宁夏“三生”用地功能转型及其生态环境效应

蒋忙舟

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

生态环境质量下降是制约当前社会发展的重要因素之一，其直接影响人类社会的可持续发展［1］。自20世纪90年代以来，我国城市化的快速推进加剧了土地利用的转型，由此导致一系列的生态环境质量问题［2］，如大气污染、水质恶化、森林资源减少、生物多样性降低等，这些问题严重制约了生态系统功能和国土资源的可持续利用［3-4］。土地利用转型的表现形式之一为其主导功能发生了变化，如土地的调节功能、供给功能、支持功能、承载功能等［5-6］，简单地来说，即“三生”（生产-生态-生活）用地主体功能之间的相互转换，最终造成了生态环境质量朝着正向或负向发生演变［7］。因此，准确掌握区域土地利用/土地覆盖变化（LUCC）导致的生态环境质量演化和空间分布是改善区域生态环境质量的重要途径。

近年来，随着3S等空间可视化技术的发展，土地利用生态环境效应的度量有了新的发展。如植被净初级生产力［8-10］（NPP）、植被覆盖指数［11-12］（NDVI）、生态容量［13-14］（ESC）等指标被用来通过监测植被生物量而反映区域生态环境质量的变化。另外，还有基于遥感解译的LUCC数据对生态环境质量进行测度，如改进的遥感生态指数［15-16］（MRSEI）、生态系统服务价值［17-18］（ESV）、生态环境质量指数［19］（EQI）等。高精度的遥感影像为科学划分不同土地利用提供了有效手段，在一定程度上反映了区域生态环境质量的差异。以往的研究针对不同地域单元基于一级土地分类进行生态环境质量赋值［20］。本研究采用生态环境质量指数法（EV）来描述区域生态环境效应的空间演化特征，其基于二级土地利用进行赋值，能够更加精细地反映区域生态环境效应；采用李晓文等［21］针对西北地区提出的生态环境质量指数法，并结合面积加权法来测度宁夏区域“三生”用地生态环境效应和“三生”用地转型对生态环境质量的贡献率，明确了不同发展时期生态环境质量的空间演变特征，可以为缓解宁夏生态环境质量恶化和国土资源规划提供科学参考。

1 研究区概况

宁夏位于我国西北地区，地处黄河中上游，总面积6.64万km2。属温带大陆性气候，年降雨量300～677 mm。地势从北向南递增，平均海拔在1100～2000 m之间。宁夏全区共有自然保护地125个，主要涉及自然保护区、森林公园、国家级沙化土地封禁区等［22］；与此同时，作为西北地区重要的生态安全屏障，宁夏全区资源环境承载力有限、三面环沙、干旱少雨、生态环境本底脆弱，因此，其生态环境质量的优劣将直接影响我国西北地区的生态安全。

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

本研究所用宁夏土地利用数据来源于中国土地利用现状遥感监测数据库（http：//www.resdc.cn），选取年份为1990、2000、2010、2018年共4期。在前人研究的基础上结合宁夏的实际情况，从经济生产空间、生态环境空间、宜居生活空间的视角，基于“自上而下，功能分级”的原则，利用现有的土地分类体系进行生产、生态、生活空间的划分［23］（表1）。根据划分的“三生”用地，采用生态环境质量指数建立不同地类与生态环境质量之间的“桥梁”关系，对不同土地利用进行生态环境质量指数的赋值。

表1 土地利用分类及其生态环境质量指数

2.2 土地利用转移矩阵

将“三生”用地下的二级地类分别用阿拉伯数字进行编码，在ArcGis 10.2软件中进行图谱单元代数叠加，计算公式如下：

式（1）中：T为土地利用图谱码；A、B分别为研究初期、末期土地利用单元编码值。

2.3 生态环境质量分析

2.3.1 区域生态环境质量指数 通过渔网模型进行等距离采样来建立土地利用与生态环境之间的关系。其计算公式如下：

式（2）中：Evi、Ri分别为第i个单元的生态环境质量指数和第i类土地利用类型的生态环境质量指数；Aki、Ak、N分别为第k个生态单元内土类i的面积、第k个单元的总面积、土地利用类型数量。

