伊通河流域土地利用結構特征及其動態變化

孫麗娜，梁冬梅，蘇 偉

(吉林省環境科學研究院，長春 130012)

土地利用結構變化是當今經濟社會中最為活躍的研究內容之一。一個地區不同時期的土地利用結構變化及其動態變化，很大程度上反映了該地區不同時期的自然資源條件及社會經濟的發展狀況[1-4]。因此，研究一個地區不同時期的土地利用結構特征及動態變化是研究一個地區的自然資源和社會經濟發展狀況的重要途徑，對維持區域生態環境平衡及土地利用可持續發展具有重要的意義。

伊通河流域是我國重要的商品糧基地，近年來隨著人口猛增及社會發展，過度墾殖、超載放牧等人為不合理的土地利用方式，導致流域內水土流失情況比較嚴重，對研究區土地利用可持續發展造成很大威脅。因此，本研究以伊通河流域1995、2000、2008年三期的土地利用圖為基礎，采用數理統計和數學模型等方法，系統分析了伊通河流域1995-2008年土地利用結構及其動態變化特征，明確其變化的主要類型，揭示土地利用變化過程及其演化規律，為伊通河流域土地管理決策和土地資源可持續利用提供科學依據。

1 研究區概況

伊通河發源于吉林省伊通滿族自治縣的青頂子山，松花江的三級支流，主要流經伊通滿族自治縣、長春市、農安縣等，流域面積為88.4萬hm2。伊通河流域地處東北平原腹地，上下游地勢差異較大，屬溫帶大陸性季風氣候區，受大氣環流及經緯度的影響，四季分明，多年平均氣溫為5.3 ℃，氣溫呈現東南山區較低，平原區較高的特征；多年平均降雨量為593.8 mm，全面降雨量分配不均勻，降雨主要集中在6-9月，降雨量可達463.1 mm，占全年降水量的78%；多年平均蒸發量為1 662.4 mm；多年平均日照數為2 643.5 h；多年平均風速為4.5 m/s以上，如圖1所示。伊通河流域農牧業比較發達，是吉林省乃至全國重要的商品糧基地之一，流域內主要經濟作物和農副產品有玉米、水稻、大豆、高粱、梅花鹿等。

圖1 研究區概況

2 研究方法

本文以伊通河流域1995、2000、2008年三期的土地利用圖為基礎數據，根據《土地利用現狀調查技術規程》的分類標準，結合研究區自身的土地利用方式和特點，基于ArcGIS軟件將研究區的土地利用類型劃分為7類，分別為：水田、旱地、林地、草地、水域、城鎮、其他用地。

(1)土地利用面積變化貢獻率。土地利用面積變化貢獻率是指某一類土地利用類型的變化面積占同一時期的土地利用類型變化總面積的百分比[5]，公式如下：

(1)

式中：Ai為某一時段內第i種土地利用類型的變化貢獻率；Uai、Ubi分別為研究初期、研究末期第i種土地利用類型的面積。

(2)變化強度指數。變化強度指數是指某一空間單元在某一研究時期內，土地利用變化面積占土地總面積的百分比[6]。為了能更好地比較某一段時期內，某種土地利用類型變化的強弱程度，本文通過計算其空間單元內的變化強度來表示，計算公式如下：

(2)

式中：Ti為某一研究時段內第i種土地利用類型的變化強度；B為研究區總土地面積。

(3)土地利用動態度。土地利用動態度是以土地利用類型的面積為基礎，通過定量的描述研究區的土地利用類型在不同時期的變化速度，反映土地利用變化的劇烈程度[7]。本研究采用單一的土地利用動態度模型分析伊通河流域近20年土地利用類型變化的速度和趨勢，其表達式為：

(3)

式中：K1為研究時段內某種土地利用類型的年變化率；Ua表示研究初期某種土地利用類型的面積；Ub表示研究末期某種土地利用類型的面積；T表示研究時段間隔年數。

(4)信息熵。信息熵是假定某一個區域的土地利用總面積為A，假定該區域的土地利用類型分為n類，則每種土地利用類型的面積為Ai(i=1,2,…,n)，其表達式為：

(4)

各種土地利用類型占該區域土地類型總面積的比例為Pi，其表達式為：

Pi=Ai/A

(5)

