基于遥感与GIS的临淄区土地利用变化与生态环境效应研究

齐学蕾，常 军

(山东师范大学，山东 济南 250300)

1 引言

土地利用和土地覆被变化可以直观反映出一个地区土地资源的利用方式[1]。全球气候变化和人类活动的加速导致了土地利用和土地覆被发生变化，从而引起了区域社会、经济和环境的变化，也引发了更多自然现象和生态过程的变化，如荒漠化、水环境变化以及植被覆盖变化等。因此，虽然土地利用与覆被变化(LUCC)研究已经过去20年，但仍然是全球环境变化研究的核心领域[2]。土地利用变化及其生态环境响应是地理研究的重点，且土地利用变化和生态环境响应与我国的总体发展格局密切相关[3]。因而，对区域土地利用的外部功能随时间变化进行研究可以从区域发展的功能角度分析土地利用变化和区域生态环境响应的关系。以山东省淄博市临淄区为例，利用2008年、2012年以及2018年三期土地利用数据，探讨了临淄区10年间土地利用覆被变化及其生态环境效应的关系，以期为区域生态环境规划提供参考。

2 研究区概况

淄博市位于鲁中与鲁北的交接地带，临淄区位于淄博市的东北部， 36°37′51″～37°00′30″N， 118°06′27″～118°29′30″E，地势南高北低，并且向东北倾斜，最大海拔高度420 m，最低海拔高度31 m。临淄区由南向北逐渐变缓，依次分布着丘陵、平原、平地、凹地等地貌单元，地质特征是：古老的结晶基地上覆盖有较新的沉积岩，是双层结构，褶皱构造发育不完全，主要为断裂构造。临淄区属于温带季风气候，多年平均气温14.5 ℃，年极端最高气温39.4 ℃，出现在7月，年极端最低气温-16.6℃，出现在12月[4]。水资源主要以地下水为主，依靠降雨补充，多年平均降水量为650.2 mm，主要集中在夏季，全年最大日降水为50.3 mm。全区土地总面积663.68 km2，耕地面积约占70%。临淄区境内矿产资源非常丰富，主要有石灰石、铁、钴、黏土、煤以及各类稀有金属等。临淄区辖区内有7个镇、5个街道、414个行政村和66个社区，总人口约61.74万人，共有30个民族，以汉族为主。2016年，临淄区的GDP总值为867.2亿元，产业结构以第二产业为主。并且，临淄区的粮食播种面积呈下降趋势，工业及工业生产总值稳步增长，产业结构在不断调整中。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究中涉及的数据主要来自于3个部分：卫星遥感数据、统计数据和实地调查数据。卫星遥感数据主要使用了2008年、2012年和2018年共三期遥感影像，影像数据获取自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)。统计数据主要来自《临淄区统计年鉴》及相关学者公开发表的研究。实地调查数据来自2008年至2018年共5次对临淄区范围内实地调查。

2.2 土地利用现状分类

本研究参照《中国土地利用现状调查技术规程》和中科院土地分类系统简历土地利用分类体系，并且从地理学与景观生态学角度出发，考虑到研究的自然地理状况和经济发展状况，在本研究中将土地利用类型的分类确定为耕地、林地、草地、水域、建设用地和其他用地六类。

2.3 研究方法

应用Erdas9.2进行波段融合和地理投影，ENVI5.3进行影响校正，用监督分类方法进行土地利用分类，再用Arcgis分析数据，获取2008年、2012年和2018年临淄区的土地利用/覆被类型数据并进行分析，借助Arcgis和Fragstats软件进行生态环境效应各项指标的计算和绘图。

生态环境效应各项指标具体计算方法为：

(1)生态环境质量指数:

(1)

式(1)中，LUi和Ci为研究区内t时期第i类土地利用类型的面积及其生态环境质量指数;TA为区域总面积;n为区域内土地利用类型数量[5]。

(2)生态敏感性：

(2)

式(2)中，Ci表示空间单元对第i项因子的敏感指数，m为第i个因子的指标个数，Sk为第k个指标的敏感性空间分布。

(3)生态贡献率：

LEI=(LEt+1-LEt)LA/TA

(3)

式(3)中，LEt+1、LEt分别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变化类型所具有的生态环境质量指数;LA为该变化类型的面积;TA为区域总面积[6]。

(4)生态风险指数。采用景观指数法计算土地利用/覆被变化的生态风险[7]，具体计算方法如下:

Ri=Si×Fi

(4)

式(4)中，Ri为景观格局指数，Si为景观干扰度指数，Fi为景观脆弱度指数。

Si=a×Ci+b×Ni+c×Di

(5)

