苏锡常地区土地利用变化时空分异及其生态环境响应

第27卷　第3期2008年5月地 理 研 究GEO GRA P HICAL RESEA RC H Vol 127,No 13May ,2008 收稿日期:2007208205;修订日期:2008201219 基金项目:国家自然科学基金项目(40371106);江苏省研究生科研创新计划(CX07B _042z );江苏省自然科学基金项目(K B2005080)。

作者简介:涂小松(19772),男,江西德安人,博士生。

主要从事土地评价与土地利用规划研究。

E 2mail :txsnju @yahoo 1com 1cn苏锡常地区土地利用变化时空分异及其生态环境响应涂小松,濮励杰(南京大学地理与海洋科学学院国土资源与旅游学系,南京210093)摘要:以苏州、无锡和常州所辖市(区)为分析单元,揭示土地利用变化的时空分异特征,结合对该区域生态环境状况的评价,重点分析土地利用变化时空分异的生态环境响应。

结果表明:1980～2000年苏锡常地区土地利用变化的主导类型是城乡建设用地大量扩张和耕地资源急剧减少,土地利用变化类型趋于多样化;土地利用结构存在不同程度的空间差异性,土地利用有序性和综合变化速度也具有明显的空间分异特征,土地利用系统趋向于复杂无序和加速演化;区域多数单元的生态环境状况不断变差,且对土地利用变化时空分异具有明显的响应特征;生态环境状况对土地利用有序性和综合变化速度的响应程度具有明显的区域差异性,而且这种响应和差异性程度都有所加强。

关键词:土地利用变化;生态环境;时空分异;苏锡常地区文章编号:100020585(2008)03205832121　引言 城市化是人类对土地利用的重要作用方式之一[1]。

受主客观因素的影响,在城市化进程中土地利用往往表现为林地、草地、耕地和水域等向城乡建设用地加速转化[2～4],并伴随着区域社会、经济和生态环境条件的进一步变化[5]。

最为明显的特征是具有生态环境保护功能的用地不断减少,从而导致土地生态环境压力持续增加,这种现象在快速城市化地区表现得尤为突出[6]。

近年来许多地区发生的一系列生态环境问题,更是引发了人们对人类活动所引起的土地利用变化及其生态环境响应的深刻反思和广泛关注[7～9]。

学者们已就土地利用变化对区域生态环境、土壤质量、沙漠化等方面的影响开展了大量研究工作[10～12];同时经过长期探索,认为地域分异及地方性分异研究可以作为土地利用研究的主要任务和有效手段,如:土地利用变化规律与趋势的地域分异[13,14],土地利用地域分异的成因与机理[15],或把土地利用结构的地域分异作为其他现象或规律的成因乃至影响因素进行研究[16～19]。

尽管这些研究从不同侧面揭示了土地利用变化及其生态环境响应特征方面的诸多科学问题,但从时空分异角度,综合考查土地利用变化的动态差异性和生态环境状况的时空特征、系统地探讨土地利用变化对生态环境的影响还有待进一步研究。

本文试图就此做一些探索,以期服务于区域生态建设、环境保护、功能区划和土地利用　地 理 研 究27卷584管理。

苏州、无锡、常州(简称苏锡常地区,SXC)紧靠沪、宁、杭,位于长江三角洲的核心区域,具体范围在119°7′～121°23′E、30°45′～32°2′N。

区域自然条件优越,开发历史悠久,经济实力雄厚,是江苏省乃至全国生产力布局的重点地区和基本经济区。

随着工业化、城镇化的不断发展和人口的快速增长,该地区人地矛盾、人与空间的不协调状态日益严重,经济高速发展和快速城市化给区域生态环境带来了许多负面影响[20]。

可以说苏锡常地区是全国改革开放发展历程中的一个触角,选取该地区开展土地利用变化时空分异及其生态环境响应研究,具有典型代表性和重要实践意义。

2　研究数据与研究方法211　数据来源与处理 选取苏州、无锡和常州下辖的12个市(区)为分析单元(如图版4图1),行政总面积为17513km2。

分析时段为1980～2000年,其中前10年地区经济总量和社会投资水平相对较低,而随着改革开放的深入推进,尤其是外资企业大量进驻,“八五”期间GDP和社会投资都进入高速增长期,并直接驱动土地利用格局加速演变。

而1995年以后又进入宏观调控的关键时期,土地利用格局也表现出不同的演变特征。

因此以1995年为时段分界点,土地利用数据来源于Landsat TM影像,获取时间分别为1980年10月13日、1995年11月18日和2000年10月8日,空间分辨率为30m×30m。

其他数据源于《江苏五十年》、《江苏省农用地资源分等研究》等统计调查资料。

遥感影像预处理主要包括相对辐射校正、几何纠正、面积提取等[21]。

以研究区1996年的地形图为基准,采用三次多项式对3个时相的遥感影像进行几何纠正,经重新选点检验,配准误差在一个象元之内。

再以2000年遥感影像为标准,采用SCR(Scatter-gram Cont rolled Regression)方法,以一次线性回归的形式对1980年和1995年的遥感影像进行简易标准化处理。

在此基础上根据《全国土地分类》(过渡期间适用)及研究区实际情况,将土地利用类型重分为水田、旱地、林地、草地、河流湖泊、其他水域、城镇及工矿用地等、农村居民点用地和未利用地9类。

参考同期的地面数据,随机选取若干样本区域,计算分类误差矩阵和kappa系数,对最后得到的土地利用结果图进行精度检验,3个时相的综合分类精度依次达到79105%、88128%和89154%,各类用地kappa系数也都超出最低允许判别精度70%的要求。

