昌黎县土地利用转型对生态环境效应的影响

袁 悦, 井立蛟, 杨鸿雁, 张黎明, 朱永明

(1.河北农业大学 国土资源学院, 河北 保定 071001; 2.北京地星规划设计院, 北京 100080;3.石家庄市国土资源局, 石家庄 050051; 4.河北普度中昊土地开发整理有限公司, 石家庄 050000)

土地利用转型是指在经济社会变化和革新的驱动下，一段时期内与经济社会发展阶段转型相对应的土地利用形态(含显性形态和隐性形态)的转变过程，包括区域土地利用功能和结构层面的考究。土地利用转型作为土地利用/覆被变化(LUCC)综合研究的一种新途径[1]，相关的理论与研究正在逐步完善。主要涉及土地利用转型的理论与理念[2-3]、土地利用转型对社会、经济、生态环境的影响与评价[4-6]、土地利用转型与景观格局变化研究[7]。关于土地利用功能分类体系的研究，不同土地类型均存在多种功能，但总有其主导功能。土地利用转型的表现之一是土地利用主导功能的转型，即土地利用的生产、生态、生活(简称“三生”)三大主导功能间的转化[8]。中共党的十八大报告提出“调整空间结构、促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”，从政策层面对用地格局提出了新要求。基于“三生用地”的土地利用主导功能分类体系，可将土地利用转型和区域转型发展相衔接，是研究土地利用转型的新视角。

在区域社会经济转型发展的过程中，土地利用转型对生态环境的影响是重要研究内容之一，研究内容涉及大气成分和地表生态系统等。目前，关于土地利用转型对生态环境效应分析主要有3类：一是对区域气候、水环境与生物多样性等单要素的影响分析[9-10]；二是对生态系统服务功能的影响效应[11]；三是对景观生态格局的影响效应[12]。然而，对县域尺度的土地利用转型的生态环境效应研究尚不多见。

因此，本文以河北省昌黎县为例，基于2009年、2012年和2015年3期土地利用现状数据，定量研究2009—2015年昌黎县基于“三生用地”的土地利用功能结构的转型、空间转型的特征及生态环境效应的规律，揭示土地利用主导功能转型在县域发展过程中对生态环境造成的影响，以期为协调县域土地资源开发和生态环境保护提供借鉴。

1 研究区概况

昌黎县位于河北省东缘，东临渤海，西南挟滦河，北依燕山，隶属于秦皇岛市，地理坐标为118°45′—119°20′E，39°22′—39°48′N。属暖温带半湿润大陆性季风气候，年降水量为597.7 mm，年均温为12.3℃。截至2015年，昌黎县总人口56.2万人，土地总面积1 210 km2，下辖11镇5乡1区，地区生产总值为206.8亿元，比2014年增长10.5%。昌黎县位于环渤海经济圈的中心地带，区位优势明显，境内矿产资源丰富。昌黎县地质结构复杂，以京哈铁路为界，北部为低山丘陵，是县内林果的主产区；南部为山前平原和滨海平原，是县内粮食作物和经济作物的主产区。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本文选取的秦皇岛市昌黎县2009年、2012年和2015年3期土地利用现状数据来源于2009年、2012年和2015年土地利用变更调查数据库中的DLTB图层，经自然资源部(原国土资源部)验收后下发，由秦皇岛市昌黎县国土资源局提供，数据格式为shp格式，图形完整、无拓扑错误，数据属性齐全，真实可靠。

基于土地利用主导功能的视角，借鉴刘继来等[13]的“三生用地”分类体系，通过归并土地利用现状数据中的各用地类型，建立“生产—生活—生态”土地利用主导功能分类体系，将全县土地分为生产用地、生活用地、生态用地、生活生产用地和生产生态用地5大类。此外，借鉴李晓文[14]、崔佳[15]和杨清可[16]等研究成果制定不同二级地类的生态环境质量指数(表1)。

表1 土地利用主导功能分类及其生态环境质量指数

2.2 研究方法

2.2.1 建立土地利用转移矩阵 本文采用土地利用转移矩阵实现土地利用功能结构转型。土地利用功能结构转型通过土地利用转移矩阵模型实现。该方法将土地利用变化转移面积按矩阵的形式加以列出，能够具体刻画土地利用的结构特征与用地功能类型变化[17]。

本文利用ArcGIS 10.2软件，对3期土地利用类型数据进行交叉分析(Arc Toolbox/Analysis Tools/Overlay/Intersect)，重新计算面积并导出属性表，结合Excel数据透视表进行处理，建立各期土地类型转移矩阵。

