福建省不同类型道路沿线土地利用/土地覆盖变化的时空格局

汤 坤, 蔡 烁, 邱荣祖, 徐 璐, 胡喜生

(1.福建农林大学交通与土木工程学院,福建 福州350002;2.莆田市环保局,福建 莆田 351100)



福建省不同类型道路沿线土地利用/土地覆盖变化的时空格局

汤 坤1, 蔡 烁2, 邱荣祖1, 徐 璐1, 胡喜生1

(1.福建农林大学交通与土木工程学院,福建 福州350002;2.莆田市环保局,福建 莆田 351100)

为研究不同类型道路对土地利用/土地覆盖变化的作用，确定不同道路的影响范围及强度，选取G15沈海高速公路福建省路段、G205国道与S203省道路段为研究对象，将道路沿线两侧10 km范围划分为8个缓冲区，分析1990、2000和2010年3个时期道路缓冲区土地利用的时空变化格局.结果表明：林地、耕地和草地是该区域主要的土地利用/土地覆盖变化类型；试验期间土地利用主要由林地和耕地向其他类型转变.不同类型道路缓冲区土地利用综合程度指数均随公路距离增大而减小，其中G15周边土地利用程度高于G205与S203；城镇化指数与公路距离呈显著负相关，不同类型道路城镇化指数由大到小依次为G15>S203>G205；公路对土地利用/土地覆盖变化的主要影响范围是公路两侧6 km内；其中建设用地动态度显著高于其他用地，动态度最高的区域位于在道路两侧1 km范围内.

土地利用/土地覆盖变化; 道路类型; 时空格局

开发利用土地造成的土地覆盖变化是人类生产生活改造全球环境的重要组成和主要原因.20世纪90年代以来，土地利用/土地覆盖变化(land use/land cover change)已成为全球环境变化领域的核心课题之一[1].中国大规模修建和运营道路交通设施，在推动地区经济和社会发展的同时，也带来了巨大的生态和环境问题[2]，主要表现在移除原有生态环境，建设施工过程中造成的生态破坏[3]，污染及理化环境的改变[4]，生态破坏对动植物生存环境造成的影响[5-6]，导致生态环境破碎化，并对不同尺度的生态环境变化过程有一定影响[7-9].目前国内外对公路对土地利用影响的研究主要集中在土地利用景观格局[10-11]、公路对生态环境[12-13]、经济发展[14]的影响，高速公路建设造成的土地破坏进行恢复[15]及公路沿线土地节约集约用地等方面进行过相关的研究[16-18].但对不同类型道路对周边土地利用变化的影响研究较少.

地理信息系统(geographic information system, GIS)技术的发展，不仅为土地利用/土地覆盖变化研究提供了数据和空间分析方法支持，还为其应用提供了可行性评价及建设科学决策.本试验运用GIS技术分析处理福建省1990、2000、2010年的土地利用数据及福建省各类型公路数据，选取G15(高速公路)、G205(国道)、S203(省道)3种类型的道路，利用土地利用贡献率和转移率、土地利用动态度指数、综合土地利用动态度指数、土地利用综合程度指数以及城镇化指数等指标，对道路沿线土地利用/土地覆盖变化时空格局进行研究.旨在研究不同类型公路沿线土地利用/土地覆盖变化情况，以期摸清不同类型公路沿线变化特征及变化规律，确定不同类型公路对沿线土地利用/土地覆盖变化的影响距离，为不同类型公路沿线土地的合理配置提供技术支撑.

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域

福建省(23′20″—28′19″N，115′50″—120′47″E)位于中国东南部，台湾省的西面，全省占地超过137 000 km2.福建境内80%以上为山地和丘陵，10%的平原主要分布在狭窄的东部海滨.全省林地覆盖率约为62.8%，其中种植园和自然林地分别为98.8%和1.2%[19].G15高速公路即沈阳—海口国家高速公路(沈海高速)，全长3 710 km，福建境内里程数为649 km.G205国道为中国最先建成的国道之一，起点为河北秦皇岛市，终点为广东深圳市，全程3 160 km，福建段里程数为664 km.S203为福建漳下线，起点为长乐市漳港镇，终点为永定县下洋镇，全长557 km.

