潘方杰++束楠楠

摘要：運(yùn)用RS和GIS技術(shù)，對鄭州市1992、2001、2013年3期Landsat TM影像進(jìn)行監(jiān)督分類，提取其土地利用信息，在此基礎(chǔ)上分析計(jì)算了1992～2013年間鄭州市土地利用變化的轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用動態(tài)度，進(jìn)而對21年土地利用動態(tài)變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，21年來，鄭州市土地利用變化顯著，耕地面積減少228.72 km2，建設(shè)用地面積增加197.24 km2，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境效應(yīng)總體呈惡化趨勢，但下降的趨勢有所減緩。

關(guān)鍵詞：土地利用變化；生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；鄭州市

中圖分類號：F301.24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5519-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.019

Analysis on Land Use Change and Its Eco-environmental Effects in Zhengzhou City

PAN Fang-jie1，SHU Nan-nan2

（1.Key Laboratory for Geographical Process Analysis & Simulation， Central China Normal University，Wuhan 430079，China；

2.School of Urban Management and Resources Environment，Yunnan University of Finance and Economics，Kunming 650221，China）

Abstract： By using RS and GIS technology，the information of land use in Zhengzhou city was extracted through the supervised classification to Landsat TM images of 1992，2001 and 2013. On this basis，the change conversion matrix and dynamic degree of land use from 1992 to 2013 were analyzed and calculated，and then the dynamic change of land use and its eco-environmental effect in Zhengzhou city during the 21 years were analyzed. The results showed that，land use in Zhengzhou city have changed significantly for the 21 years，the cultivated land area decreased by 228.72 km2 and the construction land area increased by 197.24 km2，which led to an overall deteriorative tendency of ecological environmental effect in Zhengzhou city， but the deteriorative trend was becoming weaker.

Key words： land use change；eco-environmental effect；Zhengzhou city

土地利用是人類勞動與土地結(jié)合獲得物質(zhì)產(chǎn)品和服務(wù)的經(jīng)濟(jì)活動，這一活動表現(xiàn)為人類與土地之間進(jìn)行的物質(zhì)、能量以及信息、價值的交流和轉(zhuǎn)換[1]。人類通過具體的生產(chǎn)生活方式影響著土地利用的特點(diǎn)和變化，同時土地利用也引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化。土地利用的直接結(jié)果是土地覆被的改變，土地利用/覆被變化是全球環(huán)境變化的重要環(huán)節(jié)和主要原因，也一直是國內(nèi)外研究的重要內(nèi)容之一[2，3]。土地利用/覆被變化過程對維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起著決定性的作用，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，土地利用變化愈演愈烈，引起的環(huán)境問題也日漸突出[4，5]。

近年來，專家學(xué)者對土地利用變化進(jìn)行了大量研究。主要在以下幾個方面：某一特定研究區(qū)域的土地利用變化特征及其驅(qū)動機(jī)制的分析與評價[6-12]；以特定模型為基礎(chǔ)的土地利用變化及土地利用變化趨勢預(yù)測研究[13-16]；關(guān)于土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的分析等[17-19]。鄭州市作為河南省中原城市群的引領(lǐng)者，其土地資源儲量和變化對中原城市群的發(fā)展至關(guān)重要，然而關(guān)于鄭州市土地利用變化的研究較少[20-22]，關(guān)于土地利用變化對生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的分析更是鮮見報(bào)道。本研究運(yùn)用RS和GIS技術(shù)，對鄭州市1992～2013年土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分析和研究，以期為鄭州市的土地利用和城市可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

鄭州市地處華北平原南部，河南省中部偏北，處于京廣、隴海兩大鐵路交匯處，是全國重要交通樞紐，也是新亞歐大陸橋上的重要城市，2010年底總面積7 446 km2，其中市區(qū)面積1 010 km2；其北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃淮平原，西部多山地丘陵，東部為平原；其屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.7～15.6 ℃，冷暖適中、四季分明，年平均降水量618～878 mm，年無霜期190～200 d，年日照時數(shù)2 400 h。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鄭州市土地利用發(fā)生了較為顯著的變化。

