基于GIS 和PSR 模型的沈阳市土地利用动态变化及生态安全评价

刘 博李华蕾

(沈阳农业大学土地与环境学院,辽宁 沈阳 110866)

针对沈阳市的土地利用,国内学者借助GIS 和RS 技术对其进行了大量的研究,如孙雁等利用不同时期的城市用地图件资料,通过空间统计分析的方法研究了1910～2010年,一百年间沈阳城区土地利用空间格局变化及驱动力分析[1]。 李京忠等人以遥感影像为基础,从变化特征、转移矩阵和变化指标3个方面对沈阳市土地利用变化及其驱动力进行了分析[2]。 但目前研究的主要趋势是借助RS 和GIS 技术对土地利用变化进行数量上的分析和研究,以及基于遥感图像识别地类等相关技术方面的革新。 且对于沈阳市土地利用变化分析结果的研究主要为土地利用变化驱动力、景观格局等方面的研究。 如吴晓青等基于遥感手段与土地利用变化历史数据,对SLEUTH 城市扩展模型进行校正,并对未来沈阳市城市扩展与土地利用变化进行了多情境的预测和模拟[3]。 状态压力响应(PSR)模型作为20 世纪80年代发展起来的评价方法,曾广泛用于环境方面的状况评估。 在目前的分析和研究中,已有将PSR 模型与土地集约利用相结合的前例,如周炳中等在江西省余江县的土地可持续利用评价中将PSR 模型概念引入,以完善土地可持续利用评价体系[4]。 但鲜有对沈阳市土地利用变化结果与PSR 模型相结合,并从生态安全角度进行的分析和研究。 因此,本研究在借助RS 和GIS 对沈阳市土地利用动态变化研究的基础上,结合PSR 模型对研究期内的沈阳市土地利用动态变化进行生态安全角度的研究和分析。 借助PSR 动态性特征,并从衡量可持续性发展指标的城市生态安全角度出发,对沈阳市城市的土地利用进行动态的研究和分析,为探索科学的土地利用模式提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究使用的数据包括空间数据和社会经济数据,空间数据包括沈阳市2011年、2014年、2018、2021年4 期Google Earth Pro 遥感影像,空间分辨率均为7 m。 社会经济数据获取自沈阳市统计局公布的《沈阳市统计年鉴》、《辽宁省统计年鉴》、国家统计局公布的《统计年鉴》等,并到政府相关部门搜集了需要的数据。

1.2 数据处理

1.2.1 地物提取以及相关处理

本研究将沈阳市3 期遥感影像数据统一投影并进行了空间配准,通过ENVI 对遥感影像进行预处理,并采用非监督分类和人工分类相结合的方法对图上要素进行分类。 将分类解译结果与Google Earth 原影像进行检查与修正,以此了解土地利用的具体现状。 经过精度验证,各地类的Kappa 系数均大于0.80,精度满足研究需求。

1.2.2 PSR 模型的生态安全评价分析

结合评价区的实际状况,根据层次分析法的原理并遵循PSR 模型基本思想和原则,将评价体系分为目标层(O)、准则层(A)、指标层(I)。 在准则层下分为压力指标、状态指标以及响应指标。 通过查阅相关资料得到标准值如表1 所示。

表1 生态安全评价指标标准值Table 1 Standard value of ecological security evaluation

其中在PSR 模型进行生态安全评价的研究中,所采用的权重确定方法是AHP(层次分析法),并借助YAAHP 10.3 软件进行相关运算分析。 通过统计年鉴、现存的研究文献、沈阳市政府规划文件等提供的数据进行处理分析,得到指标的实际值。 在计算沈阳市城市绿地安全综合状况的综合安全值所采用计算方法为:

其中ESCV为评价区的综合安全值,p(Xi)为各个指标的安全指数,Wi为各指标权重,n为指标总项目数。

生态安全综合指数是反映评价对象的状态,以及目前与理想 或者目标状态接近的速度。 综合指数越接近1,代表越安全。 越接近0,越不安全。 本研究对ESCV值对应的安全等级做如下划分以明确评估结果(表2)。

