成都平原城市群2000-2019年土地利用变化及其生态环境效应

王 晶, 侯兰功, 何小勤, 刘 涛, 邓莹佳

(1.西南科技大学 土木工程与建筑学院, 四川 绵阳 621000; 2.湖州师范学院, 浙江 湖州 313000)

土地是人类赖以生存的资源和载体，土地利用变化是由人类活动与环境变迁相互作用下产生的一种复杂转变[1-2]。自改革开放以来，随着中国经济快速发展，城市化进程加快，城市建设用地进一步扩张，从而导致土地利用本底格局发生巨大改变，人地矛盾突出，植被破坏、土地荒漠化、水土流失以及土壤污染等生态环境问题[3-4]频频出现。随着全球环境变化研究的不断深入，学术界普遍认为土地利用变化是引发生态环境变化的重要因素之一，其中土地利用/覆被变化与生态环境之间有着密切且复杂内在联系，土地利用要素改变往往会造成各种生态环境问题[5-6]。对于快速城镇化地区，人类活动的干扰强烈，土地利用对生态环境的影响更为复杂，揭示土地利用变化规律及其生态效应特征，对于建设区域生态文明及可持续发展具有重要意义。

19世纪以来，世界范围内的工业化、城镇化提速明显，城市问题突出，城镇化地区的土地利用变化引起的环境效应得到广泛关注。在19世纪中期，George Perkings Marsh出版了《Man and Nature》，首次探讨论述了土地利用变化与生态环境之间的关系，为协调土地利用变化与生态环境提供了理论指导[7-9]。1995年土地利用/覆被变化研究计划由IGBP和IHDP共同发起[10-11]，使全球土地利用变化与生态环境效应之间的联系更加紧密。之后提出“全球土地计划”，进一步推动了土地利用/覆被变化的生态环境效应研究，使土地利用/覆被变化的重心落在对生态环境的影响上。国外学者对土地利用/覆被变化及其生态环境效应的研究，主要是从土地利用变化对大气环境的影响、对水资源的影响以及对土壤的影响等单一自然因素方面进行研究[12-14]。中国学者对于土地利用/覆被变化的研究着重于城市化地区以及生态环境敏感区两个区域。尹占娥等[15]分析了典型快速化区域浦东新区土地利用变化特征，发现土地利用变化会引起一系列的生态环境问题。张芳怡等[16]发现苏州市生态环境质量下降是由于耕地向建设用地转换，生态环境质量上升是由耕地向水域转换导致。黄忠华等[17]认为快速城镇化地区建设用地的增加或减少是影响生态环境的主要原因。且早期国内关于城镇化所导致的土地利用变化的生态效应研究，主要集中于土地利用变化对土壤、水环境以及生物多样性等单一生态要素的影响[18-19]，部分学者分析了土地利用变化对景观格局及生态质量等生态效应的影响[20-21]，后期扩展到土地利用变化对区域整体生态环境的影响研究[22-25]。研究范围集中于东南沿海经济发达区域[26-27]，而对于西部快速城镇化区域和经济发展核心区域关注较少，同时西南地区城镇化快速发展下所引起的环境问题亟待解决。

成都平原城市群是四川省核心经济区域以及城镇化进程较快的典型区域，作为西南地区重要发展区域之一，在快速城镇化背景下城市扩展与生态环境之间的矛盾突出，具有一定代表性。鉴于此，本文以2000—2019年的成都平原城市群土地利用数据为基础，首先分析城市群的土地利用时空变化特征，然后对该区域土地利用变化及其生态环境效应进行定量分析，以期为西部城市群土地资源管理和城市开发、建设提供理论支持和实践参考，同时为中国城市群的土地利用管理、生态环境保护等相关政策的制定提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

