張萬(wàn)萍，雒占福，孟越男，張 劍，何 珊

（西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州730070）

20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程加快，2011年我國(guó)的城市化率為51．27%，城市土地利用變化成為當(dāng)前土地利用研究的熱點(diǎn)［1］。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土地利用的研究主要集中在城市土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化與驅(qū)動(dòng)機(jī)制方面，如孫雁等［2］以多時(shí)相歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了沈陽(yáng)市100a來(lái)土地利用空間結(jié)構(gòu)的演變特征和規(guī)律；賈文臣等［3］應(yīng)用土地利用空間形態(tài)分形模型研究了威海市土地利用分形特征時(shí)空格局變化特點(diǎn)；謝葉偉等［4］在RS與GIS技術(shù)支持下，研究了沿海城市土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力；鐘春棋等［5］運(yùn)用主成分分析法確定了福州市土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。相對(duì)而言，對(duì)城市土地利用變化及其引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究較少［6－9］，張楊 等［6］運(yùn)用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型對(duì)武漢市土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)作了分析；李鵬山等［9］采用生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)模型，對(duì)海口市濱海旅游區(qū)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了研究。且研究的對(duì)象多為東部城市，對(duì)西部城市特別是資源型城市的土地利用變化及其生態(tài)效應(yīng)研究十分薄弱［10－13］。鑒于此，本文以白銀市區(qū)為例，研究1980年代后期西北干旱區(qū)資源型城市轉(zhuǎn)型下的土地利用變化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，以期為解決資源型城市轉(zhuǎn)型過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)和借鑒。

1 研究區(qū)概況

白銀市區(qū)（郝家川）位于白銀區(qū)中部，是典型的黃土高原礦農(nóng)交錯(cuò)區(qū)，土地總面積為5．01×104hm2。市區(qū)地勢(shì)較為平坦，平均海拔1 709．2m，屬中溫帶大陸性干旱、半荒漠氣候，年均氣溫8℃，年均降雨量198mm，植被覆蓋度低，土壤類型以灰鈣土為主［14］。白銀市區(qū)是白銀市的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，也是我國(guó)重要的有色金屬基地和甘肅省能源化工基地，素以“銅城”聞名。白銀市區(qū)交通便利，距蘭州中川機(jī)場(chǎng)僅70km，包蘭鐵路、白寶支線鐵路，G6白蘭高速、109國(guó)道穿境而過(guò)。從1988年開(kāi)始，白銀市區(qū)實(shí)施了資源型城市的轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，城市職能和產(chǎn)業(yè)布局發(fā)生了重大變化，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型下土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境變化劇烈，因而對(duì)其土地利用變化和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的整體研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究區(qū)內(nèi)地物種類多，影像解譯時(shí)考慮到不同土地利用程度的差異，將一些附屬或是難以區(qū)分的類型予以歸并，將研究區(qū)的土地利用類型劃分為水體、草地、耕地、林地、建設(shè)用地、未利用地六種［15］。

圖1 遙感影像圖處理流程

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2．1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文以1990年8月18日、2000年11月1日和2011年9月29日的3期30m分辨率，軌道號(hào)為130／35的陸地衛(wèi)星（Landsat TM）影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以白銀區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒（2011年）、白銀市統(tǒng)計(jì)年鑒（2011年）等為社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)源。基于ENVI 4．7軟件對(duì)3期遙感影像進(jìn)行解譯（圖1），分類圖的總體分類精度和Kappa系數(shù)在85%以上，Kappa系數(shù)均高于最低允判精度（0．7），滿足土地利用變化監(jiān)測(cè)的精度需要；再利用ENVI中的分類統(tǒng)計(jì)、分類結(jié)果比較后，獲得各時(shí)相土地利用圖 （圖2）。

圖2 1990－2011年白銀市區(qū)土地利用

2．2 研究方法

2．2．1 土地利用類型動(dòng)態(tài)度［2］單一土地利用動(dòng)態(tài)度可以定量地描述區(qū)域土地利用變化的速度。其計(jì)算公式如下：

式中：K——研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub——研究期初和研究期末某一土地類型數(shù)量；T——研究時(shí)段長(zhǎng)，當(dāng)T設(shè)定為年時(shí)，K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的年變化率。

2．2．2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù) 為了定量表征研究區(qū)域（縣級(jí)行政單元）內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體狀況，引入?yún)^(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)模型［12］，其表達(dá)式為：

