PSR模型下土地利用变化的生态环境响应评价★

贾 策 王世东*

(河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

土地利用变化是指人类与自然系统不同尺度上不断发生交互作用与影响所产生的变化[1,2]。对土地利用/覆被变化演变过程的研究和分析生态环境在土地利用变化的基础上产生的响应有助于掌握土地利用现状设计合理的土地利用规划方案[3,4]。

近年来,全球土地利用变化的研究己加入国际地圈生物圈计划(IGBP)、人与环境计划(HDP)和世界气候研究计划(WCRP)三大国际组织核心计划，并在全球化的研究中占有重要位置[5]；吕立刚等[6]对江苏省1985年—2005年的土地利用转型定量分析给出其生态环境的响应结果；史培军等[7]通过评价计算土地利用程度指数和植被指数来反映土地利用变化及生态环境的响应；唐志强等[8]通过对城市化与生态环境相互作用的研究来揭示生态环境对土地利用变化的响应机理；殷格兰等[9]以生态环境质量模型对南水北调中线工程核心水源地淅川县的生态环境对其土地利用变换的响应程度进行了评估。王少华[10]利用综合评价方法对郑州黄河旅游区的土地利用变化及其生态环境效应进行了评价；刘旭[11]讨论了北京市近30年土地利用变化及其生态环境响应的演变机理；冯异星等[12]分析了对干旱区典型流域近50年的土地利用格局变化进而讨论起生态环境效应。

1 研究区概况及资料来源

1.1 研究区概况

丹江流域在河南省内贯穿7个县，研究区位于汉江上游，河南、湖北、陕西三省交界处，流域汇水面积9.52万km2。研究区位于河南省西南部，伏牛山南麓，向南接壤湖北省，偏西比邻陕西省，包含三门峡卢氏县、洛阳市栾川县部分乡镇，南阳市的西峡县和淅川县以及内乡县和邓州市的部分乡镇，区域总面积为293 256.3 hm2。地理坐标界定与东经110°52′～112°，北纬33°30′之间。

1.2 数据预处理

研究选取丹江流域(河南段)2005年、2010年landsat ETM+和2015年landsat OLI遥感影像，以及2010年土地利用现状图。利用遥感软件ENVI5.1，采用以非监督分类为主目视解译为辅的方法将研究区分为六类：耕地、林地、草地、建设用地、水域、裸地。然后依据同期野外采集到的数据，随机抽取若干样本，在ENVI5.1软件中计算出分类混淆矩阵和Kappa系数。最终得到结果：土地利用分类总体精度86.2%，Kappa系数为0.86，达到较好效果。

1.3 土地利用变化

利用ENVI5.1软件对丹江流域(河南段)2005年、2010年和2015年的landsat ETM+和landsat-8 OLI遥感影像做最大似然法分类处理。将研究区分为林地、耕地、建设用地、水域、草地、裸地六种用地类型。分类结果如表1所示。

由表1可以看出丹江流域2005年、2010年和2015年的土地利用面积变化：2005年—2010年间研究区各用地类型除水域面积基本保持不变外其他用地类型面积均有少量变化，其中以草地和林地变化最大，变化率分别达到前一年的26.5%和18.9%。2010年—2015年间各用地类型均有较大变化，其中林地变化率为30.8%、耕地为24.7%、建设用地为21.9%、水域为11.3%、裸地为71.2%。

表1 研究区分类结果

2 基于PSR模型的生态环境响应评价

2.1 模型建立

PSR结构模型常用来作为资源利用评估和持续发展模式的模型框架。本文以研究区在PSR框架的基础上建立综合评价模型，由原模型基础上赋予自然环境变化，分析研究区土地利用变化赋予土地利用状态压力进而探讨生态环境对其响应。

以加权综合函数法构建响应的综合评价模型，计算土地利用变化的生态环境响应综合评价指数的年份结果。评价模型如公式所示：

2.2 评价单元的划分

本文根据现有土地利用类型的数据和研究区特性以研究区内7个县区作为评价单元划分，并且根据得到土地利用数据在各个县区的属性将7个县区划分为四个等级。且区域内水域面积越大其等级越高，见表2。

