孫佩 易潔偉 周凌云 尹偉 張馳 康全國(guó) 袁知洋
摘 要:【目的】基于國(guó)土變更調(diào)查數(shù)據(jù),分析丹江口市2010-2020年土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程?!痉椒ā恳?010年、2015年、2020年三個(gè)時(shí)期的國(guó)土變更調(diào)查成果為數(shù)據(jù)源,采用ArcGIS軟件計(jì)算土地利用動(dòng)態(tài)度變化指標(biāo),分析丹江口市土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程?!窘Y(jié)果】實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:2010-2020年期間農(nóng)用地的變化表現(xiàn)在耕地和草地面積的減少,總面積減少944hm2,分布重心整體呈現(xiàn)出向西南方向遷移的特征;建設(shè)用地總面積增加2882hm2,建設(shè)用地重心向西南方向遷移;未利用地面積持續(xù)減少且減少幅度不斷增加,減少面積達(dá)1938hm2,變化重心向東南方向遷移。【結(jié)論】研究結(jié)果可以為研究區(qū)域的國(guó)土資源管理和開發(fā)利用、城鎮(zhèn)化的建設(shè)、開發(fā)環(huán)境保護(hù)等提供一定的科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞:丹江口市;土地利用;時(shí)空變化;轉(zhuǎn)移矩陣;重心方向分布
1 引言
土地利用是一種社會(huì)動(dòng)態(tài)的概念,是在人體活動(dòng)和自然界共同影響下的綜合活動(dòng)[1]。土地利用程度、利用狀況的分析為土地開發(fā)利用的廣度和深度指明了方向[2]。通過(guò)對(duì)土地利用的時(shí)空動(dòng)態(tài)研究分析,可為預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用的發(fā)展趨勢(shì)提供基礎(chǔ)[3],對(duì)促進(jìn)區(qū)域土地資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、環(huán)境的平衡可持續(xù)發(fā)展提供重要的戰(zhàn)略意義和應(yīng)用價(jià)值[3-6]。大量學(xué)者從不同角度探索了土地利用變化狀況,如劉紀(jì)遠(yuǎn)、李小根等對(duì)土地利用的時(shí)空演變特征及成因的分析[7-8],楊麗萍、馬彩虹、傅加儀等在土地利用格局及驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究[9-11],羅開盛、郭玉靜等對(duì)土地利用變化趨勢(shì)的分析等等[12-13]。很多學(xué)者在構(gòu)建不同模型的基礎(chǔ)上對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)的變化、土地利用情景的模擬等也有深入的研究[14-16]。此外,在土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響[17-18]、基于土地利用變化的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[19-21]、三生空間等方面的學(xué)術(shù)研究也層出不窮[22],并取得一定成果。隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,土地利用類型的變化也愈發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境及社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在已有研究成果中,大部分成果主要是通過(guò)遙感影像解譯的方式獲取土地利用數(shù)據(jù)[23],該方法受到遙感影像的分辨率以及來(lái)源的限制,導(dǎo)致土地利用數(shù)據(jù)精度難以保證。本文采用計(jì)算機(jī)技術(shù)與野外實(shí)地調(diào)查和人工處理相結(jié)合的方式獲取精度高的國(guó)土變更調(diào)查數(shù)據(jù),對(duì)土地利用的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化做出深入分析。
