資源型城市土地利用轉型及其對生境質量的影響
——以烏海市為例

滕雅麗,謝苗苗,2,*,王回茴,陳 燕,李 峰

1 中國地質大學(北京)土地科學技術學院, 北京 100083 2 自然資源部土地整治重點實驗室, 北京 100035 3 烏海市新星煤炭有限責任公司, 烏海 016099

資源型城市以本地區礦產等自然資源開采和加工為主導產業,在一段時期內為社會經濟發展做出了突出貢獻。但在我國262個資源型城市中,大部分都面臨著資源枯竭、產業單一、經濟衰退、后續發展動力不足、生態環境遭到嚴重破壞等問題[1],轉型發展成為資源型城市可持續發展的必經之路。土地利用轉型是城市發展轉型最為直觀的表征指標[2—3],明確土地利用形態和土地利用轉型特征,以及土地利用轉型對生態環境帶來的影響,對促進資源型城市向環境友好型城市轉型具有重大意義[4—6]。

土地利用轉型是土地利用形態對社會經濟發展階段變化的響應過程[7],這一概念最早由外國專家Grainger提出[8],國內專家龍花樓將這一研究方向引入后[9],我國學者根據我國實際情況開展了土地利用轉型理論、機制、特征和效應等方面的研究[10—11]。目前,大部分土地利用轉型特征研究主要沿用土地利用變化的方法對土地利用轉型的顯性特征進行分析[12—14],如采用地學信息圖譜法體現轉型的空間特征[15—17]。土地利用轉型生態效應研究目前主要采用生態環境質量指數和生態系統服務價值當量等方法,獲得生態環境質量的時空變化[18—20],能較好體現與土地利用變化直接關聯的效應。然而土地利用轉型不僅是土地利用覆被變化,也會影響不同土地利用之間的關聯,從而影響到生境內的物質和能量流動、循環過程,進而對生物的生存和繁衍造成影響[21—22]。生境質量指的是環境能夠提供給個體和種群適宜生存和繁衍條件的潛力,是一種重要的生態系統服務,是決定生物多樣性的基礎條件[23—24]。評估區域生境質量可為區域生物多樣性保護和區域生態保護發展提供科學依據,探究土地利用轉型對生境質量變化的影響規律是十分必要的[25—27]。InVEST模型可以根據生境威脅源的分布和不同土地利用類型對生境威脅源的敏感程度,計算得到生境質量評價結果,有助于開展土地利用轉型對生境質量影響的研究[28]。

大部分資源型城市發展初期,建設用地和采礦用地大量無序擴張,土地利用問題突出,區域生境嚴重退化或喪失。在國家推進生態文明建設和城市可持續發展的背景下,資源型城市積極開展城市發展轉型及生態文明建設,土地利用形態發生了顯著改變。因此,本文以典型的資源型城市——烏海市作為研究區,運用地學信息圖譜方法和InVEST模型對烏海市2005—2018年土地利用轉型特征和生境質量時空變化進行研究,并使用生境貢獻度指數探究土地利用轉型對生境質量的影響,結果可為烏海市生態環境保護和土地利用轉型決策提供參考,促進資源型城市高質量轉型。

1 研究區概況

烏海市位于內蒙古自治區西南部,下轄三區,總面積約1674 km2。烏海地處內陸深處,氣候是典型大陸性氣候,基本地貌特征為“三山兩谷一條河”。烏海市被烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠、毛烏素沙漠三大沙漠所環繞,植被稀疏,生態環境較為脆弱。烏海市礦產資源豐富,集中分布在西部和中東部地區。經濟以第二產業為主,經多年的轉型發展,烏海市經濟結構發生變化,第二產業生產總值占比從最高73.4%下降并穩定在60%左右。

