王居午,王軍邦,雷國(guó)平,馬泉來,丁 雪,葉 輝,鄭志志
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030; 2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101; 3.武漢市江岸區(qū)新村街道辦事處,湖北武漢 430012)
中國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、城鎮(zhèn)化飛速發(fā)展的時(shí)期,土地利用在時(shí)間和空間上均呈現(xiàn)顯著的變化[1-2]。受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和自然因素等驅(qū)動(dòng)力的影響,不同地域范圍內(nèi)的土地利用變化會(huì)出現(xiàn)不同的區(qū)域特點(diǎn)[3],因此,目前的土地利用變化研究一般以區(qū)域?yàn)楸尘伴_展研究,探究其對(duì)某區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的影響[4-7]。
21世紀(jì)以來,區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型研究受到廣泛關(guān)注[8-9],如生態(tài)脆弱區(qū)[5]、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展區(qū)[10]、干旱區(qū)[11-12]、 江河流域[6,13-14]等,作為其研究方向重點(diǎn)內(nèi)容的土地利用變化驅(qū)動(dòng)因子及驅(qū)動(dòng)機(jī)制,可以為其他地區(qū)土地利用變化機(jī)理分析提供方法和依據(jù)[15-16]。現(xiàn)有的研究中,對(duì)土地利用變化動(dòng)力機(jī)制研究主要從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、自然等角度來分析土地利用類型的面積變化與驅(qū)動(dòng)因素間的關(guān)系,以此來揭示區(qū)域內(nèi)土地轉(zhuǎn)移的動(dòng)力機(jī)制[12,17-18]。根據(jù)相關(guān)研究?jī)?nèi)容,長(zhǎng)時(shí)間序列的土地利用數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于大范圍的區(qū)域研究[19],而在小范圍(省級(jí)以下)地區(qū)的應(yīng)用研究不夠豐富[20-21],因此,進(jìn)行小范圍地區(qū)長(zhǎng)期的土地利用變化趨勢(shì)的研究可以豐富土地利用變化研究的內(nèi)容,同時(shí)對(duì)小范圍地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與恢復(fù)具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。
文章運(yùn)用紹興1980~2015年7個(gè)時(shí)期的TM遙感影像,結(jié)合3S技術(shù)手段,研究紹興1980~2015年土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化特征,探究紹興土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力因素,揭示以紹興為代表的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)土地利用變化與自然、社會(huì)驅(qū)動(dòng)因素之間的關(guān)系,以期為紹興市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地資源利用提供科學(xué)參考。
紹興市地處浙江省,屬于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)。東連寧波市,南臨臺(tái)州市和金華市,西接杭州市,北至嘉興市,地理坐標(biāo)為119°53′03″E~121°13′38″E、29°13′35″N~30°17′30″N之間。紹興屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,溫暖濕潤(rùn),四季分明。轄區(qū)東西長(zhǎng)130.4km,南北寬118.1km,海岸線長(zhǎng)40km,陸地總面積為82.733萬hm2。全市地貌可概括為“四山三盆兩江一平原”,境內(nèi)地貌類型多樣,地勢(shì)總趨勢(shì)由西南向東北傾斜,西、中、東3部屬山地丘陵,北部是紹虞平原。境域內(nèi)河流密布,湖泊眾多,素以“水鄉(xiāng)澤國(guó)”之稱而享譽(yù)中外。截止2015年底,全市下轄3區(qū)2市1縣,共118個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)與街道,總?cè)丝诩s為483萬人,自然增長(zhǎng)率為9.38‰,GDP總量位居全省第四。
圖1 遙感影像分類