丹江口市既是我國(guó)南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)[24],又坐擁國(guó)家5A級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)武當(dāng)山以及國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)——丹江口水庫(kù)風(fēng)景區(qū)[8],通過(guò)動(dòng)態(tài)性、連續(xù)性的土地利用數(shù)據(jù)分析能夠比較全面地反映研究區(qū)的土地利用變化的歷史演變狀況[4]。對(duì)該區(qū)域土地利用時(shí)間與空間動(dòng)態(tài)變化的深入研究,可為研究區(qū)的國(guó)土資源管理和開發(fā)利用、城市化的發(fā)展等提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù),能夠更好地協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與土地利用三者之間的發(fā)展關(guān)系,兼顧三者的預(yù)期目標(biāo),統(tǒng)籌調(diào)度用地規(guī)模[2]。
2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法
丹江口市位于湖北省西北部,漢江中上游,東經(jīng)110°47′53″-110°34′47″,北緯32°14′10″-32°58′10″之間,國(guó)土總面積為3121 km2,地勢(shì)高低懸殊,地貌單元眾多。氣候以亞熱帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)為主,年降雨量豐富,年平均氣溫15.9℃,以黃棕壤和黃壤為主[17]???cè)丝诩s47萬(wàn)。
2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理
土地利用數(shù)據(jù)主要來(lái)源于自然資源局提供的2010年、2015年以及2020年度國(guó)土變更調(diào)查數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了多次野外實(shí)地調(diào)查舉證以及地方自檢和國(guó)家質(zhì)檢軟件,精度優(yōu)于傳統(tǒng)的遙感解譯方式,能夠更真實(shí)地反映各種土地利用類型的變化情況。根據(jù)丹江口市的實(shí)際土地利用情況,本文在《土地利用現(xiàn)狀分類》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB /T 21010—2017)[25]的基礎(chǔ)上對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新分類整理,主要分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地和其他土地(主要是設(shè)施農(nóng)用地)7 個(gè)一級(jí)地類[18]。
2.2 研究方法
2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化的衡量
土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化方面的應(yīng)用[8,26]?;贏rcgis平臺(tái),利用轉(zhuǎn)移矩陣分析各種土地利用類型之間的流向,通過(guò)對(duì)面積變化分析,更清晰地展示各種土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移量以及概率[4],計(jì)算公式為:
式中:S-土地利用面積,i-研究初期土地利用類型,j-研究末期的土地利用類型,Sij-研究期內(nèi)第i類向第j類轉(zhuǎn)化的面積,m-土地利用類型數(shù)[27]。
2.2.2 方向分布的計(jì)算
也稱為L(zhǎng)efevers “Standard DeviationalEllipse”(利菲弗方向性分布),該算法在1926年最早由美國(guó)南加州大學(xué)社會(huì)學(xué)教授韋爾蒂·利菲弗(D.WeltyLefever)提出[28],可以用來(lái)度量概括地理要素中心趨勢(shì)、離散和方向趨勢(shì)的空間特征[29],生成的結(jié)果為橢圓。Arcgis平臺(tái)提供了“橢圓大小”(Ellipse_Size)參數(shù),表示生成的橢圓級(jí)別??偣卜譃槿齻€(gè)等級(jí),分別表示生成的橢圓能夠包含68%,95%和99%的數(shù)據(jù),可以通過(guò)指定要表示的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)(1、2 或 3)來(lái)決定生成的橢圓包含的數(shù)據(jù)比例。本文選取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)描述土地利用情況在時(shí)空尺度上的轉(zhuǎn)移變化特征。
2.2.3 土地利用速度的變化衡量