成都平原城市群位于中国四大盆地之一的四川盆地的西部，大部分位于川西平原地区(图1)，位于29°25′—33°02′N和102°49′—105°03′E之间，具体包括成都、德阳、眉山、乐山、雅安、资阳(不含安岳)、绵阳(不含盐亭)7个地级市，形成了西部敞口的地理环状带，总面积约8.10×104km2，是典型的平原城市群。成都平原城市群2019年常住人口3.53×107人，GDP达到2.70×1012元，占全省的58%，处于四川省核心经济区域，是四川省城市群中经济基础最好、综合实力最强的经济区。统计发现，成都平原城市群城镇化率由2000年的34.22%提升至2019年的55.2%，其年均增长率为1.2%，处于明显的快速城镇化阶段[28]。在此背景下，人口的大规模集中导致土地利用发生急剧变化，城市群建设用地扩张导致大量耕地被占用。近20 a来，成都平原城市群建设用地面积由1 986.19 km2扩展至3 690.59 km2，快速城镇化背景下的土地利用变化必将对生态环境产生一系列影响亟待解决。

a 四川省城市群空间分布 b 成都平原城市群规划范围

1.2 数据来源与处理

本研究采用2000—2019年5期土地利用数据，遥感影像数据均来自地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)(表1)。运用ENVI5.3中Seamless Mosaic工具镶嵌，再利用Subset Data from ROIs工具裁剪，经ERDAS IMAGINE9.3中图像增强、辐射定标、大气矫正、裁剪等步骤，利用最大似然法对假彩色影像进行监督分类后得到。利用Google Earth的高分辨率影像对分类结果进行对比修正处理，最后随机选取500个样本点对修正后分类结果进行精度验证，使吻合度基本一致，总体精度均大于85%，能够为这次研究提供数据支持。

表1 成都平原城市群影像来源

土地利用分类采用中国科学院资源环境数据库中的土地利用分类系统[29]，本文根据该系统土地资源利用方式和覆盖特征将其分为两级：①一级主要根据土地的资源属性和利用属性分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6种类型；②二级主要根据土地自然属性分为22种类型(水田、旱地、有林地、灌木林、疏林地、其他林地、高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地、河渠、湖泊、水库坑塘、永久性冰川雪地、滩地、城镇用地、农村居民点、其他建设用地、沙地、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石质地)。

受文章篇幅影响，本文在进行土地利用变化及转移分析时将土地利用类型归并为一级类进行分析；为了更加深刻的反映土地利用变化对其生态效应的影响，本文生态环境效应部分采用土地利用二级分类体系。为建立土地利用变化与生态环境质量的数量关系，本文参考李晓文等[22],方创琳等[30]的研究成果，对22个土地利用类型所具有的生态环境质量进行模糊赋值(表2)。

表2 成都平原城市群土地利用分类系统及生态环境指数赋值

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用变化分析

(1) 土地利用转移矩阵。土地利用转移矩阵来自于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述[31]。转移矩阵是将各地类土地利用变化的转移面积按矩阵形式排列，通过这一矩阵可以分析土地利用结构变化以及方向变化。其表达形式如下：

式中：Sij表示初期的第i种土地利用类型转变为末期的第j种土地利用类型的面积;i,j分别为研究初期与末期的土地利用类型;n为土地利用类型的数目。转移矩阵中,行表示初期的第i种土地利用类型,列表示末期的第j种土地利用类型。

(2) 用地变化率指数。用地变化率指数，是指研究期间内，土地利用类型i从研究初期到研究末期单位面积发生的改变，反映不同用地类型的变动态强度特征。其计算公式为：

式中：Ki为研究时段内某一种用地类型的变化率； LUit0和LUit1分别表示研究期内初期和末期某类生态用地土地利用类型i的面积；T为研究时段。

1.3.2 用地生态价值重要性计算方法 土地利用类型通常按照一定的生态环境视角来划分，土地利用类型的不同，导致其生态环境质量具有明显差异[32]。

(1) 城市群各类用地生态价值重要性研究方法，能够表征区域内各类用地类型占该区域生态价值总量的重要程度。其公式为：

Evi=LUiCi

(3)

式中：LUi为研究期内成都平原城市群各类用地的面积；Ci为各类用地i的生态环境指数； Evri为各类用地i的生态价值重要性。

(2) 城市群扩展的生态价值贡献率。城市群扩展的生态价值贡献率研究方法，能够反映研究期间内同一用地类型的生态价值变动情况及其对城市群生态价值变动总量的干扰程度，即贡献率。计算公式为：

式中：Evimax为某类土地利用类型i在研究期间内的最大生态价值； Evimin为某类土地利用类型i在研究期间内的最小生态价值； Lecvi为城市群扩展的生态价值贡献率。

