嘉陵江流域土地利用變化分析
——以四川段為例

常梓煜 李孝坤 李云龍

(重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶 401331)

引言

土地是人類賴以生存的資源，是人類生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，作為人類對土地資源進行改造最直觀的表現(xiàn)形式，土地利用變化在一定程度上表征了土地資源利用方式的變化，以使形成土地利用格局[1]。土地作為自然社會環(huán)境的復(fù)雜綜合體，不僅是當前人地系統(tǒng)的重要組成內(nèi)容，也是生態(tài)文明建設(shè)的主要空間結(jié)構(gòu)支架[2]。土地利用是人與自然相互作用最直接的表現(xiàn)形式之一，也是社會經(jīng)濟活動的重要載體[3]，在人類活動與環(huán)境變遷相互作用下產(chǎn)生的一種復(fù)雜轉(zhuǎn)變，對人類社會經(jīng)濟的發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的保護和恢復(fù)具有深遠影響。土地利用變化是區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的主要驅(qū)動力，對國家、區(qū)域生態(tài)安全產(chǎn)生重要影響。隨著全球環(huán)境變化研究的不斷深入，學(xué)術(shù)界普遍認為，土地利用變化是引發(fā)生態(tài)環(huán)境變化的重要因素之一，其中土地利用/覆被變化與生態(tài)環(huán)境之間有著密切且復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系，土地利用要素的改變往往會造成各種生態(tài)環(huán)境問題[4，5]。人類對土地資源的開發(fā)和利用會導(dǎo)致地球表面的土地利用和植被覆蓋狀況在短期內(nèi)發(fā)生極大轉(zhuǎn)變，對當前生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能帶來了一定程度上的影響和改變。

通過對國內(nèi)外已有文獻的閱讀、整理與歸納后發(fā)現(xiàn)，土地利用研究內(nèi)容主要集中于土地利用變化時空格局特征、土地利用變化規(guī)律、土地利用轉(zhuǎn)型、土地利用驅(qū)動力及驅(qū)動機制。目前，在土地利用變化的研究對象上看，國內(nèi)關(guān)于土地利用/覆被變化的研究集中于以下3個區(qū)域：行政區(qū)域，包括國家、省、市、縣域等，曹玉昆等[6]基于土地利用遙感數(shù)據(jù)分析黑龍江省13個市土地利用類型的時空演變特征，李鵬等[7]基于GIS、RS技術(shù)分析了鶴壁市1986—2016年土地利用變化的多向性特征，苗議藝[8]基于對臨沂市莒南縣2010—2015年土地利用演變規(guī)律分析得到土地利用轉(zhuǎn)移量、變化幅度，并為模擬預(yù)測提供依據(jù)；經(jīng)濟區(qū)域，包括城市群、經(jīng)濟帶、沿海地區(qū)等，如陳書林等[9]以長三角地區(qū)1985年、1995年、2005年、2015年數(shù)據(jù)為例，探討了土地利用變化特征；自然區(qū)域，包括海岸帶、黃土地區(qū)、喀斯特地區(qū)等，從研究對象的區(qū)位特征上來看，國內(nèi)外有關(guān)土地利用變化的研究區(qū)主要發(fā)生在土地變化明顯、劇烈的重點區(qū)域、生態(tài)脆弱地區(qū)以及生態(tài)關(guān)鍵區(qū)。雖然目前對于土地利用相關(guān)研究已十分成熟，但是對于流域所流經(jīng)輻射城市、縣域的研究仍然較少，研究流域所輻射行政區(qū)域的土地利用變化，可以探究流域與土地、土地利用與生態(tài)環(huán)境與城市規(guī)劃之間的相互關(guān)系。