土地利用動(dòng)態(tài)度可以真實(shí)反映土地利用類型動(dòng)態(tài)變化情況。單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度可表示為某個(gè)地區(qū)或某個(gè)時(shí)間區(qū)域的特定土地使用類型的數(shù)量或變動(dòng)狀態(tài)[4],其表達(dá)式為:
式中:K表示土地利用類型動(dòng)態(tài)度;Ua和Ub分別表示研究期初、期末某種土地利用類型的數(shù)量;T表示研究時(shí)段[4]。
2.2.4 土地利用程度的衡量
土地利用程度是對(duì)土地開發(fā)利用情況的定量化描述,體現(xiàn)了特定時(shí)期內(nèi)土地利用變化狀況及綜合利用程度[18]。莊大方、劉紀(jì)遠(yuǎn)[30]將不同的土地利用類型分成未利用土地級(jí)、林草水用地級(jí)、農(nóng)業(yè)用地級(jí)和城鎮(zhèn)聚落用地級(jí)4級(jí)[4],得到4種土地利用程度的分級(jí)指數(shù)(表1)[31],用土地利用程度指數(shù)來(lái)表達(dá)研究區(qū)的土地利用程度,表達(dá)式為:
式中,L為研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù);m為土地利用類型數(shù)量;Si為第i類土地利用類型面積[32];ST為研究區(qū)域總面積;Pi為不同類型的土地利用程度參數(shù)[17]。根據(jù)公式(4)進(jìn)而計(jì)算土地利用程度變化量,若ΔLb-a>0,則說(shuō)明該區(qū)域的土地利用處于發(fā)展時(shí)期,反之則處于衰退期[4,33]。
3 結(jié)果與分析
3.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化
通過(guò)對(duì)土地利用面積變化情況(表2)分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)的土地利用變化特征如下:(1)農(nóng)用地面積占土地總面積的比重由96.12%下降至95.82%,總面積減少了944hm2。農(nóng)用地面積減少主要是耕地和草地面積在減少。(2)建設(shè)用地面積占土地總面積的比重由2010年的3.20%上升到2020年的4.12%,總面積增加了2882hm2。(3)未利用地面積一直在減小,減少面積達(dá)1938hm2,2015年之后減少加快。
2010-2020年間,丹江口市土地利用總變化面積約53 308.03hm2,占整個(gè)研究區(qū)國(guó)土總面積的1 7 . 0 4 % 。在土地流向方面(表3),以林地的轉(zhuǎn)入為主,尤其是耕地轉(zhuǎn)為林地的面積較大,多達(dá)14 438.36hm2,約占土地利用變化總面積的27.08%,草地轉(zhuǎn)為林地的面積約9894.27hm2,占土地利用變化的18.56%,草地轉(zhuǎn)為其他地類的面積不大,建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)為林地的面積也較大,分別為2654.52hm2和1859.66hm2,占土地利用變化總面積的4.98%和3.49%,其他地類轉(zhuǎn)為林地的面積較小。其次是林地的轉(zhuǎn)出,其中林地轉(zhuǎn)為耕地面積為6331.81hm2,占土地利用變化的11.88%,林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地與水域的面積分別為4144.55hm2和4058.74hm2,約占土地利用變化總面積的7.77%和7.61%,另外有少部分轉(zhuǎn)為草地、其他土地和未利用地。再者是耕地的轉(zhuǎn)移,耕地除了轉(zhuǎn)為林地之外,轉(zhuǎn)為水域與建設(shè)用地的面積分別是2939.79hm2和2264.21hm2,占土地利用變化總面積的5.51%和4.25%,耕地轉(zhuǎn)為其他地類的面積較少。其他土地的流向變化不明顯。
3.2 土地利用轉(zhuǎn)移方向趨勢(shì)的空間特征
圖1分別展示了農(nóng)用地、建設(shè)用地和未利用地從2010-2020年的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分布情況:(1)農(nóng)用地在2010年主要分布在丹江口市偏東北方向,在2010-2015年間,呈現(xiàn)出向西南遷移的特征,且幅度較大,在2015-2020年間向東北方向遷移。(2)建設(shè)用地在2010-2015年間變化很小,所以標(biāo)準(zhǔn)差橢圓呈現(xiàn)幾乎重合的現(xiàn)象,說(shuō)明丹江口市在此期間城市化發(fā)展速度較慢,而2015-2020年間建設(shè)用地向西南方向遷移。(3)未利用地在2010-2015年間經(jīng)人為干擾小,所以幾乎沒(méi)什么變化,2015-2020年間呈現(xiàn)向東南方向遷移的特征。
