资源型城市土地利用转型及其对生境质量的影响——以乌海市为例

滕雅丽,谢苗苗,2,*,王回茴,陈 燕,李 峰

1 中国地质大学(北京)土地科学技术学院, 北京 100083 2 自然资源部土地整治重点实验室, 北京 100035 3 乌海市新星煤炭有限责任公司, 乌海 016099

资源型城市以本地区矿产等自然资源开采和加工为主导产业,在一段时期内为社会经济发展做出了突出贡献。但在我国262个资源型城市中,大部分都面临着资源枯竭、产业单一、经济衰退、后续发展动力不足、生态环境遭到严重破坏等问题[1],转型发展成为资源型城市可持续发展的必经之路。土地利用转型是城市发展转型最为直观的表征指标[2—3],明确土地利用形态和土地利用转型特征,以及土地利用转型对生态环境带来的影响,对促进资源型城市向环境友好型城市转型具有重大意义[4—6]。

土地利用转型是土地利用形态对社会经济发展阶段变化的响应过程[7],这一概念最早由外国专家Grainger提出[8],国内专家龙花楼将这一研究方向引入后[9],我国学者根据我国实际情况开展了土地利用转型理论、机制、特征和效应等方面的研究[10—11]。目前,大部分土地利用转型特征研究主要沿用土地利用变化的方法对土地利用转型的显性特征进行分析[12—14],如采用地学信息图谱法体现转型的空间特征[15—17]。土地利用转型生态效应研究目前主要采用生态环境质量指数和生态系统服务价值当量等方法,获得生态环境质量的时空变化[18—20],能较好体现与土地利用变化直接关联的效应。然而土地利用转型不仅是土地利用覆被变化,也会影响不同土地利用之间的关联,从而影响到生境内的物质和能量流动、循环过程,进而对生物的生存和繁衍造成影响[21—22]。生境质量指的是环境能够提供给个体和种群适宜生存和繁衍条件的潜力,是一种重要的生态系统服务,是决定生物多样性的基础条件[23—24]。评估区域生境质量可为区域生物多样性保护和区域生态保护发展提供科学依据,探究土地利用转型对生境质量变化的影响规律是十分必要的[25—27]。InVEST模型可以根据生境威胁源的分布和不同土地利用类型对生境威胁源的敏感程度,计算得到生境质量评价结果,有助于开展土地利用转型对生境质量影响的研究[28]。

大部分资源型城市发展初期,建设用地和采矿用地大量无序扩张,土地利用问题突出,区域生境严重退化或丧失。在国家推进生态文明建设和城市可持续发展的背景下,资源型城市积极开展城市发展转型及生态文明建设,土地利用形态发生了显著改变。因此,本文以典型的资源型城市——乌海市作为研究区,运用地学信息图谱方法和InVEST模型对乌海市2005—2018年土地利用转型特征和生境质量时空变化进行研究,并使用生境贡献度指数探究土地利用转型对生境质量的影响,结果可为乌海市生态环境保护和土地利用转型决策提供参考,促进资源型城市高质量转型。

1 研究区概况

乌海市位于内蒙古自治区西南部,下辖三区,总面积约1674 km2。乌海地处内陆深处,气候是典型大陆性气候,基本地貌特征为“三山两谷一条河”。乌海市被乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙漠三大沙漠所环绕,植被稀疏,生态环境较为脆弱。乌海市矿产资源丰富,集中分布在西部和中东部地区。经济以第二产业为主,经多年的转型发展,乌海市经济结构发生变化,第二产业生产总值占比从最高73.4%下降并稳定在60%左右。