虽然分类精度仍可能会对下文有关指标的计算造成相应的不确定性影响,但这并不影响各指标对土地利用时空分异特征的表达。

此后进一步分单元统计相应的土地面积及结构,通过栅格计算得到2个时段土地利用变化主导类型数据(图版4图1)。

土地利用生态环境压力指标需要经过标准化处理,本文采取极差标准化法。

212　研究方法21211　土地利用变化时空分异分析方法　土地利用变化时空分异在很大程度上都反映于土地利用结构的时空分异,本文主要采用计量经济学和景观生态学中有关数量分析方法,进行土地利用时空分异的定量分析。

分析指标和计算方法如下: (1)土地利用结构差异度系数D j　欧氏距离系数是度量n维空间两点之间距离(差异)的常用系数之一,这里尝试构建反映土地利用结构差性的欧氏距离系数D j,将其用于衡量土地利用结构变化的时空分异程度,D j≥0,值越大,结构差异性越大。

　3期涂小松等:苏锡常地区土地利用变化时空分异及其生态环境响应585　D j =∑mi =1(P xi -P yi )2(1)式中:i 为土地类型,P xi 和P yi 分别为x 区域和y 区域i 类用地所占比重,j 表示时相。

(2)土地利用结构信息熵H j 土地利用系统是一个复杂的综合系统,其内部结构的有序性可以用信息熵表示[22,23],土地利用类型越多且比例越平均,熵值越大,系统越复杂无序。

这里在计算该指标的基础上,进一步求算不同时期土地利用结构信息熵的年均变化率λ,用以分析土地利用系统有序性的动态分异。

H j =-∑mi =1P i ln P i (2)λ=1n H j +1H j-1×100%(3)式中:P i 表示某单元第i 种土地利用类型所占比重,m 为土地利用类型数,n 为期间年度间隔,j 为时相。

(3)土地利用类型综合转换速率V 土地利用/覆被变化的实质是区域内不同用地类型间的相互转换,这里用年均综合转换速率系数表示。

它有效综合了单元内各种用地类型的变化速度信息,且考虑了单元土地面积总量及结构因素,V 的大小影响着区域生态环境状况的稳定性。

V =1n ∑m i =1A (j +1)i -A (j )i A (j )i 2・A (j )i S (4)式中:A (j )i 表示j 时期第i 类用地面积,S 表示某单元土地总面积,其他同上。

21212　土地利用变化生态环境响应分析方法　土地利用变化往往直接导致区域植被覆盖、生物丰度和土壤条件等生态环境因素的变化[24]。

本文以国家环保总局制定的《生态环境状况评价技术规范(试行)》(以下简称“规范”)为基础,根据区域实际情况对其作适当调整,用来定量评价和比较区域生态环境状况,并进一步与土地利用时空分异的有关量化指标相结合,综合分析土地利用变化时空分异的生态环境响应。

(1)生态环境状况评价指标体系与方法　根据《规范》,生态环境指标体系分为4个层次,即目标层、准则层、指标层和分指标层。

目标层为生态环境状况指数EI ,准则层包括生物丰度BR 、植被覆盖VC 、水网密度WD 、土地退化LD 、环境质量EQ 等5大指数,由指标层和分指标层进一步解释。

这里仅对文章调整部分作简要说明,其他权重设置与指标计算等内容参见《规范》。

具体调整如下:①研究区水资源量比较丰富,且总量变化并不大,因此去除水网密度指数下的水资源量指标,相应的河流密度和湖库密度指标权重分别调整为014和016;②将环境质量指数下的SO 2和COD 分别替换为工业废水排放量和工业废气排放量,权重遵照《规范》;③考虑到研究区土地退化程度极轻,将其权重由《规范》中的012适当下调至0115,而将植被覆盖指数权重调整为0125。

各指标都进行了极大值标准化处理,使EI 值的计算消除了量纲的影响。

但在上述土地分类精度和调查数据可靠性范围内,分析单元的地表覆盖状况是确定的,因而计算结果也具有确定性。

生态环境状况评价方法与《规范》基本一致,主要对土地退化指数计算作了调整,使得农地侵蚀面积越小,指数值越大,EI 指数也越大,公式如下:L D =100-A (0105S 1+0125S 2+017S 3)/S(5) 式中:A 为土地退化指数的归一化系数,S 1、S 2和S 3分别为轻度、中度、重度农地586　地 理 研 究27卷侵蚀面积,S为单元总面积。

(2)土地利用变化的生态环境响应系数ER H和ERV　弹性理论是经济学中研究因变量相对变化对自变量相对变化的反应程度或灵敏程度的理论。

本文所探讨的土地利用变化生态环境响应,是一种现象的时空变化相对于另一种现象时空变化的反应,如果将这些现象的时空变化都定量化,即可类似于经济学中的弹性。

这里分别构建区域生态环境状况的土地利用结构信息熵弹性系数(ER H)和土地利用综合变化弹性系数(ERV),用于定量分析土地利用变化时空分异的生态环境响应。

上述λ和V分别是衡量土地利用有序性和土地利用类型综合变化情况的相对性指标,作为自变量相对变化指标;同理可以计算EI 的年均变化速度作为因变量相对变化指标。

指数ER H和ERV的计算公式如下:ER H=(EI j+1-EI j)n・EI j×100%λ(6)ERV=(EI j+1-EI j)n・EI j×100%V(7) 式中:EI j表示j时期生态环境状况指数,其他同上。