2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

參考《土地利用現(xiàn)狀分類（GB/T21010—2007）》，將鄭州市土地利用分為耕地、林地、建設(shè)用地、水域和未利用地5種類型。

本研究使用經(jīng)過輻射、幾何校正和去云處理的鄭州市3期Landsat TM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，成像時間分別為1992年10月、2001年10月、2013年10月，空間分辨率均為30 m。此外，還包括1∶10萬行政邊界圖、地形圖及相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料等。

本研究先在ENVI5.0軟件中對地形圖進(jìn)行校正拼接，依據(jù)具體研究范圍對圖像進(jìn)行裁剪，配準(zhǔn)時采用高斯克呂格投影；以配準(zhǔn)好的地形圖為參考基準(zhǔn)，對1992年的遙感影像進(jìn)行坐標(biāo)校正，糾正后誤差小于0.5個像元，再以1992年的遙感影像作為參考，分別校正2001年和2013年的遙感影像。采用監(jiān)督分類的方法分別對不同年份的3期遙感影像進(jìn)行分類處理，提取土地利用類型，然后在ArcGIS10.0軟件中運(yùn)用分類疊加、聚類統(tǒng)計(jì)、分類重編碼等方法，修正土地利用類型，并且與以前該區(qū)土地利用類型相比較，分析得出鄭州市土地利用變化情況。

3 研究方法

采用RS圖像解譯分析、統(tǒng)計(jì)分析、對比分析以及GIS的空間疊加分析，土地利用動態(tài)度模型、區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)等方法對鄭州市土地利用動態(tài)變化及其對生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響進(jìn)行分析。

3.1 土地利用動態(tài)度模型

土地資源數(shù)量變化可以用土地利用動態(tài)度來表示，包括單一土地利用類型動態(tài)度和綜合土地利用類型動態(tài)度；前者表達(dá)某一研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，后者表示研究區(qū)內(nèi)土地利用類型的整體速度變化情況[23]。結(jié)合本地實(shí)際及研究需要，采用單一土地利用類型動態(tài)度模型對研究區(qū)土地利用類型變化過程的數(shù)量進(jìn)行動態(tài)描述。計(jì)算公式為：

K=××100% （1）

式中，Ua——研究初期某種土地利用類型的面積；Ub——研究末期某種土地利用類型的面積；T——研究時段長；K——研究時段內(nèi)某一土地利用類型的變化率。

3.2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（EV）是綜合考慮區(qū)域內(nèi)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，能定量評價研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體狀況，為定量描述某一區(qū)域土地利用變化對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響提供了方法[24，25]，其變化反應(yīng)了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化。計(jì)算公式為：

EVt=LUiCi/TA （2）

式中LUi——該區(qū)域某一時期第i種土地利用類型的面積；Ci——該區(qū)域某一時期第i種土地利用類型的生態(tài)環(huán)境指數(shù)賦值；TA——該區(qū)域土地總面積；n——該區(qū)域土地利用類型數(shù)。

不同的土地利用類型所代表的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所差異，通過分析土地利用變化特點(diǎn)，可以定量分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化特點(diǎn)。在對土地利用類型生態(tài)環(huán)境指數(shù)賦值上，本研究參考了祝鳳霞等[19]、謝高地等[26]、張淑英等[27]測算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，結(jié)合鄭州市具體情況，對各種土地利用類型的生態(tài)環(huán)境指數(shù)在區(qū)間[0～1]內(nèi)進(jìn)行賦值，定義為每種土地利用類型的相對生態(tài)環(huán)境指數(shù)，分別是耕地0.3、建設(shè)用地0.2、林地0.95、水域0.5、未利用地0.1。

