呼和浩特市城市空间扩展的生态环境综合影响

王金礼 甄江红 查苏娜

(内蒙古师范大学 地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

呼和浩特市城市空间扩展的生态环境综合影响

王金礼 甄江红*查苏娜

(内蒙古师范大学 地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

健康的环境是城市发展和人民生活的保障，城市空间扩展是影响城市生态环境变化的重要因素之一。以呼和浩特市为例，运用呼和浩特市区1977-2014年6期遥感影像数据，结合行政规划图和统计年鉴等资料，获取呼和浩特市建成区面积的变化情况。根据P-S-R模型，选取土地利用压力、经济发展状态、生态环境响应为评价指标，建立环境综合评价模型，对呼和浩特市区的环境质量进行综合评价分析。结果显示： 1977-1990年，生态环境质量处于波动状态，变化不大；1990-2001年，生态环境质量开始下降，但下降速度相对较小；2001-2014年，生态环境质量开始快速下降。因此，改善生活环境是目前呼和浩特市区亟待解决的问题。

城市空间扩展；生态环境；影响；城市化；呼和浩特

城市的空间扩展是近年来地理学领域研究的热点之一。[1-2]近年来，随着城市化进程的不断加快，城市扩展的速度也在飞速增长。城市空间的扩展带来诸如生态环境污染等一系列问题，学者近年来对此进行了许多相关的研究。Meyer、Croke 等[3-4]用大气成分、水文、气候等数据建立指标分析了城市扩展对环境的影响。郭旭东等[5]侧重研究城市扩展对土壤的影响。史培军等[6]则将重点放在了土地利用变化与自然灾害的关系上。已有的研究主要探讨了城市空间的扩展与生态环境二者之间的全面关系，重点放在了二者之间的因果关系方面，而对具体的影响因素和影响过程的研究较少。

呼和浩特市位于我国西北部干旱半干旱地区，地处内蒙古中部，为内蒙古自治区的首府，是全区政治、经济、科技、教育和文化中心。近年来,由于呼和浩特市社会经济的快速发展,城市空间在不断地扩大，呼和浩特市的生态环境受到了严重的影响，大气和水环境都受到不同程度的污染。生态环境一方面制约着社会经济的发展，更为重要的是影响着人们的健康生活。因此，研究城市空间的扩展对环境的影响对于生态环境的调控和治理显得尤为重要。从已有的研究看，主要有呼和浩特市空间扩展的特征分析、呼和浩特市景观生态安全分析、大气环境变化与热岛效应等，而关于呼和浩特市城市空间扩展与生态环境关系的系统研究较为薄弱。鉴于此，本文以呼和浩特市区为研究对象，利用遥感影像解译，得出呼和浩特市1977-2014年间六个时期建成区面积变化，分析城市空间扩展的特征，研究城市空间扩展对生态环境造成的影响，为改善呼和浩特市人居环境、优化城市功能分区与城市规划管理，以及城市可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源与处理

本文研究所采用的影像为1977年、1986年、1990年、2001年、2010年和2014年的Landsat MSS和TM影像(所获取的影像尽量选择在6-9月植被覆盖好、无云或少云的日期，以利于更好地判断和解译影像图)并以呼和浩特市行政区划图、呼和浩特统计年鉴、谷歌地图等为参考。

本研究中建成区信息的提取主要采用人机交互的目视解译法，依据呼和浩特市六期遥感图像，以行政区划图、谷歌地图和百度地图等为辅助资料，对预处理后的待解译影像图在ARCGIS10.0中进行建成区的识别和边界范围的提取获得建成区相关的数据。市区土地利用类型的获取主要利用遥感影像处理软件 ENVI4.3对原始影像数据进行波段组合、几何校正、裁剪、图像增强等预处理工作，获得与研究区行政边界相符的影像数据。结合研究目的和研究区实际情况，参考《土地利用现状分类》国家标准(GB/T2010-2007)，得到各时期呼和浩特市区土地利用类型图、景观类型的斑块个数等，再结合《呼和浩特统计年鉴》(1990-2015)来计算需要的体系数据。数据处理采用梯形模糊隶属度函数模型。

1.2 研究方法

1.2.1 城市空间扩展指标的选取

呼和浩特市建成区空间扩展的指标有建成区面积、建成区周长、扩展面积、年均扩展速率和扩展强度等指标。

扩展强度指数指在指定时间内研究区域的城市土地利用扩展面积占其土地总面积的百分比。其计算公式为:

M=(Ub-Ua)/A×T×100%

式中:M为城市用地扩展强度，Ua、Ub分别为研究期初、研究期末城市用地的面积，A为研究区域总面积，T为研究期的时段长度。

1.2.2 生态环境质量指数的构建

1.2.2.1 评价指标

本文基于P-S-R模型建立城市空间扩展的生态环境影响评价体系。选取指标过程中遵循区域性、系统性、动态性、可获取性和可操作性等原则，采用理论分析法、专家咨询法和层次分析法得到呼和浩特市空间扩展的生态环境影响评价指标体系。指标体系包括土地利用压力、经济发展状态、生态环境响应等3个方面共17个指标。其中土地利用压力指标6个，社会发展状态指标7个，生态环境响应指标5个。需要重点介绍的为以下7个指标：

(1)建设用地开发强度：反映单位建设用地面积的经济效益。计算公式为：

建设用地开发强度=二三产业生产总值/建设用地面积

(2)人类干扰指数：区域内景观类型的不同面积比例组合反映出人类活动或开发利用的强度，即为人类干扰指数，揭示出人类活动对区域不同土地利用类型的影响强度。公式为：

式中：HA1为人类干扰指数，n为景观组分类型数，Ai是第i类景观的面积，Pi是第i类景观所反映的人类影响强度参数。陈浮等(2001)用Leopold矩阵方法和Delphi打分法分别计算了各种土地利用类型的人类影响参数，在此取均值；TA为景观总面积。

(3)具生态功能的土地覆盖类型的覆盖率(RESO)：是指那些在维持人类生存的大环境——生态系统正常功能方面发挥一定作用的所有土地类型,包括林地、草地、耕地、水域等。公式为：

RESO=(林地面积+耕地面积+草地面积+水域面积)/土地总面积×100%

(4)无(极低)生态功能的土地覆盖类型的覆盖率(NRESO)：就目前的生态系统而言,未利用土地是目前土地中过剩的一部分，影响了生态系统的平衡，是生态系统退化的一种表现，因此，本文认为此类土地利用类型没有生态价值。

NRESO=未利用土地面积/土地总面积×100%

(5)生态功能较高的土地覆盖类型的覆盖率(HFUN)：呼和浩特市对生态系统功能贡献最大的就是林地和草地，因此，考虑当地的实际情况选择这两类土地类型作为生态功能较高的土地利用类型。公式为：

HFUN=(有林地面积+高覆盖草地面积)/土地总面积×100%

(6)生态功能较高的土地覆盖类型的重要值：重要值是衡量斑块在生态系统中重要地位的一种指标,直接反映了各种土地覆盖类型在生态系统中的作用。因为生态系统的功能多由生态功能较高的土地覆盖类型来完成,所以在评价过程中,只对生态功能较高的土地覆盖类型的重要值进行分析,主要由密度和比例决定。计算方法如下:

密度=生态功能较高的土地覆盖类型的斑块数/总斑块数×100%

比例=生态功能较高的土地覆盖类型的面积/土地总面积×100%

重要值=(密度+比例)/2

(7)生态功能较高的土地覆盖类型的破碎度：它反映景观空间结构的复杂性和连通性，连通性的好坏反映了生态系统功能的优劣。计算公式如下：

Ci=Ni/Ai

式中：Ci为生态功能较高的土地覆盖类型的破碎度，Ni土地覆盖类型为斑块数，Ai为土地覆盖类型的面积。

1.2.2.2 权重的确定

权重的确定本文采用层次分析法(AHP)，它是应用多目标综合评价方法以及网络系统理论提出的一种有关层次权重决策分析的方法。对于每个层次的指标，运用专家打分的方法进行重要性排序，然后构造判断矩阵，运算目标层和指标层的具体权重。将最终的权重进行一致性检验，检验通过，说明计算的权重正确、客观，可以接受。

1.2.2.3 生态环境质量指数的计算

本文采取加权合成的方法计算呼和浩特市区1977-2014年的生态环境状况，根据上述数据可以得出每一年的生态环境质量状况。具体计算公式如下:

式中：EEQ为呼和浩特市生态环境质量指数值，M1、M2、M3分别代土地利用压力指数、经济发展状态指数和生态环境响应指数，Ei为各指标的值，Wi为各指标相对于生态环境质量指数的权重，i为所有评价指标的数,i=1,2,3…n，n为指标的总个数。采同样的方法可以计算指标层各子系统的分指数值。

