长春市土地利用时空转型及其生态环境响应

范铭轩，姜海玲，张舒涵，吕增淼，王丽遥

(吉林师范大学 旅游与地理科学学院，吉林 四平136099)

0 引言

在对全球变化的研究中,社会经济飞速发展,导致了土地利用类型的转变和空间重构,对区域生态环境造成恶劣影响,甚至威胁区域生态安全[1-2]。臭氧层破坏、生态系统受损加剧、海平面上升等众多生态环境问题严重影响人类活动,全球变化科学已受到广泛重视[3-4]。

研究表明,土地利用转型是造成生态环境变化的主要原因[5-6],它是人地关系间最主要的体现形式[7],其改变不仅对区域气候、水资源和碳排放等[8]环境因素产生变化,还会影响景观生态格局[9]、区域生态系统结构及其服务价值[10-11],从而产生复杂多变的生态环境效应。区域生态文明建设离不开规范化、合理化的土地利用空间布局[12],反之,随意变更土地利用格局将会带来诸多生态环境问题,如土地荒漠化、河流泛滥和生物多样性减弱等问题,严重侵害人类健康与发展,此类生态问题将在以后的城市发展体现得更为突出,严重干扰城市生态文明建设。

目前国内外学者已对土地利用转型及其区域生态环境质量(生境质量)变化获得了大量研究成果。国外学者认为,土地利用分析的影响因子过于单一,将逐步向可持续发展的土地转变[13]。Du等[14]利用遥感影像探究了快速城市化进程中杭州市土地利用转型的生态效应。Li等[15]利用生态系统服务模型和地理加权模型分析了中国南四湖的空间格局与生态系统服务的时空变化关系。在国内,任涵等[16]利用西安市景观格局变化分析,结合同心缓冲区分析城乡梯度内景观指数与生态系统服务价值的特征及其相互关系。王成等[17]通过建立评价指标体系探究重庆市荣昌区村镇城市化进程与生态环境效应协调发展的时空格局。

长春是吉林省的重要发展城市,经济发展迅速,城市化和工业化水平较高。本文以长春市为研究对象,基于2001年、2011年和2021年3期高分辨率遥感解译数据,分析2001—2021年间长春市土地利用格局与空间转型特征,并对生态效应进行综合评估,旨在揭示长春市环境改善与恶化的影响因素,为规范长春市土地利用格局,解决人类活动导致的生态环境问题提供参考依据。

1 研究区概况

长春市(包括公主岭市)总面积约为25 000 km2,位于120°30′E～127°51′E,43°13′N～45°17′N。长春市包括3个县级市、1个县和7个区,与松原市、四平市、吉林市和哈尔滨市相邻,是吉林省的政治、经济和文化中心。长春市位于松嫩平原东部,地势由东南向西北降低,相对高度平缓,土地类型以耕地为主,属于温带季风气候,年均降雨量约为600 mm,主要集中在夏季,冬季寒冷干燥。长春市是全国的重要交通枢纽城市,境内有京哈线、长大线等多条铁路线,并有东北地区四大国际机场之一——长春龙嘉国际机场,社会经济发展前景向好。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源与处理

土地利用数据来源于武汉大学Yang J和Huang X教授团队发布的CLCD全国土地利用数据[18],空间分辨率为30 m×30 m,总体精度高于80%。本文选取2001、2011、2021年3期长春市高分辨率土地利用遥感解译数据,参照《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)[19],利用ArcGIS软件将遥感解译结果重新划分成6个一级地类,与之对应的生态环境质量指数数据来源于文献[20]的研究结果,如表1所示。

表1 土地利用分类与生态环境质量指数

2.2 研究方法

2.2.1 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[21],指将各地类土地利用转移的面积,按照矩阵的形式进行排列,直观反映不同地类间面积的转变情况[22-24],从而实现土地利用功能在不同情景下转型。通过GIS软件对土地利用数据进行叠加分析,得出各时段的转移矩阵,表达式为:

(1)

式中:Aij为i类土地利用类型变化为j类土地利用类型的面积,n为区域土地利用类型数量。

2.2.2 土地利用动态度

区域研究初期到末期各土地利用类型前后的面积变化强度,通常采用土地利用动态度来计算,可直观看出不同用地类型的动态强度特征[25],也可用来预测未来土地趋势。计算公式为:

(2)

式中:K表示t1、t2时段前后某种土地类型的动态度,St1、St2表示此时段前后该地类的面积。K值的变化波动,反映了转化成其他地类的数量。

2.2.3 土地利用生态效应评价

① 区域生态环境质量指数

区域生态环境质量指数可定量评定区域内生态环境综合状况[26],表达式为:

(3)

式中:EVt为t时期环境质量指数,Ati为t时期第i种地类面积,Ri为第i种地类的生态质量指数,TAt为区域总面积,n为土地利用类型数。

② 土地利用转型生态贡献率

为便于量化区域内土地利用功能转型的生态环境质量贡献情况,通常使用土地利用转型生态贡献率方法,可直观表达生态环境的改善与恶化效应[27],表达式为:

