东北地区土地利用转型及其生态环境效应

路 昌 张 傲

(1.山东建筑大学 管理工程学院，济南 250101；2.东北大学 文法学院，沈阳 110169)

土地利用转型研究作为土地利用/覆被变化(LUCC)研究的一个新视角[1]，指的是在经济社会变化和革新的驱动下，一段时期内区域土地利用形态发生动态变化的过程[2]。土地利用转型最早由英国学者Grainger提出[3]，龙花楼等[4]将其引入中国，近10多年来逐渐成为研究热点，土地利用转型包括显性形态转型和隐性形态转型，其中，显性形态主要表现在数量结构和空间分布等方面；而隐性形态主要通过权属、投入产出和功能等属性特征来反映[5]。目前，国内研究主要集中在土地利用转型的内涵和理论[5]、土地利用转型对社会、经济和生态[6-7]的影响，以及耕地[8]、建设用地[9]和农村居民点[10]等单一土地类的转型特征分析等方面。党的“十八大”指出，社会经济发展模式应从以生产为主转变为生产、生态和生活空间(即“三生空间”)的协调发展。在社会经济发展模式加速转型时期，土地利用转型以及产生的空气污染、湿地萎缩、水土流失和林地退化等生态环境问题大量出现。在此背景下，通过构建土地利用主导功能分类体系，对区域“三生空间”的相互转变过程进行深入分析，成为研究土地利用转型的重要切入点[11-12]。

此外，在区域经济社会转型发展过程中，土地利用转型对生态环境造成的影响是重要研究内容之一。近年来成为地理学、经济学、管理学和环境科学等多学科的研究热点[7,11]，目前国内已有大量研究，研究区域多集中在长江流域[13]和东部沿海[14]等经济发达和高度城市化的地区，研究尺度多以流域单元[15]、省域单元[7,14]为主，研究方法多以生态系统服务价值系数法[7]、生态环境质量指数法[13]为主，对粮食主产区来说，粮食安全与生态安全的矛盾较为突出，而经济发展则相对滞后，以区域尺度对其进行整体定量分析的研究相对较少。

东北地区作为世界仅有的三大黑土区之一，其农业资源十分丰富，同时其工业基础也较为雄厚，逐渐成为我国重要的粮食主产区和重工业基地；但自20世纪90年代以来，伴随着城市的扩张以及“以稻治涝”农业结构调整政策的推行，在实际土地利用过程中对以生态功能为主导的土地利用类型重视严重不足，大量具有较高生态系统服务价值的地类(如林地、水域等)转变成了其他地类，严重制约着区域“三生空间”的协调发展[16]。因此，本研究基于1995、2005和2015年3期土地利用遥感监测数据，构建土地利用主导功能分类体系，对1995—2015年东北地区土地利用转型特征及生态环境效应进行定量分析，以期为促进粮食主产区社会经济发展模式转变、实现“三生空间”协调发展提供科学参考和决策支持。

1 研究区概况

本研究中的东北地区指的是传统意义上的“东北三省”，包括黑龙江省、吉林省和辽宁省(不包括加格达奇和松岭区)，地理坐标38°41′～53°33′N，118°05′～135°06′E。地貌类型以平原和台地为主，地势整体呈现“东高西低、北高南低”的态势，区域差异较大，海拔高差可达2 700 m。东北地区属温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷漫长，年均日照时数2 411 h，年均降水量585 mm，降水季节分布不均。2015年末区域总人口1.09亿，土地总面积78.85×104km2，粮食总产量占全国19.27%，GDP仅占全国8.43%，产业结构以第二产业为主。20世纪90年代，东北地区城市扩张显著，垦荒高潮又一次出现，土地利用格局变化剧烈，生态环境问题突出；进入21世纪，农业结构调整基本结束，生态环境保护相关政策开始实施，土地利用格局变化速度显著下降。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

东北地区1995、2005和2015年3期土地利用遥感监测数据来自于中国科学院资源环境科学数据中心的“全国陆地区域的多时相土地利用现状数据库”(http:∥www.resdc.cn)，分辨率为100 m，采用土地利用二级分类系统，包括6个一级类型和25个二级类型(表1)，其中一级类的综合精度94.3%以上，二级类综合精度91.2%以上[17]。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用主导功能分类