1.2 数据来源

1990、2000、2010年福建省土地利用类型矢量数据源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn) ，将土地利用类型分为6种，即林地、草地、水体、耕地、建设用地和未利用土地.道路网络数据来源于福建省交通矢量地图，包括高速公路、国道、省道、县道等不同类型道路.

1.3 数据处理

1.3.1 缓冲区划分 选取福建省为试验区域，对1990、2000、2010年的土地利用数据分别进行叠加，得到土地利用变化图.在G15、G205、S203 3条道路两侧分别建立0.5、1、1.5、2、4、6、8、10 km范围内的缓冲区(图1).将生成的缓冲区切割成3个时期的土地利用变化图，得不同道路缓冲区的土地利用变化图.再通过GIS的属性查询，得到各时间段(1990—2000年、2000—2010年、1990—2010年)的土地利用转移矩阵.

a.1990年;b.2000年;c.2010年.

1.3.2 土地利用/覆盖变化指数构建 (1)土地利用贡献率和转移率:土地利用贡献率是指特定时段内由其他土地利用类型向单一地类转化的面积与该时段末期该单一地类总面积的比值，直观地反映了该时段末期单一地类的来源[20].表达式如下：

随着我国经济的快速发展，城市化和工业化程度显著提高，县域经济蓬勃发展，人口密度不断增加，人均生活水平飞速提高，城镇污水厂用水量和排水量都在大量增加 [1]。据有关资料统计：在全国22000多个县乡、城镇中，直接污水排放量约占全国总排污量的50%以上，这一现象的主要原因是该地区用于污水处理的基础设施相当不健全[2]。近年来相关地区对原有污水处理厂进行改扩建或者新建污水厂，这些污水厂工业污水都占有一定占比，污水可生化性较低，氮、磷比较高，在污水厂全面达标GB 18918－2002一级A排放标准存在一定压力[3，4]。

(1)

式中，Bdij为该时段地类i对地类j的贡献率，Ubij为该时段地类i向地类j转化的面积，Ubi为该时段末期b时地类i的总面积.

土地利用转移率是指特定时段内某一地类向其他地类转换的面积与该时段初期该地类总面积之比，直观地反映了特定时段内某地类的去向[20].表达式如下：

(2)

式中，Pdij为该时段地类i对地类j的转移率，Uai为该时段初期a时地类i的总面积.

(2)土地利用动态度指数:单一土地利用类型动态度(K)表示土地利用类型相互转换的速度，由特定时段内的某一土地利用的转出和转入双向变化面积与该时段初期该类土地利用类型的面积的比值表示，表达式如下：

(3)

式中，K为一定时段内某一种土地利用类型的动态度，Ua为试验初期的某一种土地利用类型面积，ΔU1、ΔU2分别是试验期内增加和减少的某一种土地利用类型面积的绝对值，T为试验期长度.

(3)综合土地利用动态度(S)指数主要考虑某一区域在特定时段内不同土地利用类型之间的转移速率，在一定程度上反映区域内土地利用变化剧烈程度，便于在不同缓冲带间寻找土地利用变化热点区域[21].表达式如下：

(4)

式中，S为综合土地利用动态度指数，Lui为初期第i类土地利用类型的总面积，ΔUi-j为该期间内第i类土地利用类型转化为第j类非i类土地利用类型面积的绝对值，T为研究时间长度.

(4)土地利用综合程度指数:土地利用综合程度指数(La)主要反应了特定区域土地利用的广度和深度，庄大方等[22]提出的土地利用程度综合分析方法，是根据社会因素影响程度划分土地利用类型，并分别赋予分级指数：建设用地赋值度为4，农用地为3，林水草为2，未利用地为1.再根据公式(5)，计算得到一个范围为100～400的综合指数：

(5)

式中，La为土地利用综合程度指数，Ai为第i级土地利用面积百分比，Ci为第i级土地利用分级指数.