(4)

式中:LEI为土地利用功能变化的生态贡献率,LE0、LE1分别为变化前后的生态环境质量指数,LA为变化面积,TA为区域总面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用转型分析

3.1.1 土地利用时空变化

根据长春市2001年、2011年和2021年3期土地利用类型图(如图1所示),总体来看2001—2021年间长春市耕地面积占比最大,几乎遍布全市;草地和未利用土地面积较少,主要位于农安县;林地大部分位于长春东部地区,在九台区、双阳区和二道区分布最广泛,少量分布在榆树市和公主岭市;水域集中在长春市中部地区,主要分布在南关区、二道区和九台区南部,农安县也存在部分水域;建设用地主要位于长春市中南部(宽城区、绿园区、朝阳区、南关区和二道区),分布集中且规模较大。结合图2可更直观探析长春市近20年间的土地利用变化趋势,可看出: 2001—2021年耕地面积占比常年超过75%,其次是建设用地和林地,未利用土地范围较小,面积最小。耕地、建设用地是长春市发展所需的重心土地利用类型,随着城市的扩张,建筑物急剧增加,由城区逐步扩大到郊区,20年间建设用地共增加了759.91 km2,增长率为39.01%。相较之下,林地、水域、草地和耕地的原有面积遭到破坏,分别减少了37.51、68.41、246.58、282.94 km2,面积减少率分别为2.35%、9.21%、35.58%、1.46%。

图1 2001年、2011年和2021年长春市土地利用图Fig.1 Land use maps in Changchun in 2001, 2011 and 2021

图2 2001—2021年长春市不同土地利用类型面积变化Fig.2 Area change of different land use types in Changchun from 2001 to 2021

3.1.2 土地利用转移矩阵

长春市在2001—2021年地类间转换较为明显,各种土地类型间都存在空间转移与面积变化情况,基于转移矩阵直观表达出地类间的相互转换,如表2所示。整体来看,林地面积并未发生太大变化,主要与耕地相互转换,面积的转入转出基本持平,即维持自身的生态平衡。近20年间由于政策的变化,导致耕地面积变化剧烈,与其他地类间转换频率较高,其中转入耕地面积较多的是林地和草地,分别为187.47、295.99 km2,同时耕地向外转出的地类面积主要以建设用地和林地为主,分别为614.18、157.09 km2。草地的转出量约占总转出量的21%,转型成其他面积为425.91 km2。由于政府对水域和未利用土地的保护,使其开垦面积较少。

表2 2001—2021年长春市各土地利用类型转移矩阵

20年间长春市经济建设不断完善,城市化进程加快,建设用地不断扩张,致使其他土地利用类型转入建设用地面积最多,为784.62 km2,其中绝大部分来源于耕地,小部分源自水域、荒废草地;转入耕地的面积,主要来自草地、林地和水域,其中草地约占40%,可以看出适当的毁草造田可以为城市增加部分耕地面积。

3.1.3 土地利用动态度变化

根据式(2)得出长春市土地利用动态度,如图3所示。结果显示,在2001—2021年间,前10年草地的土地动态度最为明显,后10年建设用地的土地利用动态度最为显著;建设用地动态度始终为正值,面积不断扩张;草地、水域和未利用土地动态度始终为负值,面积持续减少;耕地和林地因不确定因素动态度在20年间出现正负值交替情况。具体体现在:

图3 2001—2021年长春市土地利用动态度Fig.3 Land use dynamic degree in Changchunfrom 2001 to 2021

① 2001—2011年,长春市正处于城市发展初级阶段,土地利用类型间转化缓慢。其中建设用地开发迅速,土地利用动态度最大,为1.25%;林地陆续被开发利用,为0.13%;耕地变化较小,为0.03%。由于各地类间的相互转型,导致草地、水域和未利用土地面积减少,动态度表现为负值,其中草地面积减少最快。可以看出部分草地、水域被破坏和未利用土地被破坏,转型为建设用地等其他地类。

② 2011—2021年,长春市发展迅猛,建设用地面积范围不断向外扩展,土地动态度最大,从1.25%升高至2.36%。相比之下,其他地类均呈现负值,面积减少由快到慢排序为:未利用土地>草地>水域>林地>耕地。各土地利用动态度变化明显,长春市的发展重心与产业结构在持续变化和改革。

同时,20年间长春市人口从705.7万快速增长至851.7万,加上经济高速发展,直接导致了土地城市化进程加快。耕地出现大面积减少,草地、未利用土地面积部分被开垦,而建设用地面积不断扩张。