对某一种利用类型的土地来说，本身兼具多种功能，但总是会有其主导功能，依据科学性、主导功能性及实用性的原则，基于行为主体的主观用地意图确定各地类的土地利用主导功能，如耕地既有粮食生产功能同时也有调节区域气候和水土平衡等生态功能，但人类利用耕地的主观意图主要在于生产粮食，因此将其划分为生产用地，最终确定基于“三生空间”的土地利用主导功能分类体系[14,18]。同时，借鉴相关学者[19-20]的研究成果，利用面积加权法得到东北地区各地类的生态环境质量指数(表1)。

表1 东北地区土地利用主导功能分类及其生态环境质量指数

2.2.2土地利用功能结构转型模型

利用土地利用转移矩阵分析土地利用功能结构转型，该方法是通过矩阵来反映一定时期内土地利用格局的变化情况，数学表达式为[13]：

(1)

式中：S为土地面积；n为地类的个数；i为研究初期地类；j为研究末期地类。

2.2.3土地利用功能空间转型模型

土地利用功能空间转型分析主要利用重心模型来实现。重心模型通过对一定时期内不同功能类型重心的转移方向、路径和距离的具体分析，直观反映土地利用功能空间转型的时空变化特征，数学表达式为[14]：

(2)

(3)

2.2.4土地利用转型的生态环境效应模型

1)区域生态环境质量指数。区域生态环境质量指数(EV)是通过计算各区域(单元)内生产用地、生态用地和生活用地不同的生态质量水平和面积比例，定量描述各区域(单元)整体的生态环境质量状况。EV的计算基础是不同时期东北地区三生用地的面积变化数据，并不是对区域生态系统质量指标的直接观测[19]，利用土地利用网格采样的方法对EV进行空间化处理，通过计算每个生态单元的EV，以此作为样点中心的区域生态环境质量指数，数学表达式为：

(4)

式中：EVi为东北地区第i个生态单元的区域生态环境质量指数(i=1,2…,n)；Aij为第i个生态单元内第j种地类的面积；Rj为第j种地类的生态环境质量指数(表1)，n为研究区土地利用类型数量；TAi为第i个生态单元的土地总面积。

2)地统计分析法。利用地统计分析方法实现对区域生态环境质量的空间分析，采用半方差分析法对样点中心的区域生态环境质量指数进行空间插值，得到东北地区1995、2005和2015年3期生态环境质量分布图[13]，数学表达式为：

(5)

式中：r(h)为变异函数；N(h)是样本对总数；Z(xi)和Z(xi+h)分别为生态环境质量指数在xi和xi+h处的数值；h是样本的空间距离。

3)区域土地利用变化类型生态贡献率。区域土地利用变化类型生态贡献率可以用来表征由于土地利用类型的转变所导致的区域生态质量的变化情况[13]，可以用来分析影响区域生态环境变化的主导因素，数学表达式为：

LEI=(LEt+1-LEt)LA/TA

(6)

式中：LEI是区域土地利用变化类型的生态贡献率；LEt、LEt+1分别为研究初期和末期某地类的区域生态环境质量指数；LA为该地类的面积；TA为区域土地总面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用基本情况

20年间，东北地区土地利用结构以生态用地和生产用地为主，生活用地面积较小，占土地总面积比例均值分别为58.75%、38.76%和2.49%。按照“三生用地”分类体系的一级分类来看，生态用地的变化最为剧烈，由1995年的46.90×104km2减少至2015年的45.85×104km2；其次是生产用地，增长了9 749.12 km2；生活用地持续小幅增加；表明随着社会经济的快速发展和农业现代化的逐步推进，东北地区粮食安全与生态安全之间的冲突进一步加剧。按照二级分类来看，农业生产用地和林业生态用地面积最大，农业生产用地主要集中在东北平原地区，林业生态用地集中分布在大小兴安岭、长白山脉和努鲁尔虎山地区，其他生态用地面积较小，零星分布于东北平原，占土地总面积比例均值仅为5.00%，表明东北地区土地开发程度处于较高水平，未来可供开发利用的后备土地资源较为缺乏(表2和图1)。

