土地利用变化对景观格局和生态环境状况的影响

雷波，朱康文,2，李建辉，杨春华

(1.重庆市环境科学研究院，重庆　401147； 2.重庆师范大学三峡生态环境遥感研究所，重庆　401331)



土地利用变化对景观格局和生态环境状况的影响

雷波1，朱康文1,2，李建辉1，杨春华1

(1.重庆市环境科学研究院，重庆401147； 2.重庆师范大学三峡生态环境遥感研究所，重庆401331)

通过分析土地利用/覆盖时空变化与景观格局和生态环境状况之间的关系发现：林地和耕地转为人工用地的面积最大；景观层面，除CONTAG指数外，其他指数均呈增加趋势；类型层面，耕地、林地、水域、人工用地和未利用地的NP指数、PD指数和ED指数均呈上升趋势，耕地、水域、人工用地和未利用地的CONNECT指数呈现下降趋势；EIB值、EIV值和EIR值表现出上升趋势。研究期间，景观格局趋于复杂，破碎化程度加剧，整体连通性有所增加，整体生态环境状况呈改善趋势。研究结果表明，区域内景观格局和生态环境状况变化与重庆市城市发展政策、城市扩张方式、环境污染治理情况等密切相关。

重庆市；土地利用/覆盖变化；转移矩阵；景观指数；生态环境状况指数

研究表明，土地利用变化对生态环境变化有直接影响，主要表现在气候、土壤、水环境、土地退化等方面[1-3]。目前研究主要是针对土地利用/覆盖变化对生态环境的影响机制，在此基础上提出区域经济可持续发展的建设思路[4-5]。

重庆市作为典型的山地城市，区域内高山丘陵较多、平坦土地很少，导致城市扩张空间较小。随着城市化进程的加快不可避免地出现打破原有景观格局、破坏生态环境等问题。重庆市土地利用/覆盖变化与景观格局和生态环境状况方面的研究可以填补重庆市在此研究方面的空缺[6-7]。本研究建立最新的2010—2013年重庆市土地利用/覆盖数据库，在对时空变化分析的基础上，对景观格局的变化进行分析，并对3年间的生态环境状况进行评价分析，对区域内土地利用开发方式提出合理建议，为区域内制定相关土地利用规划提供参考依据，为政府在土地利用开发的合理布局方面提供数据支撑。

1　数据与方法

本研究以ArcGIS为平台，使用的数据包括2010年和2013年Landsat TM5影像数据进行人机交互式解译获取的土地利用/覆盖数据、水资源量数据、河流长度数据、土壤侵蚀面积数据、SO2排放量数据、COD排放量数据、固体废物排放量数据和年均降雨量数据。在利用转移矩阵对3年间土地利用/覆盖变化时空分析的基础上，采用Fragstats 4.2软件对区域内的景观格局指数进行计算分析，并采用《生态环境状况评价技术规范(试行)》(HJ/T 192—2006)规定的生态环境状况指数(EI)对区域内生态环境进行计算分析，探讨土地利用/覆盖变化对景观格局和生态环境状况的影响。

1.1土地利用覆盖数据的获取

采用人机交互式方法对2010年和2013年的TM影像进行遥感解译，主要包括：(1)选取云量低于10%且人为干扰大的区域无云覆盖的影像数据；(2)遥感影像的几何纠正；(3)室内初步解译；(4)野外核查及精度分析，解译精度在0.9以上。本研究中土地利用/覆盖分类沿用2000年土地利用/覆盖分类系统：包括6类一级和24类二级。

1.2景观指数

景观指数在景观格局分析中应用最广泛，能够高度浓缩景观格局信息，反映区域景观结构组成和空间配置等方面特征的定量指标。在选择景观指数时综合考虑了总体性原则和常用性原则。分别从景观层面和类型层面选择了斑块的斑块数(NP)、斑块密度(PD)、边界密度(ED)、聚集度指数(CONTAG)、连通度指数(CONNECT)和香农多样性指数(SHDI)等指数，这些指数的具体含义、生态学意义、计算方法等参见相关文献[8]。

