廖艷梅，尹林江，韓 敏，蒙友波，羅潔瓊

（1.貴州省自然資源勘測規(guī)劃研究院，貴陽 550001；2.貴州省山地資源研究所，貴陽 550001；3.南通大學交通與土木工程學院，江蘇 南通 226019）

生態(tài)環(huán)境是人類生存的基本保障和社會發(fā)展的基礎，隨著人口的急劇增長和城市化的快速發(fā)展，對全球生態(tài)系統(tǒng)造成了很大的破壞，生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴重甚至威脅到區(qū)域生態(tài)安全［1，2］。人類活動以前所未有的速度影響著生態(tài)環(huán)境質量，對生態(tài)環(huán)境進行保護已迫在眉睫［3，4］。土地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的載體，是人與自然相互影響和交互作用最密切的地區(qū)，對土地利用變化研究有助于揭示自然環(huán)境和人類社會影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的過程、機理等［5-7］。因此，科學監(jiān)測和評價土地利用變化及其對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響，對協(xié)調人類活動與生態(tài)環(huán)境的關系、促進生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)、推動社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實意義［8］。近年來，有不少學者從不同視角對土地利用變化及生態(tài)效應展開大量研究。研究方法上，大部分基于景觀生態(tài)指數(shù)［9，10］、InVEST 模型［11］、遙感生態(tài)指數(shù)［12，13］等來定量表征土地利用變化引起生態(tài)環(huán)境質量的時空變化，其中李曉文等［14］提出的生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)得到了較廣泛的應用；研究區(qū)域上，有沿海地區(qū)［15］、西部欠發(fā)達地區(qū)［16］、高原地區(qū)［17］以及生態(tài)脆弱區(qū)［18］等；研究尺度上，有區(qū)縣、流域［19-21］，對西南地區(qū)省域尺度的研究較少［22，23］。

貴州省是中國喀斯特分布最為廣泛的區(qū)域，喀斯特面積占全省土地面積的73%，生態(tài)環(huán)境極其脆弱［24］。近年來，受西部大開發(fā)的影響，城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展使得城市土地利用格局發(fā)生劇烈變化，進而影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量。然而，快速城鎮(zhèn)化的發(fā)展對生態(tài)環(huán)境質量的影響如何尚不明確［25］。因此，本研究以貴州省為例，利用土地利用轉移矩陣、動態(tài)度、生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)和土地利用轉型生態(tài)貢獻率探究貴州省生態(tài)環(huán)境質量變化對土地利用的響應，以期為該地區(qū)土地利用管理規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

貴州省地處中國西南部，介于東經(jīng)103°36′—109°35′、北緯24°37′—29°13′，東靠湖南省，南鄰廣西壯族自治區(qū)，西毗云南省，北連四川省和重慶市，是西南各?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）的交通樞紐［26］。貴州省是一個強烈?guī)r溶化的高原山地，其中92.5%的面積為山地和丘陵，境內地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔為1 100 m。受獨特地理位置和復雜地形地貌影響，自然生態(tài)環(huán)境破壞小，生態(tài)環(huán)境優(yōu)良但生態(tài)脆弱［27］。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

土地利用數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)（https：//www.webmap.cn）GlobeLand30 數(shù)據(jù)集，是中國國家高技術研究發(fā)展計劃（“863”計劃）全球地表覆蓋遙感制圖與關鍵技術研究項目的重要成果。該數(shù)據(jù)集覆蓋了南北緯80°的陸地范圍，包括耕地、森林、草地等十大類地表覆蓋信息。根據(jù)貴州省實際土地利用情況，研究區(qū)土地利用包括耕地、林地、草地、水域和建設用地5 類用地。此外，所涉及到的生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)參照李曉文等［14］的研究成果所得，詳見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉移矩陣 土地利用類型轉移矩陣反映任意時段內不同土地類型間的轉變情況，能很好表示土地利用類型轉換的時空變化特征［7］。其表達式見式（1）。

