基于土地利用信息圖譜的西南區(qū)縣域土地利用時空演變分析
——以重慶市奉節(jié)縣為例

徐鋮龍，龔文峰，盧玉海，劉月陽

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150086；2.海南大學(xué)林學(xué)院，海口 570208；3.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

通過對當(dāng)前研究土地利用變化相關(guān)文獻的梳理，發(fā)現(xiàn)土地利用變化的研究主要側(cè)重于土地利用變化特征、預(yù)測模擬、影響因素和驅(qū)動機制及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)機理等4個層面，且都已取得豐富的研究成果。主要表現(xiàn)如下：①研究土地利用變化過程特征，主要借助RS和GIS技術(shù)構(gòu)建土地利用及其相關(guān)數(shù)據(jù)庫，基于土地利用模型對其進行動態(tài)監(jiān)測分析；②土地利用動態(tài)模擬主要借助GIS技術(shù)和相關(guān)預(yù)測模型，實現(xiàn)土地利用時空演變預(yù)測；③LUCC的過程和機理非常復(fù)雜，人們主要借助于自然條件、經(jīng)濟發(fā)展和相關(guān)的政策對土地利用的影響因素和驅(qū)動機制進行分析和研究；④土地利用變化生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究，主要涉及對生態(tài)安全及生態(tài)地理過程的影響[1-3]。

在眾多土地利用演變的方法中，運用ArcGIS軟件空間分析模塊的地學(xué)信息圖譜方法在近些年的研究中被廣泛應(yīng)用。地學(xué)信息圖譜結(jié)合土地利用遙感數(shù)據(jù)，將“時間過程”和“空間格局”屬性有機結(jié)合，使得土地類型演變過程及趨勢展示的更加直觀，有利于深化區(qū)域土地利用變化內(nèi)在規(guī)律和多維表達[4-6]。

西南山區(qū)縣域處于中國經(jīng)濟發(fā)展的薄弱地帶，其土地利用/覆蓋變化極具特殊性，但相關(guān)研究較為稀少，基于圖譜模型探求土地利用時空格局演變及驅(qū)動機制的則更加稀少。奉節(jié)縣為位于重慶市東部，區(qū)域內(nèi)自然條件相對復(fù)雜，對人地矛盾和生態(tài)環(huán)境作用響應(yīng)敏感[7]。基于此，文章以重慶市奉節(jié)縣為例，基于2005年、2010年和2015年三期遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)和土地利用動態(tài)模型，揭示區(qū)域10年間土地利用格局演變規(guī)律。以期提升區(qū)域土地資源的合理利用配置，為中國西南地區(qū)土地資源的可持續(xù)利用及經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

奉節(jié)縣地理坐標(biāo)為：E:109°1′17″-109°45′58″，N:30°29′19″-31°22′33″，東鄰巫山縣，南接湖北省恩施市，西連云陽縣，北接巫溪縣。地處三峽庫區(qū)腹地，屬于三峽庫區(qū)生態(tài)敏感區(qū)和三峽移民區(qū)，研究區(qū)內(nèi)包含永樂鎮(zhèn)等30個街道鄉(xiāng)鎮(zhèn)。其境內(nèi)長江橫貫中部，地勢總體為東南、東北高而中部偏西稍平緩，地貌以中低山地為主。南北約為對稱分布，以長江為對稱軸，離長江越遠海拔越高。受山地地形影響，地帶性植被以常綠闊葉林為主，伴生常綠落葉林和針闊混交林。

2 數(shù)據(jù)獲取和處理

本研究運用RS軟件ENVI 5.3，完成2005年、2010年和2015年 Landsat TM/ OLI遙感數(shù)據(jù)的幾何校正、大氣校正和圖像掩膜裁剪處理。結(jié)合大量野外GPS調(diào)查樣本和《中國土地分類系統(tǒng)》將奉節(jié)縣土地利用類型共分6個一級類，包括：林地、草地、耕地、水域、居民工礦用地和未利用地，運用最大似然監(jiān)督分類法，完成對遙感影像的分類處理。基于ArcGIS10.2完成最終分類結(jié)果修正和拓撲處理，并將土地利用按順序分別賦予1-6代碼，最后生成土地利用分布專題圖。

