黄河三角洲季节性干旱区土地利用变化及生态效应

李俊翰， 高明秀

(土肥资源高效利用国家工程实验室/山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018)

土地利用变化既是对经济社会发展所施加作用的映射，又是气候和生态环境变化的重要影响因素，因而成为人类活动与生态系统相互作用机制研究的桥梁和纽带[1-2]。土地利用变化的生态效应表现为土地生态系统服务的变化，可进行定量评估[3-6]。随着全球气候和环境变化日益剧烈，土地利用变化及其生态环境效应愈加引发关注，国内外学者从不同时间和空间尺度对土地利用变化及生态系统服务价值进行研究[5-8]。黄河三角洲是我国重点开发的河口三角洲之一，经济社会快速发展，土地利用/覆盖变化迅速[9]。黄河三角洲是典型的生态脆弱区[10]，季节性干旱特征明显，在气候持续干旱、黄河时常断流等影响下，人为土地利用变化对该区生态的影响更加强烈。本研究旨在针对经济快速发展过程中季节性干旱区土地利用变化特征及其引致的生态效应间的关系问题，以黄河三角洲山东省无棣县为研究区，借助RS、GIS技术和生态系统服务价值测算方法，定量分析近20年来研究区土地利用变化与其生态系统服务价值演变的特征和关系，探索引致区域生态变化的土地利用根源，为协调土地利用、经济发展和生态保护的关系提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

无棣县地处山东省最北部，渤海西南岸，地理坐标 117°31′～118°12′E、37°41′～38°18′N，是京津冀和山东半岛两大经济区的交汇点，国家和山东省黄河三角洲开发等多项战略规划叠加区，县域土地总面积1 998.12 km2。县域处于陆海缓冲地带，地貌以平原为主，自西南向东北依次为黄泛平原、滨海平原和海岸、滩涂，海拔0～8 m，自然坡降 1 ∶10 000。无棣县属北温带半湿润大陆性气候区，年均气温12 ℃左右，年均降水量570.1 mm，年均蒸发量1 285.5 mm，蒸降比2.3，降水80%集中在夏季，秋冬春3季干旱。淡水资源匮乏，全县工农业生产和居民生活主要依靠引黄供水。地下水水位浅、矿化度高，盐碱地遍布全境，是黄河三角洲生态脆弱区的典型区域。

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1 土地利用类型划分 参考全国遥感监测土地利用/覆盖分类体系和土地利用现状分类标准(GB/T 21010—2007)，结合无棣县自然环境与土地利用特征，划分研究区土地利用类型(表1)。

1.2.2 数据来源及处理 遥感影像(1995年8月24日和2005年5月15日TM影像、2015年4月25日OLI影像)数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http：//www.gscloud.cn)。运用ENVI 5.1软件，参考无棣县行政区划图和土地利用现状图，进行影像辐射定标、大气校正、裁剪和镶嵌，通过Kappa精度检验，运用监督分类、分类后处理等功能进行遥感影像信息提取，形成3期土地利用类型图，在ArcGIS 10.1中进行数据提取和分类统计。社会经济统计数据来源于滨州市统计年鉴(1996、2006、2016)和2015年无棣县国民经济和社会发展统计公报(http：//www.wudi.gov.cn)。

表1 无棣县土地利用类型

1.2.3 研究方法

1.2.3.1 土地利用变化分析 土地利用变化，采用土地利用类型转移矩阵分析土地利用类型结构变化，描述各种土地利用类型间的转化关系[11]；采用土地利用转移概率矩阵研究土地利用结构变化趋势[12]。设Pij为土地利用转移概率矩阵：

(1)

式中：pij是t时期的第i种土地利用类型转变为t+1时期的第j种土地利用类型的概率。

采用土地利用动态度分析土地利用类型在时间上的变化情况[13]。其中，单项地类动态度反映某一土地利用类型在时间上的数量变化，鉴于传统模型仅考虑转出而忽略转入的缺陷，本研究采用其改进的计算模型：

(2)

即以某地类的总变化量与总变化量和未变化量的和之比计量单项地类动态度。式中：LUDDi为研究期内某一土地利用类型的动态度；TCi是某一地类的总变化量；Sii为该地类未发生转移的量。

综合土地利用动态度反映研究期内所有土地利用类型的总体变化，其计算模型：

(3)

式中：TLUDD为综合土地利用类型动态度；D总(I总)为研究期区域内各地类土地利用总减少量(或总增加量)；S总为区域土地总面积。

1.2.3.2 土地利用生态系统服务价值测算方法 采用Costanza等生态系统服务价值评价方法[4]测算各时期生态系统服务价值量，评价模型为：

(4)

式中：ESV为研究区年生态系统服务总价值；Ap为研究区第p种土地利用类型的面积(p=1，2，…，7，为生态类型)；VCp为第p种土地利用类型的生态系统服务价值当量。

各土地利用类型的贡献率模型为：

(5)

