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《西南大学》 2008年
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基于遥感的土地利用/覆盖变化及其生态环境效应研究

赵伟  
【摘要】: 土地利用/覆盖变化(LUCC)是国际地圈生物圈计划(IGBP)与全球环境变化的人文因素计划(IHDP)的核心研究计划之一,是全球环境研究的热点和前沿问题,无论是从生态环境的角度还是从社会经济的角度均具有重要的意义。中国作为世界文明古国,长久以来人类对土地的开发利用,导致土地覆盖发生了巨大的变化。随着中国经济的快速发展、人口数量的增加,中国土地利用与土地覆盖格局变化的深度、广度和速度呈现急剧增加的趋势,经济发展同生态环境之间的矛盾越来越突出,因此开展典型地区土地利用/覆盖变化及其环境效应研究是认识全球变化的重要途径之一。目前对于土地利用/覆盖变化及其环境效应的研究主要集中于经济发展的热点区域和生态脆弱地区,而对西南丘陵山区复杂地形下的土地利用/覆盖变化及其生态环境效应研究相对较少。同时,目前生态环境质量的定量评价研究还处在一个不完善的阶段,综合考虑生态环境要素的土地可持续利用研究仍是目前相关学科研究的热点和难点。因此,开展西南丘陵山区复杂地形下土地利用/覆盖变化及其环境效应定量研究具有重要的现实意义。 本文以重庆市经济发展最为迅速、人类活动最为频繁的“一小时经济圈”为研究对象,基于TM/ETM影像分析了1994年、2000年和2006年重庆“一小时经济圈”的土地利用/覆盖变化及其驱动因子、气候及城市热岛变化情况,并对研究区的生态环境质量进行定量评价,以期为实现“一小时经济圈”的土地可持续利用、生态环境可持续发展以及经济持续增长提供参考依据。 1、基于TM/ETM遥感影像土地利用/覆盖变化分类 在系统总结国内外的土地利用/覆盖分类系统的基础上,考虑到重庆市的“二调”工程尚未启动,结合重庆市特殊的地形地貌,参照“二调”工程的土地分类方式,建立以下的土地利用/覆盖分类体系,共分为七个类型,分别为:水田、旱地、林地、草地、居民点及工矿用地、水域和未利用地。在分类的基础上运用计算机自动分类和人工目视解译相结合的手段,对1994年、2000年和2006年的TM/ETM影像进行解译。经验证,遥感影像分类总精度达88.53%,分类精度较高的是林地和居民点,均达到90%以上,次之是水田和未利用地,分别为89.31%和87.50%,精度较差的是草地和水域,分别为83.96%和83.18%,但基本上都达到了遥感影像分类精度的要求,其中居民点及工矿用地增加明显,水域面积略有下降,林地和草地面积略有增加而耕地(水田和旱地)面积下降明显。 2、基于景观生态学指标和土地利用/覆盖变化指数的LUCC分析 通过景观空间格局指数、土地利用变化矩阵以及一系列的土地利用指数模型,分析了研究区土地利用结构变化以及不同土地利用类型间的相互转化,得出以下结论: (1)在人类活动的干扰作用下,研究区域的景观格局发生了快速的变化,景观异质性程度增加。耕地景观面积迅速减少,居民点及工矿用地的面积快速扩展,林地草地略有增加,未利用地的面积急剧减少,各土地利用类型之间的相互转变异常频繁,尤其是水田与旱地之间的变化,这一特征与平原地区存在着较大的差别。研究区域三个研究时间段内,最大斑块面积比例LPI逐渐减小,斑块密度PD和边缘密度ED持续增强,总体分维数持续增长,斑块破碎化程度持续增强,人为因素对景观要素影响加大。在斑块类型级别指数中,水田与旱地基本上表现出与景观水平指数相近的变化状态,即在研究时间段中,分维数持续增加,景观破碎化程度持续增强,斑块集合形状趋于复杂。居民点及工矿用地由于受地形和交通的限制,其形状向不规则方向发展,平均斑块面积增长迅速而斑块形状趋于复杂,斑块分离度逐渐减小,最大斑块指数呈持续上升状态,但景观分维数却呈少许上升状态。景观格局的变化会引起多种生态效应,总体上说,区域自然生态价值的降低,对粮食产量、水质、土壤和生物多样性的保护等诸方面产生负面影响。 (2)研究耕地面积以及各土地利用类型空间变化情况发现,近12年来,耕地资源流失明显,水田转换为居民点及工矿用地的分布区域存在显著地域差异,主要分布于城市化进程明显的九龙坡、沙坪坝、江北和渝北,这几个区经济发展较快,属于重庆市都市区的“形成层”;旱地的转移模式主要以旱地-林地、旱地-水田两个模式为主,同样,旱地-居民点及工矿用地的转移模式存在明显地域差异,主要分布于长寿、渝北部份地区以及渝西的铜梁、合川等地,这些区县发展相对缓慢,属于重庆市都市区的“中间层”,而其它诸如万盛、南川、大足、潼南等区县主要是以水田和旱地的相互转移为主,这些区县属于重庆市都市区的“外围层”。总体来说,1994年至2000年耕地资源流失程度相对较小,2000年至2006年耕地资源流失程度相对较大。 (3)土地利用/覆盖变化的相关指标值也存在明显的时空差异性。从土地利用动态度指标来看,整个研究期间,增长最快是居民点及工矿用地,其次是草地、林地、旱地、水田、水域、未利用地。综合土地利用动态度以2000年至2006年最大,说明在研究后期研究区域的各土地利用类型变化剧烈程度要大于研究前期。土地利用程度变化情况具有明显的空间差异性,1994年至2000年,潼南、大足、合川、铜梁四个区县土地利用程度相对较高,北碚、渝北、长寿等区县次之:而主城区仅有江北和南岸土地利用处于发展期,其他地方的土地利用程度都处于一个相对的衰弱期。