近20a衡邵娄干旱走廊土地利用/覆被与生态环境状况变化研究

张沛 陈吟 赵伟明 邓晓雅 盛东 王燕云

摘 要：土地利用/覆被变化与区域生态环境关系密切，在一定程度上反映了生态环境变化，影响区域生态环境质量优劣。为探究土地利用/覆被变化与生态环境状况变化的成因与驱动因素，采用空间分析技术和生态环境状况评价方法，对比分析了衡邵娄干旱走廊2000—2020年土地利用/覆被变化，评估区域生态环境质量变化情况并探讨其变化原因。结果表明，衡邵娄干旱走廊区域土地利用/覆被类型主要以林地和耕地为主，面积占区域总面积的94.22%，但近20 a来林地与耕地面积呈现显著减少的趋势，主要原因是区域经济的增长导致城镇化加速，造成了建设用地的面积激增，占用了大量耕地和林地。同时，干旱缺水在一定程度上促使区域耕地面积转化为其他土地利用类型。多种因素作用下，区域生态环境状况等级从“优”降为了“良”。

关键词：土地利用/覆被变化；生态环境状况指數；土地利用转移；衡邵娄干旱走廊

中图分类号：K903；X22                                       文献标志码：A

0 引 言

土地利用/覆被变化是影响区域生态环境的重要因素，也是生态环境变化的重要表征[1-2]。随着人类活动影响范围不断扩张，土地利用/覆被受干扰程度不断加大，其功能结构性变化更加剧烈，引发的水文效应、生态环境效应等问题日益突出[3-4]。土地利用/覆被变化对水文效应的影响主要表现为农业大规模开垦种植，城市化过程，水土保持措施对降水径流过程、水量平衡状况的影响[5]。对生态环境的影响主要表现在三个方面。一是改变了地表物理特征，从而影响太阳辐射的吸收和反射[6]，例如，天然植被转化为硬化建筑面积之后，对太阳辐射的吸收量减少，反射量增加，导致区域温度升高。二是影响大气中的微量元素，从而改变地表生物地球化学的循环过程[7]。三是改变和影响生态系统的结构及组成、生物多样性、区域水分循环特征，从而对生态系统功能产生影响[8]。土地利用/覆被变化对生态环境影响的相关研究多而庞杂。从研究内容上看，主要涉及单一研究土地利用变化，土地利用变化对社会、经济、生态环境的影响及其耦合交互内涵与机理分析研究[9]；从研究区域看，相关研究涉及了重要城市群[10-12]、重要功能区[13-14]和生态脆弱区[15-16]等。

传统意义上的干旱区生态环境变化是广大学者关注的焦点，而因特殊环境条件影响造成的干旱地区生态环境变化相对研究较少。衡阳、邵阳和娄底位于湖南省中部地区，由于四面环山、降水时空分布不均等因素的影响，在湿润区形成了一个相对干旱的走廊地带[17]。衡邵娄干旱走廊是湖南省主要的产粮区，在气候变化和人类活动的双重影响下，土地利用/覆被变化在近10 a（2010—2020）较为剧烈[18]，其变化原因、变化过程需要进一步研究。基于此，本文对比分析衡邵娄干旱走廊2000—2020年土地利用/覆被变化，评估区域生态环境质量，探讨土地利用/覆被变化的驱动因素与生态环境质量变化的成因，为区域综合治理提供决策支撑和科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

衡邵娄干旱走廊包含湖南省衡阳市、邵阳市、娄底市，以及永州市的新田、东安、祁阳和冷水滩4县区，地理位置位于湖南省中部，东低西高，东西长350 km，南北宽280 km，总面积5.12×104 km2，占全省国土面积的24.2%。1961—2015年区域多年平均降雨量1 361 mm[19]，多年平均水面蒸发量为765.3 mm。受四面环山的地形影响，区域水汽被阻断，降水量较省内其他区域偏少，并且区域内土壤土质保水性差，大旱和特大旱发生概率达到30%[20]。

1.2 数据来源

采用的遥感数据为Landsat 8-TM影像，分辨率为30 m，获取的三期影像成像时间均为7—9月份，年份分别为2000年、2010年和2020年。水资源数据来源于湖南省水利厅，污染物排放数据来源于湖南省生态环境状况公报，河道长度、湖库面积数据来源于遥感影像，土壤侵蚀数据分级根据《土壤侵蚀分类分级标准SL19—2007》中土壤侵蚀强度面蚀（片蚀）分级指标（见表1）。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用数据生成

