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2019 , Vol. 38 >Issue 5: 1080 - 1091

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj020171036

Urban Research

Study on ecological environment effects of urban spatial expansion: Taking Inner Mongolia Hohhot City as an example

  • ZHEN Jianghong ,
  • WANG Yafeng ,
  • TIAN Yuanyuan ,
  • HE Sunpeng ,
  • WANG Jinli
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  • College of Geography Science, Inner Mongolia Normal University, Huhhot 010022, China

Received date: 2017-10-16

  Request revised date: 2019-03-10

  Online published: 2019-05-13

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《地理研究》编辑部
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Abstract

The impact of urban spatial expansion on the ecological environment and its response has aroused much attention. The paper selected Hohhot city of Inner Mongolia as the research object, based on the remote sensing image during 1977 to 2014 as the source of information, and analysed the dynamic change of urban land expansion in this city. Based on the quantitative analysis of urban land expansion, the paper used the relevant assessment method and model to analyse the ecological environment effect of urban spatial expansion in the study area from a perspective of changes in resources, environment, landscape, value of ecosystem service, ecological environment quality and ecological risk. Results show that in the study period, the area of the built-up area in Huhhot increased from 34.59 km2 to 229.98 km2 and it expanded 5.65 times, while the ecological land area decreased from 2008.30 km2 to 1643.21 km2, down by 18.18%. The total pollutant discharge of urban areas increased 1.62 times, with the living garbage, the discharge of domestic sewage, the industrial waste water emissions, the industrial waste gas emissions, the industrial dust emissions, the industrial sulfur dioxide emissions, the industrial solid waste emissions increasing 0.41 times, 0.72 times, 3.91 times, 1.61 times, 1.12 times, 0.61 times and 1.32 times, respectively. The area of high temperature region of the urban area of Hohhot increased from 254.64 km2 to 325.60 km2. The heat island ratio index increased from 0.21 to 0.29 and it increased 0.40 times. The patch number and marginal density increased 1.12 times and 0.49 times, respectively, while the dominance index reduced by 11.76%. The value of ecosystem services reduced from 35.03 hundred million yuan (RMB) to 32.13 hundred million yuan (RMB), down by 8.30%. The biological abundance index, the vegetation coverage index, and the ecological environment quality index decreased by 8.04%, 6.10%, and 8.37%, respectively. The average per capita ecological footprint increased by 3.70 times, the per capita ecological carrying capacity reduced by 33.88% and the ecological pressure index rose 6.11 times. In summary, urban spatial expansion in Huhhot has led to the eco-environmental effects such as the loss of ecological land, the increase of environmental pollution, significant urban heat island effect, fragmented landscape pattern, degraded ecological service function, declined environmental quality, and exacerbated ecological risk. The research results have important theoretical significance and practical value to effective mitigation in the negative impact of urban land expansion on the eco-environment.

Key words： urban spatial expansion; heat island effect; ecological environment quality; ecological risk; Huhhot City

Cite this article

ZHEN Jianghong , WANG Yafeng , TIAN Yuanyuan , HE Sunpeng , WANG Jinli . Study on ecological environment effects of urban spatial expansion: Taking Inner Mongolia Hohhot City as an example[J]. GEOGRAPHICAL RESEARCH, 2019 , 38(5) : 1080 -1091 . DOI: 10.11821/dlyj020171036

1 引言

城市土地利用变化及其生态环境响应是全球环境变化研究的重要内容[1,2]。伴随城市空间的大幅扩展与用地类型的转换,城市生态系统的结构、功能、格局等发生改变[3],由此会导致生态环境的变化。研究城市用地扩展的生态环境效应,将有利于统筹区域发展和城市空间扩展、保护并改善区域生态环境。鉴于既有研究大多从某一特定视角探讨城市用地扩张的生态环境效应,缺乏多视角的综合评估,本文以城市化进程加快而生态环境敏感脆弱的呼和浩特市为研究对象,从资源、环境、服务价值及生态风险等角度评估城市空间扩展可能导致的生态环境效应,对有效遏制城市用地扩张对生态环境的负面影响,具有重要意义。
城市空间扩展对生态环境的影响研究备受关注[3],研究内容主要集中于以下几方面：① 城市空间扩展的生态环境问题及其对策研究。包括城市空间扩展对区域自然地理环境要素与自然灾害的影响及其资源、能源效应的分析与评价[2]。② 城市空间扩展的生态环境驱动因素辨析。有学者从自然、社会、经济、政策等角度探讨了城市空间扩展与土地利用变化的驱动因素及其所致生态环境质量变化的主导要素。③ 城市空间扩展的生态环境影响评价。基于遥感与空间分析技术,选取生态环境质量评价指标,采用综合评价方法就城市空间扩展对区域生态环境变化的影响强度进行定量评价;或基于生态系统服务价值、生态足迹理论与方法,对城市空间扩展的生态环境效应进行评估研究。④ 城市空间扩展的生态安全格局分析与构建[2]。从景观生态学角度,引入PSR、DPSIR、MCR、最小累积阻力及景观生态风险空间预警评价模型,采用灰色关联度法、物元可拓综合法、模糊综合评判法、主成分投影法、空间分析方法、源—汇方法、环境影响与生态风险评价技术等多种手段,对城市空间扩展的生态风险与生态安全进行评价,在分析景观格局与生态过程耦合机理的基础上,探讨区域生态安全格局的构建途径与优化方法[4,5]。⑤ 城市空间扩展的生态影响模拟、预测与调控研究[2]。运用CA、ANN、MAS、SD、CLUE-S及政策仿真等模型,对城市空间扩展及其用地结构进行不同情景下的动态模拟与预测,探究基于生态安全的城市空间扩展与土地利用优化调控机理与模式。
综上所述,已有研究对城市空间扩展与生态环境间的关系进行了深入探讨[2],但研究区域多集中于东部发达地区,有关呼和浩特城市空间扩展的生态环境效应研究还鲜见报道。因此,本文借助1977—2014年间6期遥感影像数据及RS、GIS技术,基于城市空间扩展的定量分析,从资源、环境、景观、生态系统服务价值及生态环境质量与生态风险变化等角度,对呼和浩特城市空间扩展可能导致的生态环境效应进行剖析,以期为土地资源的优化配置提供依据。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