式中，Aij為研究期間第i種地類轉化為第j種地類的面積；n為研究區(qū)地類總數(shù)。

1.3.2 土地利用動態(tài)度 土地利用動態(tài)度包括單一土地利用動態(tài)度（K）及綜合土地利用動態(tài)度（LC），可表征不同土地利用類型在一定時期內的變化程度，其值越大，表示土地利用變化越強［21］，表達式分別見式（2）、式（3）。

式中，K表示t1到t2時段內某地類的動態(tài)度；Ut1、Ut2分別為此時段內該地類的面積；LC為某時段的綜合土地利用動態(tài)度；LUi為研究初期第i類土地面積；ΔLUij為i地類轉化為j地類面積的絕對值；T為研究時長。

1.3.3 土地利用生態(tài)效應評價

1）區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)。區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)可定量評定區(qū)域內生態(tài)環(huán)境質量的綜合狀況［28］，表達式如式（4）所示。

式中，EVt為t時期的生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)；LUi為t時期第i類土地面積；Ci為第i類土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)；TA為研究區(qū)總面積；n為土地利用類型數(shù)。

2）土地利用轉型生態(tài)貢獻率。生態(tài)貢獻率是指某種土地利用類型變化所引起的區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改變［20］，表達式如式（5）所示。

式中，LEI為生態(tài)貢獻率；LE0、LE1分別為變化初期、末期的土地利用類型具有的生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)；LA為變化用地的面積；TA為研究區(qū)總面積。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構轉型分析

2.1.1 土地利用動態(tài)變化 從圖1 可以看出，2000—2020 年，貴州省土地利用結構以林地、耕地和草地為主，2000 年這3 種土地類型占比分別為46.67%、33.89%、18.63%，共占總面積的99.19%；2010 年這3 種土地類型占比分別為47.36%、33.64%、18.18%，共占總面積的99.18%；2020 年占比分別為46.04%、33.86%、17.74%，共占總面積的97.64%。21 年間，貴州省林地、耕地和草地均在減少，其中草地下降最大，占比下降了0.89 個百分點，其次為林地，占比下降了0.63 個百分點，耕地下降最小，占比僅下降了0.03 個百分點。建設用地和水域在上升，其中建設用地擴張明顯，占比由2000 年的0.39%增加到2020 年的1.66%，上升了1.27 個百分點，水域的增加較小，占比上升了0.28 個百分點。

圖1 貴州省各土地利用類型面積分布

從不同階段看，2000—2010 年耕地面積減少了435.77 km2，草地減少了790.97 km2，林地增加了1 206.40 km2，這主要與貴州省從2000 年開始實施的退耕還林工程以及后來實施的封山育林工程、山區(qū)草地轉換為林地政策有關；水域減少了87.87 km2，建設用地增加了108.21 km2。2010—2020 年，耕地增加了380.39 km2，這主要得益于國家為確保糧食安全而提出的一系列耕地保護措施，林地和草地分別減少了2 323.20、774.99 km2。在此期間，建設用地大幅增加，增加了2 136.43 km2，這主要得益于國家實施的西部大開發(fā)戰(zhàn)略，使得貴州省經(jīng)濟快速發(fā)展，而水庫、水電站、坑塘、人工湖泊、公園水域的建立以及一些水域保護措施的實施，使得水域面積增加了581.37 km2。

2.1.2 土地利用轉移矩陣 2000—2020 年，各土地利用類型間的轉移均主要發(fā)生在耕地、林地與草地之間，三者之間的相互轉移面積占變化面積的80%以上，建設用地和水域的轉移面積占比較少。

由表2 可知，2000—2010 年，貴州省各地類間轉出面積大于轉入面積的有耕地、草地、水域。其中，耕地轉出面積為4 380.13 km2，轉入面積為3 944.36 km2，其轉入、轉出均主要發(fā)生在林地和草地間；草地轉出面積為7 402.80 km2，轉入面積為6 611.83 km2，其轉入、轉出均主要發(fā)生在林地和耕地間；水域轉出面積為358.48 km2，轉入面積為270.61 km2，其轉入、轉出均主要發(fā)生在草地、耕地以及林地間。建設用地轉入是轉出的2.26 倍，分別為194.42、86.21 km2，其主要由耕地與草地轉入，主要轉為耕地。林地轉入比轉出的面積多1 206.40 km2，主要來源于耕地和草地，說明在此期間退耕還林工程以及山區(qū)草地轉換為林地起到了重要作用。