式中：Pi表示第i種土地利用類型占該區域土地利用類型總面積的百分比；n為區域土地利用類型的數量。

(6)

式中：H為信息熵，其單位與公式中對數的底數有關，以e為底時，單位為奈特(Nat)。

當區域內，各種土地利用類型的面積相等，即P1=P2=Pn=1/n時，熵值達到最大值，表明區域內的土地利用達到均衡狀態；當H值為0時，表明土地正處于開發狀態。信息熵的高低反映了土地利用的均衡程度，熵值越高，不同職能的土地利用類型數量越多，各職能類型的土地利用面積相差越小，土地分布越均衡，反之相反。

本研究采用土地利用結構信息熵變化率表示土地利用結構信息熵年變化速度的大小，其表達式如下：

(7)

式中：Vt為第t年土地利用結構信息熵變化率；Ht為第t年土地利用結構信息熵；Ht-1為第t-1年土地利用結構信息熵。

(5)均衡度和優勢度。為更好地反映土地利用結構和規模特征[11]，本文引入了土地利用均衡度方法，其表達式如下：

(8)

式中：E表示區域土地利用結構的均衡度E，是實際熵值與最大熵的比值，取值范圍為0到1之間。

當E=0時，區域的土地處于最不均勻的狀態；E值越大，土地利用結構的均質性越強；當E=1時，則土地利用類型達到最理想的平衡狀態。相應地，優勢度的表達式為：

E=1-D

(9)

式中：D為優勢度，表示區域內一種或幾種土地利用結構支配區域土地利用類型的程度，與均衡度的意義相反。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構特征

基于伊通河流域1995、2000、2008年三期土地利用圖(見圖2)以及ArcGIS軟件，得出伊通河流域1995、2000、2008年各類土地利用類型的面積，結果見表1。

圖2 伊通河流域1995、2000、2008年三期土地利用圖

面積變化土地利用類型水田旱地林地草地水域城鎮其他用地合計1995年末面積/hm24218459222767110494842703810182041378840001995年末比例/%4．7769．997．595．603．0611．520．47100．002008年末面積/hm239842597301673222021923105119827163848840002008年末比例/%4．5167．577．622292．6113．561．85100．00面積變化/hm2-23425074212-29265-39331800712247-比例面積/%-0．260．570．02-3．31-0．442．041．39-

由表1可知，伊通河流域主要土地利用類型分別為：旱地、城鎮、林地、水田，這四種土地利用類型占伊通河流域土地利用面積的92%左右。其中旱地、水田所占流域總面積的比例分別由1995年的69.99%、4.77%減少到2008年的67.57%和4.51%；城鎮用地和林地所占流域面積的比例分別由1995年的11.52%、7.59%增加到2008年的13.56%和7.62%；草地、水域以及其他用地面積之和僅占伊通河流域總土地面積的8%左右。

1995-2008年，旱地、林地、城鎮和其他用地面積均在增加，水田、草地和水域面積均在減少。期間，草地面積變化最顯著，減少了29 265 hm2，面積比例減少了3.31%；其次是城鎮用地，面積增加了18 007 hm2，面積比例增加了2.04%；林地面積僅增加了212 hm2，變化比例最小，為0.02%。

因此，1995-2008年伊通河流域土地利用結構特征為：①旱地、城鎮、林地和水田，為伊通河流域主要土地利用類型，構成伊通河流域土地利用的基本格局；②1996-2008年，伊通河流域土地利用結構變化特征主要表現為草地和水域面積減少，城鎮和旱地面積增加，這與伊通河流域社會經濟發展、城鎮化建設及糧食生產需求等因素密切相關。

3.2 土地利用結構變化貢獻率

根據公式(1)和(2)，計算出伊通河流域1995-2008年伊通河流域土地利用結構時間變化的分異系數，結果見表2。由表2可知，1995-2008年，伊通河流域土地利用面積貢獻率最大的土地利用類型為草地，其次是城鎮用地和其他用地，貢獻率分別為41.17%、25.33%和17.23%，變化強度指數分別為3.31%、2.03%和1.39%；其中土地利用面積貢獻率最小的土地利用類型為林地，面積變化貢獻率和變化強度指數分別為0.30%和0.02%。因此，伊通河流域1995-2008年土地利用結構變化中起主導作用的土地利用類型為草地和城鎮。

