湯 坤, 蔡 爍, 邱榮祖, 徐 璐, 胡喜生

(1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院,福建 福州350002;2.莆田市環(huán)保局,福建 莆田 351100)

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福建省不同類型道路沿線土地利用/土地覆蓋變化的時(shí)空格局

湯 坤1, 蔡 爍2, 邱榮祖1, 徐 璐1, 胡喜生1

(1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院,福建 福州350002;2.莆田市環(huán)保局,福建 莆田 351100)

為研究不同類型道路對(duì)土地利用/土地覆蓋變化的作用，確定不同道路的影響范圍及強(qiáng)度，選取G15沈海高速公路福建省路段、G205國(guó)道與S203省道路段為研究對(duì)象，將道路沿線兩側(cè)10 km范圍劃分為8個(gè)緩沖區(qū)，分析1990、2000和2010年3個(gè)時(shí)期道路緩沖區(qū)土地利用的時(shí)空變化格局.結(jié)果表明：林地、耕地和草地是該區(qū)域主要的土地利用/土地覆蓋變化類型；試驗(yàn)期間土地利用主要由林地和耕地向其他類型轉(zhuǎn)變.不同類型道路緩沖區(qū)土地利用綜合程度指數(shù)均隨公路距離增大而減小，其中G15周邊土地利用程度高于G205與S203；城鎮(zhèn)化指數(shù)與公路距離呈顯著負(fù)相關(guān)，不同類型道路城鎮(zhèn)化指數(shù)由大到小依次為G15>S203>G205；公路對(duì)土地利用/土地覆蓋變化的主要影響范圍是公路兩側(cè)6 km內(nèi)；其中建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度顯著高于其他用地，動(dòng)態(tài)度最高的區(qū)域位于在道路兩側(cè)1 km范圍內(nèi).

土地利用/土地覆蓋變化; 道路類型; 時(shí)空格局

開發(fā)利用土地造成的土地覆蓋變化是人類生產(chǎn)生活改造全球環(huán)境的重要組成和主要原因.20世紀(jì)90年代以來(lái)，土地利用/土地覆蓋變化(land use/land cover change)已成為全球環(huán)境變化領(lǐng)域的核心課題之一[1].中國(guó)大規(guī)模修建和運(yùn)營(yíng)道路交通設(shè)施，在推動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了巨大的生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題[2]，主要表現(xiàn)在移除原有生態(tài)環(huán)境，建設(shè)施工過(guò)程中造成的生態(tài)破壞[3]，污染及理化環(huán)境的改變[4]，生態(tài)破壞對(duì)動(dòng)植物生存環(huán)境造成的影響[5-6]，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破碎化，并對(duì)不同尺度的生態(tài)環(huán)境變化過(guò)程有一定影響[7-9].目前國(guó)內(nèi)外對(duì)公路對(duì)土地利用影響的研究主要集中在土地利用景觀格局[10-11]、公路對(duì)生態(tài)環(huán)境[12-13]、經(jīng)濟(jì)發(fā)展[14]的影響，高速公路建設(shè)造成的土地破壞進(jìn)行恢復(fù)[15]及公路沿線土地節(jié)約集約用地等方面進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究[16-18].但對(duì)不同類型道路對(duì)周邊土地利用變化的影響研究較少.

地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)技術(shù)的發(fā)展，不僅為土地利用/土地覆蓋變化研究提供了數(shù)據(jù)和空間分析方法支持，還為其應(yīng)用提供了可行性評(píng)價(jià)及建設(shè)科學(xué)決策.本試驗(yàn)運(yùn)用GIS技術(shù)分析處理福建省1990、2000、2010年的土地利用數(shù)據(jù)及福建省各類型公路數(shù)據(jù)，選取G15(高速公路)、G205(國(guó)道)、S203(省道)3種類型的道路，利用土地利用貢獻(xiàn)率和轉(zhuǎn)移率、土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)、綜合土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)、土地利用綜合程度指數(shù)以及城鎮(zhèn)化指數(shù)等指標(biāo)，對(duì)道路沿線土地利用/土地覆蓋變化時(shí)空格局進(jìn)行研究.旨在研究不同類型公路沿線土地利用/土地覆蓋變化情況，以期摸清不同類型公路沿線變化特征及變化規(guī)律，確定不同類型公路對(duì)沿線土地利用/土地覆蓋變化的影響距離，為不同類型公路沿線土地的合理配置提供技術(shù)支撐.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)域