2.2.2 分析土地利用转型的生态环境响应

(1) 生态单元环境质量指数分析。本文格网大小根据经验公式而来[18]。综合考虑各生态单元内二级分类体系下各土地利用类型所具有的生态环境质量，利用面积加权法对“三生用地”分类的生态环境质量进行计算，定量表征区域内生态单元环境质量状况，其表达式为：

(1)

式中：EVi第i个生态单元的生态环境质量指数；Ri为第i类用地类型的生态环境质量指数；Aki为第k个生态单元内用地类型i的面积；Ak为第k个生态单元的面积；n为土地利用类型的数目。

本文将3期地类图斑视为采样点，2009年、2012年、2015年3个节点年份的土地利用现状地类图斑数均为2万个左右，基于采样点的数量，格网数量大约为采样点的1/2，经过多次调试，利用ArcGIS 10.2软件，最终确定以340 m×340 m的正方形格网(Arc Toolbox/Cartography Tools/Data Driven Pages/Grid Index Features)对研究区进行等间距采样，生成大约1万个样区。将生成的格网与DLTB进行叠加(Arc Toolbox/Analysis Tools/Overlay/Intersect)，结合Excel计算每个格网内各用地类型的面积，依据表1各用地类型的生态环境质量指数，利用面积加权法计算各生态单元的生态环境质量指数。

(2) 地统计分析。利用地统计学的半变异函数理论可以较好地描述研究样区的空间变异特征，它能反映随距离而变化的空间变异程度。半方差计算公式为：

(2)

式中：γ(h)是半方差；h是样本距；Z(xi)，Z(xi+h)是位于xi，xi+h处的生态环境质量值；n(h)是间距为h的样本对总数。

本文利用ArcGIS 10.2软件，将1万个生态单元的环境质量指数赋给样区中心点(Arc Toolbox/Data Management Tools/Features/Feature To Point)。将样区中心点x，y坐标和生态环境质量指数输入GS+7.0中，运用GS+7.0空间分析模型对半方差函数进行拟合，得到相应模型及块金值、基台值、变程等参数。在此基础上，采用克里格法对昌黎县生态环境质量指数进行空间插值(Geostatistical Analyst/Geostatistical Wizard: Kriging/CoKriging)，利用自然断点法将其分为5级，即低质量区(EV≤0.20)、较低质量区(0.200.65)。

(3) 土地利用转型的生态贡献率分析。土地利用变化类型生态贡献率是指某一种土地利用类型变化所导致的区域生态质量的改变。其表达式为[19]：

LEI=(LEt+1-LEt)LA/TA

(3)

式中：LEI为土地利用功能转型的生态贡献率；LEt+1，LEt分别为某种土地利用变化类型所反映的变化初期和末期土地利用类型所具有生态质量指数；LA为该变化类型的面积；TA为区域总面积。

本文通过地图代数和土地利用转移矩阵获得各类三生用地生态环境质量指数变化情况，结合Excel数据透视表分离出影响生态环境质量变动的功能类型，有利于探讨区域生态环境变化的主导因素。

3 结果与分析

3.1 土地利用转型分析

3.1.1 土地利用转型情况 昌黎县土地利用功能结构转型中，生产用地面积从2009年的2 718.69 hm2增加至2015年的4 588.98 hm2，增加近1倍；生活用地面积从2009年的15 510.81 hm2增加至2015年的16 888.36 hm2，增长缓慢；生态用地面积从2009年21 069.83 hm2减少到2015年的20 363.21 hm2，缓慢减少；生产生态用地面积从2009年的81 148.50 hm2减少到2015年的78 609.02 hm2；生产生活用地面积相对稳定，保持在570.00 hm2左右。按照二级地类来看，农业生产生态用地分布最为广泛，其次是村庄生活用地和林草生态用地，除东部沿海和北部林地有林草生态用地外，农业生产生态用地和村庄生活用地均匀分布于全县。2015年，农业生产生态用地和村庄生活用地面积分别为72 679.17，15 204.44 hm2，分别占总面积的60.06%，12.56%。昌黎县东部地区沿海，主要分布着水域生态用地，占总面积的4.78%。其他生态用地面积为3 374.68 hm2，占总面积的2.79%，主要分布在东部和北部林场地区，表明昌黎县土地开发利用程度较低，后备土地资源较充裕(表2，图1)。