4 鄭州市土地利用變化

4.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

通過ENVI軟件的統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用ArcGIS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和空間數(shù)據(jù)庫等功能，對土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從土地利用分類圖匯總得到3個時期的土地利用面積數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，鄭州市土地利用類型主要由耕地、建設(shè)用地和水域組成，占總面積的90%以上。21年間發(fā)生巨大變化的土地利用類型是耕地和建設(shè)用地，呈現(xiàn)“一減一增”的趨勢，耕地在鄭州市土地總面積中所占比例從1992年的66.36%下降到2013年的43.72%；建設(shè)用地從1992年的21.45%上升到2013年的40.97%。在土地總面積基本保持不變的情況下，耕地和建設(shè)用地兩大主要土地利用類型呈現(xiàn)出此消彼長的態(tài)勢，這就要求我們處理好耕地與建設(shè)的關(guān)系。水域面積由1992年的8.15%增加到2013年的11.90%；林地和未利用土地所占比例均呈現(xiàn)減少趨勢。從1992～2001年和2001～2013年兩個時期的對比不難看出，耕地減少速率和建設(shè)用地增長速率都在降低；同一時期耕地的減少速率大于建設(shè)用地的增長速率。各土地利用類型面積在3個時期所占土地總面積比例的變化趨勢如圖1所示。

4.2 土地利用時間變化分析

根據(jù)公式（1）和表1，計(jì)算出鄭州市土地利用類型的動態(tài)度如表2。從表2可以看出，耕地面積急劇減少，21年間減少了228.72 km2，其動態(tài)度由1992～2001年的-2.05%變?yōu)?001～2013年的-1.60%，動態(tài)度的降低表明耕地減少趨勢有所緩和，耕地保護(hù)的成果在一定程度上得以體現(xiàn)；同期，建設(shè)用地面積迅速增加197.24 km2，動態(tài)度由5.98%減少到2.02%，表明建設(shè)用地增加的趨勢也有所減慢，城市“攤大餅”式的無序擴(kuò)張速度得到一定程度的控制；林地面積在減少，動態(tài)度由-0.53%到-0.37%；水域呈增加趨勢，動態(tài)度由1.44%上升到2.43%，呈加速增長狀態(tài)；未利用地呈減少的狀態(tài)，動態(tài)度由 -1.29%到-0.90%，表明減少速度減慢。鄭州市土地利用變化速度總體上逐漸趨于減慢，一方面表明城市建設(shè)發(fā)展迅速，導(dǎo)致各類土地利用面積發(fā)生較大變化，另一方面也表明在快速發(fā)展的同時城市空間布局基本穩(wěn)定，發(fā)展逐漸趨于合理。

4.3 土地利用空間變化分析

利用ArcGIS10.0軟件對獲取的3期土地利用解譯圖進(jìn)行疊加分析，得到鄭州市1992～2001年、2001～2013年土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣如表3、表4、表5。由表3和表4可知，兩個時期耕地均主要呈轉(zhuǎn)出的趨勢，按轉(zhuǎn)出數(shù)量大小依次為建設(shè)用地、水域、林地和未利用地。其中，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，兩個時期的轉(zhuǎn)化量分別為107.71 km2和105.67 km2。1992～2001年間，建設(shè)用地轉(zhuǎn)出量不大，僅有少量轉(zhuǎn)變?yōu)樗蚝土值?，分別為1.36 km2和1.10 km2；此間林地轉(zhuǎn)為耕地6.36 km2。2001～2013年間，建設(shè)用地對每種地類均有轉(zhuǎn)出，轉(zhuǎn)出數(shù)量大小依次為水域、耕地、林地和未利用地；林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地4.61 km2，轉(zhuǎn)為其他地類均較小。

由表5可知，建設(shè)用地在研究期內(nèi)主要呈轉(zhuǎn)入的特征，從耕地、水域、林地和未利用地分別轉(zhuǎn)入213.38、10.47、6.70、1.48 km2，從耕地轉(zhuǎn)入的面積占總轉(zhuǎn)入面積的91.96%，城市的擴(kuò)張是建設(shè)用地增加、耕地減少的直接原因。鄭州市1992～2001年間建設(shè)用地的擴(kuò)張方向是沿主城區(qū)向四周擴(kuò)散，2001～2013年間主要向東擴(kuò)展，在建成區(qū)以外沿交通干道周圍也出現(xiàn)不少建設(shè)用地。1992～2013年間，林地變化不大，轉(zhuǎn)出方向?yàn)楦亍⒔ㄔO(shè)用地、水域和未利用地，分別為8.42、6.70、3.40和0.13 km2；水域轉(zhuǎn)為建設(shè)用地10.47 km2、耕地8.85 km2、未利用地3.78 km2、林地2.41 km2。

