太原市土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價

太原市土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價

土地使用反映了人類對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響模式和程度。土地利用的變化在很大程度上反映了人類活動的綜合影響和自然生態(tài)條件的變化。由于土地利用的變化，不僅影響土地資源的結(jié)構(gòu)與類型，而且通過改變土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，影響著土地生態(tài)系統(tǒng)的安全與健康程度。目前，對土地生態(tài)風(fēng)險的研究多集中于由于化學(xué)污染物而引起的風(fēng)險評價，對于區(qū)域生物和物理生態(tài)風(fēng)險還未形成具體的評價方法。對于大中型城市來說，由于人口激增、城市擴張，土地利用類型不斷發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能也發(fā)生變化，如何度量這類風(fēng)險是本文的主要研究目的。目前土地利用變化作為土地生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險的物理壓力，對區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險主要來自幾個方面：土地利用變化引起人類或生物的生境喪失、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的紊亂、景觀破壞、水土流失、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害。本文在參考相關(guān)研究的基礎(chǔ)上(1)，選取土地利用指數(shù)和景觀指數(shù)作為風(fēng)險指標(biāo)，其中土地利用指數(shù)反映土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和變化情況，景觀指數(shù)反映土地生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局變化。這兩類指標(biāo)從物理屬性和景觀尺度反映了土地利用變化對土地生態(tài)系統(tǒng)帶來的風(fēng)險。隨著人類社會的發(fā)展，土地利用的格局、深度和強度不斷發(fā)生變化，由此對土地生態(tài)系統(tǒng)的各個方面產(chǎn)生了深刻影響，對區(qū)域生態(tài)安全起著決定性的作用。因此，研究土地利用變化及其對區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險對于了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的意義，對城市合理的利用土地資源，恢復(fù)治理生態(tài)環(huán)境具有極其重要的現(xiàn)實意義，同時也能為該地區(qū)制定生態(tài)安全條件下的土地利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。1土地利用景觀格局太原市包括杏花嶺、小店、迎澤、尖草坪、萬柏林、晉源6個區(qū)。市區(qū)地處山西省腹部，座落于海拔800m的汾河河谷平原上，位于東經(jīng)101°30′—103°09′和北緯37°27′—38°25′之間。太原地形以山地、丘陵為主，中南部為汾河沖積扇平原，地勢平坦，土壤肥沃，灌溉方便，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)。太原市是以煤炭、冶金、機械、化工為4大支柱，擁有14大類工業(yè)的重工業(yè)城市。同時也是山西省農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，長期以來人類就在此處從事劇烈的農(nóng)事活動。隨著區(qū)域人口的增加和社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類加大了對土地資源開發(fā)的力度，引起土地利用景觀格局發(fā)生變化。對土地資源過度或無科學(xué)指導(dǎo)的利用，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，產(chǎn)生了諸如溫室效應(yīng)、土地退化、水土流失等嚴(yán)重威脅生存安全的生態(tài)問題。2數(shù)據(jù)處理方法2.1土地分類行政行為分析筆者選用了研究區(qū)1990年和2004年兩個時期的LandsatTM影像、太原市土地利用圖和相應(yīng)年份的山西省土地年鑒。在對以上資料整理后，運用遙感圖像處理軟件ERDASIMAGINE8.6進(jìn)行監(jiān)督分類，將分類結(jié)果通過精度分析后導(dǎo)出到ArcGIS中，運用空間分析功能和統(tǒng)計分析功能進(jìn)行相關(guān)分析。筆者在土地分類中參考中國常用土地分類標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合實際情況，將太原市的土地分為6大類：耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、未利用地6個一級類型，再將一級分類進(jìn)一步分為10個二級類型：旱地、水澆地、林地、灌叢、草地、城鎮(zhèn)工礦用地、交通用地、湖泊、河流、未利用地。參考太原市2004年1∶50000土地利用現(xiàn)狀圖，用FillArea工具對文件中的判讀錯誤區(qū)域進(jìn)行糾正。在Recode模塊下，對分類圖合并操作得到1990年、2004年太原市土地利用/覆被圖（圖1）。