表2 2000—2010 年各土地利用類型轉移矩陣（單位：km2）

由表3 可知，與2000—2010 年不同，2010—2020年林地的轉入面積低于轉出面積23.29%，分別為7 653.67、9 976.87 km2，耕地與水域則表現(xiàn)為轉入大于轉出，其中水域的轉入是轉出的5.39 倍，草地仍表現(xiàn)為轉出大于轉入，建設用地也仍表現(xiàn)為轉入大于轉出，在此期間轉入是轉出的30.54 倍，遠高于2000—2010 年。

表3 2010—2020 年各土地利用類型轉移矩陣（單位：km2）

由表4 可知，2000—2020 年，林地轉入面積為10 138.14 km2，62.58%由草地轉入，36.28%由耕地轉入，轉出面積為11 254.95 km2，有50.02%轉為草地，44.68%轉為耕地，說明近年來雖實施的退耕還林工程以及山區(qū)草地轉換為林地政策發(fā)揮了重要作用，但是人口的快速增長，糧食需求增加，對林地進行大面積開墾使得其減少；草地減少面積最多，其主要流向耕地和林地，但低于兩種地類的轉入；耕地是所有地類中動態(tài)平衡最高的，其轉入和轉出的面積僅差55.37 km2；建設用地轉入的面積是轉出面積的26.11 倍，其中轉入的面積有68.24% 來自耕地，31.34%來自林地和草地；水域轉入、轉出的面積分別為797.15、303.62 km2，轉入是轉出的2.63 倍，這主要是由水庫、水電站、坑塘等建設侵占周圍耕地、林地及草地導致的。

表4 2000—2020 年各土地利用類型轉移矩陣（單位：km2）

總的來說，貴州省2000—2020 年的地類轉移頻繁，受西部大開發(fā)的影響，城市擴張對建設用地的需求增加，擠占耕地、草地、林地，而耕地、草地、林地面積的減少直接導致貴州省土地供需矛盾加劇，對貴州省的生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。

2.1.3 土地利用動態(tài)度變化 由圖2 可知，貴州省2000—2010 年、2010—2020 年、2000—2020 年3 期綜合土地利用類型動態(tài)度分別為0.07%/年、0.18%/年、0.08%/年，各地類的單一動態(tài)度差異明顯，除建設用地始終為正值外，其余地類因受不同因素的影響，動態(tài)度均有所差異。

圖2 貴州省土地利用動態(tài)度

2000—2010 年，受經(jīng)濟落后的影響，貴州省城市發(fā)展緩慢，土地間波動較小。各土地利用類型中，建設用地和林地的動態(tài)度為正值，建設用地單一土地利用動態(tài)度最大，為1.58%/年，林地在此期間增加了1 206.40 km2，遠高于建設用地，但其動態(tài)度卻遠低于建設用地，這主要是因為在此期間建設用地變化幅度較大，其轉入面積是轉出的2.26 倍。受其他地類互相轉化的影響，耕地、草地、水域的動態(tài)度呈負值，其中面積減少最快的是水域。

2010—2020 年，貴州省加快城鎮(zhèn)化發(fā)展，土地利用類型綜合動態(tài)度最大，達0.18%/年，相比2000—2010 年，在此期間的土地利用變化速度提高了1.57倍，各土地利用類型間在不斷進行轉化。各土地利用類型中，除草地的動態(tài)度持平外，建設用地的動態(tài)度最大，為26.97%/年，上升較大，這與貴州省在此期間人口增長、經(jīng)濟發(fā)展有著密切關系。林地的動態(tài)度由2000—2010 年的正值變?yōu)樨撝担@主要受林地面積減少的影響；耕地與水域的動態(tài)度則由負值變?yōu)檎担@主要與該期間耕地和水域的增加相關。

