李艾玉，劉吉平，于 佳，劉家福，馬沖亞

（吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林四平 136000）

近30年四平市土地利用時(shí)空變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

李艾玉，劉吉平*，于 佳，劉家福，馬沖亞

（吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林四平 136000）

以四平市為研究區(qū)域，利用1980，1995和2010年的LandsatTM遙感影像解譯數(shù)據(jù)，基于GIS空間分析功能，根據(jù)土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)四平市土地利用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究。結(jié)果表明，近30年，四平市的草地、沼澤地、鹽堿地面積減少幅度最大，其次為林地和水域面積，耕地面積增加明顯。西部和東北部地區(qū)的土地利用的綜合動(dòng)態(tài)度變化速率快于北部和東南部地區(qū)。西部及東北部地區(qū)的土地利用類型的空間變化最大，并逐漸向中部地區(qū)遞減，北部和東南部地區(qū)的空間變化最小。土地利用對(duì)環(huán)境變化的影響主要包括大氣環(huán)境效應(yīng)、土壤環(huán)境效應(yīng)、水環(huán)境效應(yīng)。

土地利用；動(dòng)態(tài)變化；生態(tài)環(huán)境；四平市

土地利用和覆被是自然環(huán)境和人類活動(dòng)相互作用下形成的復(fù)雜綜合體［1］，人類對(duì)地表不同的作用方式形成了不同的土地利用格局。土地利用/土地覆被變化已經(jīng)成為全球變化研究的前沿領(lǐng)域和熱點(diǎn)，也是當(dāng)前地理學(xué)、生態(tài)學(xué)等諸多學(xué)科研究的熱點(diǎn)和前沿問題［2］。在地理信息技術(shù)的快速發(fā)展下，RS和GIS的廣泛應(yīng)用為土地利用的研究提供了技術(shù)支持，推動(dòng)了土地利用變化研究的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)土地利用變化研究已取得顯著成績(jī)，但四平市近年來土地利用變化研究較少。本文以四平市為例，采用1980-1995年，1995-2010年及1980-2010年3個(gè)階段的變化數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，利用GIS軟件，對(duì)四平市的土地利用時(shí)空變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行定量分析。通過本論文研究，可使該區(qū)域的土地利用方式更加合理，更利于優(yōu)化土地結(jié)構(gòu)，提高土地生產(chǎn)力，對(duì)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

1 概況及方法

1.1 研究區(qū)概況

四平市位于東北松遼平原中部，吉林省西南部，東遼河下游，是遼寧、吉林與內(nèi)蒙古三省的交界處，125°05′-123°25′E，42°56′-44°05′N。全市總面積為1.4萬km2，總?cè)丝?40萬人，轄鐵東、鐵西2個(gè)市轄區(qū)，梨樹縣、伊通滿族自治區(qū)及雙遼、公主嶺2個(gè)縣級(jí)市。四平市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為5.9℃，≥10℃積溫平均為3078.5℃，年平均降水量為572.8mm。土地資源比較豐富，是國(guó)家重點(diǎn)商品糧基地，素有“松遼平原黃金玉米帶”之稱。主要支柱產(chǎn)業(yè)有換熱器、汽車改裝及紅嘴經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等。東部地區(qū)主要為林地，地勢(shì)較高，屬低山丘陵地區(qū)，主要有哈達(dá)嶺等；西部為松遼平原的一部分，地勢(shì)較低，為波狀平原地帶，草地、鹽堿地及沼澤地主要分布于西部；中部地區(qū)地勢(shì)平坦，土壤肥沃，河流較多，土地生產(chǎn)力較高，因此耕地、居民用地主要分布于此。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)由1980，1995，2010年的四平市遙感影像解譯后獲得，空間分辨率為30m，分為1980-1995年，1995-2010年及1980-2010年3個(gè)階段來分析研究。利用ArcGIS軟件處理3期土地利用類型空間分布圖及相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，獲得四平市土地利用動(dòng)態(tài)變化信息。根據(jù)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合四平市實(shí)際情況，將土地利用類型分為水田、旱地、林地、草地、水域、居民用地、鹽堿地、沼澤地8類。

