張小虎，孫 茜，張合兵，黃曉東，雷國平

土地利用是人與自然交叉最為緊密的環(huán)節(jié)，土地利用及其變化對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，對區(qū)域氣候、土壤、水文、生物多樣性等產(chǎn)生重大影響[1]，從而對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深刻影響。當(dāng)前人類正以前所未有的速度、幅度、程度改變著土地利用和土地覆蓋，土地利用/覆蓋變化（LUCC）幾乎影響了從基因到全球的所有組織水平[2]。1995年國際地圈和生物圈計(jì)劃（IGBP）和全球變化人文項(xiàng)目計(jì)劃（IHDP）聯(lián)合提出“土地利用/覆蓋變化科學(xué)研究計(jì)劃”，促進(jìn)土地利用/覆蓋變化研究，認(rèn)識到土地利用/覆蓋變化是生態(tài)環(huán)境變化的重要起因，并將其列為全球變化4個主要問題之一[3，4]。研究區(qū)域土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)變化對于深刻認(rèn)識區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、維持生態(tài)平衡、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義[5，6]。國內(nèi)外學(xué)者針對土地利用變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行大量探索，主要分為三類，一是LUCC對水、土、氣、生等單要素的影響效應(yīng)，二是LUCC對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響效應(yīng)，三是LUCC對景觀格局的影響效應(yīng)[7，8]。目前已從對氣候、水文、土壤以及生物等單一要素的研究發(fā)展到區(qū)域生態(tài)環(huán)境的綜合研究[9-12]，但是由于土地利用變化與生態(tài)環(huán)境間相互作用機(jī)制的復(fù)雜性，研究多從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的角度進(jìn)行[13，14]，由于未對生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行區(qū)域修正，從而使得研究結(jié)果存在偏差，并且可比性較差。鑒于此，本研究在對相對生態(tài)價值進(jìn)行區(qū)域修正的基礎(chǔ)上開展深入研究。

大慶是中國石油之都，石油資源開發(fā)占用大量優(yōu)質(zhì)草原、耕地等，導(dǎo)致土地利用發(fā)生劇烈變化，加之重開發(fā)輕管護(hù)，其地表植被破壞和生態(tài)環(huán)境惡化的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般城市。特別是近20年大慶市經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，土地利用變化空前，直接影響經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境以及國家能源安全。同時，大慶位于我國北方農(nóng)牧交錯帶，具有良好的氣候、土壤、植被等環(huán)境因素以及土地利用的過渡特征，對全球變化的響應(yīng)和人類活動作用極為敏感，處于IGBP和IHDP確定的陸地帶——中國東北樣帶（NECT）內(nèi)。因此，以大慶市作為研究區(qū)，采用GIS與RS相結(jié)合技術(shù)，揭示其土地利用變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，從而深化資源型城市人地關(guān)系認(rèn)識，為大慶市經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)健康發(fā)展提供借鑒。同時，對于保障區(qū)域生態(tài)安全，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會與環(huán)境持續(xù)發(fā)展，構(gòu)建良好的土地利用生態(tài)安全格局，具有重要的應(yīng)用價值和典型的科學(xué)意義。

1 研究區(qū)概況

大慶地處松嫩平原中部，屬松花江流域，介于北緯45°46′-46°55′，東經(jīng) 124°19′-125°12′之間，是哈大齊軸線的中心，土地總面積為510700 hm2。境內(nèi)無山嶺，地勢平坦，地形發(fā)育主要受水力、風(fēng)力作用，地貌表現(xiàn)為波狀起伏的低平原，稍高處多為平緩的漫崗，其上植被發(fā)育較差；平地多為耕地、草原，同時分布著許多面積不等的鹽堿小丘；低處多為排水不暢的季節(jié)性積水洼地和低位沼澤和堿水泡子。受季風(fēng)影響，春秋氣溫變化急劇，多風(fēng)沙。石油開采極大的改變了大慶市的土地利用/覆蓋，驅(qū)使土地利用呈多元化發(fā)展趨勢，形成油田、城市、耕地、草地等用地類型相互交錯的復(fù)合土地利用模式、石油開采導(dǎo)致地下水大量上升，造成土壤鹽漬化、沙化、土壤及水體污染、濕地萎縮等，土地利用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)顯著。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