式中：LUi、Ci——該區(qū)域內(nèi)t時(shí)期第i種土地利用類型的面積和生態(tài)環(huán)境數(shù)；TA——該區(qū)域總面積；N——區(qū)域內(nèi)的土地利用類型數(shù)量。

2．2．3 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量貢獻(xiàn)指數(shù) 區(qū)域土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率是指某一種土地利用變化類型所導(dǎo)致的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改變，其表達(dá)式為［13］：

式中：LEt＋1，LEt——某一土地利用變化類型所反映的變化末期和初期土地利用類型所具有生態(tài)質(zhì)量指數(shù)；LA——該變化類型的面積；TA——該研究單元（如縣級(jí)行政單元）的總面積。

3 土地利用變化特征及區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化分析

3．1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

分析土地利用結(jié)構(gòu)變化有助于認(rèn)識(shí)土地利用變化趨勢(shì)。1990—2011年白銀市區(qū)的主要用地類型是未利用地、建設(shè)用地和耕地（圖3），其所占比例分別由1990年的83．04%，8．43%和5．80%變化為2000年的65．66%，15．88%和16．49%，到2011年則分別達(dá)到63．8%，16．98%和14．13%。21a間，未利用地所占比例最大，但一直處于減少態(tài)勢(shì)，建設(shè)用地處于增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，這與白銀市1988年開(kāi)始實(shí)施資源型城市轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略在老城西郊發(fā)展新區(qū)（又稱西區(qū)）占用荒灘地相吻合。耕地面積表現(xiàn)為先增后減，其中先增與新區(qū)建設(shè)相伴隨的周邊宜農(nóng)荒地開(kāi)墾為耕地，發(fā)展城郊農(nóng)業(yè)有關(guān)，后期減少與原市區(qū)邊緣區(qū)的開(kāi)發(fā)占用相一致。水體和林草地所占比重小，但略有增加，是建設(shè)城市公園，改變城市環(huán)境的結(jié)果。

圖3 1990－2011年不同土地利用類型的面積

3．2 土地利用強(qiáng)度變化

1990—2000年白銀市“移山造地”，西區(qū)工業(yè)園的建設(shè)加速了城市用地?cái)U(kuò)張，帶動(dòng)了培育新農(nóng)業(yè)品種的市場(chǎng)需求，加快了切邊地緣的農(nóng)田林業(yè)和以道路水系綠化為主的綠色通道林業(yè)發(fā)展，使得市區(qū)耕地和林地面積變化最快，年變化率分別達(dá)到18．44%和10．15%（圖4）。2000—2011年，擴(kuò)建的白銀新區(qū)內(nèi)土地的集約利用使用地種類趨于多樣化，各地類變化趨于平緩，面積增加緩慢；其中水體和草地變化相對(duì)較快，年增長(zhǎng)率分別達(dá)到10．63%和9．41%，這種現(xiàn)狀是市區(qū)用地結(jié)構(gòu)調(diào)整（退耕還湖、開(kāi)發(fā)未利用地為生態(tài)草坪）的結(jié)果。21a白銀市區(qū)用地經(jīng)歷了“急劇變化—緩慢變化”的過(guò)程。

圖4 白銀市區(qū)土地利用的年變化率

3．3 白銀市區(qū)土地利用變化空間轉(zhuǎn)化

基于ENVI 4．7軟件平臺(tái)，對(duì)不同時(shí)相遙感圖像的分類結(jié)果進(jìn)行疊加運(yùn)算，得到研究區(qū)各土地利用類型的相互轉(zhuǎn)移情況（表1、表2）。