表1 呼和浩特市生态环境综合评价指标体系结构与权重

2 结果与分析

2.1 城市空间扩展特征

表2 呼和浩特建成区五个时间段城市扩展变化情况

对遥感影像进行处理，得出呼和浩特六个时期建成区范围的变化情况，包括建成区的扩展面积、年均扩展强度和扩展速率(表2)。从中可以看出，从1977-2014年呼和浩特建成区的面积和周长都在不断地增大，城市空间在不断地扩张。大致可以分为两个阶段：1977-2001年城市空间扩展速度相对缓慢，建成区面积从34.59km2增加到121.12km2，年均扩展3.61km2；2001-2014年城市的空间扩展速度加快，建成区面积从121.12km2增加到229.98km2，年均扩展8.37km2，十几年间面积增加了将近一倍。

2.2 研究区生态环境变化分析

图1 建成区面积与土地利用压力指数、经济发展状态指数和环境响应指数分析

2.2.1 空间扩展的土地利用压力指数变化特征分析

从历年呼和浩特市土地利用压力指数的变化可以看出(图1)：1997-2014年间，呼和浩特市土地利用压力指数虽然有波动，但整体属于一个下降的趋势。1977-1990年间，土地利用压力指数先下降后上升，整体变化不大；建成区面积从1977年的34.59km2变为1990年的76.71km2，扩展面积为42.12km2，扩展面积相对较小，耕地面积从1977年的865.9km2下降为1990年的827.3km2，但草地面积从465.7上升为505.2km2；各类土地利用类型面积变化相对较小。具有较高生态功能的林地、草地面积比重大，建设用地比重小，建设用地开发强度和人类干扰指数小，使得这一时期土地利用压力指数较高。1990年以后，随着呼和浩特市经济的不断发展，土地利用压力指数在持续快速下降。1990-2010年间，建成区面积从76.71km2扩展为180.05km2，建成区面积飞速增加；建成区面积的增加占用了大量的耕地和草地，耕地和草地面积从827.3km2和505.2km2下降为679.8km2和464.3km2；耕地和草地面积减少，建设用地增加，人类干扰指数和建设用地开发强度都在不断地增加，使得土地利用状态指数不断下降。2010-2014年，四年间呼和浩特市建成区面积从180.05km2扩展到229.98km2，扩展速度比以往任何时间段都要快，年均扩展速率为12.48km2/a。由于建设用地不断增加、人口集聚等原因，使得土地利用压力指数在不断下降。

2.2.2 空间扩展的经济发展状态指数变化特征分析

1977-2014年，呼和浩特市经济发展状态指数在不断下降(图1)：其中，1977-1990年间，下降速度相当缓慢，1990年之后下降速度加快。呼和浩特市位于我国西北内陆地区，经济发展相对东部沿海较缓慢。1977-1990年间，GDP总量从5.4亿元上升为30.7亿元，第一产业所占比重相对较高，第一、二、三产业都有发展，但这一时期相对1990年以后发展较缓慢。工业发展缓慢，工业基础薄弱，产业发展空间相对较小，城市化水平和经济发展状态较低，且增幅较慢。1990-2014年，建成区面积开始飞快增加，经济发展状态指数开始快速下降。20世纪80年代末和90年代，国家实施了一系列的政策来促进城市化的发展，呼和浩特市也相继开发了金川、金桥、如意、金河等经济园区，工业开始迅速地发展。1990年第一、二、三产业的产值分别为5.2、12.2和12.9亿元，到了2014年分别增加为125.5、848.19、1 920.4亿元，经济发展速度越来越快，城市化水平越来越高，经济发展状态指数在不断下降。

2.2.3 空间扩展的生态环境响应指数变化特征分析

1977-2014年，呼和浩特生态环境响应指数随着城市空间的不断扩展在不断地下降(图1)。随着建设用地的不断增加，一方面占用了大量的耕地和草地，使得生态功能在不断下降；建设用地的斑块个数也在飞速增加，使得林地草地等具有高生态功能的土地类型斑块数也在增加。1977年呼和浩特市区草地、林地、耕地的面积分别为465.71、429.14、865.89km2，然而2014年三类土地利用类型的面积分别变为455.35、415.4、635.76km2，特别是耕地面积减少了230.13km2；建设用地的面积由1977年的75.39km2增加到440.48km2。草地、林地、耕地和建设用地的斑块数1977年分别为31、31、27和303，2014年分别增加到48、81、115和641，斑块个数的不断增加切断了各种土地类型之间的连通性，降低了生态系统的服务功能，使得生态环境响应指数在不断下降。