表2 生态安全等级评判Table 2 The evaluation form of ecological security level

2 结果与分析

2.1 沈阳市土地利用动态分析

从2011～2021年,沈阳市土地利用类型的变化是以耕地减少、建设用地增加为主要变化趋势,其他类型面积成小幅度减少。 耕地减幅为8.81%,建设用地增幅为11.20%。 其他土地利用类型如林地、草地、水体、未利用地均在研究期间有不同程度的减少。 2011、2014、2018、2021年沈阳市土地利用类型图如图1 所示,土地利用类别具体面积以及所占比例如表3 所示。 结合沈阳市发展现状,能够从侧面反映出房地产业与工业地产共同发展,相互促进的良好发展状况。 这与沈阳市的发展背景和发展趋势有着很大的关系,沈阳作为老工业基地,历经半个多世纪的发展以及建设,打造出了一套以机械工业为主,原材料和化学工业为辅,门类齐全的综合性工业体系[5]。但随国际产业转移新趋势和经济自身的发展规律,沈阳工业存在的问题逐步显露[6]。 于是在寻求工业转型、城市经济发展模式转型的大背景下,房地产行业逐渐凸显出强劲的发展势头,并带动工业地产的兴起,为工业发展模式的转型注入动力。 有关统计显示,在2010～2014年,沈阳房地产开发投资从1 450 亿元增长至1 975.8 亿元,年均增长8.0%[7],后续仍在加大资金投入。 且沈阳市的房地产市场发展起步较晚,在研究期内地价和房价较低的后发优势依然存在,这无论对开发企业还是购房百姓,都具有较强的吸引力[8],再结合教育、商业等因素对房地产发展的需求,都为沈阳市发展房地产、工业地产提供了强有力的支撑。

表3 2011、2014、2018、2021年沈阳市土地利用类型面积Table 3 Area table of land use types in Shenyang in 2011、2014 、2018 and 2021

图1 2011、2014、2018、2021年沈阳市土地利用类型Figure 1 Land use type map of Shenyang city in 2011、2014、2018 and 2021

2.2 基于PSR 模型的生态安全评价

根据PSR 模型结果显示(表4),在2011～2021年间,所评价的生态系统压力指数由0.0106 降至0.0089,在这期间水土流失的面积比例由15.2 先升至15.34,而后又下降到15.30。 其中,较明显的指标如化肥的施用强度,呈现出递减趋势,由2011年339 kg/hm2降至2021年的310 kg/hm2,这对生态系统压力的释放做出了积极的影响。 系统状态指数从2011年的0.0142 降至2021年的0.0131,在此期间森林覆盖率下降了0.38%,但自然保护区占国土面积比例上升了0.11%,退化土地恢复率也上升至61.8%,空气质量等均有提高。 此类指标与工业发展转型、城市经济发展模式改变有着不可忽视的关系。

表4 沈阳市城市生态安全综合评价结果Table 4 The result of comprehensive evaluation on the safety of urban ecological security in Shenyang

综合来看,2011～2021年,沈阳市的生态安全状况由较不安全上升到一般安全的状态。 在2011年,沈阳市的生态系统有退化的迹象,生态环境、生态系统的结构均有一定程度的破坏,整体功能出现退化现象。 到2021年,沈阳市的生态系统服务功能有所恢复,生态环境所受到的破坏在一定程度上得到修复,生态系统的结构也有所还原,整体生态功能能够正常运作。 工业发展转型以及经济发展模式的革新在一定程度上缓解甚至改善了土地利用带来的负面效果。 综合权衡各个指标,沈阳市的生态安全在研究期间呈现出趋向于良好的发展势态。

3 结论与讨论

研究期内的沈阳市正处于城市化进程的后期,土地利用发展状况呈不良发展趋势,正经历城市化进程中不可避免的问题[9]。 土地的利用结构的科学性仍有上升空间,耕地面积的保持工作仍然艰巨。 从生态安全角度,并从较不安全的状态上升到了安全的状态,总体趋于良好的发展势态,这与相关政策调控与发展模式转型有着很大的关系。 建设用地的发展情况处于国土空间总体规划指标体系所设定目标范围,同时也有助于实现常住人口指标增长的基础目标设定。 但森林覆盖所呈现的下降趋势与总体规划设定目标还存在一定距离,应在城市发展模式的转型中更加注重绿地保护,为未来可持续发展奠定基础。 在城市化高速发展的同时,如果相应的政策以及应对措施能够跟的上发展的进程,没有脱节,便可以对生态安全状态做到持续可控,土地利用可持续发展。