安宁河流域土地利用转型及其生态环境效应

王雪力,覃发超

(1.西华师范大学 a.生命科学学院,b.四川省干旱河谷土壤侵蚀监测与控制工程实验室,四川 南充 637009; 2.大小凉山干旱河谷土壤侵蚀与生态修复野外科学观测研究站,四川 喜德 616753)

土地利用/覆盖变化(Land Use Land Cover Change,LUCC)已经受到全世界的广泛关注[1],为进一步优化土地资源配置和建设区域生态文明,国土开发方式正转为生产、生活、生态空间相协调的“三生”空间模式[2]。土地利用转变的表现形式之一就是土地利用主导功能的转变,即“三生”主导功能之间的转变[3]。土地利用功能的转变对区域生态环境有深刻影响,研究其功能转变是评价生态环境的重要指标之一[4]。对生态环境脆弱地区来说,经济转型带来的土地利用功能的变化与生态环境之间的矛盾日益突出。所以,分析生态脆弱地区的土地利用功能转型及其生态环境效应,对该区域的土地资源合理配置以及生态环境恢复具有指导性意义。

近年来,土地利用功能转型给生态环境带来的影响已引起社会各界的广泛关注。目前,国内外学者在研究尺度方面,大多关注于全球[5-6]、国家[7-8]、省市[9-10]等大范围尺度下的研究,对生态脆弱的流域尺度的相关研究较少。研究内容主要涉及土地利用功能转型的基础理论、土地利用功能转型与区域发展的关系等[11-12],具体集中于土地利用功能转型的特征分析[13]、时空演变分析[14]、对生态系统服务功能的影响效应分析[15]等方面,对生态脆弱地区的土地利用功能转型的影响效应研究相对较少。

安宁河流域气候干旱,生态环境极其脆弱,是我国干旱区生态环境问题研究的典型地区。随着经济的快速发展,加之矿产、林业等资源的不合理开发,安宁河流域出现了植被退化、水土流失等生态环境问题,导致其生态屏障功能严重受损[16]。本研究通过土地利用功能转移矩阵、单一和综合土地利用动态度、生态环境质量指数和土地利用功能转型生态环境贡献率等方法,探究安宁河流域土地利用功能转型及生态环境效应,揭示其生态环境变化,以期为安宁河流域的土地管理与合理开发、生态环境保护以及进一步的深入研究奠定基础,也为其他生态脆弱区的土地资源可持续利用与环境改善提供参考和借鉴意义。

1 研究区概况

安宁河流域位于四川西南(26°38′—29°02′E,102°06′—102°10′E)(图1),安宁河是长江上游金沙江的二级支流,流经西昌、冕宁、德昌及米易4县市,流域面积约11 150 km2[17-18]。流域南北长250 km左右,东西宽26～75 km,呈狭长形状,海拔在900～4 750 m,地势北高南低,西高东低[19]。区内气候垂直带谱明显,降水的季节性差异显著,夏秋雨量大,冬春雨量少,年平均降水量1 133 mm,多集中于每年5—10月,山地降水多于邻近谷地[16]。

2 数据与方法

本研究使用的土地利用/覆被数据(1985、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020年,空间分辨率为30 m×30 m)来源于遥感信息处理研究所(http://irsip.whu.edu.cn/)。本文依据杨清可等[3]所确立的“三生”土地利用主导型功能划分标准,同时依据安宁河流域土地利用实际功能状况,将生产、生态、生活3个一级用地类型进一步细分为农业生产用地(农产地)、林地生态用地(林态地)、草地生态用地(草态地)、水域生态用地(水态地)、其他生态用地和建设生活用地(建设地)6个二级地类。使用面积加权法对安宁河流域“三生空间”分类下的6个二级地类的生态环境质量指数进行赋值,如表1所示。

表1 土地利用功能分类及生态环境质量指数赋值Table 1 Classification of land use function and index value of ecological environment quality

2.1 土地利用功能转移矩阵

转移矩阵能反映任意2个时段内土地利用功能的转换,包括来源、去向、数量等信息[20-21],其表达式为:

(1)

式中:S为土地面积;n为用地类型数;i为研究期初的土地利用功能;j为研究期末的土地利用功能。

2.2 土地利用动态度模型

2.2.1 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度指一定时段内某类土地利用功能的数量变化情况,反映某类土地利用功能的具体变化情况[22]。其表达式为:

(2)

式中,K是某类土地利用功能的动态度;Ua、Ub是研究初期和末期某地类的面积;T为研究时长。

2.2.2 综合土地利用动态度

综合土地利用动态度用来表征研究区内不同类型土地在某一时间段的变化速率[23]。公式为:

(3)

式中:L表示T时段内土地利用变化速率,即综合土地利用动态度;Ui、Uj表示研究时段内某种地类的初期和末期面积;n表示土地利用类型数量;T表示研究时长。

2.3 生态环境质量指数的构建

借用经典生态环境质量模型[24-25]对安宁河流域整体生态环境质量情况进行定量表达。该公式涉及区域内各土地利用功能的生态环境质量指数及面积,用以表征某区域的整体生态环境质量。其公式为:

(4)

式中:EVt是第t时期区域生态环境质量指数;LUAi是第t时期第i类土地利用功能面积;EVi是第i类土地利用功能的生态环境质量指数赋值;TA是研究区总面积。

2.4 土地利用功能转型的生态贡献率

生态贡献率用来定量反映各类土地间相互转化对生态环境产生的作用,探讨引起生态环境变化的主导土地利用功能[26]。表达式如下:

LEI=(LE1-LE0)LA/TA,

(5)

式中:LEI是研究区某一土地利用功能变化的生态贡献率;LE0、LE1是某一地类在变化初期和变化末期的生态环境质量指数;LA是该地类的变化面积;TA是研究区总面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用功能变化总体特征

3.1.1 土地利用功能基本情况

从整体上看,安宁河流域土地利用类型中,林态地、农产地和草态地普遍分布,其中林态地是安宁河流域分布最广的土地利用类型;农产地主要集中分布在安宁河流域中上部,以西昌市、冕宁县、米易县为主;草态地主要位于安宁河流域边缘地区,以喜德县的分布面积最广。在安宁河流域土地利用功能面积变化中(表2),生产用地面积从1985年的2 445.658 km2增长至2020年的2 593.154 km2;生态用地面积呈下降趋势,从1985年的8 614.912 km2下降至2020年8 405.267 km2,减少了209.645 km2;生活用地面积呈增加趋势,从1985年的22.741 km2增长至2020年的84.890 km2。从二级地类来看,1985—2020年,安宁河流域土地利用格局有明显变化,草态地和其他生态用地呈减少趋势,分别减少了362.925 km2和4.879 km2,农产地、林态地和建设地增长较快,分别增加了147.496 km2、137.130 km2和62.149 km2,其中以农产地面积增加最多。说明安宁河流域用地矛盾逐渐凸显,需合理开发后备土地资源。在快速城镇化过程中,安宁河流域建设地逐年增加,零星分散在各县市,2020年的建设地面积是1985年的3.7倍。这是安宁河流域近35 a经济高速发展和城市迅速扩张的结果。

表2 1985—2020年安宁河流域土地利用功能面积变化Table 2 Area change of land use function area in Anning River basin (1985—2020) (单位:km2)

3.1.2 土地利用功能转型分析

1985—2020年安宁河流域各土地利用功能面积及其变化如表3所示:主要表现在草态地、农产地向林态地转移,林态地转入676.267 km2,林态地、草态地向农产地转移,农产地转入面积680.229 km2。草态地和林态地转移面积较大,分别是657.420 km2和532.985 km2。其中,林态地转为农产地的面积最多,占转出面积的87.04%,草态地转为林态地的面积次之,占总转出面积的64.34%。农产地转为林态地也较大,为252.213 km2,占转出面积的47.94%。总体来说,至2020年,安宁河流域的林态地面积最大,农产地和草态地次之,其他生态用地面积最小。