烏海市1976年才依托煤炭資源正式建立,是內蒙古西部重要的煤焦化工產業基地,生態本底條件差,資源開采、產業發展與環境保護矛盾突出。從2010年起烏海市逐步推進城市和經濟轉型,推動烏海市從工礦服務型城市向功能完善的宜產宜居宜游區域中心城市發展[29—31]。烏海市在轉型的過程中注重生態環境保護修復,積極開展水污染治理、大氣環境改善、礦山修復等的生態保護和修復工作,并取得了一定的效果。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文研究使用的2005、2010、2015、2018年的烏海市30 m柵格土地利用數據,來源于中國科學院資源環境與科學數據中心(http://www.resdc.cn)。烏海市作為一個資源型城市,采礦用地的時空變化是土地利用轉型的重要組成部分。為體現研究區土地利用轉型特征,在參考土地利用現狀分類國家標準(GBT 21010—2007)的基礎上,將土地利用類型分為林地、草地、耕地、水域、建設用地、采礦用地、未利用地。利用Google earth高分辨率影像對分類結果進行精度驗證,精度為 87%,滿足后續研究需求。為方便構建圖譜模型和空間數據的代數運算,對土地利用數據進行重新編碼,使用1、2、3、4、5、6、7分別代表林地、草地、水域、耕地、建設用地、采礦用地和未利用地。使用InVEST模型評估區域生境質量時,為獲得更準確的評估結果,將7種土地利用類型進行了更精確的劃分,增加了灌木、濕地兩種土地利用類型。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用轉型分析

土地利用轉型是一個土地利用形態長期性和趨勢性變化的過程[32—33]。土地利用形態的變化會減弱在社會經濟變革下不同土地利用類型代表的不同部門之間的利益沖突[34]。隨著生態文明建設和資源型城市可持續發展對生態環境質量的需求不斷增加,資源型城市中代表生產和生態功能的用地類型面積變化會表現出土地利用轉型的明顯特征。本文定義資源型城市土地利用轉型為區域生產和生態功能用地類型面積變化趨勢發生改變的過程?？杀容^兩個階段生產功能用地和生態功能用地的變化趨勢,如發生下列公式所示情況,表明發生了土地利用轉型。

階段一：

(1)

階段二：

(2)

式中,AC為區域主要生產功能用地類型面積,AS為區域主要生態功能用地類型面積,i為主要生產功能用地類型面積變化趨勢轉折時間點,i-1為起始時間點,i+1為結束時間點。

本文利用地學信息圖譜法研究烏海市2005—2010、2010—2015、2015—2018年土地利用轉型,將土地利用變化中的空間單元特征與時間變化特征更好的聯系在一起,圖譜單元生成是運用ArcGIS軟件空間分析模塊中地圖代數下的柵格計算器工具實現[35—37],圖譜單元類型名稱簡寫為：AB,A為某一時期開始時土地利用類型編碼值；B為某一時期結束時土地利用類型編碼值,表示這一時期內土地利用類型從A變為B。

2.2.2生境質量評估

本文利用InVEST模型生境質量模塊[38],對土地利用覆被和生境威脅因子信息進行分析,形成生境質量地圖來模擬評估生境質量。生境質量的計算公式為：

(3)

(4)

式中,Qxj為土地利用/覆蓋(LULC)類型j中柵格x的生境質量,生境質量值為0—1,值越大表示生境質量越好,越適宜物種生存；Hj為LULC類型j的生境適宜度,K為半飽和參數；Dxjj為LULC類型j或生境類型j中柵格x的總威脅水平,r為生境威脅源,y為r威脅源的所有柵格,yr為r威脅的一組柵格,drmax為每種威脅對生境的最大影響距離,Wr為每種威脅源的權重,βx為法律保護程度,本文不考慮法律保護程度因子,因此將βx設為1,Sjr為生境類型對威脅源的敏感性；irxy為威脅r在柵格x的生境對柵格y的影響。

在使用InVEST模型進行生境質量評估過程中通過11位生態和礦業開發等領域專家打分,依據專家專業特長不同賦以權重對打分結果進行加權平均的方式確定模型影響距離(表1)、生境適宜性和威脅源敏感度(表2)。運行生境質量模型后得到2005、2010、2015、2018年烏海市生境質量分布圖,為能更好的展示烏海市生境質量時空變化,運用自然斷點法將2005年生境質量分為低、中、高3個等級,并使用2005年的斷點閾值對其他三期結果進行分級。最終,對不同等級生境質量的變化情況進行統計分析,依據生境質量變化方向和程度分為低退化、低提升和高退化、高提升四個類型。