3.3 土地利用變化的速度
從土地利用類型動(dòng)態(tài)度的分布情況(表4)分析可知:(1)2010-2015年與2015-2020年土地利用變化速度相差不大,相較而言2015-2020年的速度慢一些,為14.51%。(2)土地利用變化速度最快的是其他土地,尤其是在2015-2020年間,變化速度高達(dá)45.50%,其次是建設(shè)用地,在2010-2015年間,變化速度較快,為3.79%。水域與林地的增長(zhǎng)速率在2010-2015年為負(fù)值,但變化較小,在2015-2020年為正值,分別是3.41%和1.28%。未利用地與草地在2010-2020一直呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的情況,在2015-2020年,耕地的土地增長(zhǎng)速率也為負(fù)值。
3.4 土地利用程度的變化
根據(jù)表5分析統(tǒng)計(jì)情況可得出:(1)建設(shè)用地與其他土地的土地利用程度綜合指數(shù)和土地利用程度變化量在各階段時(shí)間內(nèi)均體現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì),一直處于土地利用的快速增長(zhǎng)期,其面積將繼續(xù)增加;(2)耕地和草地土地利用程度綜合指數(shù)在2015年前逐年增大,2015年后減小,且土地利用程度變化量呈現(xiàn)負(fù)值,說(shuō)明耕地和草地已經(jīng)從發(fā)展時(shí)期進(jìn)入衰退期。(3)未利用地在2015年之前土地利用程度綜合指數(shù)沒(méi)有變化,林地和水域呈現(xiàn)逐年減小,2015年后均增加,且土地利用程度變化量較大,表明未利用地、林地和水域已經(jīng)從衰退時(shí)期進(jìn)入發(fā)展期。
4 結(jié)論
通過(guò)對(duì)2010-2020年土地利用變化情況分析,本文得出以下結(jié)論。
(1)2010-2020年,由于草地的開發(fā)利用以及退耕還林等項(xiàng)目的實(shí)施,農(nóng)用地內(nèi)部的相互轉(zhuǎn)換幅度較大,但農(nóng)用地占土地總面積的比重有所下降;因城市化的發(fā)展,2010-2020年建設(shè)用地的面積有小幅度的增加;對(duì)未利用地的開發(fā)利用導(dǎo)致面積逐年減少。
(2)在空間變化上,研究區(qū)土地利用變化情況整體上在2015-2020年間最為顯著,2010-2015年間建設(shè)用地與未利用地變化很小,但建設(shè)用地與未利用地變化較大。
(3)在土地利用速度方面,2015-2020年比2010-2015年土地利用變化速度慢,但建設(shè)用地程度在各階段都呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),土地利用變化速度最快的是農(nóng)用地中的其他土地(設(shè)施農(nóng)用地),未利用地與草地在研究時(shí)段內(nèi)一直是負(fù)增長(zhǎng)的情況,耕地在2015年后增長(zhǎng)速度變?yōu)樨?fù)值。
(4)2010-2020年以來(lái),土地利用程度的變化在建設(shè)用地中一直呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)且面積將會(huì)繼續(xù)增加,2015年后未利用地、林地和水域利用程度指數(shù)增加,對(duì)這三類土地的利用進(jìn)入了發(fā)展期,而耕地和草地在減少,甚至出現(xiàn)了負(fù)值,這兩類土地的利用進(jìn)入了衰退期,面積可能還會(huì)進(jìn)一步減少。
基于ArcGIS平臺(tái)結(jié)合土地利用動(dòng)態(tài)度變化指標(biāo),通過(guò)對(duì)丹江口市國(guó)土自然資源的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析,不僅可以定量描述各類土地的利用現(xiàn)狀以及發(fā)展變化趨勢(shì),還可以為研究區(qū)域國(guó)土資源管理和開發(fā)利用、城鎮(zhèn)化的建設(shè)、開發(fā)環(huán)境保護(hù)等提出一定的科學(xué)依據(jù)。對(duì)土地利用動(dòng)態(tài)變化情況的掌握,可以更好地協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù),合理統(tǒng)籌安排用地比例。
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基金項(xiàng)目: 荊門市耕地質(zhì)量生態(tài)監(jiān)測(cè)試點(diǎn)( 續(xù)作)(MSDZ202212);編制全省耕地保護(hù)規(guī)劃項(xiàng)目(HBECC-ZB-ZC22097)。