计算得到单元格的生态环境质量指数后，采用克里金插值法得到了宁夏整个区域的生态环境质量指数空间分布图（图1），并对其进行分级［24-25］（表2）。

表2 区域生态环境质量指数的分级

2.3.2 土地利用功能转型的生态贡献率（LEI） 其计算公式如下：

式（3）中：LEt+1、LEt分别为不同土地利用类型在研究初期、末期具有的生态环境质量指数；LA为研究初期、末期同一土地利用变化面积；TA为区域总面积。找出制约区域生态环境质量指数的土地利用转型方式，有助于探寻影响区域生态环境质量变化的主要因素。

3 结果与分析

3.1 “三生”用地转型模式

为了明确宁夏不同年份土地利用间的相互转型关系，运用ArcGis 10.2软件获得了宁夏不同时期土地利用功能转化的方向和面积（表3），表3中仅列出转化比率较大的土地利用类型。

表3 1990～2018年宁夏主要“三生”用地转型排序

1990～2000年，宁夏“三生”用地共发生了33类功能之间的转型，总转型面积4510.18 km2，主要由生态用地向其他功能用地转型。其中牧草生态用地向农业生产用地转化面积最大，累计比率达到60.45%，主要转型发生在黄河和清水河水源较丰富的地带；而生产用地仅向生态用地转移181.01 km2，累计变化比率为4.01%。

2000～2010年宁夏地区有53类土地利用类型发生功能转型，累计转换面积达5935.26 km2，较上一阶段增加了1425.08 km2。其中，农业生产用地向牧草生态用地转型1377.69 km2；与此同时，牧草生态用地向农业生产用地转型1020.45 km2，农业生产用地面积增加了357.24 km2。这一阶段农村生活用地面积开始增加，主要由农业生产用地转入277.12 km2，变化比率达到4.67%；林地生态用地的面积也得到增加，由生产用地和生态用地分别转入189.57和343.31 km2。

2010～2018年宁夏地区有56类土地利用类型发生功能转型，总转型面积达3910.43 km2，较上一阶段减少了2024.83 km2。8年间以生产和生态用地功能转型为主。牧草生态用地进一步减少，减少面积达1614.51 km2，主要受农业生产用地、工矿生产用地的挤占。生产用地主要以农业生产用地的形式向牧草生态用地和农村生活用地分别转出663.61和117.08 km2。与此同时，整个研究阶段生活用地向外转出面积未排入转型图谱前10位。

3.2 “三生”用地转型的生态环境效应时空演变

总体来看，宁夏地区1990、2000、2010、2018年的平均生态环境质量指数分别为0.455、0.443、0.444、0.438，中质量区和较高质量区面积占比超过80%，但较低质量区面积逐年增大，较高质量区面积逐年减少，生态环境质量有所下降。

从时间上来看（表4），1990～2000年，宁夏生态环境质量指数小幅度减少，其中较低质量区面积增加1575.59 km2，增加2.38个百分点；中质量区面积10年间增加5.74个百分点；但较高质量区面积由1990年的19200.71 km2减少至2000年的13787.69 km2，年均减少541.302 km2；高质量区面积保持稳定。2000～2010年，低质量区面积减少0.18个百分点；高质量区面积比例下降0.05个百分点，减少面积36.07 km2；其他类型质量区面积在这10年间基本保持稳定。2010～2018年，生态环境低质量区和较低质量区面积小幅度增加，中质量区和较高质量区面积轻微减少，高质量区面积则增加74.04 km2。

表4 宁夏生态环境质量分级区的面积和比重

总体来看，1990～2018年，较高质量区面积减少达6731.44 km2，较低质量区面积反而增加3385.52 km2，与此同时，较高质量区仅增加39.6 km2。

从空间角度来看（图1），宁夏区域生态环境质量指数具有明显的空间差异性，自北向南生态环境质量指数向好发展，呈现“北低南高”的空间差异性。低质量区集中分布在宁夏西北部的中卫市，由于地处腾格里沙漠，生态环境质量指数较差，占比由1990年的0.95%增长至2018年的1.06%。较低质量区连片分布在宁夏北部中卫市腾格里沙漠地带、石嘴山市和银川市交界处，以及吴忠市和银川市的部分地区，面积比重逐年小幅度上升，生态环境质量指数一方面受制于城市的扩张较快，另一方面受制于当地采矿业的不断扩大。中质量区在宁夏区域分布最为广泛，面积占比达60%以上。较高质量区在各个市均有分布，南部占比高于北部，总体面积逐年减少，受城市扩张和农业发展的影响连片程度不断降低。高质量区较为分散，集中在贺兰山和六盘山地带，面积小幅上升。

