合肥市土地利用变化及生态环境效应研究
2021-10-23李雅晴涂丽丽王慧慧
李雅晴，时 彪，涂丽丽，王慧慧
(安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥 230000)
土地利用变化的动态研究是一个涉及自然条件和社会条件的复杂过程。人与自然的和谐发展，土地是最为密切的一环。土地利用是人类与土地结合获得物质产品和经济服务的过程，是生态文明建设的主要空间支撑，其变化直接影响着社会的发展。土地利用变化及生态环境的相关性联系引起了国内外学者的广泛关注，土地利用变化的生态效应正在逐渐成为研究的热点。吕立刚等[1]在建立“三生”土地利用主导功能分类方案的基础上，对江苏省土地利用的功能结构及其生态环境效应做了定量研究；万利等[2]通过构建生态价值指数(EVI)和土地利用变化的生态价值转移率(TREV)，从土地利用变化所引起的各类型间生态价值转移的方向、幅度等方面对北京郊区土地利用变化的生态效应进行了定量研究；黄婧等[3]采用土地利用动态度、土地利用程度指数、生态系统服务价值评价法、敏感性分析等方法，揭示了“十二五”期间重庆市土地利用及生态效应变化规律；张健[4]通过对土地利用变化和生态系统服务价值变化的研究，分析了土地利用/覆盖变化对生态环境的影响；李晓文等[5]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。安徽省位于东经114°54′～119°37′，北纬29°41′～34°38′之间，东连江苏，西接河南、湖北，东南接浙江，南邻江西，北靠山东,有400 km的沿江城市群和皖江经济带，内拥长江水道，外承沿海地区经济辐射，是长三角的重要组成部分。安徽省省会合肥市地处中国华东地区、安徽中部、江淮之间、环抱巢湖，承东启西、沟通南北，是全省政治、经济、文化中心，也是长三角城市群副中心，“一带一路”和长江经济带战略双节点城市。随着经济社会的快速发展，土地利用类型的转化速度加快，相应地对生态环境也产生了较大的影响。本文从土地利用类型及其生态环境效应的角度出发，利用合肥市2005～2015年土地利用数据，分析土地利用的变化，利用生态价值指数和土地利用变化的生态价值转移率，探讨合肥市土地利用变化的生态环境效应，对区域的土地资源利用提供一定的参考。
1 数据来源与处理
数据来源于2005年、2010年、2015年的Landsat TM影像解译，利用ArcGIS和ENVI相结合的技术，对其进行解译、裁剪、提取、统计，得到研究区域的现状地图。为方便土地利用变化的生态效应分析，结合我国的土地利用现状分类，将土地分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个类型[6]。
2 研究方法
2.1 土地利用变化分析
2.1.1 土地利用动态度
土地利用动态度可以真实反映土地利用类型变化的程度。单一土地利用动态度可以反映特定区域一定时间范围内某种土地的土地利用类型的数量变化情况[7]：
(1)
式中：K为研究时段内单一土地利用动态度；Ua、Ub分别为研究初期和研究末期某一种土地利用类型的数量；T为变化时间段。
2.1.2 土地利用转移矩阵
土地利用转移矩阵是马尔科夫模型在土地利用变化上的实际应用，直接反映土地利用数量结构的变化，揭示不同土地利用类型间的转移速率[8]。基于马尔科夫原理的地图代数运算公式为
(2)
式中：Cij表示从k时期到k+1时期土地利用变化的空间分布与类型转换。
2.2 生态效应分析
2.2.1 生态系统服务价值
生态系统服务价值评估法是对生态系统的服务和自然资本用经济法则所做的估计，由美国学者Costanza等研究提出了生态系统服务评估的框架，谢高地等学者结合中国的实际情况，制定了中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表(如表1所示)[9]。
表1 中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值 单位：元/hm2
根据中国陆地生态系统服务价值表，运用Costanza的生态系统服务价值公式[10]，结合合肥市的实际情况，可认为建设用地组成的是人工生态系统，对生态功能的贡献几乎为零，其表达式为
(3)
式中：ESV表示生态系统服务价值；VCi表示研究区第i种土地利用类型单位面积生态服务功能价值系数；Ai表示第i种土地利用类型的面积。
合肥市生态系统单位面积生态服务价值如表2所示。
表2 合肥市生态系统单位面积生态服务价值 单位：元/hm2
2.2.2 生态系统服务价值生态贡献率分析
各时期生态系统生态服务价值总量不同，各种土地类型生态值也是不断变化的。本研究采用生态贡献率，确定生态服务价值的主要贡献因子[11]：
(4)
式中：ESVc表示某土地利用类型的生态贡献率；ESVa、ESVb分别表示研究时间段内初期、末期某土地利用类型生态系统服务价值。
3 土地利用变化的生态效应分析
3.1 土地利用变化分析
用ArcGIS提取各土地利用类型的解译属性数据，得到合肥市2005年、2010年、2015年土地利用类型面积如表3所示，结合公式得到合肥市土地利用面积变化动态度如表4所示。