1 研究區(qū)概況，數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

嘉陵江(四川段)位于N29.3°～34.4°，E102.5°～109°，全長796km，占整個嘉陵江流域的3/5。流域面積近3.58萬km2，為總流域面積的1/5。嘉陵江干流自陜西鳳縣向南與西漢水匯合后流徑略陽縣、陽平關(guān)入川，過廣元市，在昭化區(qū)接納白龍江，南流至閬中市，東河自左岸來匯，在南部縣和蓬安縣接納，西河至重慶市合川區(qū)，渠江、涪江分別在左、右岸匯入，于重慶市朝天門注入長江。四川省內(nèi)廣元市昭化區(qū)以上為上游，昭化至重慶市合川區(qū)為中游，合川至重慶河口為下游，沿江人煙稠密，工農(nóng)業(yè)發(fā)達。流域橫跨青藏高原氣候、溫帶季風(fēng)氣候和亞熱帶季風(fēng)氣候3個氣候分區(qū)，并同時存在高原、盆地和丘陵。本文研究區(qū)大部地形為四川盆地丘陵，北部為大巴——鄂西山地，西部接橫斷山北部、東部為川東平行嶺谷。

研究區(qū)共包含10市59區(qū)，包括四川省德陽市、綿陽市、廣元市、遂寧市、南充市、廣安市、巴中市、達州市、資陽市和阿壩藏族自治州。嘉陵江(四川段)所流經(jīng)區(qū)縣總?cè)丝诒姸啵渲杏谐捎褰?jīng)濟圈的一小部分在內(nèi)，人口分布很不平衡。東部、南部和中部人口稠密，阿壩藏族羌族自治州人口稀少。流域內(nèi)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)為主，工業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)有石油化工、有色金屬機械制造、建筑材料、電子信息、水電、能源、飲料食品等。流域內(nèi)航運條件較好，是連通長江和西北地區(qū)的重要通道，這一黃金水道也為沿江城市的經(jīng)濟發(fā)展起到了重要作用。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

本文使用的土地利用數(shù)據(jù)年份為2010年、2015年、2020年，來源于武漢大學(xué)楊杰團隊[10]中國逐年土地覆蓋數(shù)據(jù)集(annual China Land Cover Dataset，CLCD)，總體精度達80%，共有耕地、林地、灌木、草地、水體、雪/冰、荒地、不透水面及濕地8種劃分，按照國家土地利用分類方法《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T-2010-2017)將土地利用數(shù)據(jù)分為6大類。

1.3 研究方法

1.3.1 土地類型變化幅度

式中，T指地類的變化幅度(取平均值)；Ua、Ub分別指研究初期、末期某種地類的面積；N是研究時段的年數(shù)。

1.3.2 單一土地利用動態(tài)度

單一動態(tài)度是指在研究期間內(nèi)，土地利用類型i從研究初期到研究末期單位面積發(fā)生的改變，反映不同用地類型的變化的快慢特征。計算公式：

式中，Ki為研究時段內(nèi)某一種用地類型的變化率；LUit0和LUit1分別表示研究期內(nèi)初期和末期某類生態(tài)用地土地利用類型i的面積；T為研究時段。動態(tài)度的絕對值越大，則表明土地面積增或減的速率越快。

1.3.3 綜合土地利用動態(tài)度

式中，Lki為研究時段內(nèi)土地利用變化速率；n為土地利用類型總數(shù)；LUi為研究初期第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為研究時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)換為j(非i)類土地利用類型面積的絕對值；T為監(jiān)測時段長度，綜合土地利用動態(tài)率可以反映土地利用類型變化的劇烈程度。

1.3.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來自于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[11]。轉(zhuǎn)移矩陣是目前國內(nèi)外用于定量描述LUCC的特征、方向及結(jié)構(gòu)的有力工具。將土地利用的類型變化轉(zhuǎn)移面積按矩陣形式排列，分析土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移方向變化，其作用不僅可以用來反映研究始期與研究末期的土地利用類型結(jié)構(gòu)，同時也可以反映研究時段內(nèi)各土地利用類型的來源與構(gòu)成[12]。表達形式：

