西部平原区生态用地时空动态特征及环境效应

蒋好雨, 陈荣蓉, 杨朝现, 信桂新, 杨 馗

(1.西南大学 资源环境学院, 重庆 400716;2.长江师范学院 武陵山区特色资源开发与利用研究中心, 重庆 408100)

随着城镇化的深入推进，土地利用方式变化导致生态用地的分布格局变化剧烈，给区域生态功能和生态安全带来了一系列的影响，从而导致区域生态环境质量下降、生态系统平衡受到严峻挑战[1-2]。研究生态用地的演变特征及其所带来的生态环境效应，将有利于保障生态用地合理布局，弱化负面生态环境效应，恢复区域生态系统弹性。

20世纪90年代，我国学者首次提出“生态用地”这一说法[3]，城市生态用地逐渐成为生态用地研究的重点[4]，学者们最初以生态用地内涵揭示和分类为主要研究内容[5]。邓小文等[6]根据土地的属性将城市生态用地划分为功能型和服务型两类；邓红兵等[7]将其概括为以维护区域生态环境为主要功能的土地利用类型。后来学者们针对生态用地空间结构及演变机制[8]、生态用地景观安全格局[9-10]和生态用地需求量测算研究等[11]问题进行研究。近年来，许多学者基于用地演变规律对生态空间演变及其驱动力分析进行了大量研究，主要采用转移概率矩阵等研究方法对地类转化性质和转化数量进行定性定量分析。研究区域集中在东部沿海经济发达和高度城市化的地区[12-13]，研究尺度多以大中尺度为主，较少有学者对西部平原区域展开小尺度的生态用地变化研究。

平原地区较山地丘陵地区，具有地形平坦、人口集中等特点。广汉市受到成都经济发展辐射带动作用强烈，由传统农业耕种县发展为依靠石油装备业和食品制药业为主的西部百强县市，是西部平原快速城镇化区域的典型代表，境内三星堆古蜀文化遗址和众多古树名木也对其生态环境保护提出了较高要求。本研究选取西部成都平原的四川省广汉市作为研究对象，基于土地利用转移概率矩阵和重心迁移模型分析研究区生态用地的时空演变特征，然后从承担生态风险、生态服务供给、均衡生态系统的维度分析评价研究区生态用地演变导致的生态环境效应。以期研究结果能为生态用地空间的科学保护和土地资源的优化配置提供参考。

1 研究区概况

广汉市位于成都平原东北部(104°6′—104°29′E,30°53′—31°8′N)，幅员面积548.68 km2(图1)。境内地貌以平原为主，丘陵地貌仅为7.7%，总体地势西北低东南高，海拔450～590 m，相对高差较小。因近代河流的长期切割，形成六河六埂、槽埂相间的地形。青白江、石亭江、鸭子河、绵远河等河流横贯全市，构成通达的水系网络。土地利用以耕地为主，主要分布在平坝地区，多数土层深厚，适宜农作物生长，地势平坦，机械作业便利。森林覆盖率为17.1%，远低于全省43个重点开发区县森林覆盖率平均值41.18%，林地面积数量少。广汉地理区位优越(位于成都半小时经济圈和成德绵经济带腹心地带)，社会经济发达，素有“川西明珠”之称。2017年末广汉市总人口数为60.1万人，其中，城镇人口31.4万人、乡村人口28.7万人，城镇化率52.3%。2017年全年实现GDP值400.1亿元，三产结构比例为9∶51∶40，工业十分发达。

图1 研究区高程

2 数据来源与研究方法

2.1 生态用地的定义

目前，国内外尚未形成精准的生态用地定义，学者们从土地利用主体功能[14]、土地空间格局等[15]角度对生态用地的内涵进行了讨论。本文选择从土地生态功能角度，将生态用地划分为具有生态服务功能或具有保护生态系统和生物生境作用的土地[16]。受到平原地形影响，研究区的生态用地以耕地、水域、林地、草地等地类为主，其中起到主导生态服务功能和生态屏障作用主要为林地、水域等用地斑块。

