济源市土地利用变化及其环境效应分析

济源市土地利用变化及其环境效应分析郭恒亮;王宇飞;赫晓慧;田智慧;李颖【摘要】以位于中原城市群的济源市为研究区,综合运用遥感、GIS空间分析和数理统计方法,结合区域生态环境指数以及生态环境状况指数,定量分析了济源市2000-2012年土地利用与生态环境状况的相关性,并综合评价了土地利用变化的生态环境效应.结果表明:济源市土地利用变化剧烈,其中耕地面积减少了115.38km2,建设用地面积增加了88.67km2;与此相应,2000、2006、2012年济源市区域生态环境指数及生态环境状况指数均呈现上升趋势,说明在土地利用变化影响下的生态环境状况在不断改善.土地利用格局变化中,林地、草地、水域面积增长是促进环境改善的主要原因,而因经济发展引起的城市建设用地范围的扩张、耕地的开垦和工业的发展等因素则对环境改善具有抑制作用.【期刊名称】《安徽师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(038)005【总页数】6页(P479-484)【关键词】土地利用;环境效应;济源市【作者】郭恒亮;王宇飞;赫晓慧;田智慧;李颖【作者单位】郑州大学水利与环境学院,河南郑州450001;郑州大学水利与环境学院,河南郑州450001;郑州大学水利与环境学院,河南郑州450001;郑州大学水利与环境学院,河南郑州450001;中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点实验室,河南郑州450003【正文语种】中文【中图分类】X820.2环境变化中人的行为非常复杂，而比较能体现出人类活动对环境影响过程的是土地利用/覆被变化(LUCC).LUCC直接反映了当今全球变化的主导因子——人类活动，作为引起全球变化的主要原因之一，土地利用/土地覆盖变化引起了相关学者的广泛关注，在LUCC过程、驱动力及变化趋势预测等方面进行了大量的研究[1].现阶段，国内学者对土地利用的研究侧重于城市土地利用时空动态变化与驱动机制方面，如柯新利等[2]通过对已有的土地利用编码方式进行改进，并结合土地利用动态度模型，分析了武汉城市圈1990-2005年土地利用数据，形成对武汉城市圈1990年以来土地利用变化的基本规律、阶段性趋势和空间差异的基本认识；崔晓临等[3]利用土地利用动态度和转移矩阵，分析了靖边县1990-2010年土地利用变化及其驱动因素；常春艳等[4]通过土地利用动态度分析黄河口垦利县1989-2011年土地空间变化及其驱动因素.相对而言，对城市土地利用变化及其引起的生态环境效应研究较少[5].如张杨等[6]运用生态环境质量评价模型分析了武汉市1996-2006年土地利用变化的生态环境效应；祖木拉提·伊布拉音等[7]对塔里木河干流区土地利用与土地覆被变化速度和趋势及其生态环境效应进行了定量的分析和研究.济源市处于中原城市群紧密层，近几年发展迅速，土地利用变化较大，进而引发了环境的改变.为了研究济源市的宜居情况，探究随着经济发展导致的环境效应影响，本文从济源市土地利用现状入手，通过分析土地利用变化情况以及经济社会行为，研究其带来的环境效应，为解决土地利用中存在的问题，切实保护和合理利用土地资源提供依据.1.1 研究区概况济源市地处河南西北部太行山南麓，与山西省毗邻.介于北纬34°53′-35°16′，东经112°01′-112°45′之间.济源市土地面积为1898.71km2.是新兴的旅游城市，全市总人口超过70万，其中城区人口30万左右.随着市域内黄河小浪底水利枢纽工程建设、亚洲最大火电项目沁北电厂开工等国家重点项目的投资兴建，济源成为中国中西部发展的热点，城市规模迅速扩大.但该区山地多平原地少，而且土地自然环境条件较差，水土流失较严重，城市生态环境规划和建设显得尤为重要.1.2 数据来源与方法以2000年、2006年和2012年获得的遥感影像作为基本信息源，经野外实地考察后，采用人-机交互的方式解译出3期土地利用现状图.用ArcGIS软件分析并提取各类用地信息，并进行统计和计算.三期影像的解译精度KAPPA系数均高于98%，满足进行土地利用变化格局与动态分析的数据精度要求.自然、社会经济相关数据来源于济源市2000-2012年统计年鉴以及济源市国民经济和社会发展统计公报.解译的指标体系沿用2000年土地利用/覆盖分类系统，采用全国二级分类系统：一级分为6类，采用土地的自然生态及利用属性为分类依据；二级分为25类，主要根据土地经营特点、利用方式和覆盖特征.对二级分类体系下的土地利用类型所具有的生态环境质量进行赋值，建立土地利用/土地覆盖与区域生态环境质量的关联，从而揭示区域土地利用/覆被变化及其生态环境质量的时空特征.