利用ENVI 5.3和ArcGIS系统平台，参照《生态环境状况评价技术规范（HJ 192—2015）》[21]对于土地利用类型的划分，对遥感影像进行监督分类和人机交互式判读，生成标准化矢量数据，并通过野外调研和实地验证对土地利用数据进行校正，最终获得研究区不同时期土地利用数据。通过野外调研验证和对比分析，三期土地利用数据精度的Kappa系数分别为0.891、0.903和0.911。

1.3.2 土地利用转移矩阵计算

土地利用转移矩阵可以表征研究区内土地利用类型流转的方向和数量，是研究土地利用动态变化的有力工具。基于ArcGIS空间分析功能，将得到的区域土地利用数据进行叠加运算，获取衡邵娄干旱走廊2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年三期土地利用转移矩阵，对研究区各时段土地利用/覆被的流动与转化情况进行分析。土地利用转移矩阵的计算方法见式（1）。

式中：Sij为土地利用类型j转变为土地利用类型i的面积；n表示土地利用类型的数量。

1.3.3 植被覆盖度提取

归一化植被指数NDVI是反映植被生长状态和植被空间分布的最佳指示因子[22]，其大小综合反映了植被覆盖区域的植被类型和植被生长状态等，被定义为近红外波段与红波段的反射率之差和反射率之和的比值。本研究采用NDVI作为植被覆盖度的重要参数，具体计算方法见公式（2）和（3）。

式中：Fc为对应像元植被盖度，NDVIveg是对应纯植被像元的NDVI值，NDVIsoil是对应纯土壤像元的NDVI值。

1.3.4 生态环境状况指数计算

根据文献[21]，生态环境状况指数（Ecological Index，EI）可分为5级（见表2）。

2 结果分析

2.1 土地利用组成及其变化分析

基于三期遥感影像的解译结果，将各土地利用/覆被类型取均值进行分析，可知衡邵娄干旱走廊地区以林地为主，占区域总面积的59.63%；其次是耕地，占区域总面积的34.59%；草地、建筑用地、水域湿地面积分别占2.55%、1.84%和1.36%，未利用地面积为0.03%。

将三期遥感解译土地利用/覆被按时间顺序纵向比较，分析其变化情況，可知耕地、林地、草地20 a来呈现显著减少的趋势，总面积减少了848 km2，其中近10 a（2010—2020年，下同）减少面积达691 km2，占整个研究时期的81.49%。减少的面积中，以耕地和林地为主，尤其是耕地面积减少336 km2，

林地面积减少275 km2。而建筑用地和水域湿地面积近20 a有所增加，尤其是建筑用地，近20 a增加了806 km2。未利用地面积从研究时段初期的15 km2减少到7 km2，面积减少了53.33%。

2.2 土地利用/覆被动态变化分析

采用土地利用转移矩阵，分析区域土地利用/覆被变化的驱动因素。2000—2010年，耕地面积净减少97.99 km2，林地净减少52.29 km2，主要是被建设用地扩张占用，其中建设用地占用耕地67.76 km2，占用林地67.70 km2。建设用地面积净增加136.85 km2，水域湿地面积净增加了19.26 km2。详见表4。

2010—2020年，建设用地面积净增加668.14 km2，水域湿地面积净增加了30.27 km2，二者增加的主要来源是耕地和林地；耕地面积净减少了336.47 km2，林地面积净减少274.67 km2，草地面积净减少80.30 km2。详见表5。

分析研究时段内各种土地利用类型的动态变化，可知，建设用地、水域湿地一直呈正向动态变化，耕地、林地、草地和未利用地呈负向动态变化，其中建设用地动态度绝对值最大，说明近20 a建设用地呈现大幅度扩张的态势。对比分析同一土地利用类型动态度在2000—2010年和2010—2020年之间的差别（见表6），可知2010—2020年时段内各土地利用类型之间的转化程度较前一阶段剧烈。

2.3 生态环境状况变化

利用生态环境状况指数计算方法，分别计算了生物丰富度指数、植被覆盖度指数、水网密度指数、土地胁迫指数、污染负荷指数，见表7。

近20 a，生物丰富度指数略有降低，从2000年的65.89降低到2020年的64.49，下降了1.40；植被覆盖度指数降低幅度较大，从2000年的79.03下降到2020年的72.11，下降了6.92；水网密度指数从2000年的77.05增加到2020年的79.21；土地胁迫指数从2000年的4.24增加到2020年的4.76；污染负荷指数从19.86增加到26.81。在各指数的综合作用下，生态环境状况指数从2000年的76.74下降到74.03，下降幅度为2.71，说明区域生态环境略有变差。生态环境状况分级则从2000年的“优”降为了2020年的“良”。