式中：ESVCp为第p种土地利用类型在生态系统服务价值中的贡献率；ESVp为第p个土地利用类型的年生态服务价值。

生态系统服务价值计算以谢高地等的研究成果[14]为基础。考虑到无棣县位于冀鲁交界处的特殊情况，以2省区域修正系数平均值1.20作为无棣县价值当量修正系数[15]。同时，确定无棣县单个生态当量的价值为476.18元/hm，适当调整无棣县土地利用类型与陆地生态系统的对应关系[14-16]，使耕地与农田对应，林地取森林和草地的平均值，建设用地生态服务价值为零，未利用地参照荒漠计算，水域与河流湖泊对应，盐田及养殖用地取河流湖泊和荒漠的平均值，计算出无棣县生态系统单位面积生态服务价值(表2)。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化特征

2.1.1 土地利用结构变化 从图1、图2可以看出，无棣县土地利用类型在空间上呈阶梯状分布， 耕地和林地主要分布在县域西南部，水域和盐田及养殖用地主要分布在东北部，未利用地和草地主要分布在二者的过渡地带。1995—2005年，各土地利用类型变化幅度较大。其中，盐田及养殖用地增幅最大，达37.53%，也是面积增加最大的地类；林地、建设用地和耕地也各有增加。水域减少面积和减少幅度均最大，为46.63%；草地、未利用地也有减少。说明此期间无棣县土地利用已进入活跃期，地类结构变化明显。2005—2015年，建设用地增幅最大，达43.35%，反映出此阶段城乡建设、工业发展占地迅速增长，农业开发、建设占用使未利用地迅速减少，减幅高达36.97%；林地减少4.76%，反映出冬枣过度发展、效益下降，部分开始还枣为耕；农业结构调整和建设占用使草地面积也大量减少，达25.84%。综合来看，1995—2015年，无棣县土地利用类型结构发生非常显著的变化，呈现出“四增三减”的变化特征：建设用地、盐田及养殖用地、林地、耕地面积增加，分别增加6 606.18、16 735.86、660.96、4 039.83 hm2，增幅分别为61.35%、51.31%、16.63%、5.11%；水域、未利用地、草地大幅减少，分别减少11 732.85、7 429.59、8 880.39 hm2，减幅分别为42.70%、38.13%、35.65%。土地利用类型结构的大幅度和频繁变化，反映出人类活动对生态环境的干扰不断加剧。

表2 无棣县各土地利用类型单位面积生态服务价值

2.1.2 土地利用流转分析 1995—2015年无棣县土地利用类型间的相互转化关系。从表3可以看出，各地类间流转量较大且关系复杂。20年来，各地类间均有相互流转关系，转出面积从大到小排序依次为草地>耕地>水域>未利用地>建设用地>林地>盐田及养殖用地，而转入面积从大到小排序依次为耕地>盐田及养殖用地>草地>未利用地>建设用地>水域>林地。

从表4可以看出，各地类间流转变化趋势明显，耕地主要转化为草地、建设用地、未利用地、林地，其转移概率分别为7.07%、6.40%、5.18%、2.80%；林地主要转化为耕地、建设用地，转移概率为38.54%、11.67%；草地主要转移为耕地、未利用地，转移概率分别为42.15%、13.90%；水域主要转化为盐田及养殖用地，转移概率为38.17%；建设用地主要转化为耕地、草地，转移概率分别为16.16%、4.65%；未利用地主要转化为耕地、盐田及养殖用地、草地，转移概率分别为 32.61%、19.47%、15.94%。

综合分析各地类间流转变化的原因，耕地的减少主要是被建设占用、农业结构调整为林地、盐碱退化为草地和未利用地，耕地增加主要来源于未利用地开发和农业结构调整转化；林地变化主要源于农业结构调整冬枣种植的增减和城乡绿化、植树造林以及城乡建设占用等；草地减少主要原因是垦为耕地、建设用地占用和盐碱退化；建设用地增加的主要来源为占用耕地、林地、草地和开发未利用地等；水域减少的主要原因是气候干旱部分河流干枯、建设占用、盐田及养殖占用；盐田及养殖用地增加主要来源于近海滩涂及浅水域利用；未利用地减少主要是因垦为耕地、草地、建设占用和盐田及养殖利用。根据Markov预测原理，未来一段时期，无棣县土地利用仍将面临建设用地扩张和耕地、林地、草地及未利用地减少的风险。

2.1.3 土地利用动态度变化 从图3-A可以看出，1995—2005年，土地利用类型动态度变化最快的是未利用地和林地，总变化率分别为87.11%、78.03%；其次是草地、水域、建设用地、耕地，总变化率分别是75.79%、65.25%、47.49%、37.48%；盐田及养殖用地变化最小，总变化率为33.94%。

表3 1995—2015年无棣县土地利用类型转移矩阵

表4 1995—2015年无棣县土地利用类型转移概率矩阵

2005—2015年，变化最快的是未利用地、草地，总变化率分别为87.37%、80.94%；其次是林地、建设用地、水域、耕地，总变化率分别为73.58%、56.06%、45.52%、37.61%；盐田及养殖用地变化最小，仅为17.25%。1995—2015年，无棣县7种用地类型动态度由大到小依次为未利用地>草地>林地>水域>建设用地>耕地>盐田及养殖用地。