2.2 数据来源

本文选取2000—2017年5期Landsat系列卫星作为数据源，空间分辨率为30 m，来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台，采用ENVI 5.3软件对影像进行几何校正、图像增强、镶嵌与裁剪等预处理工作。参照中国土地利用现状分类国家标准(GB/T21010—2007)，结合研究区实际情况，采用监督分类法将土地利用类型划分为有林地、经济林地(苗圃、果园等)、河流湿地(水域、滩涂)、疏林地、草地、耕地(水田、旱地)、城镇建设用地(城镇用地、其他建设用地)和农村居民点8类[17]，并结合Google Earth对分类结果进行精度检验，Kappa系数均达到0.8以上。基于ArcGIS 10.2软件，参照监督分类得到的结果，进行目视解译，最终获得2000年、2005年、2010年、2015年、2017年5期土地利用分类数据。NDVI数据由遥感影像计算得到；空间分辨率为30 m×30 m的DEM数据来自国际科学数据镜像网，通过GIS空间分析得到坡度、起伏度数据；距河流水体距离通过将研究区矢量数据转化为栅格数据，利用GIS邻域分析方法获取；社会经济数据主要来自研究区统计年鉴和乡村振兴规划编制课题组调查数据。

2.3 研究方法

2.3.1 生态用地空间特征量化

(1) 土地利用转移概率矩阵。基于ArcGIS 10.2平台，利用土地转移矩阵模型，分析研究区各类用地转移特征，其公式[18]为：

(1)

式中:A为土地面积;i为研究初期土地利用类型序号;j为研究末期的土地利用类型序号;n为土地利用的类型数。

(2) 重心迁移模型。运用重心迁移模型，分析生态用地和建设用地全局重心动态演变特征。t年用地重心计算公式[19]为：

(2)

(3)

式中:Xt,Yt分别为t年土地利用类型i重心的经度和纬度坐标;Ati为t年土地利用类型i的面积;Xi,Yi分别为土地利用类型的重心经度、纬度坐标。

2.3.2 生态环境效应评价 本文选择生态系统服务价值、生态敏感性与生态协调评估来反映生态用地演变对于研究区生态环境的供给生态服务功能、应对外界干扰、承载生态威胁等方面的影响。

(1) 生态系统服务价值。根据谢高地的改进型ESV价值评估方法中的标准当量因子价值量[20-21]，结合研究区现状地类面积，计算各用地类型的生态系统服务价值。计算公式为：

(4)

式中:ESV为生态系统服务价值;Pi为生态系统价值系数;Si为第i种用地类型面积;n为用地类型数量。

(2) 生态敏感性评价。生态敏感性能够反映生态系统对区域内自然和人类活动干扰的敏感程度[22]。根据相关研究[23-24]和研究区自然环境状况，选择高程、坡度、起伏度、植被覆盖指数(NDVI)、距水体距离5类影响因子，运用自然断点法将敏感性划分为5级(表1)。

表1 生态敏感性因子分级及权重

单因子对生态环境的影响水平各异，使用层次分析法计算权重，将各单因子评价加权叠加后得到生态敏感性综合评价结果。

(3) 生态协调评估。借鉴生态足迹、生态承载力与生态协调度模型，进行生态协调定量评价。用生态足迹量化人类生存发展对自然资源的要求，用生态承载力计算区域环境的提供能力，用生态协调度来表示生态系统承受压力情况。生态协调度计算模型[30]为：

(5)

式中:Ds为生态协调度，取值范围为1≤Ds≤1.414,其中Ds越小表示其生态系统压力越大,越大表示生态需求和供给越趋于平衡,可定量揭示区域生态环境的风险程度;EF为生态足迹(hm2/人);EC为标准生态承载力(hm2/人)。