3 讨 论

从土地利用/覆被的变化情况看，对生态环境状况有促进作用的土地利用类型中，除水域湿地面积有所增加，林地和耕地面积均呈现下降的过程（见表3），主要由建设用地面积扩张导致。近20 a建设用地的扩张是衡邵娄干旱走廊土地利用变化的主要驱动因素。经济的增长和产业结构的变化推动了城镇化的发展，城镇人口的增长和城镇化的发展，推动了建设用地面积的扩张。由图3可知，近20 a衡邵娄干旱走廊区域社会经济取得了长足发展，国内生产总值、第一、二、三次产业增加值分别增长了948%、414%、1 028%和1 256%，增速均超过全国平均水平。在社会经济增长的同时，城镇化率也逐步提高，从近20 a的人口组成变化来看，人口总数逐年减少而城镇人口数量逐年增加，从而促进城镇化率的不断上升，从2001年的26%增长至2020年的52%。

水域湿地面积增加主要是由降水增加所导致。从相关研究结果来看，虽然衡邵娄地区降水量未有明显突变趋势，但近10 a降水量增加的趋势十分明显，导致地表水资源量增加。根据《湖南省水资源公报》，近20 a湖南省地表水资源量较多年平均值偏多，2020年衡邵娄干旱走廊区域地表水资源量较多年平均值增加7%。

耕地面积的减少主要有两个方面的原因：一是建设用地的就近扩张占用。二是由于区域干旱情况较为严重，受气候干旱的影响，部分农业用地不得不荒废，从而向其他土地利用类型进行转化。近10 a耕地面积减少了3.36万hm2，但农业用水量2020年比2010年不减反增。因此，衡邵娄干旱走廊用水压力依然巨大。2020年7月开工建设的犬木塘水库是国务院部署的172项重大水利工程项目之一，是解决衡邵娄干旱走廊地区干旱缺水问题的骨干水源。灌区设计灌溉面积8.11万hm2，灌区渠系包括1条总干渠、5条分干渠和13条骨干支渠[20]。项目建成后，可优化区域水资源配置、解决衡邵娄干旱走廊中心区域缺水现状，对保障粮食安全、保证区域居民生活用水安全以及改善灌区内河道生态环境均具有十分重要的意义。

4 结 论

采用空间分析技术和生态环境质量评价方法，对比分析了衡邵娄干旱走廊2000—2020年土地利用/覆被变化，评估了区域生态环境质量变化情况并探讨其变化原因。主要结论如下。

（1）衡邵婁干旱走廊区域土地利用/覆被类型主要以林地为主，面积占区域总面积的59.63%，耕地面积占区域总面积的34.59%，草地、建筑用地、水域湿地面积分别占2.55%、1.84%和1.36%，未利用地面积为0.03%。

（2）林地、耕地、草地面积20 a呈现显著减少的趋势，建设用地和水域湿地面积则呈显著增加的趋势，尤其是建筑用地20 a增加了806 km2。近10 a土地利用/覆被类型转化的强度较大，主要原因是区域经济的增长导致城镇化加速，造成建设用地的面积激增，且以占用耕地和林地为主要扩张方式。

（3）由于建筑用地的扩张和林草地、耕地面积的减少，导致区域生态环境状况有所下降，生态环境状况等级从“优”降为“良”。

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Changes of Land Use and Cover and Ecological Environment in the Arid Corridor of Hengyang-Shaoyang-Loudi from 2000 to 2020

ZHANG Pei1，CHEN Yin1，2，ZHAO Weiming3，DENG Xiaoya1，SHENG Dong3，WANG Yanyun1，4

（1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2. International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation，Beijing 100048，China；3. Hunan Institute of Water Conservancy and Hydropower Research，Changsha 410007，China；4. China Reinsurance （Group） Corporation，Beijing 100033，China）

Abstract：Land use/cover change （LUCC） is closely related to regional ecological environment，and，to some extent，reflects the eco-environment changes and affects regional eco-environmental quality. To investigate the causes and drivers of LUCC and eco-environmental changes，and to assess regional eco-environmental quality，we employed spatial analysis techniques and eco-environmental evaluation methods to compare the LUCC in the arid corridor of Hengyang-Shaoyang-Loudi between 2000 and 2020. Results indicate that forest land and cultivated land constitute the primary land use types in the Arid Corridor，accounting for 94.22% of the total area. However，over the past two decades，both forest land and cultivated land have experienced a significant decline largely due to accelerated urbanization resulting from regional economic growth，leading to a surge in construction land and encroachment upon cultivated land and forest land. Meanwhile，drought and water scarcity have contributed to the conversion of arable land to other land use types. Consequently，the regions ecological condition has downgraded from being “excellent” to “good”.

Key words：Land use/cover change；ecological index；transfer of land use；Arid Corridor of Hengyang-Shaoyang-Loudi