2.2.4 空间扩展的生态环境质量指数变化特征分析

城市用地是呼和浩特市生态环境的一个重要组成部分，城市空间的扩展变化与生态环境的变化密切相关。1977-2014年，呼和浩特市建成区面积从34.59km2扩展到229.98km2，生态环境质量指数从1977年的2.23下降到2014年的0.53(图1)。城市生态环境质量指数的变化可分为三个阶段：1977-1990年，生态环境处于波动状态，变化不大；1990-2001年，生态环境开始下降，但下降速度相对较小；2001-2014年，生态环境质量开始快速下降。呼和浩特市在快速城市化发展的过程中，人口不断增加，经济扩展，地域扩张。在这个过程中，城市有机体内的各种细胞不断分裂生殖和更新发展，并通过资源利用和能源消耗不断向区域排放废物，进而影响区域生态环境质量的变化。

3 结论与展望

(1)对呼和浩特市不同阶段城市空间扩展和生态环境变化情况进行分析可以看出：随着城市建设用地的不断增加，经济在快速增长的同时，生态环境受到了破坏；城市空间扩展的速度提高引起生态环境质量下降的速度加快。

(2)研究区在1977-2014年间各种土地利用类型面积都发生了变化，其中耕地面积的减少和建设用地面积的增加尤为突出，对生态环境产生了严重的影响。

(3)对研究区1977- 2014年的城市生态环境质量进行评价,计算结果表明:呼和浩特市建成区在扩展过程中，环境质量整体在不断地下降。1977-1990年，生态环境处于波动状态，变化不大；1990-2001年，生态环境开始下降，但下降速度相对较小；2001-2014年，生态环境质量开始快速下降。城市的扩展使生态系统的功能受到严重影响，因此，应对呼和浩特市区生态安全问题继续给予高度重视,积极采取措施改善生态环境，维护呼和浩特市区的生态安全,最终实现呼和浩特市区的可持续发展。

本文所构建的生态环境质量评价体系，是以城市空间扩展为基础来评价生态环境的变化，并不具有绝对性，但城市空间的扩展势必会引起生态环境质量的变化。对城市空间的扩展从多方面、多层次来分析生态环境的综合变化能够揭示呼和浩特市城市空间的扩展和生态环境变化二者之间的关系。由于自身条件的限制，评价指标选取没有包括全部的影响因素，未来的研究应该注重对单因素对环境影响的研究，比如城市的扩展对水资源的影响等，为治理环境污染提供方向。总之，呼和浩特未来城市空间扩展必须由粗放的地域扩张转变为精细的内部产业建设转型，只有这样，才能以促进社会经济与资源、环境的均衡协调发展。

责任编辑：富春凯

The Comprehensive Influence of Hohhot Urban Spatial Expansion on the Ecological Environment

WANG Jin-li, ZHEN Jiang-hong, CHA Su-na

(Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022，China)

A healthy environment is the guarantee of urban development and people′s life, and urban spatial expansion is one of the important factors that affect the change of urban ecological environment. Taking Hohhot city as an example, use the data of the 6 remote sensing images in Hohhot city in 1977-2014, combined with the administrative plan and statistical yearbook, to get the situation of the change of built-up area. According to the P-S-R model, selected land using pressure, economy development status, and ecological environment response as the evaluation index, to establish a comprehensive evaluation model and analysis of environmental quality in Hohhot city. It can be seen that during the year of 1977-1990 , the ecological environment fluctuated, changed little ; In 1990-2001, the quality of ecological environment began to decline, but the rate is relatively small; in 2001-2014, the quality of the environment began to decline rapidly. Improving our living environment is the urgent problem to be solved in Hohhot.

Urban spatial expansion; Ecological environment; Impact; Urbanization; Hohhot

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.04.002

2017-05-03

内蒙古师范大学研究生科研创新基金(CXJJS16116)；国家自然科学基金(41261109)；内蒙古自然科学基金(2016MS0410)。

王金礼(1992—)，男，山东临沂人，在读研究生。研究方向：区域与城市地理。*为通讯作者

X24

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1674-6341(2017)04-0003-04