(6)

式中:j为6类生态生产性土地资源[31];i为消费的资源或能源账户项目类别;ci为资源和能源的消费总量(t);pi为第j类生态生产性土地中第i类中产品全球平均产量;rj为某类土地均衡因子。

(7)

式中:aj为实际生态生产性土地面积;yj为产量因子;rj为均衡因子。

3 结果与分析

3.1 生态用地时空动态特征

3.1.1 生态用地时空分布 2000—2017年研究区各类生态用地空间分布见附图1。由附图1可知，耕地是研究区主要的生态用地类型，环绕中心城区分布，研究期间城市建设用地由中心区域逐渐向四周扩张，大量耕地受到挤压。河流是研究区生态用地的重要组成部分，由于鸭子河湿地自然保护区的设立和金雁湖公园、房湖公园等公园的修缮，河流湿地面积保持稳定并有少量增加，主要沿研究区境内鸭子河与石亭江分布。有林地和经济林地主要分布在研究区东部浅丘区，属于龙泉山脉的丘陵一角。其他生态用地较为细碎，星罗棋布于研究区境内。

2000—2017年研究区各类生态用地面积变化如表2所示。2000—2017年，研究区生态用地面积由49 410.57 hm2减至39 641.06 hm2，减少9 769.51 hm2，年均减少574.68 hm2。耕地是减少面积最多的地类，减少了10 726.91 hm2，受到快速城镇化和产业结构重心向工业倾斜的影响，大量耕地转变为其他用地。有林地和灌木林分别减少了63.01 ，6.12 hm2，这两类林地面积基数小，数量变化幅度较小；经济林地在研究期间增长了596.59 hm2，这得益于松林桃花山和东部苗木基地的建设。草地面积从40.31 hm2增加至68.8 hm2，河流湿地增加了401.44 hm2。2000—2005年，研究区石油装备业和制药、食品生产等第二产业迅速发展，传统种植业受冲击，耕地面积出现一定程度的下降，各类林地面积也呈下降趋势。2005—2010年，耕地依然是减少最多的地类，人工草地、有林地和灌木林减少量较少，河流湿地和经济林地分别增加了119.61 ，347.64 hm2。2010—2017年，耕地保护制度愈加严格，耕地面积减少速率放缓，而鸭子河湿地濒危候鸟保护区的恢复和改善以及金雁水苑湿地公园、马牧河湿地公园等湿地建设使得河流湿地面积出现较大增长，经济林地则因为水果种植业在东部区域的发展不断增长。

表2 2000-2017年研究区各类生态用地面积 hm2

3.1.2 生态用地转移特征 2000—2017年研究区土地利用转移情况见表3。2000—2005年，主要转移特征是耕地大量转移为非生态用地，有林地、灌木林地和经济林地转出量较小，其他生态用地基本维持总量不变。生态用地中，城镇建设用地和农村居民点是耕地主要转出对象，分别占转出总量的49.24%， 45.26%；经济林地的主要转移对象为河流湿地和城镇建设用地，占转出量比重为43.01%， 28.13%；河流湿地主要转出为耕地和非生态用地，其他生态用地变化较小。非生态用地转出总面积较少，致使期末总面积出现了明显增长。2005—2010年，主要转移特征是一定数量耕地向城镇建设用地转移，经济林地和河流湿地转入量较大，其他生态用地转移量较小。生态用地中，占耕地转出量69.54%的土地转移为城镇建设用地，但耕地转出总量降低；经济林地转入量有明显增加，442.03 hm2非生态用地转移为经济林地；河流湿地也有来自非生态用地的100.49 hm2转入，整体面积增加119.61 hm2。非生态用地中，城镇建设用地有2 996.49 hm2的转入面积来自耕地，农村居民点增速放缓。2010—2015年，主要转移特征是耕地转移速率放缓，经济林地、河流湿地等生态用地转入量增加。生态用地中，仍有部分耕地向城镇建设用地转移，转入耕地大多是农村居民点用地，耕地总量减少；经济林地向河流湿地转移，转出土地578.45 hm2；有林地转出土地中的74.65%转移为经济林地；河流湿地共有745.96 hm2的转入土地量，主要来自经济林地和农村居民点；其他生态用地转移较少。非生态用地中，城镇建设用地和农村居民点分别有4 235.47，224.17 hm2的生态用地转入。2015—2017年，主要转移特征是各地类转移速率放缓，用地结构渐趋稳定。生态用地中，经济林地有254.07 hm2转移为耕地，占转出量的80.95%；耕地转移为河流湿地和经济林地的面积为151.21，80.23 hm2，分别占转出量的56.59%，30.08%。非生态用地总量基本不变，农村居民点用地有部分转出。