乌海市1976年才依托煤炭资源正式建立,是内蒙古西部重要的煤焦化工产业基地,生态本底条件差,资源开采、产业发展与环境保护矛盾突出。从2010年起乌海市逐步推进城市和经济转型,推动乌海市从工矿服务型城市向功能完善的宜产宜居宜游区域中心城市发展[29—31]。乌海市在转型的过程中注重生态环境保护修复,积极开展水污染治理、大气环境改善、矿山修复等的生态保护和修复工作,并取得了一定的效果。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文研究使用的2005、2010、2015、2018年的乌海市30 m栅格土地利用数据,来源于中国科学院资源环境与科学数据中心(http://www.resdc.cn)。乌海市作为一个资源型城市,采矿用地的时空变化是土地利用转型的重要组成部分。为体现研究区土地利用转型特征,在参考土地利用现状分类国家标准(GBT 21010—2007)的基础上,将土地利用类型分为林地、草地、耕地、水域、建设用地、采矿用地、未利用地。利用Google earth高分辨率影像对分类结果进行精度验证,精度为 87%,满足后续研究需求。为方便构建图谱模型和空间数据的代数运算,对土地利用数据进行重新编码,使用1、2、3、4、5、6、7分别代表林地、草地、水域、耕地、建设用地、采矿用地和未利用地。使用InVEST模型评估区域生境质量时,为获得更准确的评估结果,将7种土地利用类型进行了更精确的划分,增加了灌木、湿地两种土地利用类型。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用转型分析

土地利用转型是一个土地利用形态长期性和趋势性变化的过程[32—33]。土地利用形态的变化会减弱在社会经济变革下不同土地利用类型代表的不同部门之间的利益冲突[34]。随着生态文明建设和资源型城市可持续发展对生态环境质量的需求不断增加,资源型城市中代表生产和生态功能的用地类型面积变化会表现出土地利用转型的明显特征。本文定义资源型城市土地利用转型为区域生产和生态功能用地类型面积变化趋势发生改变的过程。可比较两个阶段生产功能用地和生态功能用地的变化趋势,如发生下列公式所示情况,表明发生了土地利用转型。

阶段一：

(1)

阶段二：

(2)

式中,AC为区域主要生产功能用地类型面积,AS为区域主要生态功能用地类型面积,i为主要生产功能用地类型面积变化趋势转折时间点,i-1为起始时间点,i+1为结束时间点。

本文利用地学信息图谱法研究乌海市2005—2010、2010—2015、2015—2018年土地利用转型,将土地利用变化中的空间单元特征与时间变化特征更好的联系在一起,图谱单元生成是运用ArcGIS软件空间分析模块中地图代数下的栅格计算器工具实现[35—37],图谱单元类型名称简写为：AB,A为某一时期开始时土地利用类型编码值；B为某一时期结束时土地利用类型编码值,表示这一时期内土地利用类型从A变为B。

2.2.2生境质量评估

本文利用InVEST模型生境质量模块[38],对土地利用覆被和生境威胁因子信息进行分析,形成生境质量地图来模拟评估生境质量。生境质量的计算公式为：

(3)

(4)

式中,Qxj为土地利用/覆盖(LULC)类型j中栅格x的生境质量,生境质量值为0—1,值越大表示生境质量越好,越适宜物种生存；Hj为LULC类型j的生境适宜度,K为半饱和参数；Dxjj为LULC类型j或生境类型j中栅格x的总威胁水平,r为生境威胁源,y为r威胁源的所有栅格,yr为r威胁的一组栅格,drmax为每种威胁对生境的最大影响距离,Wr为每种威胁源的权重,βx为法律保护程度,本文不考虑法律保护程度因子,因此将βx设为1,Sjr为生境类型对威胁源的敏感性；irxy为威胁r在栅格x的生境对栅格y的影响。

在使用InVEST模型进行生境质量评估过程中通过11位生态和矿业开发等领域专家打分,依据专家专业特长不同赋以权重对打分结果进行加权平均的方式确定模型影响距离(表1)、生境适宜性和威胁源敏感度(表2)。运行生境质量模型后得到2005、2010、2015、2018年乌海市生境质量分布图,为能更好的展示乌海市生境质量时空变化,运用自然断点法将2005年生境质量分为低、中、高3个等级,并使用2005年的断点阈值对其他三期结果进行分级。最终,对不同等级生境质量的变化情况进行统计分析,依据生境质量变化方向和程度分为低退化、低提升和高退化、高提升四个类型。