文中研究數(shù)據(jù)來源于大慶市1987和2005年SPOT影像，以經(jīng)過配準(zhǔn)的大慶市1∶10萬地形圖為參照，在ERDAS8.6平臺上進(jìn)行影像校正，獲取兩期不同時相標(biāo)準(zhǔn)影像。運(yùn)用遙感信息與地學(xué)信息相結(jié)合，室內(nèi)判讀與專家經(jīng)驗(yàn)、野外調(diào)查相結(jié)合方法，通過人機(jī)交互判讀得到圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。同時，采用MAPGIS6.7軟件進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀信息的提取和數(shù)據(jù)庫建設(shè)。根據(jù)研究區(qū)土地利用方式、覆蓋特征等特點(diǎn)，同時參考中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫中1∶10萬土地利用分類系統(tǒng)，將研究區(qū)分為6大類，即耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地（圖1和圖2）。

3 大慶市土地利用變化分析

3.1 土地利用數(shù)量轉(zhuǎn)變

土地利用變化首先表現(xiàn)為不同土地利用類型面積變化，土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是研究土地利用變化的重要內(nèi)容。通過對不同土地利用類型的轉(zhuǎn)化研究，從而把握區(qū)域土地利用變化的趨勢和結(jié)構(gòu)特征。

表1 1987-2005年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：hm2）

從表1可知，1987-2005年大慶市土地利用變化幅度：草地＞未利用地＞建設(shè)用地＞水域＞耕地＞林地，其中未利用地、建設(shè)用地、耕地和林地呈增加趨勢，草地和水域呈減少態(tài)勢。草地由45.41%下降到18.41%，減少137922.21hm2；未利用地從0.98%激增到21.83%，18年間變化率高達(dá)2 134.65%。源于大慶經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，建設(shè)用地增幅較大，并且油田開發(fā)建設(shè)占用大量草地、水域等，從而導(dǎo)致草地、水域大幅減少。同時，說明在石油開采過程中忽視生態(tài)環(huán)境保護(hù)，導(dǎo)致部分土地退化、鹽堿化，致使未利用地大面積增加。為實(shí)現(xiàn)耕地?cái)?shù)量動態(tài)平衡，通過開墾草地、未利用地等補(bǔ)充耕地。1987-2005年研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)變頻繁，共有200617.11hm2土地發(fā)生地類轉(zhuǎn)變。其中，草地凈減少137922.21hm2，水域凈減少17699.54hm2，未利用地凈增加106490.84hm2，建設(shè)用地凈增加32964.27hm2，耕地凈增加10563.24hm2，林地凈增加5603.41hm2。轉(zhuǎn)移量占主導(dǎo)的是草地退化為未利用地，達(dá)89252.99hm2，占總轉(zhuǎn)移量的44.49%；其次是草地開墾為耕地，達(dá)21365.34hm2；再次為油田開發(fā)及城市建設(shè)占用草地，為20718.13hm2；第四位是水域退化為未利用地，為17121.9hm2；其他主要轉(zhuǎn)移類型依次是草地轉(zhuǎn)為林地，耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，林地轉(zhuǎn)為耕地。

3.2 土地利用組合類型

通過上述分析可知大慶市土地利用變化劇烈，為分析其土地利用組合類型變化，采用Weaver-Tomas組合系數(shù)法研究其土地利用主要類型變化。Weaver-Tomas組合系數(shù)法是將土地的實(shí)際分布與假設(shè)分布相比較，從而逐步逼近實(shí)際分布，得到最接近實(shí)際分布的近似分布，該分布組合即為所求組合類型[15]。

表2 土地利用組合類型

由表2可知，1987年大慶市的土地利用組合類型數(shù)為2，組合類型為水域-耕地型；所轄五區(qū)的土地利用組合類型為草地-耕地-水域、草地-耕地、水域-草地、耕地-建設(shè)用地-水域四種類型。其中，耕地、水域在大慶市土地利用中占有絕對優(yōu)勢，五個區(qū)均存在該土地利用組合類型。說明1987年研究區(qū)在土地利用上以農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)，農(nóng)牧業(yè)占重要地位。隨著大慶市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展特別是石油工業(yè)、城市建設(shè)加速，2005年研究區(qū)土地利用組合類型數(shù)為4，組合類型為草地-水域-建設(shè)用地-未利用地型，所轄五區(qū)的土地利用組合類型數(shù)明顯增加，組合類型數(shù)為4或5，土地利用結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化趨勢，但是建設(shè)用地、未利用地面積在土地利用結(jié)構(gòu)中占有重要地位，表明其土地利用類型已由農(nóng)業(yè)主導(dǎo)轉(zhuǎn)為工業(yè)主導(dǎo)。主要是城市建設(shè)、原油開采及其附屬設(shè)施建設(shè)，城市建設(shè)用地激增，加之研究區(qū)屬于閉流區(qū)域，排水不暢及原油不合理開采使得草地、耕地等不斷退化，導(dǎo)致鹽堿地劇增。

