新沂市土地利用变化及其生态环境效应分析

陈昆鹏,胡召玲

(江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院，江苏 徐州 221116)



新沂市土地利用变化及其生态环境效应分析

陈昆鹏,胡召玲*

(江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院，江苏 徐州 221116)

基于新沂市2006、2014年两期土地利用数据，得到该市在2006～2014年间土地利用动态度、区域生态环境质量指数及生态贡献率等指标，并根据生态贡献率制作主导土地利用变化类型的空间分布图，对该市土地利用变化空间分布特征及其生态环境效应进行分析与评价.结果表明：(1)2006～2014年间，新沂市的土地利用类型发生了显著变化，但土地利用类型依然以耕地为主，约占研究区总面积的51%.耕地、园地、林地、草地、其它土地的面积减少，而交通运输用地、水域及水利设施用地、城村镇及工矿用地面积增加.(2)2006～2014年新沂市的区域生态环境质量指数由0.3765下降到0.3549，呈现出下降趋势.退耕还水、退耕还园是促使生态环境改善的主导因素，其占生态贡献率比率分别达到28.75%、15.65%.而毁园造田是导致生态环境恶化的主导因素，其占生态贡献率比率达到-20.34%.该文为研究区土地利用动态优化配置和生态环境建设提供了参考依据.

土地利用变化；生态环境效应；生态环境质量指数；新沂市

土地利用变化，作为人类活动对区域及全球变化驱动的重要组成部分，在全球变化的研究领域中已经成为一个热点话题[1,2].目前对全球环境变化的研究主要集中在土地利用/土地覆盖变化方面，人类也以此为媒介进而分析解决全球变化问题[3,4].土地为人们提供了基本的生产资料，这也增加了人类对土地的依赖程度[5].而人类的活动，如物质和能源的运输、存储、转换、消耗以及废弃物处理，都和土地利用有着密切的联系[6].土地利用变化和生态环境演化之间也存在互动的关系，自然现象和生态过程会随着土地利用的变化而改变[7]，因此，探究土地利用变化及其对生态环境的影响机制，对认识研究区域乃至全球的生态环境变化都具有非常重要的现实意义[8].因土地利用类型与其生态环境效应间的关系十分复杂，目前国内外学术界对由土地利用变化引起的生态环境效应的客观、综合的定量分析与评价方法仍在探索中[9,10].近年来，有学者基于景观指数研究土地利用变化的综合生态效应[11-13]，罗彦芳等采用景观格局指数法对淳安县的土地利用景观格局变化及其引起的生态环境效应进行了研究[14].也有学者通过对土地利用类型的生态环境质量指数进行定量赋值，评价由土地利用类型变化引起的生态环境效应[15].张扬等以武汉市土地利用数据为数据源，运用生态环境质量指数和生态贡献率指数对武汉市的生态环境效应进行了分析与评价[2].然而国内外学术界对土地利用变化环境效应的研究，仍集中在生态脆弱区、经济发达热点地区，而对于县域尺度的经济欠发达区进行土地利用变化的生态效应分析研究尚不多见.

南水北调东线工程于2013年实施后，新沂市境内的京杭运河和西南部的骆马湖是南水北调东线重要的两个调水线路和调蓄水库.近年来新沂市城市化和工业化发展迅速，新沂市的城区面积已拓展到26170 hm2.新沂市面临着生态环境建设和社会经济发展的双重考验.本文以新沂市2006、2014年两期土地利用数据为主要数据源，应用GIS技术分别提取出这两年的土地利用类型变化信息，对新沂市8年间的土地利用变化特征进行了分析，并采用生态环境质量指数及生态贡献率指数的方法，根据生态贡献率指数制作新沂市主导土地利用变化类型的空间分布图，定量分析、评价了新沂市2006～2014年间土地利用变化的空间分布特征及其生态环境效应，以期更加客观、全面地对新沂市土地利用类型变化的生态环境效应进行分析与评价，为县域尺度经济欠发达地区土地资源的可持续利用及管理提供参考依据.

1 研究区概况

本文以江苏省新沂市为研究区域，该市位于苏、鲁两省交界，是江苏省徐州市的一个下辖县级市，位于东经117°59′～118°40′，北纬34°05′～34°26′，总面积约159200 hm2，下辖13个镇，4个街道，1个省级开发区，总人口约111.89万(图1).新沂市地处鲁南丘陵与苏北平原的过渡地带，境内缺少高大山脉，主要以平原地形为主，但有剥蚀岗地和湖荡洼地分布.新沂市境内属淮河流域沂、沭、运水系，河流流向主要是自北向南或自西向东，境内流域性河湖主要有“四河一湖”，即：中运河、沂河、沭河、新沂河、骆马湖，水库主要有：高塘水库、沙墩水库、新庄水库、大周水库、黄巢关水库、龙潭水库等.土地利用类型主要为：耕地、水域及水利设施用地、城镇村及工矿用地等.