土地利用轉(zhuǎn)移圖譜中對空間圖形格局和拓撲關(guān)系，隨時間序列變化進行分析和計算，能夠以時空尺度對土地利用的演變進程進行動態(tài)描述。結(jié)合ArcGIS10.2和土地利用轉(zhuǎn)移圖譜公式，合成該區(qū)域2005-2010年和2010-2015年兩個時段的土地利用信息圖譜，以期定量揭示區(qū)域土地利用動態(tài)變化格局和時空演變規(guī)律[8-10]。圖譜計算公式如下：

F=10F1+F2

(1)

式中：F為研究階段內(nèi)土地利用演替模式的圖譜單元柵格；F1和F2為研究初期和研究末期的土地利用圖譜柵格屬性值。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 土地利用變化整體分析

基于ArcGIS 10.2完成研究區(qū)土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取和統(tǒng)計分析(見圖1和表1)。

表1 2005年-2015年不同土地利用類型面積統(tǒng)計表

由表1可知，2005-2015年間研究區(qū)以林、耕地為基質(zhì)景觀，兩者的面積比例之和分別為94.63%、93.93%和93.75%。其中林地占據(jù)更加優(yōu)勢地位，3期數(shù)據(jù)面積比例分別為67.54%、67.37%和67.48%，是耕地的2.4-2.6倍。

10a間林地、草地、耕地面積呈減少趨勢，減少幅度分別為了0.10%、1.69%和3.01%。草地和耕地面積持續(xù)減少，減少速率為-0.15%、-0.19%和-0.39%、-0.22%，其中耕地減少的速率最快且幅度最大，林地面積呈現(xiàn)先減后增的趨勢。2005-2010和2010-2015年，未利用地得增幅最大，為64.90%，且總體增速最快，為6.49%。水域、居民工礦用地面積增加速率分別為8.65%、0.38%和0.95%、4.71%，均為持續(xù)增加。

表2 2005年-2015年單一土地利用動態(tài)度統(tǒng)計表

圖1 奉節(jié)縣2005-2015年土地利用類型空間分布

3.2 主要土地利用圖譜演變分析

基于ArcGIS10.2完成2005-2010年和2010-2015年土地利用轉(zhuǎn)移圖譜的合成。2005-2010年產(chǎn)生36類圖譜單元，轉(zhuǎn)移總面積1301.05km2。土地利用類型的轉(zhuǎn)移主要集中在林地、草地和耕地之間轉(zhuǎn)化。2010-2015年產(chǎn)生23類圖譜單元，轉(zhuǎn)移總面積19.82km2。土地利用類型的轉(zhuǎn)移并不劇烈，主要為林地和居民工礦用地面積增加和耕、草地面積減少。奉節(jié)縣2005-2015年時序單元轉(zhuǎn)移圖譜 2a 2b，見圖2。

圖2 奉節(jié)縣2005-2015年時序單元轉(zhuǎn)移圖譜 2a 2b

2005-2010年，林地是面積變化最大的地類，轉(zhuǎn)入面積573.94km2。其中耕地→林地的面積為494.05km2，變化比率為37.89%；草地→林地的面積為67.72km2，變化比率為5.19%。隨著奉節(jié)縣政府發(fā)布的《奉節(jié)縣生態(tài)移民工程項目規(guī)劃》的實施，在國家退耕還林、還草政策的積極推動下，江北生態(tài)經(jīng)濟林、江南生態(tài)旅游林和城市生態(tài)林逐步建立，部分粗獷開發(fā)的草地和耕地轉(zhuǎn)化為生態(tài)林和旅游林，成為了長江上游重要的生態(tài)保護屏障。加之該區(qū)域水利設(shè)施得到了充分的改善，使得奉節(jié)縣成為三峽庫區(qū)臍橙產(chǎn)業(yè)的中心。臍橙產(chǎn)量的增加促使部分草地和耕地轉(zhuǎn)為經(jīng)濟林地，使得林地面積增加。

其次，耕地的轉(zhuǎn)入面積為561.92km2。其中林地→耕地面積為509.53km2，變化比率39.08%；草地→耕地面積39.19km2，變化比率3.01%。雖然國家推行退耕還林還草工程，但在做好生態(tài)移民的經(jīng)濟保障和逐漸加劇的人地矛盾的大背景下，新縣城周圍的林地和草地被擠壓侵占，并轉(zhuǎn)化為耕地。同時，為了平衡保護生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展，在河谷和平壩區(qū)實行集約化生產(chǎn)，充分發(fā)揮機械化生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)科技的作用，使得部分適宜耕種的林地轉(zhuǎn)移為耕地，而其他區(qū)域小規(guī)模的耕地恢復(fù)為林地，在一定程度上凸顯了區(qū)域土地利用的不合理性[11-13]。

