贵州省土地利用变化及其生态效应分析

廖艳梅，尹林江，韩 敏，蒙友波，罗洁琼

（1.贵州省自然资源勘测规划研究院，贵阳 550001；2.贵州省山地资源研究所，贵阳 550001；3.南通大学交通与土木工程学院，江苏 南通 226019）

生态环境是人类生存的基本保障和社会发展的基础，随着人口的急剧增长和城市化的快速发展，对全球生态系统造成了很大的破坏，生态环境问题日趋严重甚至威胁到区域生态安全［1，2］。人类活动以前所未有的速度影响着生态环境质量，对生态环境进行保护已迫在眉睫［3，4］。土地作为陆地生态系统的载体，是人与自然相互影响和交互作用最密切的地区，对土地利用变化研究有助于揭示自然环境和人类社会影响区域生态环境变化的过程、机理等［5-7］。因此，科学监测和评价土地利用变化及其对区域生态环境的影响，对协调人类活动与生态环境的关系、促进生态环境良性循环、推动社会经济可持续发展具有重要的理论和现实意义［8］。近年来，有不少学者从不同视角对土地利用变化及生态效应展开大量研究。研究方法上，大部分基于景观生态指数［9，10］、InVEST 模型［11］、遥感生态指数［12，13］等来定量表征土地利用变化引起生态环境质量的时空变化，其中李晓文等［14］提出的生态环境质量指数得到了较广泛的应用；研究区域上，有沿海地区［15］、西部欠发达地区［16］、高原地区［17］以及生态脆弱区［18］等；研究尺度上，有区县、流域［19-21］，对西南地区省域尺度的研究较少［22，23］。

贵州省是中国喀斯特分布最为广泛的区域，喀斯特面积占全省土地面积的73%，生态环境极其脆弱［24］。近年来，受西部大开发的影响，城镇化和工业化的快速发展使得城市土地利用格局发生剧烈变化，进而影响区域生态环境质量。然而，快速城镇化的发展对生态环境质量的影响如何尚不明确［25］。因此，本研究以贵州省为例，利用土地利用转移矩阵、动态度、生态环境质量指数和土地利用转型生态贡献率探究贵州省生态环境质量变化对土地利用的响应，以期为该地区土地利用管理规划、生态环境保护提供科学依据。

1 研究区域概况、数据与方法

1.1 研究区域概况

贵州省地处中国西南部，介于东经103°36′—109°35′、北纬24°37′—29°13′，东靠湖南省，南邻广西壮族自治区，西毗云南省，北连四川省和重庆市，是西南各省（市、自治区）的交通枢纽［26］。贵州省是一个强烈岩溶化的高原山地，其中92.5%的面积为山地和丘陵，境内地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔为1 100 m。受独特地理位置和复杂地形地貌影响，自然生态环境破坏小，生态环境优良但生态脆弱［27］。

1.2 数据来源与处理

土地利用数据来源于全国地理信息资源目录服务系统（https：//www.webmap.cn）GlobeLand30 数据集，是中国国家高技术研究发展计划（“863”计划）全球地表覆盖遥感制图与关键技术研究项目的重要成果。该数据集覆盖了南北纬80°的陆地范围，包括耕地、森林、草地等十大类地表覆盖信息。根据贵州省实际土地利用情况，研究区土地利用包括耕地、林地、草地、水域和建设用地5 类用地。此外，所涉及到的生态环境质量指数参照李晓文等［14］的研究成果所得，详见表1。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移矩阵 土地利用类型转移矩阵反映任意时段内不同土地类型间的转变情况，能很好表示土地利用类型转换的时空变化特征［7］。其表达式见式（1）。

式中，Aij为研究期间第i种地类转化为第j种地类的面积；n为研究区地类总数。

1.3.2 土地利用动态度 土地利用动态度包括单一土地利用动态度（K）及综合土地利用动态度（LC），可表征不同土地利用类型在一定时期内的变化程度，其值越大，表示土地利用变化越强［21］，表达式分别见式（2）、式（3）。

式中，K表示t1到t2时段内某地类的动态度；Ut1、Ut2分别为此时段内该地类的面积；LC为某时段的综合土地利用动态度；LUi为研究初期第i类土地面积；ΔLUij为i地类转化为j地类面积的绝对值；T为研究时长。

