土地利用对生态环境响应研究

（以江苏省为例）

 

关键词: 土地利用; 主导功能; 生态环境; 区域发展; 江苏省;

 

引言

       土地利用形态在时间序列上的变化,是土地利用变化的表现形式之一。社会经济发展影响土地利用形态,土地利用形态又反过来作用于社会经济的发展,社会经济的转型发展与土地利用形态的这种相互作用、相互影响促成了土地利用转型。土地利用转型最早是由英国利兹大学的Grainger 在其研究以林业为主的国家土地利用时提出来的,随后龙花楼等将这一研究理念引入中国,进行了土地利用转型的理念、理论与假说、农村宅基地、耕地等单一土地利用类型的转型与耦合、土地利用转型与乡村转型发展等方面的研究;其他学者开展了大城市空间扩展与土地利用结构转型、土地利用转型的必然性等方面的研究,但从土地利用综合转型的视角来研究区域土地利用变化的研究成果仍较为鲜见。各土地利用类型都存在多种功能,但总有其主导功能。土地利用转型的表现之一是土地利用主导功能的转型,即土地利用的生产、生态、生活（简称“三生”）三大主导功能间的转化,是有限的土地资源在各种主导功能之间进行数量和空间再配置的动态过程。主导功能的转变反应了区域经济社会转型发展的不同阶段,是研究土地利用转型的重要切入点。此外,在区域社会经济转型发展过程中,土地利用主导功能转型产生的大气污染、水环境恶化、土壤质量退化、生态系统退化等环境问题业已引起社会各界的广泛关注。已有关于土地利用环境效应的研究,多从土地的用途视角探讨土地利用变化的环境效应,研究区域多为生态脆弱区,研究单元偏重于流域单元或城市单元,而对以省域尺度的经济发达热点区为对象进行长时间序列土地利用变化的环境效应研究尚不多见。

        因此,本文以江苏省为例,基于1985年、1995年、2005 年和2008 年4期遥感解译数据,定量研究1985~2008年间江苏省土地利用功能结构转型、空间转型特征及其生态环境响应规律,揭示区域转型发展过程中尤其是东部经济发达地区土地利用主导功能的变化及其对生态环境造成的影响,以期为促进区域土地资源可持续利用研究提供参考。

 

 

1 研究区概况

 

       江苏省是中国最重要的经济省份之一。全省土地面积10.26×104km2,境内地形以平原、水面为主,两者占全省总面积的82.38%。1985~2008年,江苏省人均GDP 从1 053元（329 美元,已按当年汇率修正）增加到39 622元（7 739 美元）,三次产业增加值比重为30∶52.1∶17.9变化为6.10∶52.50∶41.40,城镇化水平从17.70%上升到54.3%。依据钱纳里等人提出的多国增长模式和诺瑟姆城市化发展的S型曲线,江苏省从1985年前工业化阶段和城市化起步阶段上升到2008年的工业化中后期和城市化加速发展阶段。

 

 

2 数据来源

  

 

       江苏省1985年、1995年、2005年、2008年的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。该数据以Landsat TM 和ETM+为主要信息源解译完成,分辨率为100 m,综合精度达95 %以上。其土地利用分类系统为2级,6个一级土地利用类型, 分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地（居民点和工矿用地）及未利用地等,和25个二级土地利用类型。

 

 

3研究方法

     文章采用的土地利用基础数据是从土地利用覆被角度出发,基于自然属性视角进行分类。随着社会各界对生态环境的关注,不少学者先后从生态角度提出了强调生态用地的分类方案。此外,有学者从经济发展的视角提出基于产业结构的土地利用分类方案。这些土地分类方案都取得了不同程度的进展,但仍存在研究区域土地利用过程中人文因子与自然因子难以在同一研究框架中综合考量的难题。因此,本文借鉴这些思想与分类方案,采用基于生产用地、生态用地与生活用地三分法以全面涵盖不同用地类型,反映经济生产、生态环境与宜居生活作为区域经济社会发展追求的多个维度。但是,由于同一用地类型可能兼顾多种功能,从利用功能视角开展土地分类具有一定难度。针对这一问题,研究提出基于行为主体的主观用地意图作为某一类土地的土地利用主导功能类型。如虽然耕地既能生产粮食,又兼具生态功能,甚至还具有娱乐教育的生活功能,但一般而言我们利用耕地的主要意图在于生产粮食,因此将之归为生产用地。基于“三生”与土地利用主导功能的视角,通过归并本文基础数据各用地类型,建立 “三生”土地利用主导功能分类方案（表1）。同时,借鉴李晓文等制定的不同二级地类的生态环境质量值,在此基础上利用面积加权法对“三生”土地利用主导功能分类生态环境质量指数进行赋值。