3.3 土地利用變化動態度

根據公式(3)計算出伊通河流域1995-2008年各種土地利用類型的土地利用動態度(見表3)。由表3可知，1995-2008年伊通河流域旱地、林地、城鎮和其他用地呈現正向變化速度，結果表明研究期內其面積呈現增加趨勢；而水田、草地和水域呈現負向變化速率，結果表明研究區內其面積在減少。其中，其他用地的變化率和土地利用動態度最大，分別為296.04%和2.77%；其次是草地，變化率和土地利用動態度分別為-59.14%和-4.55%；林地的變化幅度最小，變化率和土地利用動態度分別為0.32%和0.02%。

表2 1995-2008年伊通河流域土地利用變化及其貢獻率、變化強度指數

表3 1995-2008年伊通河流域土地利用變化動態度 %

3.4 土地利用結構信息熵、均衡度與優勢度

根據公式(4)～(7)得出伊通河流域1995-2008年土地利用結構及信息熵(見表4)。由表4可知，1995-2008年伊通河流域土地利用結構信息熵的變化趨勢為先增加后減少。其中，伊通河流域土地利用結構信息熵在2005年達到最高值1.157 7 Nat，表明土地利用系統的無序度逐漸下降，并于2005年土地分布達到最均衡，土地利用系統的結構性最好，1995-2005年伊通河流域土地利用結構信息熵的年均增長幅度為0.08%；2006-2008年，伊通河流域土地利用結構信息熵值逐漸減少，2008年土地利用結構信息熵達到最低值1.127 1 Nat，表明2008年土地利用的無序程度最高，土地利用系統內結構性最弱。

因此，由以上結果可知，伊通河流域土地利用內部結構的變化是導致土地利用結構信息熵值變化的直接原因。2006-2008年，土地利用結構信息熵總體呈下降趨勢的主要原因是農業結構的調整，非農建設占用了水田和草地的趨勢增強，同時政府實施了封山育林的政策，使原本偏低的旱地、林地、城鎮用地和其他用地面積急劇增加，水田和草地面積急劇減少，表明伊通河流域正處于以市場為導向的農業產業結構中，但是從生態觀點出發，居民用地和其他用地類型的增加使系統向著更加無序的方向發展。

由圖3可知，1995-2008年伊通河流域土地利用結構均衡度與信息熵的變化趨勢較一致，而優勢度的變化趨勢與信息熵和均衡度的變化趨勢正好相反。結果表明，伊通河流域1995-2005年，伊通河流域土地利用結構由無序向有序發向發展，土地利用結構均衡度增強，優勢度減少；2005-2008年，伊通河流域土地利用結構由有序向無序方向發展，土地利用結構均衡度減少，優勢度增加。

表4 伊通河流域1995-2008年土地利用結構及信息熵

圖3 伊通河流域1995-2008年土地利用結構均衡度、優勢度及信息熵

4 結 語

(1)1995-2008年，旱地、城鎮、林地和水田構成了伊通河流域土地利用類型的基本格局，占研究區面積的92%左右；隨著伊通河流域社會經濟發展、城鎮化建設及糧食生產需求等政策的實施，流域內土地利用結構變化特征主要表現為草地和水域面積減少，城鎮和旱地面積增加。

(2)1995-2008年，伊通河流域土地利用面積貢獻率由小到大的土地利用類型分別為草地>城鎮>其他用地>旱地>水域>水田>林地，變化強度指數分別為3.31%、2.03%、1.39%、0.57%、0.44%、0.26%和0.02%。因此，伊通河流域1995-2008年土地利用結構變化中起主導作用的土地利用類型為草地和城鎮。

(3)1995-2008年，伊通河流域土地利用結構信息熵和均衡度的變化趨勢較一致，都呈先增加后減少的趨勢，優勢度變化趨勢與均衡度和信息熵的變化趨勢相反，都呈先減少再增加的趨勢，且2005年伊通河流域土地利用結構信息熵和均衡度達到最大值，優勢度達到最小值，2008年伊通河流域土地利用結構信息熵和均衡度達到最小值，優勢度達到最大值。

(4)伊通河流域土地利用結構及其變化特征與其社會經濟發展、經濟效益驅動密切相關。通過本研究，對伊通河流域土地利用結構的調整與優化、土地利用總體規劃有著一定的指導和借鑒意義。

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