2014-2020大运河沧州段沿线4km土地利用与生态环境耦合协调分析

霍 飞，万虹麟，张天兴，张 薇,4，张丽军,5

(1.河北省沧州市自然资源和规划局经济开发区分局，河北，沧州 061007；2.河北水利电力学院水利工程系，沧州市黄河西路49号 061001；3.沧州市遥感与智慧水利技术创新中心，沧州市黄河西路49号 061001；4.河北省数据中心相变热管理技术创新中心，沧州市黄河西路49号 061001；5.河北省高校水利自动化与信息化应用技术研发中心，沧州市黄河西路49号 061001)

大运河是沧州特色景观，大运河沧州段(南运河)总长215km，占京杭大运河的1/8，目前面临土地利用不合理，生态监测不全面，生态保护不到位等问题。而土地利用类型与生态系统服务质量存在一定关联，众多学者从土地利用状况和生态环境质量着手，寻求二者的交互关系[1-3]，文献[3-5]表明土地利用将显著影响区域生态环境，文献[6-8]构建土地利用和生态环境两个子系统，对两者的耦合协调性进行了分析研究。近年来，在大运河文化带建设背景下，有学者对大运河沿线的土地利用变化[9]、土地生态空间差异及响应[10]、地表覆盖变化下景观格局演变特征[11]、不同土地利用类型面源污染特征[12]进行了分析，针对大运河沧州段的研究有：植被覆盖度的时空变化[13]、经济与生态环境耦合关系[14]、大数据时代大运河生态文化发展策略[15]等等。鉴于此，厘清大运河沧州段土地利用系统和生态环境系统的耦合协调关系，无疑是一个新的研究切入点，研究结果可为区域土地合理利用，生态可持续发展，绿色海绵低碳城市建设、国家生态园林城市建设提供数据支撑。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

大运河沧州段集景观、生态与体育文化为一体，南起吴桥大兴庄村，北至青县李又屯村，由南至北贯穿沧州市域，流经吴桥、南皮、东光、泊头、青县、沧县和运河新华8个县(市、区)。大运河沧州段处平原地区，地势平坦，为明显的暖温带大陆季风气候，四季分明、雨热同期。文中选取大运河沧州段主河道分别向外扩展4km范围内的区域作为研究区，总面积约1053km2，区位图如图1所示。

图1 研究区区位图Fig.1 Location map of study area

1.2 数据来源

用于建立RSEI模型的6景Landsat系列影像数据来自于地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn/)，影像选取要兼顾云量和时相，影像数据信息参见表1。经过辐射定标、大气校正、拼接和裁剪等预处理之后建立RSEI模型，模型的建立过程、步骤和方法参照文献[16]。RSEI的取值范围为0～1，值越大生态越好。

表1 遥感影像数据Tab.1 Remote sensing image data

研究所用土地利用数据来源于中科院资源环境科学数据中心，利用Arcgis10.7软件提取2014年、2018年和2020年大运河沿线沧州段4km范围土地利用类型数据，需要说明的是：由于相近两年土地利用变化不大，以2015年土地利用数据代替2014年，参照《土地利用现状分类(GB/T 21010-2007)》分类体系，将研究区土地利用划分为耕地、林地、草地、水域和建设用地5类，具体参见表2。

表2 土地利用分类Tab.2 Land use classification

2 研究方法

2.1 指标体系的建立

基于2014，2018和2020年3期的土地利用数据和RSEI模型评价的生态环境数据，建立大运河沿线沧州段4km范围土地利用分类与生态环境质量指标体系如表3所示。需要说明的是，由于所选影像为4月份，影像中耕地植被覆盖较低，所以将耕地按负向指标计算。

表3 土地利用分类与生态环境质量指标体系Tab.3 Land use classification and eco-environmental quality index system

2.2 数据标准化及指标权重确定

由于指标体系中各指标数据量纲不统一，采用公式(1)和(2)(极值法)对各指标进行标准化处理，消除由于数据量纲不统一带来的影响，达到综合评价的目的。依据各个评价指标对生态系统的贡献和影响，将指标分为正向指标(指标值越大，对生态系统越有利)和负向指标(指标值越大，对生态系统越不利)，对应的标准化公式如下所示：

正向指标：

(1)

负向指标：

(2)

指标权重的确定采用熵权法，该方法较为客观，具体步骤如下：

(1)计算第i年的第j个指标值的比重。

(3)

式中，Pij代表第i年的第j个指标值所占比重。

(2)计算第j个指标的信息熵。

(4)

式中，Hj表示第j个指标的信息熵，其中，K=1/lnm，m为研究年份的个数。

(3)计算信息熵冗余度ηj。

ηj=1-Hj

(5)

(4)确定各指标权重。

(6)

式中,ωj为第j个指标权重；j为评价指标；n为评价指标的总数。

文中计算所得各指标权重系数详见表3所示。

2.3 耦合协调度模型构建

根据各项指标标准化后的值和利用熵权法计算出的权重值，采用综合指数法构建土地利用综合评价指数f(x)和生态环境质量综合评价指数g(y)，对应公式为

(7)

