基于遙感和GIS 的朝陽(yáng)縣土地利用變化分析

魏 璽蔡湘文

(桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541000)

土地是人類(lèi)主要從事社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的空間載體,是全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究的重要組成部分[1～2]。土地利用變化作為全球變化中的一種,研究土地利用變化已經(jīng)成為學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。 土地利用變化之所以受到如此關(guān)注主要就是因?yàn)橥恋乩米兓c地表徑流、城市化發(fā)展、海岸線變化、生境質(zhì)量、區(qū)域碳排放和生態(tài)安全等息息相關(guān)[3～8]。 土地利用變化不僅客觀地描述了人類(lèi)改變地球表面特征空間格局的活動(dòng),而且還再現(xiàn)了地球表面景觀的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[9]。 目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)于土地利用變化研究已取得了顯著成果,主要利用土地利用變化幅度、土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、地理探測(cè)器、CA-Markov 模型等方法對(duì)省、市、縣、流域、重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)等不同尺度的土地利用的時(shí)空演變、驅(qū)動(dòng)因素、模擬預(yù)測(cè)和生態(tài)效益進(jìn)行了大量研究[10～16]。大多研究在省、市域?qū)用嫔蠈?duì)土地利用變化進(jìn)行了積極有意義的研究,但在縣域?qū)用嫔祥_(kāi)展土地利用變化的研究較為欠缺還比較少。

朝陽(yáng)縣屬于丘陵地區(qū),縣域荒漠化、沙化面積為13.53 萬(wàn)hm2,集中連片的耕地較少并且都劃為永久基本農(nóng)田,大多呈零散分布,農(nóng)用地出現(xiàn)破碎化和退化,農(nóng)用地生產(chǎn)效率低下。 由于該地區(qū)土地利用問(wèn)題嚴(yán)峻,因此,本文基于遙感和GIS 技術(shù),結(jié)合土地利用變化幅度、動(dòng)態(tài)度和轉(zhuǎn)移矩陣的方法,研究朝陽(yáng)縣2005～2020年土地利用變化,對(duì)未來(lái)優(yōu)化朝陽(yáng)縣土地利用規(guī)劃布局提供借鑒依據(jù),促使朝陽(yáng)縣構(gòu)建有利于碳達(dá)峰、碳中和的國(guó)土空間利用保護(hù)格局。

1 研究區(qū)概況

朝陽(yáng)縣地處冀蒙遼三區(qū)交界處,是遼寧西部防風(fēng)固沙與水源涵養(yǎng)的生態(tài)屏障,同時(shí)也是高效特色農(nóng)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展地區(qū)之一,距沈陽(yáng)328 km,東接北票市和錦州市,南與葫蘆島市接壤,西、西北和建平市、喀喇沁左翼蒙古族自治縣相鄰,是遼寧進(jìn)入內(nèi)蒙古的門(mén)戶區(qū)域。 全縣地勢(shì)西北高東南低,丘陵分布范圍廣,平原面積較小。 氣溫屬于溫帶大陸性氣候,年均溫8.5 ℃,年降水量486 mm。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

利用的數(shù)據(jù)主要包括朝陽(yáng)縣2005、2010、2015 和2020年4個(gè)時(shí)期的遙感影像和朝陽(yáng)縣相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料。 遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,分辨率30 m;社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于朝陽(yáng)縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)。 通過(guò)對(duì)4 期遙感影像進(jìn)行解譯(解譯精度良好),并按照LUCC 分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個(gè)類(lèi)型,借助Arc-GIS10.3 工具處理形成2005、2010、2015、2020年4個(gè)時(shí)期的朝陽(yáng)縣土地利用現(xiàn)狀圖。

圖1 朝陽(yáng)縣區(qū)位圖

3 研究方法

3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是研究土地利用類(lèi)型之間轉(zhuǎn)換的一種方法,用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以定量反映不同土地利用類(lèi)型間互相轉(zhuǎn)化情況[17～18],轉(zhuǎn)移矩陣形式為:

式中:m為土地利用類(lèi)型數(shù)量;Sij為第i類(lèi)型轉(zhuǎn)化為第j類(lèi)型的面積。

3.2 土地利用變化幅度

土地利用面積的變化數(shù)量情況,可以利用土地利用變化幅度來(lái)研究,其公式如下:

式中:K1為研究期內(nèi)某類(lèi)土地面積變化幅度;K2為研究期內(nèi)某類(lèi)土地面積年均變化幅度;Ua、Ub分別為研究期期初和期末某類(lèi)土地面積;T為研究期年數(shù)。

