典型石油城市土地利用变化及其生态环境效应——以大庆市为例

张小虎，孙 茜，张合兵，黄晓东，雷国平

土地利用是人与自然交叉最为紧密的环节，土地利用及其变化对生态系统的结构和功能，对区域气候、土壤、水文、生物多样性等产生重大影响[1]，从而对生态环境产生深刻影响。当前人类正以前所未有的速度、幅度、程度改变着土地利用和土地覆盖，土地利用/覆盖变化（LUCC）几乎影响了从基因到全球的所有组织水平[2]。1995年国际地圈和生物圈计划（IGBP）和全球变化人文项目计划（IHDP）联合提出“土地利用/覆盖变化科学研究计划”，促进土地利用/覆盖变化研究，认识到土地利用/覆盖变化是生态环境变化的重要起因，并将其列为全球变化4个主要问题之一[3，4]。研究区域土地利用变化及其生态环境效应变化对于深刻认识区域的生态环境、维持生态平衡、促进区域经济与环境的协调发展具有重要意义[5，6]。国内外学者针对土地利用变化及生态环境效应进行大量探索，主要分为三类，一是LUCC对水、土、气、生等单要素的影响效应，二是LUCC对生态系统服务功能的影响效应，三是LUCC对景观格局的影响效应[7，8]。目前已从对气候、水文、土壤以及生物等单一要素的研究发展到区域生态环境的综合研究[9-12]，但是由于土地利用变化与生态环境间相互作用机制的复杂性，研究多从生态系统服务价值的角度进行[13，14]，由于未对生态服务价值进行区域修正，从而使得研究结果存在偏差，并且可比性较差。鉴于此，本研究在对相对生态价值进行区域修正的基础上开展深入研究。

大庆是中国石油之都，石油资源开发占用大量优质草原、耕地等，导致土地利用发生剧烈变化，加之重开发轻管护，其地表植被破坏和生态环境恶化的程度远远超过一般城市。特别是近20年大庆市经济社会快速发展，土地利用变化空前，直接影响经济社会、生态环境以及国家能源安全。同时，大庆位于我国北方农牧交错带，具有良好的气候、土壤、植被等环境因素以及土地利用的过渡特征，对全球变化的响应和人类活动作用极为敏感，处于IGBP和IHDP确定的陆地带——中国东北样带（NECT）内。因此，以大庆市作为研究区，采用GIS与RS相结合技术，揭示其土地利用变化及生态环境效应，从而深化资源型城市人地关系认识，为大庆市经济社会的持续健康发展提供借鉴。同时，对于保障区域生态安全，促进区域经济社会与环境持续发展，构建良好的土地利用生态安全格局，具有重要的应用价值和典型的科学意义。

1 研究区概况

大庆地处松嫩平原中部，属松花江流域，介于北纬45°46′-46°55′，东经 124°19′-125°12′之间，是哈大齐轴线的中心，土地总面积为510700 hm2。境内无山岭，地势平坦，地形发育主要受水力、风力作用，地貌表现为波状起伏的低平原，稍高处多为平缓的漫岗，其上植被发育较差；平地多为耕地、草原，同时分布着许多面积不等的盐碱小丘；低处多为排水不畅的季节性积水洼地和低位沼泽和碱水泡子。受季风影响，春秋气温变化急剧，多风沙。石油开采极大的改变了大庆市的土地利用/覆盖，驱使土地利用呈多元化发展趋势，形成油田、城市、耕地、草地等用地类型相互交错的复合土地利用模式、石油开采导致地下水大量上升，造成土壤盐渍化、沙化、土壤及水体污染、湿地萎缩等，土地利用的生态环境效应显著。

2 数据来源与处理

文中研究数据来源于大庆市1987和2005年SPOT影像，以经过配准的大庆市1∶10万地形图为参照，在ERDAS8.6平台上进行影像校正，获取两期不同时相标准影像。运用遥感信息与地学信息相结合，室内判读与专家经验、野外调查相结合方法，通过人机交互判读得到图形数据和属性数据。同时，采用MAPGIS6.7软件进行土地利用现状信息的提取和数据库建设。根据研究区土地利用方式、覆盖特征等特点，同时参考中国科学院资源环境数据库中1∶10万土地利用分类系统，将研究区分为6大类，即耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地（图1和图2）。

3 大庆市土地利用变化分析

3.1 土地利用数量转变

土地利用变化首先表现为不同土地利用类型面积变化，土地利用转移矩阵是研究土地利用变化的重要内容。通过对不同土地利用类型的转化研究，从而把握区域土地利用变化的趋势和结构特征。