呼和浩特市地处内蒙古中部,是自治区首府、呼包银城市群核心城市和国家历史文化名城。它北依大青山,南濒黄河,辖4区、1旗、4县,市域总面积17224 km2。2015年末,呼和浩特市建成区面积260 km2,全市常住人口城镇化率达67.5%,均高于全国与自治区平均水平[3]。伴随经济发展及人口增加,呼和浩特城区用地不断扩张,导致用地结构与景观格局发生改变,对区域生态环境造成影响[3]。因其特殊的生态区位,呼和浩特市环境质量的优劣对内蒙古乃至全国均有重要影响,开展其城市空间扩展的生态环境效应研究,对有效调控城市扩张并保障区域生态安全,意义重大。

2.2 数据来源与景观信息提取

本文以呼和浩特市区为研究对象,以1977年、1986年、1990年、2001年、2010年及2014年MSS/TM/ETM/OLI影像为基本信息源[3],以社会经济统计数据为辅助信息源,基于国家现行土地利用分类体系、研究区用地现状及影像空间分辨率,划分出6类景观,即：耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。借助ENVI与ArcGIS、Fragstats软件,采用目视解译方法,进行城市用地类型识别、建成区边界及景观格局信息提取,绘制出1977—2014年呼和浩特市建设用地分布及景观类型图（图1）。经实地抽样调查,Kappa系数及影像解译精度分别达0.8和90%以上,满足分类精度要求与研究需要。
Fig. 1 Land-use distribution of Huhhot City during 1977-2014

图1 1977—2014年呼和浩特市区景观类型分布

2.3 城市用地扩展定量测度

2.3.1 城市用地年均扩展速率
V = Δ A / Δ t [ 6 ] （1）
式中：V为城市用地年均扩展速率;△A为城市建成区扩展面积;△t为时间跨度[6]。
2.3.2 城市扩展强度指数
Φ = Δ A × 100 S × Δ t [ 7 ] （2）
式中：Φ为城市扩展强度指数;S为研究区总面积[7]。
2.3.3 城市用地扩展系数
K = GR / PR × 100 % [ 5 ] （3）
式中：K为城市用地扩展系数;GR为城市建成区面积年均增长率;PR为城市非农人口年均增长率。研究显示：K>1.12时,城市用地扩展过快;K<1.12时,城市用地扩展不足;K=1.12时,城市用地规模扩展合理[6]。

2.4 地表温度反演

借助遥感影像热红外波段数据,利用单窗算法反演呼和浩特市地表温度,结合热岛比例指数研究热岛效应,计算公式为：
T s = a × 1 - C - D + b × 1 - C - D + C + D × T 6 - D × T a / C [ 7 ] （4）
OCRI = 1 100 m ∑ i = 1 n w i × p i [ 7 ] （5）
式中： T s 为地表温度; a =-67.35535; b =0.458606; C 、 D 为中间变量; T 6 为TM6卫星亮度温度; T a 为大气平均作用温度; OCRI 为热岛比例指数; m 为归一化等级指数; i 、 n 分别为城区高于郊区的温度等级及其数目;wi为权重,取第 i 级级值; p i 为第 i 级面积百分比[8]。中间变量的计算公式为：
C = τ × ε [ 8 ] （6）
τ = 0.974 - 0.080 w [ 9 ] （7）
w = 0.189 p + 0 . 342 [ 9 ] （8）
p = 0.6108 × exp 17.27 × T - 273 237.3 + T - 273 × R H [ 9 ] （9）
D = 1 - τ × 1 + τ × 1 - ε [ 8 ] （10）
T 6 = K 1 ln K 2 / R TM 6 + 1 - 273 . 15 [ 9 ] （11）
R TM 6 = 0.1238 + 0.0056321 D N TM 6 [ 9 ] （12）
T a = 16.0110 + 0.92621 T 0 [ 10 ] （13）
式中： τ 为大气透射率; ε 为地表比辐射率;w为大气水分含量; p 为绝对水汽压; T 为气温; RH 为相对湿度; K 1 、 K 2 为常数; R TM 6 为热辐射强度值; D N TM 6 为TM6影像灰度值; T 0 为近地面温度。呼和浩特市地表温度与相对湿度数据由中国气象网站获取, ε 与归一化植被指数 NDVI 有密切关系,即：
NDVI <0.05时, ε =0.973; NDVI >0.7时, ε =0.99;0.05≤ NDVI ≤0.7时, ε = 0.004 P V + 0.986 [9,10]
P V = NDNI - NDV I S / NDV I V - NDV I S [ 9,10 ] （14）
式中： P V 为植被在像元中的比重; NDV I V 和 NDV I S 表示植被和裸土 NDVI 值,分别取0.70和0.05[9,10]。

2.5 生态系统服务价值评估与生态弹性度测算

据谢高地的研究成果[11,12],结合研究区实际,对各生态系统服务价值系数进行修正。即：耕地8202.61元/（hm2·a）、林地39403.21元/（hm2·a）、草地17879.61元/（hm2·a）、水域59717.82元/（hm2·a）、未利用地498.72元/（hm2·a）,建设用地不估算其服务价值[13]。生态系统服务价值的计算公式为：
ESV = ∑ i = 1 n ( P i × S i ) [ 13 ] （15）
式中： ESV 为生态系统服务价值; P i 为生态系统价值系数; S i 为第 i 种用地类型面积; n 为用地类型数量[13]。
借鉴徐德明[14]的研究成果,将各类景观生态弹性度分值设定为：耕地0.5、林地0.9、草地0.6、水域0.8、建设用地0.2、未利用地0.3。生态弹性度值的计算公式为：
ECO = ∑ i = 1 n ( A i × S i ) [ 14 ] （16）
式中： ECO 为生态弹性度; A i 为第i种景观的弹性分值[14]。