3.1.3 土地重心转移特征 如图2所示，研究区生态用地重心处于中东部，2000—2010年生态重心向东部迁移，2010—2017年生态重心沿西北方向迁移；城镇建设用地重心处于中部，2000—2005年城镇重心向西北方向移动，2005—2010年城镇重心向西南迁移，2010—2017年城镇重心向东部迁移。2000—2010年，城镇建设用地集中于中部地区并向西南和西北方向快速扩张，挤压了生态用地空间，中部和西部的耕地面积转变为城镇建设用地，而东部经济林地面积有所增加，致使生态用地重心向东北方向移动。2010—2017年，研究区南部受到成都的辐射带动作用较强，旅游业发展迅速，位于研究区东南部的广汉经济开发区也由省级经济开发区升级为国家高新技术产业开发区，带给生态用地强烈的扩张压力。研究区西北区域分布着四川省重要商品粮基地，耕地面积流失较少，生态用地重心逐渐偏向西北方向移动。

表3 2000-2017年研究区土地利用转移矩阵

3.2 生态环境效应评价

3.2.1 生态系统服务与调节功能分析 2000—2017年研究区生态系统服务价值变化见表4。研究期内，生态系统服务价值由27.89亿元降至23.13亿元，减少17.07%，年均减少0.28亿元。其中，耕地景观减少量最大，生态系统服务价值占比由37.51%降至31.26%；其次为草地、林地、水域。受到研究区生态景观单一特性的限制，河流水域承担着主要的生态系统服务作用，耕地被建设用地挤占导致其对综合生态系统服务价值的贡献呈现减少趋势，而草地、林地景观数量较小，生态系统服务功能也较弱。因此，各景观类型中，水域的服务价值最大，且其占比由59.27%增至65.05%，表明它在区域生态系统服务价值供给中的地位逐年提升并趋于主导地位；然后是耕地和林地，草地服务价值最小。广汉市作为典型西部平原城市，其生态系统恢复与调节功能长期处于较弱状态，这是由于平原地区缺乏生态屏障易受人类活动扰动。但自2010年以后，生态系统服务价值下降趋势趋于和缓，这表明广汉市近年来愈加重视生态环境保护，维持了生态系统供给服务功能的稳定。

图2 2000-2017年研究区城镇建设用地与生态用地重心迁移

表4 2000-2017年研究区生态系统服务价值 亿元

3.2.2 生态敏感性分析 由附图2可知，2000—2017年，研究区生态极敏感和高度敏感区面积分别由1 865.61，6 900.53 hm2增加至3 495.08 ，11 194.93 hm2，主要分布在东部区域和河流沿岸：中度敏感区面积由12 545.58 hm2增加为24 371.79 hm2，中部和西部许多城镇化程度较高区域由轻度敏感转变为中度敏感；轻度敏感和不敏感区面积呈现明显下降，分别由17 614.71，15 886.66 hm2转变为13 717.27，2 034.02 hm2。从格局上看，生态敏感性总体呈现由东到西敏感程度逐渐递减的趋势，呈现这种分布规律主要是受到地势起伏和河网密度的影响。研究区西部地势和缓、地形平坦，地表覆盖多为耕地，生态敏感性较低；东部为低山丘陵区，河网分布密集，为高度敏感和极敏感分布区域，需要更严格的生态保护。

