吳愛林, 陳 燕, 燕彩霞, 羅 嬋, 宋新山

(東華大學 環(huán)境學院, 上海 201620)

基于洛倫茨曲線的長江三角洲土地利用結構時空變化分析

吳愛林, 陳 燕*, 燕彩霞, 羅 嬋, 宋新山

(東華大學 環(huán)境學院, 上海 201620)

以長江三角洲2000年和2014年的2期土地利用空間數(shù)據(jù)為基礎,應用經(jīng)濟學中的洛倫茨曲線和基尼系數(shù),進行長江三角洲2000—2014年的土地利用結構時空變化研究,分析得出：在時間上,長江三角洲土地利用結構變化中起主導作用的土地利用類型是耕地、林地、城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民用地；在空間上,耕地、水庫坑塘、農(nóng)村居民用地和城鎮(zhèn)用地分布比較均勻,其次是林地、河渠、草地、其他建設用地和灘地,湖泊、未利用土地和灘涂距絕對均勻線較遠,說明在長江三角分布極不平衡,差距懸殊.15年間,耕地、林地、草地和河渠在向不均勻方向發(fā)展,湖泊、水庫坑塘、灘涂、灘地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民用地、其他建設用地和未利用地恰好相反.

洛倫茨曲線; 基尼系數(shù); 土地利用結構; 長江三角洲

土地利用結構是指特定區(qū)域國民經(jīng)濟各部門占地的比重及其相互關系的總和[1-2].21世紀以來,隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展,土地利用程度加劇、城市土地資源配置不合理性、區(qū)域性人地矛盾日益顯著的現(xiàn)象屢見不鮮,嚴重制約了人地系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展.因此研究土地利用結構特征及其時間變化是研究一個地區(qū)自然條件、資源和社會經(jīng)濟發(fā)展區(qū)域結構及其優(yōu)化配置的重要途徑之一,對區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局、土地合理利用具有指導意義[3-5].長江三角洲地區(qū)北起通揚運河,南抵杭州灣,西至南京,東到海濱[6],包括上海、南京、鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州、揚州、泰州、南通、杭州、湖州、嘉興、紹興、寧波、舟山、臺州共16個城市.優(yōu)越的自然條件和地理區(qū)位,使長江三角洲的經(jīng)濟快速發(fā)展,土地利用結構也不斷變化,因此本文應用經(jīng)濟學中的洛倫茨曲線和基尼系數(shù)對長江三角洲土地利用空間結構變化規(guī)律進行分析,操作簡單,工作量小.洛倫茲曲線可直觀地反映區(qū)域土地利用類型空間分布的差異性,而基尼系數(shù)能夠?qū)Ψ植记闆r進行定量分析,從而為土地資源合理利用及結構調(diào)整提供科學依據(jù).

1 研究區(qū)概況

長江三角洲位于中國大陸東部沿海,主要為亞熱帶季風氣候,年均氣溫、年均最高和最低氣溫都顯著增加；生態(tài)系統(tǒng)類型復雜,主要的土地利用類型有耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地；在經(jīng)濟方面,長江三角洲是中央政府定位的中國綜合實力最強的經(jīng)濟中心,截至2014年末,大長三角國內(nèi)生產(chǎn)總值128 802.8億元,是2000年的6.62倍,占全國的20.25%；常住人口15 894萬人,其中城鎮(zhèn)人口占了68.82%,是2000年的1.17倍,占全國的11.62%.也就是說長三角人均國內(nèi)生產(chǎn)總值(81 038.63元/人)是全國平均的1.74倍；人口密度(722人/km2)是全國平均水平的5.07倍.

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源本研究以長江三角洲為研究區(qū)域,以2000年和2014年Landsat TM衛(wèi)星影像為主要數(shù)據(jù)源,數(shù)據(jù)預處理包括數(shù)據(jù)讀取、輻射定標、大氣校正(FLAASH模型)、波段合成、影像鑲嵌、研究區(qū)裁剪等.以土地利用方式和覆蓋特征為主要分類依據(jù),對遙感影像進行目視判讀,解譯精度約為89.4%.圖像處理軟件采用ENVI 5.1和ArcGis 10.2.