表2 1995—2015年东北地区土地利用结构变化情况

图1 1995—2015年东北地区土地利用空间格局

3.2 土地利用转型分析

3.2.1土地利用功能结构转型

为进一步分析各功能类型内部转移情况，利用土地利用类型转移矩阵模型，得到表3和表4，可以发现，东北地区1995—2015年土地利用功能结构转型的基本特性如下：

1)1995—2005年，主要转型特征为农业生产用地增加，林业和牧业生态用地减少。生产用地中，农业生产用地的主要转入功能地类为林业生态用地，转移比例是10.79%；工矿生产用地主要转出方向是农业生产用地、林业生态用地和水域生态用地，比例分别为17.59%、10.61%和10.28%。生态用地中，林业和牧业生态用地减少的主要去向均是农业生产用地，转移面积分别为32 978.32和11 861.05 km2；水域和其他生态用地主要转入来源均是农业生产用地，转移比例分别为17.57%和16.42%。生活用地中，城镇生活用地主要转入来源是农业生产用地，比例为22.62%；农村生活用地主要转出方向是农业生产用地，比例为68.98%。

2)2005—2015年，主要转型特征为农业生产用地增加，林业生态用地和其他生态用地减少，各地类相互转移趋势逐步放缓，整体土地利用功能结构趋于稳定。生产用地中，农业生产用地主要转入来源是林业生态用地；工矿生产用地主要转入来源是农业生产用地，转移面积为382.90 km2。生态用地中，林业生态用地、牧业生态用地、其他生态用地主要转出方向均是农业生产用地，比例分别为0.85%、2.16%和4.61%；水域生态用地主要转入来源是农业生产用地，比例为1.11%。生活用地中，城镇生活用地主要转入来源是农业生产用地，比例为13.70%；农村生活用地主要转出方向是农业生产用地和城镇生活用地，比例分别为2.47%和0.51%。

3.2.2土地利用功能空间转型

利用ArcGIS 10.2“空间格局统计”工具得到1995—2015年东北地区各功能用地重心变化图(图2)，深入分析土地利用功能转型的空间特征。

生产用地中，农业生产用地和工矿生产用地的重心均位于东北地区几何重心的南部，研究期间分别持续朝西北方向和东北方向偏移，空间分布不均衡性均有所缓和。1995—2015年辽宁省农业生产用地减少了767.29 km2，吉林省和黑龙江省分别增加了2 686.00和7 443.90 km2，农业生产用地的重心持续向北偏移。1995—2015年辽宁、吉林和黑龙江省工矿生产用地分别增加了216.68、116.91和114.69 km2，省域之间差距缩小，工矿生产用地的重心由铁岭市逐渐向北偏移到四平市。

生态用地中，林业生态用地和水域生态用地重心位于东北地区几何重心的西南方向，牧业生态用地和其他生态用地重心位于几何重心的西北方向。其中，1995—2015年林业生态用地重心持续向东北方向偏移5.32 和4.94 km，空间分布不均衡性有所缓和。1995—2005年牧业生态用地重心向西北方向偏移17.30 km，2005—2015年向东偏移1.49 km，省域之间面积差距逐渐扩大，空间分布不均衡性进一步加剧。研究期间水域生态用地重心向东南方向偏移24.00 km，向东北方向偏移0.79 km，空间分布不均衡性进一步加剧。其他生态用地重心先是向西南方向偏移18.93 km，然后向东南方向偏移2.71 km，三江平原和松嫩平原众多湿地因人类的土地开发利用而大量减少，辽河平原的沙地和裸地等地类持续增加，省域之间面积差距缩小，空间分布不均衡性有所缓和。

