快速城镇化地区土地利用变化及其生态环境效应评价*——以佛山市顺德区为例

杨丽萍，胡月明，廖 琪，缑武龙，刘吼海

（1.广州市华南自然资源科学技术研究院，广东 广州 510610；2.自然资源部建设用地再开发重点实验室，广东 广州 510642；3.广东省土地调查规划院，广东 广州 510075；4.广东友元国土信息工程有限公司，广东 广州 510642；5.海南大学热带作物学院，海南 海口 570228）

0 引言

生态环境是人类生存和发展的主要物质来源，生态环境的发展与社会经济的可持续发展有关，它在人类改造自然的同时对人类的破坏会产生负反馈[1]。近年来，城市化与工业化的快速发展已经影响到生态环境[2]。为此，我国“十四五”规划纲要中明确提出：坚持生态优先、绿色发展和共抓大保护、不搞大开发，协同推动生态环境保护和经济发展，打造人与自然和谐共生的美丽中国样板。评价生态环境状况是保护生态环境的重要基础和前提，已有众多学者开展生态环境评价研究并取得一定的成效[3-5]。早期学者主要针对生态环境某一单方面要素进行评价，如气候要素评价[6]、土壤要素评价[7]、水文要素评价[8]等。但生态环境质量是一个由多要素构成的综合体，仅以单一要素为切入点进行相关评价研究，评价结果缺乏系统性与综合性。因此，近年来，已有大量学者开展生态环境综合评价研究。例如，束加稳等在现有生态环境评价指标体系的基础上结合杭州市实地情况将该市评价指标体系分为自然、经济、社会三个子系统，进而选择SO2年均浓度、PM2.5浓度、NOx削减率等43个指标，将IAHP与熵值法相结合用于确定指标权重值，运用AHP方法评价杭州市生态环境质量，并提出提高杭州市生态环境建设的对策[9]。目前，有关生态环境综合评价的研究已较为成熟，但较少考虑土地利用变化所导致的生态环境变化对其带来的影响，而土地利用变化与人类活动密切相关，对生态环境演变有着重要的影响[2]。

课题组以城镇化快速发展的顺德区为研究对象，以Landsat TM、ETM+遥感影像数据作为基础数据，运用RS、GIS技术，在系统分析1992—2012年顺德区土地利用/覆被格局时空变化特征的基础上，对研究区土地利用变化引起的生态环境效应进行定量评价，剖析土地利用/覆被变化对生态环境质量的影响，揭示土地利用/覆被变化的生态效应，以期为研究区合理利用土地资源、治理生态环境问题提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

顺德区位于珠三角腹地，地理坐标为东经113°1'~113°23'，北纬22°40'~23°2'。行政区域面积806.55 km2，北接广州，南近港澳，该区经济发展较快，是广佛都市圈、粤港经济圈的重要组成部分。顺德区地理位置示意图如图1所示。该区于2019年实现地区生产总值突破3 500亿元，比上年增长7.0%以上；连续8年位居全国综合实力百强区第一。经济快速发展的同时伴随着土地利用类型的快速转变，严重影响了当地生态环境状况，为此，对该区开展土地利用变化及其生态环境效应评价相关研究具有重要的意义。

图1 顺德区地理位置示意图Figure 1 Geographical location of Shunde District

1.2 数据来源

课题组采用Landsat遥感影像为主要数据源进行土地利用变化研究，分别为1992年11月1日Landsat-5 TM影像（来源于美国地质勘探局）、2002年11月7日和2012年11月2日Landsat 8 OLI影像（来源于地理空间数据云：http://www.gscloud.cn/）。空间分辨率为30 m×30 m，影像含云量均小于1%，图像质量好。并且，利用ENVI软件对影像进行几何校正、辐射定标、大气校正、裁剪等预处理操作，以消除在影像获取中产生的几何与辐射畸变。此外，在生态环境效应评价中主要用到的数据包括顺德区2008—2013年统计年鉴、2007—2012年生态环境数据与相关文字资料。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用类型解译