(5)城镇化指数:城镇化指数(U)是指特定区域内建设用地面积与该区域内其他用地类型总面积之比，反映该区域的开发程度，与人类活动强度呈正相关.表达式如下：

(6)

式中，U为城镇化指数，Ap为该区域建设用地面积，An为该区域其他用地面积总和.

2 结果与分析

2.1 道路缓冲区土地利用类型转换

利用ArcGIS的空间分析功能，裁剪出3种类型道路缓冲区3个时期土地利用变化图，包括土地利用覆盖面积及比例(表1～3)、土地利用贡献率矩阵(表4、6、8)和转移率矩阵(表5、7、9).

表1 1990—2010年G15高速公路缓冲区土地利用结构

表2 1990—2010年G205国道缓冲区土地利用结构

表3 1990—2010年S203省道缓冲区土地利用结构

由表1可得，1990—2010年间G15高速公路缓冲区周边土地利用类型中，占比较高的为林地、耕地和草地；这一时期面积增大的土地利用类型为林地、水体和建设用地，面积缩小的为未利用地、草地和耕地，其中建设用地面积由1990年的726.69 km2增至2010年的1 477.08 km2，增幅达到103%(表1).G205与S203道路缓冲区土地利用覆盖面积变化情况与G15相似，但S203道路缓冲区水体面积增大率达83.2%，增幅远高于另外2类型道路(表2、3).

通过土地利用转移率和贡献率矩阵(表4)可得，林地对其他土地利用类型的贡献率大多在10%以上，水体(9.9%)除外，其中对草地贡献率高达33.21%；耕地对建设用地贡献率最大(52.24%)，对林地、草地、水体的贡献率分别达到了12.75%、12.19%、25.52%.因此，主要土地变化类型是林地和耕地向其他土地利用类型转变.此外，土地利用转移率矩阵(表5)补充说明贡献率，即主要转变类型为林地—耕地、草地—林地、草地—耕地、水体—建设用地及耕地—建设用地，较清晰地反映各个地类转化的具体走向.

表4 1990—2010年G15高速公路缓冲区土地利用贡献率矩阵

G205与S203道路缓冲区与公路缓冲区变化情况类似(表6～9)，林地为G205缓冲区主要贡献地类，对其他土地利用类型的贡献率均在30%以上，林地(32.8%)和耕地(30.2%)为建设用地的主要来源.

2.2 道路缓冲区土地利用动态变化

由综合土地利用动态度指数(图2)可得，不同类型道路缓冲区综合土地利用动态度指数均随公路距离增大而减小，距离公路越近，土地利用转换速度越快.不同距离间差异显著，如在1990—2010年间，距道路两侧500 m范围内，综合动态度指数SG15

表5 1990—2010年期间G15高速公路缓冲区土地利用转移率矩阵

表6 1990—2010年期间G205国道缓冲区土地利用贡献率矩阵

表7 1990—2010年期间G205国道缓冲区土地利用转移率矩阵

表8 1990—2010年期间S203省道缓冲区土地利用贡献率矩阵

由G15缓冲区土地利用类型动态度(图3)可得，1990—2010年G15道路缓冲区建设用地动态度显著高于其他用地，这是由于建设用地动态度与人为活动强度相关性最为密切，公路周边是人类活动强度较大的区域.在1 km范围内，除农田和未利用地外，其他土地利用类型的动态度均较高，即人类活动最活跃的区域在道路沿线1 km范围内，在这一范围，交通较为便利，建筑较为集中，人口密度大，因此对于土地利用类型变化的影响较大.

表9 1990—2010年期间S203省道缓冲区土地利用转移率矩阵

图2 不同类型道路缓冲区综合土地利用动态度

2.3 道路缓冲区土地利用综合程度变化

由图4可得，不同类型道路缓冲区土地利用综合程度指数均随公路距离增大而减小，表明距离公路越近，土地利用变化程度越剧烈；3种类型道路土地利用综合程度指数LaG15>LaG205>LaS203，且近10年(2000—2010年)LaG15显著高于LaG205与LaS203，主要原因是G15处于沿海地带，土地开发程度较高，发展较快；G15与G205对土地利用变化影响范围均为6 km，S203的影响范围达到了8 km，即公路沿线6 km范围内是土地利用开发强度最高的区域，超出6 km范围以后，土地利用综合程度指数趋于平稳.主要因为道路两侧6 km范围外交通便利程度和人口密度明显降低，因此对土地利用开发强度随之降低.

a.G15;b.S203;c.G205.