表1 生境威胁源及相关参数

表2 土地利用类型生境适宜性及对不同威胁源的敏感度

2.2.3土地利用转型对生境质量的影响分析

本文运用生境贡献率公式探究研究区土地利用转型过程中影响生境质量变化的主导因素。生境贡献率公式依据生态贡献率公式改进得到[10]。其表达式为：

(5)

式中,Cit为t时间段内i种土地利用变化类型生境贡献率；HQCit为t时间段内i种土地利用变化类型区块内生境质量变化平均值；LAit为t时间段内i种变化类型面积；TA为区域总面积；n为土地利用变化类型数量。

3 结果分析

3.1 乌海市土地利用转型分析

3.1.1土地利用数量结构变化

乌海市最主要土地利用类型是草地,研究期内草地面积占比最低为45.84%,最高达57.45%(表3)。其次为未利用地,乌海市地处西北内陆,气候干旱少雨,周围沙漠环绕,未利用地的面积占比也相对较高,四年平均达16.51%。作为一座资源型城市采矿用地面积占比也较高,每期总面积占比都在5%以上,2015年最高达12.10%。

随着乌海市推进转型发展的进程,社会经济的变化及革新使土地利用变化趋势改变,2005—2018年土地利用转型呈现典型的阶段性。第一个阶段为2005—2015年,乌海市草地面积大量持续减少,建设用地与采矿用地面积持续增加。在2005—2010年和2010—2015年两个时期内,草地均为面积减少最多的地类,两个时期减少面积分别占研究区总面积的8.29%和3.94%,减少趋势变缓。2005—2010年,建设用地的增加面积最多,占总面积的5.63%；而2010—2015年,面积增加最多的是采矿用地,增加面积占总面积的3.94%。2015年是明显的转折点,2015—2018年为第二个阶段,土地利用面积变化趋势开始改变,草地面积开始增加,增加面积占乌海市总面积的1.88%,面积减少最多的是建设用地,占总面积的5.16%,乌海市土地利用变化趋势明显发生改变。

表3 2005—2018年乌海市土地利用类型面积占比变化/%

3.1.2土地利用变化图谱分析

结合各个时期的土地利用变化流向图(图1)、土地利用变化图谱(图2)及图谱单元数量最多的前10名土地利用变化图谱单元排序表(表4)对乌海市土地利用转型进行分析。2005—2018年乌海市土地利用变化面积增加,土地利用转化速率加快,分布区域扩大。2005—2010年乌海市共有230678个转型图谱单元,每个图谱单元900 m2,共207.61 km2,主要分布于乌海市中部和北部行政边界周围；2010—2015年图谱单元数比2005—2010年增加40.78%,年均增加8.01%,主要分布于中南部、中西部和北部；2015—2018年图谱单元数又比2010—2015增加24.37%,年均增加8.12%,分布于全市范围。

研究期内主要变化图谱单元数量占比减小,主要变化类型改变。2005—2010年图谱单元数前10名之和占图谱单元总量91.8%,草地-建设用地(编码25)和草地-采矿用地(编码26)图谱单元数量最多,分别占图谱单元总量的35.26%、21.27%。2010—2015年图谱单元数前10名之和仅占图谱单元总量的69.9%,仍是草地-采矿用地(编码26)和草地-建设用地(编码25)图谱单元数量最多,但是图谱单元数和占图谱单元总数的比例都有减小,分别占图谱单元总量的14.04%、10.5%。2015—2018年图谱单元数前10名之和占图谱单元总量77.04%,建设用地-草地(编码52)、草地-未利用地(编码72)的图谱单元数量最多,占图谱单元总量的17.11%、13.19%,采矿用地转型数量也占图谱单元总量的9.61%,土地利用变化主要类型改变,土地利用变化与前两个时期逆向。

