伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)特征及其動(dòng)態(tài)變化

孫麗娜，梁冬梅，蘇 偉

(吉林省環(huán)境科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130012)

土地利用結(jié)構(gòu)變化是當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會(huì)中最為活躍的研究?jī)?nèi)容之一。一個(gè)地區(qū)不同時(shí)期的土地利用結(jié)構(gòu)變化及其動(dòng)態(tài)變化，很大程度上反映了該地區(qū)不同時(shí)期的自然資源條件及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r[1-4]。因此，研究一個(gè)地區(qū)不同時(shí)期的土地利用結(jié)構(gòu)特征及動(dòng)態(tài)變化是研究一個(gè)地區(qū)的自然資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的重要途徑，對(duì)維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境平衡及土地利用可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

伊通河流域是我國(guó)重要的商品糧基地，近年來(lái)隨著人口猛增及社會(huì)發(fā)展，過(guò)度墾殖、超載放牧等人為不合理的土地利用方式，導(dǎo)致流域內(nèi)水土流失情況比較嚴(yán)重，對(duì)研究區(qū)土地利用可持續(xù)發(fā)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(chǔ)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)學(xué)模型等方法，系統(tǒng)分析了伊通河流域1995-2008年土地利用結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化特征，明確其變化的主要類(lèi)型，揭示土地利用變化過(guò)程及其演化規(guī)律，為伊通河流域土地管理決策和土地資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

伊通河發(fā)源于吉林省伊通滿族自治縣的青頂子山，松花江的三級(jí)支流，主要流經(jīng)伊通滿族自治縣、長(zhǎng)春市、農(nóng)安縣等，流域面積為88.4萬(wàn)hm2。伊通河流域地處東北平原腹地，上下游地勢(shì)差異較大，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受大氣環(huán)流及經(jīng)緯度的影響，四季分明，多年平均氣溫為5.3 ℃，氣溫呈現(xiàn)東南山區(qū)較低，平原區(qū)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(dá)463.1 mm，占全年降水量的78%；多年平均蒸發(fā)量為1 662.4 mm；多年平均日照數(shù)為2 643.5 h；多年平均風(fēng)速為4.5 m/s以上，如圖1所示。伊通河流域農(nóng)牧業(yè)比較發(fā)達(dá)，是吉林省乃至全國(guó)重要的商品糧基地之一，流域內(nèi)主要經(jīng)濟(jì)作物和農(nóng)副產(chǎn)品有玉米、水稻、大豆、高粱、梅花鹿等。

圖1 研究區(qū)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(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)自身的土地利用方式和特點(diǎn)，基于ArcGIS軟件將研究區(qū)的土地利用類(lèi)型劃分為7類(lèi)，分別為：水田、旱地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)、其他用地。

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

(1)

式中：Ai為某一時(shí)段內(nèi)第i種土地利用類(lèi)型的變化貢獻(xiàn)率；Uai、Ubi分別為研究初期、研究末期第i種土地利用類(lèi)型的面積。

(2)變化強(qiáng)度指數(shù)。變化強(qiáng)度指數(shù)是指某一空間單元在某一研究時(shí)期內(nèi)，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(shí)期內(nèi)，某種土地利用類(lèi)型變化的強(qiáng)弱程度，本文通過(guò)計(jì)算其空間單元內(nèi)的變化強(qiáng)度來(lái)表示，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Ti為某一研究時(shí)段內(nèi)第i種土地利用類(lèi)型的變化強(qiáng)度；B為研究區(qū)總土地面積。

(3)土地利用動(dòng)態(tài)度。土地利用動(dòng)態(tài)度是以土地利用類(lèi)型的面積為基礎(chǔ)，通過(guò)定量的描述研究區(qū)的土地利用類(lèi)型在不同時(shí)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(dòng)態(tài)度模型分析伊通河流域近20年土地利用類(lèi)型變化的速度和趨勢(shì)，其表達(dá)式為：

(3)

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

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

(4)

各種土地利用類(lèi)型占該區(qū)域土地類(lèi)型總面積的比例為Pi，其表達(dá)式為：

Pi=Ai/A

(5)

式中：Pi表示第i種土地利用類(lèi)型占該區(qū)域土地利用類(lèi)型總面積的百分比；n為區(qū)域土地利用類(lèi)型的數(shù)量。

(6)

式中：H為信息熵，其單位與公式中對(duì)數(shù)的底數(shù)有關(guān)，以e為底時(shí)，單位為奈特(Nat)。

當(dāng)區(qū)域內(nèi)，各種土地利用類(lèi)型的面積相等，即P1=P2=Pn=1/n時(shí)，熵值達(dá)到最大值，表明區(qū)域內(nèi)的土地利用達(dá)到均衡狀態(tài)；當(dāng)H值為0時(shí)，表明土地正處于開(kāi)發(fā)狀態(tài)。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(lèi)型數(shù)量越多，各職能類(lèi)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(jié)構(gòu)信息熵變化率表示土地利用結(jié)構(gòu)信息熵年變化速度的大小，其表達(dá)式如下：