式(5)中，Ci为景观破碎度指数，Ni为景观分离度指数，Di为景观分维数，a、b、c为对应景观指数的权重，分别为0.5，0.3，0.2。

(6)

式(6)中，ERIi为风险小区的景观风险指数，Aki为第k个风险小区内景观类型i的面积，Ak为第k个小区的总面积，Ri为景观类型i的景观损失度指数。

3 结果分析

3.1 土地利用与覆被变化

3.1.1 数量和结构变化

2008年的土地利用类型为：草地面积5536827.179 m2，耕地面积478530122 m2，林地面积16072220.54 m2，水域面积2433781.045 m2，建设用地面积171883845.95 m2，其他用地8588815.77 m2，各个土地利用类型的面积大小排序依次为：耕地>建设用地>林地>其他用地>草地>水域，耕地的面积最大，水域的面积最小。

2012年的土地利用类型为：草地10931915.19 m2，耕地457257708.6 m2，林地17605514.34 m2，水域2103624.918 m2，建设用地186893904.37 m2，其他用地7853634.31 m2，各个土地利用类型的面积大小排序依次为：耕地>建设用地>林地>草地>其他用地>水域，耕地的面积最大，水域的面积最小。

2018年的土地利用类型为：草地13007616.93 m2，耕地439933796.4 m2，林地12937590.01 m2，水域1708786.1 m2，建设用地207540089.74 m2，其他用地7917890.44 m2，各个土地利用类型的面积大小排序依次为：耕地>建设用地>草地>林地>其他用地>水域，耕地的面积最大，水域的面积最小。

在2008～2012年期间，临淄区的土地利用的数量变化表现为：草地增加了5395088.008 m2，耕地减少了21272413.35 m2，林地增加了1533293.799 m2，水域减少了330156.1267 m2，建设用地增加了15010058.43 m2，其他用地减少了735181.47 m2。2008～2018年期间，草地增加了7470789.75 m2，耕地减少了-3134630.5 m2，林地减少了3134630.5 m2，水域减少了724994.94 m2，建设用地增加了35656243.79 m2，其他用地减少了670925.34 m2。

综上分析，临淄区在2008年到2018年这期间的土地利用类型的变化规律明显，具体表现为：草地面积持续增加，耕地面积持续减少，林地面积先增加后较少且减少量显著大于增加量，水域面积持续减少，建设用地面积持续增加，其他用地面积先较少后增加且减少量大于增加量(图1、表1)。

2008～2012年，耕地向草地转移了529.09 m2，向建设用地转移了1479.30 m2，向林地转移了164.13 m2；建设用地向耕地转移了47.51 m2；林地向草地转移了8.64 m2，向建设用地转移了21.6 m2；其他用地向草地转移了12.96 m2，向建设用地转移了53.99 m2，向林地转移了19.44 m2；水域向草地转移了30.23 m2。

在2012年，草地的增加面积有529.09 m2来自耕地，8.64 m2来自林地，12.96 m2来自其他用地，30.23 m2来自水域；耕地的增加面积有47.51 m2来自建设用地；建设用地的增加面积有1479.30 m2来自耕地，21.60 m2来自林地，53.99 m2来自其他用地；林地的变化面积有164.13 m2来自耕地，19.44 m2来自其他用地。

2012～2018年，草地向耕地转移了43.19 m2，向建设用地转移了88.54 m2，向其他用地转移了82.06 m2；耕地向草地转移了51.83 m2，向建设用地转移了2019.19 m2，向其他用地转移了241.87 m2；建设用地有269.95 m2变成了耕地；林地有302.34 m2变成了草地，114.46 m2变成了耕地，51.83 m2变成了建设用地，10.80 m2变成了其他用地；其他用地中有177.08 m2变成了耕地，155.49 m2变成了建设用地；水域的面积中有36.71变成了建设用地。

2018年，草地面积有51.83 m2来自于耕地，302.34 m2来自林地；耕地的面积中有43.19 m2来自于草地，269.95 m2来自于建设用地，114.46 m2来自于林地，177.08 m2来自于其他用地；建设用地的面积中有88.54 m2来自于草地，2019.19 m2来自于耕地，51.83 m2来自于林地，155.49 m2来自于其他用地，36.71 m2来自于水域；其他用地的面积中，82.06 m2来自于草地，241.87 m2来自于耕地，10.80 m2来自于林地(表1)。