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area.

2 数据来源与处理

本研究所使用的数据为：新沂市2006年和2014年土地利用矢量数据.在ArcGIS 10.1软件平台上，以2014年土地利用数据为参考，对2006年土地利用数据进行投影变换与坐标校正，使校正后的2幅土地利用数据的地理空间参考一致.2014年土地利用数据以《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2007)为分类依据，而2006年土地利用数据则以国土资源部颁布并于2002年开始实施的土地利用现状分类标准为分类依据，本文按照《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2007)，以2014年土地利用数据为参考，对2006年的土地利用类型进行转换，建立2个年份相同的土地利用分类体系.将新沂市土地利用类型分为耕地、园地、林地、草地、交通运输用地、水域及水利设施用地、城镇村及工矿用地、其它土地8个一级类和水田、水浇地、旱地等25个二级类，并制作出新沂市2006、2014年土地利用现状图(图2).

图2 新沂市2006年(a)和2014年(b)土地利用现状图Fig.2 The land use maps in Xinyi City in 2006(a)and 2014(b)

一级类二级类编码名称编码名称生态环境质量指数赋值一级类二级类编码名称编码名称生态环境质量指数赋值1耕地011水田0．40113水库水面0．55012水浇地0．30114坑塘水面0．55013旱地0．25116内陆滩涂0．452园地021果园0．70117沟渠0．55023其它园地0．60118水工建筑用地0．253林地031有林地0．957城镇村及201城市0．20033其它林地0．40工矿用地202建制镇0．204草地043其它草地0．30203村庄0．205交通运输101铁路0．20204独立工矿0．20用地102公路0．20205风景名胜及0．20104农村道路0．20特殊用地6水域及水利111河流水面0．558其它土地122设施农用地0．25设施用地112湖泊水面0．75127裸地0．05

新沂市土地利用类型二级分类系统具有比较高的精度，参照崔佳、张杨等人的研究成果，根据各土地利用类型的相对生态价值，并结合新沂市地域特征，建立土地利用类型与区域生态环境质量的关联，对不同土地利用类型的生态环境质量在[0-1]内赋值，以此来反映单位面积上不同土地利用类型的生态环境质量的差异[1,2].首先，以林地的生态环境质量指数最高，有林地为0.95、其他林地为0.40.由于研究区水体主要为河流与湖泊，内部物种构成较为单一，生态系统结构相对简单，其赋值相应降低，湖泊水面为0.75，其它水体赋值相应降低.水田的生态价值明显高于旱地，二者的赋值在全球耕地平均比例的基础上，依研究区现状有所调整，水田为0.40，水浇地和旱地分别为0.30、0.25.交通用地、城镇建设用地参照当地实际及与其他土地利用类型生态环境效应的比例关系而定，均赋值0.20.最终建立研究区生态环境质量指数表(表1).

3 研究方法

基于新沂市2006、2014年两期土地利用数据，计算出该市土地利用动态度、区域生态环境质量指数及其生态贡献率指数等指标，并根据生态贡献率指数制作新沂市主导土地利用变化类型的空间分布图，对新沂市土地利用变化空间分布特征及其生态环境效应进行分析与评价.

3.1 土地利用动态度

土地利用动态度综合考虑了研究时段内土地利用类型间的转移，并且可以定量描述研究区土地利用变化的速度和差异[16-19].土地利用动态度包括单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[16].

单一土地利用动态度对某一土地利用类型的数量变化特征进行了描述[17].其表达式为：

(1)

式中：Ua、Ub分别为研究初期及研究末期某一土地利用类型的面积；T为研究时段长.

综合土地利用动态度反映研究区土地利用变化的强度[18].其表达式为：

(2)

式中：LUi为研究期初第i类土地利用类型面积，△LUij为研究时段内第i类土地利用类型转为第j类(j≠i，i，j=1，2…n)土地利用类型的面积，T为研究时段长.

3.2 区域生态环境质量指数

对研究区内各土地利用类型所具有的生态质量及其面积所占比例进行综合考虑，该指数可以定量地描述研究区内生态环境质量的情况[2].其表达式为：

(3)

式中：LUi和Ci为研究区内t时期第i类土地利用类型的面积及其生态环境质量指数；TA为区域总面积；n为区域内土地利用类型数量.

3.3 土地利用变化类型生态贡献率

定量分析某种土地利用类型变化方向对研究区生态环境质量变化的生态质量指数,构建研究区土地利用变化的生态贡献率[2].其表达式为：

(4)

式中：LEt+1、LEt分别为某种土地利用变化类型所反映的变化末期和初期土地利用变化类型所具有的生态环境质量指数；LA为该变化类型的面积；TA为区域总面积.

