戴娜敏，包 亮

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

內(nèi)蒙古清水河縣位于內(nèi)蒙古高原與山陜黃土高原中間地帶，其地形地表呈現(xiàn)出波浪狀起伏的低山丘陵地區(qū)，因此合理的土地利用規(guī)劃及因地制宜的水土保持措施尤為重要。并且清水河縣是京津風(fēng)沙源生態(tài)屏障建設(shè)工程、“三北”防護(hù)林、退耕還林還草重要鄉(xiāng)村地區(qū)之一[1]。研究近幾十年的清水河縣土地利用時(shí)空演變趨勢對清水河縣土地利用規(guī)劃及政策的提出具有重要意義。

土地在人類生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)中有著不可或缺的生產(chǎn)生活生態(tài)功能，因此土地的合理利用已是國土空間規(guī)劃的重中之重。隨著我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，土地利用進(jìn)入轉(zhuǎn)型時(shí)期[2]。目前，關(guān)于土地利用的研究形成了較為成熟的研究系統(tǒng)，其中基于空間信息技術(shù)研究土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)變化[3]、土地利用程度研究[4]、土地利用景觀格局研究[5]、驅(qū)動(dòng)力研究[6]及模型預(yù)測研究[7]等方面占多數(shù)。目前對清水河縣土地利用空間格局的研究還相對較少，多以研究單一類型林地為主[1,8]。因此，運(yùn)用空間信息技術(shù)對清水河縣土地利用進(jìn)行多年空間格局變化分析的研究具有重要意義。鑒于此，本研究選取地處中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)、京津風(fēng)沙源治理地區(qū)等生態(tài)環(huán)境問題突出的內(nèi)蒙古清水河縣為研究區(qū)，基于1995年-2019年6期土地利用30m柵格數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)，采用全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)分析清水河縣土地利用各類型空間自相關(guān)性及土地利用空間格局特征。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古清水河縣地理坐標(biāo)為北緯39°35′～40°35′東經(jīng)111°21′～112°07′，是內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市下轄縣，位于呼和浩特市的南端，東南方與山西省相連，西面臨內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗，北面靠內(nèi)蒙古和林格爾縣，西北面與托克托縣，整體位置處于“蒙、陜、晉”3省交界和“呼、包、鄂”經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)腹地。清水河縣總面積2 859km2。2019年年末全縣戶籍人口140 944人，比上年末減少387人。其中，城鎮(zhèn)人口29 267人，鄉(xiāng)村人口111 677人。

圖1 研究區(qū)位置

地貌情況：清水河縣地處內(nèi)蒙古高原和黃土高原交接地帶，地質(zhì)構(gòu)造屬山西臺(tái)背斜與內(nèi)蒙古地軸相接之過渡帶。巖石平緩，黃土覆蓋較厚，地勢由東南向西漸次低下，平均海拔高度1 373.6m。氣候情況：清水河縣地處中溫帶，屬半干旱典型的大陸性氣候。由于地形復(fù)雜，境內(nèi)地區(qū)氣候變化差異明顯。主要特點(diǎn)為冬長夏短，寒冷干燥，風(fēng)多雨少，年平均氣溫7.5℃，月平均氣溫11.5℃，極端最低氣溫29℃。年平均降雨量為410mm，年蒸發(fā)量為2 577.2mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2019年土地利用數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。該數(shù)據(jù)庫為中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所經(jīng)過多年的積累而建立的覆蓋全國陸地區(qū)域的多時(shí)相土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作是以各期Landsat TM/ETM、Landsat 8遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成。本文土地利用數(shù)據(jù)均采用了30m柵格數(shù)據(jù)，分類體系為LUCC(Land-Use and Land-Cover Change)分類體系，土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6個(gè)一級類型以及25個(gè)二級類型。

2 研究方法

2.1 全局空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析通過全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)兩個(gè)方面對研究區(qū)域整體上的空間自相關(guān)性和局部小區(qū)域之間的分布格局和集聚模式進(jìn)行分析[9]。

全局空間自相關(guān)是從宏觀層面判斷土地利用變化在整個(gè)研究區(qū)的聚集性[10]，是對地理要素屬性值在整個(gè)區(qū)域的空間特征的描述[11]，可以用來研究地理要素的空間分布格局。全局空間自相關(guān)用Moran’s I表示。其計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

2.2 局部空間自相關(guān)分析

局部空間自相關(guān)是將全局空間自相關(guān)性分解到更小的空間單元，可以進(jìn)一步量化具體空間要素與周圍要素之間的差異程度及其顯著性，是全局空間自相關(guān)的一種補(bǔ)充形式[10]。局部空間自相關(guān)常用反映指標(biāo)為Local Moran’s I。其空間關(guān)聯(lián)模式可分為四種類型：高高(High-High)關(guān)聯(lián)、低低(Low-Low)關(guān)聯(lián)、高低(High-Low)關(guān)聯(lián)和低高(Low-High)關(guān)聯(lián)。其計(jì)算公式為：

(3)