表2 2009-2015年昌黎县各地类面积及其变化 hm2

2009—2015年，昌黎县土地格局发生了显著变化，农业生产生态用地面积大幅减少，其次是林草生态用地、水域生产生态用地和其他生态用地面积有所减少，其他生产用地和村庄生活用地面积增长较快。农业生产生态用地减少2 267.71 hm2，林草生态用地、水域生产生态用地和其他生态用地分别减少340.17，271.76，242.65 hm2；其他生产用地和村庄生活用地分别增加1 812.73，1 379.76 hm2，其中其他生产用地增幅最大，年均增长320.12 hm2。表明随着城镇化水平的快速提升，昌黎县其他生产用地和村庄生活用地需求增加，土地供需矛盾进一步加剧。由于受区域自然条件、交通区位、经济政策、发展战略等因素的影响，各地区建设用地变化程度差别明显(图1)。

图1 2009-2015年昌黎县“三生”土地利用现状

3.1.2 土地利用转型方式 为探讨各土地利用类型间的内部转换，基于图1的3期土地利用功能分类图，借助ArcGIS 10.2的空间分析功能对不同时期的土地利用图进行叠加分析，获得研究区3个时期土地利用功能类型的转移模式，明确了土地利用功能类型相互转化的方向和数量(表3—4)。结果主要表现为其他生产用地和村庄生活用地面积的增加，农业生产生态用地和林草生态用地及水域生产生态用地面积的减少。

2009—2012年，农业生产生态用地主要转化为村庄生活用地和其他生产用地，转移面积分别为717.25，353.53 hm2，对应的转移率分别为0.96%，0.47%；水域生产生态用地主要转化为其他生产用地，转化面积为207.33 hm2；其他生态用地和林草生态用地主要转化为村庄生活用地，转化面积分别为147.62，126.84 hm2；其他土地功能类型间的转化不明显。

2012—2015年，其他各功能类型用地向村庄生活用地转化的面积大幅下降，较2009—2012年减少了0.29倍，农业生产生态用地、林草生态用地、水域生产生态用地等转化为其他各功能类型用地的面积均减少2倍及以上。其中，农业生产生态用地主要转化为其他生产用地和村庄生活用地，转化面积分别为729.18，209.35 hm2，相应转化率分别为0.99%，0.28%；林草生态用地主要转化为其他生产用地和村庄生活用地的面积分别为80.38，58.79 hm2，相应转化率分别为0.71%，0.52%；其他生态用地转化为村庄生活用地的面积为60.95 hm2，相应转化率为1.77%。

由此可见，不断推进以实现农业生产用地总量的动态平衡为目的的土地整治活动初见成效。

3.2 土地利用转型的生态环境响应

3.2.1 生态环境综合质量时空演变规律 按照公式(2)的方法计算出1万个生态环境小区中心点的质量值。在GS+7.0显示，3个时期数据用指数模型拟合最为理想，计算出的生态环境质量指数半变异函数的相关参数(表5)。基台值从2009年的0.040 06减少至2015年的0.038 68，表明土地利用生态环境质量空间分布均匀性增强，差异逐渐缩小。变程值无变化，表明生态环境质量指数的相关性范围保持稳定。2009年、2012年、2015年的块金基台比变化在0.70～0.72之间浮动，总体较为稳定，表明质量指数值的空间相关性中等。

表3 2009-2012年昌黎县土地利用变化转移矩阵 hm2

表4 2012-2015年昌黎县土地利用变化转移矩阵 hm2

表5 半方差函数拟合

(1) 时序变化。昌黎县总体生态环境质量指数值从2009年的0.330持续降至2015年的0.325，整体质量水平有所恶化。各级生态环境质量值表现出以下差异(表6)：2009—2015年，较低质量区、中质量区和较高质量区总和保持在80%以上，构成了区域土地利用环境状况的主体。高质量区较为稳定，但较高质量区和中质量区面积和比重缓慢减少，呈下降的趋势，而较低质量区和低质量区面积和比重持续增加，呈不断扩张的趋势(图2)。

对2009—2015年生态环境质量面积转移矩阵进行分析(表6—7)，结果表明：6 a间生态环境质量等级增加的区域为570.11 hm2，等级降低的面积为10 027.39 hm2，是前者的17.59倍之多。其中，2009—2012年，生态环境质量等级下降面积为5 521.48 hm2，占总面积的4.56%，2012—2015年等级下降面积为4 525.00 hm2，占总面积的3.74%。2009—2015年，低质量区和较低质量区面积缓慢增加，主要是由中质量区和较高质量区转化，转化面积为8 261.24 hm2。质量等级增加面积在前一阶段为192.15 hm2，占总面积的0.16%，而后一阶段为377.96 hm2，占总面积的0.31%，主要是较低质量区和中质量区分别转化为中质量区和较高质量。表明高级别的生态环境质量区域呈下降趋势，是区域整体质量水平恶化重要原因。