(7)

式中：Vt為第t年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化率；Ht為第t年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵；Ht-1為第t-1年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵。

(5)均衡度和優(yōu)勢(shì)度。為更好地反映土地利用結(jié)構(gòu)和規(guī)模特征[11]，本文引入了土地利用均衡度方法，其表達(dá)式如下：

(8)

式中：E表示區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度E，是實(shí)際熵值與最大熵的比值，取值范圍為0到1之間。

當(dāng)E=0時(shí)，區(qū)域的土地處于最不均勻的狀態(tài)；E值越大，土地利用結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性越強(qiáng)；當(dāng)E=1時(shí)，則土地利用類(lèi)型達(dá)到最理想的平衡狀態(tài)。相應(yīng)地，優(yōu)勢(shì)度的表達(dá)式為：

E=1-D

(9)

式中：D為優(yōu)勢(shì)度，表示區(qū)域內(nèi)一種或幾種土地利用結(jié)構(gòu)支配區(qū)域土地利用類(lèi)型的程度，與均衡度的意義相反。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)特征

基于伊通河流域1995、2000、2008年三期土地利用圖(見(jiàn)圖2)以及ArcGIS軟件，得出伊通河流域1995、2000、2008年各類(lèi)土地利用類(lèi)型的面積，結(jié)果見(jiàn)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(lèi)型水田旱地林地草地水域城鎮(zhèn)其他用地合計(jì)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(lèi)型分別為：旱地、城鎮(zhèn)、林地、水田，這四種土地利用類(lèi)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(zhèn)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(zhèn)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(zhèn)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(jié)構(gòu)特征為：①旱地、城鎮(zhèn)、林地和水田，為伊通河流域主要土地利用類(lèi)型，構(gòu)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(jié)構(gòu)變化特征主要表現(xiàn)為草地和水域面積減少，城鎮(zhèn)和旱地面積增加，這與伊通河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設(shè)及糧食生產(chǎn)需求等因素密切相關(guān)。

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化貢獻(xiàn)率

根據(jù)公式(1)和(2)，計(jì)算出伊通河流域1995-2008年伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)間變化的分異系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，1995-2008年，伊通河流域土地利用面積貢獻(xiàn)率最大的土地利用類(lèi)型為草地，其次是城鎮(zhèn)用地和其他用地，貢獻(xiàn)率分別為41.17%、25.33%和17.23%，變化強(qiáng)度指數(shù)分別為3.31%、2.03%和1.39%；其中土地利用面積貢獻(xiàn)率最小的土地利用類(lèi)型為林地，面積變化貢獻(xiàn)率和變化強(qiáng)度指數(shù)分別為0.30%和0.02%。因此，伊通河流域1995-2008年土地利用結(jié)構(gòu)變化中起主導(dǎo)作用的土地利用類(lèi)型為草地和城鎮(zhèn)。

3.3 土地利用變化動(dòng)態(tài)度

根據(jù)公式(3)計(jì)算出伊通河流域1995-2008年各種土地利用類(lèi)型的土地利用動(dòng)態(tài)度(見(jiàn)表3)。由表3可知，1995-2008年伊通河流域旱地、林地、城鎮(zhèn)和其他用地呈現(xiàn)正向變化速度，結(jié)果表明研究期內(nèi)其面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；而水田、草地和水域呈現(xiàn)負(fù)向變化速率，結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)其面積在減少。其中，其他用地的變化率和土地利用動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)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(xiàn)率、變化強(qiáng)度指數(shù)

表3 1995-2008年伊通河流域土地利用變化動(dòng)態(tài)度 %

3.4 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度與優(yōu)勢(shì)度

根據(jù)公式(4)～(7)得出伊通河流域1995-2008年土地利用結(jié)構(gòu)及信息熵(見(jiàn)表4)。由表4可知，1995-2008年伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的變化趨勢(shì)為先增加后減少。其中，伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在2005年達(dá)到最高值1.157 7 Nat，表明土地利用系統(tǒng)的無(wú)序度逐漸下降，并于2005年土地分布達(dá)到最均衡，土地利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性最好，1995-2005年伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的年均增長(zhǎng)幅度為0.08%；2006-2008年，伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值逐漸減少，2008年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵達(dá)到最低值1.127 1 Nat，表明2008年土地利用的無(wú)序程度最高，土地利用系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)性最弱。