 

 

  

表1 土地利用主导功能分类及其生态环境质量指数  

Table 1 Land use types based on dominant function and corresponding ecological environment quality value

 

3.1 土地利用功能结构转型模型

土地利用功能结构转型通过土地利用转移矩阵模型实现。

 

3.2 土地利用功能空间转型模型

土地利用功能空间转型采用重心模型进行表征,假设某一区域由n个平面空间单元构成,其中,第i个单元的地理中心坐标为(Xi,Yi),Zi为该平面单元的某类型功能用地面积,则研究区该类型功能用地面积重心坐标( X ̅    , Y ̅    )为：

X ̅ =∑ i=1  n X i Z i /∑ i=1  n Z i Y ̅ =∑ i=1  n Y i Z i /∑ i=1  n Z i    （1）

重心移动距离指某年份重心与随后相邻年份重心之间的直线距离,设第t,（t+1）年份重心分别为PK（Xt,Yt）, PM （Xt+1,Yt+1）,则相邻年份重心移动的距离为：

D m =(X t+1 −X t ) 2 −(Y t+1 −Y t ) 2  − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − −  √    （2）

3.3 土地利用转型的生态环境响应模型

1） 区域生态环境质量指数。综合考虑区域内各土地利用所具有的生态质量及面积比例,定量表征某一区域内生态环境质量的总体状况,其表达式为:

EV t =∑ i=1  n LU i ×C i /TA   （3）

式（3）中,EVt为区域第t时期生态环境质量指数;LUi和Ci为该区域第t时期第i种土地利用类型的面积和生态环境指数;TA为区域总面积;n为区域土地利用类型数量。

2） 区域总体土地利用功能转型的生态贡献率。土地利用变化类型生态贡献率指某一种土地利用类型变化所导致的区域生态质量的改变,其表达式为

CLEI=(LE 1 −LE 0 )LA/TA   （4）

式（4）中,CLEI为土地利用变化类型生态贡献率;LE1、LE0分别为某种土地利用变化类型所反映的变化初期和末期土地利用类型所具有生态质量指数;LA为该变化类型的面积;TA为区域总面积。

3 1985~2008年江苏省土地利用的时空转型

 

3.3土地利用功能结构转型

     根据土地利用类型转移矩阵模型,按照土地利用主导功能分类体系,利用江苏省1985 年、1995年、2005年、2008年4期土地利用数据（图1）,计算得到1985~2008年土地利用类型转移矩阵（表2）,可以看出1985~2008年江苏省土地利用类型转移变化呈现如下特点:

 

  图1 江苏省1985年、1995年、2005年和2008年土地利用空间格局

  Fig.1 Spatial pattern of land use in Jiangsu in 1985,1995,2005 and 2008

 

 

  

  

表2 1985~2008 年江苏省土地利用转移矩阵

Table 2 Transition matrix of land use in Jiangsu from 1985 to 2008

 

  

       1) 生产用地面积明显减少。1985~2008年,生产用地面积减少了502 995 hm2,用地比例从71.30%下降到65.96%。按照二级地类来看,农业生产用地呈下降趋势,减少了576 933 hm2。农业生产用地转移的主要去向为农村生活用地、城镇生活用地和水域生态用地,转移比例分别为3.70%、3.04% 和1.43%。工矿生产用地农业生产用地呈上升趋势,共计增加了73 938 hm2,年增加量为3 081 hm2。工矿生产用地增加的主要来源为农业生产用地、牧草生态用地、林地生态用地和水域生态用地,转移比例分别为24.09%、8.95% 、2.31%和1.76%。

 

       2) 生态用地面积不断增加。1985~2008 年,生态用地面积增加了86 370 hm2,生态用地面积比

例从 18.24%增加到18.94%。按照二级地类来看,林业生态用地呈下降趋势,减少了18 633 hm2,林业生态用地转移的主要去向为农业生产用地、工矿生产用地、城镇生活用地和农村生活用地,转移比例分别为4.29%、1.34%、1.02% 和0.64%。牧草生态用地呈下降趋势,减少了72 284 hm2。牧草生态用地减少的主要去向为水域生态用地、农业生产用地和工矿生产用地,转移比例分别为23.23%、12.81%和10.02%。水域生态用地呈增加趋势,增加了177 259 hm2。水域生态用地增加的主要来源为农业生产用地和牧草生态用地,转移比例分别为7.04%、2.80%。其他生态用地面积变化不大。

 

       3) 生活用地面积迅速增加。1985~2008 年,生活用地面积增加了491 139 hm2,用地比例从10.46%增加到15.10%。按照二级地类来看,城镇生活用地呈上升趋势,增加了226 566 hm2。城镇生活用地增加主要来自于农业生产用地、农村生活用地、水域生态用地、转移比例分别为51.91%、2.58 %和1.12 %。农村生活用地也呈上升趋势,增加了264 573 hm2,年增加量为11 024 hm2。农村生活用地增加主要来自于农业生产用地,转移比例为23.33%。

