周學(xué)霞 胡嫦月 李 菁 王志杰,2*

(1.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.山地生態(tài)與農(nóng)業(yè)生物工程協(xié)同創(chuàng)新中心，貴州 貴陽 550025)

土地利用/土地覆被動態(tài)變化(land use and land cover change，LUCC)是全球環(huán)境變化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究中的熱點(diǎn)問題[1]，其中，土地利用是人類進(jìn)行目的性改造土地的行為，突出了土地的社會經(jīng)濟(jì)特征；土地覆被是指地球表層的自然狀態(tài)或覆被狀況，強(qiáng)調(diào)了土地的自然地理性質(zhì)[2-3]。近年來，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，自然環(huán)境受到人類活動的影響程度愈發(fā)深遠(yuǎn)，土地利用變化成為人類與自然地理環(huán)境互動過程的最直接、最顯著的表征[4]。因此，系統(tǒng)分析不同區(qū)域土地利用的時空分布特征與不同時間尺度下的土地覆被動態(tài)變化規(guī)律，辨析人類活動對土地利用/土地覆被動態(tài)變化的實(shí)際作用，對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境和生物多樣性的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

本文以貴陽市中心城區(qū)作為研究對象，通過研究中心城區(qū)2000—2020年近20年的土地利用結(jié)構(gòu)總體特征、土地利用時空轉(zhuǎn)移情況及土地利用動態(tài)度特征，運(yùn)用CA-Markov模型預(yù)測貴陽市中心城區(qū)未來20年景觀格局的變化趨勢，以期探明城鎮(zhèn)化發(fā)展與“大數(shù)據(jù)、大生態(tài)”戰(zhàn)略行動下的貴陽市中心城區(qū)景觀格局時空演變規(guī)律與土地利用變化過程的模式，為未來土地利用的規(guī)劃和提高景觀生態(tài)演變模擬精度提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴陽市是貴州省省會城市(106°07′E～107°17′E，26°11′N～26°55′N)，位于云貴高原東端，處于長江流域和珠江流域的分水嶺地帶，總地勢西南高、東北低。中心城區(qū)地處貴陽市中南部，主要包括云巖區(qū)、南明區(qū)和花溪區(qū)(部分)、觀山湖區(qū)、白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)，總面積約1078.12 km2，占貴陽市土地總面積的14.65%，研究區(qū)平均海拔為1205 m，最高海拔1585 m，最低海拔988 m，區(qū)內(nèi)地層褶皺強(qiáng)烈，碳酸鹽巖與碎屑巖相間展布，巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜[5]。氣候類型屬亞熱帶濕潤溫和型氣候，年平均氣溫15 ℃左右，年平均降水量為1129.5 mm[6]。中心城區(qū)作為貴陽市高密度經(jīng)濟(jì)、高密度人口以及城鎮(zhèn)化的核心區(qū)域，是經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的集中地帶，是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的外在表現(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究所使用的主要數(shù)據(jù)源包括貴陽市中心城區(qū)2000年、2005年、2010年的Landsat5 TM數(shù)據(jù)和2015年、2020年Landsat8 OLI遙感圖像和行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)。其中，遙感圖像來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30×30 m，坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-1984-UTM-Zone-48N，各時期遙感圖像時相一致，每景影像含云量小于5%，圖像質(zhì)量好。在ENVI5.3軟件平臺上，對5個時期的遙感影像依次進(jìn)行大氣校正、圖像融合、圖像增強(qiáng)及圖像裁剪等預(yù)處理，參照我國現(xiàn)行的土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T2010—2007)，結(jié)合貴陽市城市土地利用類型實(shí)際情況，采用支持向量機(jī)法進(jìn)行監(jiān)督分類，將研究區(qū)的土地利用類型分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地等6種類型。監(jiān)督分類結(jié)果參照Google Earth高分辨率遙感影像和 GPS野外樣點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證，總體精度均大于85%，Kappa系數(shù)均大于0.85。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉(zhuǎn)移圖譜

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣對趨于內(nèi)景觀類型變化的結(jié)構(gòu)特征以及各類型變化方向有著良好的刻畫效果[7]。運(yùn)用ArcGIS10.5對研究區(qū)2000—2020年土地利用類型柵格數(shù)據(jù)，進(jìn)行相鄰年份的疊加重合處理，提取出各地物類型的轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入面積，得到研究區(qū)土地利用類型面積轉(zhuǎn)移圖譜。公式[8]如下：

(1)