1.3.3 城市群生态环境质量指数 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，以EV值定量表征某一区域内生态环境质量的总体状况，EV值越大，表示生态环境质量越高，反之，生态环境质量越低。其表达式为：

式中：EVt为区域生态环境质量指数; LUi,Ci为该区域内t时期第i种土地利用类型的面积和生态环境指数; TA为该区域总面积;N为区域内土地利用类型数量。

1.3.4 用地转移的生态质量动态演化 城市群土地利用转移的生态质量动态演化，指某一种土地利用类型变化所导致的城市群生态质量的改变，主要分为生态环境改善及恶化两类。其计算公式为：

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

(7)

式中：LEI为土地利用转移的生态质量动态影响;其表征每一种变化类型所体现的一种生态价值流,使得城市群内部某一区域的生态价值上升或降低。LE,LEt+1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。

2 结果与分析

2.1 成都平原城市群土地利用时空演化分析

2.1.1 土地利用时空变化分析 2000—2019年成都平原城市群土地利用变化总体呈“四增两减”的趋势(表3)，建设用地、林地、水域、未利用地面积增长，草地、耕地面积减少。其中，建设用地面积增加最大，增加面积1 704.60 km2，主要发生在成都市中心城区边缘；耕地减少面积最大，减少面积1 722.51 km2，大多发生在城区与近郊区的交界处、原有农村居民点处以及各区县及县城附近。

表3 2000-2019年成都平原城市群土地利用面积变化特征 km2

分阶段来看，2000—2010年成都平原城市群土地利用变化主要为建设用地、林地、未利用地以及水域4类用地面积增加，耕地、草地2类用地面积减少。其中，建设用地增加最多为914.52 km2，占2010年面积比例为31.53%，表明2000—2010年随着研究区城镇化的快速推进，城市空间拓展，建设用地扩张迅速；耕地减少最多为911.04 km2，国民经济建设和房地产开发占用耕地，耕地呈持续减少趋势。2010—2019年成都平原城市群土地利用变化主要为建设用地、水域用地面积增加，耕地、林地、草地、未利用地用地面积减少。

2010—2019年土地利用变化特征与2000—2010年相似，建设用地仍旧增加最多，增长面积790.07 km2，年均增长面积79.01 km2，占2019年面积比例为21.41%，但建设用地面积增长速度明显放缓，新增建设用地面积同比下降13.3%，表明成都平原城市群有效落实“有保有压”的调控政策，内涵挖潜，积极盘活存量建设用地，节约集约用地水平持续提升。同时，耕地仍为减少面积最大的地类，表明受国家围绕生态环境制订的一系列生态保护政策影响，成都平原城市群实施退耕还林政策效果显著，相比于2000—2010，2010—2019年耕地面积净减少明显放缓。

2.1.2 土地利用转移分析 2000—2010年耕地转向建设用地面积为1 064.62 km2，比例最大，转移位置主要集中在各城市边缘区，建设用地对近郊耕地的侵占(图2)。其中，成都市耕地转换为建设用地趋势最明显，这与其作为区域核心、经济发展较快密不可分。其次，耕地转向林地面积较大，转移面积为975.88 km2，转移位置主要集中于西部丘陵与平原的交汇地带，平原地区分布较少且分散。出现这一趋势主要是由于农业种植结构调整(由传统粮食种植向林果种植转变)以及退耕还林政策的影响。

图2 2000-2019年成都平原城市群主要土地利用类型面积转移特征

2010—2019年期间，耕地转向林地最为激烈，转移面积为1 456.59 km2；林地转向耕地1 447.34 km2；耕地转向建设用地1 207.13 km2，其原因仍为受退耕还林、耕地保护政策以及城镇化快速发展的影响。由2000—2010，2010—2019两期成都平原城市群土地利用转移数据得出，2010—2019年期间土地利用转移强度高于2000—2010年，表现为2010—2019年期间耕地转建设用地面积、林草转建设用地面积、水域转建设用地的面积比2000—2010年期间所对应的转移面积分别增加142.51，10.3，20.93 km2。

