汪容基,趙小敏,郭 熙,葉英聰,李 怡,周 洋
(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院/江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室,江西 南昌 330045)
【研究意義】研究土地利用轉(zhuǎn)型及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是探討和預(yù)測區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與變化的途徑,也是未來合理規(guī)劃土地轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ),對環(huán)境治理、生態(tài)保護(hù)、國土空間格局優(yōu)化[1]有重要的理論與實際意義。合理的土地利用轉(zhuǎn)型對于推動城鄉(xiāng)融合發(fā)展、區(qū)域糧食安全[2]、“三生空間”用途管制[3]、地區(qū)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要作用。本文對鷹潭市的土地利用轉(zhuǎn)型特征與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行研究,探討其內(nèi)在邏輯聯(lián)系,以期為協(xié)調(diào)市域國土空間規(guī)劃、土地利用政策的實施以及環(huán)境保護(hù)提供借鑒?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】國內(nèi)近年對于土地利用轉(zhuǎn)型的研究尺度主要集中于省[4-5]、流域[6-7]、典型地區(qū)[8-9];研究內(nèi)容包括對土地利用轉(zhuǎn)型的特征及驅(qū)動因素[10-11]、土地轉(zhuǎn)型與社會經(jīng)濟發(fā)展[12]、城鄉(xiāng)融合[13]、生態(tài)服務(wù)價值[14]、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[15-16]、生態(tài)風(fēng)險評價[17]、景觀格局變化[18-19]以及建設(shè)用地[20]、耕地[21]、農(nóng)村居民點[22]等單一的土地利用變化分析中;國內(nèi)外學(xué)者對于土地利用轉(zhuǎn)型的研究方法主要包括土地利用變化綜合評價、系統(tǒng)診斷模型、系統(tǒng)動力學(xué)模型、土地利用變化動態(tài)模型等?!颈狙芯壳腥朦c】鷹潭被譽為“世界銅都”,是亞洲最大的銅工業(yè)生產(chǎn)基地,對鷹潭市進(jìn)行個案研究能為礦產(chǎn)資源區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供經(jīng)驗。前人的研究多集中于耕地、建設(shè)用地、農(nóng)村居民點等單一土地類型的轉(zhuǎn)變,以“三生空間”角度來探索市域城鄉(xiāng)全域全地類的要素聯(lián)動[23],綜合探析研究區(qū)內(nèi)部土地轉(zhuǎn)換過程及其引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),是研究土地利用轉(zhuǎn)型的重要切入點,對于推動江西省“生態(tài)文明建設(shè)試驗區(qū)”建設(shè)有重要意義?!緮M解決的關(guān)鍵問題】從“三生空間”的角度出發(fā),基于自然資源部門土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù),借助ArcGis、Gs+軟件技術(shù)和地統(tǒng)計分析方法,以格網(wǎng)為尺度,探究鷹潭市土地類型轉(zhuǎn)變的特征及其造成的生態(tài)環(huán)境影響。
鷹潭市(116°41'~117°30'E,27°35'~28°41'N)位于江西省東北部、信江中下游,地處武夷山脈與鄱陽湖平原過渡的交接地帶,轄區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)溫和氣候。鷹潭市現(xiàn)有貴溪市、月湖區(qū)、余江區(qū)三個轄區(qū),地勢中部較低,南北部較高(圖1),總面積約356 000 hm2,其中林地占市域總面積的52%。鷹潭市土地肥沃、礦產(chǎn)資源豐富,是江西省重要的商品糧基地及經(jīng)濟區(qū),是全國最大的銅冶煉、銅加工基地及重要的銅消費區(qū),被譽為“世界銅都”。
圖1 鷹潭市高程Fig.1 Yingtan City DEM
基于2010、2014、2018 年三期鷹潭市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),按自然資源部門土地利用調(diào)查行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并參考張紅旗[[24]、于莉[25]的分類將土地類型進(jìn)行整合形成新的“三生空間”土地利用分類系統(tǒng)。一種土地類型可能會有多種功能,例如耕地既有生產(chǎn)功能也有生態(tài)功能,甚至還有教育功能,但按人的主觀意志來講,耕地的主要功能是糧食生產(chǎn),因此將耕地歸為生產(chǎn)用地。按土地利用的主導(dǎo)功能,同時參考李曉文等[9,15,26-29]的研究成果,并結(jié)合研究區(qū)各地類圖斑的實際情況,采用面積加權(quán)法,對二級地類的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行模糊賦值(表1)。
