余艷艷 楊鳳海 周浩 胡博 陳瑋嘉 王元

摘要：針對黑龍江省齊齊哈爾市土地利用特點及其生態(tài)環(huán)境所面臨的主要問題，分析該地區(qū)1990—2014年土地利用變化情況，從土地利用、自然狀況、人文影響3個方面出發(fā)，運用PSR模型構(gòu)建評價指標體系，進而分析該地區(qū)土地利用生態(tài)環(huán)境效應。結(jié)果表明，（1）1990—2014年，齊齊哈爾市土地利用變化較強烈，耕地、林地及建設用地面積呈上升態(tài)勢，草地面積減少，且流向主要為耕地及未利用地，水域逐年縮減，未利用地大幅度減少，流向為耕地、林地和草地；（2）該地區(qū)生態(tài)環(huán)境指數(shù)先升后降，由1990年的0.58上升至2001年的0.68，生態(tài)環(huán)境狀態(tài)整體轉(zhuǎn)好，但仍處于臨界不安全狀態(tài)。至2014年，生態(tài)環(huán)境指數(shù)出現(xiàn)下降，變成0.45，為較不安全狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境逐漸惡化；（3）各縣域生態(tài)環(huán)境差異明顯，24年間克東縣、拜泉縣、泰來縣生態(tài)環(huán)境指數(shù)變化較大，生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)惡化，其次為齊齊哈爾市市區(qū)、富?？h、依安縣、克山縣，基本維持在較不安全狀態(tài)，龍江縣、訥河市、甘南縣生態(tài)環(huán)境指數(shù)先增加后下降，生態(tài)環(huán)境受到破壞，生態(tài)退化。

關(guān)鍵詞：土地利用；生態(tài)環(huán)境效應；PSR；縣域；齊齊哈爾

中圖分類號： F323.211文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）10-0242-05

土地資源是人類賴以生存的基本物質(zhì)條件之一。隨著城市化、工業(yè)化進程的不斷加快，土地利用強度不斷加劇，人地矛盾日益突出，土地生態(tài)環(huán)境問題越來越嚴重，而生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)和前提，生態(tài)環(huán)境的破壞將直接危及自然生態(tài)系統(tǒng)，引發(fā)一系列土地生態(tài)問題，關(guān)于土地利用變化生態(tài)效應問題的研究已越來越受到國內(nèi)外學者的關(guān)注[1]。國外對土地利用變化的生態(tài)效應研究起步較早，主要針對土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)的某一方面效應而展開[2-8]，注重的是土地利用變化在全球尺度上的影響[9-10]。國內(nèi)部分學者通過研究土地利用變化，分析土地利用對大氣環(huán)境、土壤環(huán)境、水環(huán)境及生物多樣性等單一生態(tài)要素的影響[11-13]；另有部分學者通過構(gòu)建生態(tài)效應指標體系分析土地利用變化對生態(tài)環(huán)境的影響[14-16]，研究重點逐漸從土地利用的綜合生態(tài)環(huán)境效應轉(zhuǎn)向土地利用變化的生態(tài)環(huán)境響應方面，且注重于單環(huán)境要素的影響力，而社會經(jīng)濟壓力考慮較少，研究尺度主要集中于區(qū)域和地方。作為東北地區(qū)重要的商品糧基地和以重工業(yè)、裝備制造業(yè)為主的工業(yè)城市，齊齊哈爾市是黑龍江省“生態(tài)環(huán)境脆弱帶”之一[17]。近年來，隨著齊齊哈爾市工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的進程加快，人口大量增加，占用大量耕地，全市每年建設用地約占用耕地800 hm2，耕地水土流失面積占 1/2，土壤污染問題日益凸顯，這些環(huán)境問題都在以不同程度威脅齊齊哈爾市的土地生態(tài)安全及可持續(xù)發(fā)展，因此，以齊齊哈爾市為研究對象，從土地利用、自然狀況、人文影響3個方面出發(fā)，通過構(gòu)建土地利用變化生態(tài)環(huán)境效應評價指標體系，對該地區(qū)1990—2014年土地利用生態(tài)環(huán)境效應進行評價，研究齊齊哈爾市土地利用變化下的生態(tài)環(huán)境效應具有一定的現(xiàn)實意義。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1研究區(qū)概況

