郑州市土地利用变化及生态环境效应分析

潘方杰++束楠楠

摘要：运用RS和GIS技术，对郑州市1992、2001、2013年3期Landsat TM影像进行监督分类，提取其土地利用信息，在此基础上分析计算了1992～2013年间郑州市土地利用变化的转移矩阵和土地利用动态度，进而对21年土地利用动态变化及其生态环境效应进行分析。结果显示，21年来，郑州市土地利用变化显著，耕地面积减少228.72 km2，建设用地面积增加197.24 km2，导致生态环境效应总体呈恶化趋势，但下降的趋势有所减缓。

关键词：土地利用变化；生态环境效应；郑州市

中图分类号：F301.24 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）21-5519-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.019

Analysis on Land Use Change and Its Eco-environmental Effects in Zhengzhou City

PAN Fang-jie1，SHU Nan-nan2

（1.Key Laboratory for Geographical Process Analysis & Simulation， Central China Normal University，Wuhan 430079，China；

2.School of Urban Management and Resources Environment，Yunnan University of Finance and Economics，Kunming 650221，China）

Abstract： By using RS and GIS technology，the information of land use in Zhengzhou city was extracted through the supervised classification to Landsat TM images of 1992，2001 and 2013. On this basis，the change conversion matrix and dynamic degree of land use from 1992 to 2013 were analyzed and calculated，and then the dynamic change of land use and its eco-environmental effect in Zhengzhou city during the 21 years were analyzed. The results showed that，land use in Zhengzhou city have changed significantly for the 21 years，the cultivated land area decreased by 228.72 km2 and the construction land area increased by 197.24 km2，which led to an overall deteriorative tendency of ecological environmental effect in Zhengzhou city， but the deteriorative trend was becoming weaker.

Key words： land use change；eco-environmental effect；Zhengzhou city

土地利用是人類劳动与土地结合获得物质产品和服务的经济活动，这一活动表现为人类与土地之间进行的物质、能量以及信息、价值的交流和转换[1]。人类通过具体的生产生活方式影响着土地利用的特点和变化，同时土地利用也引起许多自然现象和生态过程的变化。土地利用的直接结果是土地覆被的改变，土地利用/覆被变化是全球环境变化的重要环节和主要原因，也一直是国内外研究的重要内容之一[2，3]。土地利用/覆被变化过程对维持生态系统服务功能起着决定性的作用，随着经济发展和城市化进程的加快，土地利用变化愈演愈烈，引起的环境问题也日渐突出[4，5]。

近年来，专家学者对土地利用变化进行了大量研究。主要在以下几个方面：某一特定研究区域的土地利用变化特征及其驱动机制的分析与评价[6-12]；以特定模型为基础的土地利用变化及土地利用变化趋势预测研究[13-16]；关于土地利用变化及其生态环境效应的分析等[17-19]。郑州市作为河南省中原城市群的引领者，其土地资源储量和变化对中原城市群的发展至关重要，然而关于郑州市土地利用变化的研究较少[20-22]，关于土地利用变化对生态环境效应的分析更是鲜见报道。本研究运用RS和GIS技术，对郑州市1992～2013年土地利用变化及其生态环境效应进行分析和研究，以期为郑州市的土地利用和城市可持续发展提供参考。

1 研究区概况

郑州市地处华北平原南部，河南省中部偏北，处于京广、陇海两大铁路交汇处，是全国重要交通枢纽，也是新亚欧大陆桥上的重要城市，2010年底总面积7 446 km2，其中市区面积1 010 km2；其北临黄河，西依嵩山，东南为广阔的黄淮平原，西部多山地丘陵，东部为平原；其属北温带大陆性季风气候，年平均气温12.7～15.6 ℃，冷暖适中、四季分明，年平均降水量618～878 mm，年无霜期190～200 d，年日照时数2 400 h。近年来，随着经济的快速发展，郑州市土地利用发生了较为显著的变化。

2 数据来源及预处理

参考《土地利用现状分类（GB/T21010—2007）》，将郑州市土地利用分为耕地、林地、建设用地、水域和未利用地5种类型。

本研究使用经过辐射、几何校正和去云处理的郑州市3期Landsat TM遥感影像为主要数据源，成像时间分别为1992年10月、2001年10月、2013年10月，空间分辨率均为30 m。此外，还包括1∶10万行政边界图、地形图及相关统计资料等。

本研究先在ENVI5.0软件中对地形图进行校正拼接，依据具体研究范围对图像进行裁剪，配准时采用高斯克吕格投影；以配准好的地形图为参考基准，对1992年的遥感影像进行坐标校正，纠正后误差小于0.5个像元，再以1992年的遥感影像作为参考，分别校正2001年和2013年的遥感影像。采用监督分类的方法分别对不同年份的3期遥感影像进行分类处理，提取土地利用类型，然后在ArcGIS10.0软件中运用分类叠加、聚类统计、分类重编码等方法，修正土地利用类型，并且与以前该区土地利用类型相比较，分析得出郑州市土地利用变化情况。