1.3生态环境状况指数

EI是指反映被评价区域生态环境质量状况的一系列指数的综合，具体计算公式见式(1)。

EI=0.25×EIB+0.2×EIV+0.2×EIR

+0.2×(100-EIL)+0.15×EII

(1)

式中，EIB表示生物丰度指数；EIV表示植被覆盖指数；EIR表示水网密度指数；EIL表示土地退化指数；EII表示环境质量指数[9]。具体含义、生态学意义、计算方法等参见《生态环境状况评价技术规范(试行)》(HJ/T 192—2006)。表1为计算EIB和EIV时的各土地利用/覆盖类型的权重表。

表1　EIB和EIV权重

根据EI值计算结果将生态环境状况分为5级，即优、良、一般、较差和差，并对生态环境状况变化幅度分为4级，即无明显变化、略有变化(好或差)、明显变化(好或差)、显著变化(好或差)，具体见表2。

表2　EI及EI变化度分级标准

注：变化度计算公式为(EI2010-EI2013)/EI2010。

2　结果与分析

2.1土地利用/覆盖变化

遥感解译结果如图1所示，表3为2010—2013年土地利用/覆盖转移矩阵。由图1可知，重庆市土地利用/覆盖类型主要以林地为主，其次是耕地。林地主要分布在渝东南生态保护发展区、渝东北生态涵养发展区及四山管制区；耕地主要分布在城市发展新区和渝东北生态涵养发展区部分区县；人工用地主要分布在重庆市都市区、城市发展新区及“万开云”片区；水域主要以长江、嘉陵江、乌江为主；草地和未利用土地分布较少。2010年和2013年，耕地、林地、草地、水域、人工用地和未利用土地的面积比例分别为43.42%、48.92%、3.03%、2.21%、2.40%、0.02%和42.65%、49.48%、2.29%、2.30%、3.26%、0.02%。从表3中可以看出，林地和耕地转为人工用地的面积最大，耕地转为林地的面积也较大，这与其他城市的发展情况基本一致，城市扩张都是以占用林地和耕地为主，而林地增加基本都是因为退耕还林政策的实施。

2.2景观格局变化分析

表4为2010年和2013年景观层面的景观指数。从表4可以分析得出，2010年到2013年景观层面的6个景观指数除了CONTAG指数外其他指数均呈现增加的趋势，NP指数和PD指数的增加表示景观斑块的平均面积减小，ED指数的增加表示景观斑块边界的复杂程度增加，这3个指数的增加共同反映出区域内的景观破碎度在加大。SHDI指数的增加反映出区域内的土地利用/覆盖类型越来越丰富且破碎化程度越来越高，CONNECT指数的增加反映出区域内整体景观的空间连通性越来越高。CONTAG指数由64.99减小到64.67，表明景观中某一优势斑块类型的空间连接性有所下降，景观集聚度降低，同时也间接反映出区域内的景观破碎度增大。总体来说，3年间区域内景观格局趋于复杂，破碎化程度加剧，但是整体连通性有所增加。

图1　2010年和2013年重庆市土地利用/覆盖图Fig.1　Land use/cover map of Chongqing in 2010 and 2013

从表5类型层面上的景观指数结果分析发现，3年间耕地、林地、水域、人工用地和未利用地的NP指数、PD指数和ED指数均出现上升趋势，反映出这5种地类破碎化程度增加，草地呈现降低趋势反映出草地的破碎化程度在降低。3年间耕地、水域、人工用地和未利用地的CONNECT指数呈现下降趋势，表明这几种地类的空间连通性有所降低，林地和草地的CONNECT指数呈现出升高的趋势，反映出这两种地类的空间连通性越来越高。

表3　土地利用/覆盖转移矩阵

表4　2010年和2013年景观层面的景观指数

表5　2010年和2013年类型层面的景观指数

从景观层面和类型层面的格局指数变化分析中可知，重庆市的景观破碎度虽然越来越大，但整体景观的空间连通度也越来越高。其中，破碎度增大的主要原因在于建设用地的快速扩张，而连通度也增大的主要贡献来自于林地的空间连通度的增加。综合来看，重庆市的景观破碎度在增大表明了生态环境质量可能出现降低的趋势，但是林地的空间连通度的增加表明了重庆市近年来出台的关于生态保护等的措施起到了一定的作用；建设用地的NP指数和PD指数的增加将不断增加重庆市的环境污染承载压力，应从改善生态环境质量的角度出发，合理规划城市扩展边界及扩展速度，防止盲目扩展导致不同类型的土地出现破碎化加剧、连通性降低；区域生态环境的改善应以提高所有类型的CONTAG指数、SHDI指数和CONNECT指数并降低NP指数、PD指数和ED指数为目标。