3.3 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度反映各土地利用類(lèi)型在研究期內(nèi)面積變化的快慢[19],包括單一類(lèi)型動(dòng)態(tài)度、綜合類(lèi)型動(dòng)態(tài)度。 單一動(dòng)態(tài)度可反映研究區(qū)一定時(shí)間段內(nèi)各土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化情況,土地利用單一類(lèi)型時(shí)間變化動(dòng)態(tài)度和空間變化動(dòng)態(tài)度表達(dá)式分別為[20]:

式中:P1為研究期內(nèi)某類(lèi)土地時(shí)間變化動(dòng)態(tài)度;P2為某類(lèi)土地在研究期某時(shí)間段的空間變化動(dòng)態(tài)度;ΔUin為研究期內(nèi)某類(lèi)土地由其他類(lèi)型轉(zhuǎn)化形成的面積;ΔUout為研究期內(nèi)某類(lèi)土地轉(zhuǎn)化為其他類(lèi)型的面積。

綜合類(lèi)型動(dòng)態(tài)度反映研究區(qū)所有類(lèi)型土地之間相互轉(zhuǎn)化的整體動(dòng)態(tài)變化程度,公式為:

式中:La為研究期內(nèi)土地利用綜合類(lèi)型動(dòng)態(tài)度;LCi為研究期期初第i類(lèi)土地利用面積;ΔLC(i-j)為研究期內(nèi)第i類(lèi)土地轉(zhuǎn)化為第j類(lèi)土地的面積;n為土地利用類(lèi)型數(shù)。

4 朝陽(yáng)縣土地利用變化

4.1 土地利用變化總體特征

從土地利用類(lèi)型結(jié)構(gòu)來(lái)看,2005年朝陽(yáng)縣土地利用類(lèi)型以耕地、林地、草地為主,分別占總面積的38.783%和12.318%、43.837%。 隨著朝陽(yáng)縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,2020年 耕 地 面 積 為 1 400.144 km2, 占 總 面 積 的33.113%;林 地面積 為 1 724.977 km2, 占 總 面積的40.785%;草 地 面 積 為 739.891 km2, 占 總 面 積 的17.506%;水域面積為121.095 km2,占總面積的2.862%;建設(shè)用地面積為234.523 km2,占總面積的5.548%;未利用面積為5.791 km2,占總面積的0.137%。 2005～2020年朝陽(yáng)縣土地利用變化幅度較為明顯,耕地面積減少了239.786 km2; 林地面積增加相對(duì)較多, 增幅為1 203.984 km2;草地面積減少相對(duì)較多,從2005年的1 852.750 km2減少到2020年的739.891 km2,減幅為1 112.859 km2; 建設(shè)用地面積從2005年的119.419 km2增加到2020年的234.523 km2,增幅為115.104 km2;水域和 未 利 用 地 面 積 增 加, 增 幅 分 別 為 32.358 km2、1.187 km2(表1)。

表1 不同時(shí)段各類(lèi)土地面積變化幅度 (km2)

具體來(lái)看,受地形地貌和水系的影響,朝陽(yáng)縣耕地主要分布在西北部低山區(qū)及大小凌河河谷平原,2005～2020年間整體呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),2005～2010年間耕地面積減少過(guò)多,但是受退耕還林等政策的影響,2010年之后耕地面積減少趨勢(shì)放緩;草地主要分布在丘陵和山地,2005～2010年間,是朝陽(yáng)縣面積最大的土地類(lèi)型,但2010年之后,更多的草地變成林地,草地整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì);林地主要分布在努魯兒虎山、清風(fēng)嶺、大青山和劉炮手等自然保護(hù)區(qū),2005～2020年面積持續(xù)增加;2005～2010年間水域面積大幅度增加,2010年后面積有所減少,整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì);建設(shè)用地主要分布在在朝陽(yáng)縣區(qū)、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū),整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),2005～2010年間建設(shè)用地面積增加較多,但是2010年之后建設(shè)用地面積增加趨勢(shì)放緩;未利用地主要位于沙漠化嚴(yán)重和礦業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū),經(jīng)歷了先減后增的變化過(guò)程,2015～ 2020年間增加幅度最為明顯,整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),未利用地面積的增加給朝陽(yáng)縣生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了一定的壓力。