3 研究方法

采用RS图像解译分析、统计分析、对比分析以及GIS的空间叠加分析，土地利用动态度模型、区域生态环境质量指数等方法对郑州市土地利用动态变化及其对生态环境效应的影响进行分析。

3.1 土地利用动态度模型

土地资源数量变化可以用土地利用动态度来表示，包括单一土地利用类型动态度和综合土地利用类型动态度；前者表达某一研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，后者表示研究区内土地利用类型的整体速度变化情况[23]。结合本地实际及研究需要，采用单一土地利用类型动态度模型对研究区土地利用类型变化过程的数量进行动态描述。计算公式为：

K=××100% （1）

式中，Ua——研究初期某种土地利用类型的面积；Ub——研究末期某种土地利用类型的面积；T——研究时段长；K——研究时段内某一土地利用类型的变化率。

3.2 区域生态环境质量指数

区域生态环境质量指数（EV）是综合考虑区域内各土地利用类型所具有的生态环境质量及面积比例，能定量评价研究区域内生态环境质量的总体状况，为定量描述某一区域土地利用变化对生态环境质量的影响提供了方法[24，25]，其变化反应了区域生态环境质量的变化。计算公式为：

EVt=LUiCi/TA （2）

式中LUi——该区域某一时期第i种土地利用类型的面积；Ci——该区域某一时期第i种土地利用类型的生态环境指数赋值；TA——该区域土地总面积；n——该区域土地利用类型数。

不同的土地利用类型所代表的生态环境质量有所差异，通过分析土地利用变化特点，可以定量分析区域生态环境变化特点。在对土地利用类型生态环境指数赋值上，本研究参考了祝凤霞等[19]、谢高地等[26]、张淑英等[27]测算的生态系统服务价值，结合郑州市具体情况，对各种土地利用类型的生态环境指数在区间[0～1]内进行赋值，定义为每种土地利用类型的相对生态环境指数，分别是耕地0.3、建设用地0.2、林地0.95、水域0.5、未利用地0.1。

4 郑州市土地利用变化

4.1 土地利用结构變化分析

通过ENVI软件的统计分析，运用ArcGIS的数据转换和空间数据库等功能，对土地利用数据进行统计，从土地利用分类图汇总得到3个时期的土地利用面积数据，结果见表1。

从表1中可以看出，郑州市土地利用类型主要由耕地、建设用地和水域组成，占总面积的90%以上。21年间发生巨大变化的土地利用类型是耕地和建设用地，呈现“一减一增”的趋势，耕地在郑州市土地总面积中所占比例从1992年的66.36%下降到2013年的43.72%；建设用地从1992年的21.45%上升到2013年的40.97%。在土地总面积基本保持不变的情况下，耕地和建设用地两大主要土地利用类型呈现出此消彼长的态势，这就要求我们处理好耕地与建设的关系。水域面积由1992年的8.15%增加到2013年的11.90%；林地和未利用土地所占比例均呈现减少趋势。从1992～2001年和2001～2013年两个时期的对比不难看出，耕地减少速率和建设用地增长速率都在降低；同一时期耕地的减少速率大于建设用地的增长速率。各土地利用类型面积在3个时期所占土地总面积比例的变化趋势如图1所示。

4.2 土地利用时间变化分析

根据公式（1）和表1，计算出郑州市土地利用类型的动态度如表2。从表2可以看出，耕地面积急剧减少，21年间减少了228.72 km2，其动态度由1992～2001年的-2.05%变为2001～2013年的-1.60%，动态度的降低表明耕地减少趋势有所缓和，耕地保护的成果在一定程度上得以体现；同期，建设用地面积迅速增加197.24 km2，动态度由5.98%减少到2.02%，表明建设用地增加的趋势也有所减慢，城市“摊大饼”式的无序扩张速度得到一定程度的控制；林地面积在减少，动态度由-0.53%到-0.37%；水域呈增加趋势，动态度由1.44%上升到2.43%，呈加速增长状态；未利用地呈减少的状态，动态度由 -1.29%到-0.90%，表明减少速度减慢。郑州市土地利用变化速度总体上逐渐趋于减慢，一方面表明城市建设发展迅速，导致各类土地利用面积发生较大变化，另一方面也表明在快速发展的同时城市空间布局基本稳定，发展逐渐趋于合理。