表1 土地利用主導(dǎo)功能分類及其生態(tài)環(huán)境指數(shù)Tab.1 Classification of the dominant functions of land use and its eco-environmental quality index
轉(zhuǎn)移矩陣并非一種指數(shù),只是將土地變化轉(zhuǎn)移的面積按矩陣形式表示,作為分析土地結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)。借助ArcGis10.7 軟件對2010、2014、2018 年3 期土地現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)中任意2 期數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析運算[ArcToolbox>Analysis Tools>Overlay>Intersect],可以得到土地類型轉(zhuǎn)移的方向與數(shù)量,能較好表征出土地利用類型轉(zhuǎn)移的方向。其表達(dá)式為:
式(1)中:S表示某一地類的面積,i、j分別為在研究初期和末期的土地利用類型,n為土地利用類型數(shù)。當(dāng)i≠j時,Sij代表第i類土地轉(zhuǎn)換為第j類土地的面積;當(dāng)i=j時,Sij代表該地類未發(fā)生變化的面積。
2.2.1 生態(tài)單元的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)模型 本研究將土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的用地斑塊視作采樣點。2010 年、2014年、2018年3個時期的土地利用斑塊數(shù)均近10萬個。參考經(jīng)驗公式[30],并經(jīng)過多次試驗,最終選擇以500 m×500 m 格網(wǎng)對研究區(qū)進(jìn)行等距離采樣,生成約1.4 萬個樣區(qū)。綜合考慮各生態(tài)單元內(nèi)的地類圖斑面積及其生態(tài)環(huán)境狀況,定量分析各生態(tài)單元的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。其表達(dá)式為:
式(2)中:EV(x)為第x個生態(tài)單元的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),Ri為第i類土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),Sxi為第x個生態(tài)單元內(nèi)i類土地利用類型的面積,Sx為第x個生態(tài)單元的面積;n為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型數(shù)量。
2.2.2 地統(tǒng)計分析 將計算出的近4.4萬個生態(tài)單元的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)賦值給樣區(qū)幾何中心,采用半變異函數(shù)分析方法,運用Gs+軟件將3 期質(zhì)量數(shù)據(jù)與半變異函數(shù)進(jìn)行擬合,再根據(jù)每個生態(tài)單元的質(zhì)量值進(jìn)行插值,可得到研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分異情況。半方差表達(dá)式為:
式(3)中:r(h)是半方差;h是樣本距;M(xi)、M(xi+h)是xi、xi+h處的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);n是間距為h的樣本總數(shù)。運用Gs+空間分析對半變異函數(shù)進(jìn)行擬合,然后對各單元的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)用克里金法進(jìn)行空間插值。根據(jù)研究區(qū)實際情況,將插值結(jié)果分為5 級:低質(zhì)量區(qū)(≤0.4)、較低質(zhì)量區(qū)(0.4 <E≤0.5)、中質(zhì)量區(qū)(0.5 <E≤0.6)、較高質(zhì)量區(qū)(0.6 <E≤0.7)和高質(zhì)量區(qū)(E>0.7)。
2.2.3 土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻(xiàn)率 土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻(xiàn)率是指某種土地利用類型轉(zhuǎn)變所導(dǎo)致的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改變[31]。從正負(fù)兩方面量化土地類型轉(zhuǎn)變造成的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),可以分離出影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變動的土地轉(zhuǎn)換類型,便于探討造成區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的主導(dǎo)因素,其表達(dá)式為:
式(4)中:LEI為某一種土地類型變化的生態(tài)貢獻(xiàn)率,LE0、LE1分別為某種土地類型在變化初期、末期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),LA為某種變化類型的面積;TA為區(qū)域總面積。