表1 1990－2000年白銀市區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣hm2

表2 2000－2011年白銀市區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

1990年后白銀新區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)使得耕地（生態(tài)農(nóng)業(yè)用地）、建設(shè)用地增加，這與未利用地大量轉(zhuǎn)化為耕地（3 209．23hm2）、建設(shè)用地（2 454．90hm2）的現(xiàn)狀吻合，其中少量耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地211．23hm2，分布于原市區(qū)邊緣區(qū)以及交通建設(shè)區(qū)域，未利用地和耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積表現(xiàn)為：未利用地＞耕地。表明，生態(tài)質(zhì)量低劣的土地覆蓋類型（西郊荒漠地）轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)質(zhì)量略高的城市用地類型（耕地和城市用地等）對(duì)白銀市區(qū)改善生態(tài)環(huán)境有很大益處。為達(dá)到用地占補(bǔ)平衡，建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為耕地199．98hm2分布于白銀市區(qū)偏南，主要是居民點(diǎn)用地復(fù)墾為生態(tài)農(nóng)業(yè)用地。表明這些地區(qū)伴隨著生態(tài)建設(shè)（如經(jīng)濟(jì)林、地膜蔬菜等）的城市化過(guò)程也能使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善。2000年以后，耕地面積下降，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地（570．85hm2）和林地（171．72hm2），主要分布在金魚(yú)公園的動(dòng)物園、中科院白銀高技術(shù)產(chǎn)業(yè)園等建筑用地，林地主要是大型防護(hù)林建設(shè)；建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為生態(tài)質(zhì)量較高的水體面積為126．09hm2，主要分布在西區(qū)水庫(kù)和金魚(yú)公園人工湖，對(duì)生態(tài)環(huán)境有促進(jìn)作用。林草地和水體轉(zhuǎn)化過(guò)程中所占比例較小，屬于比較穩(wěn)定的地類。

3．4 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化

由不同土地利用類型的生態(tài)環(huán)境指數(shù)［12］計(jì)算得到各土地利用類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（表3）。

表3 白銀市區(qū)1990－2011年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

表3表明，1990—2011年間，耕地、建設(shè)用地和林地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)變化幅度最大，說(shuō)明這三種地類的區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化最明顯，未利用地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)呈負(fù)向變化，說(shuō)明未利用地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低?？傮w而言，白銀市區(qū)1990年和2011年的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分別為0．087和0．126，年均上升0．19%，這種現(xiàn)象與白銀市區(qū)利用區(qū)位優(yōu)勢(shì)和土地資源優(yōu)勢(shì)，引進(jìn)投資，加快城市擴(kuò)張力度，加強(qiáng)城市生態(tài)建設(shè)政策相符，表明城市生態(tài)環(huán)境朝好的方向發(fā)展。

3．5 區(qū)域土地利用類型生態(tài)貢獻(xiàn)率變化

土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化面積直觀反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境是趨于改善還是退化，生態(tài)貢獻(xiàn)指數(shù)高低可以看出哪種地類間轉(zhuǎn)化對(duì)生態(tài)環(huán)境變化影響最顯著（表4）。1990—2011年間，使得白銀市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的因素中，退耕還林、未利用地轉(zhuǎn)化為耕地兩個(gè)因素的貢獻(xiàn)指數(shù)最高，分別為0．29%和1．87%。導(dǎo)致白銀市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的因素中，林地轉(zhuǎn)化為未利用地和耕地的貢獻(xiàn)指數(shù)最高，分別為－0．13%和－0．19%。說(shuō)明耕地、未利用地、林地之間的轉(zhuǎn)化是生態(tài)環(huán)境變化的主要影響因子，未利用地向耕地轉(zhuǎn)化對(duì)生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)起著促進(jìn)作用，耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、未利用地加快了生態(tài)環(huán)境退化程度，耕地變化是影響生態(tài)環(huán)境變化的主導(dǎo)因子。白銀市區(qū)生態(tài)環(huán)境變化同時(shí)存在好轉(zhuǎn)和惡化兩種趨勢(shì)，但是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的土地面積遠(yuǎn)高于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化的土地面積，說(shuō)明總體上白銀市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)改善趨向。

4 結(jié)論與展望

本文基于已建立的三期白銀市區(qū)遙感數(shù)據(jù)庫(kù)，定量分析了1990—2011年間白銀市區(qū)土地利用時(shí)空變化特點(diǎn)及區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，研究表明：

（1）白銀市區(qū)1990—2011年間，土地利用變化劇烈，并且生態(tài)環(huán)境雙向演進(jìn)的過(guò)程顯著，同時(shí)存在著生態(tài)環(huán)境改善和惡化兩種相反的趨勢(shì)。在大尺度范圍內(nèi)，研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量朝著健康的方向發(fā)展，但是與1990年相比，局部工礦地區(qū)2011年生態(tài)環(huán)境惡化顯著。這些變化受到白銀市區(qū)推行開(kāi)發(fā)未利用地為生態(tài)農(nóng)業(yè)用地、退耕還林等政策的影響。白銀市區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型引起的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整使得土地朝著集約利用的方向發(fā)展。