3.2.3 生态系统协调度分析 由图3可知，2000—2017年，研究区人均生态足迹从0.894 2增加至1.321 3 hm2/人，增加率为23.51%；人均生态承载力从0.654 2 hm2/人减少至0.494 4 hm2/人；生态协调度由平衡趋向不平衡发展。研究区生态系统协调度在2000—2005年靠近1.41，按照前文有关生态协调度的定义，在此期间生态系统处于较为平衡状态，生态赤字较小。2005—2010年，生态协调度趋向于1发展，表明生态系统整体偏向失衡方向发展，承受着较大的生态压力。可见，研究区人口快速增长和城镇扩展致使用地开发强度加大，生态容量逐渐减小，生态系统协调度降低。2010—2017年期间，人均生态足迹出现缓慢下降，人均生态承载力也基本维持不变，生态协调度数值整体较低但逐步向平衡状态发展。说明此期间广汉市优化农业布局、着力发展高新技术产业、积极治理水污染等举措对减轻城市发展对自然生态带来的压力起着积极作用。

图3 2000-2017年研究区人均生态足迹、生态承载力与生态协调度

4 讨论与结论

(1) 2000—2017年，受到城镇化的影响，广汉市生态用地流失严重，大量城镇边缘的生态用地被快速转化为建设用地。研究区生态用地总面积由49 410.57 hm2减至39 641.06 hm2，减少了9 769.51 hm2；其中耕地减少最多，减少了10 726.91 hm2；经济林地和河流湿地面积有所增长。从生态用地转移特征来看，耕地是转出面积最多的生态用地，大部分耕地转化为城镇建设用地；经济林地的主要转入面积来自耕地和城镇建设用地；河流湿地的主要转入面积来自林地和耕地。随着生态空间格局的改变，生态用地重心先向东部迁移，再向西北部迁移。

(2) 城镇化进程对生态系统整体状态产生了一定的负向影响，区域生态环境提供服务与承载威胁能力有所减弱，但从发展趋势来看，研究区生态供给能力和恢复能力缓慢趋向稳定方向发展。研究期内，生态系统服务价值减少了17.11%，生态极敏感和高度敏感区面积分别增加1 629.47，4 294.40 hm2，生态协调度下降了10.36%，生态系统处于趋稳状态。

土地利用类型转移通过改变生态景观格局与生态过程对区域生态系统结构、功能与承载能力等方面造成影响，引发系列生态环境效应。本文通过转移矩阵和重心变化较为清楚地对广汉市生态用地时空演变特征进行了阐述，从多角度分析了生态用地演变带来生态系统供给能力、承载能力与平衡能力方面的变化。但本文仅探讨了生态用地的变化造成的生态环境效应研究，不足以揭示用地变化与生态环境之间的影响机制和相互关系。

从时间上看，2000—2010年广汉市经济快速发展，城镇建设迅速扩张，强烈扰动了生态用地格局，生态空间被严重挤压，带来负面生态环境效应，使得生态系统承受巨大压力；2010—2017年在广汉市倾力打造水生态体系的背景下，鸭子河、湔江、石亭江等河流生态系统的保护与修复，以及多个湿地公园和经济种植果园的建设促进了生态用地面积的增加，为生态系统释放了压力，生态环境保护取得明显成效。受到地形地貌的影响，为支撑生态系统和谐稳定做出大量贡献的并不是占地面积最大的耕地，而是河流水系和林地。因此，广汉市应加大力度保护林地和河流水系这两类生态系统服务价值系数较高的生态用地，利用有限的土地资源实现合理的生态用地规划。