3.1.1 土地利用的基本情況 總體來看,2010—2018年,鷹潭市生產(chǎn)用地、生活用地呈現(xiàn)不斷增加的趨勢,生態(tài)用地則呈不斷減少的趨勢。生產(chǎn)用地由2010年的111 247.52 hm2增長為2018年的113 462.71 hm2;生活用地由2010年的24 178.58 hm2增長為2018年的27 538.40 hm2;生態(tài)用地則由2010年的220 574.42 hm2減少為2018 年的214 999.25 hm2。3 種“三生空間”用地類型中,生態(tài)用地數(shù)量最多,占整個研究區(qū)域面積的60.39%。生產(chǎn)用地中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地分布最多最廣,2018 年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地為107 160.71 hm2,多分布于西部平原、中部信江盆地、北部低山地區(qū);生活用地中農(nóng)村生活用地最多,在整個研究區(qū)中呈零散點狀分布;鷹潭市森林資源豐富,林地數(shù)量最多,分布于懷玉山支脈片區(qū)、南部山地地區(qū)、武夷山北部片區(qū)。其他生態(tài)用地有4 376.79 hm2,多分布于信江盆地處,表明鷹潭市后備資源較充足,可開發(fā)利用程度較高。
生產(chǎn)用地在2010—2014 年、2014—2018 年間增長幅度大致相同,2 個時段都增加了約1 107 hm2;生活用地在2014—2018 年增長幅度小于2010—2014 年,前4 年增加2 381.45 hm2,后4 年增加978.36 hm2;生態(tài)用地減少的幅度2014—2018 年也比2010 年—2014 年減少,前4 年減少3 489.38 hm2,后4 年減少2 085.90 hm2。2014 年,江西成為首批生態(tài)文明先行示范區(qū)建設(shè)省份。表明自2014 年起,鷹潭市更加重視生態(tài)建設(shè),生態(tài)用地被大量占用現(xiàn)象得到有效控制(圖2,表2,圖3,表3)。
表3 二級地類用地面積及其變化Tab.3 Second-class land area and changehm2
圖2 “三生空間”用地分布Fig.2 Land use distribution of“production-living-ecological space”
圖3 2010—2018年“三生空間”二級地類分布Fig.3 The distribution map of the secondary land types of“production-living-ecological land”from 2010 to 2018
表2 “三生空間”用地面積及其變化Tab.2 “Production-living-ecological space”land area and change hm2
3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)型分析 根據(jù)2010—2018年鷹潭市的土地利用轉(zhuǎn)移和弦圖(圖4)、(表4,表5)矩陣以及“三生空間”用地分布圖,來分析各個時間段內(nèi)鷹潭市土地利用類型的內(nèi)部變化情況,從而為研究生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供依據(jù)。2010—2018年鷹潭市各功能用地轉(zhuǎn)移變化呈現(xiàn)以下特點。
表4 2010年—2014年鷹潭市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.4 2010—2014 Yingtan City land use transfer matrix hm2
表5 2014年—2018年鷹潭市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.5 2014—2018 Yingtan City land use transfer matrix hm2
圖4 2010—2018年鷹潭市土地利用轉(zhuǎn)移和弦圖Fig.4 Chord diagram of land use transfer in Yingtan City from 2010 to 2018
(1)2010—2014年,隨著城鎮(zhèn)化水平的提高,對于生活用地的需求不斷增加,用地供需矛盾進(jìn)一步體現(xiàn)。生產(chǎn)用地中,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地流出最多,有608.06 hm2、583.14 hm2分別轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地,轉(zhuǎn)移比例為0.58%、0.55%。受城鎮(zhèn)化影響,城鎮(zhèn)邊緣的農(nóng)村生活用地有24.04 hm2變?yōu)槌擎?zhèn)生活用地。生態(tài)用地中,林地轉(zhuǎn)移面積最多,708.89 hm2轉(zhuǎn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,689.65 hm2轉(zhuǎn)為草地生態(tài)用地,462.67 hm2轉(zhuǎn)為農(nóng)村生活用地,346.89 hm2轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)生活用地,131.16 hm2轉(zhuǎn)為工礦生產(chǎn)用地,轉(zhuǎn)移比例分別為0.37%、0.36%、0.24%、0.18%、0.07%;草地生態(tài)用地的主要轉(zhuǎn)移地類為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,轉(zhuǎn)移面積為767.12 hm2,轉(zhuǎn)移比例為13.4%;其他生態(tài)用地的主要轉(zhuǎn)移地類也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,轉(zhuǎn)移625.78 hm2,轉(zhuǎn)移比例為11.9%。表明2010—2014年城鎮(zhèn)化速度較快,生活用地大量增加。