4 大慶市土地利用變化生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

4.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)構(gòu)建

土地利用類型可反映不同生態(tài)環(huán)境特性，代表不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量差異性。因而，對各土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行賦值，并與土地利用變化類型和變化過程結(jié)合起來，通過建立土地利用與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)聯(lián)，追蹤土地利用及變化的樣式、數(shù)量和空間特征，從而定量分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化數(shù)量和空間特征[16]。采用彭建等[17]提出的相對生態(tài)價值，依據(jù)Costanza等對全球不同生態(tài)系統(tǒng)類型服務(wù)功能價值測算結(jié)果的比例關(guān)系，建立土地利用變化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的聯(lián)系，從而揭示土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。由于Costanza計(jì)算的全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是全球均值[18]，并且某些數(shù)值存在偏差。因此，以謝高地制定的中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量[19]為依據(jù)，同時結(jié)合大慶實(shí)際對單位面積年農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價值作相應(yīng)修正，即以2005年大慶糧食平均產(chǎn)量5406kg/hm2為基準(zhǔn)單產(chǎn)，糧食單價按1.35元/kg，同時考慮沒有人力投入自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)價值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價值的1/7[20]，從而計(jì)算大慶市單位面積農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)價值為1042.6元/hm2·a，應(yīng)用Costanza等提出的估算方法進(jìn)行測算。鑒于謝高地研究中缺乏建設(shè)用地相關(guān)數(shù)據(jù)，參考張淑英等[21]研究成果與其他土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值的比例關(guān)系確定。同時，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際對各土地利用類型的生態(tài)質(zhì)量在[0-1]內(nèi)賦值，即為各土地利用類型的相對生態(tài)價值，反映單位面積不同土地利用類型的生態(tài)價值比例關(guān)系。

表3 大慶市不同土地利用類型的相對生態(tài)價值

（1）生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)綜合考慮區(qū)域各土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及面積比例，定量表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體狀況，公式為[22]：

式中：LUi為區(qū)域t時期第i種土地利用類型面積；Ci為區(qū)域t時期第i種土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；TA為區(qū)域總面積；n為區(qū)域內(nèi)所有土地利用類型數(shù)。

（2）土地利用轉(zhuǎn)變類型生態(tài)貢獻(xiàn)率

土地利用轉(zhuǎn)變類型生態(tài)貢獻(xiàn)率指某一土地利用類型變化導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的改變，公式為[9]：

式中：EIt+1、EIt為某土地利用變化類型變化末期和初期所具有生態(tài)質(zhì)量指數(shù)；LA為該土地利用變化類型的面積；TA為區(qū)域土地總面積。

4.2 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析

（1）生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)變化特征

根據(jù)公式（1）計(jì)算大慶市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（表4）。由表4可知，1987-2005年大慶市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)總體呈下降態(tài)勢，從1987年的0.337下降到2005年的0.240，累計(jì)減少0.097。而同期大慶市GDP從110.15億元增加到1326.49億元，人均GDP增長9.3倍，說明大慶市在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中沒有正確處理好經(jīng)濟(jì)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，存在犧牲生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象，在今后的發(fā)展中加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，走資源節(jié)約與環(huán)境友好型的內(nèi)涵式發(fā)展道路。在各土地利用類型中，研究期內(nèi)草地、林地的生態(tài)環(huán)境指數(shù)較大，其中耕地、林地、建設(shè)用地、未利用地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)呈增加趨勢，而草地、水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)持續(xù)減少。主要是由于大慶的土地利用堅(jiān)持“地上服務(wù)地下”的原則，油田開發(fā)建設(shè)占用大量的優(yōu)質(zhì)草原、耕地、林地等，并且對生態(tài)環(huán)境造成一定污染和破壞，從而使得土地利用變化產(chǎn)生負(fù)面生態(tài)效應(yīng)。

表4 1987-2005年大慶市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

表5 1987-2005土地利用轉(zhuǎn)變類型生態(tài)貢獻(xiàn)率

（2）土地利用轉(zhuǎn)變類型生態(tài)貢獻(xiàn)率特征

根據(jù)土地利用變化矩陣和公式（2）計(jì)算大慶市1987-2005年土地利用轉(zhuǎn)變類型生態(tài)貢獻(xiàn)率，結(jié)果見表5。