从图3-B可以看出，无棣县综合土地利用动态度1995—2005年、2005—2015年分别为36.34%、31.00%，反映土地利用变化剧烈程度有逐渐缓和的趋势；1995—2015年为39.00%，说明20年来无棣县土地利用变化较为剧烈。

2.2 土地利用的生态效应分析

2.2.1 土地生态系统服务价值总量变化 从表5可以看出，1995—2015年，无棣县土地生态系统服务价值总量呈下降趋势，总值从173 116.15万元减少到161 124.26万元，损失 11 991.89万元，年均损失率达0.35%。从时间段来看，1995—2005年，无棣县土地生态系统服务价值总量减少 17 172.80万元，年均损失0.99%；2005—2015年无棣县土地生态系统服务价值总量有所增加，10年间共增长5 180.91万元，年均增长0.33%。说明前10年经济发展中对生态的重视严重不足，后10年随着对生态环境问题重视而有所改善。

从用地类型来分析，1995—2015年，耕地、水域和盐田及养殖用地始终对无棣县土地生态系统服务价值贡献率最高，林地和未利用地贡献率最小，建设用地贡献为零。20年间，耕地、林地和盐田及养殖用地的生态系统服务价值有所增加，年均增长率分别为0.26%、0.83%、2.57%，草地、水域和未利用地生态服务价值有所减少，年均变化率分别为-1.78%、-2.14%、-1.91%。依据用地类型生态价值总量变化大小排序依次为水域>盐田及养殖用地>草地>耕地>林地>未利用地，而年均变化率大小依次为盐田及养殖用地>水域>未利用地>草地>林地>耕地。

2.2.2 土地生态系统服务价值结构变化 1995—2015年，无棣县土地生态系统服务价值结构也发生了明显变化，从表6可以看出，水文调节和废物处理对生态系统服务价值总量的贡献度较大，原材料生产、食物生产和气体调节贡献度较小。1995—2005年，各单项服务功能价值都在减少，其中水文调节减少最多，原材料生产减少最少。减少量由大到小依次为水文调节>废物处理>气候调节>提供美学景观>维持生物多样性>气候调节>保持土壤>食物生产>原材料生产。2005—2015年，各单项服务功能价值有增有减。水文调节增加最多，维持生物多样性增加最少，增加量由大到小依次为水文调节>废物处理>提供美学景观>食物生产>维持生物多样性。保持土壤减少最多，原材料生产减少最少，减少量由大到小依次为保持土壤>气体调节>气候调节>原材料生产。1995—2015年，各单项服务功能价值都在减少。其中水文调节减少量最多，原材料生产减少量最少；减少速度最快的是提供美学景观，年均减少0.43%，减少速度最慢的是食物生产，年均减少0.06%。

表5 1995—2015年无棣县生态系统服务经济价值总量及其变化

表6 1995—2015年无棣县土地生态系统服务价值构成及变化

2.3 土地利用变化与生态服务价值变动的关系

对比1995—2015年无棣县土地利用变化特征与生态系统服务价值变动趋势，可以发现，无棣县土地利用结构变化导致生态系统服务价值变化，二者之间联系紧密，呈现相同的步调。而生态系统服务价值的变化则影响整个区域的生态效益，对区域土地利用结构形成新的反馈。

结合无棣县社会经济统计数据分析(表7)发现，1995—2015年，无棣县人口总体上呈不断增长趋势，人均生态价值呈现不断减少但变化速度逐渐放缓趋势，共减少 813.42元/人，年均负增长率为1.07%；全县GDP保持快速增长，共增长236.12亿元，年均增长率达14.45%，而万元GDP生态价值持续减少，由1995年的10 177.32元/万元减少至2015年的636.53元/万元，年均负增长率达12.94%，仅低于GDP增长率1.51百分点。可见在经济快速增长、土地利用状态频繁变动的同时，无棣县付出了较高的生态代价。

3 结论与讨论

1995—2015年，无棣县土地利用类型变化较为剧烈，呈现“四增三减”的特征，即耕地、林地、建设用地、盐田及养殖用地面积增加，草地、水域和未利用地面积减少。各地类间流转量较大、关系复杂，且呈现较明显的流转变化趋势，20年来无棣县土地利用变化较为剧烈，综合变动率为39.00%。

表7 1995—2015年无棣县万元GDP和人均生态服务价值

20年来，无棣县土地生态系统服务价值总量呈先减少后增加、总体为减少趋势：耕地、林地、盐田及养殖用地生态系统服务价值增加，草地、水域和未利用地生态服务价值减少，各单项服务功能价值都在减少；万元GDP生态价值和人均生态价值持续减少，经济的快速增长和土地利用的频繁变化付出了较高的生态代价。

无棣县生态系统服务功能变动与土地利用变化密切相关，土地利用结构变化导致生态系统服务价值变化，生态系统服务价值的变化影响区域生态效益。今后应强化土地生态利用，严控建设用地扩张，加强农地和水域保护，推进未利用地生态开发，维护区域生态平衡。