(2)2014—2018 年,在江西省大力倡導(dǎo)生態(tài)文明建設(shè)的背景下,鷹潭市積極響應(yīng)出臺了一系列政策,如退耕還草還林、進(jìn)行山水林田湖草生態(tài)修復(fù)等,這一時段內(nèi)的土地利用變化趨勢顯著弱于2010—2014 年。生產(chǎn)用地中,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移面積最大,有312.11 hm2轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)生活用地,176.01 hm2轉(zhuǎn)為農(nóng)村生活用地,轉(zhuǎn)移比例分別為0.29%、0.16%。生活用地在這一時段內(nèi)轉(zhuǎn)移面積變化不大。生態(tài)用地中林地轉(zhuǎn)移面積最大,1 072.13 hm2轉(zhuǎn)移為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、195.46 hm2轉(zhuǎn)移為農(nóng)村生活用地、164.32 hm2轉(zhuǎn)移為城鎮(zhèn)生活用地、90.83 hm2轉(zhuǎn)移為工礦生產(chǎn)用地,轉(zhuǎn)移比例為0.57%、0.1%、0.08%、0.04%;其次為草地生態(tài)用地,有268.79 hm2轉(zhuǎn)移為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,轉(zhuǎn)移比例為4.8%。其他用地類型變化不大。
(3)對比2010—2014 年和2014—2018 年土地轉(zhuǎn)移矩陣可看出,用地轉(zhuǎn)入最多的城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地,在2014—2018 年轉(zhuǎn)入明顯減少,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地開始逐漸向林地生態(tài)用地、草地生態(tài)用地轉(zhuǎn)入。研究期間內(nèi)減少最多的林地生態(tài)用地的減少數(shù)量也開始縮小,城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地開始平穩(wěn)增加。說明以“生態(tài)文明建設(shè)”為主導(dǎo)的一系列政策、措施的實施有效緩解了用地矛盾,土地利用轉(zhuǎn)型趨于平穩(wěn)。
運用Gs+軟件對根據(jù)(2)式所計算出的3期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)球面模型對3期數(shù)據(jù)的擬合度最高,因此采用球面模型對計算所得3期質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值,得到鷹潭市2010—2018年的土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積分布圖、表。
3.2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級分布與變化特征 根據(jù)2010—2018 年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)可看出,鷹潭市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)總體上呈下降趨勢,但在2014 年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)在2010 年為0.605 5、2014年為0.596 2、2018年為0.598 0。表明自2014年開始,鷹潭市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)變化出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量開始得到改善。
區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一般同時存在改善與惡化兩種相反趨勢,在相當(dāng)程度上這兩種趨勢可以相互抵消[32],使其在總體上維持相對穩(wěn)定,但指數(shù)的穩(wěn)定并不等于生態(tài)環(huán)境未發(fā)生改變。生態(tài)環(huán)境低、較低質(zhì)量區(qū)主要分布于鷹潭市的中心城區(qū)區(qū)域;高質(zhì)量區(qū)主要分布于林地分布廣泛的懷玉山支脈片區(qū)、武夷山北坡片區(qū)。從面積變化來看,鷹潭市生態(tài)環(huán)境低、較低質(zhì)量區(qū)呈現(xiàn)增長的趨勢,高質(zhì)量區(qū)呈現(xiàn)出減少的趨勢。在2010—2014年低、高質(zhì)量區(qū)的空間變化較為明顯,低質(zhì)量區(qū)占比由10%升到22%,高質(zhì)量區(qū)占比由62%降到52%;在2014—2018年間,低質(zhì)量區(qū)與高質(zhì)量區(qū)的變化不大,趨于平穩(wěn)(表6,圖5)。
