曲靖市陸良縣近20年土地利用時空變化

劉 艷,劉鳳蓮

(云南財經大學 國土資源與持續發展研究所，云南 昆明 650221)

0 引 言

土地利用/土地覆被變化(LUCC)是人類活動與自然環境相互作用最直接的表現形式[1-3],人類對土地和與土地有關的自然資源的利用,不僅改變地球陸地表面的覆被狀況[4],還對區域的生物多樣性、土壤質量、水循環、陸地生態系統的生產力和適應能力產生一定程度影響[2,5].研究土地利用/土地覆被變化,探索研究區域土地利用的時空演變規律,對于合理利用土地資源,保護生態環境和實現可持續發展具有重要意義.自1995年《土地利用/土地覆蓋變化科學研究計劃》簽訂以來,土地利用/土地覆被變化逐漸成為全球環境變化研究關注的重點[5-7].目前,國內學者從不同的研究尺度對土地利用/土地覆被進行了研究,劉紀遠等人[8]通過遙感解譯,從全國和區域的視角揭示了2010年至2015年中國土地利用變化的時空格局和新特征.尹登玉等人[9]利用土地利用動態度和土地利用程度綜合指數,分析了山東省土地利用變化的數量和結構特征.黃安東等人[10]利用Sankey圖、土地利用動態度等方法,對安徽省近40年來的土地利用演變特征進行了分析.王晶等人[11]通過土地利用轉移矩陣、用地變化率指數對成都、德陽、樂山、雅安、資陽、眉山和綿陽7個地級市的土地利用變化特征進行了分析.李一瓊等人[12]以遙感影像為基礎數據,分析了蘇州市1995年至2015年土地利用數量結構和空間分布的變化.孫曉晨等人[13]應用土地利用轉移矩陣、變化量分析、綜合動態度及冷熱點分析等方法,揭示了河湟谷地近40年來的土地利用數量與空間變化規律.沈振濤等人[14]以大汶河流域為例,通過土地利用變化轉移矩陣,對大汶河流域的土地利用動態變化和轉移變化進行了分析.

目前國內對土地利用變化的研究大多在省、市、城市群、流域尺度展開,對縣級尺度的土地利用/土地覆被變化研究較少,特別對西南邊疆地區縣級城市的土地利用變化研究更少.曲靖市陸良縣位于云南省東部,有著“滇東糧倉”的美稱,近年來,隨著陸良縣經濟發展速度的加快和產業結構的轉型升級,各行業用地矛盾日益突出,生態環境質量逐漸下降.本文以陸良縣為研究區,通過土地利用動態度、土地利用轉移矩陣、標準差橢圓等方法,對陸良縣近20年來土地利用的時空演變特征進行分析研究,以期為陸良縣土地資源的可持續利用和生態環境保護等提供借鑒參考.

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

曲靖市陸良縣位于云南省東部、曲靖市南部,居南盤江上游,位于103°23′～104°02′E,24°44′～25°18′ N,年降雨量796.5毫米,年平均氣溫14.7℃,屬亞熱帶高原季風冬干夏濕氣候區,東接羅平縣,西鄰宜良縣,南與師宗、瀘西、石林三縣接壤,北與麒麟區、馬龍區相鄰,總面積1 989.47 km2,平均海拔1 840 m.區內壩子面積771.99 km2,占總面積的38.8%,為云南省第一大高原平壩.陸良縣下轄2個辦事處、9個鄉鎮和1個華僑管理區.2020年末全縣總人口70.0萬人,地區生產總值269.7億元,比上年增長8.5%,人均生產總值41 405元,比上年增長9.8%.

1.2 數據來源

本文選用2000、2010、2020年陸良縣的土地利用覆被數據,數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心[15-16](http://www.resdc.cn).其中2000年和2010年的LUCC數據由Landsat-TM/ETM遙感影像數據解譯而來,2020年LUCC數據由Landsat8遙感影像數據解譯得到.以中國科學院土地分類系統參考,結合研究區域自然環境條件和社會經濟特征,共劃分耕地、草地、林地、建設用地、水域和未利用地6種土地利用類型.本文所使用的DEM數據由地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)下載獲得.

2 研究方法

2.1 土地利用動態度

土地利用動態度用于反映某個時間段內各土地利用類型的面積變化情況[17],單一動態度用于反映研究區某一段時間內某種土地利用類型的變化幅度和變化速度,綜合土地利用動態度用于反映研究區某一段時間內土地利用的整體變化狀況.

(1)單一土地利用動態度

(1)

式中:La為研究區某種土地利用類型在研究期初時的面積;Lb為研究區某種土地利用類型在研究期末時的面積;T為研究期時長;K為研究區域某種土地利用類型的單一動態度.

(2)綜合土地利用動態度

(2)

式中:U為研究區域土地利用綜合動態度,LUi為研究區第i類土地利用類型在研究初期的面積,△LUi-j為研究時段內第i類土地轉化為非i類土地利用類型面積的絕對值,T為研究時段.