式中，Sij表示初期的第i種土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)槟┢诘牡趈種土地利用類型的面積；i、j分別為研究初期與末期的土地利用類型；n為土地利用類型的數(shù)目。轉(zhuǎn)移矩陣中，行表示初期的第i種土地利用類型，列表示末期的第j種土地利用類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用總體變化分析

基于2010年、2015年和2020年3期土地利用遙感影像數(shù)據(jù)，空間分辨率30m，通過目視解譯獲得該研究區(qū)內(nèi)土地利用總體變化類型圖，見圖2，并對其內(nèi)容展開分析。從研究區(qū)總體地類分布來看，耕地作為主體分布最為廣泛，面積最多的類型，分布面積在51950～56000km2、占研究區(qū)總面積的45%～55%，而林地逐漸增多；耕地、草地、水域、人工不透水建設(shè)及其他未利用土地依次減少，其中林地主要分布在研究區(qū)中東部，東部為川東平行嶺谷；草地主要分布于若爾蓋草原地帶，森林-草原的過渡帶，沼澤、濕地主要分布在河流周圍；水域分布較為集中，以嘉陵江流域為主要干流，包括廣元段、南充段等區(qū)域以及零星水域，水資源治理和大壩建設(shè)使水域面積逐漸擴大；建設(shè)用地分布范圍較廣，主要沿河流分布、空間散點狀分布，建設(shè)用地面積增加稍快，主要表現(xiàn)在城鎮(zhèn)周邊用地的擴張。

2.2 不同時期土地利用類型變化分析

從2010—2020年土地利用整體變化的特征來看，見圖2、表1，嘉陵江流域(四川段)土地利用類型發(fā)生不同程度變化，且各地類變化特征不同。2020年嘉陵江流域(四川段)耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地面積分別為51405.28km2、55980.52km2、15230.80km2、1192.72km2、1573.07km2、628.53km2。主要土地類型為耕地和林地，兩者地類之和占超過總地類的80%。從空間變化來看，2010—2020年林地、水域、建設(shè)用地面積增加，未利用土地顯著增加，耕地、草地面積減少。從程度變化來看，2010—2020年林地所增加的面積絕對數(shù)量最大，為4029.25km2，其他未利用土地增加幅度最大，為1.11%；耕地減少面積絕對數(shù)量最大，為4537.12km2，同時其減少幅度也最大，為0.08%。

圖2 嘉陵江流域(四川段)土地利用空間分布

表1 土地利用結(jié)構(gòu)及面積變化

2.3 土地利用動態(tài)度分析

嘉陵江流域(四川段)土地利用的單一動態(tài)度如表2所示。由表2可以看出，2010—2020年土地利用整體動態(tài)度為2010—2015年(0.083%)>2015—2020年(0.0059%)>2010—2020年(0.0055%)，表明在這10年間，土地流轉(zhuǎn)十分頻繁；不同時期草地動態(tài)變化度為2010—2020年(-0.27%)>2010—2015年(-0.01%)>2015—2020年(-0.26%)，這一類型動態(tài)度變化最小，由于草地大多分布于若爾蓋草原，主要從西北向東南急劇遞減，表現(xiàn)出較為顯著的地理環(huán)境差異性，所以其比動態(tài)度變化小，其次為水域，不同時期窗口，水域變化較為穩(wěn)定，說明在2010—2020年該種土地利用類型變不顯著；不同時期未利用土地與建設(shè)用地動態(tài)變化較為明顯，其中建設(shè)用地2010—2015年顯著(3.04%)，呈現(xiàn)出整體增加趨勢，2010—2015年變化度較大，2010—2020年變化幅度不大，基礎(chǔ)設(shè)施趨于完善，建設(shè)用地趨向飽和是建設(shè)用地變化呈現(xiàn)這一態(tài)勢的具體原因，未利用土地2015—2020年轉(zhuǎn)化最為頻繁(8.88%)，科學(xué)技術(shù)愈加先進，對沼澤地、裸土地的利用大大提升。