4 结果与分析

4.1 土地利用变化分析

基于ArcGIS 10.1软件对新沂市2006、2014年两期土地利用数据进行统计，获得各土地利用类型的面积和所占比例以及2006～2014年间的变化面积(表2)，为对新沂市土地利用变化状况有更直观的认识，本文以各土地利用一级类型为基本单元，应用式(1)、(2)分别计算出新沂市2006～2014年间的8种土地利用类型的单一土地利用动态度(表2)和综合土地利用动态度.

表2 新沂市2006～2014单一土地利用动态度

由表(2)可知：新沂市土地利用类型变化的速度比较快，但土地利用类型依然为耕地为主，面积比重最大，2014年占新沂市总面积的51.07%.从单一土地利用类型动态度来看，耕地、园地、林地、草地、其它土地的面积有所减少.2006～2014年间，草地的减速最快，单一土地利用动态度为-8.22%，减少552.93 hm2.其次为林地，单一土地利用动态度为-7.34%，减少2305.31 hm2.其它土地的单一土地利用动态度为-5.87%，减少1777.07 hm2.园地的单一土地利用动态度为-2.02%，减少1709.98 hm2.耕地的单一土地利用动态度为-0.90%，减少量最大，减少6336.96 hm2.交通运输用地、水域及水利设施用地、城村镇及工矿用地面积有所增加.交通运输用地的增速最快,单一土地利用动态度为30.72%，增加5125.04 hm2.其次为水域及水利设施用地，单一土地利用动态度为2.12%，增加5133.88 hm2，面积增加量最大.城村镇及工矿用地，单一土地利用动态度为1.51%，增加2423.32 hm2.从新沂市的综合土地利用动态度来看，2006～2014年间新沂市土地利用类型年综合变化率为15.29%，说明新沂市土地利用变化十分明显.

4.2 土地利用变化的生态环境效应分析

根据式(3)和表1，计算出新沂市2006年和2014年的区域生态环境质量指数分别为0.3765、0.3549，由此可知，新沂市近8年来土地利用变化引起该地区生态环境质量恶化.尽管新沂市生态质量总体呈下降趋势，但也存在着局部改善和局部恶化的两种趋势，生态环境改善和恶化的趋势可从分析二级土地利用类型变化得出.基于ArcGIS 10.1软件对新沂市2006、2014年土地利用现状图进行空间叠置分析，依据二级土地利用类型所具有的生态环境质量指数(表1)和式(4),可得出不同土地利用变化类型的面积、对研究区生态环境质量变化的生态贡献率及占生态贡献率比率(表3).结合土地利用变化类型的生态贡献率可得到主导土地利用变化类型空间分布图(图4)，图中红色表示导致生态环境质量恶化的土地利用变化类型，绿色表示促使生态环境质量改善的土地利用变化类型，颜色越深表示该土地利用变化类型的生态贡献率越高.

表3 主导土地利用变化类型及生态贡献率

图4 主导土地利用变化类型空间分布图Fig.4 The spatial distribution map of the major type of land use change

由表3和图4可知，2006～2014年间促使新沂市生态环境质量改善的主要土地利用变化的驱动因子为：退耕还水，退耕还园，水浇地和旱地转化为水田，内陆滩涂和水工建筑用地转化为河流水面.其中退耕还水转化的部分生态贡献率最大，占生态贡献率比率为28.75%，变化面积达7276.13 hm2，在研究区中的转化类型分布较广，主要土地利用变化类型为水田、旱地转化为河流水面、坑塘水面、湖泊水面和沟渠，一方面由于农田基本水利设施的建设，使一部分旱地转化为用于引排水的沟渠，另一方面由于新沂市西南部的骆马湖和京杭运河是南水北调东线重要的两个调蓄水库和调水线路，2013年南水北调东线通水后，水位升高，使湖泊和河道周围的部分耕地转化为水域.退耕还园转化的部分占生态贡献率比率为15.65%，变化面积为3016.53 hm2，主要土地利用变化类型为水田、旱地转化为其它园地.水浇地和旱地转化为水田的部分占生态贡献率比率为9.29%，变化面积为3972.29 hm2.内陆滩涂和水工建筑用地转化为河流水面的部分占生态贡献率比率为7.22%，变化面积为1962.41 hm2.