首先对二级分类体系下各土地利用类型所具有的生态环境质量进行模糊赋值(表1)[8].2.1 土地利用转移类型分析方法在GIS环境下，对不同时期土地利用图进行叠置分析，求出各时期土地利用类型变化的转移矩阵，进而分析土地利用的变化过程[9].根据用地类型的不同，提取各类用地的面积等信息，得到土地利用类型相互转化的数量关系的原始转移矩阵. 2.2 土地利用类型单一动态度与综合动态度计算某一研究区域的单一土地利用类型动态度可表示为[10]：K=[(Ub-Ua)/Ua]×T1×100%式中：Ua、Ub为研究初期、末期某种土地利用类型的面积；T为研究时段，当T 的单位是年时，K值即为该研究区某种土地利用类型的年变化率.某研究区域的综合土地利用类型动态度可表示为[11]：式中：LUi为研究阶段起始时间第i类土地利用类型的面积；ΔLUij为研究期内第i 类土地利用类型转化为非i类土地利用类型面积的绝对值；T为监测时间段.当T的单位为年时，LC即是该研究区的综合土地利用动态度.综合土地利用动态度定量描述了土地利用变化的快慢，对预测未来土地利用的变化趋势很有帮助.2.3 区域生态环境指数分析方法2.3.1 区域生态环境指数(EV) 综合考虑某一区域内各用地类型所对应的生态环境质量及其面积比例，以定量表征区域内生态环境质量的总体状况[12].其表达式为：式中：LUi，Ci为该区域t时期第i种用地类型所具有的面积和生态环境指数；n为该区域内所具有用地类型的数量；TA为该区域总面积.2.3.2 土地利用类型转变生态贡献率衡量某一种土地利用类型变化而导致的区域生态质量的变化，表达式为LEi=(LEi+1-LEi)LA/TA式中：Lei+l，Lei为某种土地利用变化类型所反映的变化末期和初期土地利用类型所具有的生态质量指数；LA为该变化类型的土地面积；TA为该研究区域的总面积. 通过遥感解译、空间分析以及土地利用转移矩阵可获得不同时期的土地利用及其变化情况，从而为深入研究土地利用变化对区域生态环境的影响奠定基础，并且也有利于探讨区域生态环境变化的主导因素.2.4 生态环境状况指数(EI)计算方法生态环境状况指数(Ecological Index，EI).在《生态环境状况评价技术规范(试行)》中，通过对生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数和环境质量指数进行加权，得到生态环境质量指数，以此作为生态环境评价指标[13].EI计算方法：EI=0.25×生物丰度指数+0.2×植被覆盖指数+0.2×水网密度指数+0.5×(100-土地退化指数)+0.15×环境质量指数.其中：生物丰度指数=Abio×(0.11×耕地+0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域湿地+0.04×建设用地+0.01×未利用地)/区域面积.式中：Abio为生物丰度指数的归一化系数.植被覆盖指数=Aveg×(0.19×耕地+0.38×林地+0.34×草地+0.07×建设用地+0.02×未利用地)/区域面积.式中：Aveg为植被覆盖指数的归一化系数.水网密度指数=Alak×湖库(近海)面积/区域面积+Ariv×河流长度/区域面积+Ares×水资源量/区域面积.式中：Ariv为河流长度的归一化系数；Alak为湖库面积的归一化系数；Ares为水资源量的归一化系数.土地退化指数=Aero×(0.05×轻度侵蚀面积+0.25×中度侵蚀面积+0.7×重度侵蚀面积)/区域面积.式中：Aero为土地退化指数的归一化系数.(5)环境质量指数=0.4×(100-ACOD×COD排放量/区域年均降雨量)+0.4×(100-ASO2×SO2排放量/区域面积)+0.2×(100-Asol×固体废物排放量/区域面积).式中：ASO2为SO2的归一化系数；ACOD为COD的归一化系数；Asol为固体废物的归一化系数.3.1 土地利用类型转移矩阵经解译得到济源市2000、2006、2012年3年的土地利用类型分布图，如图1-3. 在完成遥感影像解译之后，对研究区域2000、2006、2012年的土地利用数据进行分析计算，得到土地利用转移矩阵，如表2-3所示.转移矩阵表明，研究区主要土地利用类型之间转化的特点为：①12年间耕地面积变化最为活跃.耕地面积不断减少.②林地面积在研究期前6年小幅度减少，但在2006-2012年间面积有所增大.③草地主要转化为林地，其面积变化主要发生在2006-2012时期.④增加的水域面积主要由耕地和草地转化而来，而有小部分水域转化为耕地、林地、建设用地等.⑤建设用地扩展明显，共增加面积88.6728km2，主要由耕地(82.7953km2)转化而来.⑥未利用地占用地总面积的比例非常小(小于万分之一)，故变化也相对较小.