图1 1990～2018年宁夏生态环境质量指数的空间分布

3.3 土地利用转型对生态环境质量的影响

当土地利用类型发生功能转型后，往往会导致生态环境的改善或者恶化，因此，明确影响生态环境质量变化的用地类型转换对于缓解宁夏区域生态环境质量恶化局面具有重要意义。

由表5可知，宁夏地区1990～2000年导致生态环境改善的主要因素是其他生态用地（荒漠、盐碱地、裸土地等）转为牧草生态用地和农业生产用地，贡献比重分别为30.43%和21.28%。农业生产用地转为林地、牧草生态用地为生态环境质量改善分别贡献了16.15%和11.40%。而宁夏区域生态环境质量恶化主要是由于牧草生态用地向农业生产用地和其他生态用地的转化，贡献比重合计达到86.09%。

表5 影响生态环境质量的主要用地转型指数变化及其贡献率

2000～2010年，农业生产用地和其他生态用地转为牧草生态用地对生态环境质量改善的贡献达62.93%；所列的6种主要土地利用转型对生态环境质量改善的比重累计达92.8%。这一期间生态环境恶化的主要原因是农业、工矿生产用地、其他生态用地挤占了牧草生态用地，贡献率达到65.26%。

2010～2018年与上一阶段类似，农业生产用地和其他生态用地转为牧草生态用地对生态环境质量改善的贡献比重达62.61%；同时工矿生产用地转型为农业生产用地，在一定程度上也改善了区域生态环境，贡献达8.73%。而导致生态环境质量恶化的主导因素仍然是牧草生态用地面积的持续减少，被农业、工矿生产用地等挤占，贡献率达75.31%，呈现扩大趋势。

总体而言，宁夏地区生态环境质量在1990～2018年存在恶化和改善两种趋势，但恶化的趋势在持续上升。

4 结论与建议

本文基于宁夏地区1990～2018年土地利用数据构建“三生”用地分类体系，采用地理信息图谱法揭示土地利用结构变化，基于生态环境质量指数评估宁夏区域生态环境质量的时空演变，并采用生态贡献率衡量土地利用转型对宁夏区域生态环境质量的贡献大小，结论如下。

（1）宁夏区域1990～2018年土地利用转型主要为生产用地面积在宁夏中上部不断扩张，生态用地面积在中下部不断缩减，生活用地的不断增加。按二级地类来看，农业生产用地和工矿生产用地面积不断扩大，分别集中在引黄灌区和银川市东部、吴忠市东北部；牧草生态用地面积年均减少138.04 km2；随着社会经济的不断发展，城镇和农村生活用地逐年增加。

（2）研究期宁夏区域生态环境质量有所下降，中质量区的面积占整个区域的65%左右，构成研究区生态环境质量的主体，但较低质量区面积存在增大现象，较高质量区面积则逐年减少。

（3）1990～2018年间，宁夏区域生态环境质量恶化的趋势在不断加大。研究期生态环境质量改善的主导因素为农业生产用地和其他生态用地向林地与牧草生态用地功能的转型；与此同时，农业生产用地挤占牧草生态用地是研究区生态环境质量退化的主要因素。

土地利用变化是生态系统结构和功能变化的根本原因，生态环境质量指数法可以用来揭示土地利用过程中土地结构和功能转型变化所带来的生态环境影响。针对宁夏生态环境质量现状问题，应该加强绿色生态系统建设，守牢生态红线，以宁夏“一河三山”为主体，推进生态保护和修复工程，不断增强生态系统的平衡性、安全性和稳定性，从而提高生态环境质量，构建绿色和谐生态空间。本文虽然通过土地利用功能转型找到了影响宁夏区域生态环境质量改善和恶化的主要用地变化，但并未进一步研究导致土地利用功能转型的驱动力，例如社会发展过程中的经济因素、人口因素等。在未来的研究中，需要进一步结合自然因素、社会经济因素和政策调控因素，揭示各个阶段土地利用功能转型的驱动机制，提升区域的生态环境质量。