延安市土地利用变化及生态效应研究

贺炳彦 高婷

摘要：借助地理信息平台，对陕西省延安市2010—2018年各地类的变化情况作时空分析，计算出各地类间的相互转移情况及动态变化，并且计算分析各地类的生态质量指数和生态环境贡献指数。结果表明，研究期内陕西省延安市建设用地、其他土地和耕地的增加量最大，林地和园地的减少量最大;除草地和水域外，延安市的其他地类在2010—2014年间的变化率均高于2014—2018年间的变化率;建设用地面积的增加速率最大，水域面积的减少速率最小。延安市的土地利用变化逐步趋于平稳，南部的生态环境质量略高于北部，林地向其他地类的转化是导致延安市生态环境质量恶化的主要原因，其他地类向林地转化是改善生态环境的有效途径。

关键词：土地利用变化;生态环境质量指数;生态贡献率;延安市;土地利用动态度

中图分类号： F301.24  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）24-0286-07

土地利用/覆被变化（LUCC）可以直接反映人类活动对自然环境的影响，通过分析土地类型（地类）变化趋势，也可以间接分析预测出区域的发展状况及趋势[1]。自LUCC被提出以来，在土地利用/覆被变化动态监测与模拟的基础上综合分析人类活动与社会环境的相互作用逐渐成为研究的热点[2-5]。研究者针对土地利用变化的研究趋于2个方向，一是通过研究驱动因素对土地利用动态变化的幅度和速度的影响，对一定时期内土地利用变化进行动态监测，预测其变化趋势[6-9];另一方面是對土地利用变化所产生的生态环境效应以及对生态系统影响的研究[10-13]。但对于政策引导后地类变化所造成的生态环境效应的研究较少。

自2011年以来，陕西省延安市提出建设 “延安新区”的设想，随后又启动了以治沟造地为主的生态修复工程，这些举措虽然缓解了建设用地紧张以及农民耕地不足的问题，但是大规模的土地利用结构调整所产生的生态效应是当下研究的重点问题。

1 研究区概况

延安市位于陕西省北部，属黄土高原丘陵沟壑区，地处黄河中游，黄土高原的中南地区，总面积为 37 037 km2（图1）。延安市属于暖温带半湿润易旱气候区，年均降水量为605.53 mm，多集中在夏季，且多暴雨，强度大，冬季干旱多西北风。延安市的植被覆盖主要包括耕地、园地、草地、林地等，面积约为 35 466 km2，占总面积的95.76%，其中林地为主要植被覆盖形式，面积为21 295 km2，占总面积的57.50%，草地面积为8 950 km2，占总面积的24.17%;耕地面积为3 717 km2，占总面积的10.04%，园地面积为1 504 km2，占总面积的4.06%。延安市建设用地的面积为1 036 km2，占延安市总面积的2.80%。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本研究依托陕西省延安市历年土地利用变更调查及遥感监测项目，选取延安市2010年、2014年和2018年3期的土地利用现状数据以及延安市 1 m 分辨率的数字正射影像图和社会经济统计的数据等。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用转移矩阵 土地利用转移矩阵是表达研究区不同时段的任意2期的土地利用类型间的变化数量及互相转移的状态进行定量的描述，其形式如表1所示。

表1中：Cn表示土地类型;Bn和En分别表示期初和期末各地类的面积;S11、S21、…、Sn1分别表示土地类型C1、C2、…、Cn在B～E期间转换为地类C1的面积;S11、S21、…、S1n分别表示土地类型C1在B～E期间变换为地类C1、C2、…、Cn的面积;Inn为B～E期间土地类型Cn增加的面积;Dnn为B～E期间土地类型Cn减少的面积。

2.2.2 单一土地利用动态度 某一土地利用类型在一个时间段内的变化速度和幅度可以用单一土地利用动态度来表征[14]。其表达式如下：

式中：K为单一土地利用动态度，若K值为正值，表示该地类的面积增加，K值越大，增加速率越快;若K值为负值;表示该地类的面积减少，K值越小，减少速率越快;K值绝对值越小，表明该类土地转化为其他类型土地的面积越小，在研究期内相对稳定;St1、St2分别表示t1、t2时某一土地利用类型的面积。