齊齊哈爾市地處松嫩平原，為黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古3?。▍^(qū)）交匯地帶，位于46°13′～48°55′N、122°24′～126°41′E。該地區(qū)屬中溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年均降水量563.1 mm，年均氣溫3.6 ℃，無霜期122～151 d，日照時數(shù) 2 714.4 h，平均海拔146 m，且土壤以暗棕壤、黑土、黑鈣土、草甸土和沼澤土為主。全市轄9個縣（市）及市區(qū)（富裕縣、拜泉縣、甘南縣、依安縣、克山縣、泰來縣、克東縣、龍江縣、訥河市和市轄區(qū)），2013年總?cè)丝?56.99萬。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

遙感影像原始信息來自美國陸地資源衛(wèi)星1990、2001、2014年3期Landsat TM/OLI影像，利用ENVI軟件進行影像波段的融合、校正、圖像增強等處理，其中校正以1 ∶[KG-*3]10萬地形圖等相關(guān)圖件資料進行輔助，以齊齊哈爾市土地利用區(qū)劃圖為底圖，考慮到該地區(qū)范圍較大，研究采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法對影像進行解譯。參照全國土地利用分類體系，將該地區(qū)土地利用類型分為耕地、草地、林地、建設用地、水域和未利用地六大類。并經(jīng)Google Earth選取采樣點進行精度驗證（Kappa=0.892 3），獲得齊齊哈爾市1990、2001、2014年土地利用現(xiàn)狀圖；自然、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來源于齊齊哈爾市及各縣域經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒和社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2研究方法

2.1評價指標體系構(gòu)建

生態(tài)環(huán)境效應是指人類生產(chǎn)與生活活動對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響，一般包括正負效應，并具有很強的綜合性。區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應受氣候、植被、土地利用變化及人類活動等諸多因素的影響，同時各因素之間又相互作用、相互影響，因此評價指標體系必須要考慮多要素的綜合影響及不同要素的自身特點[18]。

PSR概念模型具有非常清晰的因果關(guān)系[19-20]，其原理為人類活動對環(huán)境施加了一定的壓力，并隨之導致環(huán)境狀態(tài)發(fā)生改變，反過來人類社會又會對環(huán)境變化所帶來的效應作出如恢復環(huán)境質(zhì)量或防止環(huán)境退化等對應措施調(diào)整。PSR模型能夠清晰地反映出自然、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境因素三者之間的相互關(guān)系，能較全面地反映生態(tài)環(huán)境的過程效應。因此，本研究依據(jù)PSR概念模型，針對研究區(qū)特點和主要生態(tài)問題，同時遵循科學性、區(qū)域性、相對獨立性和可操作性等原則，從壓力、狀態(tài)、響應3個方面構(gòu)建土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應評價指標體系。評價體系主要包括目標層、準則層和指標層。以生態(tài)環(huán)境指數(shù)為目標層，以生態(tài)環(huán)境壓力、生態(tài)環(huán)境狀態(tài)和生態(tài)環(huán)境響應為準則層，綜合考慮地區(qū)特點，共選取14個指標構(gòu)成指標層（表1）。

（2）土地利用結(jié)構(gòu)多樣性指數(shù)（C11）用來反映區(qū)域內(nèi)各種土地的齊全程度或多樣化狀況，本研究采用吉布斯-馬?。℅ibbs-Mirtin）多樣化指數(shù)[21]進行多樣化指數(shù)的計算，其公式為

[JZ（]GM=1-∑f2i/（∑fi）2。[JZ）][JY]（2）

式中：GM表示多樣化指數(shù)；fi表示第i種土地利用類型的面積，km2。

多樣化指數(shù)越小，說明該區(qū)域的土地利用類型越少，即齊全程度越低。如果某地只有1種土地利用類型，則多樣化指數(shù)為0，如果土地均勻地分布在各種類型中，則多樣化指數(shù)為1。

土地利用程度指數(shù)體現(xiàn)土地利用的深度和廣度，不僅反映土地本身的自然屬性，也反映人類因素與自然因素的綜合效應。本研究參照劉紀遠等提出的土地利用程度綜合分析方法[22]，計算過程如下：首先，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態(tài)分為4個級別，即土地未利用級別、土地自然再生利用級別、土地人為再生利用級別、土地非再生利用級別，并對不同級別土地利用程度進行賦值（表2），得到各類型土地利用程度分級指數(shù)（Ci）；其次，在各類型土地利用程度分級指數(shù)的基礎(chǔ)上，計算土地利用程度綜合指數(shù)（La），計算公式如下：