总体上来看，第二个研究时期内，济源市土地利用变化更剧烈，不同类型土地之间的转换面积更大.3.2 土地利用单一/综合动态度分析从研究区土地利用单一动态度(表4)来看，2000-2006年间水域面积变化最为活跃，其单一土地类型动态度为7.62%，面积增加了24.85km2；其次为建设用地，单一土地类型动态度为2.63%，面积增加了10.96km2.其他类型用地面积变化程度相对较小.在2006-2012年间，较之2000-2006时期土地利用变化活跃程度普遍较高.活跃程度相对最高的为未利用地和建设用地，未利用地的单一土地类型动态度为16.78%，建设用地则为16.10%.而未利用地面积只占研究区总面积的0.01%，建设用地则占8.29%(2012年).从土地利用综合动态度来看，济源市12年来土地利用年变化率为0.57%，而研究期内前6年土地利用年变化率仅为0.17%，后6年土地利用年变化率为0.87%，由此可见，土地利用在2006年至2012年期间更为活跃，这也符合中国城市发展的一般规律.4.1 区域生态环境指数变化特征及主要驱动因素区域生态环境质量主要取决于通过土地利用/覆被类型体现出的生态环境结构.利用通过遥感影像解译得到的三期土地利用类型图，提取其中对土地利用类型进行的二级分类结果，根据表1中对各二级分类下土地类型进行的生态环境指数赋值，以及公式(3)，计算2000年、2006年以及2012年区域生态环境指数(EV)，得到EV2000=0.442，EV2006=0.445，EV2012=0.461.根据计算结果显示，济源市2000年-2006年、2006年-2012年生态环境状况变化程度逐渐增大，其环境质量改善程度分别为0.003和0.016.说明在研究期内济源市各种土地类型之间的相互转变对环境质量状况在总体上起到了改善的作用，并且这种作用在加强.结合济源市的区域特点，根据2000-2006年、2006-2012年济源土地利用变化转移矩阵，能够发现济源市生态环境变化中具有改善与恶化因子并存这一特征.促使生态环境改善的驱动因子有退耕还林还草、退耕还水，其中退耕还水对济源市生态环境改善的贡献率较高.据统计，济源市境内产生的水资源量很有限，多数水资源来自上游境外产流，并且全市水资源因受气候、降雨的影响，年际变化较大，所以采取合理的水资源规划可以改善济源市生态环境质量[14].而导致生态环境恶化的驱动因子是建设占用和开垦耕地，其中建设占用的贡献率较高.在研究期内，建设用地的扩张对生态环境的影响力加大，对生态环境的负面作用较大.4.2 生态环境状况(指数)状况利用2000、2006和2012年遥感影像解译得到的土地利用类型图，对用地类型进行了二级分类，根据分类结果，计算2000、2006和2012年生态环境状况指数.4.2.1 生态环境状况分析(1)利用2000、2006、2012年土地利用二级分类结果，根据表2计算生物丰度对各二级分类土地类型赋予的分权重，对各二级分类用地面积进行加权，得到各类用地面积结果.利用计算生物丰度指数的公式，可以计算出济源市的生物丰度指数在2000年、2006年和2012年分别为40.34、40.89和57.60.生物丰度指数的逐渐增大反应了济源市在研究期内生物丰度的提高.(2)根据计算植被覆盖指数对各二级分类土地类型赋予的分权重，对各二级分类用地面积进行加权，得到各类用地面积结果.利用计算植被覆盖指数的公式，可以计算出济源市的植被覆盖指数在2000年、2006年和2012年分别为42.50、42.07和58.42.结果显示济源市的植被覆盖的程度越来越高.通过对比生物丰度指数和植被覆盖指数可以看出，二者的差别主要在于生物丰度指数中更多地考虑了水域湿地的影响，故二者的计算结果也体现出了一定的相似性.(3)根据土地利用类型图提取出河流长度、水库面积及水资源总量.根据相关公式，可得到水网密度指数在2000年、2006年和2012年分别为23.40、36.54和54.88.根据计算结果，济源市的水资源总量有一个较大的提高，这也是环境质量得到提高的一个重要推动力.(4)根据济源市山区、丘陵及平原地区的分布情况，在研究期内轻度侵蚀、中度侵蚀以及重度侵蚀面积分别为1276.2km2、613.4km2和19.5km2.根据计算土壤退化指数的公式，可以得到这段时期济源市的土地退化指数为17.69.(5)研究期内济源市污染物排放情况见表5.根据EV计算公式，可得到济源市环境质量指数在2000年、2006年和2012年分别为89.41、79.15和25.92.由于环境质量指数与生态环境质量负相关，可以看出环境质量得到改善，并且由变化的幅度来看，环境质量改善的程度越来越高. 