2.2.3 综合土地利用动态度 一定时期内土地利用类型间转移的整体情况以及土地利用类型变化的剧烈程度可以用综合土地利用动态度表征，其表达式如下：

式中：LC为t时段研究区的综合土地利用动态度，其值越大，表明区域土地利用变化越剧烈;ΔSij为研究期初至研究期末第i类土地转化为j类型土地的总面积;Si为研究期初第i类土地的面积总和;n表示区域内所具有的土地利用类型数量。

2.2.4 区域生态环境质量指数 参考李晓文等对西北干旱区土地利用变化及生态效应的研究[15]，确定了延安市不同地类的生态质量指数（表2）。

在考虑研究区各地类面积的情况下，某一区域的生态环境质量状况（EQ）可用下式来描述：

式中：Si、Di分别表示该区域内t时期第i种土地利用类型所具有的面积、生态环境指数;TA表示区域总面积;n表示区域内所具有的土地利用类型数量。

2.2.5 生态环境贡献指数 生态环境贡献指数可以反映区域地类之间的转变对生态环境的影响程度，土地利用变化对生态环境的作用有2种情况：恶化（贡献率为负）、改善（贡献率为正）。具体公式如下：

式中：ECR 表示生态贡献率;LA 表示发生该变化的土地利用面积;LEn+1和LE1分别表示某种土地利用类型期末和期初的生态质量指数。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空动态变化特征

土地利用类型的空间和时间分布特征可以反映一定时期内的地类变化趋势及总体结构特征。本研究对延安市3个时间段土地利用现状数据进行统计。由图2可以看出，（1）延安市南北地域分异明显，南部多林地，北部林草均衡。通过分析延安市2018年数据可得，吴起县、志丹县、安塞区、子长县、延川县、延长县、宝塔区的草地面积占全市总面积的19.61%，林地面积占全市总面积的23.58%;甘泉县、富县、宜川县、黄陵县、洛川县、黄龙县的草地面积占全市总面积的4.55%，林地面积占全市总面积的32.85%。（2）建设用地逐步扩张。建设用地呈现逐步扩张的趋势，集中在延安中部，主要分布在城区。2014年、2018年扩张尤为明显，以市辖区为中心，沿着河两边扩张，最主要的扩张来自于新城区的开发。各县区用地呈现零星变化，没有较大幅度的用地结构调整。

由图3可知，延安市2010—2018年间土地利用变化呈现以下特点：（1）从总体数量来看，林地、草地、耕地等土地利用类型的面积相对较多，园地、建设用地、水域和其他土地土地利用类型的面积相对较少。（2）从变化幅度上看，建设用地变化率增幅最为明显，其次是其他土地、耕地;与2010年相比，2018年建设用地的增幅达到10.75%，其他土地的增幅为3.69%，耕地的增幅为2.89%。草地的变化幅度最不明显，2010—2018年间，整体的增加变化率只有0.04%。园地面积的减小幅度最大，其次是水域和林地，与2010年相比，2018年园地面积减少了4.76%、水域面积减少了2.34%，林地面积减少了0.63%。（3）除草地和水域外，其他地类在2010—2014年间的变化率高于2014—2018年间的变化率，草地的变化率由负变为正，说明2014—2018年间，草地的退化正在被有效改善，而水域的退化却日趋严重。

3.2 土地利用结构变化特征

如表3所示，2010—2018年延安市耕地共增加 13 218.23 hm2，其中，54.19%的新增耕地由林地转化而来，27.19%的新增耕地由园地转化而来。而耕地减少的主要去向是转变为建设用地，共有 1 721.49 hm2 的耕地被建设用地占用，占耕地减少面积的61.91%。延安市园地整体呈现减少趋势，减少的园地有38.06%被恢复为耕地，45.74%被建设占用。延安市林地的变化最为明显，林地增加量仅为1 578.05 hm2，减少量达到了 15 180.21 hm2。林地的增加面积主要来源于草地以及荒废的园地。转变为耕地的林地占林地减少量的47.19%;转变为建设用地的林地占林地减少量的38.10%。草地的增加面积主要来源于林地和园地，分别占草地增加量的57.27%、16.30%;减少的草地主要转变为林地和其他土地，分别占草地减少量的38.23%、15.57%。建设用地面积增加了 12 241.23 hm2，增加的建设用地主要来源于林地、园地和耕地，分别占建设用地增加面积的47.25%、35.29%、14.06%;减少的建设用地主要转变为耕地，占建设用地减少量的83.09%。水域面积增加了 202.84 hm2，增加的水域主要来源于园地和草地，分别占建设用地增加量的37.76%、23.92%。减少的水域主要转变为耕地和建设用地，分别占水域减少量的45.79%、23.22%。其他土地面积增加了 1 199.87 hm2，增加的土地主要来源于园地和耕地，分别占其他土地增减加量的51.08%、14.96%;减少的其他土地主要转变为耕地和建设用地，分别占其他土地减少量的35.77%、27.57%。