2.6 生态环境质量评价

依据国家环保总局发布的生态环境评价规范,借助影像解译数据及空间分析软件,利用相关评价指标构建生态环境质量综合评价模型,计算公式为：
生态环境质量综合指数 = 0.25 × 生物 丰度指数 + 0.2 × 植被覆盖指数 + 0.2 × 水网密度指数 + 0.2 × 土地退化指数 + 0.15 × 环境质量指 数 [ 15,16 ] （17）
生物丰度指数 = ( 0.35 × 林地面积 + 0.21 × 草地面积 + 0.28 × 水域面积 + 0.11 × 耕地面积 + 0.04 × 建设用地面积 + 0.01 × 未利用地面积 ) / 区域面 积 [ 15,16 ] （18）
植被覆盖指数 = 0.38 × 林地面积 + 0.34 × 草地面积 + 0.19 × 耕地面积 + 0.07 × 建设用地面积 + 0.02 × 未利用地面积 ) / 区域面 积 [ 15,16 ] （19）
水网密度指数 = 水域面积 / 区域面 积 [ 15,16 ] （20）
环境质量指数 = 0.4 × ( 100 - 1.726 × S O 2 排放量 / 区域面积 ) + 0.4 × ( 100 - 0.53 × COD 排放量 / 区域年均降水量 ) + 0.2 × ( 100 - 2.425 × 固体废物排放量 / 区域面积 ) [ 15,16 ] （21）
考虑到数据可获取性,土壤退化程度用土壤亮度指数表示[16,17],它能够定量反映土壤裸化程度,其数值从TM影像中提取[17],计算公式为：
土地退化指数 = 100 - NDS I 归一值 [ 17 ] （22）
NDS I 归一值 = NDS I 原始值 + 1 2 × 100 [ 17 ] （23）
NDS I 原始值 = Band 3 - Band 2 Band 3 + Band 2 [ 17 ] （24）
式中：NDSI为土壤亮度指数; Band 3 、 Band 2 分别表示TM影像第3、第2波段亮度值。 NDSI 值域范围为-1.0~1.0,其数值越大,表明土壤裸露程度越高、退化程度越重[17]。
据《生态环境质量评价技术规范》,将生态环境质量评价标准分为5个等级,即：优（75~100）、良（55~75）、一般（35~55）、较差（20~35）、差（0~20）,分值越高,生态环境质量越好[16]。

2.7 生态风险评估

借鉴生态足迹、生态承载力与生态风险评价模型,进行生态风险定量评价。计算公式为：
EF = N × ef = N × ∑ j = 1 6 r j × ∑ i = 1 n c i / p i [ 18 ] （25）
EC = N × ec = N × ∑ j = 1 6 a j × r j × y j [ 18 ] （26）
T = EF / E C [ 18 ] （27）
式中： EF 为总生态足迹; N 为人口数; ef 为人均生态足迹;j为生态生产性土地类型; i 为所消费商品与投入类型; r j 为均衡因子; c i 、 p i 分别为第i种消费项目的人均消费量及其全球平均生产力[18]; EC 为总生态承载力; ec 为人均生态承载力; a j 为人均生态生产性土地面积; y j 为产量因子; T 为生态压力指数。rj、yj取值参考相关研究成果[19]。
依据T值大小将生态风险划分为低（<0.4）、较低（0.4~0.6）、中（0.6~0.8）、较高（0.8~1.0）和高（>1.0）5个等级,以定量揭示区域生态环境的风险程度及其等级差异[20]。

3 结果与分析

3.1 呼和浩特城市空间扩展特征

1977—2014年,呼和浩特市建成区面积从34.59 km2增至229.98 km2（图1）,增加5.65倍;建成区用地年均扩展速率达5.28 km2/a,扩展强度指数0.25,扩展系数2.36,大于1.12的临界值,表明建设用地扩展过快,处于相对不合理状态。图2显示,呼和浩特市建成区扩展速度具阶段性特征。其中,1977—2001年为低速扩展期,建成区年均扩展速率与扩展强度指数分别为3.72 km2/a和0.18,均低于研究期内平均水平;2001—2010年为快速扩展期,其年均扩展速率与扩展强度指数分别为6.55 km2/a和0.31,略高于平均水平;2010—2014年为高速扩展期,建成区年均扩展速率与扩展强度指数分别达12.48 km2/a和0.60[3],远高于平均水平。究其原因,2000年后西部大开发战略的实施为呼和浩特城市化的快速推进带来了契机;2010年以来,随着高架桥与快速路的加速建设,呼和浩特城市框架逐渐拉大,房地产业迅速发展,促使城市实现了跨越式发展。
Fig. 2 Characteristic value change of the built-up urban area expansion in Huhhot City during 1977-2014

图2 1977—2014年呼和浩特市建成区用地扩展特征值

3.2 呼和浩特城市空间扩展的生态环境效应

3.2.1 生态用地流失 生态用地是能够直接或间接发挥生态服务功能且具有一定自我调节、修复、维持和发展能力的土地[19]。据相关研究,耕地、林地、草地、水体和未利用地均为生态用地[21,22]。图3显示：1977—2014年,呼和浩特市生态用地面积由2008.30 km2减至1643.21 km2,减少18.18%,年均减少9.61 km2。其中：耕地数量减少最多,由865.89 km2减少到635.76 km2,减少26.58%,年均减少6.06 km2;建设用地扩张迅速,由75.39 km2增至440.48 km2,增加4.84倍;38年间共有372.72 km2的生态用地转化为建设用地。可见,随着城市用地扩张,呼和浩特市生态用地大量流失,建设用地侵占耕地态势严峻。因生态用地的数量与分布对城市生态安全有重要影响[23,24],呼和浩特市生态用地大幅减少必将减弱其生态调节功能,危及区域生态安全。
Fig. 3 Area change of the construction land and ecological land in Huhhot City during 1977-2014