 

     以江苏省县（市）级行政区为基本单元,采用ArcGIS空间分析方法计算出不同年份各功能用地重心,得到1985 年以来各功能用地重心动态演化图（图2）,很好地反映了江苏省土地利用功能空间转型过程。

 

     农业生产用地重心落在江苏省几何重心西北方向。1995年农业生产用地重心较1985年向西北方向偏移了2.25 km,2005年继续向西北方向偏移2.25 km,2008年又向西北方向偏移2.39 km,3个时间段均偏向西北方向。苏南经济发展建设占用造成327 775 hm2农业生产用地流失;苏北地区由于土地开发复垦使农业生产用地增加了56 813 hm2,导致农业生产用地净减少量比苏南、苏中小,在两大主要力量共同作用下农业生产用地分布重心总体向苏北方向偏移,农业生产用地空间分布的不均衡性进一步加剧。

 

     工矿生产用地重心落在江苏省几何重心东北方向,并且偏移距离较大。1995年工矿生产用地重心较1985年向南偏移了5.95 km,2005年向东南方向偏移23.36 km,2008年向西南方向偏移24.81 km。1985~2008年,苏中、苏南两地区的工矿生产用地面积增幅（48 520 hm2）较苏北地区大（33 541 hm2）,导致工矿生产用地重心向苏中、苏南地区迁移,工矿生产用地空间分布的不均衡性有所缓和。

 

     生态用地重心落在江苏省几何重心东南方向,偏移距离较小。1995年生态用地重心较1985年向西南偏移了0.66 km,2005年向东南方向偏移3.55 km,2008年向东南方向偏移5.29 km,3个时间段均向南偏移,表明生态用地空间分布的不均衡性有所增大。为实现江苏省农业生产用地的占补平衡,苏北大量的宜农后备资源得到开发,使得牧草生态用地及其他生态用地的减少,1985~2008年共计50 911 hm2生态用地转为农业生产用地,同期苏南地区大力发展水面养殖使得68 846 hm2农业生产用地转为水域生态用地,导致生态用地重心总体向苏南方向偏移。

 

     城镇生活用地重心落在江苏省几何重心东南方向。1995年生态用地重心较1985年向东南偏移了28.79 km,2005年向东南方向偏移12.40 km,2008年向西北方向偏移7.70 km,1985~1995年、1995~2005年2个时间段均向南偏移,远离几何重心,城镇生活用地空间分布的不均衡性在增大。2005~2008年向西北偏移,偏向几何重心,城镇生活用地空间分布的不均衡性有所减小。1980~2000年,江苏省响应国家对外开放和沿海倾斜发展战略,将苏南作为重点发展地区,进行重点投资与建设,由于用地相对于政策实施存在一定滞后性,从 1980~2005年各区域城镇生活用地面积变化来看,苏南城镇生活用地面积增加数量（95 814 hm2）是苏中（12 621 hm2）、苏南（8 182 hm2）之和的4倍多,导致江苏省城镇生活用地重心向南偏移。进入21世纪,江苏省基于区域发展不平衡进一步扩大的趋势,提出了促进苏北大发展战略实施战略（2001年）、沿江开发战略(2003年)、 “三沿”发展战略（2004年）、江苏沿海地区发展战略（2008年）等一系列区域统筹发展战略举措,苏中、苏北地区社会经济发展及城镇化水平的提高,尤其苏北地区2006~2008年城镇生活用地面积增加42 429 hm2,苏中增加8 047 hm2,苏北、苏中城镇生活用地面积增加数量之和与苏南（59 384 hm2）基本接近,使得江苏省城镇生活用地重心向苏南方向移动的趋势得到遏制,逐渐向苏中、苏北方向移动。

 

 

  

图2 1985~2008 年江苏省各功能用地重心演化

Fig.2 The center changes of land with different functions in Jiangsu from 1985 to 2008

 

  

     农村生活用地重心落在江苏省几何重心西北方向。1995年农村生活用地重心较1985年向东南偏移了13.53 km,2005年向东南方向偏移13.46 km,2008年向东南方向偏移7.48 km,3个时间段均向南偏移,偏向几何重心。20世纪90年代,苏南经济发展快速,农民收入增加较快,新建的住宅用地占地面积较大,原有的宅基地处于闲置或废弃状体,农村居民点面积并未随着城镇用地的增加而减少,1985~2008年苏南农村生活用地面积增加的数量（154 577 hm2）远远大于苏中（56 904 hm2）、苏北（52 590 hm2）面积之和,使得江苏省农村生活用地重心整体向东南方向移动。