表2 2010—2020年土地利用單一動態(tài)度

2.4 土地利用轉(zhuǎn)移分析

基于研究區(qū)2010年、2015年、2020年3期土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用地理空間分析方法，對2010—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)移變化和時空變化進行統(tǒng)計分析研究，以期得到其變化的內(nèi)在因素和轉(zhuǎn)變結(jié)果，具體見表3。2010—2020年，嘉陵江流域(四川段)土地利用類型存在較明顯的相互轉(zhuǎn)移；轉(zhuǎn)移面積10467.48km2，耕地、草地減少明顯，面積分別為4537.12km2、429.46km2，退耕還林、退耕還草以及撂荒等原因?qū)е赂孛娣e減少，草地面積減少主要為生態(tài)建設(shè)措施的落實；林地、建設(shè)用地、未利用土地和水域均有增加，分別為4029.25km2、554.44km2、330.97km2、51.91km2，“封山育林、人工造林、退耕還林”等措施，城市化進程帶來基礎(chǔ)設(shè)施需求以及濕地保護工程致使該部分土地類型均有不同程度的增加。

2010—2020年，耕地流出面積最大，轉(zhuǎn)出量為6996.17km2，流出量大于流入量，呈現(xiàn)收縮趨勢，主要轉(zhuǎn)移表現(xiàn)為林地、建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移面積分別為2315.41km2、97.18km2，共占比95.47%，主要由于退耕還林、城市區(qū)域景觀規(guī)劃以及土地建設(shè)使用。林地在2010—2020年流入面積為6454.41km2，流出面積2425.16km2，流入流出面積較多，但流入量大于流出量，呈現(xiàn)出顯著擴張趨勢。草地總轉(zhuǎn)移面積731.77km2，所有類型中變化最為劇烈，其中草地轉(zhuǎn)向未利用土地面積為393.59km2，轉(zhuǎn)向林地242.34km2，這是由于生態(tài)措施、植被恢復(fù)等政策性原因；其主要來源為耕地，由于退耕還草、撂荒等。建設(shè)用地流入面積達623.5km2，主要為耕地轉(zhuǎn)出，建設(shè)用地是研究時段內(nèi)轉(zhuǎn)換面積最少的類型。由于城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的推進導(dǎo)致對用地需求量增大，建設(shè)用地轉(zhuǎn)換面積最小。未利用地轉(zhuǎn)出面積為86.96km2，轉(zhuǎn)出部分主要為草地和水域，面積分別是68.84km2、16.58km2。

表3 2010—2020年嘉陵江流域(四川段)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

3 結(jié)論

本研究基于2010年、2015年及2020年3期土地利用數(shù)據(jù)，對研究區(qū)土地覆蓋狀況和變化特征進行時空統(tǒng)計分析，主要結(jié)論如下。

從研究區(qū)總體地類分布來看，耕地作為主體分布最為廣泛，面積最多的類型，分布面積在51950～56000km2，占研究區(qū)總面積的45%～55%。

從空間變化來看，2010—2020年林地、水域、建設(shè)用地面積增加，未利用土地顯著增加，耕地、草地面積減少。

從程度變化來看，2010—2020年林地所增加的面積絕對數(shù)量最大，為4029.25km2；耕地減少面積絕對數(shù)量最大，為4537.12km2，同時其減少幅度也最大，為0.08%。

2010—2020年，耕地流出面積最大，轉(zhuǎn)出量為6996.17km2，流出量大于流入量，呈現(xiàn)收縮趨勢；林地在2010—2020年流入面積為6454.41km2，流出面積2425.16km2，流入流出面積較多，但流入量大于流出量，呈現(xiàn)出顯著擴張趨勢；草地總轉(zhuǎn)移面積731.77km2，所有類型中變化最為劇烈。