2.2．計算土地利用程度分級指數(shù)本文選取了土地利用指標(biāo)和景觀指標(biāo)來描述土地生態(tài)風(fēng)險。其中土地利用指標(biāo)包括土地利用綜合指數(shù)、耕地墾殖指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)；景觀指標(biāo)包括多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、破碎度指數(shù)。各指標(biāo)的含義和計算公式如下：(1）土地利用程度綜合指數(shù)。土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度，它不僅反映了土地利用中土地本身的自然屬性，同時也反映了人類因素與自然環(huán)境因素的綜合效應(yīng)。參考劉紀(jì)遠(yuǎn)等提出的土地利用分級指數(shù)，土地利用程度綜合指數(shù)的計算公式為：式1中，I是土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i類土地利用程度分級指數(shù)（未利用地為1，林草水用地為2，農(nóng)業(yè)用地為3，城鎮(zhèn)建設(shè)用地為4）;Pi為第i類土地面積比重。(2）耕地墾殖指數(shù)。耕地墾殖指數(shù)反映區(qū)域內(nèi)耕地開墾狀況。其計算公式為：式2中，K是耕地墾殖指數(shù)；F為耕地面積；L為土地總面積。(3）植被覆蓋指數(shù)。植被覆蓋指數(shù)反映區(qū)域內(nèi)植被覆蓋狀況。其計算公式為：式3中，C是植被覆蓋指數(shù)；W為林地面積；G為草地面積；L為土地總面積。(4）景觀多樣性指數(shù)。景觀多樣性指數(shù)描述斑塊類型的多少和各類型在空間上分布的均勻程度，即表征景觀中斑塊的復(fù)雜性、類型的齊全程度或多樣性狀況。其計算公式為：式4中，Pi為第i種土地利用類型占總面積的比，n為研究區(qū)的土地利用類型的總數(shù)。(5）景觀優(yōu)勢度指數(shù)。景觀優(yōu)勢度指數(shù)用于測定景觀結(jié)構(gòu)組成中斑塊類型支配景觀的程度，表示一種或幾種類型斑塊在一個景觀中的優(yōu)勢或程度。其計算公式為：式5中，Hmax=lnN，其他含義同上。(6）景觀破碎度指數(shù)。景觀破碎度表示景觀的破碎化程度。反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用單位面積上的斑塊數(shù)表示。其計算公式為：式6中，F(xiàn)Ni為第i類景觀破碎化指數(shù)；Ai為第i類面積；Ni是第i類斑塊個數(shù)。3結(jié)果與分析3.1土地利用變化形式為了定量說明太原市土地利用類型從1990年到2004年間的相互轉(zhuǎn)化狀況，基于馬爾科夫模型，計算出不同土地類型間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系（表1），從而了解土地利用類型在某一時段的空間演變過程。從表1可以看出：(1）本研究區(qū)各種土地類型在研究時段內(nèi)盡管發(fā)生了十分復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)換，但居優(yōu)勢地位的土地類型始終是耕地（面積比分別為42%（1990年）和37%（2004年））和林地（面積比分別為38%（1990年）和39%（2004年））。(2）耕地、草地、城鎮(zhèn)用地三種土地類型間的相互轉(zhuǎn)化是研究區(qū)最主要的土地利用變化形式。其中，耕地面積在15年里共減少了80.663km2，占1990年耕地總面積的12.8%，耕地主要轉(zhuǎn)換成林地、草地和城鎮(zhèn)用地；草地面積減少了43.64km2，主要轉(zhuǎn)換成了耕地和林地。這兩大地類是其他土地利用類型新增面積的主要來源。(3）林地到草地、草地到林地、草地到耕地、耕地到草地的轉(zhuǎn)換過程相對比較明顯，尤其是林草交錯地帶，林地轉(zhuǎn)為草地和草地轉(zhuǎn)為耕地的過程交織在一起，反應(yīng)了交錯帶生態(tài)環(huán)境的脆弱性和易變性。(4)15年期間建設(shè)用地大幅度增長，新增建設(shè)用地107.73km2，主要來源于耕地和原建設(shè)用地的周邊草地、林地。(5）水域面積在15年里增加了2.60km2，主要來源于1998年以來汾河公園的修建和生態(tài)保護(hù)，使得區(qū)域內(nèi)水域有所增加，對維持區(qū)域內(nèi)城市生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定起到一定的作用。3.2土地利用的多樣性土地利用程度按土地在社會因素影響下的自然平衡狀態(tài)分為4級，從1-4級受人類影響程度依次升高。由太原市土地利用綜合指數(shù)（圖2）可以看出，研究區(qū)1990年到2004年間土地利用指數(shù)由2.68上升到2.78，表明區(qū)域受人類影響的程度在不斷加大。耕地減少0.16%；林地增加0.02%；草地減少0.06%；水域和未利用地由于面積小，變化幅度小，近似為0；城鎮(zhèn)用地增加了0.3%。這表明，受經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快的影響，土地利用的廣度和深度不斷增大，土地利用變化量和變化率大于0，表明土地利用正處于發(fā)展期。研究區(qū)的耕地墾殖指數(shù)由1990年的42.40%下降到2004年的36.94%，表明耕地的面積有所下降。其原因是太原市城市的擴張使得城區(qū)周邊的大量耕地轉(zhuǎn)換成了其他土地類型，尤以城鎮(zhèn)建設(shè)用地為多。研究區(qū)的植被覆蓋指數(shù)由1990年的44.10%下降到2004年的41.99%，表明林地面積和草地面積總的趨勢是下降的。