表1 1987-2005年土地利用变化转移矩阵 （单位：hm2）

从表1可知，1987-2005年大庆市土地利用变化幅度：草地＞未利用地＞建设用地＞水域＞耕地＞林地，其中未利用地、建设用地、耕地和林地呈增加趋势，草地和水域呈减少态势。草地由45.41%下降到18.41%，减少137922.21hm2；未利用地从0.98%激增到21.83%，18年间变化率高达2 134.65%。源于大庆经济社会快速发展，建设用地增幅较大，并且油田开发建设占用大量草地、水域等，从而导致草地、水域大幅减少。同时，说明在石油开采过程中忽视生态环境保护，导致部分土地退化、盐碱化，致使未利用地大面积增加。为实现耕地数量动态平衡，通过开垦草地、未利用地等补充耕地。1987-2005年研究区土地利用类型转变频繁，共有200617.11hm2土地发生地类转变。其中，草地净减少137922.21hm2，水域净减少17699.54hm2，未利用地净增加106490.84hm2，建设用地净增加32964.27hm2，耕地净增加10563.24hm2，林地净增加5603.41hm2。转移量占主导的是草地退化为未利用地，达89252.99hm2，占总转移量的44.49%；其次是草地开垦为耕地，达21365.34hm2；再次为油田开发及城市建设占用草地，为20718.13hm2；第四位是水域退化为未利用地，为17121.9hm2；其他主要转移类型依次是草地转为林地，耕地转为建设用地，林地转为耕地。

3.2 土地利用组合类型

通过上述分析可知大庆市土地利用变化剧烈，为分析其土地利用组合类型变化，采用Weaver-Tomas组合系数法研究其土地利用主要类型变化。Weaver-Tomas组合系数法是将土地的实际分布与假设分布相比较，从而逐步逼近实际分布，得到最接近实际分布的近似分布，该分布组合即为所求组合类型[15]。

表2 土地利用组合类型

由表2可知，1987年大庆市的土地利用组合类型数为2，组合类型为水域-耕地型；所辖五区的土地利用组合类型为草地-耕地-水域、草地-耕地、水域-草地、耕地-建设用地-水域四种类型。其中，耕地、水域在大庆市土地利用中占有绝对优势，五个区均存在该土地利用组合类型。说明1987年研究区在土地利用上以农业为主导，农牧业占重要地位。随着大庆市经济社会发展特别是石油工业、城市建设加速，2005年研究区土地利用组合类型数为4，组合类型为草地-水域-建设用地-未利用地型，所辖五区的土地利用组合类型数明显增加，组合类型数为4或5，土地利用结构呈现多样化趋势，但是建设用地、未利用地面积在土地利用结构中占有重要地位，表明其土地利用类型已由农业主导转为工业主导。主要是城市建设、原油开采及其附属设施建设，城市建设用地激增，加之研究区属于闭流区域，排水不畅及原油不合理开采使得草地、耕地等不断退化，导致盐碱地剧增。

4 大庆市土地利用变化生态环境效应

4.1 生态环境质量指标构建

土地利用类型可反映不同生态环境特性，代表不同生态环境质量，体现区域生态质量差异性。因而，对各土地利用类型所具有的生态环境质量进行赋值，并与土地利用变化类型和变化过程结合起来，通过建立土地利用与生态环境质量的关联，追踪土地利用及变化的样式、数量和空间特征，从而定量分析区域生态环境变化数量和空间特征[16]。采用彭建等[17]提出的相对生态价值，依据Costanza等对全球不同生态系统类型服务功能价值测算结果的比例关系，建立土地利用变化与生态环境效应的联系，从而揭示土地利用变化的生态环境效应。由于Costanza计算的全球生态系统服务价值是全球均值[18]，并且某些数值存在偏差。因此，以谢高地制定的中国生态系统单位面积生态服务价值当量[19]为依据，同时结合大庆实际对单位面积年农田自然粮食产量的经济价值作相应修正，即以2005年大庆粮食平均产量5406kg/hm2为基准单产，粮食单价按1.35元/kg，同时考虑没有人力投入自然生态系统提供的经济价值是现有单位面积农田提供的食物生产服务经济价值的1/7[20]，从而计算大庆市单位面积农田每年自然粮食产量经济价值为1042.6元/hm2·a，应用Costanza等提出的估算方法进行测算。鉴于谢高地研究中缺乏建设用地相关数据，参考张淑英等[21]研究成果与其他土地利用类型生态服务价值的比例关系确定。同时，结合研究区实际对各土地利用类型的生态质量在[0-1]内赋值，即为各土地利用类型的相对生态价值，反映单位面积不同土地利用类型的生态价值比例关系。