通過表3、表4和表5以及綜合分析可知，鄭州市土地利用變化主要發(fā)生在主城區(qū)周圍，距離主城區(qū)越近，土地變化越劇烈，距離主城區(qū)較遠(yuǎn)的區(qū)域，土地變化相對較小，由近至遠(yuǎn)形成農(nóng)用地到建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變，包括居民住宅用地、交通用地、工礦用地等，未利用地的變化主要發(fā)生在黃河流域沿岸，鄭州市的快速發(fā)展占用了很多黃河流域?yàn)┩?，同時大片草地被開發(fā)成為耕地。

5 土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析

根據(jù)公式（2）和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算出鄭州市1992、2001、2013年3個時期的土地利用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分別為0.302 6、0.293 1、0.290 4（表6、圖2）。結(jié)果表明，21年間鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)總體呈下降的趨勢，1992～2001年間下降了0.009 5，下降速率為3.14%；2001～2013年間下降了0.002 7，下降速率為0.92%。在各土地利用類型中，耕地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)最高，未利用地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)最小。1992～2013年研究區(qū)各土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)上升最大的是建設(shè)用地，上升了0.039 0；下降最多的是耕地，下降了0.057 9。

從表6及圖2可以看出，1992～2013年間，鄭州市土地利用生態(tài)環(huán)境變化同時存在好轉(zhuǎn)與惡化的狀況，總體上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈惡化趨勢，但速度有所減緩。導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的主要驅(qū)動因子是建設(shè)用地面積的增加、土地開墾、林地面積的減少，土地利用變化的主要類型為未利用地、林地開墾為耕地及建設(shè)用地、水域轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地以及水域退化為未利用地；導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要驅(qū)動因子是退耕還林、未利用地開墾，土地利用變化的主要類型耕地及建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為林地和水域。林地和水域?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能有著非常重要的作用。可見，21年來鄭州市在改善生態(tài)環(huán)境效應(yīng)方面取得了一定的效益，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)總體下降趨勢減緩，但也不容忽視。

6 小結(jié)

運(yùn)用RS和GIS對鄭州市1992、2001、2013年3個時期土地利用類型變化、土地利用類型轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的計(jì)算，結(jié)合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)模型，得出鄭州市土地利用類型與生態(tài)環(huán)境的數(shù)量關(guān)系。分析結(jié)果表明：

1）1992～2013年研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移中，占主導(dǎo)地位的是耕地和建設(shè)用地。耕地減少228.72 km2，建設(shè)用地增加197.24 km2；林地和未利用地分別減少1.69 km2和4.66 km2；水域增加37.83 km2。這些特征表明人類活動對土地利用的影響較大，占據(jù)主導(dǎo)地位。

2）研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地和水域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)上升，耕地、林地和未利用地均在下降。耕地、林地和水域面積是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因素，三者生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的變化特征也說明隨著鄭州市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在當(dāng)?shù)厝丝谠鲩L對糧食的需求增加以及城市化快速發(fā)展的情況下，未利用地不斷開墾，同時大量耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，其環(huán)境效應(yīng)指數(shù)下降。

3）從土地利用變化環(huán)境質(zhì)量指數(shù)模型分析結(jié)果得出，1992、2001、2013年EV值分別為0.302 6、0.293 1、0.290 4，表明由土地利用變化引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)總體呈惡化的趨勢，但惡化的速度有所減緩。導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境退化的主導(dǎo)因素是人類經(jīng)濟(jì)活動影響下的林地、水域、耕地與建設(shè)用地之間的快速轉(zhuǎn)換，其中建設(shè)占用耕地和林地對城市生態(tài)環(huán)境惡化的影響最為明顯。

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