图3 1977—2014年呼和浩特市建设用地与生态用地面积

3.2.2 环境污染加剧 1990—2014年,随建设用地增长、城市人口增加及工业经济发展,呼和浩特市生活垃圾清运量、生活污水、工业废水、工业废气、工业粉尘、工业二氧化硫和工业固废排放量均有不同程度增长（图4）,分别增加了0.41倍、0.72倍、3.91倍、1.61倍、1.12倍、0.61倍和1.32倍,污染物排放总量增加1.62倍。可见,在城市用地扩展过程中,工业经济与人口数量快速发展,导致城市排污量大幅增加,并与建设用地的增长呈正相关,这必然会使城市环境污染加剧,引发环境问题。
Fig. 4 Change of urban construction land and amount of various pollutant discharges in Huhhot City during 1990-2014

图4 1990—2014年呼和浩特市建设用地面积与污染物排放量

3.2.3 热岛效应增强 以呼包高速公路与绕城高速公路所围合的呼和浩特市主城区为热岛效应的研究范围,采用自然裂法,将地表温度分为7个等级[8]。据公式（4）—公式（14）,计算出地表温度分级面积及其所占比例（表1）;以极高温区和高温区代表城市热岛范围,计算热岛比例指数（表1）。
Tab. 1 Statistics of area of land surface temperature grading of the main urban area in Huhhot City during 1987-2014

表1 1987—2014年呼和浩特市主城区地表温度分级面积统计

1987年 1990年 2001年 2010年 2014年
面积（km2） 比例（%） 面积
（km2）		 比例（%） 面积
（km2）		 比例（%） 面积
（km2）		 比例（%） 面积
（km2）		 比例（%）
最低温 47.88 7.68 4.05 0.65 77.99 12.51 12.34 1.98 2.03 0.33
低温 84.86 13.61 6.37 1.02 87.74 14.07 53.63 8.60 88.07 14.12
偏低温 113.73 18.24 146.89 23.56 83.98 13.47 85.39 13.69 89.52 14.36
中温 122.48 19.64 163.62 26.24 112.70 18.07 109.20 17.51 118.38 18.98
偏高温 110.37 17.70 130.05 20.86 83.86 13.45 182.41 29.25 128.97 20.68
高温 108.58 17.41 129.09 20.70 124.18 19.91 114.36 18.34 121.10 19.42
极高温 35.69 5.72 43.52 6.98 53.15 8.52 66.27 10.63 75.53 12.11
热岛比例指数 0.206 0.247 0.256 0.263 0.288
由表1、图5可知,1987—2014年,呼和浩特市主城区偏高温以上区域面积由254.64 km2增至325.60 km2,增加0.28倍,所占比例增加11个百分点。其中,极高温区面积由35.69 km2增至75.53 km2,增加1.12倍;热岛比例指数由0.21增至0.29,增加0.40倍。可见,随着建设用地的增加,城市下垫面的热力属性发生改变,导致研究区热岛效应明显增强[3]。有研究显示：1986年以来,呼和浩特城市重心先后向东北、东南方向转移,推动了城市用地向东北、东南方向快速扩张（图1）,而城市的高温地区也随之扩大（图5）,在空间分布上与城市扩张方向具有高度一致性[8]。
3.2.4 景观格局破碎 表2显示：1977—2014年,呼和浩特市景观格局指数变化较大。其中,斑块数量、斑块密度、边缘密度与形状指数分别增加1.12倍、1.07倍、0.49倍和0.42倍;斑块平均面积减小52.76%,表明研究区景观格局趋于破碎,斑块形状更加复杂。斑块面积变异系数在波动中增大而最大斑块指数在波动中减小,表明斑块面积及其空间分布趋于离散。
Tab. 2 Indexes of total landscape pattern in Huhhot City during 1977-2014

表2 1977—2014年呼和浩特市景观格局指数

斑块
数量
(块)		 斑块
密度
(块/km2)		 斑块平
均面积
(km2)		 斑块面积变异系数
(%)		 最大斑
块指数
(%)		 形状
指数		 边缘
密度
(m/km2）		 分离度 多样性指数 均匀度指数 优势度指数 蔓延度指数 聚集度
1977年 303 0.15 6.88 549.06 23.58 13.62 10.40 0.90 1.45 0.81 0.34 56.78 98.47
1986年 351 0.17 5.94 493.41 16.36 14.49 11.17 0.93 1.50 0.84 0.29 55.19 98.35
1990年 385 0.18 5.41 551.34 17.83 14.80 11.44 0.92 1.50 0.83 0.30 55.33 98.31
2001年 500 0.24 4.17 591.89 14.45 17.34 13.67 0.93 1.54 0.86 0.25 53.68 97.98
2010年 595 0.29 3.50 667.81 14.44 19.19 15.29 0.92 1.56 0.87 0.24 52.89 97.74
2014年 641 0.31 3.25 658.76 14.62 19.39 15.47 0.93 1.56 0.87 0.23 52.64 97.72
Fig. 5 Spatial distribution of land surface temperature in the main urban area of Huhhot City during 1987-2014