式中，S表示土地面積，n為景觀類型數(shù)，Sij表示的是i類轉(zhuǎn)換為j類的面積(i,j=1,2,3,…,n)。

1.3.2 土地利用動態(tài)度指數(shù)

土地利用動態(tài)度是以定量的角度描述在一定時間尺度下區(qū)域土地利用變化的幅度，反映出土地利用變化速率的區(qū)域差異[9]。土地利用動態(tài)度計(jì)算公式[10]如下：

(2)

式中，Si為監(jiān)測開始時第i類土地利用類型的總面積，△Si-j為監(jiān)測時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)移至其它類土地利用類型面積總和，t為監(jiān)測時間段，土地利用動態(tài)度S反映了與t時段對應(yīng)的研究區(qū)土地利用變化速度的快慢。

1.3.3 CA-Markov模型

CA-Markov模型是元胞自動機(jī)模型和馬爾科夫模型融合得到的耦合模型，既具備了CA模型模擬復(fù)雜時空變化的能力，又發(fā)揮了Markov模型能夠?qū)ν恋乩米兓M(jìn)行長時間跨度預(yù)測的優(yōu)點(diǎn)[11]。

(1)元胞自動機(jī)(CA)是Neumann和Ulan提出的一種具有強(qiáng)大的空間運(yùn)算能力、能夠模擬復(fù)雜系統(tǒng)時空演化過程的模型，主要特點(diǎn)是在時間、空間、狀態(tài)離散，表達(dá)公式為[12]：

S(t+1)=f[S(t),N](3)

式中，S(t+1)為t+1時刻的元胞狀態(tài)，N為元胞的領(lǐng)域，f為局部空間元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)則。

(2)馬爾科夫模型(Markov)是俄國數(shù)學(xué)家Andrey Markov提出來的一種用于土地利用變化空間格局預(yù)測的隨機(jī)模型[13-14]。預(yù)測公式為[15]：

S(t+1)=S(t)×Pij(4)

式中，S(t+1)、S(t)分別為第t+1和第t時刻的土地利用狀態(tài)，Pij是狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型總體變化特征

分析貴陽市中心城區(qū)2000年、2005年、2010年、2015年、2020年5個時期土地利用類型面積變化，可以看出(表1，圖1)：近20年間貴陽市中心城區(qū)土地利用類型整體上以林地、建設(shè)用地、耕地為主，其次為草地、水域和未利用地。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快和生態(tài)環(huán)境建設(shè)相關(guān)措施的實(shí)施，不同土地利用類型的變化趨勢差異較為明顯，表現(xiàn)為耕地面積比例逐年減少，由2000年的42.28%減少至2020年的14.46%；而林地和建設(shè)用地面積比例呈逐年增加趨勢，分別由2000年31.48%和15.18%增加至2020年的43.54%和34.22%；此外，草地類型的面積也有減少的趨勢，而水域和未利用地面積占比基本穩(wěn)定。

表1 貴陽市中心城區(qū)5個時期土地利用類型面積與比例

圖1 貴陽市中心城區(qū)5個時期土地利用類型分布圖

2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移圖譜分析

基于ArcGIS軟件平臺疊加各時期土地利用類型現(xiàn)狀圖，統(tǒng)計(jì)分析不同時期土地利用類型轉(zhuǎn)移狀況。結(jié)果表明(圖2)：貴陽市中心城區(qū)2000—2020年不同土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化過程頻繁，且主要集中發(fā)生在耕地、建設(shè)用地、林地和草地4種類型之間。具體而言：20年間各時期建設(shè)用地和林地均以凈轉(zhuǎn)入為特征，而耕地和草地以凈轉(zhuǎn)出為主要特征，且建設(shè)用地和林地的轉(zhuǎn)入類型也主要為耕地或(和)草地。2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年3個時期，為建設(shè)用地和林地的持續(xù)大量凈轉(zhuǎn)入時期，建設(shè)用地分別轉(zhuǎn)入91.76 km2、126.63 km2和147.96 km2，且60%～80%由耕地類型轉(zhuǎn)入；林地在3個時期分別轉(zhuǎn)入77.38 km2、110.88 km2和118.60 km2，40%～50%是由耕地類型轉(zhuǎn)入，但在2005—2015年的10年間，部分草地類型轉(zhuǎn)入林地，分別轉(zhuǎn)入35.49 km2和31.26 km2，占兩個時期林地凈轉(zhuǎn)入面積的32%和26.36%。2015年以后，研究區(qū)主要土地利用類型的轉(zhuǎn)移方向與之前基本一致，但轉(zhuǎn)移強(qiáng)度有所減弱，建設(shè)用地和林地的凈轉(zhuǎn)入面積分別降至89.70 km2和87.76 km2，且建設(shè)用地的主要轉(zhuǎn)入類型依然是耕地，約占建設(shè)用地凈轉(zhuǎn)入面積的50%，而林地的主要轉(zhuǎn)入類型由耕地和建設(shè)用地構(gòu)成，分別占林地凈轉(zhuǎn)入面積的59%和29%。