2.2 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是研究各地類相互轉移數量和方向的方法,進而反映研究區域在某一時間段內各地類的演變方向和程度[18-19].

(3)

式中:S為土地利用類型的面積;n為土地利用類型的類型數;i為研究初期的土地利用類型,j為研究末期的土地利用類型.

2.3 標準差橢圓

標準差橢圓是一種同時對點的方向和分布進行分析的一種經典算法[20-21],用于反映地理要素的空間分布特征,橢圓的面積可以看出地理要素的分布范圍,橢圓的長半軸反映數據的分布方向,短半軸反映數據的分布范圍,長短半軸差值越大,數據分布的方向性越明顯[22-23].

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 結果與分析

3.1 土地利用時空變化

通過2000、2010、2020年LUCC數據,得到陸良縣2000、2010、2020年三個時期的土地利用覆被圖(圖2)和土地利用結構表(表1).分析可知,陸良縣耕地面積最大,研究期末為77 654.24 hm2,占總面積的39.03%;其次為草地,2020年面積為56 773.59 hm2,占總面積的28.54%;林地以25.78%的面積占比位居第三位,是陸良縣第三大土地利用類型,2020年面積為51 287.84 hm2.耕地、草地和林地是陸良縣主要的土地利用類型,三者共占陸良縣總面積的93.35%.水域和未利用地面積較小,研究期末分別占總面積的1.8%和0.05%.研究期末建設用地占總面積的比例為4.80%,且近年來面積持續增加.

表1 陸良縣土地利用結構變化表

圖2 陸良縣土地利用覆被圖

近20年間,陸良縣各土地利用類型面積變化明顯,主要表現為集中分布在研究區中部的建設用地增長明顯,在整個研究時段內增加了2 128.91 hm2,其中2010—2020年間增加了1 658.22 hm2,占整個時段內增長的78%,表明建設用地處于增速擴張狀態;耕地分布較為集中,主要分布在研究區中部,且近20年間面積縮減,分布漸趨破碎化,這和建設用地的擴張緊密相關;草地分布在耕地的外圍區域,研究期面積減少了2 020.1 hm2;林地主要分布在西北部,研究期內減少了430.68 hm2;未利用地近20年間減少了130.14 hm2.

3.2 土地利用動態度

計算陸良縣土地利用動態度(表2),分析可知,陸良縣土地利用綜合動態度從2000—2010年的0.21%上升到2010—2020年的0.25%,表明陸良縣土地利用較為穩定,變化速度總體較慢.從單一地類的動態度來看,耕地、林地、水域、建設用地、未利用地的動態度在2010—2020年間較大,說明耕地、林地、水域、建設用地、未利用地在2010—2020年間變化速度較快.草地的變化情況正好相反,在2000—2010年間變化速度較快.整個研究期間建設用地面積以年均1.43%的速度持續增加;草地以年均0.17%的速度持續減少;耕地、林地、未利用地在2000—2010年間動態度為正,面積增加,在2010—2020年間動態度為負,面積減少,整個研究期間耕地、林地、未利用地的動態度為負,面積減少;水域在2000—2010年呈減少趨勢,動態度為-1.01%,在2010—2020年間呈增加趨勢,動態度為4.47%,整個研究期間水域的面積增加.

表2 2000—2020年陸良縣土地利用動態度 %

3.3 土地利用類型轉移分析

利用ArcGIS將陸良縣2000、2010、2020年的土地利用覆被圖進行疊加分析,得到陸良縣土地利用變化圖譜(圖3),進一步運算得到陸良縣2000—2010年、2010—2020年、2000—2020年的土地利用轉移變化矩陣(表3).

表3 陸良縣土地利用轉移矩陣 hm2

圖3 陸良縣土地利用變化圖譜

在2000—2010年,各用地類型相互間出現了不同程度的轉化,從轉出面積來看,草地的轉出面積(3 508.74 hm2)最大,主要轉為耕地(2 327.58 hm2)和林地(1 137.96 hm2),約占草地總轉出面積的66.37%和32.4%;耕地次之,共轉出2 507.94 hm2,主要轉為草地(931.77 hm2)和建設用地(806.94 hm2),分別占耕地總轉出面積的37.15%和32.18%;林地的總轉出面積為1 705.50 hm2,主要轉為草地(919.71 hm2)和耕地(705.15 hm2),分別占林地總轉出面積的54%和41.35%.十年間總的轉變趨勢為其他用地類型向耕地的轉入,共轉入耕地3 776.67 hm2.

