皖江城市带近20年土地利用变化及其生态环境效应

周振宏, 周 敏, 刘东义, 胡 琦, 汤伟宏, 王诗琪

(安徽农业大学林学与园林学院,230036,安徽省合肥市)

0 引 言

土地是人类赖以生存和发展的重要载体,其在社会经济发展以及生态环境保护过程中具有极其重要的作用[1]. 随着我国城市化及工业化进程不断加快,城市用地进一步扩张,引起区域土地利用功能发生转型. 而土地利用功能的转型又会导致区域生态环境发生改变[2-3],如区域气候变暖、水土流失、土地沙漠化以及景观破碎化等情况[4-7]屡见不鲜. 随着相关研究的不断深入,许多学者都认为土地利用变化与生态环境之间有着复杂的关系. 土地类型的改变往往会导致生态环境发生改善或恶化,特别是我国快速城市化过程中,人类活动愈发强烈,人造地表用地快速扩张,导致土地利用变化对生态环境的影响更为复杂. 因此,探究土地利用变化规律及其生态环境效应对于区域实现可持续发展具有一定的参考价值.

目前,许多学者都热衷于研究土地利用变化规律及其生态环境效应的影响[8],研究内容主要有两方面. 一方面是对土地利用变化引起的单一生态要素的影响研究. 例如:赵文斐等[9]研究了石家庄市PM2.5浓度变化与土地利用变化的关系,发现建设用地和耕地对PM2.5浓度有正向的促进作用,而对林地和草地表现出负效应;束龙仓等[10]以三江平原典型区为研究对象,分析其近40年来土地利用变化对地下水的影响,研究结果表明水田和城镇用地两种土地利用类型直接影响流域水均衡状态;刘永林等[11]探究了西南典型“退耕还林”区土地利用/覆被变化对土壤中硒及重金属含量的影响,发现先人工次生林地表土中的金属含量都显著高于旱地,说明“退耕还林”工程的实施可能会显著影响表土中硒和重金属富集. 另一方面是对流域及生态脆弱敏感区域的研究. 例如:胡荣明等[12]分析了典型的生态脆弱区--甘肃省临夏州东乡族自治县的土地利用变化特征及其生态环境效应,发现农业生产用地及其他生产用地与草地生态用地之间的相互转换是影响生态环境的主导因素;盖兆雪等[13]分析了松花江流域哈尔滨段土地利用变化特征以及生态环境质量,并探究了生态环境质量的影响因素. 目前对于区域城市带的关注较少,并且皖江城市带作为长江经济带重要的组成部分,其土地利用变化导致的生态环境问题亟需解决.

近年来由于城市化和产业转移的不断推进,皖江城市带内的工业园区越来越多,其经济实力日益加强,土地利用与生态环境保护之间的矛盾日益突出. 因此,探究皖江城市带土地利用变化与生态环境之间的关系具有一定的代表性[14]. 鉴于此,以皖江城市带为研究对象,基于2000年、2010年和2020年的土地利用数据,采用土地利用转移矩阵模型,揭示皖江城市带土地利用变化特征;基于网格单元分析方法,结合生态环境质量指数分析方法以及克里金法对生态环境质量的空间分异特征进行表达,并探究土地利用功能转型的生态贡献率,以期为皖江城市带土地合理规划以及生态环境保护提供合理参考.

1 研究区及数据来源

1.1 研究区概况

皖江城市带作为首个获批复的国家级承接产业转移示范区[15],位于安徽省中部,紧邻长三角地区,是促进中部地区崛起和长三角地区发展的重要区域. 皖江城市带主要包括合肥、芜湖、马鞍山、铜陵、安庆、滁州、池州、宣城8个地级市全境以及六安市的金安区和舒城县,总面积约为760 000 km2[16],地貌多样,以平原为主(见图1).

图1 研究区概况图

近年来,由于相关政策的发布,皖江城市带城市化进程较快,城市用地不断扩张,人造地表面积20年来由3 138.03 km2扩展至5 298.52 km2,人口大量聚聚,对区域生态环境带来的影响和破坏急需解决.

1.2 数据来源

皖江城市带土地利用数据来源于30 m全球地表覆盖数据集(http://globeland30.org/),数据总体精度高于80%. 通过对数据进行拼接、裁剪、投影变换以及误差处理等,从中获取了2000年、2010年、2020年30 m×30 m的土地利用/覆盖栅格数据,并将其划分为耕地、森林、草地、湿地、水体、人造地表以及裸地7类. Dem数据来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn).

2 研究方法

2.1 土地利用转移分析

土地利用的功能转移主要是基于土地利用转移矩阵模型来分析. 该模型能够体现出研究区在研究期间内各土地利用类型相互转化的过程及整体变化趋势,能较好地反映出皖江城市带土地利用转型的规律[17].

2.2 用地生态价值重要性

生态环境视角一般会作为土地利用类型划分的基础,因此,土地利用类型的不同也会导致生态环境质量有一定程度上的差异[2].

(1)生态价值重要性

生态价值重要性能体现研究区各土地利用类型对于生态价值总量的重要程度[18].