從林草地面積變化情況分析，林地面積在15年間是上升的，這反映了太原市退耕還林及環(huán)城綠化帶建設(shè)等政策實施帶來林地覆蓋率有所增加，草地面積在15年間是下降的，其原因是城市擴張導(dǎo)致荒草地被開荒和建設(shè)占用。3.3關(guān)于城市功能分區(qū)的景觀類型，主要有兩種景觀指數(shù)反映了土地利用類型的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和空間配置的特征，應(yīng)用景觀指數(shù)定量的描述景觀格局，可以對區(qū)域土地利用的物理風(fēng)險進(jìn)行比較，研究它們結(jié)構(gòu)、功能和過程的異同。根據(jù)景觀指數(shù)的計算公式，得到研究區(qū)1990年和2004年的景觀多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、均勻度指數(shù)和破碎度指數(shù)（表2）。從結(jié)果可知：(1）研究區(qū)15年間多樣性指數(shù)由1.708增加到1.720，呈逐漸增大的趨勢，說明景觀的異質(zhì)性程度在增加。相對于1990年而言，2004年各景觀類型的比例差異略有減小，主要表現(xiàn)為耕地、林地、草地等面積減少，水域、城鎮(zhèn)用地等面積增大，使得區(qū)域多樣性指數(shù)增大。(2）優(yōu)勢度指數(shù)反映了研究區(qū)域內(nèi)少數(shù)景觀類型占主導(dǎo)地位，各景觀類型的比例差異較大。這實際上反映了這一區(qū)域耕地、林地和城鎮(zhèn)面積遠(yuǎn)大于其他地類的現(xiàn)象。與1990年相比，2004年區(qū)域土地利用的景觀優(yōu)勢度指數(shù)減小了0.01，表明優(yōu)勢景觀類型的份額減小，單一景觀或少數(shù)幾種景觀類型占主導(dǎo)地位的作用降低，組成景觀各類型所占比例差異減小。這主要是由于耕地在景觀類型中所占比重減小，城鎮(zhèn)用地所占比例提高，導(dǎo)致對景觀的控制作用增強。(3）研究區(qū)域土地利用破碎度由1990年的0.123增加到2004年的0.132，說明區(qū)域土地利用的破碎化程度隨時間不斷增加。從破碎度來看，耕地、草地和未利用地的破碎度都在增加，林地、水域、未利用地的破碎度有所降低，而城鎮(zhèn)的破碎度基本不變。以上結(jié)果說明，在城市化的作用下，原城鎮(zhèn)周邊的土地類型如耕地、草地、林地等被大量占用，未利用地被開發(fā)，原來分散的村莊、城鎮(zhèn)彼此相連，變得集中起來。而原先大片的耕地、草地、林地、水域等由于城鎮(zhèn)的分割而越來越分散，土地利用趨于破碎化。3.4土地利用風(fēng)險度綜合以上土地利用指數(shù)和景觀指數(shù)的分析，可知：土地利用綜合指數(shù)、耕地墾殖指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、多樣性、優(yōu)勢度越大，風(fēng)險程度越小，因此計算風(fēng)險指數(shù)時取負(fù)號；破碎度越大，風(fēng)險程度越大，計算風(fēng)險指數(shù)時取正號。將土地利用綜合指數(shù)、耕地墾殖指數(shù)、植被覆蓋率、多樣性、優(yōu)勢度、破碎度歸一化后，加和得到綜合風(fēng)險指數(shù)，得到研究區(qū)1990—2004年土地利用風(fēng)險度（表3）。從單項風(fēng)險指數(shù)來看，由于人類對研究區(qū)域土地利用程度的不斷增高，土地利用綜合指數(shù)和多樣性指數(shù)隨著時間的推移在不斷減?。坏?，由于研究區(qū)域的植被覆蓋率降低，耕地面積減少，土地利用的景觀格局趨向破碎，所以耕地墾殖指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和破碎度指數(shù)隨著時間的推移在不斷增加。從綜合風(fēng)險指數(shù)來看，1990年的風(fēng)險指數(shù)為-2.092,2004年的風(fēng)險指數(shù)為-1.907，表明研究區(qū)域的土地生態(tài)風(fēng)險程度在不斷增大。4土地利用的類型變化本文以1990年、2004年太原市LandsatTM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，基于地物的光譜特征，采用分層提取和監(jiān)督分類相結(jié)合的方法，提取了研究區(qū)1990年、2004年土地利用/覆蓋信息。在GIS的支持下，分析了近15年研究區(qū)的土地利用/覆蓋變化時空特點、土地利用類型的轉(zhuǎn)化過程，并結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)的指標(biāo)探討了土地利用變化對土地生態(tài)系統(tǒng)在景觀尺度上的格局和風(fēng)險，結(jié)果表明：耕地、林地和城鎮(zhèn)工礦用地是太原市主要的土地利用類型，這三者的面積占到總面積的96.67%，表明研究區(qū)基本是以工農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域。研究區(qū)各種土地類型在15年間發(fā)生了十分復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)換，耕地、草地、城鎮(zhèn)用地三種土地類型間的相互轉(zhuǎn)化是研究區(qū)最主要的土地利用變化形式。耕地、草地面積的減少是其他土地利用類型新增面積的主要來源，而且建設(shè)用地的大幅度增長是研究區(qū)最明顯的變化特征。從土地利用綜合指數(shù)來看，受經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快的影響，土地利用的廣度和深度