表3 1995—2005年东北地区土地利用变化转移矩阵

表4 2005—2015年东北地区土地利用变化转移矩阵

图2 1995—2015年东北地区各功能用地重心动态变化

生活用地中，城镇生活用地和农村生活用地均位于东北地区几何重心的西南方向，空间分布不均衡性均有所缓和。1995—2005年城镇生活用地重心向东北方向偏移14.76 km，2005—2015年向东南方向偏移10.58 km，辽宁省作为东北地区经济发展中心，在经济发展水平、城市化进程和人口等方面均领先于黑龙江省和吉林省，但东北地区区域整体经济活力欠缺，发展速度缓慢，城镇生活用地增加幅度较小。1995—2005年农村生活用地重心向西北方向偏移5.92 km，2005—2015年向西南偏移1.94 km，研究期间黑龙江、吉林和辽宁省农村生活用地分别减少了258.73、102.88 和268.34 km2。

3.3 土地利用转型的生态环境效应

利用ArcGIS 10.2中的Geostatistics Analyst工具对东北地区1995、2005和2015年EV数据样本进行常规统计，结果表明三期EV数据均接近于正态分布，具有空间相关性，适用于普通克里金法进行空间插值[17]。在球面、三角、指数、高斯和K-Bessel 5种半变异函数模型中，采用指数函数得到三期EV空间插值方案的检验参数均为最优。因此，本研究的空间插值方法为普通克里金法，指数函数为半变异模型。依据自然断点法并根据研究区实际情况进行小数取整等细微调整之后，将东北地区区域生态环境质量划分为低质量区(EV<0.30)、中低质量区(0.30≤EV<0.45)、中质量区(0.45≤EV<0.60)、中高质量区(0.60≤EV<0.75)、和高质量区(EV≥0.75)共5级。

3.3.1生态环境质量结构变化分析

东北地区1995、2005和2015年区域生态环境质量指数分别为0.581、0.577和0.575，研究期间东北地区整体生态环境质量持续恶化。1995—2015年，低质量区是面积变化最为剧烈的类型区，其面积持续增加，占土地总面积的比例由15.99%增长至17.99%，年均增长788.25 km2，近10年增长趋势有所放缓；中低质量区前期减少后期增加，比例基本维持在21%左右，整体上小幅减少；中质量区和中高质量区均是持续减少的变化趋势，前期变化剧烈后期变化较为平缓；高质量区占土地总面积的比例均在35%以上，占据东北地区生态环境的主体地位，前期增加后期减少，整体上小幅增加，近10年减少趋势明显(表5)。

3.3.2生态环境质量空间差异分析

1995—2015年，东北地区土地利用区域生态环境质量基本上表现出“东高西低、北高南低”的空间分布特征，区域差异明显，整体空间格局变化较小(图3)。

2015年，东北地区生态环境质量的低质量区和中低质量区主要分布在三江平原、松嫩平原、辽河平原和辽东半岛地区，主要为平原和丘陵，地类主要为农业生产用地和其他生态用地。中质量区广泛分布于东北地区境内，是分布最为广泛的类型区，主要分布的是农业生产用地和林业生态用地，空间分布范围的持续减少。中高、高质量区主要分布在大小兴安岭、长白山、千山和努鲁尔虎山地区，在三江平原也有部分分布，地貌类型主要为山地和丘陵。其中，中高质量区主要为林业生态用地和农业生产用地，而高质量区的林业生态用地面积占比高达91.30%(图3)。

表5 1995—2015年东北地区生态环境质量等级面积变化

图3 2015年东北地区生态环境质量空间分布

结果表明，东北地区不同生态环境质量类型区的时空变化特征与区域社会经济发展水平、城市化进程和农业开发进程基本保持一致。1995—2005年，随着市场经济的快速发展以及当地政府推行“以稻治涝”种植模式，农户为追求更高的经济效益，垦荒高潮又一次出现，大量生态用地转变为农业生产用地，低质量区面积大幅增加，中等质量等级(0.30≤EV<0.75)地区大幅减少。2005—2015年，东北地区农业开发进程逐渐放缓，随着相关生态保护政策的推行和湿地保护修复工程的建设，生态环境保护工作全面展开，一定程度上影响了区域土地利用格局变化方向，研究后期低质量区面积增加趋势、中质量区面积减少趋势均明显放缓。