2.3EI时空差异分析

土地利用/覆盖变化在导致景观格局变化的同时，将影响区域内生态环境状况，景观格局的变化也能反映出区域内生态环境状况。本研究将从EI值的变化情况及其与景观格局变化的关系角度进行分析。

2.3.1重庆市EI值分析

对2010年和2013年的EI值进行计算，结果见表6(由于土壤侵蚀数据仅有历史数据，导致EIL值没有变化)。分析发现，整体上来看，2010年和2013年的EI值都处于良好状态，表明区域内植被覆盖度较高，生物多样性较丰富。EI值略有增加，表明研究期间重庆市生态环境状况有转好的趋势，这与国家和市级层面推行生态文明政策有关。EI值变化度的结果表明3年间生态环境状况基本没有变化，其中EII值略有变差，其他指数基本维持不变。EII值的降低说明区域承载环境污染的压力在加大。EIB值、EIV值和EIR值在上升，表明生物多样性维护较好，植被覆盖较高，水资源量未降低。

表6　2010年和2013年重庆市EI值

结合转移矩阵和景观格局计算结果，3年间林地整体处于转入状态，林地空间连通性也在增加，由此导致EIB值和EIV值略有提升；水域的转入导致EIR值略有提升；人工用地转入比例高达24%，人工用地的破碎度和斑块边界复杂程度持续增加，必然导致固废、废气等排放的增加，导致EII值出现变低的趋势；EIB、EIV和EIR的上升表明重庆市的各项生态保护政策取到了一定的成效，EII的降低表明环境承载的压力在增大，表明在城市快速发展的同时需要注意控制污染物的排放，加大污染物的处理。

2.3.2各区县EI值分析

图2　EI值分布图Fig.2　The distribution map of EI value

从图2可以看出，EI值最高的区县均分布在渝东北生态涵养发展区和渝东南生态保护发展区，整体上以渝东南生态保护发展区最好，渝东北生态涵养发展区的云阳县、万州区、忠县的EI值较低，主要是由于此区域内土壤侵蚀严重，且万州区作为重庆市第二大城市，经济发展水平高，导致对环境的破坏较严重。都市区和城市发展新区整体EI值较低，主要是经济发展较快，城市扩展迅速导致林地面积变少且环境污染较严重，但也有部分区县EI值较高，例如荣昌区、永川区、江津区、南川区等。图中可以看出EI值下降比较明显区县主要集中在都市区和城市发展新区，但也有黔江区和酉阳县出现了较明显的下降。

为了表述清晰，每个功能区选取变化度的最高值和最低值作为代表进行分析，如表5所示。结果显示，渝东北生态涵养发展区和渝东南生态保护发展区的EIB值远高于都市区和城市发展新区，其中城市发展新区、渝东北生态涵养发展区和渝东南生态保护发展区3年间基本处于稳定和改善的状态，都市区的江北区则出现较明显的变差趋势。EIV值呈现出与EIB值相似的趋势，梁平县EIV值和EIB值较渝东北生态涵养发展区和渝东南生态保护发展区的其他区县低，主要是由于梁平县属于重庆市的粮食生产大县，区域内耕地较多，林地相对较少。EIR值在部分区域变化较大，不同区县之间存在一定差异，引起EIR值产生时空差异的原因主要是因为长江和嘉陵江穿过部分区县导致水资源空间分配不均，且重庆市的降雨也存在明显的时空差异。分析发现渝东北生态涵养发展区和渝东南生态保护发展区的EIL值远高于都市区和城市发展新区，这与不同区域间的地形地貌及岩性关系密切，重庆市属于石漠化和水土流失非常严重的区域之一，其中重庆市内以渝东北生态涵养发展区和渝东南生态保护发展区最为严重，此区域内坡度较大，土壤侵蚀严重且面积较大，所以导致区域内EIL明显高于其他功能区。EII时空差异不大，说明重庆市承载环境污染物的能力较强，但是部分区县区域内出现一定的下滑趋势，应注意污染物排放量的控制。