1.3.3 土地利用生态效应评价

1）区域生态环境质量指数。区域生态环境质量指数可定量评定区域内生态环境质量的综合状况［28］，表达式如式（4）所示。

式中，EVt为t时期的生态环境质量指数；LUi为t时期第i类土地面积；Ci为第i类土地利用类型的生态环境质量指数；TA为研究区总面积；n为土地利用类型数。

2）土地利用转型生态贡献率。生态贡献率是指某种土地利用类型变化所引起的区域生态环境的改变［20］，表达式如式（5）所示。

式中，LEI为生态贡献率；LE0、LE1分别为变化初期、末期的土地利用类型具有的生态环境质量指数；LA为变化用地的面积；TA为研究区总面积。

2 结果与分析

2.1 土地利用结构转型分析

2.1.1 土地利用动态变化 从图1 可以看出，2000—2020 年，贵州省土地利用结构以林地、耕地和草地为主，2000 年这3 种土地类型占比分别为46.67%、33.89%、18.63%，共占总面积的99.19%；2010 年这3 种土地类型占比分别为47.36%、33.64%、18.18%，共占总面积的99.18%；2020 年占比分别为46.04%、33.86%、17.74%，共占总面积的97.64%。21 年间，贵州省林地、耕地和草地均在减少，其中草地下降最大，占比下降了0.89 个百分点，其次为林地，占比下降了0.63 个百分点，耕地下降最小，占比仅下降了0.03 个百分点。建设用地和水域在上升，其中建设用地扩张明显，占比由2000 年的0.39%增加到2020 年的1.66%，上升了1.27 个百分点，水域的增加较小，占比上升了0.28 个百分点。

图1 贵州省各土地利用类型面积分布

从不同阶段看，2000—2010 年耕地面积减少了435.77 km2，草地减少了790.97 km2，林地增加了1 206.40 km2，这主要与贵州省从2000 年开始实施的退耕还林工程以及后来实施的封山育林工程、山区草地转换为林地政策有关；水域减少了87.87 km2，建设用地增加了108.21 km2。2010—2020 年，耕地增加了380.39 km2，这主要得益于国家为确保粮食安全而提出的一系列耕地保护措施，林地和草地分别减少了2 323.20、774.99 km2。在此期间，建设用地大幅增加，增加了2 136.43 km2，这主要得益于国家实施的西部大开发战略，使得贵州省经济快速发展，而水库、水电站、坑塘、人工湖泊、公园水域的建立以及一些水域保护措施的实施，使得水域面积增加了581.37 km2。

2.1.2 土地利用转移矩阵 2000—2020 年，各土地利用类型间的转移均主要发生在耕地、林地与草地之间，三者之间的相互转移面积占变化面积的80%以上，建设用地和水域的转移面积占比较少。

由表2 可知，2000—2010 年，贵州省各地类间转出面积大于转入面积的有耕地、草地、水域。其中，耕地转出面积为4 380.13 km2，转入面积为3 944.36 km2，其转入、转出均主要发生在林地和草地间；草地转出面积为7 402.80 km2，转入面积为6 611.83 km2，其转入、转出均主要发生在林地和耕地间；水域转出面积为358.48 km2，转入面积为270.61 km2，其转入、转出均主要发生在草地、耕地以及林地间。建设用地转入是转出的2.26 倍，分别为194.42、86.21 km2，其主要由耕地与草地转入，主要转为耕地。林地转入比转出的面积多1 206.40 km2，主要来源于耕地和草地，说明在此期间退耕还林工程以及山区草地转换为林地起到了重要作用。

表2 2000—2010 年各土地利用类型转移矩阵（单位：km2）

由表3 可知，与2000—2010 年不同，2010—2020年林地的转入面积低于转出面积23.29%，分别为7 653.67、9 976.87 km2，耕地与水域则表现为转入大于转出，其中水域的转入是转出的5.39 倍，草地仍表现为转出大于转入，建设用地也仍表现为转入大于转出，在此期间转入是转出的30.54 倍，远高于2000—2010 年。

表3 2010—2020 年各土地利用类型转移矩阵（单位：km2）

由表4 可知，2000—2020 年，林地转入面积为10 138.14 km2，62.58%由草地转入，36.28%由耕地转入，转出面积为11 254.95 km2，有50.02%转为草地，44.68%转为耕地，说明近年来虽实施的退耕还林工程以及山区草地转换为林地政策发挥了重要作用，但是人口的快速增长，粮食需求增加，对林地进行大面积开垦使得其减少；草地减少面积最多，其主要流向耕地和林地，但低于两种地类的转入；耕地是所有地类中动态平衡最高的，其转入和转出的面积仅差55.37 km2；建设用地转入的面积是转出面积的26.11 倍，其中转入的面积有68.24% 来自耕地，31.34%来自林地和草地；水域转入、转出的面积分别为797.15、303.62 km2，转入是转出的2.63 倍，这主要是由水库、水电站、坑塘等建设侵占周围耕地、林地及草地导致的。