图5 1987—2014年呼和浩特市主城区地表温度空间分布

由表2可知,38年间,呼和浩特市景观多样性指数和均匀度指数逐渐增大,表明景观构成趋于复杂,不同类型斑块趋向均匀分布;优势度指数逐渐降低而分离度指数略有增加,表明优势景观的主导地位逐步下降,各类景观分布趋于分散。蔓延度指数与聚集度指数均在降低,体现出多种类型小斑块数量的增多导致景观呈现出密集格局且向异质化发展。可见,伴随城市建设用地的扩展,研究区原有景观格局遭到破坏,一定程度上会影响其抗干扰能力。
3.2.5 生态系统服务与调节功能退化 1977—2014年呼和浩特市生态系统服务价值及生态弹性度变化如表3所示。研究期内,呼和浩特市生态系统服务价值由35.03亿元降至32.13亿元,减少8.30%,年均减少0.08亿元。同时,各类景观生态系统服务价值均有不同程度减少。其中,耕地减少量最大,生态系统服务价值占比由20.33%降至16.26%,表明其在区域生态系统服务价值供给中的地位逐年降低;其次为林地、水域、草地,未利用地减少量最小。各用地类型中,林地的服务价值最大且其占比由48.41%增至50.90%,表明它在区域生态系统服务价值供给中的地位逐年提升并趋于主导地位;其次是草地、耕地、水域,未利用地服务价值最小。
Tab. 3 Ecosystem services value and ecological elasticity in Huhhot City during 1977-2014

表3 1977—2014年呼和浩特市生态系统服务价值及生态弹性度

1977年 1986年 1990年 2001年 2010年 2014年
生态系统服务价值（亿元） 35.033 34.665 33.828 33.396 32.744 32.127
其中



 耕地 7.103 6.640 6.786 6.255 5.576 5.215
林地 16.909 16.186 15.108 16.082 16.383 16.329
草地 8.327 8.847 9.032 8.656 8.301 8.141
水域 2.592 2.887 2.800 2.328 2.434 2.393
未利用地 0.102 0.105 0.102 0.075 0.050 0.049
生态弹性度 0.5805 0.5735 0.5683 0.5583 0.5433 0.5344
生态弹性度是生态系统偏离平衡状态后恢复到初始状态的能力[25],它反映了生态系统的承载能力和生态稳定性。1977—2014年,呼和浩特市生态弹性度由0.58降至0.53（表3）,减少7.94%,表明生态系统对扰动与压力的缓冲和调节能力逐渐降低,稳定性下降。究其原因,主要受生态用地大幅减少影响,致使生态系统自我维持与自我抵抗能力减弱,服务与调节功能退化。
3.2.6 生态环境质量下降 表4显示：1977—2014年,呼和浩特市生物丰度指数和植被覆盖指数均在降低,表明随着城市建设用地扩张,区域生物多样性趋于减少,植被覆盖度逐渐降低。因生物丰度的降低会使生态系统结构与功能发生改变,从而降低区域生态环境质量。研究期内,水网密度指数、土地退化指数、环境质量指数均在波动中减少,致使生态环境综合指数由50.79降至46.54,生态状况虽均处于一般等级,但城市扩展过程中用地结构变化已导致了生态环境质量的下降。
Tab. 4 Eecological environment quality index in Huhhot City during 1977-2014

表4 1977—2014年呼和浩特市生态环境质量指数

1977年 1986年 1990年 2001年 2010年 2014年
生物丰度指数 18.28 18.13 17.84 17.54 17.07 16.81
植被覆盖指数 24.28 24.08 23.90 23.69 23.19 22.80
水网密度指数 57.49 57.73 57.66 57.28 57.37 57.33
土地退化指数 - 52.31 49.30 48.08 48.81 50.45
环境质量指数 - - 89.28 91.00 70.98 62.09
生态环境质量综合指数 - - 50.79 50.57 47.62 46.54

注：“-”表示数据缺失。

3.2.7 生态风险加剧 1990—2014年,呼和浩特市人均生态足迹由0.22 hm2/人增至1.03 hm2/人,增加3.70倍;人均生态承载力由1.97 hm2/人降至1.30 hm2/人,降低33.88%;生态压力指数由0.11升至0.79,提高6.11倍（图6）。据前文所述划分标准：1990—2003年,呼和浩特市生态状况处于低风险等级;2004—2007年,处于较低风险等级;2008年以来,已处于中级风险状态。可见,随城市建设用地扩张及人口数量增加,各类资源开发强度随之加大,人均生物生产性面积不断提高致使生态足迹快速增长;而城市用地扩张导致生态用地大量流失,生态容量逐渐减小,生态压力不断加剧。
Fig. 6 Per capita ecological footprint, ecological carrying capacity and ecological pressure index in Huhhot City

