

式（1）中：T為土地利用圖譜碼；A、B分別為研究初期、末期土地利用單元編碼值。

2.3 生態環境質量分析

2.3.1 區域生態環境質量指數 通過漁網模型進行等距離采樣來建立土地利用與生態環境之間的關系。其計算公式如下：

式（2）中：Evi、Ri分別為第i個單元的生態環境質量指數和第i類土地利用類型的生態環境質量指數；Aki、Ak、N分別為第k個生態單元內土類i的面積、第k個單元的總面積、土地利用類型數量。

計算得到單元格的生態環境質量指數后，采用克里金插值法得到了寧夏整個區域的生態環境質量指數空間分布圖（圖1），并對其進行分級［24-25］（表2）。

表2 區域生態環境質量指數的分級

2.3.2 土地利用功能轉型的生態貢獻率（LEI） 其計算公式如下：

式（3）中：LEt+1、LEt分別為不同土地利用類型在研究初期、末期具有的生態環境質量指數；LA為研究初期、末期同一土地利用變化面積；TA為區域總面積。找出制約區域生態環境質量指數的土地利用轉型方式，有助于探尋影響區域生態環境質量變化的主要因素。

3 結果與分析

3.1 “三生”用地轉型模式

為了明確寧夏不同年份土地利用間的相互轉型關系，運用ArcGis 10.2軟件獲得了寧夏不同時期土地利用功能轉化的方向和面積（表3），表3中僅列出轉化比率較大的土地利用類型。

表3 1990～2018年寧夏主要“三生”用地轉型排序

1990～2000年，寧夏“三生”用地共發生了33類功能之間的轉型，總轉型面積4510.18 km2，主要由生態用地向其他功能用地轉型。其中牧草生態用地向農業生產用地轉化面積最大，累計比率達到60.45%，主要轉型發生在黃河和清水河水源較豐富的地帶；而生產用地僅向生態用地轉移181.01 km2，累計變化比率為4.01%。

2000～2010年寧夏地區有53類土地利用類型發生功能轉型，累計轉換面積達5935.26 km2，較上一階段增加了1425.08 km2。其中，農業生產用地向牧草生態用地轉型1377.69 km2；與此同時，牧草生態用地向農業生產用地轉型1020.45 km2，農業生產用地面積增加了357.24 km2。這一階段農村生活用地面積開始增加，主要由農業生產用地轉入277.12 km2，變化比率達到4.67%；林地生態用地的面積也得到增加，由生產用地和生態用地分別轉入189.57和343.31 km2。

2010～2018年寧夏地區有56類土地利用類型發生功能轉型，總轉型面積達3910.43 km2，較上一階段減少了2024.83 km2。8年間以生產和生態用地功能轉型為主。牧草生態用地進一步減少，減少面積達1614.51 km2，主要受農業生產用地、工礦生產用地的擠占。生產用地主要以農業生產用地的形式向牧草生態用地和農村生活用地分別轉出663.61和117.08 km2。與此同時，整個研究階段生活用地向外轉出面積未排入轉型圖譜前10位。

3.2 “三生”用地轉型的生態環境效應時空演變

總體來看，寧夏地區1990、2000、2010、2018年的平均生態環境質量指數分別為0.455、0.443、0.444、0.438，中質量區和較高質量區面積占比超過80%，但較低質量區面積逐年增大，較高質量區面積逐年減少，生態環境質量有所下降。

從時間上來看（表4），1990～2000年，寧夏生態環境質量指數小幅度減少，其中較低質量區面積增加1575.59 km2，增加2.38個百分點；中質量區面積10年間增加5.74個百分點；但較高質量區面積由1990年的19200.71 km2減少至2000年的13787.69 km2，年均減少541.302 km2；高質量區面積保持穩定。2000～2010年，低質量區面積減少0.18個百分點；高質量區面積比例下降0.05個百分點，減少面積36.07 km2；其他類型質量區面積在這10年間基本保持穩定。2010～2018年，生態環境低質量區和較低質量區面積小幅度增加，中質量區和較高質量區面積輕微減少，高質量區面積則增加74.04 km2。

表4 寧夏生態環境質量分級區的面積和比重

總體來看，1990～2018年，較高質量區面積減少達6731.44 km2，較低質量區面積反而增加3385.52 km2，與此同時，較高質量區僅增加39.6 km2。