表4 2000—2020 年各土地利用类型转移矩阵（单位：km2）

总的来说，贵州省2000—2020 年的地类转移频繁，受西部大开发的影响，城市扩张对建设用地的需求增加，挤占耕地、草地、林地，而耕地、草地、林地面积的减少直接导致贵州省土地供需矛盾加剧，对贵州省的生态环境造成一定的影响。

2.1.3 土地利用动态度变化 由图2 可知，贵州省2000—2010 年、2010—2020 年、2000—2020 年3 期综合土地利用类型动态度分别为0.07%/年、0.18%/年、0.08%/年，各地类的单一动态度差异明显，除建设用地始终为正值外，其余地类因受不同因素的影响，动态度均有所差异。

图2 贵州省土地利用动态度

2000—2010 年，受经济落后的影响，贵州省城市发展缓慢，土地间波动较小。各土地利用类型中，建设用地和林地的动态度为正值，建设用地单一土地利用动态度最大，为1.58%/年，林地在此期间增加了1 206.40 km2，远高于建设用地，但其动态度却远低于建设用地，这主要是因为在此期间建设用地变化幅度较大，其转入面积是转出的2.26 倍。受其他地类互相转化的影响，耕地、草地、水域的动态度呈负值，其中面积减少最快的是水域。

2010—2020 年，贵州省加快城镇化发展，土地利用类型综合动态度最大，达0.18%/年，相比2000—2010 年，在此期间的土地利用变化速度提高了1.57倍，各土地利用类型间在不断进行转化。各土地利用类型中，除草地的动态度持平外，建设用地的动态度最大，为26.97%/年，上升较大，这与贵州省在此期间人口增长、经济发展有着密切关系。林地的动态度由2000—2010 年的正值变为负值，这主要受林地面积减少的影响；耕地与水域的动态度则由负值变为正值，这主要与该期间耕地和水域的增加相关。

2000—2020 年，除建设用地、水域的动态度为正值外，耕地、林地、草地的动态度均为负值，这与前文中分析的随着城镇化进程的加快，使得建设用地、水域增加，从而挤占耕地、林地、草地有密切关系。

2.2 土地利用变化生态效应分析

2.2.1 时间变化特征 由图3 可知，2000—2020 年，贵州省的生态环境质量总体上保持稳定，呈略微的起伏，先增后减。2000—2010 年，生态环境质量指数上升，由0.579 6 上升至0.580 8，这主要是因为该地区从2000 年开始实施退耕还林工程，使得耕地减少，林地增加；2010—2020 年，受该地区城镇化建设、城市扩张以及西部大开发战略实施的影响，生态环境质量指数下降至0.572 3。

图3 生态环境质量指数各时期的变化

2.2.2 空间分布特征 为更好地分析研究区生态环境质量指数空间分布，在ArcGIS 软件中利用自然间断法将其划分为4 个等级（图4），可以看出，2000—2020 年，贵州省生态环境质量指数在空间分布上基本一致，以一条中线表示，生态环境质量指数均表现为中线以西、以北地区低，以东、以南地区高。高质量、较高质量区主要分布在黔东南、黔南、黔西南地区，空间上呈明显的集聚态势，耕地面积少，城市开发程度小，以林地分布为主，生态环境质量好；低质量、较低质量区主要分布在黔中、黔北以及黔西北地区，黔中大部分地区属云贵高原的喀斯特丘陵地貌，处在石漠化敏感地区，生态系统较为脆弱，且作为新一轮西部大开发战略确定的重点经济区，城市化进程快，建设用地相对集中，使得该地区生态环境质量差，黔北、黔西北地区则主要以耕地为主。从年际变化看，2000—2010 年，生态环境质量指数空间变化不明显，其变化较大的区域主要在黔西北地区，分析其原因为该地区退耕还林政策对其生态环境有一定改善；2010—2020 年，生态环境质量指数较2000—2010 年发生明显变化，最主要体现在黔南以及黔西南地区，这主要是受黔中城市群发展带动其城镇化进程的加快，生态建设与其节奏不一致，导致生态环境变化；黔中地区生态环境质量指数有一定提升，这与这些年该区实施的生态保护措施有一定的关系。