表3 大庆市不同土地利用类型的相对生态价值

（1）生态环境质量指数

生态环境质量指数综合考虑区域各土地利用类型所具有的生态环境质量及面积比例，定量表征区域生态环境质量的总体状况，公式为[22]：

式中：LUi为区域t时期第i种土地利用类型面积；Ci为区域t时期第i种土地利用类型的生态环境质量指数；TA为区域总面积；n为区域内所有土地利用类型数。

（2）土地利用转变类型生态贡献率

土地利用转变类型生态贡献率指某一土地利用类型变化导致区域生态质量的改变，公式为[9]：

式中：EIt+1、EIt为某土地利用变化类型变化末期和初期所具有生态质量指数；LA为该土地利用变化类型的面积；TA为区域土地总面积。

4.2 生态环境效应分析

（1）生态环境质量指数变化特征

根据公式（1）计算大庆市生态环境质量指数（表4）。由表4可知，1987-2005年大庆市生态环境质量指数总体呈下降态势，从1987年的0.337下降到2005年的0.240，累计减少0.097。而同期大庆市GDP从110.15亿元增加到1326.49亿元，人均GDP增长9.3倍，说明大庆市在经济社会发展中没有正确处理好经济建设与生态环境保护的关系，存在牺牲生态环境的现象，在今后的发展中加大生态环境保护力度，走资源节约与环境友好型的内涵式发展道路。在各土地利用类型中，研究期内草地、林地的生态环境指数较大，其中耕地、林地、建设用地、未利用地的生态环境质量指数呈增加趋势，而草地、水域生态环境质量指数持续减少。主要是由于大庆的土地利用坚持“地上服务地下”的原则，油田开发建设占用大量的优质草原、耕地、林地等，并且对生态环境造成一定污染和破坏，从而使得土地利用变化产生负面生态效应。

表4 1987-2005年大庆市生态环境质量指数

表5 1987-2005土地利用转变类型生态贡献率

（2）土地利用转变类型生态贡献率特征

根据土地利用变化矩阵和公式（2）计算大庆市1987-2005年土地利用转变类型生态贡献率，结果见表5。

由表5可知，导致研究区生态环境质量恶化的土地利用变化驱动因子主要是草地和水域退化为未利用地、建设用地规模急剧扩张、毁林毁草造田，其中草地退化为未利用地占生态贡献率的53.59%，建设用地占用占生态贡献率的16.42%，水域退化为未利用地占生态贡献率的7.61，毁林毁草造田占生态贡献率的17.74%。驱使研究区生态环境质量改善的土地利用变化因子主要包括退草还林、退耕还林、退耕还草等，其中退草还林占生态贡献率的62.09%，退耕还林占生态贡献率的15.79%，退耕还草占生态贡献率的10.58%。总体而言，1987-2005年大庆市土地利用类型转变同时存在着生态环境改善和恶化两种趋势，并且改善程度小于恶化程度，导致其生态环境质量总体呈下降态势。

5 结论及建议

5.1 结论

（1）1987-2005年大庆市土地利用数量变化幅度：草地＞未利用地＞建设用地＞水域＞耕地＞林地。同时土地利用类型转变频繁，共有200617.11hm2土地发生地类转变，其中，草地退化为未利用地是主导，达89252.99hm2，占总转移量的44.49%。主要是由于油田开采石油侵占大量草地、污染部分水域，加之不合理开发利用导致土地盐碱化，从而致使未利用地剧增。

（2）研究区土地利用组合类型数不断增加，1987年大庆市的土地利用组合类型数为2，组合类型为水域－耕地型；而到2005年土地利用组合类型数为4，组合类型为草地－水域－建设用地－未利用地型，各辖区土地利用组合类型数明显增加，组合类型数为4或5。土地利用结构呈现多样化趋势，说明大庆的土地利用类型已由农业为主转为工业为主。

（3）研究区生态环境质量指数总体呈下降态势，说明大庆市在经济社会发展中没有正确处理好经济建设与生态环境保护的关系，存在牺牲生态环境的现象。

（4）1987-2005年大庆市土地利用类型转变同时存在着生态环境改善和恶化两种趋势，并且改善程度小于恶化程度，导致其生态环境质量总体呈下降态势，源于草地和水域退化为未利用地、建设用地规模急剧扩张、毁林毁草造田等。

5.2 建议

针对上述分析，建议从以下几个方面加强和改善大庆市土地利用生态环境。

（1）围绕大庆市典型石油城市的特点，坚持“在保护中发展，在发展中保护”的方针，合理划分土地生态功能区，建立不同类型的生态功能保护区，保护好土地资源开发利用的生态环境以及土地生态良好区域特别是物种丰富区的土地生态环境，使其土地生态系统和生态功能不受或少受破坏，走资源节约与环境友好型的内涵式发展道路。