在土地利用轉(zhuǎn)移的空間變化方面，建設(shè)用地表現(xiàn)出明顯的方向性，由2000—2005年的老城區(qū)建設(shè)用地填充式密集化增加，向2005年之后逐漸以老城區(qū)為中心，以觀山湖區(qū)、白云區(qū)南部、南明區(qū)東南部、花溪區(qū)北部為主要方向逐漸擴(kuò)展，成為現(xiàn)階段貴陽市中心城區(qū)的主要土地利用類型；林地類型的空間變化主要呈現(xiàn)帶狀擴(kuò)展，隨著貴陽市環(huán)城林帶建設(shè)以及其他生態(tài)環(huán)境建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，林地景觀與建設(shè)用地同步擴(kuò)張，并依托喀斯特山地城市特有的城市遺存山體資源，至2015年以后，逐漸形成外圍林地類型環(huán)繞、內(nèi)部林地與建設(shè)用地鑲嵌的生態(tài)景觀；草地類型在近20年間經(jīng)歷劇烈的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出變化，變化方向主要表現(xiàn)在耕地的大量轉(zhuǎn)入和大量轉(zhuǎn)出為林地或耕地，但耕地與草地的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出基本穩(wěn)定，尤其是2005年后。以耕地轉(zhuǎn)入草地的面積略占優(yōu)勢，反映了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)的基本趨勢，但總體上草地類型在近20年間波動減少，并呈由分散分布向零星聚攏分布的特征。

2.3 土地利用動態(tài)度分析

進(jìn)一步計(jì)算不同時期貴陽市中心城區(qū)土地利用動態(tài)度，分析不同土地利用類型的變化速率和程度，可以看出(表2)：近20年間，貴陽市中心城區(qū)土地利用動態(tài)度以建設(shè)用地和林地的持續(xù)增加、耕地和草地持續(xù)減少為主要特征，總體上，2005—2010年，建設(shè)用地和林地的增幅最大，是近20年間的變化速率最大的時期。具體而言，建設(shè)用地的變化呈現(xiàn)先劇烈增加后逐漸減緩的特征，增速由2000—2005年的4.36%增至2005—2010年的7.04%，之后逐步減小；林地則表現(xiàn)出“增-減-增-減”的變化趨勢，土地利用動態(tài)度最大時期為2005-2010年，為2.08%，至2015—2020年，建設(shè)用地與林地的土地利用動態(tài)度基本持平，分別為2.09%和1.81%；草地的衰退速率在20年間逐漸增大，由2000—2005年的-0.10%增至2015—2020年的-4.62%；耕地則在2005年以后，持續(xù)快速減少，土地利用動態(tài)度保持在5%以上的速率減少。

表2 2000—2020年貴陽市中心城區(qū)土地利用動態(tài)度(%)

2.4 土地利用格局預(yù)測

運(yùn)用CA-Markov模型，基于貴陽市中心城區(qū)2015—2020年土地利用類型數(shù)據(jù)，以5年為步長，構(gòu)建初始預(yù)測矩陣(表3)，對研究區(qū)未來20年土地利用類型變化與格局演化進(jìn)行預(yù)測模擬(表4)，并采用Kappa系數(shù)對模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行評價，預(yù)測結(jié)果表明：反映CA-Markov模型預(yù)測精度的Kappa系數(shù)為0.7583，說明模型預(yù)測的土地利用變化精度較高，能較好地反映貴陽市中心城區(qū)未來20年土地利用格局變化趨勢。2020—2040年的未來20年，貴陽市中心城區(qū)土地利用格局總體表現(xiàn)出建設(shè)用地和林地為主要類型的特征，二者面積占研究區(qū)總面積的比例均在70%以上。不同土地利用類型的變化方面，建設(shè)用地在未來20年呈持續(xù)增加的趨勢，并在2030年將取代林地類型，成為研究區(qū)的優(yōu)勢土地利用類型，面積占比將超過40%；林地和草地類型表現(xiàn)出不同程度的減少趨勢，至2040年二者面積占比將分別降至約28.51%和4.04%，而耕地面積占比基本保持穩(wěn)定，在未來20年基本維持在14.3%左右；未利用地面積將隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步發(fā)展，呈持續(xù)增加的趨勢。

