1980—2015年典型巖溶區土地利用動態變化研究

劉南健 安佑志 李松

摘 要：基于1980—2015年7期的Landsat TM遙感影像解譯數據，結合地學統計方法對典型巖溶區縣域尺度下的土地利用時空演變格局進行定量分析。結果表明，35年來，研究區的用地類型以林地、耕地、草地為絕對主導用地，3者面積比例之和穩定在98%以上，整體變幅較小。研究區用地變化劇烈程度依次是建設用地>水域>林地>未利用地>草地>耕地;從綜合土地利用角度看，1995—2005是研究區35年來用地結構變化最快的時段，2005—2015年間變化速度減慢。從用地的轉移情況可知，1980—1995年期間各用地的轉移量較少;1995—2005年間最顯著的特征是耕地轉給其他地類的量最多，達22.36km2，2005—2015年各用地轉移趨向縮減，轉移不顯著。35年來研究區土地的轉出量耕地>草地>林地>水域>建設用地，其中，耕地的轉出量遠多余其他用地，達33.21km2。

關鍵詞：土地利用;時空變化;GIS;轉移矩陣

中圖分類號 F301.2文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）24-0112-05

Abstract：Based on Landsat TM remote sensing image interpretation data of 7 periods from 1980 to 2015，the spatial and temporal evolution pattern of land use at county scale in typical karst areas was quantitatively analyzed with geostatistical method. The results show that：（1）In the past 35 years，woodland、 cultivated land and grassland are the absolute dominant land use types in the study area，and the total proportion of the three areas is more than 98%，and the overall change is small. （2）The intensity of land use change in the study area is construction land>water area>woodland>unused land>grassland>cultivated land in turn;from the perspective of comprehensive land use，the 10-year period 1995-2005 is the fastest period of land use structure change in the study area in 35 years，and the change rate slows down in 2005-2015. （3）From the situation of land transfer，it can be seen that the amount of land transfer from 1980 to 1995 is relatively small;the most significant feature in the 10 years from 1995 to 2005 is that the amount of cultivated land transferred to other land types is the largest，reaching 22.36 km2. The trend of land transfer from 2005 to 2015 is decreasing，but the transfer is not very significant. In the past 35 years，the amount of land transferred from the study area was cultivated land>grassland>woodland>water area>construction land. The amount of arable land transferred is far more than that of other land，reaching 33.21 km2.

Key words：Land use;Spatial and temporal change;GIS;Transfer matrix

土地利用/覆被變化（LUCC）被視為人-地時空耦合復雜系統下非常重要的科學問題。作為人類廣泛生產活動與天然環境作用下的產物，土地利用變化越來越成為人類與環境協調發展的重點研究內容。與此同時，土地利用時空格局的動態監測與模擬分析對土地生態系統以及各子系統的良性循環具有突出和長遠的實際運用價值[1-3]。

特定區域內土地屬性的變化與一定范圍內的社會實踐活動有密切關聯。土地景觀格局演變的眾多研究中，以大中區域、典型地區、流域和地理交界地帶等地區居多[4-7]。在研究方法方面，有學者通過運用分形理論和地理信息圖譜理論探討了區域的用地結構及時空演變模式[8-9]。在技術硬件支持的基礎上，國內學者通過計量地理和計算機模擬方法對土地利用變化也做了大量研究。通過運用多種土地利用量化指數能夠更加客觀反映一個區域地段的景觀復雜變化[10]。通過解譯歷史時期影像數據的方法，利用計算機模擬未來的土地利用情景變化對區域土地資源配置具有一定的用地規劃參考作用[11]。喀斯特地區作為一個典型生態脆弱的水土保持與土地覆被變化研究區域，利用長時段的遙感影像數據對其進行土地利用時序-空間格局演化進程分析，無論對區域的生態安全評估還是經濟發展都具有深刻意義[12-13]。生態脆弱區的土地利用與變化有它獨特的演化特性[14]，而喀斯特山區因石漠化和水土流失以及土地退化等生態問題也受到了一些學者的關注[15-16]。

土地形態、屬性和性質等特征的變化和區域內的生境具有較強的互動反饋作用，土地作為生態系統的一部分也反映著生境的動態狀況。前人對喀斯特的研究多數集中于石漠化和水土保持[17-20]。本研究以鎮寧和關嶺縣域聯合尺度為整體研究單元，使用1980—2015年共7個時間節點的遙感影像解譯數據，通過ArcGIS10.6軟件對典型巖溶區土地利用演變進行定量分析，旨在為生態脆弱區土地的科學合理規劃利用與管理提供理論依據。