從空間角度來看（圖1），寧夏區域生態環境質量指數具有明顯的空間差異性，自北向南生態環境質量指數向好發展，呈現“北低南高”的空間差異性。低質量區集中分布在寧夏西北部的中衛市，由于地處騰格里沙漠，生態環境質量指數較差，占比由1990年的0.95%增長至2018年的1.06%。較低質量區連片分布在寧夏北部中衛市騰格里沙漠地帶、石嘴山市和銀川市交界處，以及吳忠市和銀川市的部分地區，面積比重逐年小幅度上升，生態環境質量指數一方面受制于城市的擴張較快，另一方面受制于當地采礦業的不斷擴大。中質量區在寧夏區域分布最為廣泛，面積占比達60%以上。較高質量區在各個市均有分布，南部占比高于北部，總體面積逐年減少，受城市擴張和農業發展的影響連片程度不斷降低。高質量區較為分散，集中在賀蘭山和六盤山地帶，面積小幅上升。

圖1 1990～2018年寧夏生態環境質量指數的空間分布

3.3 土地利用轉型對生態環境質量的影響

當土地利用類型發生功能轉型后，往往會導致生態環境的改善或者惡化，因此，明確影響生態環境質量變化的用地類型轉換對于緩解寧夏區域生態環境質量惡化局面具有重要意義。

由表5可知，寧夏地區1990～2000年導致生態環境改善的主要因素是其他生態用地（荒漠、鹽堿地、裸土地等）轉為牧草生態用地和農業生產用地，貢獻比重分別為30.43%和21.28%。農業生產用地轉為林地、牧草生態用地為生態環境質量改善分別貢獻了16.15%和11.40%。而寧夏區域生態環境質量惡化主要是由于牧草生態用地向農業生產用地和其他生態用地的轉化，貢獻比重合計達到86.09%。

表5 影響生態環境質量的主要用地轉型指數變化及其貢獻率

2000～2010年，農業生產用地和其他生態用地轉為牧草生態用地對生態環境質量改善的貢獻達62.93%；所列的6種主要土地利用轉型對生態環境質量改善的比重累計達92.8%。這一期間生態環境惡化的主要原因是農業、工礦生產用地、其他生態用地擠占了牧草生態用地，貢獻率達到65.26%。

2010～2018年與上一階段類似，農業生產用地和其他生態用地轉為牧草生態用地對生態環境質量改善的貢獻比重達62.61%；同時工礦生產用地轉型為農業生產用地，在一定程度上也改善了區域生態環境，貢獻達8.73%。而導致生態環境質量惡化的主導因素仍然是牧草生態用地面積的持續減少，被農業、工礦生產用地等擠占，貢獻率達75.31%，呈現擴大趨勢。

總體而言，寧夏地區生態環境質量在1990～2018年存在惡化和改善兩種趨勢，但惡化的趨勢在持續上升。

4 結論與建議

本文基于寧夏地區1990～2018年土地利用數據構建“三生”用地分類體系，采用地理信息圖譜法揭示土地利用結構變化，基于生態環境質量指數評估寧夏區域生態環境質量的時空演變，并采用生態貢獻率衡量土地利用轉型對寧夏區域生態環境質量的貢獻大小，結論如下。

（1）寧夏區域1990～2018年土地利用轉型主要為生產用地面積在寧夏中上部不斷擴張，生態用地面積在中下部不斷縮減，生活用地的不斷增加。按二級地類來看，農業生產用地和工礦生產用地面積不斷擴大，分別集中在引黃灌區和銀川市東部、吳忠市東北部；牧草生態用地面積年均減少138.04 km2；隨著社會經濟的不斷發展，城鎮和農村生活用地逐年增加。

（2）研究期寧夏區域生態環境質量有所下降，中質量區的面積占整個區域的65%左右，構成研究區生態環境質量的主體，但較低質量區面積存在增大現象，較高質量區面積則逐年減少。

（3）1990～2018年間，寧夏區域生態環境質量惡化的趨勢在不斷加大。研究期生態環境質量改善的主導因素為農業生產用地和其他生態用地向林地與牧草生態用地功能的轉型；與此同時，農業生產用地擠占牧草生態用地是研究區生態環境質量退化的主要因素。

土地利用變化是生態系統結構和功能變化的根本原因，生態環境質量指數法可以用來揭示土地利用過程中土地結構和功能轉型變化所帶來的生態環境影響。針對寧夏生態環境質量現狀問題，應該加強綠色生態系統建設，守牢生態紅線，以寧夏“一河三山”為主體，推進生態保護和修復工程，不斷增強生態系統的平衡性、安全性和穩定性，從而提高生態環境質量，構建綠色和諧生態空間。本文雖然通過土地利用功能轉型找到了影響寧夏區域生態環境質量改善和惡化的主要用地變化，但并未進一步研究導致土地利用功能轉型的驅動力，例如社會發展過程中的經濟因素、人口因素等。在未來的研究中，需要進一步結合自然因素、社會經濟因素和政策調控因素，揭示各個階段土地利用功能轉型的驅動機制，提升區域的生態環境質量。