4.2.2 生态环境状况指数与区域生态环境指数(EV)不同，生态环境状况指数(EI)更加全面的考虑了水资源量、土壤侵蚀情况及污染物排放情况等因素对环境质量的影响.由EI计算公式计算得知，2000、2006、2012三年的生态环境状况指数分别为53.14、54.28、57.41，可见济源市的环境状况呈不断改善的趋势，这一结论与区域生态环境指数的评价结果相一致.两种评价方法从不同的角度对济源市环境状况进行评价，既分析了土地利用整体变化所带来的生态环境效应，也通过结合土地利用变化情况与相关非遥感信息数据，提取出生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数和环境质量指数5个评价指标对生态环境状况进行综合评价，最终得到的结果具有较强的客观性和全局性.基于高分辨率卫星遥感影像解译结果，利用对二级土地利用分类系统所具有生态环境质量赋值的方法，对济源市2000-2012年间用地变化及其区域生态环境效应进行定量分析.通过揭示土地利用/土地覆盖与生态环境质量的相关性，实现对土地利用变化生态环境效应的量化研究.研究结果显示2000-2012年济源市的土地利用格局发生了明显变化.耕地、草地面积分别减少了10.51%和13.90%，林地、水域、建设用地面积则分别增加了2.70%、57.02%和127.58%.土地利用变化所引起的生态环境质量变化呈现出改善和恶化并存的趋势，总体上呈现出改善的态势.导致生态环境状况改变的主导因素是人类经济活动影响下林地、草地等用地类型与其它土地利用类型之间的快速转换.其中对生态环境起改善作用的主要有退耕还水与防护林建设，而导致生态环境退化的主要因素有城市用地扩张、耕地开垦以及草地退化.虽然在2000-2006年间济源市生态环境状况保持着总体的改善，但也需重视局部生态环境的恶化.所以在土地利用中，不仅生态环境的修复工作十分重要，还应减少人类活动对生态环境的破坏，从而依靠生态环境的自我修复能力和人类的努力来恢复和改善生态环境.【相关文献】[1] 田宇鸣,李新.土地利用/覆被变化(LUCC)环境效应研究综述[J].环境科学与管理,2006,31(5):60-61.[2] 柯新利,韩冰华,刘蓉霞，等.1990年以来武汉城市圈土地利用变化时空特征研究[J].水土保持研究,2012,19(1):76-80.[3] 崔晓临,白红英,王涛，等.北方农牧交错带靖边县土地利用变化及其驱动因素[J].水土保持通报,2013,33(1):34-38.[4] 常春艳,赵庚星,王凌，等.黄河口生态脆弱区土地利用时空变化及驱动因素分析[J].农业工程学报,2012,28(24):226-232.[5] 张万萍,雒占福,孟越男，等.资源型城市土地利用变化及生态环境效应研究[J].水土保持研究, 2013, 20(6): 251-255.[6] 张杨,刘艳芳,顾渐萍,等.武汉市土地利用覆被变化与生态环境效应研究[J].地理科学,2011,31(10):1280-1284.[7] 祖木拉提·伊布拉音,吐尔逊·哈斯木,阿依先木·司马义，等.塔里木河干流土地利用变化及其生态环境效应分析[J].干旱区资源与环境,2011,25(8):29-34.[8] 杨述河,闫海利,郭丽英.北方农牧交错带土地利用变化及其生态环境效应[J].地理科学进展,2004,23(6):51-54.[9] 史培军,陈晋,潘耀忠.深圳市土地利用变化机制分析.地理学报,2000,55(2)：151-160.[10] 杨敏，周次林，王立海，等.基于马尔可夫链的鸡西市土地利用结构预测[J].森林工程,2007,23(5):2-3.[11] LIU Jiyuan, LIU Mingliang,ZHUANG Dafang， et al.Study on spatial pattern of land use change in China during 1995-2000,Science in China(Series D),2003,46(4):373-384. [12] LIU Yansui, GAO Jay, YANG Yanfeng. A holistic approach towards assessment of severity of land degradation along the great wall in northern shanxi province,china.Environmental Monitoring and Assessment,2003,82(2):187-202.[13] 中华人民共和国环境保护部.生态环境状况评价技术规范(试行)HJ/T192-2006，[Z].[14] 郭沙,段栓.济源市水资源及其开发利用现状分析[J].河南水利与南水北调, 2010(9):57-58.。