表1 生境威脅源及相關參數

表2 土地利用類型生境適宜性及對不同威脅源的敏感度

2.2.3土地利用轉型對生境質量的影響分析

本文運用生境貢獻率公式探究研究區土地利用轉型過程中影響生境質量變化的主導因素。生境貢獻率公式依據生態貢獻率公式改進得到[10]。其表達式為：

(5)

式中,Cit為t時間段內i種土地利用變化類型生境貢獻率；HQCit為t時間段內i種土地利用變化類型區塊內生境質量變化平均值；LAit為t時間段內i種變化類型面積；TA為區域總面積；n為土地利用變化類型數量。

3 結果分析

3.1 烏海市土地利用轉型分析

3.1.1土地利用數量結構變化

烏海市最主要土地利用類型是草地,研究期內草地面積占比最低為45.84%,最高達57.45%(表3)。其次為未利用地,烏海市地處西北內陸,氣候干旱少雨,周圍沙漠環繞,未利用地的面積占比也相對較高,四年平均達16.51%。作為一座資源型城市采礦用地面積占比也較高,每期總面積占比都在5%以上,2015年最高達12.10%。

隨著烏海市推進轉型發展的進程,社會經濟的變化及革新使土地利用變化趨勢改變,2005—2018年土地利用轉型呈現典型的階段性。第一個階段為2005—2015年,烏海市草地面積大量持續減少,建設用地與采礦用地面積持續增加。在2005—2010年和2010—2015年兩個時期內,草地均為面積減少最多的地類,兩個時期減少面積分別占研究區總面積的8.29%和3.94%,減少趨勢變緩。2005—2010年,建設用地的增加面積最多,占總面積的5.63%；而2010—2015年,面積增加最多的是采礦用地,增加面積占總面積的3.94%。2015年是明顯的轉折點,2015—2018年為第二個階段,土地利用面積變化趨勢開始改變,草地面積開始增加,增加面積占烏海市總面積的1.88%,面積減少最多的是建設用地,占總面積的5.16%,烏海市土地利用變化趨勢明顯發生改變。

表3 2005—2018年烏海市土地利用類型面積占比變化/%

3.1.2土地利用變化圖譜分析

結合各個時期的土地利用變化流向圖(圖1)、土地利用變化圖譜(圖2)及圖譜單元數量最多的前10名土地利用變化圖譜單元排序表(表4)對烏海市土地利用轉型進行分析。2005—2018年烏海市土地利用變化面積增加,土地利用轉化速率加快,分布區域擴大。2005—2010年烏海市共有230678個轉型圖譜單元,每個圖譜單元900 m2,共207.61 km2,主要分布于烏海市中部和北部行政邊界周圍；2010—2015年圖譜單元數比2005—2010年增加40.78%,年均增加8.01%,主要分布于中南部、中西部和北部；2015—2018年圖譜單元數又比2010—2015增加24.37%,年均增加8.12%,分布于全市范圍。

研究期內主要變化圖譜單元數量占比減小,主要變化類型改變。2005—2010年圖譜單元數前10名之和占圖譜單元總量91.8%,草地-建設用地(編碼25)和草地-采礦用地(編碼26)圖譜單元數量最多,分別占圖譜單元總量的35.26%、21.27%。2010—2015年圖譜單元數前10名之和僅占圖譜單元總量的69.9%,仍是草地-采礦用地(編碼26)和草地-建設用地(編碼25)圖譜單元數量最多,但是圖譜單元數和占圖譜單元總數的比例都有減小,分別占圖譜單元總量的14.04%、10.5%。2015—2018年圖譜單元數前10名之和占圖譜單元總量77.04%,建設用地-草地(編碼52)、草地-未利用地(編碼72)的圖譜單元數量最多,占圖譜單元總量的17.11%、13.19%,采礦用地轉型數量也占圖譜單元總量的9.61%,土地利用變化主要類型改變,土地利用變化與前兩個時期逆向。