因此，由以上結(jié)果可知，伊通河流域土地利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值變化的直接原因。2006-2008年，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體呈下降趨勢(shì)的主要原因是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，非農(nóng)建設(shè)占用了水田和草地的趨勢(shì)增強(qiáng)，同時(shí)政府實(shí)施了封山育林的政策，使原本偏低的旱地、林地、城鎮(zhèn)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(chǎng)為導(dǎo)向的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，但是從生態(tài)觀點(diǎn)出發(fā)，居民用地和其他用地類(lèi)型的增加使系統(tǒng)向著更加無(wú)序的方向發(fā)展。

由圖3可知，1995-2008年伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)均衡度與信息熵的變化趨勢(shì)較一致，而優(yōu)勢(shì)度的變化趨勢(shì)與信息熵和均衡度的變化趨勢(shì)正好相反。結(jié)果表明，伊通河流域1995-2005年，伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)由無(wú)序向有序發(fā)向發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)均衡度增強(qiáng)，優(yōu)勢(shì)度減少；2005-2008年，伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)由有序向無(wú)序方向發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)均衡度減少，優(yōu)勢(shì)度增加。

表4 伊通河流域1995-2008年土地利用結(jié)構(gòu)及信息熵

圖3 伊通河流域1995-2008年土地利用結(jié)構(gòu)均衡度、優(yōu)勢(shì)度及信息熵

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)1995-2008年，旱地、城鎮(zhèn)、林地和水田構(gòu)成了伊通河流域土地利用類(lèi)型的基本格局，占研究區(qū)面積的92%左右；隨著伊通河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設(shè)及糧食生產(chǎn)需求等政策的實(shí)施，流域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)變化特征主要表現(xiàn)為草地和水域面積減少，城鎮(zhèn)和旱地面積增加。

(2)1995-2008年，伊通河流域土地利用面積貢獻(xiàn)率由小到大的土地利用類(lèi)型分別為草地>城鎮(zhèn)>其他用地>旱地>水域>水田>林地，變化強(qiáng)度指數(shù)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(jié)構(gòu)變化中起主導(dǎo)作用的土地利用類(lèi)型為草地和城鎮(zhèn)。

(3)1995-2008年，伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度的變化趨勢(shì)較一致，都呈先增加后減少的趨勢(shì)，優(yōu)勢(shì)度變化趨勢(shì)與均衡度和信息熵的變化趨勢(shì)相反，都呈先減少再增加的趨勢(shì)，且2005年伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度達(dá)到最大值，優(yōu)勢(shì)度達(dá)到最小值，2008年伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度達(dá)到最小值，優(yōu)勢(shì)度達(dá)到最大值。

(4)伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)及其變化特征與其社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動(dòng)密切相關(guān)。通過(guò)本研究，對(duì)伊通河流域土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化、土地利用總體規(guī)劃有著一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

□

[1] 陳曉清, 崔 鵬, 陳斌如, 等. 海螺溝050811特大泥石流災(zāi)害對(duì)策[J]. 水土保持通報(bào),2006,(3):122-126.

[2] 王志華. 滑坡、泥石流遙感回顧與新技術(shù)展望[J]. 國(guó)土資源遙感, 1999,11(3):10-15.

[3] 張維楠, 劉學(xué)錄. 基于信息熵的莊浪縣土地利用結(jié)構(gòu)合理性分析[J]. 甘肅科技, 2011,27(14):18-20.

[4] 杜國(guó)明, 于鳳榮, 張數(shù)文, 等. 21世紀(jì)初期三江平原北部土地利用時(shí)空特征分析[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2012,(2):72-74.

[5] 王夏琰, 劉學(xué)錄. 甘肅土地利用結(jié)構(gòu)變化及其驅(qū)動(dòng)力分析[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,42(4):97-101.

[6] 王 博, 陳笑媛, 王 梅. 大方縣土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演變分析[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010,27(2):133-137.

[7] 馬 媛, 黃 翀, 鄭 巍. 瑪曲縣土地利用變化分析與預(yù)測(cè)[J]. 干旱區(qū)研究, 2012,29(4):735-741.

[8] 張 琨, 張寶雷, 梁 凱. 基于信息熵的南四湖流域土地利用變化分析與預(yù)測(cè)[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2013,11(5):38-42.

[9] 雙文元, 郝晉珉, 黃曉英, 等. 基于信息熵和協(xié)整理論的新疆土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)分析[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2011,27(6):249-255.

[10] 林珍銘, 夏 斌, 董武娟. 基于信息熵的廣東省土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)空變化分析[J]. 熱帶地理，2011,31(3):266-271.

[11] 戴韞卓. 浙江省城鎮(zhèn)土地利用結(jié)構(gòu)熵值變化分析[J]. 國(guó)土資源科技管理, 2012,29(4):77-82.