該文土地利用數(shù)據(jù)選用1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年7期Landsat分辨率為30m的 TM/ETM遙感影像作為數(shù)據(jù)源。結(jié)合研究區(qū)遙感影像的分辨率,采用中科院土地覆蓋分類系統(tǒng)一級(jí)類,將土地利用類型劃分為未利用地、建設(shè)用地、草地、水域、林地和耕地6類[22]。主要采取監(jiān)督分類方法里面的最大似然法對(duì)7期影像進(jìn)行分類,采用混淆矩陣法進(jìn)行分類精度評(píng)價(jià),得出整體精度為98.956 3%,Kappa系數(shù)為0.901 2,分類精度較高(圖1)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《紹興統(tǒng)計(jì)年鑒》(2000~2015年)。
主要選用土地利用/覆被變化指數(shù),土地利用變化軌跡進(jìn)行分析。土地利用/覆被變化指數(shù)參照劉瑞等[23]的研究成果,土地利用/覆被凈變化量指數(shù)(Dj)能夠反映不同土地利用類型的絕對(duì)變化量。
Dj=MAX(Pj+-Pjj,P+j-Pjj)-min(Pj+-Pjj,P+j-Pjj)=∣P+j-Pj+∣
(1)
土地利用/覆被交換變化量指數(shù)(Sj)能夠反映區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)換的總量。
Sj=2×min(Pj+-Pjj,P+j-Pjj)
(2)
土地利用/覆被總變化量指數(shù)(Cj)能夠綜合反映某一土地利用類型的絕對(duì)與交換變化量。
Cj=Dj+Sj
(3)
式(1)~(3)中,Pj+表示T1時(shí)點(diǎn)土地利用/覆被類型j的總面積百分比; P+j表示T2時(shí)點(diǎn)j種土地利用/覆被類型的總面積百分比; Pjj表示一定時(shí)期內(nèi)j種土地利用/覆被類型保持不變的面積百分比。
通過結(jié)合7個(gè)不同時(shí)間段的圖層來表示土地利用變化軌跡,利用ArcGIS10.2軟件將7個(gè)時(shí)間段的圖層疊加在一起,形成一幅包含各個(gè)時(shí)間段斑塊的圖層,每個(gè)圖斑賦值7個(gè)時(shí)間段的土地利用編碼。其中,A表示耕地; B表示林地; C表示草地; D表示水域; E表示建設(shè)用地; F表示未利用地。建立土地利用變化軌跡的模型,分別用A~F 6個(gè)字母按照1980-1990-1995-2000-2005-2010-2015的順序表達(dá)每個(gè)斑塊的土地利用變化軌跡。
紹興市2015年主要土地利用類型為林地、耕地、建設(shè)用地、水域,四者的土地總面積占全市總面積的98.10%。近35年來,建設(shè)用地面積呈上升趨向,由1980年的2.511 2萬hm2(3.09%)迅速上升到7.918 5萬hm2(9.74%),可見經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展以及人口的迅速增長(zhǎng)對(duì)建設(shè)用地的強(qiáng)烈需求,且?guī)缀?0%的建設(shè)用地是由耕地轉(zhuǎn)換而來。同時(shí),耕地面積先緩慢下降, 2000年后迅速下降,面積由1980年的28.286 3萬hm2(34.79%)下降到23.875 3萬hm2(29.36%); 而林地面積從1980年的45.874 6萬hm2(56.42%)緩慢增加到1995年的46.368 5萬hm2(57.02%),之后又緩慢下降到2015年的45.706 0萬hm2(56.21%),總體變化不大; 水域面積整體呈下降趨勢(shì),其中2000~2010年小幅度上升且穩(wěn)定不變,由1980年的3.058 3萬hm2(3.76%)到2015年的2.269 5萬hm2(2.79%), 88%以上變化的水域面積轉(zhuǎn)化成了耕地。相對(duì)于紹興市4種主要的土地利用類型,草地、未利用地占總利用面積較少,分別占1.90%、0.004%,草地面積幾乎沒有變化,而未利用地從1980年的0.06%下降到0.004%,幾乎全部轉(zhuǎn)換成其他類型的土地,可見紹興市的土地幾乎都處于開發(fā)利用狀態(tài)。
圖2 土地利用類型變化趨勢(shì)
由于土地利用是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,各個(gè)時(shí)期的土地利用類型或多或少的有所變化。如表1所示,土地利用總變化量由大到小依次是:耕地>建設(shè)用地>水域>林地>草地>未利用地,其中林地和草地以交換變化為主,耕地、建設(shè)用地和未利用地的轉(zhuǎn)化以凈變化量為主,水域的變化以凈變化和交換變化為主。
1980~2015年,土地利用類型變化按增加率大小排序依次是:建設(shè)用地>草地; 按減少率大小排序依次是:未利用地>水域>耕地>林地(表2)。35年來,耕地的流失面積為5.653 8萬hm2,而補(bǔ)入面積僅僅為1.242 8萬hm2,其中1.060 9萬hm2(占補(bǔ)入面積的85.36%)由水域轉(zhuǎn)化而來。耕地1980~2015年凈流失面積達(dá)4.411 1萬hm2,期間有耕地轉(zhuǎn)化面積的83.09%流向了建設(shè)用地。期內(nèi)共用15.59%的耕地流向其他土地利用類型,并且2000年以來,耕地流失速度加速,雖然沿海的1.060 9萬hm2水域開發(fā)成了耕地,但流失的速度遠(yuǎn)大于補(bǔ)充的速度,耕地的保護(hù)工作壓力很大。