3　结论与讨论

通过对重庆市土地利用/覆盖时空变化与景观格局和生态环境状况之间的关系进行的研究发现：林地和耕地转为人工用地的面积最大，耕地转为林地的面积较大；景观层面的6个景观指数中，除了CONTAG指数外，其他指数均呈现增加的趋势；类型层面，耕地、林地、水域、人工用地和未利用地的NP指数、PD指数和ED指数均呈现上升趋势，耕地、水域、人工用地和未利用地的CONNECT指数呈现下降趋势，景观格局趋于复杂，破碎化程度加剧，整体连通性有所增加；3年间，重庆市整体生态环境状况呈现改善趋势，EIB值、EIV值和EIR值表现出上升趋势，EI值最高的区县均分布在渝东北生态涵养发展区和渝东南生态保护发展区。

表7　2010年和2013年EI值及其变化度

注：由于都市功能核心区不是按照行政边界划分故将都市功能核心区、都市功能拓展区合并为都市区。

研究较好地反映了重庆市2010至2013年间的土地利用/覆盖变化情况，以及与此紧密相关的景观格局和生态环境状况情况，可为相关规划部门在制定宏观尺度城市发展策略时提供参考。研究结果表明，区域内景观格局和生态环境状况变化与重庆市城市发展政策、城市扩张方式、环境污染治理情况等密切相关，生态环境状况的改善应提高景观层面和类型层面的CONTAG指数、SHDI指数和CONNECT指数，并降低NP指数、PD指数和ED指数。整个研究立足于遥感解译的基础上，对于数据精度要求较高，因此在后续研究中应进一步提高精度。

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[2]Meyfroidt P, Lambin E F, Erb K,etal. Globalization of land use: Distant drivers of land change and geographic displacement of land use[J]. Current Opinion in Environmental Sustainability, 2013(5): 1-7.

[3]喻锋, 李晓兵, 王宏, 等. 皇甫川流域土地利用变化与生态安全评价[J]. 地理学报, 2006, 61(6): 645-653.

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Study on the Influence of Land Use Change on Landscape Pattern and Eco-environmental Status

LEI Bo1, ZHU Kang-wen1,2, LI Jian-hui1, YANG Chun-hua1

(1.Chongqing Academy of Environmental Science, Chongqing 401147, China; 2.Institute of Eco-Environment Remote Sensing in Three Gorges Reservoir, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)

By analyzing the relationship between temporal and spatial changes of land use/cover with landscape pattern and eco-environmental status was found that: The largest area of forest-land and cultivated-land transformation to artificial-land. In addition to theCONTAGindex, and the other landscape indices of landscape level were showed an increasing trend. On the type level, theNPindex,PDindex andEDindex of cultivated land, forest land, water area, land use and unused land were showed an increasing trend, but theCONNECTindex of cultivated land, water area, land use and unused land showed a decreasing trend. TheEIBvalue,EIVvalue andEIRvalue showed the rising trend. The highestEIvalue were distributed in Ecological Conservation Development Zone in Northeast Chongqing and Ecological Protection Development Zone in Southeast Chongqing. During the study period, the landscape pattern tends to be complex, degree of fragmentation is enhanced, the whole connectivity of has increased, the overall ecological environment condition showing an improving trend. The results of the study show that, the changes of landscape pattern and ecological environment has associated with something, such as urban development policy, urban expansion mode and environmental pollution control.

Chongqing city; land use/cover change; transfer matrix; index of ecological environment condition; landscape index

2016-05-13

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07104-003)；重庆市环境保护局环保科技项目(环科字2015第1号)

雷波(1978—)，男，四川人，高级工程师，硕士，主要从事生态环境研究，E-mail：leilibo@hotmail.com

10.14068/j.ceia.2016.03.023

X144

A

2095-6444(2016)03-0087-06