根据土地利用综合评价指数f(x)和生态环境质量综合评价指数g(y)，分别计算土地利用与生态环境质量的耦合度C、综合评价指数T以及耦合协调度D，计算公式如式(8)。

C={(f(x)×g(y))/[(f(x)+g(y)/2]2}2

T=αF(X)+βg(y)

(8)

式中,C为耦合度，其值介于0～1之间，C值越大，表明土地利用与生态环境两者之间的依赖程度越高；D为耦合协调发展度，简称耦合发展度，D值越大，表明两者协调发展度越高；T为土地利用-生态环境质量综合评价指数；α和β为权重系数，此处取α=β=0.5。

依据耦合协调分析的相关研究成果[4,8-9]，将研究区土地利用和生态环境耦合发展类型划分为6类，综合评价结果划分为18种，详见表4所示。

表4 土地利用与生态环境耦合发展分类Tab.4 Classification of coupled development of land use and ecological environment

3 结论与分析

3.1 土地利用变化分析

利用ARCGIS10.7软件统计2014年、2018年、2020年大运河沧州段沿线4km范围内土地利用类型面积，主要成果有：土地利用类型面积和占比如表5所示、土地利用类型分布图如图2所示。

表5 2014、2018、2020年土地利用类型面积和百分比Tab.5 Area and percentage of land use types in 2014， 2018 and 2020

图2 2014年、2018年、2020年土地利用类型分布图Fig.2 Distribution map of land use types in 2014, 2018 and 2020

结合表5及图2可以看出，2014-2020年间大运河沧州段沿线4km范围内主要土地利用类型是耕地，占比为72%以上，其次是建设用地，占比23%以上，林、草、水域占比很少，三者总占比不超过5%，相较2014年和2020年，2018年林、草、水域占比较多，约2.6%，大运河沿线生态空间挤占严重。

3.2 生态环境质量分析

构建RSEI模型分析大运河沧州段沿线4km范围生态质量情况，主要成果有：2014年、2018年、2020年五指标均值(图3)和生态质量图(图4)。

图3 4指标和RSEI的均值Fig.3 Mean values of four indicators and RSEI

图4 2014年、2018年、2020年生态质量图Fig.4 Ecological quality map in 2014, 2018 and 2020

表6 土地利用与生态环境耦合关系Tab.6 Coupling relationship between land use and ecological environment

由图3可得，2014-2020年间，绿度指数NDVI与湿度指数WET整体呈降低趋势，降幅分别为14.4%和1.7%，干度指数NDBSI和热度指数LST整体呈升高趋势，增幅分别为5.5%和17.5%，表征生态环境质量的指数RSEI整体呈降低趋势，降幅达9.5%，在2018年较为特殊，表征绿度的NDVI值较高，表征热度的LST值较低，生态环境质量指数RSEI在研究期达到最高，为0.539，结合图4可以直观的看到，2018年研究区生态质量较2014年和2020年要好，这一结果与土地利用分析结果相符，也进一步说明林地、草地等绿地对生态环境有积极的贡献，而建设用地对生态环境有消极贡献。

3.3 土地利用与生态环境耦合协调分析

为了进一步分析土地利用与生态环境耦合关系，借助构建的指标体系，在数据标准化及熵权法确定指标权重的基础上，计算得到2014-2020年间大运河沧州段沿线4km范围土地利用与生态环境耦合关系结果(表6)，可以看到，研究期间土地利用综合指数和生态环境综合指数整体均有所下降，说明还是存在土地资源利用不合理，生态环境待改善的问题；耦合度C值均超过0.5，说明土地利用与生态环境之间有较强的依赖；2014年、2018年、2020年土地利用与生态环境的耦合协调发展度分别为0.417，0.796，0.299，至2020年，土地利用与生态环境的耦合关系表现为极不耦合发展土地利用滞后型，说明土地开发利用与生态环境之间的矛盾进一步加剧，且土地的不合理利用对生态环境造成了消极影响。

4 结论

2014-2020年间，大运河沧州段沿线4km范围，主要土地利用类型是耕地和建设用地，两者占比达95%以上，大运河沿线生态空间挤占严重。

2014-2020年间，大运河沧州段沿线4km范围，绿度(NDVI)与湿度(WET)整体呈降低趋势，降幅分别为14.4%和1.7%，干度(NDBSI)和热度(LST)整体呈升高趋势，增幅分别为5.5%和17.5%，生态环境质量指数RSEI整体呈降低趋势，降幅达9.5%，林地、草地等绿地对生态环境有积极的贡献，建设用地对生态环境有消极贡献。

2014-2020年间，大运河沧州段沿线4km范围，土地利用与生态环境之间有较强的依赖，研究期间土地利用综合指数和生态环境综合指数整体均有所下降，存在土地资源利用不合理，生态环境待改善的问题，且土地开发利用与生态环境之间的矛盾进一步加剧，土地的不合理利用对生态环境造成了消极影响。

不足之处：(1)土地利用成果解译的精度一定程度影响了评价结果；(2)指标体系的构建具有一定片面性，评价结果具有一定局限性，在后续的研究中，将从指标体系的构建着手，进一步综合评价土地利用系统和生态环境系统的交互耦合关系。