2.2土地利用結構的時間分異分析

2.2.1土地利用變化幅度 在軟件ArcGIS的屬性表中可以獲得各種土地斑塊的面積,比較2個時期的土地利用類型,可得到研究區(qū)2個不同時期(2000年和2014年)土地利用基本格局變化情況,如表1所示.土地利用變化幅度[7]是指在某一時段內(nèi)土地利用類型面積的變化,表達式為

Z=Ub-Ua,

其中,Z為研究時段內(nèi)某一土地利用類型面積的總變化幅度,Ua和Ub分別為研究期初和末期某種土地利用類型的面積(km2).

從表1的結果可以看出：研究區(qū)居前3位的土地利用類型在2000年為耕地、林地和農(nóng)村居民用地,2014年轉化為耕地、林地和城鎮(zhèn)用地.2000—2014年長江三角洲土地利用變化整體呈現(xiàn)“7增5減”的現(xiàn)象,即湖泊、水庫坑塘、灘涂、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民用地、其他建設用地和未利用地面積增加,耕地、林地、草地、河渠和灘地減少.期間,耕地變化最為顯著,耕地面積減少了8 129.45 km2,變化貢獻率為43.40%；其次是城鎮(zhèn)用地,城鎮(zhèn)用地凈增加5 162.18 km2,對土地利用結構的變化貢獻率達到了27.56%；未利用地和湖泊面積在近10年間有小幅度增長,增長幅度分別54.42和77.15 km2；農(nóng)村居民用地和其他建設用地面積凈增加了1 737.44和1 518.57 km2；灘地對土地利用結構變化的貢獻率最小.

可見,耕地、林地、城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民用地是長江三角洲主要的土地利用類型,構成長三角土地利用的基本格局,2000—2014年,長三角土地利用結構變化特征主要表現(xiàn)為耕地和生態(tài)用地(林地、草地)減少,建設用地(城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民用地及其他建設用地)增加,這與長三角較高的經(jīng)濟發(fā)展水平、人口變化、土地利用的集約化水平高、地勢平坦利于開發(fā)等密切相關.

2.2.2土地利用變化速度 土地利用的動態(tài)度可定量描述研究區(qū)域土地利用變化的速度,它對比較土地利用變化的區(qū)域差異和預測未來土地利用變化趨勢都具有積極的作用[8],單一土地利用動態(tài)度可以反映一種土地利用類型在某時間段的變化情況,其公式[9]為

其中,K為某一土地利用類型變化率,Ua、Ub分別為研究期始末某一種土地利用類型的數(shù)量,T為研究時段長.

表2為2000—2014年長江三角洲土地利用類型的單一土地利用動態(tài)度.從表2可知：長江三角洲的耕地、林地、草地、河渠和灘地是減少的,耕地減少速度最大,年遞減率為1.02%.就各市而言,耕地在16個市中都呈現(xiàn)遞減趨勢,其中蘇州年遞減率達到了2.42%；城鎮(zhèn)用地都呈遞增趨勢,泰州年度變化最大,為18.18%；林地除了嘉興、泰州和揚州是增加的,其余市都有減少；草地除了常州、嘉興、南京、南通、紹興、蘇州、泰州、無錫和揚州有所減少外,其他市增加；河渠變化不明顯,除了揚州,其他市都沒有超過1%；湖泊除杭州、南通、寧波、蘇州和泰州,水庫坑塘除杭州、上海和紹興減少外,其他市呈遞增趨勢；杭州灘涂、寧波灘地變化較大；農(nóng)村居民用地、其他建設用地和未利用地基本呈遞增趨勢,尤其是其他建設用地和未利用地年變化率較大.

2.3空間洛倫茨曲線分析洛倫茨曲線是美國經(jīng)濟統(tǒng)計學家在20世紀初期為研究社會財富、土地和工資收入等是否公平而提出的,它利用頻率累計數(shù)繪制成的曲線來刻畫其不平等(集中或分散)程度[10],是分析土地利用結構空間分布的一種分析手段.空間洛倫茨曲線上的縱軸和橫軸由土地利用類型面積累計比例和土地面積累計比例構成,洛倫茨曲線為向內(nèi)凹的曲線,與橫軸和縱軸都成45°夾角的曲線,叫絕對均勻線,其他與該曲線距離越近表示分布越均勻,反之,則越不均勻[11].