福建省(23′20″—28′19″N，115′50″—120′47″E)位于中國(guó)東南部，臺(tái)灣省的西面，全省占地超過(guò)137 000 km2.福建境內(nèi)80%以上為山地和丘陵，10%的平原主要分布在狹窄的東部海濱.全省林地覆蓋率約為62.8%，其中種植園和自然林地分別為98.8%和1.2%[19].G15高速公路即沈陽(yáng)—海口國(guó)家高速公路(沈海高速)，全長(zhǎng)3 710 km，福建境內(nèi)里程數(shù)為649 km.G205國(guó)道為中國(guó)最先建成的國(guó)道之一，起點(diǎn)為河北秦皇島市，終點(diǎn)為廣東深圳市，全程3 160 km，福建段里程數(shù)為664 km.S203為福建漳下線，起點(diǎn)為長(zhǎng)樂(lè)市漳港鎮(zhèn)，終點(diǎn)為永定縣下洋鎮(zhèn)，全長(zhǎng)557 km.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1990、2000、2010年福建省土地利用類型矢量數(shù)據(jù)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn) ，將土地利用類型分為6種，即林地、草地、水體、耕地、建設(shè)用地和未利用土地.道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來(lái)源于福建省交通矢量地圖，包括高速公路、國(guó)道、省道、縣道等不同類型道路.

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 緩沖區(qū)劃分 選取福建省為試驗(yàn)區(qū)域，對(duì)1990、2000、2010年的土地利用數(shù)據(jù)分別進(jìn)行疊加，得到土地利用變化圖.在G15、G205、S203 3條道路兩側(cè)分別建立0.5、1、1.5、2、4、6、8、10 km范圍內(nèi)的緩沖區(qū)(圖1).將生成的緩沖區(qū)切割成3個(gè)時(shí)期的土地利用變化圖，得不同道路緩沖區(qū)的土地利用變化圖.再通過(guò)GIS的屬性查詢，得到各時(shí)間段(1990—2000年、2000—2010年、1990—2010年)的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣.

a.1990年;b.2000年;c.2010年.

1.3.2 土地利用/覆蓋變化指數(shù)構(gòu)建 (1)土地利用貢獻(xiàn)率和轉(zhuǎn)移率:土地利用貢獻(xiàn)率是指特定時(shí)段內(nèi)由其他土地利用類型向單一地類轉(zhuǎn)化的面積與該時(shí)段末期該單一地類總面積的比值，直觀地反映了該時(shí)段末期單一地類的來(lái)源[20].表達(dá)式如下：

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化和工業(yè)化程度顯著提高，縣域經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，人口密度不斷增加，人均生活水平飛速提高，城鎮(zhèn)污水廠用水量和排水量都在大量增加 [1]。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)：在全國(guó)22000多個(gè)縣鄉(xiāng)、城鎮(zhèn)中，直接污水排放量約占全國(guó)總排污量的50%以上，這一現(xiàn)象的主要原因是該地區(qū)用于污水處理的基礎(chǔ)設(shè)施相當(dāng)不健全[2]。近年來(lái)相關(guān)地區(qū)對(duì)原有污水處理廠進(jìn)行改擴(kuò)建或者新建污水廠，這些污水廠工業(yè)污水都占有一定占比，污水可生化性較低，氮、磷比較高，在污水廠全面達(dá)標(biāo)GB 18918－2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)存在一定壓力[3，4]。

(1)

式中，Bdij為該時(shí)段地類i對(duì)地類j的貢獻(xiàn)率，Ubij為該時(shí)段地類i向地類j轉(zhuǎn)化的面積，Ubi為該時(shí)段末期b時(shí)地類i的總面積.

土地利用轉(zhuǎn)移率是指特定時(shí)段內(nèi)某一地類向其他地類轉(zhuǎn)換的面積與該時(shí)段初期該地類總面積之比，直觀地反映了特定時(shí)段內(nèi)某地類的去向[20].表達(dá)式如下：

(2)

式中，Pdij為該時(shí)段地類i對(duì)地類j的轉(zhuǎn)移率，Uai為該時(shí)段初期a時(shí)地類i的總面積.