3.2 生境质量时空变化

乌海市整体生境质量明显退化。2005—2018年乌海市高等生境面积减少8.84%,低等级生境面积增加8.83%(图3)。研究期内乌海市生境质量变化趋势呈先强退化,退化强度逐渐减弱,后转为提升趋势。乌海市生境高退化面积占比持续减少,从5.64%减少至3.35%；低退化、低提升、高提升面积占比逐年增加,分别增加2.48%、5.91%、4.17%。在2005—2015年间的两个时期内退化面积一直都大于提升面积, 2015—2018年提升面积大于退化面积,低提升面积比低退化面积少,高提升面积大于高退化面积,整体生境质量稍有提升。

表4 乌海市2005—2018年土地利用变化图谱单元排序表

图1 乌海市2005—2018年土地利用变化流向图Fig.1 The flow chart of land use change in Wuhai City from 2005 to 2018

图2 乌海市2005—2018年土地利用变化图谱Fig.2 Land use change mapping in Wuhai City from 2005 to 2018

图3 乌海市2005—2018年生境质量各等级及各变化类型面积占比Fig.3 Habitat quality grades and area portions of each change type in Wuhai City from 2005 to 2018

乌海市生境质量变化空间分异明显。2005—2015年,生境质量降低区域主要分布在中部和北部；2015—2018年,北部和中东部生境质量有提升,退化区域主要集中在南部(图4)。2005—2015年北部、中东部大面积生境退化,提升面积较小。2005—2015年随着乌海市社会经济的发展,建设用地、采矿用地快速扩张,侵占草地等生态用地,造成城市周围和东部矿区生境质量退化。2010—2015年乌海市中部生境质量有明显提升,主要是由于乌海湖的建设,水域面积增加。2015—2018年北部和中东部部分区域生境质量有提升,分布较为分散,主要是由于该区域有矿区环境综合治理初见成效。南部大面积生境质量高退化主要是由于乌海市开展邻近黄河盐碱地治理工程,较大面积草地转化耕地。

图4 生境质量变化空间分布图Fig.4 Spatial distribution of habitat quality changes in Wuhai City from 2005 to 2018

3.3 土地利用转型对生境质量的影响分析

研究期内乌海市生境质量有退化也有提升,土地利用转型过程中土地利用变化带来了生境质量不同面积、不同程度的退化和提升使得整体生境质量发生改变。表5给出了研究期内导致乌海市生境质量变化的主要土地利用变化类型及贡献率。2005—2015年生境质量持续退化时期,草地向建设用地、采矿用地变化是生境质量退化的主要原因,这两种变化在两个时期内对生境质量的降低贡献比重平均占72.81%,生境质量提升主要是由于多种地类大面积向草地、水域转变,2010—2015年生境质量提升主要是由于耕地、未利用地和建设用地向水域变化,对生境质量提升的贡献度达44.02%。2015—2018年生境质量提升时期,建设用地和采矿用地向草地转变是生境质量提升的主要原因,这2种变化对生态质量的改善贡献比重占70.52%,生境质量降低的主要原因是草地转化为未利用地和草地转化为耕地,贡献率分别为41.06%、33.08%,后续生态环境保护应该注意草地的退化和向其他用途的转变。草地与建设用地采矿用地相互转换是研究期内乌海市生境质量提升或降低的主要原因。

表5 影响生境质量的主要变化类型及贡献率

4 结论与讨论

4.1 结论

本文从资源型城市转型的角度,探究资源型城市土地利用转型特征及其对生境质量变化的影响,得到以下主要结论：

(1)2005—2018年土地利用变化趋势发生改变,乌海市土地利用转型明显。第一阶段(2005—2015年)草地大面积减少,建设用地和采矿用地大面积增加；第二阶段(2015—2018年)草地面积增加,建设用地和采矿用地面积减少。