建設(shè)用地增幅最大,改革開放之后的35年建設(shè)用地增加了5.407 2萬hm2(215.32%),國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)進(jìn)入了輝煌的時(shí)代,紹興各區(qū)縣政府所在地周圍建設(shè)用地增多,吸引了許多企業(yè)來紹興投資建廠,尤其是越城區(qū)、柯橋區(qū)和上虞區(qū)的建設(shè)用地增加最多。林地與草地的面積總量沒有太大的變化,主要是這些土地類型一般都在丘陵地帶,人煙稀少,比較偏自然狀態(tài),但其交換變化占比較大,期間部分林地流向了建設(shè)用地; 同時(shí)部分耕地流向了林地,這與國(guó)家1999年以來實(shí)施“退耕還林還草工程”密切相關(guān)。紹興市的水域面積自改革開放以來,面積由原來的3.058 3萬hm2減少到2015年的2.269 5萬hm2, 2015年幾乎是1980年水域面積的1/4,減少的水域面積大部分流向了耕地,少數(shù)變成了建設(shè)用地。未利用地雖然面積比較少,但在轉(zhuǎn)換為其他用地的過程中發(fā)揮了很大的作用, 93.36%的未利用地均被開發(fā)成了其他利用類型的土地,可見紹興市的土地利用率很高。
圖3 紹興市土地利用軌跡分布
圖4 1980~2015年土地變化總軌跡
表1 1980~2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2
表2 1980~2015年紹興市土地利用類型轉(zhuǎn)換 %
表3 紹興市土地利用變化軌跡圖斑
面積(hm2)變化軌跡占比(%)面積(hm2)變化軌跡占比(%)449782B-B-B-B-B-B-B55 311427B-B-B-B-B-B-E0 18224172A-A-A-A-A-A-A27 571366B-B-A-A-A-A-A0 1723516E-E-E-E-E-E-E2 891260E-E-A-E-E-E-E0 1518839A-A-A-A-E-E-E2 321205D-D-D-D-A-A-A0 1516103D-D-D-D-D-D-D1 98983D-D-D-D-D-D-E0 1214314A-A-A-A-A-A-E1 76813C-C-B-C-C-C-C0 1013589C-C-C-C-C-C-C1 67794A-A-B-A-A-A-A0 105628A-A-E-E-E-E-E0 69773B-B-B-B-B-E-E0 105029D-D-D-D-D-D-A0 62734A-E-E-E-E-E-E0 094875A-A-A-A-A-E-E0 60676A-A-A-A-A-A-D0 084422A-A-B-B-B-B-B0 54637A-A-D-D-D-D-D0 082892D-D-A-A-A-A-A0 36614A-A-A-A-B-B-B0 082840B-B-B-B-E-E-E0 35465B-B-B-B-B-B-C0 061790A-A-A-A-D-D-D0 22409F-F-B-B-B-B-B0 051702D-D-A-D-D-D-D0 21402D-D-A-D-D-D-A0 051628A-A-A-E-E-E-E0 20385C-C-C-C-B-B-B0 05
研究中發(fā)現(xiàn),紹興市有32條較大的土地變化軌跡圖斑,占紹興市土地利用總面積的98.88%。由圖3、表3可看出,紹興市近35年來,長(zhǎng)期不變的穩(wěn)定的土地類型占全市土地面積的89.43%,林地占據(jù)了一半以上的比重,而變化的土地利用軌跡占10.57%。其中面積最大的是林地,占全區(qū)面積的55.31%,變化的林地占0.84%(其中在2005年、2010年、2015年分別轉(zhuǎn)移0.35%、0.10%、0.18%至建設(shè)用地,0.17%的林地于1995年變成了耕地, 0.06%的林地于2015年變成了草地)。其次是耕地, 1980年總占比為34.79%, 2015年總占比為29.43%,期間27.57%的耕地處于穩(wěn)定不變的狀態(tài), 6.76%的耕地發(fā)生了變化(圖4中, 1990~2015年耕地向建設(shè)用地依次轉(zhuǎn)移了0.09%、0.69%、0.20%、2.32%、0.60%、1.76%,共計(jì)5.66%),耕地在1995年、2005年分別轉(zhuǎn)移了0.54%、0.08%到林地。草地與未利用地兩者主要轉(zhuǎn)移的土地類型是林地,其中草地在2005年轉(zhuǎn)移了0.05%,未利用地在1995年轉(zhuǎn)移了0.05%。最后是水域,主要的變化是流向了耕地,有的短暫變成了耕地后又變回了水域,占0.26%; 1995年、2005年、2015年分別有0.36%、0.15%、0.62%轉(zhuǎn)移到耕地,這些是轉(zhuǎn)移后穩(wěn)定不變的。建設(shè)用地具有穩(wěn)固性,幾乎不發(fā)生轉(zhuǎn)移的情況。綜合來看,人類活動(dòng)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)頻繁的地區(qū),土地利用類型變化比較活躍,尤其是越城區(qū)、柯橋區(qū)與上虞區(qū)。改革開放的35年來,紹興地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展突飛猛進(jìn),土地利用變化活躍,土地結(jié)構(gòu)不斷在調(diào)整,以適應(yīng)該地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。