 

4 1985~2008年间江苏省土地利用时空转型的生态环境响应

     根据公式（3）,计算得到江苏省1985年、1995年、2005年2008年的区域生态环境质量指数,结果分别为0.339 1 、0.337 9、0.337 4和0.335 4。由此可知,江苏省总体生态环境质量基本维持稳定,但是呈下降趋势。1985~1995年、1995~2005年、2005~2008年3个时间段生态环境质量指数年均下降幅度,2005~2008年年均下降幅度最大。

 

     区域内生态质量往往同时发生着改善和恶化2种相反趋势,在相当程度上这2种趋势在一定区域内相互抵消,使其总体上维持相对稳定。因此区域生态环境指数的稳定并不意味着生态环境没有发生改变。表4 给出了1985~2008年期间江苏省导致生态环境改善和退化的主要土地利用变化类型的面积和贡献率。可以看出,农业生产用地被农村生活用地和城镇生活用地占用是江苏省生态环境质量恶化的主导因素,其中农业生产用地转化成城镇生活用地占生态贡献率的21.56％,其中农业生产用地转化成农村生活用地占生态贡献率的17.72％。牧草生态用地、林地生态用地和水域生态用地转化成农业生产用地也在一定程度上导致了生态环境质量的恶化,三者总和占生态贡献率的25.98％。而农业生产用地转化成水域生态用地是区域生态环境改善的主要因素,占生态贡献率的82.12％。总体而言,江苏省同时存在着生态改善和恶化的2种趋势,生态环境改善的趋势略小于环境恶化的趋势。因此,江苏省的生态环境质量指数呈略微下降趋势,但其总体生境质量变化不大,其区域整体的生态质量指数维持在0.33水平。

 

 

5 结论与讨论

      1985~2008年,江苏省在区域转型发展过程中土地利用功能结构转型主要表现为生产用地面积的减少,生态用地、生活用地面积的增加。按照二级地类来看,农业生产用地、林业生态用地、牧草生态用地面积呈减少趋势,工矿生产用地、水域生态用地、城镇生活用地、农村生活用地面积呈增加趋势。其中农业生产用地转化为农村生活用地、城镇生活用地、水域生态用地;牧草生态用地转化为农业生产用地两种类型分布最为广泛。第一种类型说明江苏省1985~2008年伴随着快速城市化,农村生活用地、城镇生活用地的不断扩张大量侵占农业生产用地;同时由于农业产业结构调整,为获得更大效益农业生产用地转为水域生态用地中的坑塘水面。第二种类型说明为实现农业生产用地总量的动态平衡推进的土地整治活动,使得牧草生产用地转为农业生产用地。

 

      1985~2008年,江苏省在区域转型发展过程中土地利用功能空间转型主要表现为：各功能用地空间分布均呈现出不均衡性,农业生产用地、生态用地、农村生活用地空间分布的不均衡性进一步加剧,工矿生产用地空间分布的不均衡性有所缓和,城镇生活用地空间分布经历了先加剧后有所缓和的阶段。农业生产用地分布重心总体向苏北方向偏移,工矿生产用地、生态用地、农村生活用地重心向苏中、苏南地区偏移,城镇生活用地重心经历向苏南偏移然后逐渐向苏中、苏北方向移动。城镇生活用地重心转移表征自1985年以来,苏南发达、苏北欠发达的总体格局依然存在趋势并不断地加强,2005年后区域差距有所缓和。

 

      1985~2008年,江苏省总体生态环境质量稍有下降,同时存在着生态改善和恶化的2种趋势,生态环境改善的趋势略小于环境恶化的趋势。农业生产用地被农村生活用地和城镇生活用地占用是江苏省生态环境质量退化的主导因素,牧草生态用地、林地生态用地和水域生态用地转化成农业生产用地也在一定程度上导致了生态环境质量的退化;农业生产用地转化成水域生态用地是区域生态环境改善的主要因素。

以江苏省为例,对比1985~1995年、1995~2005年、2005~2008年3个时段社会经济发展和土地利用转型特点可以看出,2005~2008年江苏省总体上处于工业化中期并向后期迈进阶段,这个阶段的土地利用转型的生态环境响应也最为剧烈,但其他区域在社会经济发展过程中是否存这一规律,还需要进一步研究探讨。

 

 

表3 导致区域生态环境改善和恶化的主要土地利用类型变化及贡献率

Table 3 The major land use transformation types influence on the regional eco-environment

 

 

 

本文所使用的耕地空间百分比数据、地形数据、高程数据、土壤数据均来源于北京数字空间科技有限公司制作并通过地理国情监测云平台网站（www.dsac.cn）发布的数据产品。