4.3 土地利用空间变化分析

利用ArcGIS10.0软件对获取的3期土地利用解译图进行叠加分析，得到郑州市1992～2001年、2001～2013年土地利用类型面积转移矩阵如表3、表4、表5。由表3和表4可知，两个时期耕地均主要呈转出的趋势，按转出数量大小依次为建设用地、水域、林地和未利用地。其中，主要转化为建设用地，两个时期的转化量分别为107.71 km2和105.67 km2。1992～2001年间，建设用地转出量不大，仅有少量转变为水域和林地，分别为1.36 km2和1.10 km2；此间林地转为耕地6.36 km2。2001～2013年间，建设用地对每种地类均有转出，转出数量大小依次为水域、耕地、林地和未利用地；林地转为建设用地4.61 km2，转为其他地类均较小。

由表5可知，建设用地在研究期内主要呈转入的特征，从耕地、水域、林地和未利用地分别转入213.38、10.47、6.70、1.48 km2，从耕地转入的面积占总转入面积的91.96%，城市的扩张是建设用地增加、耕地减少的直接原因。郑州市1992～2001年间建设用地的扩张方向是沿主城区向四周扩散，2001～2013年间主要向东扩展，在建成区以外沿交通干道周围也出现不少建设用地。1992～2013年间，林地变化不大，转出方向为耕地、建设用地、水域和未利用地，分别为8.42、6.70、3.40和0.13 km2；水域转为建设用地10.47 km2、耕地8.85 km2、未利用地3.78 km2、林地2.41 km2。

通过表3、表4和表5以及综合分析可知，郑州市土地利用变化主要发生在主城区周围，距离主城区越近，土地变化越剧烈，距离主城区较远的区域，土地变化相对较小，由近至远形成农用地到建设用地的转变，包括居民住宅用地、交通用地、工矿用地等，未利用地的变化主要发生在黄河流域沿岸，郑州市的快速发展占用了很多黄河流域滩涂，同时大片草地被开发成为耕地。

5 土地利用变化的生态环境效应分析

根据公式（2）和土地利用转移矩阵计算出郑州市1992、2001、2013年3个时期的土地利用生态环境质量指数分别为0.302 6、0.293 1、0.290 4（表6、图2）。结果表明，21年间郑州市生态环境质量指数总体呈下降的趋势，1992～2001年间下降了0.009 5，下降速率为3.14%；2001～2013年间下降了0.002 7，下降速率为0.92%。在各土地利用类型中，耕地的生态环境质量指数最高，未利用地的生态环境质量指数最小。1992～2013年研究区各土地利用类型的生态环境质量指数上升最大的是建设用地，上升了0.039 0；下降最多的是耕地，下降了0.057 9。

从表6及图2可以看出，1992～2013年间，郑州市土地利用生态环境变化同时存在好转与恶化的状况，总体上生态环境质量呈恶化趋势，但速度有所减缓。导致生态环境质量下降的主要驱动因子是建设用地面积的增加、土地开垦、林地面积的减少，土地利用变化的主要类型为未利用地、林地开垦为耕地及建设用地、水域转化为建设用地以及水域退化为未利用地；导致生态环境质量改善的主要驱动因子是退耕还林、未利用地开垦，土地利用变化的主要类型耕地及建设用地转化为林地和水域。林地和水域对生态系统的调节功能有着非常重要的作用。可见，21年来郑州市在改善生态环境效应方面取得了一定的效益，生态环境质量指数总体下降趋势减缓，但也不容忽视。

6 小结

运用RS和GIS对郑州市1992、2001、2013年3个时期土地利用类型变化、土地利用类型转移数据的计算，结合生态环境质量指数模型，得出郑州市土地利用类型与生态环境的数量关系。分析结果表明：

1）1992～2013年研究区土地利用类型转移中，占主导地位的是耕地和建设用地。耕地减少228.72 km2，建设用地增加197.24 km2；林地和未利用地分别减少1.69 km2和4.66 km2；水域增加37.83 km2。这些特征表明人类活动对土地利用的影响较大，占据主导地位。

2）研究区内建设用地和水域的生态环境质量指数上升，耕地、林地和未利用地均在下降。耕地、林地和水域面积是影响区域生态环境质量的重要因素，三者生态环境质量指数的变化特征也说明随着郑州市经济的发展，在当地人口增长对粮食的需求增加以及城市化快速发展的情况下，未利用地不断开垦，同时大量耕地转为建设用地，其环境效应指数下降。

3）从土地利用变化环境质量指数模型分析结果得出，1992、2001、2013年EV值分别为0.302 6、0.293 1、0.290 4，表明由土地利用变化引起的生态环境效应总体呈恶化的趋势，但恶化的速度有所减缓。导致生态环境退化的主导因素是人类经济活动影响下的林地、水域、耕地与建设用地之间的快速转换，其中建設占用耕地和林地对城市生态环境恶化的影响最为明显。

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