可以看出城市发展不协调,耕地—建设用地的转型使土地生产能力遭到破坏,同时土地水土保持能力也受到不同程度的影响。

3.2 生态环境对土地利用转型的响应

3.2.1 生态环境综合质量演变

① 生态环境质量指数分析

通过区域生态环境质量指数计算得出长春市2001、2011、2021年各土地利用类型生态环境质量指数(如表3所示),建设用地生态环境质量指数逐渐增大,草地、水域和未利用土地生态环境质量指数不断减小,综合指数分别为0.312 1、0.308 1和0.304 3,整体上长春市生态环境质量呈现微下降趋势,说明地类变化的最终结果对生态环境存在消极影响,建设用地的开发可能对生态环境造成一定损害。

表3 长春市各土地利用类型生态环境质量指数

② 生态环境质量空间格局

通过自然断点法将长春市的生态环境质量分成4个级别,如图4所示,生态环境质量等级和土地利用类型的分类差异有一定的空间对应关系。耕地类型是高质量区,几乎未被城市污染,生态环境质量稳定,主要分布在中部地区;低质量区主要以建设用地和水域为主,主要位于长春市中北部,在宽城区、绿园区、南关区和朝阳区,这些地区经济发展较快、社会设施完善以及人文因素较强,生态环境和城市发展节奏不一致。综上所述,2001—2021年生态格局整体较为稳定,一直维持相对平衡的生态环境,总体向好。

图4 长春市 2001年、2011年和2021年生态环境质量空间分布格局Fig.4 Spatial distribution pattern of eco-environmental quality in Changchun in 2001, 2011 and 2021

③ 各县区功能定位及生态环境质量变化

近20年来,长春市以中心城区(朝阳区、南关区、宽城区、二道区和绿园区)发展为重心,促进新型产业向中心城区及周边组团集聚,引导传统产业向外围地区转移,其中朝阳区大力发展第三产业且加强水库汇水区保护;南关区重点发展现代服务业;宽城区加快老工业基地改造;二道区大力推进旧城改造;绿园区发展轨道客车产业。以上城区的功能定位致使长春市中心城区建设用地范围不断向外围扩张,中心水域面积得到保护,而耕地等其他用地面积则减少,导致中心城区的低质量区范围逐渐扩大。另外,次中心城区中双阳区接纳中心城区转移的教育产业,九台区和农安县等地大力发展农副产品加工产业和旅游休闲产业等。次中心城区长期以耕地和林地为主且没有明显变化,建设用地面积未出现大幅度增加,以致次中心城区中农安县的较低质量区范围略有减少,其他地区生态环境质量趋于稳定状态。

3.2.2 土地利用转型生态贡献率分析

为深入探讨影响长春市生态环境质量的原因,通过土地利用转型生态贡献率计算出长春市土地利用转型及其生态指数贡献率(如表4所示),进而分析各地类间的转化对生态环境质量的影响。通过对比分析可知,长春市大面积的土地利用转型主要集中在耕地与草地、林地和水域之间的相互转变,大量生态价值较低的耕地转变为草地、林地和水域,是生态环境改善的主要原因,贡献率占比分别为20.21%、56.70%和17.75%。造成部分耕地退耕还林还草的主要原因是九台区、农安县等地大力发展旅游业,需扩大林地草地面积,优化当地生态环境,提高生态环境质量,从而加强旅游资源的培育与养护。

表4 长春市2001—2021年土地利用转型及其生态指数贡献率

与此同时,造成长春市生态环境质量恶化的主要原因是草地和林地转化为生态价值较低的耕地以及大面积耕地被建设用地占用,贡献率占比分别为37.58%、27.12%和16.32%,此3种地类转型占总恶化贡献率达80%以上。可看出,长春市在2001—2021年间生态环境质量的改善和恶化同时存在,耕地向林地转型大大加强了长春市生态环境质量的改善,但恶化程度总体依旧高于改善趋势。因此,应综合考虑长春市产业布局与其贡献效率,对土地利用格局进行合理规划,在确保经济稳定发展的同时,注重保护生态,改善生态环境质量。

4 结束语

本文以高空间分辨率土地利用数据为基础,通过土地利用转移矩阵和生态环境质量等方法,从多角度分析土地利用空间格局,可以看出土地利用转型和生态效应的联系。2001—2021年间城市化发展造成长春市土地利用格局发生改变,部分自然生态环境受到污染,虽然有些地类间的转型对生态环境有所改善,但生态环境质量未能出现上升趋势。土地利用空间格局优化,需要协调各地类间面积占比,适时调整产业结构,加强生态文明建设,推动土地利用的可持续发展等工作。因此,政府需重视退耕还林还草的生态政策,落实耕地保护政策,同时合理节约利用建设用地,寻找平衡点以协调城市建设和生态安全之间的关系。

由于篇幅有限,本文没有深度探究造成影响土地利用转型的具体因素以及未来变化,在今后研究中将对地类间转型的驱动力进行探析,结合自然因素、人文因素和国家政策等因素分析不同时期长春市土地利用转型,权衡经济建设和生态环境保护关系,旨在为长春市构建可持续发展的土地利用格局。