图1 2008～2018年临淄区土地利用现状

表1 2008～2018年临淄区土地利用变化转移矩阵 m2

3.1.2 重心变化

在2008年，临淄区的草地比例为0.81%，耕地比重为70.06%，建设用地比重为23.12%，林地比重为2.35%，其他用地比重为3.30%，水域比重为0.36%。此时的土地利用类型以耕地为主，建设用地次之，草地、林地、其他用地和水域都极少。

在2012年，草地的比重为1.60%，比2008年增加了0.79%；耕地的比重为66.98%，比2008年减少了3.08%；建设用地的比重为25.35%，比2008年增加了2.23%；林地的比重为2.58%，比2008年增加了0.53%；其他用地的比重为3.18%，比2008年减少了0.12%；水域的比重为0.31%，比2008年减少了0.05%。可以看出，从2008年到2012年，临淄区土地利用重心由耕地缓慢移向建设用地。

在2018年，草地的比重为1.90%，比2012年增加了0.3%，比2008年增加了1.09%；耕地的比重为64.61%，比2012年下降了2.58%，相较于2008年下降了5.65%；建设用地的比重为28.36%，比2012年增加了3.01%，比2008年增加了5.24%；林地的比重为1.89%，比2012年下降了0.68%，比2008年降低了0.46%；其他用地的比重为3.18%，和2012年相同，比2008年下降了0.12%；水域的比重为0.25%，比2012年降低了0.06%，比2008年降低了0.11%。

总体来看，从2008年到2018年，这10年间，临淄区的土地利用类型中，耕地、林地、其他用地和水域的比重下降，草地和建设用地的比重增加，土地利用和覆被的重心由耕地、林地、水域及其他用地类型逐渐转向建设用地和草地类型(表2)。

3.2 生态环境效应分析

3.2.1 生态环境质量

临淄区2008年的生态环境质量指数为0.24713118，2012年的生态环境质量指数为0.242766019，2018年的生态环境质量指数为0.23242998。2008年到2012年生态环境质量指数的年变化率为-0.00109129，2012年到2018年的生态环境质量指数的年变化率为—0.001722672。

表2 临淄区土地利用重心变化 %

2008年到2018年期间的土地利用变化导致临淄区的生态环境质量逐年下降，可能是由于耕地逐年减少、建设用地逐年增加，土地破碎化逐年程度增加而造成的(图2)。

图2 临淄区2008～2018年生态环境质量指数变化情况

3.2.2 生态敏感

临淄区草地的生态敏感指数在2008年为0.04821，敏感程度为低敏感；在2012年敏感指数降低为0.4609，敏感程度为低敏感；在2018年，敏感性指数为0.04438，敏感程度依旧为低敏感。建设用地的敏感性指数在2008年为0.01750，2012年为0.01899，2018年为0.02108，敏感在3个时间点都是不敏感。水域的生态敏感性指数在2008年为0.00024，2012年为0.00021，2018年为0.00017，敏感都是高敏感，林地的生态敏感性指数在2008年为0.00057，2012年为0.00116，2018年为0.00080，敏感程度都是中敏感。其他用地的生态敏感程度在2008年为0.00088，2012年为0.00081，2018年0.00130，敏感程度都是不敏感。耕地的生态敏感性指数在2008年为0.00164，2012年为0.00180，2018年为0.00132，敏感程度都是高敏感。

总体分析来看，虽然临淄区的6个土地利用类型的生态敏感性指数在2008年到2018年有不同程度的变化，但是生态敏感没有变化。其中，耕地和水域时高敏感区域，林地为中敏感，草地低敏感，建设用地和其他用地都是不敏感(图3)。

图3 临淄区2008年～2018年不同土地利用类型生态敏感分布变化

3.2.3 生态贡献率

2008～2012年，造成临淄区的生态环境质量恶化的土地利用变化驱动因子有4个：耕地转换为建设用地、建设用地转换为其他用地、水域转换为草地，林地转换为草地，其中，耕地转换为建设用地的生态贡献率最大，占总贡献率的98.5392%。造成临淄区的生态环境质量改善的驱动因子有7个，分别是：耕地转换为林地、耕地转换为草地、建设用地转换为草地、建设用地转换为耕地、其他用地转换为建设用地、其他用地转换为林地、林地转换为建设用地，其中，耕地转换为林地和耕地转换为草地两种土地利用变化的生态贡献率最大，分别为25.9869%和48.7411%。总体来看，土地利用变化的生态环境恶化贡献率为0.000000637，改善的生态环境贡献率为0.0000002544 ，恶化的贡献率大于了改善的贡献率，所以，临淄区2008年到2012年的土地利用变化造成临淄区生态环境恶化。