基于紹興市1980~2015年共7期Landsat TM影像解譯數(shù)據(jù),結(jié)合ArcGIS分析等技術(shù)手段,分析了1980~2015年7個(gè)時(shí)期的土地利用轉(zhuǎn)型情況,并在此基礎(chǔ)上分析了紹興市土地利用變化的軌跡。 最后,對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)換的原因進(jìn)行了探究,主要結(jié)論有3點(diǎn)。
(1)紹興市是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)城市之一,全市林地面積(45.706 0萬hm2)占56.21%,其次是耕地(23.875 3萬hm2)、建設(shè)用地(7.918 5萬hm2)、水域(2.269 5萬hm2),分別占比29.36%、9.74%、2.79%,這4種主要土地利用類型占紹興市土地總面積的98.10%。由于沿海灘涂的開發(fā),導(dǎo)致水域不斷減少; 林地總量變化較小,建設(shè)用地飛速增加。
(2)從土地利用類型變化軌跡來看,紹興市土地類型沒有發(fā)生變化的面積占89.43%,為全區(qū)的主導(dǎo),而變化的土地利用軌跡為10.57%。1980~2015年耕地變化軌跡占比最高(5.66%),主要變化軌跡為耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地,分布在城市核心區(qū)邊緣; 水域轉(zhuǎn)耕地,占比為1.17%,分布在紹興東北圍墾區(qū)。林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,其占比為0.62%,分布比較分散。2000年以前,紹興市土地利用相對(duì)穩(wěn)定; 2000年后變化強(qiáng)烈,轉(zhuǎn)化量增多。紹興市東北部平原和縣區(qū)核心區(qū)域是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)土地利用變化的活躍區(qū)域。
(3)1980~2015年紹興市土地利用主要受到社會(huì)因素的影響。城市化的發(fā)展和人口的迅速增長(zhǎng),使城市人口和土地面積迅速增加,造成城市邊緣的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化成了建設(shè)用地。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,使人們的工作方式和生活方式發(fā)生了改變,大量的勞動(dòng)力投入到第二、三產(chǎn)業(yè),進(jìn)一步導(dǎo)致了建設(shè)用地面積的增長(zhǎng)。同時(shí),沿海圍墾區(qū)的開發(fā),影響了土地利用的軌跡。
紹興市土地利用變化是基于區(qū)域自然及社會(huì)條件,是在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步、人口增長(zhǎng)、國(guó)家政策以及自然變化等多種因素共同影響下的結(jié)果。經(jīng)濟(jì)、人口、科技、交通等因素是土地利用變化的顯著因素。下一步研究中,應(yīng)全面綜合考慮影響土地利用變化驅(qū)動(dòng)力的因素。
[1] 劉紀(jì)遠(yuǎn),張?jiān)鱿?,徐新良,?21世紀(jì)初中國(guó)土地利用變化的空間格局與驅(qū)動(dòng)力分析.地理學(xué)報(bào), 2009, 64(12): 1411~1420
[2] 劉紀(jì)遠(yuǎn), 匡文慧,張?jiān)鱿?,?20世紀(jì)80年代末以來中國(guó)土地利用變化的基本特征與空間格局.地理學(xué)報(bào), 2014,(1): 3~14
[3] 吳明發(fā), 歐名豪,廖榮浩,等.經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力分析——以廣東省為例.水土保持研究, 2012, 19(1): 179~183
[4] 郭軍庭, 張志強(qiáng),王盛萍,等.應(yīng)用SWAT模型研究潮河流域土地利用和氣候變化對(duì)徑流的影響.生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(6): 1559~1567
[5] 彭建, 王仰麟,張?jiān)?滇西北生態(tài)脆弱區(qū)土地利用變化及其生態(tài)效應(yīng)——以云南省永勝縣為例.地理學(xué)報(bào), 2004, 59(4): 629~638
[6] 曹麗娟, 張冬峰,張勇,等.土地利用變化對(duì)長(zhǎng)江流域氣候及水文過程影響的敏感性研究.大氣科學(xué), 2010, 34(4): 726~736
