河北省土地利用变化及其生态环境影响

王雪然 潘佩佩

摘要：土地利用变化对生态系统环境的影响以及确保生态环境安全意义重大。基于地理信息系统（GIS）技术，利用河北省1985、2000、2015年的土地利用数据，分析土地利用时空变化特征及其生态环境效应。结果表明，研究期间，建设用地、水域和林地面积增加;耕地、草地、未利用地面积减少;从单一土地利用动态度可见，不同土地利用动态度变化从大到小依次为建设用地、未利用地、耕地、水域、草地;生态环境质量指数和生态价值均呈下降趋势，一般减少区分布最广;采用生态环境质量指数和生态价值2种方法，从不同角度分析生态环境效应，以县级行政区为基本单元，探讨不同县域生态价值的时空分异，为土地利用和调控提供一定参考。

关键词：土地利用变化;生态价值;生态效应;河北省

中图分类号： F323.211  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）16-0297-06

收稿日期：2018-12-06

基金项目：河北省社会科学基金（编号：HB17GL065）。

作者简介：王雪然（1994—），女，河北邯郸人，硕士研究生，主要从事土地利用变化研究。

通信作者：潘佩佩，博士，副教授，硕士生导师，主要从事土地利用及其资源环境效应研究。

土地利用变化是指由于土地特性自身变化及人类个体或群体作用方式变化引起的土地利用方式、覆被和使用程度的变化[1]。土地利用变化是全球变化中的重要组成部分，是人类活动对自然环境施加影响的显著表现形式[2]。土地利用变化带来的土地数量和结构改变，会对生态环境产生直接的影响。土地利用变化和生态环境的相关性联系引起了国内外学者的广泛关注，因此土地利用变化的生态效应及其对生态系统的影响也逐渐成为全球研究的热点问题[3-4]。从研究方法看，主要集中在以下方面：（1）基于地类面积变化的生态价值定量分析。1997年，Costanza等最先估算了全球各种生态系统的各项生态系统服务价值[5]。谢高地等依据我国的实际情况，对其进行了修正，制定出我国平均状态的不同陆地生态系统单位面积生态服务价值[6]。此后，很多学者使用Costanza和谢高地等的方法对江苏省沿海地区[7]、滇西北生态脆弱区[3]、南四湖湿地[8]和江苏省南京市[9]等地进行了研究。20世纪70年代以来，遥感和地理信息系统迅速发展，生态价值定量评估更加高效便捷。李晓文等对二级地类进行生态质量指数赋值，建立用地变化和生态效应的关联，对西北干旱区的生态环境进行了分析[10]。二级地类具有更高的分辨率，与谢高地等的方法比较，更能体现不同区域的生态差异。张杨等分别运用李晓文等的方法对武汉市和江苏省土地利用的生态质量进行了研究[11-12]。在以上方法中，地类面积成为影响生态环境的绝对影响因子，但区域的生态效应是综合要素作用的结果，仅用面积衡量区域生态效应具有一定的片面性。（2）也有一些学者从景观生态学出发，应用景观格局指数，选取不同的景观格局指标，对鄱阳湖[13]、盐城海岸带[14]、重庆旧城区[15]等地的土地利用景观格局变化的时空分异进行了探讨，包括对土地利用方式和效率等的综合性分析，其研究结果具有不同的借鉴意义。（3）土地利用变化对生态系统的单要素研究，包括对气候、水文、土壤等因素的影响效应。张帅等对黄土丘陵区地类转变与深层土壤活性有机碳组分做了分析，证实两者之间具有紧密的相关性[16]。从研究范围看，多从基于自然环境划分的区域向基于行政划分的单元转变。

河北省是京津冀一体化的重要组成部分，其生态环境变化对京津冀生态环境质量影响显著。随着社会经济转型发展，土地利用变化加速，生态环境影响也发生了较大变化。因此，本研究从土地利用变化和生态系统相关的视角，利用河北省1985、2000、2015年3期的土地利用数据，分析土地利用的变化，并利用生态环境质量指数和生态价值计算方法，探讨河北省土地利用变化的生态环境效应，对区域土地资源的开发保护提供一定参考。河北省1985、2000、2015年的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。结合土地利用现状分类标准和河北省实际情况，将河北省土地利用方式分为耕地、林地、草地、水域、建设用地以及未利用地。

1 研究方法

1.1 土地利用变化研究

1.1.1 土地利用转移矩阵 在ArcGIS中，根据地图代数方法对任意2期土地利用的数据进行叠加处理，可以得到k时期到k+1时期的土地利用类型相互转化的转移关系，具体公式为

Cij=Aijk×100+Aijk+1，土地利用类型<100时适用。（1）

式中：Aijk和Aijk+1分别为k和k+1时期的土地利用图。据此可以求得不同地类之间相互转化的数量关系的转移矩阵。

1.1.2 单一土地利用动态度 单一土地利用动态度表达了研究区一定时间段内某种土地利用类型的数量变化状况，具体公式[17]：

K=Ub-UaUa×1T×100%。（2）

式中：K为研究时期内某一土地类型利用动态度;Ua和Ub分别为研究期初和期末某土地利用类型的数量;T为研究时长。

1.2 土地利用变化生态效应分析

本研究采用谢高地等提出的我国不同陆地生态系统单位面积服务价值之间的比例关系[6]，根据河北省实际情况，参考万利等对北京市郊区土地利用变化的研究，确定不同用地类型的相对生態价值[18]，参考表1。