图6 呼和浩特市人均生态足迹、生态承载力及生态压力指数

4 结论与讨论

基于遥感影像数据、城市用地扩展信息及相关评价模型,从资源、环境、景观、生态服务价值及生态环境质量与生态风险变化等角度,对呼和浩特城市空间扩展可能导致的生态环境效应进行剖析,结果表明：
（1）1977—2014年,呼和浩特市建成区面积增加5.65倍,扩展强度指数达0.25,扩展系数为2.36,扩展速度过快。
（2）38年间,呼和浩特市生态用地面积减少18.18%,其中耕地数量减少最多,表明城市生态用地流失严重且建设用地侵占耕地态势严峻。
（3）1990年以来,呼和浩特市生活与工业污染物排放总量增加1.62倍,并与城市建设用地的增长呈正相关,表明城市用地扩张与工业经济增长导致环境污染加剧。
（4）1987—2014年,呼和浩特市主城区偏高温以上区域面积增加0.28倍,其中极高温区面积增加1.12倍,热岛比例指数增加0.40倍,说明城市热岛效应显著增强。
（5）研究期内,因建设用地大幅扩张,呼和浩特市斑块密度、景观多样性与分离度指数不断攀升,表明景观格局趋于破碎,景观构成更加复杂并向异质化发展。
（6）1977—2014年,呼和浩特市生态系统服务价值减少8.30%,生态弹性度减少7.94%,表明城市生态系统服务与调节功能退化。
（7）1990年以来,研究区生物多样性减少,植被覆盖度降低,污染负荷加重,使其生态环境质量下降,生态压力加大,生态风险加剧。
（8）受数据来源限制,本文在对呼和浩特城市用地扩展所致生态环境效应的评估中,部分分析仅从1987年或1990年开始,致使研究结果具有局限性;因研究方法多为常规方法,导致研究过程与结果创新性不强,使未来建设用地区域调控缺乏针对性;论文未能进行城市空间扩展与其生态环境效应间的作用机理与量化关系分析,仅依据两者变化趋势的一致性得出相关结论,致使研究结果具有片面性,但因与部分学者的研究结论相同,仍可认为不合理的城市空间扩展方式是导致区域生态环境问题的原因之一,同时,
也为下一步研究提供了方向。
（9）为减缓城市空间扩展对生态环境的负面效应,城市发展应以生态保护为导向,采取“内部挖潜、合理集聚、适度扩散”模式及“空间职能置换”战略与建设新区方式,引导城市用地合理增长。

The authors have declared that no competing interests exist.

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钟海燕. 鄱阳湖区土地利用变化及其生态环境效应研究. 南京: 南京农业大学博士学位论文, 2011.鄱阳湖区位于江西省北部,其范围包括南昌县、新建县、进贤县、九江市区、湖口县、永修县、星子县、都昌县、德安县、鄱阳县和余干县等11个县(区),土地资源总面积19761.5km2。近50年来,由于区域人口、经济经济的快速发展,人地矛盾日趋突出,区域土地资源压力倍增,鄱阳湖区面临着水土流失、土壤退化、水质污染、水旱灾害频发和生物多样性锐减等一系列生态环境问题。 人类活动与自然条件变化直接引起土地利用/土地覆被的变化,进而影响到生态环境的变化。因此,研究鄱阳湖区近50年土地利用变化的时空过程、辨析其驱动因素并进行土地利用变化模拟、定量评价土地利用变化对区域生态环境变化的影响强度,对促进区域土地资源可持续利用与社会经济的可持续发展具有重要的理论和现实意义。 本文以土地利用时空变化过程及其对生态环境的影响为主线,采用文献调查、“3S”技术、模型模拟方法、数理统计方法及实践调查方法,通过研究取得了以下主要成果： 1.鄱阳湖区近50年各类土地利用变化以耕地、水域和建设用地为主线,6种地类呈现出不同空间形态的变化规律。 ①数量变化：近50年变化最为剧烈的是建设用地,仅1971～2008年,建设用地面积变化幅度达6.3倍之多；耕地和水域总量基本保持平衡,耕地呈现出先增后减再平衡的变化曲线,而水域呈现为先减后增再缓慢微降的变化趋势；草地和林地减少幅度较大,在1971～2008年间,总量减少约20%。 ②空间变化：运用空间洛伦茨曲线和基尼系数分析了鄱阳湖区主要土地利用类型空间分布的变化过程,耕地、林地和水域在鄱阳湖区空间分布均衡且年际波动小；草地、建设用地和未利用地空间分布较不均衡且土地利用有聚集的趋势,如未利用地集中分布于星子县、余干县、新建县和鄱阳县等县(区)。 ③土地利用景观格局的变化：总体上呈现出用地聚集度上升、多样性减少的趋势,如1985-2005年,土地利用景观的斑块数(NP)从18040减少到17571、最大斑块指数(LPI)从13.3985增加到15.8938、香农多样性指数(SHDI)从1.6143减少到1.6091、聚集度指数(AI)从94.7527略增到94.6168。 2.鄱阳湖区土地利用变化以政策驱动为主、社会经济驱动为辅。通过选取1954-2008年间的经济、人口、投入和收入4类11个代表性指标,经主成分分析降维后形成主成分F1、F2,然后与标准化处理后的1954～2008年鄱阳湖区主要地类数据(耕地、建设用地和水域)进行曲线拟合,并结合期内土地利用政策变化综合分析,结果显示：耕地、水域变化和F1、F2的相关度不高,其主要驱动力是土地利用政策；而建设用地的变化与F1呈正相关、F2呈负相关,表明其主要驱动力为社会经济因子。 3.鄱阳湖区土地利用变化用CLUE-S模拟的精度好,但缺乏土地利用变化的机理支持,需要进一步完善。基于鄱阳湖区100m×100m土地利用格网,选用地均GDP、人口密度、海拔高度、平均坡度、到最近城市距离、到最近河流距离、到最近主要公路距离、年平均降水量、年平均气温和土地有机质含量等10个指标,建立了基于1995～2005年土地利用变化数据的CLUE-S模型并模拟2020年土地利用格局,模拟结果的KAPPA指数达0.879,总体模拟精度高,但建设用地分布的模拟精度较差。通过扩展土地利用生态位理论弥补了CLUE-S模型在机理上的不足,并在微观尺度用生态位宽度模型解释土地利用变化的原理、在全局尺度用经济生态位模型实证分析了鄱阳湖区建设用地的空间变化。 4.鄱阳湖区生态环境质量呈下降趋势,而水域是维系区域生态环境质量稳定的关键因素。以鄱阳湖区1985～2008年为例,根据生态丰度指数、NDVI、NDSI和NDMI数据,建立基于格网(30m×30m)的鄱阳湖区生态环境质量综合评价模型,结果显示鄱阳湖区生态环境状况较好,但生态环境质量指数均值从1985年的50.03降到了2008年的48.73；通过基于格网的区域土地利用变化与生态环境质量变化耦合分析,结果显示：水域变化是维系区域生态环境质量的关键,如“围湖造田”使区域生态环境质量显著变差,而“退田还湖”使得区域水域扩大、生态环境质量显著变好；新增建设用地对区域生态环境质量的负向效应大于正向效应；林地变化对区域生态环境质量变化有重要影响。 5.鄱阳湖区土地资源可持续利用应结合区域资源特点,创新观念、多管齐下。鄱阳湖区土地资源地域分异明显,应通过鄱阳湖区土地利用分区,划分土地利用功能区,合理布局农业用地区、生态林用地区、城镇及工业用地区和湿地保护区,创新流域管理理念,发展生态旅游,结合新型城镇化、保护生态环境,促进区域社会经济的可持续发展。 本文在前人对鄱阳湖区相关研究的基础上,通过扩展研究时限、更新研究手段、丰富研究理论,对鄱阳湖区的土地利用变化进行深度研究。本研究的主要创新有： 1.构建了1954-2008年鄱阳湖区长时间序列土地利用数据库；以此为基础,基于洛伦茨曲线和基尼系数分析土地利用空间差异,尝试用土地利用生态位模型对鄱阳湖区1954-2008年的土地利用变化进行解释。 2.应用“3S”技术、精细格网与CLUE-S模型模拟技术综合集成,为土地利用变化时空模拟搭建了新的技术平台,特别是100m×100m格网能够在CLUE-S模型中更准确分析土地利用变化的驱动因子。基于30m×30m格网的土地利用变化生态环境效应研究,精确地分析了各种土地利用变化方式对区域生态环境质量变化的贡献。 3.在土地利用变化模拟及预测,生态环境效应分析的基础上对鄱阳湖区土地利用进行分区并提出差异化的可持续利用对策。