表2 评价单元等级划分

2.3 结果与分析

利用ArcGIS10.1的空间表达功能，得到研究区综合评价指数的历年结果进行空间表达，研究其时空变化特征。对研究区生态环境响应综合指数评价得到历年各县区得分值，见表3。

表3 综合评价计算结果

研究区综合评价指数结果可以反映出流域内社会与自然压力—土地利用变化状态—生态环境响应的综合水平，在一定程度上也反映了流域内人类活动与自然环境交互作用与土地利用状态及生态环境响应等人文地理和自然地理环境的综合发展水平。

从时空变化可以看出，内乡县、淅川县和邓州市的综合评价结果呈现下降趋势，说明其生态环境对土地利用变化的响应表现为负影响。其他县市结果呈现上升趋势，其中西峡县变化量较小说明其生态环境的响应表现为正向影响但影响不大，嵩县和卢氏县变化量较大说明其生态环境质量呈上升趋势且受土地利用变化的正向影响。多年平均结果偏高的县市为栾川县说明栾川在其土地利用变化及其生态环境的响应中一直呈正向趋势；多年结果较低的区县为卢氏和嵩县说明其综合评价结果一直呈现负趋势。

3 结语

从2005年到2015年，研究区主要用地类型为水域、建设用地和耕地；根据当地实际状况多表现南水北调中线工程限制了当地生态环境的可持续发展。从土地利用类型转移来看，转出面积多为耕地和林地，但随着南水北调中线工程的竣工与当地的因地制宜转出转入面积逐渐平衡；转入面积多为建设用地，其原因在于人口的变迁和当地城市化的发展；且可以看出减少的耕地与林地面积多转为建设用地。

在2005年—2015年间，研究区综合评价结果可以反映出：丹江流域(河南段)的土地利用变化及其生态环境响应的时间变迁和空间异质性特征明显；其变化特征与各土地利用类型的地形、土地利用方式和其与南水北调工程沿线淹没程度有关。

在研究区土地总面积、用地类型和土地结构变化等内在变量中，建设用地面积的增加对生态环境的响应结果呈现负向变化；在各类生态用地中，耕地和林地减少是生态环境对其土地利用变化呈负向趋势的主要原因；各用地类型的结构中，水域面积扩张给研究区带来正向的生态环境发展趋势。研究表明：维持研究区各生态用地的平衡对当地生态环境可持续发展具有重要意义。

参考文献：

[1] Diego Valbuena,Peter H.Verburg,Arnold K.Bregt.Amethod to define a typology for agent-based analysis in regional land-use research[J].Agriculture，Ecosystems and Environment,2008,128(1):27-36.

[2] Lambin E F,Geist H J.Global land-use and cover change:What have we learned so far[J].Global Change Newsletter,2001(46):27-30.

[3] Swetnam TW,Allen CD,Betancourt JL.Applied histori-cal ecology:Using the past to manage for the future[J].Ecological Applications,1999,9(4):1189-1206.

[4] 胡宁科,李 新.历史时期土地利用变化研究方法综述[J].地球科学进展,2012,27(7):758-768.

[5] 黄金川,方创琳.城市化与生态环境交互耦合机制与规律分析[J].地理研究,2003,22(2):211-220.

[6] 吕立刚,周生路,周兵兵,等.区域发展过程中土地利用转型及其生态环境响应研究——以江苏省为例[J].地理科学,2013,33(12):1442-1449.

[7] 史培军,宫 鹏,李晓兵.土地利用/覆盖变化研究的方法与实践[M].北京：北京科学出版社,2000.

[8] 唐志强,曹 瑾,党 婕.水资源约束下西北干旱区生态环境与城市化的响应关系研究——以张掖市为例[J].干旱区地理,2014,37(3):520-531.

[9] 殷格兰,邵景安,郭 跃,等.南水北调中线核心区土地利用变化及其生态环境响应研究[J].地球信息科学学报,2017,19(1):59-69.

[10] 王少华.郑州沿黄旅游区土地利用变化及其生态环境效应评价研究[D].开封：河南大学,2016.

[11] 刘 旭.北京市土地利用变化及其生态环境响应研究[D].北京：首都师范大学,2014.

[12] 冯异星,罗格平,周德成,等.近50a土地利用变化对干旱区典型流域景观格局的影响——以新疆玛纳斯河流域为例[J].生态学报,2010,30(16):4295-4305.