2006～2014年间促使新沂市生态环境质量恶化的主要土地利用变化的驱动因子为：毁园造田，城镇村及工矿用地的扩展，围水造田，湖泊水面转化为坑塘水面和内陆滩涂，河流水面转化为水工建筑用地，水田转化为旱地.其中毁园造田所对应的土地利用变化类型为果园、其它园地转化为旱地，其生态贡献率最大，占生态贡献率比率为-20.34%，变化面积达4974.45 hm2.湖泊水面转化为坑塘水面和内陆滩涂，河流水面转化为水工建筑用地这两种转化的部分占生态贡献率比率为-11.19%，变化面积为4847.05 hm2，主要分布在新沂市西南部的骆马湖周围区域.水田转化为旱地的部分占生态贡献率比率为-10.69%，变化面积为6717.13 hm2，集中分布在新沂市东部边缘乡镇.城镇村及工矿用地的扩展转化的部分占生态贡献率比率为-9.46%，变化面积为2018.61 hm2，主要土地利用变化类型为水田、果园、有林地转化为建制镇、村庄，主要分布在新沂市区西南部环城西路附近以及建制镇和农村居民点附近.围水造田转化的部分占生态贡献率比率为-9.27%，变化面积为3236.96 hm2，主要土地利用变化类型为河流水面、湖泊水面、坑塘水面、沟渠转化为旱地.

5 结 论

2006～2014年间，新沂市的土地利用类型发生了显著变化，从而引发了该市生态环境质量发生相应的变化.本文通过对新沂市土地利用类型及其生态环境质量变化的研究，得到以下结论：

(1)2006～2014年，新沂市的土地利用类型发生了较大的变化，但土地利用类型依然为耕地为主，面积比重最大，2014年占新沂市总面积的51.07%.耕地、园地、林地、草地、其它土地的面积有所减少，其中耕地的面积减少量最大，8年间减少了6336.96 hm2，草地的减速最快，单一土地利用动态度为-8.22%，减少552.93 hm2.而交通运输用地、水域及水利设施用地、城村镇及工矿用地面积有所增加，其中水域及水利设施用地的增加量最大，增加了5133.88 hm2，交通运输用地的增速最快,单一土地利用动态度为30.72%，增加5125.04 hm2.

(2)2006～2014年，新沂市生态环境质量呈现出一种下降趋势.研究区内生态环境质量也存在着局部好转和局部恶化的两种趋势，其中促使新沂市生态环境质量改善的主要驱动因子为：退耕还水，退耕还园，水浇地和旱地转化为水田，内陆滩涂和水工建筑用地转化为河流水面.退耕还水的生态贡献率占生态贡献率比率最大，占生态贡献率比率为28.75%，变化面积达7276.13 hm2，是促使生态环境改善的主导因素.促使新沂市生态环境质量恶化的主要驱动因子为：毁园造田，城镇村及工矿用地的扩展，围水造田，湖泊水面转化为坑塘水面和内陆滩涂，河流水面转化为水工建筑用地，水田转化为旱地.毁园造田的生态贡献率占生态贡献率比率最大，占生态贡献率比率为-20.34%，变化面积达4974.45 hm2，是导致生态环境恶化的主导因素.

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[责任编辑：徐明忠]

Analysis on the changes of land use and its ecological environmental effects in Xinyi city

CHEN Kunpeng，HU Zhaoling*

(School of Geography，Geomatics & Planing，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，China)

Based on the land use data in Xinyi city in 2006 and 2014，the paper figured out the land use dynamics，the regional ecological environment quality index and ecological contribution rate from 2006 to 2014.Then，the spatial distribution map of the major type of land use change has been made according to ecological contribution rate.The characteristics of spatial distribution of land use change and its ecological environmental effects was analyzed and evaluated.The results showed that：(1) The local land use types were greatly changed from 2006 to 2014 in Xinyi city.The main type of land use was farmland and it accounted for 51% in the total study area.The areas of farmland，garden land，forestland，grassland and other land declined.On the contrary，the transportation land，water body and water facilities land，urban，village and industrial land expanded.(2)The regional ecological environment quality index dropped from 0.3765 in 2006 to 0.3549 in 2014 in Xinyi city，indicating a downward trend.The main driving factors of the ecological environment improvement were converting farmland into water，converting farmland into garden land，converting irrigable farmland and dry farmland into paddy field，converting inland beach land and water conservancy construction land into river.On the other hand，the main driving factors of the ecological environment degradation were destroying garden land to farmland，the expansion of urban，village and industrial land，converting water into farmland，converting lake into pond and inland beach land，converting river into water conservancy construction land and converting paddy field into dry farmland,.This paper provides a reference for the study of dynamic optimal allocation of land use and ecological environment construction.

land use change；ecological environmental effect；ecological environment quality index；Xinyi city

2017-04-07

国家自然科学基金资助项目(41101428，41401438)

陈昆鹏(1991—)，男，河南商丘人，江苏师范大学硕士研究生，主要从事遥感与地理信息系统应用的研究.

胡召玲(1973—)，女，山东莱州人，江苏师范大学教授，博士，主要从事遥感与GIS理论及应用等方面的教学与研究.

F301.24

A

1672-3600(2017)09-0047-08