圖5 鷹潭市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級分布Fig.5 Distribution of ecological environment quality grades in Yingtan City
表6 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級面積及比重Tab.6 The area and proportion of the ecological environment quality grade
3.2.2 土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻(xiàn)率 土地利用轉(zhuǎn)型造成的生態(tài)環(huán)境影響分為正效應(yīng)與負(fù)效應(yīng)。(1)2010—2014年,鷹潭市生態(tài)環(huán)境得到改善的主要原因是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)換為草地生態(tài)用地;而惡化的主要原因是因為林地轉(zhuǎn)換為生活用地、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,草地生態(tài)用地轉(zhuǎn)換為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地。(2)2014—2018 年,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要原因是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)換為林地、草地,這與鷹潭市政府實施退耕還林還草政策有關(guān);生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要原因還是林地生態(tài)用地的流出,但林地的流出與前4年相比,數(shù)量已大大減少(表7,表8)。
表7 2010—2014年主要地類轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)Tab.7 Eco-environmental effects of the transformation of major land types from 2010 to 2014
本文從“三生空間”的視角來定量分析鷹潭市在2010—2018 年的土地利用轉(zhuǎn)型、轉(zhuǎn)移特征及其引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。主要分析結(jié)論如下:
(1)在土地利用類型轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的雙重視角下,鷹潭市在研究期間整體呈現(xiàn)生態(tài)用地減少,生產(chǎn)用地與生活用地增加的特點。林地流出面積最大,成為其他用地增長的主要來源;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地則是最主要的接受者。
(2)2014 年,江西省成為國家首批“生態(tài)文明建設(shè)試驗區(qū)”。在此政策背景下,鷹潭市積極響應(yīng)并采取措施,2014—2018年的土地變化趨勢明顯小于2010—2014年,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)在2014年由降轉(zhuǎn)升,用地矛盾得到有效緩解。生態(tài)環(huán)境低、較低質(zhì)量區(qū)的面積呈現(xiàn)擴大的趨勢,但擴張速度逐年減緩,鷹潭市的生態(tài)環(huán)境惡化趨勢得到有效遏制,預(yù)計未來生態(tài)質(zhì)量會持續(xù)好轉(zhuǎn)。林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地是生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地退耕還林還草是生態(tài)環(huán)境改善的重要因素。
(3)伴隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),鷹潭市存在著大量建設(shè)用地占用生產(chǎn)用地,生產(chǎn)用地占用生態(tài)用地的情況。對此,鷹潭市的發(fā)展應(yīng)從顯性與隱性兩個方面對土地利用轉(zhuǎn)型進(jìn)行全局的掌控,注重各地類的內(nèi)部潛力挖掘。積極推進(jìn)生態(tài)環(huán)境治理工作,實行生態(tài)用地有償占用制度、生態(tài)空間用途管制制度[33],加大土地利用的合理規(guī)劃以及生態(tài)環(huán)境治理力度,從而保障鷹潭市的社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,全面提升鷹潭市生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)水平。
(4)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)不僅與土地利用轉(zhuǎn)型的面積有關(guān),還與景觀格局變化[34-35]、地類圖斑有關(guān)。在本研究中僅以面積變化作為分析指標(biāo)較為單一,且并未深入研究造成土地利用轉(zhuǎn)型的驅(qū)動力因素,未來需進(jìn)一步結(jié)合鷹潭市的社會經(jīng)濟發(fā)展、政策、實際現(xiàn)實情況以及結(jié)合不同的影響指標(biāo),研究每個發(fā)展階段的土地利用轉(zhuǎn)型的驅(qū)動因素[36],深入剖析土地利用轉(zhuǎn)型的相關(guān)問題。