城镇化指数主要反映特定区域的开发程度，与人类活动强度呈正相关，可作为土地利用综合程度指数的补充说明.由图5可得，城镇化指数为UG15>US203>UG205，2010年3条道路城镇化指数范围依次为：0.132～0.232、0.029～0.127、0.007～0.119；城镇化指数与土地利用综合程度指数变化趋势相似，G15道路缓冲区先增大后减小，同样因为近高速公路两侧是是封闭区域，土地利用较稳定，道路周边0.5 km范围内城镇化指数反而比1 km范围内小；随着城市化进程的加快，城市范围的扩大，将高速公路纳入城市范围，对道路周边土地的开发程度增加，到2010年，城镇化指数与公路距离呈显著的负相关，且全区2000—2010年10年间城镇化建设速度显著加快；US203与UG205的变化趋势类似，前10年变化量小，后10年显著增大，主要由于二者地处内陆，经济发展速度与沿海相比较慢；而US203略高于UG205是因为S203部分路段贯穿沿海地带，提高了整体的城镇化指数.

a.G15;b.S203;c.G205.

3 结论

(1)不同类型道路缓冲区周边土地利用类型中，占比较高的为林地、耕地和草地；在试验期内，面积增加的土地利用类型为林地、水体和建设用地，建设用地增加比例最高，为80%～103%，面积减少的为未利用地、草地和耕地.主要变化类型是林地和耕地向其他土地利用类型转变.

(2)土地利用转换活跃度与人类活动强度和经济发展程度呈正相关，6 km范围以外，综合土地利用动态度指数的变化明显减缓，即公路对土地利用转换的影响范围主要在6 km以内.建设用地动态度要明显高于其他用地；在1 km范围内，除农田外，其他土地利用类型均表现为动态度较高，即人类活动最活跃的区域在道路周边1 km范围内.

(3)不同类型道路缓冲区土地利用综合程度指数均随公路间的距离增大而减小，总体上，高速公路周边土地利用程度最高，省道最低；2000—2010年公路周边土地开发程度高于之前10年；G15道路缓冲区土地利用综合程度指数显著高于G205与S203，公路沿线6 km范围内是土地利用开发强度最高的区域，超过6 km以后，土地利用综合程度指数变化明显减缓.城镇化指数为UG15>US203>UG205，城镇化指数与公路距离呈显著的负相关，且全区2000—2010年10年间城镇化建设速度显著加快.

本文利用GIS深入分析福建省不同类型道路(高速公路、国道、省道)10 km缓冲区内土地利用变化，但尚未研究其他类型道路，而且未研究自然、社会、路网密度等因素对土地利用变化的影响，使结果具有一定的局限性.因此，在本试验基础上进一步研究具有重要的现实意义.

[1] 李晓兵.国际土地利用——土地覆盖变化的环境影响研究[J].地球科学进展,1999,14(4):82-87.

[2] AGENCY C I. The CIA World Factbook 2009[M]. Washington, D.C: Skyhorse Pub Co Inc, 2013.

[3] 包薇红,范兢.浅谈公路建设对生态环境的影响[J].交通环保,2000,21(3):42-44.

[4] 许显萍.公路建设项目对生态环境的影响分析[J].科技风,2016(12):183.

[5] 郑海峰,管东生.公路建设的主要生态影响[J].生态学杂志,2005，24(12):1 520-1 524.

[6] 徐碧华,郑志华,刘令峰,等.高速公路建设对野生动物生境破碎化分析与生态廊道构建[J].交通建设与管理,2007(8):50-53.

[7] 潘丽娟,张慧,刘爱利,等.福建省道路网络对土地利用转换的影响分析[J].农业资源与环境学报,2015，32(1):1-7.