2000—2020 年，除建設用地、水域的動態(tài)度為正值外，耕地、林地、草地的動態(tài)度均為負值，這與前文中分析的隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，使得建設用地、水域增加，從而擠占耕地、林地、草地有密切關系。

2.2 土地利用變化生態(tài)效應分析

2.2.1 時間變化特征 由圖3 可知，2000—2020 年，貴州省的生態(tài)環(huán)境質量總體上保持穩(wěn)定，呈略微的起伏，先增后減。2000—2010 年，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)上升，由0.579 6 上升至0.580 8，這主要是因為該地區(qū)從2000 年開始實施退耕還林工程，使得耕地減少，林地增加；2010—2020 年，受該地區(qū)城鎮(zhèn)化建設、城市擴張以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施的影響，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)下降至0.572 3。

圖3 生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)各時期的變化

2.2.2 空間分布特征 為更好地分析研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)空間分布，在ArcGIS 軟件中利用自然間斷法將其劃分為4 個等級（圖4），可以看出，2000—2020 年，貴州省生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)在空間分布上基本一致，以一條中線表示，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)均表現(xiàn)為中線以西、以北地區(qū)低，以東、以南地區(qū)高。高質量、較高質量區(qū)主要分布在黔東南、黔南、黔西南地區(qū)，空間上呈明顯的集聚態(tài)勢，耕地面積少，城市開發(fā)程度小，以林地分布為主，生態(tài)環(huán)境質量好；低質量、較低質量區(qū)主要分布在黔中、黔北以及黔西北地區(qū)，黔中大部分地區(qū)屬云貴高原的喀斯特丘陵地貌，處在石漠化敏感地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，且作為新一輪西部大開發(fā)戰(zhàn)略確定的重點經(jīng)濟區(qū)，城市化進程快，建設用地相對集中，使得該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量差，黔北、黔西北地區(qū)則主要以耕地為主。從年際變化看，2000—2010 年，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)空間變化不明顯，其變化較大的區(qū)域主要在黔西北地區(qū)，分析其原因為該地區(qū)退耕還林政策對其生態(tài)環(huán)境有一定改善；2010—2020 年，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)較2000—2010 年發(fā)生明顯變化，最主要體現(xiàn)在黔南以及黔西南地區(qū)，這主要是受黔中城市群發(fā)展帶動其城鎮(zhèn)化進程的加快，生態(tài)建設與其節(jié)奏不一致，導致生態(tài)環(huán)境變化；黔中地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)有一定提升，這與這些年該區(qū)實施的生態(tài)保護措施有一定的關系。

圖4 貴州省生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)空間分布

2.2.3 土地利用轉型生態(tài)貢獻率分析 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)的穩(wěn)定并不代表生態(tài)環(huán)境質量未發(fā)生變化，生態(tài)環(huán)境質量存在改善和惡化兩種趨勢，只有兩種趨勢在一定時期內相互抵消，才會呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的趨勢。運用式（5）計算、分析2000—2020 年貴州省土地利用轉型的生態(tài)貢獻率。由圖5 可知，2000—2010 年，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)提升的主要原因是草地轉型為林地，貢獻率為0.000 037 0，占總貢獻率的53.94%，其次是耕地轉型為林地和草地，貢獻率分別為0.000 015 8、0.000 012 7，共占總貢獻率的41.55%；生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)降低的主要原因則是林地轉型為草地和耕地以及草地轉型為耕地，共占總貢獻率的94.70%。由此看出，在此期間，草地轉林地的植被恢復、退耕還林是生態(tài)環(huán)境改善的主要原因，而林地砍伐、林地退化、草地開墾是生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因。2010—2020 年，生態(tài)環(huán)境改善與惡化的主要原因與前11 年基本一致，但其影響逐漸在減弱，在此期間，建設用地對生態(tài)環(huán)境惡化的影響逐漸在加重，其中耕地轉型為建設用地占總貢獻率的比重由2000—2010 年的1.16%上升到10.75%，說明在此期間，城鎮(zhèn)化建設對于耕地的侵占也逐漸成為生態(tài)環(huán)境惡化的主導因素。2000—2020 年，生態(tài)環(huán)境改善的主導因素是草地轉型為林地以及耕地向林地和草地的轉型，共占總貢獻率的93.33%，生態(tài)環(huán)境惡化的主導因素則是林地轉型為草地、耕地，草地轉型為耕地以及耕地轉型為建設用地，共占總貢獻率的93.44%。在21 年間，草地轉林地的植被恢復、退耕還林還草是生態(tài)環(huán)境改善的主要原因，而生態(tài)環(huán)境惡化的原因則是林地砍伐與開墾、草地開墾以及城鎮(zhèn)化建設。