[JZ（]La=100×∑[DD（]ni=1[DD）]Pi×Ci。[JZ）][JY]（3）

式中：Pi表示第i級土地面積的相對面積比例，Pi=Ai/At；Ai表示第i級土地利用面積，km2；At表示區(qū)域土地總面積，km2；Ci表示第i級土地利用程度分級指數(shù)；n表示土地利用程度分級總數(shù)。

2.2指標權(quán)重確定與標準化處理

由于各評價指標對生態(tài)環(huán)境的影響程度存在差異，其所占的比重也不盡相同。因此，根據(jù)指標的相對重要性，為增加評價指標賦權(quán)結(jié)果的客觀性和科學性，減少主觀隨意性，將層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合確定齊齊哈爾市土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應的評價指標權(quán)重（表1）。各項評價指標數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，且這些都具有自身的量綱與分布區(qū)間，無法直接進行比較與運算，為了使各數(shù)據(jù)間具有可比性，采用極差標準變換對原始數(shù)據(jù)進行標準化。

2.3生態(tài)環(huán)境指數(shù)計算

運用生態(tài)環(huán)境指數(shù)（environment index，EI），對齊齊哈爾市生態(tài)環(huán)境效應進行評價。根據(jù)評價指標和權(quán)重，計算求得生態(tài)環(huán)境指數(shù)。根據(jù)求得的生態(tài)環(huán)境指數(shù)，對齊齊哈爾市及所轄縣（市）生態(tài)環(huán)境效應進行評價，計算公式為：

式中：fi表示環(huán)境指標的標準化值；wi表示第i個指標的權(quán)重值；n表示指標個數(shù)。

2.4評價標準

根據(jù)土地生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，參照《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范（試行）》，借鑒參考文獻[17，23]的研究成果，結(jié)合齊齊哈爾市土地生態(tài)環(huán)境具體情況，共設定5個等級，將0～1的取值范圍共分為5個區(qū)間，依次對應5個等級，生態(tài)環(huán)境指數(shù)越大，生態(tài)環(huán)境狀況越好，反之則越差，具體劃分區(qū)間及說明見表3。

3.1土地利用變化特征分析

利用ArcGIS 9.3軟件平臺，對齊齊哈爾市1990、2001、2014年土地利用數(shù)據(jù)進行空間疊加處理，分析1990—2014年間土地利用轉(zhuǎn)移情況（表4、表5），發(fā)現(xiàn)24年間齊齊哈爾市土地利用變化非常強烈。耕地面積由1990年的 140.40萬hm2 上升至2014年的212.58萬hm2，其中1990—2001年間增加幅度達55.42萬hm2，變化尤其劇烈，其增加主要來源途徑為草地、林地和未利用地，其中草地面積增加貢獻率達到42.32%。林地面積增加幅度次于耕地，達到12.34萬hm2，區(qū)間內(nèi)變化呈先增后減的變化趨勢，即1990—2001年齊齊哈爾市林地面積由1990年的50.77萬hm2增加至63.11萬hm2，增加幅度為12.34萬hm2，截至2014年面積減少 6.69萬hm2，變?yōu)?6.42萬hm2，其流向主要為耕地，相對面積比例為58.84%；草地面積明顯減少，1990—2014年共減少46.79萬hm2，且面積減少主要集中在1990—2001年，面積共減少47.49萬hm2，去向絕大部分為耕地，相對面積比例 55.16%，之后呈現(xiàn)緩慢增加態(tài)勢，由2001年的55.09萬hm2增加到2014年的55.79萬hm2；水域面積緩慢減少，24年間共減少1.10萬hm2，且不同時間段變化特征不一致，1990—2001年水域面積反而增加8.4萬hm2，但伴隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，部分水域用地被開墾為耕地，其流向相對面積比例為 39.66%，其次為未利用地，達22.50%；經(jīng)濟建設的發(fā)展導致建設用地的擴張，1990—2014年間建設用地增加1282萬hm2，其面積主要增加時間集中在1990—2001年，由1990年的20.70萬hm2上升至2001年的30.60萬hm2，面積增加量達9.90萬hm2，該時間段內(nèi)建設用地擴張非常急?。?4年間未利用地面積減少27.78萬hm2，大部分轉(zhuǎn)化成耕地、林地和草地。說明齊齊哈爾市在“三化”治理、水土保持重大工程方面取得明顯的效果，且其主要減少時間段為2001—2014年，減少量達345.19萬hm2。