(2)城市带扩展的生态价值贡献率

生态价值贡献率用来揭示一段时间内同一种类型土地的生态价值变动情况以及该种类型的土地对于城市带生态价值变动总量的干扰程度[18].

2.3 生态环境效应

(1)区域生态环境质量指数

通过对研究区内不同土地利用类型的面积比例及其所具有的生态环境质量进行分析,能够定量化地评价该区域生态环境质量的总体状况[19]. 其中,生态环境质量指数越大,表示生态环境质量越高,反之越小. 本文参考李晓文[20]、罗刚[21]等多位学者对生态环境质量指数的赋值情况,同时结合皖江城市带的具体情况进行修正,最终确定2000-2020年皖江城市带各种土地利用类型生态环境质量指数赋值(见下页表1).

表1 皖江城市带不同地类生态环境质量指数

(2)土地利用功能转型生态贡献率

土地利用功能转型生态贡献率能够定量反映不同功能用地之间相互转化的过程对区域生态环境质量的影响,对于分析区域生态环境质量变化的主要因素有重要价值[22].

3 结果分析

3.1 土地利用变化分析

利用ArcGIS10.6分别对2000-2010年、2010-2020年两期的土地利用数据进行空间叠加分析及面积统计,得到这两个时间段土地利用转移矩阵,能够清晰地反映出研究区这两个时间段各土地类型的的转移面积及转移方向. 由表2可知,2000-2010年间,耕地的转出量最多,其中森林和草地分别占耕地转出面积的42.91%和9.17%,这主要是由于“退耕还林还草”政策的实施以及安徽省养殖业的发展,使大量耕地转化为森林和草地. 人造地表转出量中主要以耕地为主,占比达到88.39%,这与安徽省自2008年和2009年开始加入增减挂钩试点有关. 综上,这一时期各地类的转移主要以耕地及森林的变化为主.

表2 2000-2010年皖江城市带土地利用转移矩阵

2010-2020年间(见表3),大量的耕地转化为其他地类,其中向人造地表的转出量最多,占其总转出量的56.92%. 这主要是由于皖江城市带城镇化快速发展,城市发生扩张,人造地表用地侵占了大量的耕地;一部分耕地面积转化为森林、草地和水体,同样受快速城镇化的影响,农村人口大量向城镇集聚,导致耕地无人耕种,荒废为森林和草地. 森林转化为耕地的面积较多,占比达到53.74%,草地主要转化为森林,占总流出量的49.73%.

表3 2010-2020年皖江城市带土地利用转移矩阵

3.2 生态环境效应分析

(1)土地类型生态价值重要性分析

由下页表4可知,2000-2020年,皖江城市带森林的生态价值重要性最大,且处于较稳定的状态. 其次耕地的生态价值重要性保持在30%以上,20年均处于稳定状态,说明耕地的生态价值也较为重要. 其他地类的生态价值的重要性均在10%以下,表明其对皖江城市带的生态价值的影响较小. 总体来看,森林和耕地的生态重要性较高,其他地类的生态价值重要性较低,说明在未来城市化发展过程中应注重对森林和耕地进行合理的保护和利用,使其生态价值重要性得到充分发挥.

表4 2000-2020年皖江城市带土地类型生态价值重要性

(2)土地扩展生态价值贡献率分析

如图2所示,各土地类型的生态价值贡献率差别较大,数值在0.02%～28.20%之间. 其中,人造地表的生态价值贡献率最大,主要是由于人造地表在20年间面积增加了2 160.49 km2,增长幅度较大,对生态价值贡献率产生了很大的影响. 其次,森林、水体、耕地和湿地对生态环境也产生了一定的影响. 在皖江城市带未来的发展及土地利用过程中,应注重控制人造地表、森林、耕地、水体及湿地5种类型土地的变动速度及规模.

图2 2000-2020年皖江城市带土地扩展生态价值贡献率

(3)生态环境质量指数分析

从表5可以看出,皖江城市带生态环境质量指数处于较为稳定的状态,但呈现出一定的下降趋势,说明其生态环境质量水平遭到一定程度的破坏. 尽管近十几年来皖江城市带大力开展生态文明建设及城市生态环境整治工作,但积重难返,2000-2020年皖江城市带生态环境质量指数均处于下降趋势,主要归因于城市快速扩张,大量耕地及森林被人造地表所侵占,人口急剧增加,人地矛盾日趋严重,导致生态环境遭到严重破坏,生态环境质量指数下降.