[7] 郝振純, 蘇振寬.土地利用變化對(duì)海河流域典型區(qū)域的徑流影響.水科學(xué)進(jìn)展, 2015, 26(4): 491~499
[8] Thomas R Loveland,William Acevedo.land cover change in the eastern United States.http://landcovertrends.usgs.gov/east/regionalSummary.html.2006
[9] Lo Papa Giuseppe,Palermo Vanessa,Dazzi Carmelo.Is land-use change a cause of loss of pedodiversity?The case of the Mazzarrone study area,Sicily.Geomorphology, 2011, 135(3/4):332~342
[10]葛靜, 王丹,楊萍果.臨汾市土地利用變化的格局分析及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響.中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2016, 37(10): 77~82, 87
[11]包安明, 陳云浩,史建康,等.干旱區(qū)不同土地利用類型的時(shí)空分形特征研究——以塔里木河干流區(qū)域?yàn)槔?干旱區(qū)地理, 2009, 32(5): 761~768
[12]張鳳榮. 半干旱區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力與土地可持續(xù)利用——基于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗的案例分析.資源科學(xué), 2011, 33(11): 2041~2046
[13]王祺, 蒙吉軍,毛熙彥.基于鄰域相關(guān)的漓江流域土地利用多情景模擬與景觀格局變化.地理研究, 2014, 33(6): 1073~1084
[14]馬晴, 李丁,廖杰,等.疏勒河中下游綠洲土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力分析.經(jīng)濟(jì)地理, 2014, 34(1): 148~155
[15]王紅營(yíng). 基于遙感的華北平原農(nóng)業(yè)土地利用時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)力分析.石家莊:河北師范大學(xué), 2016
[16]劉永強(qiáng), 龍花樓.黃淮海平原農(nóng)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型及其動(dòng)力機(jī)制.地理學(xué)報(bào), 2016, 71(4): 666~679
[17]韓會(huì)然, 楊成鳳,宋金平.北京市土地利用變化特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制.經(jīng)濟(jì)地理, 2015, 35(5): 148~154, 197
[18]楊爽, 馮曉明,陳利頂,土地利用變化的時(shí)空分異特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制——以北京市海淀區(qū)、延慶縣為例.生態(tài)學(xué)報(bào), 2009,(8): 4501~4511
[19]李曉文, 方精云,樸世龍.近10年來長(zhǎng)江下游土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng).地理學(xué)報(bào), 2003, 58(5): 659~667
[20]吳健生, 曹祺文,石淑芹.基于土地利用變化的京津冀生境質(zhì)量時(shí)空演變.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(11): 3457~3466
[21]徐蘭, 羅維,周寶同.基于土地利用變化的農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)——以洋河為例.自然資源學(xué)報(bào), 2015, 30(4): 580~590
[22]劉紀(jì)遠(yuǎn), 張?jiān)鱿椋f大方,等.20世紀(jì)90年代中國(guó)土地利用變化時(shí)空特征及其成因分析.地理研究, 2003, 22(1): 1~12
[23]劉瑞, 朱道林.基于轉(zhuǎn)移矩陣的土地利用變化信息挖掘方法探討.資源科學(xué), 2010, 32(8): 1544~1550
[24]楊魯永. 連云港海岸帶土地利用變化及其生態(tài)承載力研究.南京:南京大學(xué), 2014
[25]高佳, 李世平,李文婷.遼寧省土地經(jīng)濟(jì)密度時(shí)空特征及驅(qū)動(dòng)力分析.中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2014, 35(5): 30~37
中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃2018年1期