對于空間洛倫茨曲線的繪制,本研究以長江三角洲2000年各地類為例(表3),利用各市2000年各地類土地利用類型面積的原始數(shù)據(jù),分別求出某地類的區(qū)位熵.區(qū)位熵的計算公式[12]為

Q=(A1/A2)/(A3/A4),

其中,Q為區(qū)位熵,A1為某市某類用地的面積,A2為長三角某類用地的面積,A3為某市土地總面積,A4為長三角土地總面積.

按區(qū)位熵大小從低到高依次排列,并計算出土地總面積的累計百分比和耕地面積的累計百分比,最后以總土地面積累計百分比為橫坐標,以耕地面積累計百分比為縱坐標,取100長度,繪出坐標圖[13](見圖1和圖2).

表 1 2000—2014年長江三角洲土地利用結構時間變化的分異指數(shù)

表 2 2000—2014年長江三角洲土地利用類型的單一土地利用動態(tài)度

觀察2個時相的空間洛倫茨曲線可知,長江三角洲在2000—2014年間,耕地和草地的曲線與絕對均勻線存在相互疏遠的趨勢,說明這4種土地類型在長江三角洲分布不均衡,即某些市的分布面積所占比例高于其他市,反映了這4種土地類型面積不斷減少,它們減少的標志是城鎮(zhèn)用地、其他建設用地的增加和草地不斷被墾殖.湖泊、水庫坑塘、灘涂、灘地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民用地、其他建設用地和未利用地的曲線與絕對均勻線表現(xiàn)為趨近,在實際中這8種土地利用類型明顯擴大,其中城鎮(zhèn)用地、其他建設用地和農(nóng)村居民用地的擴大是經(jīng)濟建設快速發(fā)展、城市化進程加快、人口增長的結果；水庫坑塘、湖泊的增加主要是為了區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展、洪水調(diào)控及區(qū)域生態(tài)安全建設.林地和河渠的變化幅度微小,但也開始出現(xiàn)分布不均勻的跡象,因此,在推動區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的前提下,進一步調(diào)整和優(yōu)化土地利用結構,加強土地資源合理利用,促進區(qū)域經(jīng)濟健康穩(wěn)定的發(fā)展尤為重要.

表 3 長江三角洲2000年各地類的累計百分比

表 3(續(xù))

表 3(續(xù))

就各市而言,以長江三角洲2000年耕地的洛倫曲線為例(見圖1),從原點開始的各點分別代表杭州市、臺州市、舟山市、紹興市、寧波市、湖州市、蘇州市、無錫市、上海市、南京市、常州市、鎮(zhèn)江市、揚州市、嘉興市、泰州市和南通市.以杭州市-臺州市連線斜率較小,說明耕地在這2個市分布比較少,而在蘇州市之后,區(qū)位熵>1,說明在蘇州之后的城市,耕地占此類用地比例高于該市總面積占長江三角洲總面積的比例.事實上正是如此,2000年杭州市和臺州市土地約占長三角的23.25%,耕地占10.81%,而蘇州市在占全區(qū)7.69%的土地上,耕地面積卻占長江三角洲總耕地面積的7.68%.因此,應根據(jù)各地類的空間洛倫茨曲線分析各市的土地利用特色,從而確定長江三角洲最佳的土地利用目標,大力發(fā)展各市相適宜的特色產(chǎn)業(yè),優(yōu)化長三角的土地利用結構.

2.4空間基尼系數(shù)分析洛倫茨曲線可以直觀顯示某種土地利用類型在全區(qū)空間分布的差異性,但是無法對其差異(或均勻不均勻)的程度進行定量描述[14].為此,引入經(jīng)濟學上常用于計算社會收入分配程度的統(tǒng)計指標:基尼系數(shù),來進一步定量描述土地利用類型在長江三角洲的分布情況.基尼系數(shù)越大,表示該土地類型在長江三角洲分布不均勻,相反則越均勻,其公式[15]為

其中,G為基尼系數(shù),Mi為某市某一用地類型面積累計百分比,Qi為某市土地占長江三角洲土地面積的累計百分比.基尼系數(shù)的計算結果見圖3.