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[Zhong Haiyan.Study on land use changes and its effects on eco-environment in the Poyang Lake Region. Nanjing: Doctor Degree Dissertation of Nanjing Agricultural University, 2011.]

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吉力力.阿不都外力, 木巴热克.阿尤普. 基于生态足迹的中亚区域生态安全评价. 地理研究, 2008, 27(6):1308-1320.利用生态足迹理论与方法,运用生态足迹压力指数模型,对中亚不同区域的生态安全进行了评价。分别测算中亚四国的人均与区域总生态足迹、生态承载力、生态赤字和生态足迹压力指数。最后按照生态足迹压力指数来评价中亚各国生态安全状态。评价结果如下:(1)吉尔吉斯坦14年平均生态赤字为0.0900ha/capita;平均生态足迹压力指数为0.9388,处于稍不安全状态。(2)土库曼斯坦的多年平均生态赤字为0.3303 ha/capita;平均生态足迹压力指数为1.1327;哈萨克斯坦的多年平均生态赤字为0.8379 ha/capita,平均生态足迹压力指数为1.2320,都处于较不安全状态(。3)乌兹别克斯坦的区域总承载力由1994年的28807119ha下降到2005年的28527138ha,而区域总生态足迹有所增加,即从44598092ha增加到51761368ha;多年平均生态赤字为0.8181 ha/capita;平均生态足迹压力指数为1.7540,处于相对很不安全状态。根据计算结果,中亚4国的多年平均生态安全都处于不安全状态,但不安全程度有所差别,吉尔吉斯坦的生态安全处于相对较好状态,其次为土库曼斯坦,哈萨克斯坦;乌兹别克斯坦的生态安全相对其他中亚国家而言处于相对很不安全状态。

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[Jilili Abuduwaili, Mubareke Ayoupu.Regional ecological security assessment on Central Asia based on ecological footprint analysis. Geographical Research, 2008, 27(6):1308-1320.]

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张伟新, 范晓秋, 姜翠玲, 等. 生态评价方法与区域生态足迹评价: 以无锡市为例. 南京财经大学学报, 2005, 132(2): 24-28.应用Wackernagel等提出的生态足迹评价方法对无锡市1998—2002年的生态足迹和生态承载力进行了分析和计算。并使用生态足迹分析方法从宏观上度量了无锡市社会经济发展的可持续性以及生态状况。结果认为无锡市可持续发展面临较大的困难,生态安全受到胁迫,生态赤字从1998年的2.4945公顷/人增大到2002年的4.0301公顷/人。因此有必要重新思考无锡经济快速发展和生态环境矛盾的协调。

[Zhang Weixin, Fan Xiaoqiu, Jiang Cuiling, et al.The method of ecological assessment and an evaluation of regional ecological footprint: Taking Wuxi City as an example. Journal of Nanjing University of Finance and Economics, 2005, 132(2): 24-28.]

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任志远, 黄青, 李晶. 陕西省生态安全及空间差异定量分析. 地理学报, 2005, 60(4): 597-606.

[Ren Zhiyuan, Huang Qing, Li Jing.Quantitative analysis of dynamic change and spatial difference of the ecological safety: The case of Shanxi Province. Acta Geographica Sinica, 2005, 60(4): 597-606.]