在2010—2020年,各用地類型的變化更為劇烈,其中,耕地的轉出量增加幅度最大,轉出總面積也最大,共轉出4 003.83 hm2,主要轉為建設用地(1 720.16 hm2);草地共轉出2 551.36 hm2,與2000—2010年相比,草地轉出面積減少957.38 hm2,主要由于草地向耕地轉移面積的大量減少;林地共轉出2 326.00 hm2,主要轉為草地(1 150.24 hm2)和耕地(735.63 hm2),相比于2000—2010年,林地轉出量增加620.50 hm2,主要由于林地向草地、水域、建設用地轉移面積增加;與2000—2010年相比,建設用地面積大量增加,主要由于耕地和草地轉入建設用地的面積大幅增長,轉入建設用地的面積分別增長913.22 hm2和372.27 hm2;未利用地共轉出239.70 hm2,主要轉為耕地(227.24 hm2).

在整個研究期間,各地類均發生了顯著的變化,其中,耕地的轉移變化最為劇烈,其他地類共轉入耕地5 435.41 hm2,主要由林地和草地轉入,林地向耕地的轉入(1 296.93 hm2)主要分布在東部和西南部,草地向耕地的轉入(2 891.60 hm2)主要分布在陸良縣的東部和西部.耕地轉出面積為5 814.47 hm2,主要轉為建設用地(2 348.61 hm2)、草地(1 567.05 hm2)和林地(996.81 hm2),耕地向建設用地的轉出主要分布在中部壩區;耕地向草地的轉出主要分布在中部和南部地區;耕地向林地的轉出主要分布在東部山區.其他用地類型共向建設用地轉入3 041.43 hm2,其中耕地向建設用地的轉入面積占建設用地總轉入面積的77.22%,可以看出建設用地的擴張主要是通過占用中部壩區的耕地來實現,陸良縣的城鎮化進程加快.

3.4 建設用地標準差橢圓分析

為更深入地了解陸良縣不同時期建設用地的空間分布及其演變規律,利用ArcGIS的空間統計工具構建了陸良縣2000、2010、2020年三個時期建設用地的標準差橢圓(表4,圖4).陸良縣建設用地總體呈現“東北—西南”的布局特征,2000—2010年建設用地空間分布由東北向西南擴張,2010年與2020年的標準差橢圓幾乎重合,表明2010—2020年建設用地空間分布格局無明顯變化,三個時期建設用地的重心遷移變化不明顯,2000—2010年建設用地重心向西南遷移563.76米,2010—2020年建設用地重心向東南遷移58.50米,三個時期建設用地的重心均位于三岔河鎮.由表4可知,方位角逐漸增大,橢圓的軸線順時針方向旋轉,橢圓面積在2000年最小,說明2000年建設用地的空間聚集性最強,三個時期長短半軸的差距逐漸增大,建設用地“東北—西南”分布格局的方向性逐漸增強.

表4 陸良縣建設用地標準差橢圓參數

圖4 陸良縣2000-2020年建設用地標準差橢圓和重心

4 結論與討論

(1)耕地、草地、林地是陸良縣主要的土地利用類型,在2020年三種用地類型共占陸良縣總面積的92%,研究期間各用地類型面積變化明顯,建設用地、水域面積增加,建設用地增長幅度最大,研究期間共增長2 128.91 hm2,耕地、林地、草地、未利用地面積減少,草地減少幅度最大,20年間共減少2 020.10 hm2.

(2)陸良縣土地利用綜合動態度較小,土地利用較為穩定.各用地類型的動態度差異明顯,未利用地動態度最大,建設用地以年均1.43%的速度持續增長,草地以年均1.17%的速度持續下降.

(3)陸良縣耕地、草地、林地三種用地類型相互轉化量大,其中,耕地的轉移變化最為劇烈,整個研究期間,耕地轉出5 814.47 hm2,轉入5 435.41 hm2;建設用地的擴張主要是通過占據中部壩區的耕地來實現.

(4)陸良縣建設用地總體呈現“東北—西南”的布局特征,2000—2010年建設用地空間分布由東北向西南擴張,2010—2020年建設用地空間分布格局無明顯變化,2000年建設用地的空間聚集性最強,重心遷移變化不明顯.

中部壩區是研究區重要的優質耕地分布區,隨著經濟的發展和城鎮化進程的加快,建設用地大量占用中部壩區優質農田,同時耕地又通過占用周圍丘陵山區的林地、草地來補充,這些變化對陸良縣的自然生態環境和可持續發展產生了一定程度的影響.因此,在今后的發展中,陸良縣應科學制定國土空間規劃,優化土地利用結構,注重內部挖潛,節約集約利用土地,加強對土地利用的動態監測,嚴格保護基本農田,加強對農業基礎設施的建設,發展現代化農業.本研究著重分析了2000—2020年陸良縣各用地類型的時空演變規律,尚未對土地利用變化的驅動因子和變化趨勢進行探討,因此在未來的研究中應加強對引起土地利用變化的自然地理因素、社會經濟因素的分析和對未來土地利用變化趨勢進行預測,以便更好地為研究區科學合理利用土地資源、制定土地管理政策提供理論依據.