圖5 貴州省土地利用轉型生態(tài)貢獻率

總的來說，貴州省生態(tài)環(huán)境改善與惡化同時存在，二者相互抵消，但生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢略大于生態(tài)環(huán)境改善的趨勢，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)略微下降，林地轉為草地、耕地是導致其生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)下降的主要原因。

3 小結與建議

3.1 小結

以貴州省2000—2020 年土地利用數(shù)據(jù)為基礎，采用土地利用轉移矩陣、土地利用動態(tài)度、生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)等方法對貴州省土地利用轉型、生態(tài)效應進行分析，得出以下結果。

1）貴州省土地利用結構以林地、耕地和草地為主。2000—2020 年，貴州省林地、耕地和草地均在減少，建設用地和水域在上升，其中草地減少最多且動態(tài)度最低，建設用地增加最多且動態(tài)度最高。土地利用類型轉移頻繁，以耕地、林地、草地間相互轉移為主，建設用地與水域發(fā)生轉移的面積較少，但二者增加的面積主要來自對耕地、林地及草地的侵占。

2）貴州省生態(tài)環(huán)境質量總體上保持穩(wěn)定，呈略微的起伏，表現(xiàn)為先增后減。從空間分布看，生態(tài)環(huán)境質量表現(xiàn)為西北低、東南高，呈明顯的集聚態(tài)勢。高質量、較高質量區(qū)主要分布在黔東南、黔南、黔西南地區(qū)，低質量、較低質量區(qū)主要分布在黔中、黔北以及黔西北地區(qū)。2000—2010 年，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)空間變化不明顯，其變化較大的區(qū)域主要在黔西北地區(qū)，2010—2020 年，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)變化程度明顯增強，主要體現(xiàn)在黔南以及黔西南地區(qū)。

3）貴州省生態(tài)環(huán)境改善與惡化同時存在，二者相互抵消，但生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢略大于生態(tài)環(huán)境改善的趨勢，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)整體呈下降趨勢。2000—2020 年，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)提升的主導因素是草地轉型為林地以及耕地向林地與草地的轉型，生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)下降的主導因素則是林地轉型為草地、耕地，草地轉型為耕地以及耕地轉型為建設用地。

3.2 建議

本研究基于貴州省2000—2020 年長時間序列土地利用數(shù)據(jù)，分析了其土地利用變化、生態(tài)環(huán)境質量的時空變化特征及土地利用轉型生態(tài)貢獻率，發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境變化與土地利用變化有著密切關系。研究發(fā)現(xiàn)，近21 年，貴州省土地利用結構發(fā)生明顯變化，土地矛盾加劇，建設用地對耕地、草地、林地生存空間的侵占加劇，生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢略大于生態(tài)環(huán)境改善的趨勢。因此，在今后的發(fā)展規(guī)劃中，貴州省在保證發(fā)展的同時，更要加強生態(tài)環(huán)境建設。可以通過合理規(guī)劃優(yōu)化土地利用結構，實行更為嚴格的生態(tài)環(huán)境保護制度，對不同生態(tài)環(huán)境質量區(qū)域實行不同的發(fā)展模式等，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，改善生態(tài)環(huán)境［29］。