1.2.1 生态环境贡献率指数 区域土地结构转型的生态贡献率，所求区域地类的转变，导致生态环境改善或恶化。通过定量分析，得出某一个确切的数值，具体公式[19]：

CLEI=（LE1-LE0）LA/TA。（3）

式中：CLEI表示生态贡献率;TA表示研究区域的总面积，hm2;LA表示发生该变化的土地利用面积，hm2;LE1表示某种土地利用类型期初的生态质量指数;LE0为某种土地利用类型期末的生态质量指数。

3.2 土地生态价值变化

3.2.1 生态价值总体变化 从图6可以看出，区域内生态价值指数从高到低依次为林地、耕地、草地、水域、建设用地、未利用地。3期6种地型生态价值指数之和分别为0.447 7、0441 0、0.437 6。按不同地类来看，由于耕地的明显减少，耕地的生态价值指数减少得最为明显;草地和未利用地的生态价值指数也有所下降，林地的生态价值指数增加较为明显;建设用地和水域也呈现不同程度的增加趋势。从时间上来看趋势变化，1985—2000年，耕地、林地和水域的生态价值下降，草地和未利用地没有变化，建设用地略有上升;2000—2015年间，草地、耕地和未利用地下降，其余地类呈上升趋势，总体来看，后期的变化速度高于前期。

由表5可知，区域生态价值增加的原因主要是草地向林地的转变、耕地向林地的转变以及城乡建设用地向水域的转变，比例分别为53.37%、32.16%、23.93%;耕地向城乡建设用地的转变、林地向草地的转变以及水域向耕地的转变是生态价值下降的主要原因，比例分别为141.19%、46.49%、24.32%。综上所述，耕地非农化、耕地开垦及林地退化（转为草地）是区域生态价值变化的重要原因，今后应该严格控制建设用地对耕地的占用，同时限制耕地开发对林地、草地和水域的占用，减少对生态环境的影响。

3.2.2 土地利用价值时空变化 河北省南北纬度跨度较大，并且不同区域发展水平差异悬殊，因此以县级行政区为基本单元，计算县域不同用地类型生态价值指数之和，即EVI，从而得到不同时期各县域的EVI值分布图，同时采用ArcGIS中的自然断点法，将县域EVI分成5级，高值区（>2.4）、较高区（>1.2～2.4）、中值区（>0.4～1.2）、较低区（0.15～0.4）、低值区（<0.15）。

从不同县域来看，1985年，EVI高值区是围场满族自治县和丰宁满族自治县;EVI较高区有承德市市辖区、隆化县、青龙满族自治县以及张家口的赤城县，该地地势西北高，东南低，山地丘陵广布，属季风气候区，水系密布，森林覆盖率50%以上，林地和草地占83.4%。张承地区是京津冀的生态屏障，有防风固沙和涵养水源的重要作用。EVI中值区分布面积广，比较分散，主要在承德3县、张家口9县市、保定的易县、涞源县和阜平县，石家庄的平山县和井陉矿区，除此之外还有唐山市辖区和迁西市、秦皇岛的抚宁县等。太行山脉不同覆盖程度的草地覆盖密集，秦唐地区林地覆盖度低，但水系网络分布密集，EVI在中值范围波动。低值区和较低区主要分布在邯郸、邢台、保定、石家庄、廊坊、衡水等市辖区。2015年，高值区县域没有发生变化，青龙县EVI由较高区下降至中值区，较低区范围减小，低值区范围扩大。将1985—2015年的生态价值指数变化采用自然断点法分为4级，即显著增加区、一般增加区、一般减少区、显著减少区。由图7可知，河北省所有县市生态价值指数都发生了不同程度的变化，主要为一般减少区。

综上，河北省生态价值量与生态环境质量指数分布格局基本一致，从南到北呈现出逐渐减少的趋势，主要原因在于北部地区林地和草地广泛分布。从时间变化来看，随着时间的变化，生态价值分布的空间趋势不大，冀中南地区生态价值量空间差异明显，但总体上仍是低值区，变化幅度相对较小。

3.3 生态价值指数和生态环境指数的相关性分析

综上可见，由于河北省生态环境质量指数和生态价值指数的计算方法不同，两者结果也具有一定的差异，但从分布格局来看，两者结果具有一致性，在研究期间均呈降低的趋势。在2种方法的计算中，耕地向建设用地的转变是生态环境恶化的主要原因，耕地向林地以及草地向林地的转变是生态环境改善的主要原因，相关研究能为今后河北省土地利用优化调控提供建议。

4 结论

研究期间，河北省的耕地、草地、未利用地面积减少，建设用地、林地、水域面积增加，其中耕地和建设用地的增减速度最快，各地类1985—2000年的变化率低于2000—2015年。土地利用动态度表明城乡建设用地、未利用地、耕地用地变化明显，水域、草地和林地变化不明显。

通过生态质量指数和生态价值指数来分析判断河北省的生态环境质量。分析不同县域行政区的生态环境变化，不同区域变化特征不同，从整体来看，仅坝上的张承地区部分县域和唐山南部地区及沧州沿海地区生态环境质量指数有所增加，其他地区均出现不同程度的减少，并且总体河北省生态环境改善面积远低于环境恶化面积，区域生态环境面临严峻的形势。

本研究采用生态质量指数和生态价值计算的方法表明，不同用地类型的面积对生态环境效应有明显的影响。两者均表明耕地向建设用地的转变是区域生態环境恶化的主要原因，耕地向林地的转化以及草地向林地的转化是区域生态环境改善的主要原因。土地利用变化是生态环境变化的重要因素，但生态环境效应还受气候变化等的影响，后续还应综合分析气候变化。总体上，本研究结论与其他研究河北省土地利用变化生态环境效应的结论具有一致性，因此研究结果对指导河北省土地资源的利用和开发具有一定的参考意义。

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