表5 2000-2020年皖江城市带生态环境质量指数

(4)生态环境质量指数空间变化分析

根据皖江城市带的面积范围,参考相关网格划分的方法[23],将皖江城市带划分为5 km×5 km的网格,共得到3 308个网格单元,并采用克里金插值法对其进行插值划分,将皖江城市带生态环境质量指数划分为5个等级,分别为低值区(<0.32)、较低值区(0.32～0.42)、中值区(0.42～0.52)、较高值区(0.52～0.62)以及高值区(>0.62). 由下页图3可知,皖江城市带生态环境质量指数整体上呈现出“南高北低”的空间格局. 生态环境质量指数较高的区域主要集中在宣城、安庆和池州,这3个城市紧邻长江流域,以山区为主,受海拔等自然环境的影响,限制了城市的扩张以及工业化的发展,保持了原有的山区地貌,生态环境遭受破坏程度较小,因此这些地区的生态环境质量指数较高. 生态环境质量指数较低的区域主要在滁州、芜湖、马鞍山以及合肥等地,主要是因为这些城市工业化及城市化进程较快,特别是作为省会城市的合肥市,经济和产业发展快速,人口大量聚集,对生态环境带来了一定的影响,导致生态环境质量指数较低,在未来的发展中需要注重对生态环境的保护.

图3 2000-2020年皖江城市带生态环境质量指数空间变化

(5)土地利用转型生态贡献率分析

生态环境质量一般有改善和恶化两种完全相反的趋势,但这两种趋势在区域内部会相互抵消,使区域总体上维持较为稳定的状态[24]. 由下页表6可知,2000-2010年间导致生态环境改善的土地转型类别较多,其中,耕地转为森林和草地的贡献率最高,成为该时间段改善生态环境的主要转型类型. 其次人造地表向耕地的转化也在一定程度上起到了改善生态环境的作用. 整体来看,退耕还林、还草、还水以及农业种植是生态环境改善最重要的因素.

表6 2000-2010年皖江城市带导致区域生态环境变化的主要土地利用类型变化与贡献率

导致皖江城市带生态环境恶化的土地转型类别中,森林向耕地、草地及水体的转化是造成生态环境恶化的最主要原因,总占比达到57.46%. 其次耕地向人造地表的转化及湿地向水体的转化对生态环境的恶化起到了一定的促进作用. 由此可见,森林向其他用地的转化是导致生态环境恶化的主导因素.

由表7可知,2010-2020年,耕地向森林、草地及水体的转化是促进生态环境改善的关键因素,总贡献率占比达到了60.66%,主要也是归因于退耕还林还草还水政策的推进. 其次,人造地表向耕地和草地向森林的转化对生态环境改善也有一定的促进作用.

表7 2010-2020年皖江城市带导致区域生态环境变化的主要土地利用类型变化与贡献率

导致皖江城市带生态环境恶化的主导因素主要是耕地向人造地表的转化. 其次是森林向耕地、人造地表以及草地的转换,合计占比为28.29%,耕地、人造地表和草地对森林的侵占也是导致生态环境恶化的关键原因.

4 结论与建议

本文分析了皖江城市带2000-2020年土地利用变化特征,同时揭示了土地利用变化对皖江城市带生态环境质量的影响. 基于以上研究,得到以下结论.

(1)从各类土地利用类型转移来看,皖江城市带2010-2020年的转移面积2000-2010年相对较大,但总体转移趋势基本一致. 主要表现为耕地和森林之间的相互转移最大,其次是人造地表和水体对耕地的侵占,其他各类用地之间也在发生着一定程度的转移.

(2)皖江城市带生态价值重要性主要体现在森林及耕地两种土地类型上,其他类型土地的生态价值重要性不明显. 对生态价值贡献率产生较大影响的有人造地表、森林及耕地. 整体上来看,皖江城市带生态环境质量指数处于较为稳定的状态,并呈现出“南高北低”的空间格局. 生态环境质量指数较高的区域主要集中在宣城、安庆和池州,较低的区域主要在滁州、芜湖、马鞍山以及合肥等地.

(3)耕地、森林、草地及人造地表四者之间的相互转换是影响生态环境质量的主要因素,耕地向森林及草地转换是改善生态环境的主要原因,森林向耕地和草地转换以及耕地向人造地表的转换是导致生态环境恶化的主要因素.

研究表明,皖江城市带近20年的生态环境质量整体上有所下降,造成生态环境恶化的因素主要是耕地向人造地表用地的转移,这与王晶等[2]在成都平原城市群的研究结果有些不同. 本文仅分析了土地利用变化对生态环境带来的影响,研究结果较为单一,而造成生态环境发生变化的原因是复杂多样的,后续需要进一步探讨地形、气候及社会经济等多种因素对生态环境带来的影响.

为了促进皖江城市带土地合理利用和提升生态环境质量,实现区域可持续发展,建议在未来的发展及规划中:(1)关注土地利用变化导致生态环境发生变化的影响因素,建立完善的生态环境保护体系,严格管控区域生态环境,严守生态红线,同时减少农药化肥的滥用,提升皖江城市带的生态系统功能;(2)因地制宜地开展退耕还林还草工程,加大对森林及草地的保护力度,增加生态环境高质量区,优先规划保护水源涵养区、九华山以及天柱山等生态屏障区的生态环境高质量区,保护其生态安全,从而实现皖江城市带高质量发展;(3)合理配置土地资源,提高土地集约利用程度,减少人造地表用地的扩张对环境生态环境造成的影响,以满足皖江城市带经济与生态环境的发展需求,推动可持续发展.