(2)土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù):單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度(K)表示土地利用類型相互轉(zhuǎn)換的速度，由特定時(shí)段內(nèi)的某一土地利用的轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入雙向變化面積與該時(shí)段初期該類土地利用類型的面積的比值表示，表達(dá)式如下：

(3)

式中，K為一定時(shí)段內(nèi)某一種土地利用類型的動(dòng)態(tài)度，Ua為試驗(yàn)初期的某一種土地利用類型面積，ΔU1、ΔU2分別是試驗(yàn)期內(nèi)增加和減少的某一種土地利用類型面積的絕對(duì)值，T為試驗(yàn)期長(zhǎng)度.

(3)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度(S)指數(shù)主要考慮某一區(qū)域在特定時(shí)段內(nèi)不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移速率，在一定程度上反映區(qū)域內(nèi)土地利用變化劇烈程度，便于在不同緩沖帶間尋找土地利用變化熱點(diǎn)區(qū)域[21].表達(dá)式如下：

(4)

式中，S為綜合土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)，Lui為初期第i類土地利用類型的總面積，ΔUi-j為該期間內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j類非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值，T為研究時(shí)間長(zhǎng)度.

(4)土地利用綜合程度指數(shù):土地利用綜合程度指數(shù)(La)主要反應(yīng)了特定區(qū)域土地利用的廣度和深度，莊大方等[22]提出的土地利用程度綜合分析方法，是根據(jù)社會(huì)因素影響程度劃分土地利用類型，并分別賦予分級(jí)指數(shù)：建設(shè)用地賦值度為4，農(nóng)用地為3，林水草為2，未利用地為1.再根據(jù)公式(5)，計(jì)算得到一個(gè)范圍為100～400的綜合指數(shù)：

(5)

式中，La為土地利用綜合程度指數(shù)，Ai為第i級(jí)土地利用面積百分比，Ci為第i級(jí)土地利用分級(jí)指數(shù).

(5)城鎮(zhèn)化指數(shù):城鎮(zhèn)化指數(shù)(U)是指特定區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地面積與該區(qū)域內(nèi)其他用地類型總面積之比，反映該區(qū)域的開發(fā)程度，與人類活動(dòng)強(qiáng)度呈正相關(guān).表達(dá)式如下：

(6)

式中，U為城鎮(zhèn)化指數(shù)，Ap為該區(qū)域建設(shè)用地面積，An為該區(qū)域其他用地面積總和.

2 結(jié)果與分析

2.1 道路緩沖區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)換

利用ArcGIS的空間分析功能，裁剪出3種類型道路緩沖區(qū)3個(gè)時(shí)期土地利用變化圖，包括土地利用覆蓋面積及比例(表1～3)、土地利用貢獻(xiàn)率矩陣(表4、6、8)和轉(zhuǎn)移率矩陣(表5、7、9).

表1 1990—2010年G15高速公路緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)

表2 1990—2010年G205國(guó)道緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)

表3 1990—2010年S203省道緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)

由表1可得，1990—2010年間G15高速公路緩沖區(qū)周邊土地利用類型中，占比較高的為林地、耕地和草地；這一時(shí)期面積增大的土地利用類型為林地、水體和建設(shè)用地，面積縮小的為未利用地、草地和耕地，其中建設(shè)用地面積由1990年的726.69 km2增至2010年的1 477.08 km2，增幅達(dá)到103%(表1).G205與S203道路緩沖區(qū)土地利用覆蓋面積變化情況與G15相似，但S203道路緩沖區(qū)水體面積增大率達(dá)83.2%，增幅遠(yuǎn)高于另外2類型道路(表2、3).

通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)移率和貢獻(xiàn)率矩陣(表4)可得，林地對(duì)其他土地利用類型的貢獻(xiàn)率大多在10%以上，水體(9.9%)除外，其中對(duì)草地貢獻(xiàn)率高達(dá)33.21%；耕地對(duì)建設(shè)用地貢獻(xiàn)率最大(52.24%)，對(duì)林地、草地、水體的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了12.75%、12.19%、25.52%.因此，主要土地變化類型是林地和耕地向其他土地利用類型轉(zhuǎn)變.此外，土地利用轉(zhuǎn)移率矩陣(表5)補(bǔ)充說(shuō)明貢獻(xiàn)率，即主要轉(zhuǎn)變類型為林地—耕地、草地—林地、草地—耕地、水體—建設(shè)用地及耕地—建設(shè)用地，較清晰地反映各個(gè)地類轉(zhuǎn)化的具體走向.