1.3 研究方法

本研究采用單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)、綜合動(dòng)態(tài)度、綜合動(dòng)態(tài)尺度及質(zhì)心轉(zhuǎn)移來進(jìn)行分析。單一土地利用動(dòng)態(tài)度反映了單一土類在某段時(shí)間內(nèi)土地利用類型數(shù)量的變化情況，對(duì)比較土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測(cè)未來土地利用趨勢(shì)有重要作用［3］。

式中：Ua，Ub分別是研究期初和研究期末某土地利用類型的面積；T為研究時(shí)段長(zhǎng)。當(dāng)T設(shè)定為年時(shí)，K值即為某土地利用類型的年變化率。

綜合動(dòng)態(tài)度用于表征研究區(qū)土地利用的變化速度［4］。

式中：Uai，Ubi分別是研究期初和研究期末某土地利用類型的面積；T為研究時(shí)段長(zhǎng)；n為土地利用類型數(shù)。當(dāng)T設(shè)定為年時(shí)，Ks值即為研究區(qū)內(nèi)所有土地利用類型面積變化的年綜合變化率。

綜合動(dòng)態(tài)尺度表示研究區(qū)所有類型空間變化［4］。

式中：U0-i為研究時(shí)段T內(nèi)i類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e之和；Ui-i為其他類型轉(zhuǎn)變?yōu)榈趇種類型的面積之和。當(dāng)T設(shè)定為年份時(shí)，Kss為研究區(qū)內(nèi)所有土地利用類型綜合動(dòng)態(tài)尺度變化。

為了研究土地利用動(dòng)態(tài)度的空間差異，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格化。將四平市劃分為45個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為23km×23km，并利用ArcGIS軟件分別計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的綜合動(dòng)態(tài)度及綜合動(dòng)態(tài)尺度，最后用克里克插值法進(jìn)行插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 近30年土地利用空間格局變化過程

本文通過對(duì)1980，1995和2010年的四平市遙感影像解譯，得到1980-2010年土地利用空間格局變化過程（圖1）。

圖1 四平市1980-2010年土地利用類型空間分布

由圖1可知，2010年東南部地區(qū)林地面積減少較多，但東北部有所增加，總體趨勢(shì)減少。1980-1995年水田面積明顯增加，而1995-2010年東遼河流域水田面積大幅度減少，但分散在東遼河南部地區(qū)的水田面積增加。西部地區(qū)的鹽堿地、草地及沼澤地的面積均明顯減少。1995年水域面積較1980年增加較多，可看出東遼河的河道變寬，但2010年又明顯減少。與1980年相比，1995年居民用地面積變化不大，2010年明顯增加。1980-2010年間，旱田分布較廣，總體上西北部、東南部旱田面積有所增加，東遼河南部地區(qū)旱田有所減少。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移特征

根據(jù)土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可得四平市1980-2010年土地利用動(dòng)態(tài)變化（表1-3）。

表1 四平市1980-1995年各種土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化面積km2

表2 四平市1995-2010年各種土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化面積km2

表3 四平市1980-2010年各種土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化面積km2

由表1-3可知，1980-1995年林地主要轉(zhuǎn)移為草地和旱田，草地主要轉(zhuǎn)移為水田和旱田，水域主要轉(zhuǎn)移為旱田和居民用地，居民用地一部分轉(zhuǎn)移為旱田，鹽堿地主要轉(zhuǎn)移為草地和旱田，水田有較大一部分面積轉(zhuǎn)移為旱田，旱田主要轉(zhuǎn)移為水田、林地、水域及居民用地等。1995-2010年，林地轉(zhuǎn)移為旱田的面積與前期相比增加較多；草地轉(zhuǎn)出面積與前期相比明顯增加，轉(zhuǎn)移為旱田、林地、鹽堿地的面積較多，轉(zhuǎn)移為水田和水域的面積較少；水域轉(zhuǎn)移為其他土地利用類型的面積較多；居民用地主要轉(zhuǎn)移為旱田、水田和林地；鹽堿地主要轉(zhuǎn)移為旱田和草地；沼澤地基本上都轉(zhuǎn)移為水田和旱田；水田轉(zhuǎn)移為居民用地的面積較大，其次是林地和居民用地；旱田主要轉(zhuǎn)移為林地、居民用地和水田?？傮w看，近30年來，林地主要轉(zhuǎn)移為水田和旱田；草地主要轉(zhuǎn)移為林地、鹽堿地和旱田；水域主要轉(zhuǎn)移為水田和旱田；居民用地主要轉(zhuǎn)移為林地、水田和旱田；鹽堿地主要轉(zhuǎn)移為草地和旱田；水田主要轉(zhuǎn)移為林地和旱田；旱田主要轉(zhuǎn)移為林地、居民用地和水田。