依据《土地利用现状分类标准》（GB/T 21010—2017），结合研究区土地利用现状特征，基于ENVI软件平台，采用最大似然法进行监督分类，将研究区土地利用类型划分为耕地、坑塘水面、林地、城镇用地、河流水域、农村居民地与其他用地七类，得到研究区1992年、2002年和2012年土地利用现状图。

1.3.2 生态环境效应评价

土地利用变化影响着资源与环境的变化，并影响着区域生态环境质量与社会经济的发展。随着城市化进程的加快、社会经济的高速发展，人类加大了对土地的利用程度，区域土地利用类型也发生了变化，生态环境也变得愈发脆弱。课题组在对研究区的土地利用现状、土地利用结构变化以及动态演变的时序特征进行了探讨后，对顺德区生态环境效应进行评价。

1）评价指标体系构建。PSR模型是指20世纪80年代末联合国经济合作开发署和联合国环境规划署共同提出的“压力-状态-响应”（PSR）模型框架。其优点在于能将生态环境和社会经济状态两者有机地统一在一起，是目前应用较多的一种研究生态安全评价的思路[10-11]。课题组以PSR框架为基础，参考前人研究[1,12]并综合考虑顺德区的土地利用变化情况以及社会经济发展状况，确定顺德区生态环境效应评价系统的层次结构，以此建立顺德区土地利用变化的生态环境效应评价指标体系，如表1所示。由于评价指标体系包含着正向相关性与负向相关性不同的指标，课题组采用极差标准化法[13]对原始数据进行无量纲化处理，得到标准化的指标值。

表1 顺德区土地利用变化生态环境效应评价指标体系Table 1 Comprehensive evaluation index system of eco-environmental effects of land use change in Shunde District

2）指标权重确定。确定评价指标权重是评价生态环境效应的关键环节。由于课题组所选的生态环境效应评价指标综合性强，包含的信息量复杂，因此，课题组采用熵权法用于确定各评价指标的权重。该方法是一种客观的指标权重确定方法，操作简单，精度较高，且能有效排除了主观因素的影响[12]。信息熵越小，信息的无序度越低，其信息的效用值越大，指标的权重也越大；反之，信息熵越大，信息的效用值越小[14]。

3）评价指数计算。单项指标及其权重只能反映土地利用变化的生态环境效应其中一方面的状况，而土地利用变化的生态环境效应评价系统具有层次性和复杂性。为了更好地反映生态环境效应状况，课题组结合顺德区的特点，根据前人的研究成果[15-16]，确定本研究生态环境安全等级划分标准。将各单项指标相应的权重进行逐层计算，采用指数加乘混合法将加法和乘法混合一起使用，利用权重分别计算得出生态环境效应评价综合指数、压力指数、状态指数和响应指数。

参考国内其他学者所构建的模型[17-18]得出以下计算公式：

生态环境效应评价综合指数：

压力指数：

状态指数：

响应指数：

式中：Wi为各指标权重；Yij为指标归一化值；m为指标项数；Wpi为压力指标对压力指数的权重（各压力指标权重做归一化处理，下同）；Wsi为状态指标对状态指数的权重；Wri为响应指标对响应指数的权重。E、P、S、R的数值取值范围为［0，1］，综合指数值为0时，则表示人类活动对顺德区生态环境效应综合影响趋于消极，即压力强，响应弱，生态环境差。综合指数值为1时，则表示人类活动对顺德区生态环境效应综合影响趋于积极，即压力弱，响应强，生态环境良好。即指数值越大表明人类活动对生态环境效应综合影响越积极[18]。顺德区生态环境安全等级划分如表2所示。

表2 顺德区生态环境安全等级划分Table 2 Classification of ecological environment safety level in Shunde District