在構(gòu)成的Moran’s I散點(diǎn)圖中，可以劃分為4個(gè)象限分別為第一象限(HH)、第二象限(LH)、第三象限(LL)、第四象限(HL)，對應(yīng)4種不同的區(qū)域空間差異類型能夠根據(jù)各類型占比來綜合判斷某一地區(qū)是否存在顯著的空間自相關(guān)性，即具有明顯的空間集聚特征[4]。

3 結(jié)果與分析

3.1 清水河縣土地利用現(xiàn)狀分布與總體變化特征

圖2 1995年-2019年清水河縣土地利用類型

從1995年-2019年清水河縣各土地利用類型面積占比表(表1)可以看出，2019年清水河縣土地利用類型以草地為主，約占研究區(qū)總面積的61%；耕地約占總面積的24%；林地面積占比約為10%；建設(shè)用地面積占比約為3%；水域面積占比約為1%；未利用地面積占比最小，面積占比約為0.5%。

表1 1995年-2019年清水河縣各土地利用類型面積占比(%)

1995年-2019年，耕地面積占比呈現(xiàn)了降低的趨勢，2019年耕地面積占比相較于1995年占比約降低了1.3個(gè)百分點(diǎn)；林地面積占比呈現(xiàn)了逐漸增加的趨勢，2019年林地面積占比比1995年占比約增加了0.1個(gè)百分點(diǎn)；草地面積占比呈現(xiàn)了先增加后減少的趨勢，2000年的草地面積占比最大，但2005年開始出現(xiàn)了降低的趨勢，約降低了0.7個(gè)百分點(diǎn)；建設(shè)用地占比呈現(xiàn)了逐年遞增趨勢，2019年占比比1995年約占比約增加了0.6個(gè)百分點(diǎn)；2010年-2019年未利用地占比變化量小，變化特點(diǎn)為先降低后增加的趨勢；水域占比不到1%，變化量也較少。

從1995年-2019年清水河縣土地利用類型圖可以看出，清水河縣土地利用類型主要以草地為主，草地主要分布在清水河縣東南部，即韭菜莊鄉(xiāng)、北堡鄉(xiāng)和單臺(tái)子鄉(xiāng)南部；耕地主要分布在清水河縣中部及北部，即城關(guān)鎮(zhèn)、宏河鎮(zhèn)、窯溝鄉(xiāng)分布較多；林地分布較為零散，在清水河縣各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)都有少許林地，其中喇嘛灣鎮(zhèn)和北堡鄉(xiāng)分布較多而且分布較為集中；建設(shè)用地主要分布在清水河縣縣政府所在地城關(guān)鎮(zhèn)內(nèi)，其他建設(shè)用地分布較多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為清水河縣北部的喇嘛灣鎮(zhèn)和宏河鎮(zhèn)；水域集中分布在清水河縣五良太鄉(xiāng)北部；未利用地主要分布在五良太鄉(xiāng)北部、窯溝鄉(xiāng)中部及單臺(tái)子鄉(xiāng)中部。

3.2 土地利用類型的全局自相關(guān)分析

利用ArcGIS空間統(tǒng)計(jì)工具里的莫蘭指數(shù)計(jì)算工具計(jì)算出清水河縣土地利用各類型的全局Moran’s I值(表2)。從表2可以看出1995年-2019年耕地莫蘭指數(shù)均>0，Z得分均>2.58，而且顯著性檢驗(yàn)P值均<0.01，因此耕地類型在空間上具有集聚性特征，呈現(xiàn)顯著的、正向的空間自相關(guān)性。說明耕地類型并不是隨機(jī)和離散分布，而是在相互鄰近耕地類型之間都具有集聚分布態(tài)勢。以 2010年為界，耕地空間分布集聚特征呈先增加后下降趨勢。1995年-2019年林地Moran’s I指數(shù)均>0，Z得分均>2.58，顯著性檢驗(yàn)P值均<0.01，表明林地類型空間分布不是隨機(jī)分布，而是表現(xiàn)出空間集聚性特征，整體呈正向空間自相關(guān)關(guān)系。林地空間分布集聚特征呈下降趨勢。1995年-2019年草地Moran’s I指數(shù)變化特征為均>0，先增加后降低的趨勢，Z 得分除2019年外均>2.58，并且2019年草地莫蘭指數(shù)未通過顯著性檢驗(yàn)，因此除2019年，草地類型表現(xiàn)出空間集聚性特征。草地空間分布集聚特征呈持續(xù)下降趨勢。1995年-2019年水域Moran’s I指數(shù)變化特征為2005年、2010年、2015年通過了P<0.5的顯著性檢驗(yàn)，其他年份Moran’s I均未通過顯著性檢驗(yàn)，因此水域類型空間集聚性較低，并沒有空間自相關(guān)性。水域空間分布集聚特征呈先增加后下降趨勢。1995年-2019年建設(shè)用地Moran’s I指數(shù)除2019年外均>0，Z 得分均>2.58，顯著性檢驗(yàn)P值均>0.01，表明建設(shè)用地類型空間分布不是隨機(jī)分布，而是表現(xiàn)出空間集聚性特征，整體呈正向空間自相關(guān)關(guān)系。以2010年為界，建設(shè)用地空間分布集聚特征呈先緩慢增加后快速下降趨勢。1995年-2019年未利用地Moran’s I指數(shù)除1995年外均未通過顯著性檢驗(yàn)，表明未利用地類型空間分布是隨機(jī)分布，沒有集聚性特征。