表3 1985—2020年安宁河流域土地利用功能转移矩阵Table 3 Transfer Matrix of land use function in Anning River basin (1985—2020) (单位:km2)

3.1.3 土地利用变化动态度分析

如表4所示:安宁河流域1985—2020年综合土地利用动态度为12.190%,属于土地利用变化极缓慢类型。1995—2000年综合土地利用动态度为20.524%,说明这5年安宁河流域的土地利用功能变化最大。单一土地利用动态度中,农产地、林态地和草态地均在1%以下,说明土地利用功能变化极缓慢。建设地在1985—2020年的动态度为7.808%,在所有土地利用功能中变化最大,说明随着经济的发展,建设用地面积在逐年增加。水态地在不同时期呈现正负交叉的情况,并在1995—2000年达到了最大值,为6.682%。

表4 1985—2020年安宁河流域单一和综合土地利用动态度Table 4 Dynamic degree of single and comprehensive land use in Anning River basin (1985—2020) (单位:%)

3.2 土地利用功能转型对生态环境的贡献

1985—2020年,安宁河流域生态环境质量指数变化情况如表5所示:安宁河流域在1985年的生态环境质量指数为0.213,2020年为0.205,可以看出这35a,安宁河流域总体生态环境质量呈下降趋向,略有恶化。

表5 各年份生态环境质量指数Table 5 Eco-environmental quality index of each year

从导致生态环境改善的主要土地利用转型指标(表6)和表3可以得出:草态地和农产地转为林态地的面积为675.17 km2,占生态环境改善总贡献率的99.48%。与此同时,水态地及其他生态用地向农产地的转化对于安宁河流域生态环境质量的提升亦具有积极作用,以上的土地利用功能转型共占生态环境改善总贡献率的99.86%。

表6 1985—2020年安宁河流域主要土地利用功能转型及其贡献率Table 6 Transformation and contribution rate of major land use functions in Anning River basin(1985—2020)

从导致生态环境恶化的主要土地利用转型指标(表6)和表3得出:林态地向农产地、草态地、其他生态用地的转化面积达532.44 km2,占生态环境恶化总贡献率的89.78%。另有草态地向农产地、水态地、建设地、其他生态用地的转化,分别占生态环境恶化总贡献率的6.29%、0.44%、0.36%、0.04%,累计达到7.13%。

4 讨论与结论

土地利用功能转型可以反映区域生态环境的演变,研究土地利用功能转型有利于合理配置区域内土地资源,进一步改善区域生态环境。本文以安宁河流域1985—2020年8期遥感影像为基本数据源,探究了安宁河流域土地利用功能以及生态环境质量的变化规律,并分析了安宁河流域土地利用功能转型引起的生态环境效应。研究结果表明,在综合土地利用动态下,安宁河流域属于土地利用变化极缓慢类型,且安宁河流域的土地利用功能转型主要表现为草态地、农产地、林态地和建设地的转变,并且呈现以草态地面积减少,农产地、林产地和建设地面积增加的变化格局;在单一土地利用动态下,建设地在所有土地利用功能中变化最大。从安宁河流域生态环境质量指数可以看出,近35年,安宁河流域总体生态环境质量呈下降趋向,略有恶化,并且从2010年起,生态环境指数呈持续下降的趋势,林态地向农产地、草态地的转变,是区域生态环境质量下降的主要原因。

另外,本研究认为,草态地、农产地和林态地面积波动是影响安宁河流域生态环境变化的主要因素,随着经济发展,建设用地也逐渐成为重要影响因素。安宁河流域土地利用功能变化与自然条件退化、区域气候改变以及人类活动干扰密切相关。安宁河流域生态环境质量下降的原因是严重的森林火灾、大型水库的修建及矿产资源的开发,这些活动毁坏了大量的农产地、林态地和草态地。土地利用功能变化作为引起生态环境质量下降的人为因素之一,对生态环境质量有重要影响。介于此,建议安宁河流域在未来的发展规划中,需要更加重视保护林地和草地,尤其是在高寒、坡陡的生态脆弱区,严禁人为占用林地和草地发展农业,必须充分保障安宁河流域生态环境的持续改善。