2.3 土地利用動(dòng)態(tài)變化

2.3.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

根據(jù)表1-3及可計(jì)算出四平市近30年土地利用類型的總體變化幅度及變化速度（表4）。

從表4可知，林地持續(xù)呈減少趨勢(shì)，且后期減少速率快于前期；草地在前期面積有所減少，但變化幅度不大，但在后期面積迅速減少，變化幅度較大，近30年間草地轉(zhuǎn)入面積較少。水域在前期呈增加趨勢(shì)，年變化速率較快，但在后期轉(zhuǎn)出面積為204.2618 km2，遠(yuǎn)大于同期轉(zhuǎn)入面積，減少速率快于前期增加速率，故水域面積總體減少，且減少趨勢(shì)越來越明顯；居民用地始終呈增加趨勢(shì)，前期增加速率較快。鹽堿地總體趨勢(shì)減少，且減少幅度較大。沼澤地面積也大幅度減少，總體看年變化速率最快，變化幅度也最大，總體轉(zhuǎn)出面積為92.0461km2，而轉(zhuǎn)入面積僅為13.94km2。由于水域面積前期增加較多，因此水田在前期增加速率最快，變化幅度最大，轉(zhuǎn)入面積達(dá)698.96km2，但后期呈減少趨勢(shì)，總體面積呈增加趨勢(shì)；旱田前期面積減少，但變化速率不大，后期呈增加趨勢(shì)，總體面積增加，由于旱田基數(shù)大，所以面積變化幅度不明顯。

2.3.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

根據(jù)公式2及ArcGIS軟件可計(jì)算出四平市土地利用類型綜合動(dòng)態(tài)度（圖2）。

表4 四平市1980-2010年土地利用動(dòng)態(tài)變化%

圖2 四平市1980-2010年土地利用綜合動(dòng)態(tài)度

由圖2可知，1980-1995年四平市西部地區(qū)綜合動(dòng)態(tài)度變化速度最大，且逐漸向東部地區(qū)遞減，說明前期西部沼澤地、鹽堿地、草地及中部的水田和旱田的土地利用變化速率較快。1995-2010年西部地區(qū)和東北部地區(qū)的綜合動(dòng)態(tài)度變化速率均較大，而北部和東南部地區(qū)綜合動(dòng)態(tài)度變化速率最小，形成了東-西偏大、南-北偏小的馬鞍形，可見后期東北部的旱田、林地及水域的變化較快。從整體看，四平市綜合動(dòng)態(tài)度變化速率仍是東北及西部地區(qū)偏大、北部及東南地區(qū)偏小的馬鞍形，西部地區(qū)和東北部地區(qū)的土地利用的變化速率快于北部和東南地區(qū)。

2.3.3 綜合動(dòng)態(tài)尺度

根據(jù)公式3及ArcGIS技術(shù)可計(jì)算出四平市土地利用類型空間變化的綜合動(dòng)態(tài)尺度（圖3）。

圖3 四平市1980-2010年土地利用綜合動(dòng)態(tài)尺度

從圖3可知，1980-1995年，四平市西部地區(qū)土地利用類型的空間變化最大，逐漸向東部地區(qū)遞減，形成了西高東低的變化趨勢(shì)。1995-2010年，西部、東部和南部地區(qū)的土地利用類型的空間變化均較大，且空間變化程度較前期大，說明西部、東部和南部地區(qū)的土地利用類型空間變化頻繁。而中部地區(qū)和北部地區(qū)的土地利用類型的空間變化較小，尤其是北部地區(qū)空間變化最小。從整體上看，西部大部分地區(qū)及東北部少部分地區(qū)的土地利用類型的空間變化最頻繁，并逐漸向中部地區(qū)遞減，北部和東南部地區(qū)的空間變化最小。