表2 清水河縣不同土地利用類型的全局Moran’s I值

3.3 土地利用類型的局部空間自相關(guān)分析

由1995年-2000年清水河縣土地利用類型空間集聚LISA圖(圖3)可以看出，1995年耕地高集聚區(qū)有20個(gè)，分布在清水河縣中西部及西部，主要在宏河鎮(zhèn)和窯溝鄉(xiāng)內(nèi)，表明1995年宏河鎮(zhèn)和窯溝鄉(xiāng)地區(qū)內(nèi)耕地空間分布具有較高集聚性。但是1995年-2019年間高高(High-High)集聚區(qū)數(shù)量急速減少，到2019年時(shí)耕地高高(High-High)集聚區(qū)只有8個(gè)，并且呈現(xiàn)了分散化的現(xiàn)象。耕地低低(Low-Low)集聚區(qū)變化特征為從1995年的22個(gè)區(qū)域到2019年時(shí)減少到了11個(gè)，低低(Low-Low)集聚區(qū)分布在清水河縣東南部，主要在韭菜莊鄉(xiāng)和北堡鄉(xiāng)內(nèi)，表明了韭菜莊鄉(xiāng)和北堡鄉(xiāng)內(nèi)耕地空間分布集聚性較低。1995年-2019年耕地低低(Low-Low)集聚區(qū)在2000年時(shí)快速降，隨后變化較小一直處于相同狀態(tài)；1995年-2019年林地高高(High-High)集聚區(qū)從1個(gè)變成了3個(gè)區(qū)域，主要分布在單臺(tái)子鄉(xiāng)和北堡鄉(xiāng)。林地低低(Low-Low)集聚區(qū)表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢；1995年-2019年草地高高(High-High)集聚狀態(tài)整體上增加的趨勢，主要分布在韭菜莊鄉(xiāng)南部和北堡鄉(xiāng)。草地低低(Low-Low)集聚區(qū)也表現(xiàn)出增加的趨勢。表明草地空間集聚狀態(tài)高，空間自相關(guān)性增加的趨勢。1995年-2019年水域高高(High-High)集聚區(qū)數(shù)量表現(xiàn)出減少態(tài)勢，空間位置上沒有轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。水域(Low-Low)集聚區(qū)先增加后減少態(tài)勢；1995年-2019年建設(shè)用地(High-High)集聚區(qū)數(shù)量增加的趨勢，主要集中在五良太鄉(xiāng)南部及城關(guān)鎮(zhèn)北部。建設(shè)用地(Low-Low)集聚區(qū)數(shù)量先增加后減少趨勢。主要分布在韭菜莊鄉(xiāng)南部、北堡鄉(xiāng)和城關(guān)鎮(zhèn)東南部；1995年-2019年未利用地(High-High)集聚區(qū)數(shù)量表現(xiàn)出先增加后減少趨勢，主要分布在五良太鄉(xiāng)北部和韭菜莊鄉(xiāng)東北部，并且2000開始(High-High)集聚區(qū)位置上有較大變化。未利用地(Low-Low)集聚區(qū)數(shù)量以2000年為界，先增加后減少趨勢，2019年主要分布在五良太鄉(xiāng)北部。

圖3 1995年-2000年清水河縣土地利用類型空間集聚LISA圖

4 結(jié)論

筆者基于空間信息技術(shù)，對內(nèi)蒙古清水河縣1995年-2019年土地利用格局變化及各土地利用類型的空間自相關(guān)性進(jìn)行了初步分析，得出以下主要結(jié)論：①1995年-2019年，清水河縣土地利用主要類型為草地，約占研究區(qū)總面積的60%，其次為耕地約占24%。六大類型中，草地格局變化特點(diǎn)為面積占比先增加后減少的趨勢，耕地面積占比表現(xiàn)出減少的趨勢，但建設(shè)用地占比則呈現(xiàn)了逐年遞增的趨勢。②清水河縣土地利用類型全局空間自相關(guān)性分析表明，耕地類型在空間上具有集聚性特征，呈現(xiàn)顯著的、正向的空間自相關(guān)性。但1995年-2019年的Moran’s I指數(shù)變化來看，以 2010年為界，耕地空間分布集聚特征呈先增加后下降趨勢，表明耕地集聚性有所下降。其他五類用地整體上都呈現(xiàn)了空間集聚性的下降趨勢。③1995年-2019年從整體來看，區(qū)域集聚性表現(xiàn)為減少趨勢。各類型高高(High-High)集聚區(qū)增加的類型為林地、草地、建設(shè)用地，高高(High-High)集聚區(qū)減少的類型為耕地、水域和未利用地。1995年-2019年各類型低低(Low-Low)集聚區(qū)增加的類型為草地，其他類型均有減少的趨勢。