在分析2個時段的基尼系數(shù)與洛倫茨曲線之后,發(fā)現(xiàn)系數(shù)、曲線與TM遙感解譯結果之間有很高的一致性.2000年和2014年各種土地利用類型的空間基尼系數(shù)排序不是一成不變的,2000年空間基尼系數(shù)按大小依次為湖泊>灘涂>未利用地>灘地>林地>河渠>其他建設用地>草地>城鎮(zhèn)用地>農(nóng)村居民用地>水庫坑塘>耕地;2014年依次為湖泊>灘涂>未利用地>河渠>林地>灘地>草地>其他建設用地>城鎮(zhèn)用地>農(nóng)村居民用地>水庫坑塘>耕地.湖泊、灘涂和未利用的空間分布在2個時期最不均勻；耕地的不均勻程度一直排在末尾,反映出不同市耕地面積減少程度差異不大,地區(qū)間比較平衡；草地的不均勻程度在這2年各不相同,跳躍性很大,由2000年不均勻程度的第4位至2014年第11位；灘地和河渠不均勻程度的發(fā)展方向相反；林地和其他建設用地保持不變；城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民用地和水域的不均勻程度在這2年各不相同,但都有向均勻方向發(fā)展的趨勢.

3 結論

本文以2000—2014年長江三角洲土地利用結構為研究對象,分析了長江三角洲土地利用結構時間、空間變化規(guī)律.研究表明:耕地、林地、城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民用地是長江三角洲的主要土地利用類型,構成長江三角洲土地利用的基本格局.在時間尺度上,2000—2014年,長江三角洲的耕地大幅度減少,城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民用地和其他建設用地均在大幅度增加；從長江三角洲各種土地利用類型變化速度看,耕地、林地、草地、河渠和灘地呈現(xiàn)負向變化速率,表明其面積呈現(xiàn)減少趨勢.相反,其他土地利用類型呈現(xiàn)正向變化速率,表明其面積增加.在空間尺度上,湖泊、灘涂和未利用土地分布極不平衡,差距懸殊,但均朝均勻方向開始緩慢分布；林地、草地、河渠、灘地和其他建設用地在各市分布差距比較大,其中林地、草地和河渠出現(xiàn)不均衡趨勢；水庫坑塘、農(nóng)村居民用地和城鎮(zhèn)用地分布相對合理；耕地比較均勻,但分布離散程度朝相對合理方向發(fā)展.針對長江三角洲土地結構的現(xiàn)狀及變化趨勢,在未來土地調(diào)整中應更多地考慮到耕地總量動態(tài)平衡的意義,格外注意對森林生態(tài)系統(tǒng)的保護,控制建設用地占用耕地和林地,提高土地利用集約度,加強人地系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行和可持續(xù)發(fā)展.下一步工作研究中可以與人口、經(jīng)濟等各指標相結合,對影響長江三角洲土地利用結構變化的驅(qū)動力進行深入、定量地分析,了解其空間結構的變化機制,則對區(qū)域土地利用結構的調(diào)整和優(yōu)化服務和土地資源的可持續(xù)利用具有更大的應用意義.

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Temporal-spatial Variation Analysis of Land Use Structure Based on Lorenz Curves in Yangtze River Delta Region

WU Ailin, CHEN Yan, YAN Caixia, LUO Chan, SONG Xinshan

(CollegeofEnvironment,DonghuaUniversity,Shanghai201620)

Based on the land use data of Yangtze River Delta region in 2000 and 2014 year, we introduced the concept of Lorenz curves and Gini coefficients to analyze the temporal-spatial variation of land use structure. The results showed that, with temporal change, cultivated land, forest land, urban land and rural residential area played an important role in the variation of land use structure. In spatial chang, cultivated land, the reservoir and pond, rural residential area and urban land were dispersed, followed by forest land, rivers and canals, grass land, other construction land and tidal flat. Lake, unused land and beach land were farther away from the uniform line and were extremely unevenly distributed in Yangtze River Delta region. Cultivated land, forest land, grass land and rivers and canals were converted to be uneven in 15 years of study period, while lake, the reservoir and pond, beach land, tidal flat, urban land, rural residential area, other construction land and unused land were reversed.

Lorenz curves; Gini coefficient; land use structure; Yangtze River Delta region

2016-08-29

國家自然科學基金(41471089)

*通信作者簡介：陳 燕(1976—),女,副教授,主要從事資源與環(huán)境演變、城市生態(tài)安全等的研究,E-mail:chenyanhjxy@dhu.edu.cn

F301.24

A

1001-8395(2017)05-0703-08

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.05.024

(編輯 李德華)