由表5可知，導(dǎo)致研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的土地利用變化驅(qū)動因子主要是草地和水域退化為未利用地、建設(shè)用地規(guī)模急劇擴(kuò)張、毀林毀草造田，其中草地退化為未利用地占生態(tài)貢獻(xiàn)率的53.59%，建設(shè)用地占用占生態(tài)貢獻(xiàn)率的16.42%，水域退化為未利用地占生態(tài)貢獻(xiàn)率的7.61，毀林毀草造田占生態(tài)貢獻(xiàn)率的17.74%。驅(qū)使研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的土地利用變化因子主要包括退草還林、退耕還林、退耕還草等，其中退草還林占生態(tài)貢獻(xiàn)率的62.09%，退耕還林占生態(tài)貢獻(xiàn)率的15.79%，退耕還草占生態(tài)貢獻(xiàn)率的10.58%?？傮w而言，1987-2005年大慶市土地利用類型轉(zhuǎn)變同時存在著生態(tài)環(huán)境改善和惡化兩種趨勢，并且改善程度小于惡化程度，導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈下降態(tài)勢。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

（1）1987-2005年大慶市土地利用數(shù)量變化幅度：草地＞未利用地＞建設(shè)用地＞水域＞耕地＞林地。同時土地利用類型轉(zhuǎn)變頻繁，共有200617.11hm2土地發(fā)生地類轉(zhuǎn)變，其中，草地退化為未利用地是主導(dǎo)，達(dá)89252.99hm2，占總轉(zhuǎn)移量的44.49%。主要是由于油田開采石油侵占大量草地、污染部分水域，加之不合理開發(fā)利用導(dǎo)致土地鹽堿化，從而致使未利用地劇增。

（2）研究區(qū)土地利用組合類型數(shù)不斷增加，1987年大慶市的土地利用組合類型數(shù)為2，組合類型為水域－耕地型；而到2005年土地利用組合類型數(shù)為4，組合類型為草地－水域－建設(shè)用地－未利用地型，各轄區(qū)土地利用組合類型數(shù)明顯增加，組合類型數(shù)為4或5。土地利用結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化趨勢，說明大慶的土地利用類型已由農(nóng)業(yè)為主轉(zhuǎn)為工業(yè)為主。

（3）研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)總體呈下降態(tài)勢，說明大慶市在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中沒有正確處理好經(jīng)濟(jì)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，存在犧牲生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象。

（4）1987-2005年大慶市土地利用類型轉(zhuǎn)變同時存在著生態(tài)環(huán)境改善和惡化兩種趨勢，并且改善程度小于惡化程度，導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈下降態(tài)勢，源于草地和水域退化為未利用地、建設(shè)用地規(guī)模急劇擴(kuò)張、毀林毀草造田等。

5.2 建議

針對上述分析，建議從以下幾個方面加強(qiáng)和改善大慶市土地利用生態(tài)環(huán)境。

（1）圍繞大慶市典型石油城市的特點(diǎn)，堅(jiān)持“在保護(hù)中發(fā)展，在發(fā)展中保護(hù)”的方針，合理劃分土地生態(tài)功能區(qū)，建立不同類型的生態(tài)功能保護(hù)區(qū)，保護(hù)好土地資源開發(fā)利用的生態(tài)環(huán)境以及土地生態(tài)良好區(qū)域特別是物種豐富區(qū)的土地生態(tài)環(huán)境，使其土地生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)功能不受或少受破壞，走資源節(jié)約與環(huán)境友好型的內(nèi)涵式發(fā)展道路。

（2）在土地開發(fā)利用中統(tǒng)籌協(xié)調(diào)石油開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)，繼續(xù)推進(jìn)天然林保護(hù)工程、水土流失綜合治理工程、土地“三化”治理等工程，促進(jìn)土地生態(tài)環(huán)境的持續(xù)好轉(zhuǎn)。

（3）石油開采導(dǎo)致研究區(qū)土地的有價值能量流不斷減少，而無價值的能量流逐年增加，最終致使土地利用的無序程度增加。因此，將已廢棄的油田生產(chǎn)用地以及其中受到一定影響的其他用地進(jìn)行綜合整治、置換等，恢復(fù)其生產(chǎn)力，進(jìn)而提高土地生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會價值。

（4）加快資源型城市轉(zhuǎn)型，立足于“大油田、大農(nóng)田、大草原”地域特色，充分發(fā)揮土地生態(tài)資源優(yōu)勢和土地潛力，因地制宜地確定主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和優(yōu)勢產(chǎn)品，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級。依托油氣資源，延伸產(chǎn)業(yè)鏈條。以高新技術(shù)為先導(dǎo)，發(fā)揮比較優(yōu)勢，發(fā)展其他非油經(jīng)濟(jì)，加快資源主導(dǎo)型向科技主導(dǎo)型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，建設(shè)經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展與生態(tài)環(huán)境良好的生態(tài)宜居城市。

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