3.2 生境質量時空變化

烏海市整體生境質量明顯退化。2005—2018年烏海市高等生境面積減少8.84%,低等級生境面積增加8.83%(圖3)。研究期內烏海市生境質量變化趨勢呈先強退化,退化強度逐漸減弱,后轉為提升趨勢。烏海市生境高退化面積占比持續減少,從5.64%減少至3.35%；低退化、低提升、高提升面積占比逐年增加,分別增加2.48%、5.91%、4.17%。在2005—2015年間的兩個時期內退化面積一直都大于提升面積, 2015—2018年提升面積大于退化面積,低提升面積比低退化面積少,高提升面積大于高退化面積,整體生境質量稍有提升。

表4 烏海市2005—2018年土地利用變化圖譜單元排序表

圖1 烏海市2005—2018年土地利用變化流向圖Fig.1 The flow chart of land use change in Wuhai City from 2005 to 2018

圖2 烏海市2005—2018年土地利用變化圖譜Fig.2 Land use change mapping in Wuhai City from 2005 to 2018

圖3 烏海市2005—2018年生境質量各等級及各變化類型面積占比Fig.3 Habitat quality grades and area portions of each change type in Wuhai City from 2005 to 2018

烏海市生境質量變化空間分異明顯。2005—2015年,生境質量降低區域主要分布在中部和北部；2015—2018年,北部和中東部生境質量有提升,退化區域主要集中在南部(圖4)。2005—2015年北部、中東部大面積生境退化,提升面積較小。2005—2015年隨著烏海市社會經濟的發展,建設用地、采礦用地快速擴張,侵占草地等生態用地,造成城市周圍和東部礦區生境質量退化。2010—2015年烏海市中部生境質量有明顯提升,主要是由于烏海湖的建設,水域面積增加。2015—2018年北部和中東部部分區域生境質量有提升,分布較為分散,主要是由于該區域有礦區環境綜合治理初見成效。南部大面積生境質量高退化主要是由于烏海市開展鄰近黃河鹽堿地治理工程,較大面積草地轉化耕地。

圖4 生境質量變化空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of habitat quality changes in Wuhai City from 2005 to 2018

3.3 土地利用轉型對生境質量的影響分析

研究期內烏海市生境質量有退化也有提升,土地利用轉型過程中土地利用變化帶來了生境質量不同面積、不同程度的退化和提升使得整體生境質量發生改變。表5給出了研究期內導致烏海市生境質量變化的主要土地利用變化類型及貢獻率。2005—2015年生境質量持續退化時期,草地向建設用地、采礦用地變化是生境質量退化的主要原因,這兩種變化在兩個時期內對生境質量的降低貢獻比重平均占72.81%,生境質量提升主要是由于多種地類大面積向草地、水域轉變,2010—2015年生境質量提升主要是由于耕地、未利用地和建設用地向水域變化,對生境質量提升的貢獻度達44.02%。2015—2018年生境質量提升時期,建設用地和采礦用地向草地轉變是生境質量提升的主要原因,這2種變化對生態質量的改善貢獻比重占70.52%,生境質量降低的主要原因是草地轉化為未利用地和草地轉化為耕地,貢獻率分別為41.06%、33.08%,后續生態環境保護應該注意草地的退化和向其他用途的轉變。草地與建設用地采礦用地相互轉換是研究期內烏海市生境質量提升或降低的主要原因。

表5 影響生境質量的主要變化類型及貢獻率

4 結論與討論

4.1 結論

本文從資源型城市轉型的角度,探究資源型城市土地利用轉型特征及其對生境質量變化的影響,得到以下主要結論：

(1)2005—2018年土地利用變化趨勢發生改變,烏海市土地利用轉型明顯。第一階段(2005—2015年)草地大面積減少,建設用地和采礦用地大面積增加；第二階段(2015—2018年)草地面積增加,建設用地和采礦用地面積減少。