（2）在土地开发利用中统筹协调石油开采与生态环境保护，继续推进天然林保护工程、水土流失综合治理工程、土地“三化”治理等工程，促进土地生态环境的持续好转。

（3）石油开采导致研究区土地的有价值能量流不断减少，而无价值的能量流逐年增加，最终致使土地利用的无序程度增加。因此，将已废弃的油田生产用地以及其中受到一定影响的其他用地进行综合整治、置换等，恢复其生产力，进而提高土地生态、经济、社会价值。

（4）加快资源型城市转型，立足于“大油田、大农田、大草原”地域特色，充分发挥土地生态资源优势和土地潜力，因地制宜地确定主导产业和优势产品，促进产业结构优化升级。依托油气资源，延伸产业链条。以高新技术为先导，发挥比较优势，发展其他非油经济，加快资源主导型向科技主导型经济转变，建设经济社会快速发展与生态环境良好的生态宜居城市。

[1] Turner B L,David Skole,Steven SQ,et al.Land use and land cover change（LUCC）:Science/Research plan[R].IGBP Reports35,1995:1-40.

[2]Vitousek P M.Beyond global warming:Ecologyand Global Change[J].Ecology,1994,75(7):1861-1876.

[3] 李秀彬.土地利用和土地覆盖变化研究[J].科学观察,2006,1(5):44.

[4] 宋翔，颜长珍，朱艳玲，等.黄河源区土地利用/覆被变化及其生态环境效应[J].中国沙漠，2009，29（6）：1049-1055.

[5] 熊惠波，周燕芳，江源，等.扎鲁特旗土地利用变化中的生态损益估算[J].干旱区研究，2003，20（2）：98-103.

[6] 刘琦，任志远，李晶.区域土地利用变化图谱分析及其生态效应评价——以太原市城区及近郊区为例[J].中国农业科学，2007，40（10）：2259-2266.

[7] 侯鹏，王桥，王昌佐，等.流域土地利用/土地覆被变化的生态效应[J].地理研究，2011,30（11）：2092-2098.

[8] 罗格平，周成虎，陈曦.干旱区绿洲土地利用与覆被变化过程[J].

地理学报，2003，58（1）：62-72.

[9] 苏维词.贵阳城市土地利用变化及其环境效应 [J].地理科学，2000，20（5）：462-468.

[10] 李晓文，方精云，朴世龙.近10年来长江下游土地利用变化及其生态环境效应[J]．地理学报，2003，58（5）：659-667.

[11] 刘敏，许世远，侯立军，等.长江三角洲土地利用/土地覆被动态变化及其环境效应[J].资源科学，2010，32（8）:1533-1537.

[12] 张杨，刘艳芳，顾渐萍，等.武汉市土地利用覆被变化与生态环境效应研究[J].地理科学，2011，31（10）：1280-1285.

[13] 王耀宗，常庆瑞，屈 佳，等.陕北黄土高原土地利用/覆盖变化及生态效应评价[J].水土保持通报，2010，30（4）：134-137.

[14] 边亮，胡志斌，宋伟东.陕西省长武县土地利用变化的生态环境效应评价[J].生态学杂志，2009，28（9）：1743-1748.

[15] 刘桃菊，蔡海生，邵建英，等.鄱阳湖区的土地利用结构定量分析[J].江西农业大学学报，2003，25（6）：934-938.

[16] 李晓文，方创琳，黄金川，等.西北干旱区城市土地利用变化及其区域生态环境效应[J].第四纪研究，2003，23（3）：280-290.

[17] 彭建，王仰麟，张源，等.滇西北生态脆弱区土地利用变化及其生态效应——以云南省永胜县为例[J].地理学报，2004，59（4）：629-638.

[18] Costanaza R.The value of the world ecosystem services and natural capital[J].Nature,1997（387）:253-260.

[19] 谢高地，甄琳，鲁春霞，等.一个基于专家知识的生态系统服务价值化方法[J].自然资源学报，2008，23（5）：911-919.

[20] 霍金炜，文倩，何丽，等.湖南丘陵区土地利用变化的生态系统服务价值响应——以湖南醴陵为例[J].农业现代化研究，2010，31（1）：86-89.

[21] 张淑英，陈云浩，李晓兵，等.内蒙古生态资产测量及生态建设研究[J].资源科学，2004，26（3）：22-28.

[22] Ojima D,Moran E,McConnell W,et al.GLP Science Plan and Implementation Strategy[R].IGBPReport No.53/IHDPReport No.19.Stockh-olm.2005.