2.1.3 变化率特征分析 根据城市群用地变化率指数计算结果如图3所示。2000—2010年成都平原城市群用地变化率较高的土地利用类型为两类：建设用地(6.47%)、未利用地(4.60%)，增加面积分别为：914.52，106.39 km2。2010—2019年，研究区用地变化率较高的土地利用类型包括两类：建设用地(3.03%)、水域(1.25%)，增加面积分别为：790.07，106.54 km2。通过近20 a用地变化率指数的计算表明建设用地变化速率最为明显，体现了研究区正处于快速城镇化的过程中，城市空间快速拓展，建设用地增长迅速；对未利用地的开发强度不断增强，使得土地后备资源充足；水域变化速率明显，表明国家退耕还湖政策推行效果明显。

图3 2000-2019年成都平原城市群不同时段土地利用变化率

2.2 成都平原城市群土地利用变化生态环境效应分析

2.2.1 生态价值重要性分析 近20 a来成都平原城市群林地的生态价值重要性最高为53.81%，且基本保持稳定，对生态价值的影响较大(图4)。其中，有林地是林地二级分类中生态价值重要性最高的子类型，其平均重要性为31.02%，其次疏林地生态价值影响也较大为12.44%，在以后的城市群土地利用过程中，尽量减少对有林地、疏林地的侵占并提升其质量，避免生态价值的减少，保持良好的生态环境。其中，除林地生态价值重要性较高外，草地及耕地对研究区的生态价值影响也较大，生态价值重要性平均值分别为15.16%，26.82%。其高覆盖草地和中覆盖草地的平均值分别为6.79%，8.34%，旱地、水田为14.68%，12.94%。其中建设用地、水域、未利用地平均重要性均未超过2%，对研究区的生态价值影响较小。各类用地类型之间的生态价值重要性差异显著，表明在城市群扩展过程中，要注重对林地、耕地、草地及其主导重要性子类型的保护与合理利用，将其生态价值影响发挥到最大，避免在城市群扩展过程中造成生态价值降低。其中2000—2019年建设用地增加最多，但建设用地生态价值重要性较小为1.98%。

图4 2000-2019年成都平原城市群不同用地类型

2.2.2 用地扩展生态价值贡献率分析 近20 a来成都平原城市群建设用地面积增加了1 704.4 km2，生态用地面积减少了1 705.67 km2，两者的变化对生态环境都产生影响。计算城市群扩展的生态价值贡献率(图5)。如图5所示，不同用地类型变动的生态贡献率差异较大，介于0.02%～36.10%。其中耕地(36.10%)、林地(25.42%)、建设用地(18.14%)以及草地(15.08%)4类用地变动生态价值贡献率较大，合计用地变动生态价值贡献率为94.76%。这表明在城市群扩展过程中这4类用地变化对生态环境产生影响较大，在往后城市群扩展过程中需注意这4类用地的变动速度及规模，而水域、未利用地变动对生态贡献率较小，其用地变化对生态环境影响较小。

图5 2000-2019年成都平原城市群扩展的生态价值贡献率

2.2.3 成都平原城市群生态环境变化及原因分析 在研究期间，成都平原城市群生态环境指数呈先降后升的特征，2000—2019年的区域生态环境质量指数分别为0.453 8，0.453 7，0.458 6，0.458 0及0.458 6，其年均上升0.024%。结果表明，2000—2019年期间成都平原城市群总体生态环境较为稳定，区域总体生态环境质量稳定。

成都平原城市群内部生态环境质量又分为改善和恶化两种趋势，这两种趋势在城市群内部相互抵消，使城市群生态环境质量保持总体稳定。研究区一级类土地利用转变贡献率较大的转移类型为耕地转林地、草地转林地，占改善贡献率的81.44%(图6)。

图6 2000-2019年成都平原城市群一级类土地利用类型转变生态贡献率

对该区域生态环境恶化贡献率较大的转移类型为耕地转建设用地、林地转草地以及林地转耕地，占恶化贡献率的84.86%。在此期间，退耕还林是生态环境改善的主要原因，耕地、林地被其他用地占用是生态环境恶化的主要原因。因二级类用地生态特征更为明显，本文进一步分析了2000—2019年二级类土地利用转移特征，详细分析生态环境改善与恶化的趋势。