1 研究區域與數據

1.1 研究區域 以典型喀斯特巖溶縣鎮寧和關嶺為整體研究單元。鎮寧縣和關嶺縣位于貴州省西南典型喀斯特地貌區（105°15′～106°1′E，25°25′～26°11′N），隸屬于安順市，巖溶地貌分布廣。其中鎮寧地處貴州高原向南傾斜的斜坡地帶，位于世界上最大的巖溶區-華南巖溶的中心位置，屬黔中丘原中山類型，海拔自北向南逐漸降低，地形南北狹長且跨度大。關嶺地處云貴高原東部的一段斜坡地帶，貴州省中部偏西南，地勢上西北面較高，東南側較低，東北面與鎮寧縣相銜接。關嶺喀斯特地貌分布廣泛，氣候垂直分異明顯。關嶺巖溶景觀大面積發育，石灰巖分布比較突出。

1.2 研究數據 本研究所使用的Landsat TM遙感影像解譯數據集來源于中科院資源環境數據中心（http：//www.resdc.cn/），分別是1980、1990、1995、2000、2005、2010和2015年共7期數據，分辨率為30m，該精度符合本研究區域要求。根據實際情況，本研究采用一級類地類分類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。利用現有的研究區矢量邊界數據對獲取的柵格執行裁剪，從而得出本文的土地利用分類柵格數據集。使用ArcGIS10.6加載7期的柵格數據集，通過轉換工具得到研究區的矢量數據集。

2 研究方法

2.1 土地利用動態度

2.1.1 單一土地利用動態度 單一土地利用動態度用來定量描述特定時間區間內變化中的土地狀態[21]，公式為：

式中，Xi即是地類i的單一土地利用動態度，Xi值越小，表明其轉出的量越少;Lit2和Lit1表示的地類i在t1和t2時間節點的面積;T為起始時間與終止時間之差。

2.1.2 綜合土地利用動態度 綜合土地利用度用來反映土地對象在開始時段與結束時段之差內轉移的整體動態過程[22]，公式為：

式中，LC表示對象區域t時間范圍內的綜合土地利用動態度，計算獲得的LC越大則用地的演化狀態越強烈;LUi-j代表開始時間點至終止時間點某i型用地轉化到其他類別用地的量;LUi表示研究時段內初期某i類土地的數量;t則是研究的時間跨度。

2.2 轉移矩陣 土地動態轉移矩陣通過對一定時間范圍內的用地土地轉移進行定量研究，可以宏觀量化研究區的各地類的轉移情況，還能預測未來的變化趨勢，能夠較好地反映土地的轉移數量和方向[23]。

3 結果與分析

3.1 鎮寧關嶺1980—2015年用地格局 通過ArcGIS10.6軟件平臺對1980、1990、1995、2000、2005、2010和2015年7個時間節點的遙感解譯數據進行幾何統計和可視化分析，得到研究對象在各時間節點的用地分布格局（圖1）。從用地的區域結構來看，鎮寧關嶺的林地、耕地和草地比重顯著大于其他類型，這3種地類廣泛散布在研究區內，并且面積長期穩定居于主導位置，林地在全區域廣泛分布，又以東南部部居多，其次是耕地和林地幾乎交錯分布，耕地分布的區域幾乎都有林地。耕地則大片分布于海拔相差較小的北部區域，西面和東北面較高海拔區也分布較多。耕地總體分散在西北側。草地分布在研究區的中心位置分布較多，西側海拔較高區域和南端分布明顯少于其他方位。35年來草地的分布是較為穩定的。其次與社會經濟活動密切的建設用地也團聚在北部海拔差距較小的位置，以及靠近耕地和水域的中西部位。2010年作為建設用地發展的北方建設用地呈成長條形迅速擴張，同時向周邊分散發展，主要向耕地地區擴張。鎮寧和關嶺相比較而言，社會經濟活動的區域也是集中于鎮寧的北部地區，其次是關嶺的中西側零星散布。水域主體分布在偏北部地區，中西部也有少量獨立的水域區，從研究區整體來看，水域面積十分稀少，空間上的分布也不均勻。在時間演進基礎上來看，據表1可知，近35年來，鎮寧-關嶺的土地利用結構以林地、耕地和草地為主，面積從大小依次是：林地>耕地>草地>建設用地>水域>未利用地，這3種地類所占的比重穩定達到了90%以上，林地占比在50%左右，變動幅度十分微小。面積最小的分別是未利用地，水域和建設用地，35年來這3種用地的總面積和占比分別為87.7km2和2.76%。耕地和草地的數量總體表現為下降趨勢，1980—2015年兩者的數量分別縮減29.06km2和4.53km2。耕地面積每年平均減少0.83km2，草地每年平均減少0.13km2。耕地數量的減少最多。林地總體為上升趨勢，1980—2015年增加了22.4797km2，平均每年增加0.64km2。水域數量變化比較特殊，1980—2005年總體數量在縮減，1980年的數量是6.38km2，而2010年銳減到3.65km2，減幅達到50%左右。值得注意的是，2010年北部建設用地區域出現大塊水域面積，這可能是人工湖，水域在2005—2010年有所增加并保持穩定。從時空演變格局來看，研究區近35年來用地結構變化最突出的是耕地，這與城區擴建、交通運輸用地的建設、水土流失和荒漠化有密切聯系。因此加強水土保持和荒漠化治理工作極為重要，這直接關系到當地生態的可持續發展和人地協調。