如表4所示，延安市不同時间段不同土地利用类型的动态度有着明显差异。从整体来看，建设用地动态度最大，其次是其他土地和耕地，草地的动态度最小。园地、林地、水域的动态度一直为负值，说明从2010年开始，这3种地类面积在持续减少。分时段来看，与2010—2014年相比，2014—2018年，耕地、建设用地、其他土地的单一土地利用动态度均偏小，说明这几种地类的变化速率在减缓。2014—2018年，水域的单一土地利用变化度的绝对值高于2010—2014年间，且均为负值，说明水域面积的减少速度在不断加剧。土地利用综合动态度（LC）整体呈现下降趋势，从 0.001 5% 下降到0.000 6%;说明2010—2014年，延安市整体的土地利用变化相对剧烈。整个研究时段的土地利用综合动态度相对于2010—2014年间较小，相对于2014—2018年间较大。说明整个研究时段的土地利用变化状态正在逐步趋向于稳定。

3.3 生态环境效应

由公式（3）计算延安市2010年、2014年、2018年各县的生态环境质量指数，根据计算的指数特征，按照等间距法将生态环境质量指数分为5个等级。级别越高，生态环境质量指数越大，对应区域的生态质量越高。由图4可知，在选取的3年中，甘泉县、富县、黄龙县的生态环境质量等级均最高;延长县和延川县的生态环境质量等级最低;志丹县和洛川县的生态环境质量等级在3年内一直保持为3等，吴起县的生态环境质量等级为2等;宝塔区和子长县的生态环境质量等级呈现波动趋势，宝塔区由3等升为4等后又降为3等，子长县由1等升为2等后又降为1等，安塞县、黄陵县、宜川县的生态环境质量等级呈现下滑趋势，安塞县在2014年下降为3等，2018年保持不变，宜川县在2018年由4等下降为3等，黄陵县在2018年由5等下降为4等。

如表5所示，使研究区生态恶化最主要的原因是林地转化为耕地和建设用地，其次是园地向建设用地的转化。耕地向园地和林地、草地向林地、建设用地向耕地的转化是改善研究区生态环境质量主要的地类转化方式。导致区域生态环境质量恶化的土地利用转变类型贡献率的绝对值大于导致区域生态环境质量改善的土地利用转变类型贡献率的绝对值，说明近10年来，延安市的生态环境质量呈现下滑趋势。

4 讨论与结论

4.1 讨论

本研究运用土地转移矩阵和土地动态度来反映延安市的土地利用变化情况，参考了李晓文等确定的不同地类的生态质量指数[15]，计算分析了延安市的生态变化特征。前人对土地利用转移矩阵和土地动态度的研究利用已经非常成熟，通过研究地类之间的相互转化关系，进而深入分析影响其发生变化的原因以及发生变化后所产生的影响[16-17]。乔伟峰等对转移矩阵做了创新，提出了改进地类变化量和地类动态度计算模型，提出了地类转移无序度的概念、含义并构建了计算模型[18]，为土地利用变化分析提供了新的思路和手段。对于生态环境的研究，其着手点也不尽相同，彭建等采用空间格局指数以及生态系统服务功能衡量云南省永胜县土地利用类型的相对生态价值，并评价其产生的生态效应，其结果表明林地对生态环境的影响程度最大[19]，本研究利用生态质量指数计算的结果与之吻合。本研究只从土地利用类型的变化现状对生态环境进行分析，而造成土地利用类型和生态环境变化的因素是复杂的，使得本研究结果较为单一，但本研究实现了对生态环境变化的快速分析计算，研究方法有待进一步完善，须充分考虑气候、人类活动等多种因素对生态环境的影响，为延安市未来的生态保护和可持续发展提供支撑。