表4 1990—2010年G15高速公路緩沖區(qū)土地利用貢獻(xiàn)率矩陣

G205與S203道路緩沖區(qū)與公路緩沖區(qū)變化情況類似(表6～9)，林地為G205緩沖區(qū)主要貢獻(xiàn)地類，對(duì)其他土地利用類型的貢獻(xiàn)率均在30%以上，林地(32.8%)和耕地(30.2%)為建設(shè)用地的主要來(lái)源.

2.2 道路緩沖區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化

由綜合土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)(圖2)可得，不同類型道路緩沖區(qū)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)均隨公路距離增大而減小，距離公路越近，土地利用轉(zhuǎn)換速度越快.不同距離間差異顯著，如在1990—2010年間，距道路兩側(cè)500 m范圍內(nèi)，綜合動(dòng)態(tài)度指數(shù)SG15

表5 1990—2010年期間G15高速公路緩沖區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移率矩陣

表6 1990—2010年期間G205國(guó)道緩沖區(qū)土地利用貢獻(xiàn)率矩陣

表7 1990—2010年期間G205國(guó)道緩沖區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移率矩陣

表8 1990—2010年期間S203省道緩沖區(qū)土地利用貢獻(xiàn)率矩陣

由G15緩沖區(qū)土地利用類型動(dòng)態(tài)度(圖3)可得，1990—2010年G15道路緩沖區(qū)建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度顯著高于其他用地，這是由于建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度與人為活動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)性最為密切，公路周邊是人類活動(dòng)強(qiáng)度較大的區(qū)域.在1 km范圍內(nèi)，除農(nóng)田和未利用地外，其他土地利用類型的動(dòng)態(tài)度均較高，即人類活動(dòng)最活躍的區(qū)域在道路沿線1 km范圍內(nèi)，在這一范圍，交通較為便利，建筑較為集中，人口密度大，因此對(duì)于土地利用類型變化的影響較大.

表9 1990—2010年期間S203省道緩沖區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移率矩陣

圖2 不同類型道路緩沖區(qū)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

2.3 道路緩沖區(qū)土地利用綜合程度變化

由圖4可得，不同類型道路緩沖區(qū)土地利用綜合程度指數(shù)均隨公路距離增大而減小，表明距離公路越近，土地利用變化程度越劇烈；3種類型道路土地利用綜合程度指數(shù)LaG15>LaG205>LaS203，且近10年(2000—2010年)LaG15顯著高于LaG205與LaS203，主要原因是G15處于沿海地帶，土地開發(fā)程度較高，發(fā)展較快；G15與G205對(duì)土地利用變化影響范圍均為6 km，S203的影響范圍達(dá)到了8 km，即公路沿線6 km范圍內(nèi)是土地利用開發(fā)強(qiáng)度最高的區(qū)域，超出6 km范圍以后，土地利用綜合程度指數(shù)趨于平穩(wěn).主要因?yàn)榈缆穬蓚?cè)6 km范圍外交通便利程度和人口密度明顯降低，因此對(duì)土地利用開發(fā)強(qiáng)度隨之降低.

a.G15;b.S203;c.G205.

城鎮(zhèn)化指數(shù)主要反映特定區(qū)域的開發(fā)程度，與人類活動(dòng)強(qiáng)度呈正相關(guān)，可作為土地利用綜合程度指數(shù)的補(bǔ)充說(shuō)明.由圖5可得，城鎮(zhèn)化指數(shù)為UG15>US203>UG205，2010年3條道路城鎮(zhèn)化指數(shù)范圍依次為：0.132～0.232、0.029～0.127、0.007～0.119；城鎮(zhèn)化指數(shù)與土地利用綜合程度指數(shù)變化趨勢(shì)相似，G15道路緩沖區(qū)先增大后減小，同樣因?yàn)榻咚俟穬蓚?cè)是是封閉區(qū)域，土地利用較穩(wěn)定，道路周邊0.5 km范圍內(nèi)城鎮(zhèn)化指數(shù)反而比1 km范圍內(nèi)?。浑S著城市化進(jìn)程的加快，城市范圍的擴(kuò)大，將高速公路納入城市范圍，對(duì)道路周邊土地的開發(fā)程度增加，到2010年，城鎮(zhèn)化指數(shù)與公路距離呈顯著的負(fù)相關(guān)，且全區(qū)2000—2010年10年間城鎮(zhèn)化建設(shè)速度顯著加快；US203與UG205的變化趨勢(shì)類似，前10年變化量小，后10年顯著增大，主要由于二者地處內(nèi)陸，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度與沿海相比較慢；而US203略高于UG205是因?yàn)镾203部分路段貫穿沿海地帶，提高了整體的城鎮(zhèn)化指數(shù).

a.G15;b.S203;c.G205.