0.68下降到0.45，生態(tài)環(huán)境惡化，下降幅度達0.23。自1990年后，齊齊哈爾市實施了多項退耕還林、嫩江沙地治理、環(huán)城治沙防護林、水土流失治理等重大工程，加大了生態(tài)保護力度，生態(tài)環(huán)境狀況逐漸提高，所采取的一系列的生態(tài)恢復措施取得了明顯成效。但隨著“哈齊大”工業(yè)走廊的建立，該地區(qū)對土地利用投入明顯加強，人為干擾程度提高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)下降，未來仍須加強當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的治理與恢復力度。

3.3土地利用生態(tài)環(huán)境效應空間分布特征分析

不同縣域生態(tài)環(huán)境要素存在差異，其生態(tài)環(huán)境狀況也各不相同。根據(jù)生態(tài)環(huán)境指數(shù)公式計算出齊齊哈爾市10個縣域（包括市區(qū)）1990、2001、2014年3期生態(tài)環(huán)境指數(shù)（圖1），并借助ArcGIS軟件空間化表達出各縣域的生態(tài)環(huán)境指數(shù)的分布差異特征（圖2）。

1990—2014年，齊齊哈爾市生態(tài)環(huán)境狀況整體呈惡化趨勢。其中，泰來縣、克東縣、拜泉縣生態(tài)環(huán)境指數(shù)持續(xù)下降，尤以1990—2001年的克東縣和拜泉縣下降程度最為明顯，訥河市、龍江縣、甘南縣、富?？h、克山縣均表現(xiàn)為先升后降的趨勢，齊齊哈爾市市區(qū)和依安縣變化較為平緩，處于較不安全狀態(tài)。

[FL（2K2]變化特征具體表現(xiàn)為：1990年克東縣和拜泉縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于較安全狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境指數(shù)分別達到0.78、0.74，其次為泰來縣，生態(tài)環(huán)境指數(shù)為0.64，處于臨界不安全狀態(tài)，以上3個縣域多位于齊齊哈爾市邊遠地帶，經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)以農(nóng)業(yè)種植為主，生態(tài)環(huán)境相對較好，訥河市、克山縣、龍江縣、依安縣、富?？h、甘南縣和齊齊哈爾市市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量均處于較不安全狀態(tài)，其中齊齊哈爾市市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)達到最低的0.46，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最為惡劣。

至2001年，各縣域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量格局變化較強烈，其中克東縣由1990年的較為安全變?yōu)?001年的極不安全，生態(tài)環(huán)境指數(shù)下降為0.39，土地生態(tài)系統(tǒng)退化嚴重，該地區(qū)坡耕地水土流失現(xiàn)象嚴重，且主要以水蝕為主，縣域內(nèi)年降水量分布不均，自然災害頻繁發(fā)生，生態(tài)環(huán)境不斷惡化。拜泉縣、泰來縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也出現(xiàn)惡化情形，其中拜泉縣變?yōu)檩^不安全狀況，指數(shù)由1990年的0.74變?yōu)?.40，泰來縣生態(tài)環(huán)境指數(shù)變?yōu)?.49。泰來縣與大慶市毗鄰，大慶市外圍油氣的開采已經(jīng)延伸到泰來縣，使得該地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化較強烈，生態(tài)受到破壞，并出現(xiàn)一系列的鹽堿化、草原退化等現(xiàn)象。而拜泉縣植被覆被度較差，夏季干旱少雨，水土流失現(xiàn)象較易發(fā)生。同期訥河市、甘南縣、龍江縣生態(tài)環(huán)境由原來的較不安全轉(zhuǎn)為臨界不安全，略有好轉(zhuǎn)，生態(tài)環(huán)境指數(shù)分別增加0.15、0.09、0.11，表明該地區(qū)在防沙治沙、草原的“三化”治理和水土流失治理等方面取得了一定的成效，特別是龍江縣和甘南縣沙化耕地農(nóng)田防護林的建設，使得該地區(qū)生態(tài)環(huán)境得到提升。