2000年至2006年的士地利用程度变化与1994年至2000年有明显不同,主城区的沙坪坝、南岸、渝中、江北、渝北等区县的土地利用程度进入一个衰退期,而永川、江津、涪陵、南川等原本处于衰退期的区县进入了一个发展阶段。 3、土地利用/覆盖变化的驱动力分析 土地利用/覆盖变化受自然因子和社会经济因子共同驱动,研究区域属于典型的低山丘陵地貌,自然驱动因子主要是地形因素,海拔高程对各土地利用类型分布变化影响显著。由于800m以上区域基本为林地利用类型,因此,分析800m以下区域各土地类型的分布规律显得尤其重要。 1994年,400m以下区域面积比例最大的是水域,其次是居民点及工矿用地、旱地、水田、未利用地、林地和草地;水域和居民点及工矿用地,400m以下面积百分比分别达到89.44%和85.49%:而草地相对面积百分比最大的是400m~800m区域,达到46.52%:耕地大部分分布在400m以下区域,水田和旱地比例分别为61.90%和62.60%。在2000年,400m区域以下依然是水域和居民点及工矿用地,未利用地比例在400m以下有所上升而林地比例在400m~800m有所上升,表明在1994年至2000年间,低海拔地区许多林地转化为其他土地利用类型,而在中低海拔地区大量的未利用地和其他土地利用类型转化为林地,林地的变化有向中低海拔转移的趋势。2006年居民点及工矿用地在400m至800m区域面积比例增加,林地类型分布区域整体呈上升的趋势,草地分布区域呈下降的趋势。 结果表明研究区城市建设整体呈立体式的发展,城市绿化工程有所改善,退耕还林工程效果显著。对于耕地来说,其变化特征受到社会经济因子驱动,经济因素是影响研究区域耕地面积变化的最主要的因素。耕地数量随着生产总值、全社会固定资产投资总额和工业生产总值呈线性关系减少,相对于耕地的占用,固定资产投资额和GDP增长有一定的滞后效应。 4、基于经典统计学方法的气候和热岛效应变化特征研究 采用滑动T检验的方法,分析了研究区域从1980年至2006年近30年间的气温年变化和季节变化及其城市热岛效应的年变化及季节变化。得出以下结论: (1)研究区域气温变化特征与全球变化背景下的气候变化特征类似,从20世纪80年代以来整体呈上升的趋势,1997年以前以负距平为主,1997年以后以正距平为主,存在着明显的跃变点,跃变后比跃变前气温增加了0.56℃,相当于增温率为0.33℃/10年。对各站数据进行同样的5年滑动检验,结果发现,各站跃变后的气温都比跃变前增加,主城区如沙坪坝、北碚、渝北等站,总体增温幅度较大,增幅最大的是铜梁站,达0.96℃,增温最小的是大足站,只有0.38℃。季节温度变化以春季最为明显,跃变年为1997年,前后温差为0.89℃,相当于0.53℃/10年;夏季气温呈现周期性的变化,并没有明显的气温跃变点;秋季气温跃变年为1995年,前后温差为0.72℃,相当于0.47℃/10年:冬季气温与年代气温变化比较接近,跃变年是1996年,前后温差为0.59℃,相当于0.37℃/10年。 (2)在近30年的时间尺度上,以北碚、沙坪坝等站为代表的市区高温中心明显并沿着郊区如大足、荣昌、南川等站逐渐降低。研究区域城区局地气温1980~2006年平均为0.54℃,郊区局地气温27年平均值为-0.22℃,研究区热岛强度平均为0.76℃。城区的局地气温整体呈明显上升的趋势,而郊区的局地气温整体呈微微下降的趋势,而热岛强度在近30年的研究年限中,也基本呈上升的趋势,热岛强度变化并无明显跃变点。 5、生态环境质量定量评价及其变化特征分析 利用层次分析法建立了区域生态质量综合评价模型,选取了年均温、热岛强度、降雨量、生物丰度指数、水网密度以及NDVI等一系列的生态环境评价指标对研究区域的生态环境质量进行定量评价。得出以下结论: (1)2000年和2006年,整体上渝西地区的潼南、铜梁、大足、壁山、永川以及荣昌等区县生态环境都处于一个较差的水平,而长寿均处于较高的水平。对生态质量评价结果进行标准化处理以后,2000年和2006年研究区域生态质量均以优、良为主,优良总面积所占面积比例分别为60.96%和62.56%,但从2000年至2006年优质区域面积比例减少了3个百分点;2000年一般地区占到39%,而2006年迅速降至17.36%。总体而言,渝西南地区普遍存在生态质量下降的现象。 (2)从2000年到2006年,研究区生态环境质量整体呈明显下降的趋势,显著变差的面积比例达到31.7%,而显著变好的区域面积比例仅仅有5.2%,从2000年至2006年,研究区生态环境下降区域面积比例达到59.7%,而生态环境上升区域面积仅有27.1%,生态环境质量变化区域具有明显的空间差异性,显著变差区域基本分布于渝西南地区,即成渝交通干线辐射区域及主城大部分地区。 土地利用/覆盖变化是全球变化研究中的一个非常重要的环节,其最终目的就是在人类进程和自然进程中寻找一个和谐的、可持续发展的方向,本文利用遥感影像获取区域土地利用/覆盖变化特征、利用气象数据研究区域气候年代际振荡及热岛效应,并将以上结果作为区域环境定量评价的参数,评价结果可以为当地的土地利用总体规划、生态环境的可持续发展以及土地资源的可持续利用提供一定的依据。
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