(2)研究期内土地利用转型图谱单元数量逐渐增加,主要分布于城市周边及东西部矿区,分布范围逐渐广泛。土地利用转型图谱单元类型以草地与建设用地、采矿用地之间的相互转化为主。2005—2015年草地持续大面积向建设用地和采矿用地转化,占总面积10.78%；2015—2018年较大面积建设用地和采矿用地向草地转化,占总面积5.63%。

(3)乌海市生境质量变化呈现先强退化后弱提升趋势。2005—2015年乌海市18.75%的区域生境质量发生退化,提升面积较小,生境质量退化严重；2015—2018年生境质量提升面积略大于退化面积,生境质量稍有提升。

(4)草地与采矿用地、建设用地的相互转化是区域生境质量降低或提升的主要原因。2005—2015年生境质量退化时期,草地向采矿用地、建设用地转化是区域生境质量降低的主要原因；2015—2018年生境质量提升时期,采矿用地和建设用地向草地转化是区域生境质量提升的主导因素,草地转化为未利用地是生境退化的主要原因,应注意草地退化问题。

4.2 讨论

土地利用转型是一个协调土地利用类型代表的各部门利益冲突的过程。在生态文明建设的大背景下,协调生态环境保护与社会经济发展是土地利用转型的重要目标。生境质量是生物多样性的支持条件,是区域生态安全的基础,深入了解生境质量变化的原因及驱动因素,对推动区域生物多样性保护和生态环境质量提升具有较大帮助。因此,有必要结合研究结果进一步探讨影响乌海市生境质量变化的主要土地利用变化类型的驱动因素。已有研究表明自然、社会经济和政策因素是土地利用转型的主要驱动力[39—41]。自然驱动因素是土地利用转型的基础,自然条件决定了区域土地利用覆被。乌海市地处西北干旱区,地表覆盖主要以草地为主,因此乌海市大部分土地利用转化都是其他土地利用类型与草地的相互转化。政策因素和社会经济因素能够直接或间接地影响土地利用转型。2005—2015年乌海市尚未转型发展和转型发展初期,依靠能源发展的状况还未有较大的改变,所以采矿用地和建设用地面积不断扩大,侵占了大面积草地,使得区域生境质量严重退化。随着城市发展转型的推进,产业升级转型政策引导经济结构改变,经济发展减少对能源开采的依赖,改变土地利用需求；同时通过产业进园区、绿色矿山建设、矿区生态环境保护、旅游资源开发等政策直接改变土地利用类型,使得2015—2018年生态用地减少、生产用地增加的土地利用变化趋势发生改变,较大面积建设用地、采矿用地转化为草地,提高了区域生境质量。由此可以看出,政策因素不仅可以通过土地管理政策等直接作用于土地利用转型,还可以通过影响经济的发展变化间接影响土地利用转型,政策因素是土地利用转型的核心驱动力。因此,资源型城市在转型过程中应注重科学合理的政策制定。通过政策引导土地利用转型时,推进关键区域内低生境适宜度用地类型向高生境适宜度用地类型转换,提升区域生境质量,促进生物多样性保护,持续改善生态环境质量,助力资源型城市可持续发展。

本研究采用InVEST模型生境质量评估方法探究土地利用转型对生态环境的影响,与其他研究方法相比,InVEST模型评估区域生境质量广泛运用于土地利用相关研究,可为资源型城市土地利用转型及生态文明建设提供参考。但需注意的是,自然生态系统为人类和其他生物提供多种生态系统服务,本研究只对生境质量这一种重要的生态系统服务进行评估,在今后的研究中可进一步探讨土地利用转型对其他生态系统服务的影响,进一步了解土地利用转型对生态系统服务的影响规律,科学协调城市发展与生态环境保护间的关系。