(2)研究期內土地利用轉型圖譜單元數量逐漸增加,主要分布于城市周邊及東西部礦區,分布范圍逐漸廣泛。土地利用轉型圖譜單元類型以草地與建設用地、采礦用地之間的相互轉化為主。2005—2015年草地持續大面積向建設用地和采礦用地轉化,占總面積10.78%；2015—2018年較大面積建設用地和采礦用地向草地轉化,占總面積5.63%。

(3)烏海市生境質量變化呈現先強退化后弱提升趨勢。2005—2015年烏海市18.75%的區域生境質量發生退化,提升面積較小,生境質量退化嚴重；2015—2018年生境質量提升面積略大于退化面積,生境質量稍有提升。

(4)草地與采礦用地、建設用地的相互轉化是區域生境質量降低或提升的主要原因。2005—2015年生境質量退化時期,草地向采礦用地、建設用地轉化是區域生境質量降低的主要原因；2015—2018年生境質量提升時期,采礦用地和建設用地向草地轉化是區域生境質量提升的主導因素,草地轉化為未利用地是生境退化的主要原因,應注意草地退化問題。

4.2 討論

土地利用轉型是一個協調土地利用類型代表的各部門利益沖突的過程。在生態文明建設的大背景下,協調生態環境保護與社會經濟發展是土地利用轉型的重要目標。生境質量是生物多樣性的支持條件,是區域生態安全的基礎,深入了解生境質量變化的原因及驅動因素,對推動區域生物多樣性保護和生態環境質量提升具有較大幫助。因此,有必要結合研究結果進一步探討影響烏海市生境質量變化的主要土地利用變化類型的驅動因素。已有研究表明自然、社會經濟和政策因素是土地利用轉型的主要驅動力[39—41]。自然驅動因素是土地利用轉型的基礎,自然條件決定了區域土地利用覆被。烏海市地處西北干旱區,地表覆蓋主要以草地為主,因此烏海市大部分土地利用轉化都是其他土地利用類型與草地的相互轉化。政策因素和社會經濟因素能夠直接或間接地影響土地利用轉型。2005—2015年烏海市尚未轉型發展和轉型發展初期,依靠能源發展的狀況還未有較大的改變,所以采礦用地和建設用地面積不斷擴大,侵占了大面積草地,使得區域生境質量嚴重退化。隨著城市發展轉型的推進,產業升級轉型政策引導經濟結構改變,經濟發展減少對能源開采的依賴,改變土地利用需求；同時通過產業進園區、綠色礦山建設、礦區生態環境保護、旅游資源開發等政策直接改變土地利用類型,使得2015—2018年生態用地減少、生產用地增加的土地利用變化趨勢發生改變,較大面積建設用地、采礦用地轉化為草地,提高了區域生境質量。由此可以看出,政策因素不僅可以通過土地管理政策等直接作用于土地利用轉型,還可以通過影響經濟的發展變化間接影響土地利用轉型,政策因素是土地利用轉型的核心驅動力。因此,資源型城市在轉型過程中應注重科學合理的政策制定。通過政策引導土地利用轉型時,推進關鍵區域內低生境適宜度用地類型向高生境適宜度用地類型轉換,提升區域生境質量,促進生物多樣性保護,持續改善生態環境質量,助力資源型城市可持續發展。

本研究采用InVEST模型生境質量評估方法探究土地利用轉型對生態環境的影響,與其他研究方法相比,InVEST模型評估區域生境質量廣泛運用于土地利用相關研究,可為資源型城市土地利用轉型及生態文明建設提供參考。但需注意的是,自然生態系統為人類和其他生物提供多種生態系統服務,本研究只對生境質量這一種重要的生態系統服務進行評估,在今后的研究中可進一步探討土地利用轉型對其他生態系統服務的影響,進一步了解土地利用轉型對生態系統服務的影響規律,科學協調城市發展與生態環境保護間的關系。