2 结果与讨论

2.1 土地利用变化

顺德区1992年、2002年和2012年土地利用现状图、土地利用结构变化情况及土地利用类型面积变化数据，分别如图2、图3、表3所示。统计分析1992—2012年顺德区不同土地利用/覆被类型面积特征可以看出，该区土地利用类型呈现“四增三减”的变化规律。即城镇用地、林地、农村居民地和其他用地四种土地利用类型的面积增加，而耕地、坑塘水面与河流水域三类的面积减少。其中，城镇用地面积增加幅度最大，1992—2012年期间增幅为147.89 km2。城镇用地与农村居民地面积的较大幅度增加，主要与研究区的城市化建设快速发展有关。人口增加、社会经济发展致使居民用地以及基础设施用地、交通用地增加，研究区的工业发展也是城镇用地增加的很重要的原因。林地面积的小幅度增加，主要与研究区的生态环境治理工作以及开荒种植有关。坑塘水面是研究期间面积减少最多的地类，1992—2012年期间共减少了252.1 km2，主要原因可能是城镇用地的扩张占用、农业结构的调整。此外，未利用地开发程度也越来越高。

表3 顺德区土地利用类型面积变化Table 3 Area changes of land use types in Shunde District

图2 顺德区土地利用现状图Figure 2 Land use types in Shunde District

图3 顺德区土地利用结构变化Figure 3 Changes in land use structure in Shunde District

2.2 生态环境效应评价

根据式（1）、式（2）、式（3）、式（4）计算得出顺德区生态环境综合评价指数，结果如表4所示。可以看出研究期间顺德区生态环境效应综合指数处于0.25~0.75之间，生态环境属于“较差”与“一般”状况。综合指数最小为2007年的0.425，最大的为2012年的0.630，并呈现逐渐上升的趋势。2007—2009年生态环境效应综合评价指数均处于0.25~0.5之间，即研究区生态环境处于“较差”状况，生态环境受到一定破坏，生态系统结构发生变化，受干扰后易恶化，生态问题显现。2010—2012年生态环境效应综合评价指数均处于0.5~0.75之间，即研究区生态环境处于“一般”状态，生态环境受到破坏较少，生态系统结构较完整，生态问题不明显。从表4可以看出，研究期间压力指数逐渐上升时，响应指数也逐渐增加，而综合指数也有着逐渐上升的趋势，状态指数在压力指数增大的同时间歇性地减小。表明顺德区在研究期间对于生态环境保护力度是逐年加强的，有着积极的成效。

表4 顺德区生态环境效应综合评价指数表Table 4 Comprehensive evaluation index table of ecological environment effect in Shunde District

总体来看，近年来，顺德区随着社会经济的快速发展，城镇化进程加快，工业化程度快速发展，人口不断增加，人类活动对土地利用需求程度不断加重，土地利用结构变化不合理，土地利用变化给生态环境带来了许多负面的影响。虽然对生态环境的保护力度在不断加强，但仍无法满足快速发展的社会经济的需求，土地生态环境的有序性与稳定性遭到破坏，人口、资源与环境的压力不断增加，生态环境系统的生态调节功能被逐渐削弱，生态环境状态变差。

3 结论

1）在1992—2012年20年期间，顺德区土地利用格局变化较大，土地转换明显，土地利用类型变化呈现“四增三减”的变化规律。即城镇用地、林地、农村居民地和其他用地面积增加，耕地、坑塘水面与河流水域面积减少。其中，城镇用地面积增加幅度最大，坑塘水面是研究期间面积减少最多的地类。

2）顺德区在研究期间压力指数呈现上升态势，状态指数呈现减小与增大波动态势发展，响应指数呈现上升趋势。生态环境遭到的压力响应是积极的，有利于生态环境的可持续发展。综合指数呈现逐渐上升的趋势，但总体上数值偏小，生态环境综合状况一般，生态环境处于较严峻的态势。