2012年到2018年，造成临淄区的生态环境质量恶化的土地利用变化的驱动因子有7个，分别为：草地转换为耕地，占总生态贡献率的3.4008%；草地转换为建设用地，占总生态贡献率的19.6078；草地转换为其他用地，占总生态贡献率的18.7789%；林地转换为草地，占总生态贡献率的17.1104%；林地转换为耕地，占总生态贡献率的15.4897%；林地转换为建设用地，占总生态贡献率的14.4110%；水域转换为建设用地，占总生态贡献率的11.2014%。造成临淄区生态环境改善的土地利用变化的驱动因子有4个，分别是：耕地转换为草地，占总生态贡献率的5.7932%；建设用地转换为耕地，占总生态贡献率的54.6881%；其他用地转换为耕地，占总生态贡献率的37.7310%；其他用地转换为建设用地，占总生态贡献率的1.7877%。总体来看，土地利用变化的生态环境恶化的贡献率为0.0000002977，生态环境改善的贡献率为0.0000002097，恶化的贡献率大于了改善的贡献率，故而2012年到2018年临淄区的土地利用变化造成了临淄区生态环境质量的恶化。

综上，对临淄区生态环境质量影响的土地利用类型变化的驱动因子中，2008～2012年，耕地转换为建设用地是生态环境质量恶化的主要因子，耕地转换为草地是生态环境质量改善的主要因子；2012～2018年，草地转换为建设用地是生态环境质量恶化的主要因子，建设用地转换为耕地是生态环境质量改善的主要因子(表3)。

表3 2008～2018 年临淄区土地利用变化的生态贡献率

3.2.4 生态风险

2008年，临淄区低风险的面积为16072221m2，较低风险的面积为5536827 m2，中风险的面积为480960485 m2，较高风险的面积为131224049 m2，高风险的面积为49254203 m2。各个风险等级的面积大小排序依次为：中风险>较高风险>高风险>低风险>较低风险。

2012年，临淄区低风险的面积为17413670 m2，较低风险的面积为11331221 m2，中风险的面积为458178866 m2，较高风险的面积为124443930 m2，高风险的面积为71680011 m2，高风险的面积为75322666 m2。各个风险等级的面积大小排序依次为：中风险>较高风险>高风险>低风险>较低风险。

2018年，临淄区低风险的面积为12937590 m2，较低风险的面积为13007617 m2，中风险的面积为441639227 m2，较高风险的面积为140141654 m2。各个风险等级的面积大小排序依次为：中风险>较高风险>高风险>较低风险>低风险。

综合来看，从2008～2018年，中生态风险的面积不断下降，较高生态风险的面积逐渐增加，高生态风险的面积逐渐增加，低风险的面积逐渐降低，较低风险的面积逐渐增加。2008～2018年期间的土地利用类型变化导致临淄区中高风险、较高风险和低风险区域的面积不断增加，而中风险和低风险的面积不断减少，临淄区的区域生态风险水平增加(表4)。

表4 2008～2018年临淄区各风险等级面积 m2

4 讨论与结论

临淄区2008～2018年的主要土地利用类型为耕地和建设用地，草地和建设用地的面积增加，耕地、林地、水域和其他用地的面积减小。并且，耕地减少的面积最大，建设用地增加的面积最多。2008年到2012年，草地和建设用地增加的面积主要来自于耕地。2012年到2018年，草地增加的面积来自于耕地和林地，来自林地的部分更多；建设用地增加的面积主要来自于耕地。草地面积的增加可能与“退耕还草”的生态环境治理政策有关，建设用地的增加则是社会经济飞速发展和人口迅速增加的结果。

临淄区2008年到2018年的土地利用类型中，耕地和水域为生态高敏感类型，林地为中敏感，草地低敏感，建设用地和其他用地不敏感。在这十年内，生态环境质量指数逐年下降，土地利用的变化对生态环境质量造成了消极影响。对临淄区生态环境质量影响的土地利用类型变化的驱动因子中，2008～2012年，耕地转换为建设用地是生态环境质量恶化的主要因子，耕地转换为草地是生态环境质量改善的主要因子；2012～2018年，草地转换为建设用地是生态环境质量恶化的主要因子，建设用地转换为耕地是生态环境质量改善的主要因子。以上的规律说明，建设用地的增加是导致生态环境质量下降的主要原因，而草地、耕地面积的增加则有助于改善区域的生态环境质量。

2008～2018年期间的土地利用类型变化导致临淄区中高风险、较高风险和低风险区域的面积不断增加，而中风险和低风险的面积不断减少。说明临淄区的整体区域生态风险在不断增加，这可能与建设用地增加、耕地林地减少，生态环境质量下降，生态功能稳定性降低有关。