2014年各縣（市）生態(tài)環(huán)境指數(shù)較之前年份值均有所下降，拜泉縣和泰來縣繼續(xù)維持惡化趨勢，均由2001年的較不安全狀態(tài)變?yōu)?014年的極不安全，其中泰來縣生態(tài)環(huán)境狀況最差，生態(tài)環(huán)境指數(shù)由2001年的0.49下降到0.26。訥河縣和龍江縣由臨界不安全變?yōu)?014年的極不安全，而甘南縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量同時出現(xiàn)惡化，也由臨界不安全變?yōu)檩^不安全。盡管克山縣、依安縣、富?？h和齊市齊哈爾市區(qū)仍處于較不安全狀況，但生態(tài)環(huán)境指數(shù)均出現(xiàn)不同程度的下降，下降幅度分別為0.20、0.01、0.11、0.07。

4結(jié)論與討論

以齊齊哈爾市為研究對象，分析該地區(qū)土地利用變化特征并運用PSR模型構(gòu)建土地利用變化生態(tài)環(huán)境效應評價指標體系，對1990、2001、2014年研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境效應進行評價分析，結(jié)論如下：（1）24年間，齊齊哈爾市土地利用變化強烈，其中耕地變化主要集中在1990—2001年，林地面積先增后減，其流向主要為耕地，草地面積變化主要集中在1990—2001年，其間面積共減少47.49萬hm2，水域面積緩慢下降，建設用地增加較為強烈，24年間達到12.82萬hm2，且面積增加時間段主要集中于1990—2001年，未利用地大量減少，幅度為27.77萬hm2，大部分流向為耕地、林地和草地。（2）齊齊哈爾市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在波動中變化，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)先升后降的態(tài)勢。1990—2001年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量由較不安全轉(zhuǎn)變?yōu)榕R界安全，生態(tài)環(huán)境指數(shù)由0.58增加到0.68，隨后生態(tài)系統(tǒng)功能退化，由臨界不安全轉(zhuǎn)為較不安全，生態(tài)環(huán)境指數(shù)從0.68下降到0.45，生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)惡化。（3）1990—2014年，齊齊哈爾市生態(tài)環(huán)境狀況整體呈現(xiàn)惡化趨勢，尤以1990—2001年的克東縣和拜泉縣下降程度最為明顯。1990年克東縣和拜泉縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好，環(huán)境指數(shù)分別達到 0.78、0.74，齊齊哈爾市市區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最差，僅0.46。2001年克東縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量格局惡化最為嚴重，生態(tài)環(huán)境指數(shù)降為0.39，拜泉縣和泰來縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也出現(xiàn)惡化，訥河市、甘南縣、龍江縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善。2014年各縣（市）生態(tài)環(huán)境指數(shù)較之前年份值均有所下降，其中拜泉縣和泰來縣繼續(xù)維持惡化趨勢，泰來縣生態(tài)環(huán)境狀況最差，訥河縣和龍江縣由臨界不安全變?yōu)闃O不安全，甘南縣由臨界不安全變?yōu)檩^不安全，其余縣域均保持較低的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降趨勢。

作為以農(nóng)業(yè)和工業(yè)發(fā)展起來的齊齊哈爾市，生態(tài)環(huán)境狀況惡化的原因主要為：一是隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人口的不斷增加，特別是工業(yè)化和城市化進程的加快，對土地資源的需求逐年增加，由此導致建設用地占用大量的耕地、耕地后備資源短缺、土地的不合理利用、植被覆蓋度降低、森林面積減少等一系列土地利用問題，土地的鹽堿化和水土流失十分嚴重。同時，工業(yè)排放大量的廢氣、廢水和廢渣，也造成嚴重的土壤污染。二是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，由于使用大量的農(nóng)用化肥、農(nóng)藥以及農(nóng)用薄膜，造成土壤的嚴重污染，進而影響土壤的質(zhì)量。研究表明，近20多年來齊齊哈爾市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈現(xiàn)下降趨勢，1990—2001年各縣域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量盡管趨于惡化，但部分縣域環(huán)境質(zhì)量水平有所改善；而2001—2014年，齊齊哈爾市各縣域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量均同時維持下降趨勢，但下降速度存在差異。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量直接關(guān)系到當?shù)匚磥淼募Z食安全和人們生活質(zhì)量問題，影響到農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，當?shù)卣磥響铝τ谂Ω纳飘數(shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，研究為該地區(qū)土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護提供決策支持。

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