3.2 土地利用動態度

3.2.1 單一土地利用動態度 根據公式（1）可算出研究范圍內1980—2015年分時段的單一土地動態結果（表2）。近35年來，研究區的土地利用變化穩定程度耕地>草地>未利用地>林地>水域>建設用地。變化最明顯的是2005—2015年的水域和建設用地。

3.2.2 綜合土地利用動態度（LC） 根據公式可計算出研究區內1980—2015年不同時段的LC值。1980—1995的LC值僅0.02%，表明該時期用地結構變化較慢。1995—2005的10年間，用地變化最快。2005—2015年變化速度減緩。35年間的LC為0.09%，說明鎮寧關嶺縣整體的土地利用處于緩慢演變階段。

3.3 土地利用轉移矩陣分析 根據7期遙感解譯數據制成1980—1995、1995—2005、2005—2015和1980—2015的轉移矩陣，從細節到整體分析研究區35年來用地的轉移情況。從表3能夠得知，1980—1995的15年間，研究區地類轉移以草地最為顯著。15年間草地共轉出2.38km2，其中轉為林地最多，為2.36km2。水域轉移量也較顯著，每轉出2.72km2，就有1km2轉為林地。轉變量最少的是耕地、林地和建設用地，3種用地分別的總轉變量不到1km2。總體來看，1980—1995年的土地轉變量不明顯。本時期變化最顯著的用地是草地。

從表4可以看出，耕地僅僅在這10年的轉移量最大，達22.36km2，其中轉移最顯著的是由耕地轉出19.30km2到林地，而林地轉移給耕地的僅有1.34km2，這也是本階段林地面積增加的一個重要原因。較上一個時期，草地轉給耕地的面積明顯增加，達到1.77km2，而草地總轉移量也達到了4.54km2。此時水域的轉移最少，轉移最顯著的是耕地。

從表5可知，2005—2015這10年間用地轉化的動態進程整體較小。耕地是轉出量最多的一種地類，轉移量共計11km2，耕地轉出量從小到大依次是建設用地>水域>草地>林地。這10年是建設用地快速發展的階段，每一種用地或多或少地都有轉進。當然，以耕地的轉進最多。

從表6可以看出，研究區1980—2015年，耕地轉出面咱們最大，共計達到33.21km2，其中由耕地轉移到林地的20.44km2最為顯著。林地的轉移量次之，共計4.59km2，大部分林地轉為建設用地。草地的轉移也比較顯著，共轉出10.12km2，其中2.14km2轉成建設用地，2015年有0.27km2的草地轉成了未利用地。35年間建設用地的轉進量主要來自于耕地、林地和草地，3者轉為建設用地共10.47km2。建設用地的轉移比較少，這可能是由于該用地主要是人居生活場所用地，較為固定，很難發生轉移。水域在35年間的轉移方向主要是林地、草地和耕地。耕地轉出量最顯著，轉給林地和建設用地的最多，分別達到20.44km2和5.60km2。

4 結論

本研究將典型巖溶區鎮寧縣與關嶺縣作為整體分析主體，通過遙感解譯數據結合數理統計方法與用地轉移指標量化了鎮寧關嶺35年來土地演變的動態過程。結果表明，研究區以林地、耕地、草地3類土地為主體，3者比例明顯多余其他用地類型比例;35年來，鎮寧和關嶺2縣耕地面積的減少最為突出，達29.06km2。建設用地以增長數量10.21km2成為增量最大的地類;從不同用地的動態度來看，研究區的用地穩定程度依次是耕地>草地>未利用地>林地>水域>建設用地;用地結構變化最顯著的時段是1995—2005年。1980—1995的用地變化十分微弱，2005—2015年用地變化程度則逐漸減緩。通過土地利用轉移矩陣可得知，研究區在1995—2005的10年間土地轉移量最大，為28.37km2。耕地在1995—2005年轉為林地最顯著。就研究區1980—2015年整體來看，耕地的轉出量最大，達33.21km2;而轉進量較少，其中有20.44km2轉為林地，這也是林地面積增多的主要用地來源。

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（責編：張 麗）