表3 2015—2020年貴陽市中心城區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣

表4 貴陽市中心城區(qū)未來20年土地利用變化預(yù)測(%)

3 結(jié)論

黔中喀斯特山地城市具有生態(tài)環(huán)境比較優(yōu)勢突出，城山鑲嵌的獨(dú)特特征，近年來，隨著快速城市化生態(tài)文明示范城市建設(shè)等多重因素的驅(qū)動，城市土地利用格局發(fā)生劇烈變化。本研究以典型黔中喀斯特山地城市貴陽市中心城區(qū)為研究對象，運(yùn)用多時相遙感圖像，對貴陽市中心城區(qū)2000—2020年土地利用格局的時空變化特征進(jìn)行了分析，并運(yùn)用CA-Markov模型，預(yù)測了未來20年土地利用格局的變化與趨勢，得到如下主要結(jié)論：

(1)2000—2020年貴陽市中心城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，優(yōu)勢土地利用類型由研究初期的耕地和林地景觀，轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)階段的林地和建設(shè)用地景觀主導(dǎo)。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快和生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)各項(xiàng)措施的實(shí)施，2005年以后，貴陽市中心城區(qū)進(jìn)入城市化和生態(tài)保護(hù)雙重快速發(fā)展期，這與韓會慶[16]、王志杰[17]等人的研究結(jié)果基本一致。

(2)20年間貴陽市中心城區(qū)土地利用類型的時空轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在建設(shè)用地、林地、耕地和草地4種類型之間，且以建設(shè)用地和林地的凈轉(zhuǎn)入，耕地和草地的凈轉(zhuǎn)出為基本特征，在空間上，初步形成以老城區(qū)為中心，觀山湖區(qū)、白云區(qū)南部、南明區(qū)東南部、花溪區(qū)北部為主要擴(kuò)展方向的城市發(fā)展格局，和以中心城區(qū)外圍林地類型環(huán)繞，內(nèi)部林地與建設(shè)用地鑲嵌的生態(tài)格局。

(3)CA-Markov模型預(yù)測未來20年貴陽市中心城區(qū)土地利用格局將持續(xù)發(fā)生變化，以建設(shè)用地的持續(xù)增加和林地的小幅衰減為主要特征，但總體上仍以建設(shè)用地和林地為主導(dǎo)土地利用類型。因此，在今后的國土空間格局優(yōu)化過程中，應(yīng)牢牢守住生態(tài)和發(fā)展兩條底線，平衡城市化發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，圍繞山水林田湖草全要素配置依據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化貴陽市中心城區(qū)國土空間格局，以在快速城市化發(fā)展的同時，守住生態(tài)用地底線，科學(xué)推進(jìn)生態(tài)文明示范城市建設(shè)和以貴陽市中心城區(qū)為核心的黔中喀斯特山地城市社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

由于遙感圖像空間分辨率的限制，以及不同行業(yè)領(lǐng)域關(guān)于土地類型劃分的標(biāo)準(zhǔn)不同，本研究利用Landsat遙感圖像解譯的土地利用類型及其時空變化特征，在指導(dǎo)具體行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐中，還需根據(jù)不同行業(yè)的分類標(biāo)準(zhǔn)予以修正。此外，由于CA-Markov模型在預(yù)測土地利用格局變化過程中，對研究數(shù)據(jù)本身具有很強(qiáng)的依賴性，缺乏因政策變化或其他社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素導(dǎo)致的土地利用轉(zhuǎn)移方向的閾值控制或參數(shù)調(diào)控。在國家關(guān)于嚴(yán)禁耕地非農(nóng)化和林地占補(bǔ)平衡等政策影響下，貴陽市中心城區(qū)未來土地利用格局中耕地和林地的面積將基本維持在當(dāng)前水平，而隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，為提高土地利用率，未利用地的開發(fā)利用程度將有所提高，本研究結(jié)果對于貴陽市土地利用規(guī)劃和格局優(yōu)化具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義，但今后在基于多因素尤其是政策因素和社會經(jīng)濟(jì)因素變化導(dǎo)致土地利用格局變化的預(yù)測研究方面，可利用系統(tǒng)動力學(xué)模型或其他算法模型，加強(qiáng)指導(dǎo)性因子閾值控制或模型參數(shù)的修正率定，以提高土地利用格局預(yù)測的科學(xué)性。