2.4 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

土地利用的變化，影響著生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化和可持續(xù)發(fā)展，LUCC生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究日趨重要。土地利用對(duì)環(huán)境變化的影響主要有大氣環(huán)境效應(yīng)、土壤環(huán)境效應(yīng)、水環(huán)境效應(yīng)等。

2.4.1 大氣環(huán)境效應(yīng)

土地利用的變化通過對(duì)局地生態(tài)系統(tǒng)的影響，改變了溫室氣體的全球收支平衡［5］，四平地區(qū)林地、草地、沼澤地的大面積減少，降低了對(duì)CO2的吸收量，工業(yè)用地、城鎮(zhèn)用地的增加，使化石燃料的燃燒量增多，CO2排放量增加，造成氣候變暖。下墊面的改變，如城市用地的擴(kuò)展、基礎(chǔ)設(shè)施增加及人口大量涌入，也使城市氣溫高于周邊地區(qū)，從而導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)。四平市1970-2011年的平均氣溫距平見圖4。

圖4 四平市1970-2011年平均氣溫距平

由圖4可知，1980-1995年氣溫低于平均值，而1995年以后氣溫距平多數(shù)＞5℃，表明1995-2010年氣溫明顯升高，且變化幅度較大；四平市氣溫升高雖受全球氣溫變暖的影響，但土地利用變化導(dǎo)致下墊面的改變及CO2排放量的增加也是影響氣溫的重要因素。

草地、林地、沼澤地及水域的大面積減少，可能對(duì)小范圍的降水造成一定的影響。四平市1970-2010年降水距平百分率見圖5。

圖5 四平市1970-2010年降水距平

由圖5可知，1980-1995年降水距平百分率普遍大于0，說明降水量呈增加趨勢(shì)，而1995-2010年降水距平百分率多數(shù)小于0，且變化幅度較1980-1995年變化明顯，降水量明顯減少，由此說明，土地利用的變化對(duì)氣溫、降水量的影響較大。

土地利用的變化還可能導(dǎo)致農(nóng)業(yè)上的旱澇災(zāi)害。1980-1995年間四平市只發(fā)生3次大災(zāi)害，1982年旱災(zāi)，1984和1994年2次澇災(zāi)；1995-2010年共發(fā)生5次大災(zāi)害，其中，2002年大旱，2003及2009年偏旱，2005年及2010年偏澇。后期災(zāi)害明顯多于前期，且程度大于前期災(zāi)害，說明土地利用的變化對(duì)農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害影響較大，也說明四平市近30年的土地利用變化的不合理。

2.4.2 土壤環(huán)境效應(yīng)

土地利用的變化導(dǎo)致土壤肥力下降，不同程度地降低土地持續(xù)生產(chǎn)能力和土地質(zhì)量，從而導(dǎo)致糧食產(chǎn)量下降。土地利用變化對(duì)土壤中的碳儲(chǔ)存量及碳通量的影響遠(yuǎn)超過自然變化的速率和程度，導(dǎo)致土壤中氮、磷、鉀含量的減少，直接影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)需要，降低了土壤肥力。以四平市內(nèi)公主嶺為例，說明土地利用變化對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響［6］（表5）。

表5 公主嶺1988-1997年土壤養(yǎng)分含量的變化

由表5可知，1988-1997年，土壤有機(jī)碳含量減少，相比1988年建點(diǎn)初期下降14%；土壤中全氮含量也明顯減少，下降了21%；有效磷含量相應(yīng)增加，但基本在穩(wěn)定范圍內(nèi)變化；土壤中速效鉀含量減少較多，較1988年下降了26%?？梢姡寥乐袪I(yíng)養(yǎng)元素的含量與土地利用有直接關(guān)系，土地利用的不合理，導(dǎo)致土壤肥力的下降。

此外，研究區(qū)內(nèi)土壤退化及土壤污染也較嚴(yán)重。水田和旱田面積的增加，導(dǎo)致化學(xué)農(nóng)藥大范圍使用，使土壤污染日益加重，而土壤化學(xué)污染尤為嚴(yán)重，致使土壤質(zhì)量明顯下降。林地、沼澤地、草地面積的大幅度減少，使土壤鎖水力下降，造成水土流失，導(dǎo)致土壤沙漠化嚴(yán)重，加快了土地利用類型的轉(zhuǎn)變。