图2 昌黎县生态环境质量等级面积及比重

(2) 空间分异。土地利用生态环境质量指数整体上呈现“东高西低、南北高中间低”的空间格局(图3)。高生态质量区主要位于东部、南部和北部，功能类型主要为水域生态用地和林草生态用地，生态环境质量较高，但高质量区范围正缓慢缩小。中质量区和较高质量区范围逐渐缩小，主要分布在中部和北部，面积占比约50%。较低质量区集中分布在昌黎县中部和西部的广大范围内，面积占比约30%，且比重不断上升。2009年，西部安山镇和靖安镇仅有小面积低质量区，至2015年，扩张近两倍，周边较高质量区也在向较低质量区转移，集中连片分布趋势明显，与乡镇扩张范围基本上保持一致。

2009—2015年村庄生活用地和其他生产用地面积不断增加，低质量区呈扩张趋势。其中，2012—2015年村庄生活用地扩张范围较2009—2012年明显缩小。面对资源约束趋紧、环境污染严重和生态系统退化等严峻形势，把生态文明建设放在突出地位，并且将其融入经济、政治、文化和社会建设的各方面与全过程，是努力建设美丽中国、实现中华民族永续发展的需要。

3.2.2 土地利用转型对生态环境影响的贡献率分析 区域内生态质量往往同时发生着改善和恶化两种相反趋势，在相当程度上这两种趋势在一定区域内相互抵消，使其总体上维持相对稳定，但指数的稳定并不意味着生态环境没有发生改变。表8给出了2009—2015年期间昌黎县导致生态环境改善和退化的主要土地功能类型的质量指数变化和贡献率。

表6 2009-2012年昌黎县生态环境质量等级面积转移矩阵 hm2

表7 2012-2015年昌黎县生态环境质量等级面积转移矩阵 hm2

2009—2012年，其他生态用地转化为村庄生活用地，是生态环境改善的主导因素，导致生态环境改善的土地功能类型相对集中，对生态质量的改善比重占98.55%。与此相反，其他生产用地和村庄生活用地对农业生产生态用地的占用是导致生态环境质量恶化的重要因素，二者总和占总贡献率的90.37%。

图3 2009-2015年昌黎县生态环境质量空间分布

2012—2015年，其他生态用地转化为村庄生活用地和村庄生活用地转化为农业生产生态用地，是生态环境改善的主要原因，二者总和占总贡献率的95.27%。导致生态环境恶化的主导因素为农业生产生态用地转化为其他生产用地，对生态质量的改善比重占87.48%。总体而言，昌黎县同时存在生态改善与恶化的两种趋势，但是生态环境改善的趋势小于环境恶化的趋势，且生态环境恶化的程度在不断加大。

表8 影响生态环境质量的主要用地转型及贡献率

4 结 论

(1) 2009—2015年，昌黎县基于“三生用地”的土地利用转型主要表现为生产用地和生活用地的快速增加，生态用地和生产生态用地的快速减少，生活生产用地的稳定。按照二级地类来看，农业生产用地面积的快速减少，生活生产用地和城镇生活用地相对保持稳定，其他生产用地和村庄生活用地大幅增加。

(2) 昌黎县生态环境质量指数从2009年的0.330持续降至2015年的0.325，整体质量有所恶化。2009—2015年，较低质量区、中质量区和较高质量区面积占80%左右，构成了土地利用环境状况的主体。高质量区面积与比重保持较为稳定，但较高质量区和中质量区持续减少，低质量区和较低质量区面积持续增加，呈不断扩张的趋势。土地利用生态环境质量指数整体上呈现“东高西低、南北高中间低”的空间格局。

(3) 2009—2015年，昌黎县同时存在生态改善与恶化的两种趋势，但是生态环境改善的趋势小于环境恶化的趋势，且生态环境恶化的程度不断加大。研究期间其他生态用地转化为村庄生活用地和村庄生活用地转化为农业生产生态用地是生态环境改善的主导因素，其他生产用地和村庄生活用地占用是区域生态环境质量退化的重要因素。