4.2 土地利用動(dòng)態(tài)變化特征

2005～2010年時(shí)段,朝陽(yáng)縣耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地單一類(lèi)型時(shí)間變化動(dòng)態(tài)度分別為-2.875%、46.501%、- 11.971%、7.919%、16.919% 和-12.041%。 可以看出受?chē)?guó)家退耕還林工程的影響[21],林地面積增加較為明顯;同時(shí),朝陽(yáng)縣地處朝陽(yáng)市中,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,建設(shè)用地也呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)(單一類(lèi)型時(shí)間變化動(dòng)態(tài)度為正)[22];草地和未利用地面積減少較明顯(單一類(lèi)型時(shí)間變化動(dòng)態(tài)度為負(fù))。 2010～2015、2015～2020 兩時(shí)段,除了未利用地,耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地單一類(lèi)型時(shí)間變化動(dòng)態(tài)度比較小,數(shù)值不超過(guò)1%。2015～ 2020年未利用地單一類(lèi)型時(shí)間變化動(dòng)態(tài)度為43.078%,表明這個(gè)時(shí)段未利用地增加較明顯,主要是由于朝陽(yáng)縣受土壤、降雨和人類(lèi)活動(dòng)等因素的影響,使本縣水土流失嚴(yán)重,水土流失造成土壤肥力下降、土地沙化及石漠化[23](表2)。

2005～2010年時(shí)段,朝陽(yáng)縣耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地單一類(lèi)型空間變化動(dòng)態(tài)度分別為11.100%、 55.951%、 17.059%、 17.565%、 33.466%、62.628%,可以看出2005～ 2010年各土地利用類(lèi)型空間變化動(dòng)態(tài)度數(shù)值比較大,特別是未利用地、建設(shè)用地和林地,說(shuō)明這個(gè)時(shí)段未利用地、建設(shè)用地和林地同其它土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出強(qiáng)烈。 2010～2015年間各土地利用類(lèi)型單一類(lèi)型空間變化動(dòng)態(tài)度數(shù)值非常小,表明各土地利用類(lèi)型之間轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出不太明顯,土地利用趨于穩(wěn)定狀態(tài)。 2015～ 2020年,除未利用地,其他土地利用類(lèi)型單一類(lèi)型空間變化動(dòng)態(tài)度比較小,表明未利用地同其它土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出明顯,其它各土地利用類(lèi)型之間轉(zhuǎn)換不明顯。 未利用地轉(zhuǎn)入為其它土地利用類(lèi)型有利于改善生態(tài)環(huán)境,其它土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)入為未利用地,可能造成生態(tài)環(huán)境惡化,當(dāng)?shù)卣畱?yīng)特別重視未利用地的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出(表3)。

表3 某土地利用類(lèi)型單一類(lèi)型空間變化動(dòng)態(tài)度計(jì)算結(jié)果 (%)

朝陽(yáng)縣2005～2020年各土地利用類(lèi)型綜合類(lèi)型動(dòng)態(tài)度為1.673%;2005～2010年、2010～2015年與2015～2020年間各土地利用類(lèi)型的綜合動(dòng)態(tài)度分別為5.007%、3.920%、0.419%。 從綜合土地利用類(lèi)型變化來(lái)看, 朝陽(yáng)縣2005～2010年間、2010～2015年間、2015～2020年間各土地利用類(lèi)型的綜合動(dòng)態(tài)度依次減小,說(shuō)明在2005～2010年期間土地利用變化較為活躍,此階段朝陽(yáng)縣依靠豐富的礦產(chǎn)資源,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,尤其2008年以后,朝陽(yáng)縣經(jīng)濟(jì)水平在8個(gè)縣市中排名前列,到2010年以后,朝陽(yáng)縣由于礦產(chǎn)企業(yè)關(guān)停并轉(zhuǎn),導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)實(shí)力迅速下滑。 經(jīng)濟(jì)作為主要的影響因素[24],影響土地利用變化趨緩(表4)。

表4 某時(shí)段所有土地利用類(lèi)型綜合類(lèi)型動(dòng)態(tài)度計(jì)算結(jié)果 (%)

結(jié)合表2、3、4 綜合分析可得,受經(jīng)濟(jì)、政策、土壤和降雨等自然和人文因素的影響,朝陽(yáng)縣2005～2010年土地利用變化強(qiáng)烈,主要表現(xiàn)在林地和建設(shè)用地;2010～2020年變化趨緩,2015～2020年間未利用地增加較為明顯,當(dāng)?shù)卣畱?yīng)對(duì)其重視。

表2 某土地利用類(lèi)型單一類(lèi)型時(shí)間變化動(dòng)態(tài)度計(jì)算結(jié)果 (%)

4.3 土地利用轉(zhuǎn)移特征

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣不但可以體現(xiàn)土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移數(shù)量變化,而且可以體現(xiàn)出各土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移去向。 各土地利用轉(zhuǎn)移情況見(jiàn)表5,從表5 可以看出:

2005～2010 土地利用轉(zhuǎn)移變化主要表現(xiàn)在耕地、林地、草地和建設(shè)用地,其中耕地較多轉(zhuǎn)移成林地和建設(shè)用地,草地較多轉(zhuǎn)移成林地,較少轉(zhuǎn)移成耕地和其它用地。