2.4.3 水環(huán)境效應(yīng)

水資源已成為制約社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，土地利用方式的改變對(duì)河流徑流量的變化及水體環(huán)境造成很大影響。以四平市內(nèi)東遼河為例，說明土地利用變化對(duì)河流徑流量的影響。

圖6顯示，1980-1995年徑流量明顯增加，1995-2010年徑流量明顯減少，而1980-1995年東遼河年徑流量總和為95.47億m3，15年平均徑流量為6.365億m3；1995-2010年徑流量總和為58.14億m3，15年平均為3.876億m3，平均徑流量明顯比1980-1995年減少?？梢娝钠绞袃?nèi)東遼河近30年的徑流變化幅度較大，呈明顯下降趨勢(shì)。草地、沼澤地及鹽堿地大面積轉(zhuǎn)移為耕地，使土地覆被類型不斷發(fā)生改變，對(duì)降水的截留、阻擋、蒸騰及下滲作用產(chǎn)生不同的影響，從而影響東遼河的徑流量變化，由此可見，土地利用類型的變化會(huì)改變區(qū)域水循環(huán)的方式［7］。

圖6 四平市1980-2010年東遼河年徑流量

四平市是一個(gè)缺水的城市，而近30年的水域面積總體減少，水田、旱田面積不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致化學(xué)肥料、農(nóng)藥、殺蟲劑等化學(xué)藥劑大量使用，造成水體環(huán)境的富營(yíng)養(yǎng)化。居民用地面積的增加，使工業(yè)三廢及生活污水的排放量加大，加重了水體污染。研究表明，2009年四平市二龍湖的水質(zhì)類別已達(dá)到劣Ⅴ級(jí)［8］，2010年二龍湖水庫來自工業(yè)污染源的污染物COD、氨氮的排放量分別為81.92和7.43t；來自城鎮(zhèn)居民生活污染物COD、氨氮的排放量分別為473.73和66.69t，水質(zhì)已呈病態(tài)，水體污染嚴(yán)重，水生生物多樣性減少，河岸帶侵蝕嚴(yán)重［9］。

3 小結(jié)

總體上，草地、沼澤地、鹽堿地面積減少的幅度較大，其中沼澤地變化幅度最大，基本開墾為耕地；林地面積也呈減少趨勢(shì)；水域面積前期明顯增加，后期明顯減少，總體面積減少；旱田的面積逐年增加；水田總體面積增加較多；居民用地面積后期增加較多。

四平市綜合動(dòng)態(tài)度變化速率呈現(xiàn)東北-西南地區(qū)偏大、北部-東南地區(qū)偏小的馬鞍形，西部地區(qū)和東北部地區(qū)的土地利用的變化速率快于北部和東南地區(qū)。

西部大部分地區(qū)及東北部少部分地區(qū)的土地利用類型的空間變化最頻繁，并逐漸向中部地區(qū)遞減，北部和東南部地區(qū)的空間變化最小。

土地利用變化對(duì)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境有一定影響，主要表現(xiàn)為氣候變暖，降水量減少，旱澇災(zāi)害增多，土壤肥力下降，土壤退化嚴(yán)重，河流徑流量減少，水體環(huán)境污染。

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（責(zé)任編輯：張瑞麟）

F301.24文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：0528-9017（2014）07-1082-06

文獻(xiàn)著錄格式：李艾玉，劉吉平，于佳，等.近30年四平市土地利用時(shí)空變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（7）：1082-1087

2014-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（41071037）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（NCET-12）；吉林省科技廳項(xiàng)目（20130101097JC，201201085，201215224）；吉林省教育廳項(xiàng)目（吉教科合字2013第201號(hào)）

李艾玉（1987-），吉林吉林人，碩士生，從事資源與環(huán)境信息系統(tǒng)研究工作。E-mail：liaiyujl@163.com。

劉吉平，教授，博士，主要從事資源與環(huán)境信息系統(tǒng)研究工作。E-mail：liujpjl@163.com。