表3 合肥市2005年、2010年、2015年土地利用类型面积统计 单位：km2
由表3和表4看出：耕地面积逐年减少，2005年至2010年变化率为3.76%，2010年至2015年变化率为2.50%，2005年至2015年10年间耕地面积变化率为6.17%；林地面积变化幅度较大，大量流失，2005年至2010年变化率为0.32%，2010年至2015年变化率为2.68%，2005年至2015年10年间林地面积变化率为2.99%；草地面积微弱减少，2005年至2010年变化率为0.81%，2010年至2015年小幅度上升，其变化率为0.09%，2005年至2015年10年间草地面积变化率为0.72%；水域湿地面积整体呈上升趋势；建设用地面积，呈现大幅度上升趋势，2005年至2015年10年间建设用地面积变化率为32.06%；未利用地面积微弱减少，2005年至2015年10年间变化率同草地面积变化率相同。单一土地利用类型动态度分析表明，合肥市2005年至2015年土地利用类型的变化速度依次为建设用地面积>耕地面积>水域湿地面积>林地面积>草地面积>未利用地面积。
3.2 土地利用变化的方向
通过ArcGIS空间分析模块，对合肥市2005年、2010年和2015年空间叠加分析，并计算出2005年至2010年、2010年至2015年土地利用转移矩阵如表5和表6所示。
表5 合肥市2005～2010年土地利用转移矩阵 单位：km2
表6 合肥市2010～2015年土地利用转移矩阵 单位：km2
由表5可知：在2005年至2010年期间，土地累计转出面积最大的土地利用类型是耕地(329.63 km2)，其次是建设用地(18.69 km2)，然后是草地、林地、水域湿地、未利用地；转入面积最大的土地利用类型是建设用地(317.76 km2)，其次是耕地(25.20 km2)，然后是水域湿地、林地、草地、未利用地。2005年至2010年期间，耕地累计转出329.63 km2，累计转入25.20 km2，转出主要流向为建设用地和水域湿地，转入源主要是建设用地和林地；建设用地累计转出18.69 km2，累计转入317.76 km2，转出主要流向为耕地，转入源主要是耕地。由表6可知：在2010年至2015年期间，土地累计转出面积最大的土地利用类型是耕地(248.83 km2)，其次是建设用地(46.30 km2)，然后是林地、草地、水域湿地、未利用地；转入面积最大的土地利用类型是建设用地(211.45 km2)，其次是耕地(54.15 km2)，然后是水域湿地、草地、林地、未利用地。2010年至2015年期间，耕地累计转出248.83 km2，累计转入54.15 km2，转出主要流向为建设用地和水域湿地，转入源主要是建设用地和水域湿地；建设用地累计转出46.30 km2，累计转入21.45 km2，转出主要流向为耕地，转入源主要是耕地。
4 土地利用变化的生态效应分析
4.1 生态系统服务价值变化分析
根据表1、表3以及公式(3)，计算得出2005年至2015年期间合肥市6大生态系统服务价值如表7所示。
由表7可知：在2005年至2015年期间，合肥市生态系统服务价值共减少1.27亿元，变化较小，可能是不同土地利用类型之间的转移产生了相互抵消。从生态系统服务价值的构成来看，水域湿地的生态系统服务价值最高，占总价值的44%以上；耕地生态系统服务价值减少量最大，达到3.05亿元；其他土地利用类型的生态系统服务价值变化幅度不大。从整体上看，耕地、林地、水域湿地的生态系统服务价值超过总价值的97%，构成了合肥生态系统服务价值的主体。
表7 合肥市2005年、2010年、2015年生态系统服务价值
4.2 生态系统服务价值生态贡献率分析
合肥市2005年至2015年期间的生态系统服务价值生态贡献率如表8所示。由表8可知，耕地的生态服务价值负向变化最大，2005～2010年间高达77.5%，2010～2015年间降到39.9%，主要是因为城市化进程的加快，建设用地的扩张侵占了耕地，致使耕地面积不断减少，其生态系统服务价值也随之减少；水域湿地的生态贡献率变化幅度最大，在2010～2015年间由之前的20.4%上升到52.5%，主要是由于政府制定并实施的生态破坏补偿和生态保护补偿机制，部分水域湿地得以恢复；草地的生态贡献率变化幅度不大，2005～2015年间为0.4%；未利用地在整个研究期的面积较小，加上本身该地类的单位面积生态服务价值微乎其微，其生态系统服务价值生态贡献率接近于零。
表8 合肥市2005年、2010年、2015年生态系统服务价值生态贡献率 单位：%
5 结 语
以安徽省省会合肥市为例，对研究区域的卫星图片进行分析处理，提取出土地利用现状数据，运用相关理论知识对土地利用及其生态系统服务价值变化进行分析。在2005年至2015年期间，合肥市的耕地面积、林地面积、草地面积、未利用地面积均有不同程度的减少，建设用地、水域湿地面积大幅度增加；土地利用动态度表明耕地、林地、水域湿地、建设用地变化明显，而草地、未利用地的变化不明显；生态系统服务价值共减少1.27亿元，有小幅度的下降趋势，耕地面积的减少对研究区域生态系统服务价值的下降影响最大，水域湿地面积的增加在一定程度上提升了生态系统服务价值，生态系统服务价值流失的根本原因是城市的扩张，致使大量的耕地转变为非农用地。