再次，草地的轉(zhuǎn)入面積107.23km2。其中耕地→草地面積為53.37m2，變化比率4.09%；林地→草地面積51.41km2，變化比率3.94%。根據(jù)2007年重慶市政府發(fā)布《渝東北地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃》，奉節(jié)縣屬于四個重要特色產(chǎn)業(yè)布局點之一。政策要求當(dāng)?shù)卮罅Πl(fā)展特色旅游業(yè)，致使農(nóng)村勞動力大量外流，導(dǎo)致耕地撂荒，自然演變成草地。同時分布在高海拔和陡坡區(qū)域的耕地，隨著人為干擾活動的逐漸減少和地理條件限制而棄耕，自然演變?yōu)椴莸亍?005-2010年奉節(jié)縣土地利用轉(zhuǎn)移主要圖譜單元排序表見表3。

表3 2005-2010年奉節(jié)縣土地利用轉(zhuǎn)移主要圖譜單元排序表

2010-2015年居民工礦用地累計增加6.73km2，林地→居民工礦用地轉(zhuǎn)入面積為3.38km2，耕地→居民工礦用地轉(zhuǎn)入面積為2.65km2，累計變化比率35.75%。奉節(jié)縣在“十二五”期間，在移民工程完成的基礎(chǔ)上，建設(shè)各種重點項目，加速發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和提高人民生活水平。其中，西部新區(qū)完成投資120億元并完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，使得城市的框架基本形成；旅游新城完成投資15億元，建成中心景觀大道和旅游環(huán)線等項目；移民生態(tài)工業(yè)園打造成農(nóng)產(chǎn)品綜合交易市場并引進一系列特色企業(yè)。奉節(jié)縣的城鎮(zhèn)化政策和和土地規(guī)劃都會促進居民工礦用地侵占其周邊土地類型的面積。

其次，林地累計增加4.63km2，耕地→林地轉(zhuǎn)入面積為8.48km2，草地→林地轉(zhuǎn)入面積為1.02km2，累計變化比率50.12%。作為長江上游水土流失最嚴重的區(qū)域之一，奉節(jié)縣在重慶市的大量國家級水土保持重點項目實施的影響下，為完成好建設(shè)長江流域重要生態(tài)屏障和渝東北生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的任務(wù)，興修水利，退耕還林，植樹造林，涵養(yǎng)水土。增加土壤保水保土保肥能力，提高土地生產(chǎn)綜合能力，使得治理后地區(qū)的植被面積得到較大幅度提高，呈現(xiàn)岀山、水、田、林、路綜合治理的青山綠水新風(fēng)貌。

再次，水域累計增加1.57km2，林地→水域轉(zhuǎn)入面積為1.68km2，耕地→水域轉(zhuǎn)入面積為0.68km2，累計變化比率12.63%。水域面積的增加很大程度上源自三峽水庫的修建，淹沒部分沿岸的林地和耕地。2005-2010年奉節(jié)縣土地利用轉(zhuǎn)移主要圖譜單元排序表見表4。

表4 2005-2010年奉節(jié)縣土地利用轉(zhuǎn)移主要圖譜單元排序表

4 結(jié) 論

文章基于RS和GIS技術(shù)定量分析研究區(qū)的土地利用動態(tài)變化特征和時空演變的過程，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合地學(xué)圖譜理論和ArcGIS 10.2軟件，對奉節(jié)縣土地利用演化規(guī)律進行分析。研究表明：

1)研究期內(nèi)奉節(jié)縣的基質(zhì)景觀為林耕地，面積總占比為94.63%、93.93%和93.75%，且林地占據(jù)優(yōu)勢地位。10a間土地利用總趨勢是林地、草地緩和耕地面積減少，水域、居民工礦用地和未利用地增加。草地和耕地面積是持續(xù)減少的土地利用類型，10a間減少了2.17km2和33.26km2，減少了1.69%和3.01%。居民工礦用地逐漸侵占其他類型土地，2010-2015年林地和耕地是主要輸入來源。

2)根據(jù)土地利用空間轉(zhuǎn)移圖譜可知，2005-2010年主要以草地→林地、林地→耕地、耕地→林地和草地→耕地轉(zhuǎn)移為主，累計變化面積1215.27km2，累計變化比率為93.02%；2010-2015年主要以耕地→林地、林地→居民工礦用地和耕地→居民工礦用地轉(zhuǎn)移為主，累計變化面積14.51km2，累計變化比率為73.27%。