表4 1990－2011年土地利用／覆蓋轉(zhuǎn)變類型及生態(tài)貢獻(xiàn)指數(shù)

（2）利用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)模型建立土地利用與生態(tài)環(huán)境的數(shù)量關(guān)系，不僅可以了解區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境狀況，也可以通過(guò)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣了解影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要驅(qū)動(dòng)力。但是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)模型僅對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，未能對(duì)土地利用類型生態(tài)效應(yīng)的具體內(nèi)容進(jìn)行分析。如何把土地利用類型的生態(tài)效應(yīng)定量化，為區(qū)域土地可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)仍需要進(jìn)一步的研究。

（3）白銀市區(qū)銅礦資源枯竭使得城市發(fā)展緩慢，建議白銀市區(qū)在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型下向西區(qū)擴(kuò)張建設(shè)中，加強(qiáng)土地集約利用，在大量侵占耕地生態(tài)環(huán)境狀況差的區(qū)域，應(yīng)該適當(dāng)控制土地利用變化速度，引導(dǎo)土地利用向減少環(huán)境污染的方向發(fā)展，使土地利用趨于有序化；市區(qū)邊緣居民點(diǎn)區(qū)域，生態(tài)環(huán)境狀況好，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，應(yīng)該優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變低效用地的利用方式，提高土地利用的綜合效益。

［1］ 魯春陽(yáng)，楊慶媛，靳東曉，等．中國(guó)城市土地利用結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展及展望［J］．地理科學(xué)進(jìn)展，2010，29（7）：861－868．

［2］ 孫雁，劉志強(qiáng)，王秋兵．1910—2010年沈陽(yáng)城市土地利用空間結(jié)構(gòu)演變特征進(jìn)展［J］，地理科學(xué)進(jìn)展，2012，31（9）：1205－1211．

［3］ 賈文臣，賈香云，李福印，等．威海市土地利用分形特征動(dòng)態(tài)變化［J］．地理科學(xué)進(jìn)展，2009，28（2）：194－198．

［4］ 謝葉偉，劉兆剛，趙軍，等．基于RS與GIS的典型黑土區(qū)土地利用變化分析：以海倫市為例［J］．地理科學(xué)，2010，30（3）：429－434．

［5］ 鐘春棋，柳錚錚，張文開(kāi)．福州市土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力分析［J］．國(guó)土與自然資源研究，2007（3）：14－16．

［6］ 張楊，劉艷芳，顧漸萍，等．武漢市土地利用覆被變化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究［J］．地理科學(xué)，2011，31（10）：1281－1285．

［7］ 岳文澤，徐建華．基于遙感影像的城市土地利用生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究：以城市熱環(huán)境和植被指數(shù)為例［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（5）：1451－1460．

［8］ 張小虎，孫茜，張合兵．典型石油城市土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)：以大慶市為例［J］．農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2012，33（4）：466－469．

［9］ 李鵬山，李香，李燕，等．基于GlS的?？谑袨I海旅游區(qū)土地利用格局的時(shí)空變化［J］．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（25）：14025－14029．

［10］ 宋翔，顏長(zhǎng)珍，朱艷玲．黃河源區(qū)土地利用／覆被變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)［J］．中國(guó)沙漠，2009，29（6）：1050－1055．

［11］ 楊述河，閆海利，郭麗英．北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)：以陜北榆林市為例［J］．地理科學(xué)進(jìn)展，2004，23（6）：50－55．

［12］ 李曉文，方創(chuàng)琳，黃金川，等．西北干旱區(qū)城市土地利用變化及其區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)：以甘肅河西地區(qū)為例［J］．第四紀(jì)研究，2003，23（3）：282－284．

［13］ 王耀宗，常慶瑞，屈佳，等．陜北黃土高原土地利用／覆蓋變化及生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)［J］．水土保持通報(bào)，2010，30（4）：135－142．

［14］ 石培宏，楊太保，田慶春，等．白銀市工業(yè)污染源重金屬排放特征分析［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2012，10（5）：10－15．

［15］ 周云凱，白秀玲，姜加虎．1989年至2006年鄱陽(yáng)湖區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化研究［J］．資源科學(xué)，2011，33（6）：1186－1194．