3.3.3影响生态环境质量的主要用地转型分析

利用区域土地利用变化类型生态贡献率对东北地区生态环境质量改变的主要用地转型类型进行分析，得到表6。

由表6可知，1995—2015年，农业生产用地转变为林业、牧业和其他生态用地，牧业和其他生态用地转变为林业生态用地，是导致东北地区生态环境质量改善的主要用地转型类型，5种类型占贡献率比重达到86.29%；林业、牧业和其他生态用地被开发利用为农业生产用地，以及林业生态用地转变成牧业和其他生态用地，则是生态环境恶化的主要类型，5种类型占贡献率比重达到86.44%。2005—2015年，农业生产用地转变为林业、牧业、水域和其他生态用地，牧业转变为林业生态用地，是改善东北地区生态环境质量的主要用地转型类型，贡献率比重达到92.06%；林业、其他、牧业和水域生态用地被开发利用为农业生产用地则是生态环境恶化的最主要类型，贡献率比重达到88.92%。总体而言，东北地区影响生态环境质量的用地转型类型前期后期整体趋势基本相同，且均基本集中于前五种类型。东北地区同时存在着生态改善和生态恶化的2种变化，但是生态环境恶化大于生态环境改善，总体生态环境质量持续恶化。

表6 东北地区影响生态环境质量的主要用地转型及贡献率

4 结论与讨论

本研究基于土地利用遥感监测数据，从土地利用主导功能的角度出发，构建基于“三生空间”的土地利用主导功能分类体系，采用土地利用转型分析模型和生态环境效应分析模型，对东北地区1995—2015年土地转型特征及生态环境效应进行了分析，主要结论如下：

1)1995—2015年，东北地区土地利用功能结构转型主要表现为：按照一级分类来看，生产用地持续增加、生态用地持续减少和生活用地小幅增加，前期剧烈后期趋缓；按照二级分类来看，农业生产用地和城镇生活用地持续增加，林业、牧业和其他生态用地大量减少，工矿生产用地、水域生态用地和农村生活用地较为稳定。

2)1995—2015年，东北地区土地利用功能空间转型主要表现为：各类功能用地的空间分布表现出较为明显的地域差异性和不均衡性，农业生产用地、牧业生态用地和水域生态用地的空间分布不均衡性进一步加剧，其他地类的空间分布不均衡性有所缓和。水域生态用地和其他生态用地重心向南偏移，其他地类重心均向北偏移，其中城镇生活用地的重心先向东北偏移后向东南方向偏移。

3)东北地区区域生态环境质量指数从1995年的0.581持续下降至2015年的0.575，东北地区整体生态环境质量持续恶化。研究期间高质量区始终占据主体地位，但中高质量区和中质量区面积大量减少，低质量区面积大量增加，则是区域整体生态环境质量下降的主要原因。

4)1995—2015年，东北地区同时存在着生态改善和生态恶化的2种变化趋势，生态环境恶化大于生态环境改善，总体生态环境质量持续恶化，研究前期与研究后期整体变化趋势基本相同。农业生产用地转变为林业生态用地是影响生态环境改善的主要因素，林业生态用地转变为农业生产用地是影响生态环境恶化的主要因素。

通过分析发现，东北地区土地利用转型及生态环境质量的时空变化特征与区域社会经济发展水平、城市化进程、农业开发进程基本保持一致。有研究表明长江流域、东部沿海等经济发达和高度城市化地区近20年间土地利用转型特征主要表现为农业生产用地大量减少和生活用地大量增加，区域生态环境质量恶化的主要影响因素是农业生产用地转变为生活用地[13-14]，而东北地区土地利用转型特征主要表现为生态用地大量减少和农业生产用地的大量增加，区域生态环境质量恶化的主要因素是生态用地转变为农业生产用地。由此可看出，近20年间，东北粮食主产区土地利用转型及其生态环境效应特征具有一定的独特性。东北地区作为我国重要的粮食主产区之一，对其土地利用转型及生态环境效应特征的分析，具有一定的代表性，另一方面，考虑到我国不同粮食主产区在种植制度、自然环境、社会经济等条件均存在着较为明显的差异，受此影响，土地利用转型进程和生态环境效应特征均不尽相同，未来需要选取多个粮食主产区进行对比分析，进而更为准确揭示我国粮食主产区土地利用转型及生态环境效应的特征。