2000—2019年导致成都平原城市群生态环境质量改善的因素主要有退耕还林、还草和耕地内部转化、林地和草地之间及其内部转化，主要表现为生态质量指数较低的用地类型向生态质量指数较高的用地类型转化(表4)。其中，退耕还林草部分占生态贡献率的37.11%，林地内部转化部分占生态贡献率的33.13%，林地和草地用地之间的转化占生态贡献率的9.55%。近20 a，导致研究区生态环境质量恶化的主要原因是城乡建设用地规模扩大、毁林毁草、围湖造田、林地内部的转化以及林地和草地之间的转化，表现为生态质量指数较高的用地向生态质量指数较低的用地转化。其中，耕地转化为建设用地部分占生态贡献率的9.69%，林地和草地之间的转换部分占生态贡献率的9.90%，林地内部转化部分占生态贡献率的17.17%，毁林草造田部分占生态贡献率的41.56%。由此可见，林地与草地的退化是研究区生态环境质量恶化的主导原因，而林地与草地的增加以及其质量改善是生态环境提升的主导因素。总体上，成都平原城市群虽同时存在生态环境改善和恶化两种趋势，但两种趋势一定程度上抵消，使其生态环境质量总体保持动态稳定趋势。

表4 2000-2019年成都平原城市群导致区域生态环境变化的主要土地利用类型变化及贡献率

3 结 论

成都平原城市群自然条件优越，经济发展水平较高，是城市群扩展土地利用变化研究样本区域。本研究运用成都平原城市群土地利用数据，分析2000—2019年该区域土地利用变化特征，并探讨了城市群扩展对生态环境质量的影响。

(1) 2000—2019年成都平原城市群土地利用变化面积呈现典型“四增两减”特征。2000—2010，2010—2019土地利用变化特征相似，增加及减少最多的用地均为建设用地与耕地，但在2010—2019年用地变化趋势放缓。近20 a，用地转换主要为耕地转向林地、耕地向建设用地转化;其耕地转移林地发正在西部丘陵与平原的交汇地带，耕地转移建设用地发生在各城市主城区与近郊区交界处以及各区县附近。

(2) 成都平原城市群土地利用变化对生态环境影响显著。研究时段内，林地的年均生态价值重要性高达53.81%，占主导优势。土地利用变动对生态价值的影响差异较大，用地变动对生态价值贡献率较高的为耕地、林地、建设用地、草地4类，合计贡献率为94.76%。

(3) 2000—2019年期间成都平原城市群生态环境质量基本保持稳定，生态环境质量呈现改善和恶化两种趋势并存的局面，区域生态环境质量指数由0.453 8上升至0.458 6。导致研究区生态环境变化的原因主要为林草地面积增加或减少。

4 讨 论

本文以成都平原城市群为研究对象，揭示快速城镇化背景下成都平原城市群土地利用变化及其生态环境效应，为城市群生态环境保护以及生态环境可持续发展提供科学依据。成都平原城市群用地变化特征主要为：建设用地大面积增加，耕地减少较多，用地转换为耕地转向林地及建设用地，但此变化特征与2020新《土地管理法实施条例》中的严格控制耕地转为非耕地以及建设用地应尽量不占或少占耕地等条例相悖。所以，在成都平原城市群往后土地利用规划中，应按照新《土地管理法实施条例》严格管控土地利用方式，注重土地利用有序性，强化土地利用集约管理机制，保护修复区域生态环境。落实耕地保护政策，严守18亿亩(1.20×108hm2)耕地红线，保护耕地的数量和质量，严格控制成都平原城市群耕地转为非耕地；节约集约利用该区域建设用地，合理控制建设用地的增量，提高建设用地土地利用效率；认真践行林地、草地保护政策，将荒地转为高质量生态用地，以强化成都平原城市群林地保护、生态修复等手段，将成都平原城市群建设成为青山、绿水、田园、河流等多种形态并存的生态系统，以可容许的生态环境容量调控成都平原城市群的人口与产业的集聚规模，降低城市群扩展对生态环境产生的负面影响，提升城市群发展的可持续性。成都平原城市群现有耕地面积占比较高，其东部地区蓝绿空间相对较少，在快速发展中土地利用与生态环境质量都将发生巨大的变化，如何协调生态用地与建设用地之间的关系，以区域差异视角优化城市群用地结构，从而实现高质量发展有待深入研究。