3 結(jié)論

(1)不同類型道路緩沖區(qū)周邊土地利用類型中，占比較高的為林地、耕地和草地；在試驗(yàn)期內(nèi)，面積增加的土地利用類型為林地、水體和建設(shè)用地，建設(shè)用地增加比例最高，為80%～103%，面積減少的為未利用地、草地和耕地.主要變化類型是林地和耕地向其他土地利用類型轉(zhuǎn)變.

(2)土地利用轉(zhuǎn)換活躍度與人類活動(dòng)強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度呈正相關(guān)，6 km范圍以外，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)的變化明顯減緩，即公路對(duì)土地利用轉(zhuǎn)換的影響范圍主要在6 km以內(nèi).建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度要明顯高于其他用地；在1 km范圍內(nèi)，除農(nóng)田外，其他土地利用類型均表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)度較高，即人類活動(dòng)最活躍的區(qū)域在道路周邊1 km范圍內(nèi).

(3)不同類型道路緩沖區(qū)土地利用綜合程度指數(shù)均隨公路間的距離增大而減小，總體上，高速公路周邊土地利用程度最高，省道最低；2000—2010年公路周邊土地開發(fā)程度高于之前10年；G15道路緩沖區(qū)土地利用綜合程度指數(shù)顯著高于G205與S203，公路沿線6 km范圍內(nèi)是土地利用開發(fā)強(qiáng)度最高的區(qū)域，超過(guò)6 km以后，土地利用綜合程度指數(shù)變化明顯減緩.城鎮(zhèn)化指數(shù)為UG15>US203>UG205，城鎮(zhèn)化指數(shù)與公路距離呈顯著的負(fù)相關(guān)，且全區(qū)2000—2010年10年間城鎮(zhèn)化建設(shè)速度顯著加快.

本文利用GIS深入分析福建省不同類型道路(高速公路、國(guó)道、省道)10 km緩沖區(qū)內(nèi)土地利用變化，但尚未研究其他類型道路，而且未研究自然、社會(huì)、路網(wǎng)密度等因素對(duì)土地利用變化的影響，使結(jié)果具有一定的局限性.因此，在本試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

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(責(zé)任編輯:蘇靖涵)

Spatiotemporal pattern of land use change/land cover change along different grades of roads in Fujian Province

TANG Kun1, CAI Shuo2, QIU Rongzu1, XU Lu1, HU Xisheng1

(1.College of Transportation and Civil Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China;2.Putian Municipal Environmental Protection Bureau, Putian, Fujian 351100, China)

To investigate the effects of different grades of roads on land use change/land cover change (LUCC), land use types in buffer zone within 10 km along G15 expressway, G205 highway and S203 road were summarized. And changes and conversion of land use types from one to another during 1990-2000, 2000-2010, and 1990-2010 were interpreted. The results showed that forest land, cultivated land and grassland were the main land use type in the area. Forest land and cultivated land were the primary sources for other types of land use. Comprehensive index of land use degree reduced with increased distance from road buffer area for 3 types of roads, and that of G15 was significantly higher than those of G205 and S203. Generally, the influence of road on LUCC was within 6 km. Urbanization index for 3 types of roads in a descending order was G15, S203, G205, which was negatively correlated with the distance to roads. Land dynamic degree for construction use was higher than others, and human activity was most active within the range of 1km.

land use/land cover change; road type; spatiotemporal pattern

2016-12-07

2017-01-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41201100)；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J01606).

湯坤(1993-)，男，碩士研究生.研究方向：道路環(huán)境影響.Email：17720815805@163.com.通訊作者胡喜生(1979-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師.研究方向：景觀生態(tài)學(xué)、道路生態(tài)學(xué).Email：fafuhuxs@126.com.

U491.9+2

A

1671-5470(2017)04-0445-08

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.04.015