2010～2015 土地利用轉(zhuǎn)移變化主要表現(xiàn)在耕地、草地、林地和建設(shè)用地,其中耕地較多轉(zhuǎn)移成建設(shè)用地,林地較多轉(zhuǎn)移成建設(shè)用地、草地較多轉(zhuǎn)移成建設(shè)用地。

2015～2020 土地利用轉(zhuǎn)移變化主要表現(xiàn)在林地、草地、水域和未利用地,其中,林地較多轉(zhuǎn)移成建設(shè)用地,草地較多轉(zhuǎn)移成建設(shè)用地,水域和耕地較多轉(zhuǎn)移成未利用地。

總的來(lái)看,2005～ 2020年,朝陽(yáng)縣耕地較多轉(zhuǎn)移成林地和建設(shè)用地;草地較多轉(zhuǎn)移成林地;建設(shè)用地的主要轉(zhuǎn)移來(lái)源是耕地;水域的主要轉(zhuǎn)移來(lái)源是耕地;未利用地的主要轉(zhuǎn)移來(lái)源是耕地。

結(jié)合表5 綜合分析, 2005～2020年朝陽(yáng)縣草地主要轉(zhuǎn)移成林地,耕地較多的轉(zhuǎn)移成林地,表明受“退耕還林”政策的影響比較大;水域的主要轉(zhuǎn)移來(lái)源是耕地,建設(shè)用地的主要轉(zhuǎn)移來(lái)源是耕地,未利用地的主要轉(zhuǎn)移來(lái)源是耕地,說(shuō)明可能為了滿足當(dāng)?shù)鼐用裆詈蜕a(chǎn)用水,征用耕地建造水庫(kù),其次朝陽(yáng)縣2005年城鎮(zhèn)化率4.761%,2018年城鎮(zhèn)化率22.300%,由于城鎮(zhèn)化的推進(jìn),部分耕地被征用為建設(shè)用地;同時(shí)農(nóng)業(yè)人口數(shù)量減少,耕地荒蕪情況越來(lái)越嚴(yán)重,加之縣域水土流失嚴(yán)重,導(dǎo)致耕地向未利用地轉(zhuǎn)移[24],因此,要加強(qiáng)耕地資源的保護(hù)與合理利用,處理好耕地、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地合理利用關(guān)系, 才能保證朝陽(yáng)縣經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步有序發(fā)展。

5 結(jié)論

朝陽(yáng)縣屬于丘陵地區(qū),縣域荒漠化、沙化嚴(yán)重,農(nóng)用地出現(xiàn)破碎化和退化,農(nóng)用地生產(chǎn)效率低下。 由于該地區(qū)土地利用問(wèn)題嚴(yán)峻,本文基于遙感和GIS 技術(shù),結(jié)合土地利用變化幅度、動(dòng)態(tài)度及轉(zhuǎn)移矩陣方法,研究朝陽(yáng)縣2005～2020年土地利用變化,對(duì)未來(lái)優(yōu)化朝陽(yáng)縣土地利用規(guī)劃布局提供借鑒依據(jù),促使朝陽(yáng)縣構(gòu)建有利于碳達(dá)峰、碳中和的國(guó)土空間利用保護(hù)格局。 主要得出以下結(jié)論:

從2005～2020年間朝陽(yáng)縣土地利用總體特征變化、動(dòng)態(tài)變化和轉(zhuǎn)移來(lái)看,受經(jīng)濟(jì)、政策、土壤、降雨等自然因素和人文因素影響,耕地面積減少239.786 km2,林地面積增加相對(duì)較多,增幅為1 203.984 km2; 草地面積減少相對(duì)較多,減幅為1 112.859 km2; 建設(shè)用地面積從2005年的119.419 km2增加到2020年的234.523 km2,增幅為115.104 km2;水域和未利用地面積增幅分別為32.358 km2、1.187 km2,朝陽(yáng)縣2005～2010年土地利用變化強(qiáng)烈,2010～2020年變化趨緩,2015～2020年間未利用地增加較為明顯,當(dāng)?shù)卣畱?yīng)對(duì)其重視;16年來(lái),朝陽(yáng)縣耕地較多轉(zhuǎn)移成林地和建設(shè)用地,草地較多轉(zhuǎn)移成林地,建設(shè)用地的主要轉(zhuǎn)移來(lái)源是耕地,水域的主要轉(zhuǎn)移來(lái)源是耕地,未利用地的主要轉(zhuǎn)移來(lái)源是耕地,因此在推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程的同時(shí),要加強(qiáng)對(duì)耕地資源的保護(hù)與合理利用,處理好耕地、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地合理利用關(guān)系,保證朝陽(yáng)縣經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步有序發(fā)展。