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龙花楼, 刘永强, 李婷婷, 等. 生态用地分类初步研究. 生态环境学报, 2015, 24(1):1-7.中国现有的土地利用分类体系对土地的生态属性考虑不足,导致生态用地分类缺乏统一的标准,生态用地难以得到有效保护。基于此,该文尝试对生态用地分类体系进行初步研究,以期为生态用地的科学管护,国土空间格局的优化和生态文明建设的推进提供科技支撑。在总结借鉴国内外学者有关生态用地研究成果的基础上,首先对生态用地概念进行了界定,在剔除《第二次全国土地调查技术规程-土地利用现状分类》中的非生态用地基础上,采用＂逆向递推＂方法将生态用地合并归类：根据生态用地的概念、内涵和划分依据,将剔除非生态用地后的土地利用现状分类中的二级地类归为35个生态用地三级地类;根据人类活动对生态用地影响范围和程度的不同而导致发挥的生态功能强弱的差异,将生态用地三级地类合并归类为14个二级地类;基于＂人类活动-生态用地＂影响反馈机理,将生态用地分为原生生态用地、半人工生态用地和人工生态用地3个一级地类。随后,为使生态用地分类系统在生态用地管理与生态建设实践中发挥应有的作用,将土地利用现状分类与生态用地分类实现了有效衔接。最后,作者建议借鉴国内外对于生态系统服务功能的相关研究,考虑从生态系统服务价值等视角来建立相关定量化的系统科学的生态用地分类体系。

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[Long Hualou, Liu Yongqiang, Li Tingting, et al.A primary study on ecological land use classification. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(1): 1-7.]

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张骞, 高明, 杨乐, 等. 1988-2013年重庆市主城九区生态用地空间结构及其生态系统服务价值变化. 生态学报, 2017, 37(2): 1-10.在当前快速城市化的背景下,理解和把握城市生态系统服务功能退化原因及规律的最有效手段是对其生态用地结构及其生态系统服务价值进行准确的评估。采用RS、GIS技术以及生态系统服务价值评估等方法,对重庆市主城九区1988、1996、2004、2013年4个时段遥感影像进行解译及比较分析,结果表明：1988—2013年间,重庆市主城九区城市化水平经历了加速阶段、减速阶段及饱和阶段,城市化水平的提高对城市建设用地增长的影响显著;重庆市主城九区生态用地主要为城市提供了食物生产、提供原材料、废物处理、土壤形成与保护、气候调节、气体调节、生物多样性以及水源涵养等生态系统服务,在结构变化上呈现出“二减三增”的结构变化特点;25年间重庆市主城九区共减少生态系统服务价值260.60×10~6元,整体处于下降趋势,其中农地的生态系统服务价值损失最大,共减少24.50%;在空间分布上,随着城市建设用地向“南—北—西”方向扩展,生态系统服务价值以中梁山与铜锣山之间的区域减少最为严重,整个研究区生态系统服务价值下降的主要原因来自于农地的大量减少以及城市建设用地扩张所带来的生态负影响。研究结果表明在重庆市主城九区生态用地空间格局与生态系统服务变化之间存在密切相关性,在城市化率达到饱和阶段后应严格控制建设用地增长,促进建设用地集约节约利用,加大农地的保护力度以及对林地、水体、草地的维护,维持整个区域的生态平衡。研究可为科学合理布局和保护城市生态用地提供信息资料和决策参考。

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[Zhang Qian, Gao Ming, Yang Le, et al.Changes in the spatial structure of ecological land and ecosystem service values in nine key districts of Chongqing City over the past 25 years. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(2): 1-10.]

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苏伟忠, 杨桂山, 甄峰. 长江三角洲生态用地破碎度及其城市化关联. 地理学报, 2007, 62(12): 1309-1317.破碎化是当今地表自然景观演化的重要形式。基于县（区）行政单元．利用GIS技术和景观生态 方法，定量探讨了长江三角洲生态用地破碎分区及其城市化关联，研究结论有：①建立了生态用地破碎度综合模型，并与城市化规模和空间构型等参数聚类．将全区 划为2个高破碎区、3个中等破碎区和2个低破碎区；②基于区县尺度和30m分辨率影像的生态用地破碎度是城市化、生态用地特征及其他干扰源的综合表现．与 城镇化水平和城镇用地比例等规模参数相关性不明显，相关系数分别为0．303、0．432，但与城镇用地聚合度呈现明显的负相关，相关系数为 -0．807；③破碎分区及破碎度的城市化关联为不同生态用地空间战略的选择提供依据，对面向生态保护的城市化空间引导和规划具有指导意义．

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[Su Weizhong, Yang Guishan, Zhen Feng.Ecological land fragmentation and its connectivity with urbanization in the Yangtze River Delta. Acta Geographica Sinica, 2007, 62(12): 1309-1317.]

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赵丹, 李锋, 王如松. 城市土地利用变化对生态系统服务的影响: 以淮北市为例. 生态学报, 2013, 33(8): 2343-2349.城市是一类以人类活动为中心的社会-经济-自然复合生态系统.城市的快速蔓延及强烈的人类活动显著地改变了城市的土地利用结构,进而严重影响了城市生态系统服务及人居环境.通过遥感、GIS技术及生态系统服务价值评估等方法,对淮北市1987年、2000年和2007年3个时期20a间的土地利用结构及生态系统服务价值的演变进行定量评价.研究结果表明:1987-2007年间淮北市生态用地空间结构和面积发生剧烈变化,生态用地占城市面积的比例由91.45％降低至71.86％.1987-2000年,农田面积大幅度下降,而林地和水体都呈不同程度的增加趋势,建设用地面积增长迅速.2000-2007年,农田面积有所增加,林地和水体面积却明显下降,建设用地总面积虽然没有明显变化,但其聚集度显著增加.20年间,城市生态服务功能的价值呈现先增加后减少的趋势,在2000年达31.32亿元.2000-2007年,以废物处理和水源涵养功能退化最为严重.可见,城市土地利用结构的变化与生态服务功能密切相关,此结果可为淮北市景观格局优化及土地合理调控和管理提供一定的科学依据.

DOI

[Zhao Dan, Li Feng, Wang Rusong.Effects of land use change on ecosystem service value: A case study in Huaibei City, China. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(8): 2343-2349.]

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高吉喜. 可持续发展理论探索: 生态承载力的理论、方法与应用. 北京:中国环境科学出版社, 2001:96-98.

[Gao Jixi.Exploration of the Theory of Sustainable Development:Theory, Method and Application.Beijing: China Environmental Science Press, 2001:96-98.]

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