图4 贵州省生态环境质量指数空间分布

2.2.3 土地利用转型生态贡献率分析 研究区生态环境质量指数的稳定并不代表生态环境质量未发生变化，生态环境质量存在改善和恶化两种趋势，只有两种趋势在一定时期内相互抵消，才会呈现相对稳定的趋势。运用式（5）计算、分析2000—2020 年贵州省土地利用转型的生态贡献率。由图5 可知，2000—2010 年，生态环境质量指数提升的主要原因是草地转型为林地，贡献率为0.000 037 0，占总贡献率的53.94%，其次是耕地转型为林地和草地，贡献率分别为0.000 015 8、0.000 012 7，共占总贡献率的41.55%；生态环境质量指数降低的主要原因则是林地转型为草地和耕地以及草地转型为耕地，共占总贡献率的94.70%。由此看出，在此期间，草地转林地的植被恢复、退耕还林是生态环境改善的主要原因，而林地砍伐、林地退化、草地开垦是生态环境恶化的主要原因。2010—2020 年，生态环境改善与恶化的主要原因与前11 年基本一致，但其影响逐渐在减弱，在此期间，建设用地对生态环境恶化的影响逐渐在加重，其中耕地转型为建设用地占总贡献率的比重由2000—2010 年的1.16%上升到10.75%，说明在此期间，城镇化建设对于耕地的侵占也逐渐成为生态环境恶化的主导因素。2000—2020 年，生态环境改善的主导因素是草地转型为林地以及耕地向林地和草地的转型，共占总贡献率的93.33%，生态环境恶化的主导因素则是林地转型为草地、耕地，草地转型为耕地以及耕地转型为建设用地，共占总贡献率的93.44%。在21 年间，草地转林地的植被恢复、退耕还林还草是生态环境改善的主要原因，而生态环境恶化的原因则是林地砍伐与开垦、草地开垦以及城镇化建设。

图5 贵州省土地利用转型生态贡献率

总的来说，贵州省生态环境改善与恶化同时存在，二者相互抵消，但生态环境恶化的趋势略大于生态环境改善的趋势，生态环境质量指数略微下降，林地转为草地、耕地是导致其生态环境质量指数下降的主要原因。

3 小结与建议

3.1 小结

以贵州省2000—2020 年土地利用数据为基础，采用土地利用转移矩阵、土地利用动态度、生态环境质量指数等方法对贵州省土地利用转型、生态效应进行分析，得出以下结果。

1）贵州省土地利用结构以林地、耕地和草地为主。2000—2020 年，贵州省林地、耕地和草地均在减少，建设用地和水域在上升，其中草地减少最多且动态度最低，建设用地增加最多且动态度最高。土地利用类型转移频繁，以耕地、林地、草地间相互转移为主，建设用地与水域发生转移的面积较少，但二者增加的面积主要来自对耕地、林地及草地的侵占。

2）贵州省生态环境质量总体上保持稳定，呈略微的起伏，表现为先增后减。从空间分布看，生态环境质量表现为西北低、东南高，呈明显的集聚态势。高质量、较高质量区主要分布在黔东南、黔南、黔西南地区，低质量、较低质量区主要分布在黔中、黔北以及黔西北地区。2000—2010 年，生态环境质量指数空间变化不明显，其变化较大的区域主要在黔西北地区，2010—2020 年，生态环境质量指数变化程度明显增强，主要体现在黔南以及黔西南地区。

3）贵州省生态环境改善与恶化同时存在，二者相互抵消，但生态环境恶化的趋势略大于生态环境改善的趋势，生态环境质量指数整体呈下降趋势。2000—2020 年，生态环境质量指数提升的主导因素是草地转型为林地以及耕地向林地与草地的转型，生态环境质量指数下降的主导因素则是林地转型为草地、耕地，草地转型为耕地以及耕地转型为建设用地。

3.2 建议

本研究基于贵州省2000—2020 年长时间序列土地利用数据，分析了其土地利用变化、生态环境质量的时空变化特征及土地利用转型生态贡献率，发现生态环境变化与土地利用变化有着密切关系。研究发现，近21 年，贵州省土地利用结构发生明显变化，土地矛盾加剧，建设用地对耕地、草地、林地生存空间的侵占加剧，生态环境恶化的趋势略大于生态环境改善的趋势。因此，在今后的发展规划中，贵州省在保证发展的同时，更要加强生态环境建设。可以通过合理规划优化土地利用结构，实行更为严格的生态环境保护制度，对不同生态环境质量区域实行不同的发展模式等，实现生态环境的良性循环，改善生态环境［29］。