[8] 张中杰,张兰军,张怡.高速公路对环境的影响及保护策略——以巫山至奉节高速公路施工期建设为例[J].西南师范大学学报(自然科学版),2010,35(2):127-131.

[9] ZHAO Y, ZHAO C. Concentration and distribution analysis of heavy metals in total suspended particulates along Shanghai-Nanjing expressway[J]. Procedia Environmental Sciences, 2012(13):1 405-1 411.

[10] KOETSE M J, RIETVELD P. The impact of climate change and weather on transport:an overview of empirical findings[J]. Transportation Research Part D: Transport and Environment, 2009,14(3):205-221.

[11] BUONANNO G, LALL A A, STABILE L. Temporal size distribution and concentration of particles near a major highway[J]. Atmospheric Environment, 2009,43(5):1 100-1 105.

[12] FU W, LIU S, DEGLORIA S D, et al. Characterizing the “fragmentation-barrier” effect of road networks on landscape connectivity: A case study in Xishuangbanna, southwest China[J]. Landscape and Urban Planning, 2010,95(3):122-129.

[13] 唐上标,彭蜂,蒋吉德.论高速公路建设对广西经济发展的促进作用[J].企业科技与发展(上半月),2011(5):56-57.

[14] 闫恒.高速公路建设中土地资源集约利用对策研究——以河南省为例[J].中州学刊,2007(2):36-40.

[15] PONCE C, BRAVO C, DE LEN D G, et al. Effects of organic farming on plant and arthropod communities: A case study in Mediterranean dryland cereal[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2011,141(1):193-201.

[16] 王栋,李家春,高明永.京昆高速公路秦岭段生态修复技术[J].公路,2013(2):189-193.

[17] ZHAO S Q, CUI B S, GAO L N, et al. Effects of highway construction on soil quality in the longitudinal range-gorge region in Yunnan Province[J]. Chinese Science Bulletin, 2007,52(2):192-202.

[18] COSTANZA R, D′ARGE R , GROOT R D, et al. The value of the world's ecosystem services and natural capital[J]. World Environment, 1998,2007(1):45-52.

[19] 福建统计局,国家统计局福建调查总队.福建统计年鉴(2015)[M].北京:中国统计出版社.

[20] 罗格平,周成虎,陈曦.干旱区绿洲土地利用与覆被变化过程[J].地理学报,2003,58(1):63-72.

[21] 王秀兰,包海玉.土地利用动态变化研究方法探讨[J].地理科学进展,1999,8(1):81-87.

[22] 庄大方,刘纪远.中国土地利用程度的区域分异模型研究[J].自然资源学报,1997,12(2):105-111.

(责任编辑:苏靖涵)

Spatiotemporal pattern of land use change/land cover change along different grades of roads in Fujian Province

TANG Kun1, CAI Shuo2, QIU Rongzu1, XU Lu1, HU Xisheng1

(1.College of Transportation and Civil Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China;2.Putian Municipal Environmental Protection Bureau, Putian, Fujian 351100, China)

To investigate the effects of different grades of roads on land use change/land cover change (LUCC), land use types in buffer zone within 10 km along G15 expressway, G205 highway and S203 road were summarized. And changes and conversion of land use types from one to another during 1990-2000, 2000-2010, and 1990-2010 were interpreted. The results showed that forest land, cultivated land and grassland were the main land use type in the area. Forest land and cultivated land were the primary sources for other types of land use. Comprehensive index of land use degree reduced with increased distance from road buffer area for 3 types of roads, and that of G15 was significantly higher than those of G205 and S203. Generally, the influence of road on LUCC was within 6 km. Urbanization index for 3 types of roads in a descending order was G15, S203, G205, which was negatively correlated with the distance to roads. Land dynamic degree for construction use was higher than others, and human activity was most active within the range of 1km.

land use/land cover change; road type; spatiotemporal pattern

2016-12-07

2017-01-22

国家自然科学基金资助项目(41201100)；福建省自然科学基金资助项目(2015J01606).

汤坤(1993-)，男，硕士研究生.研究方向：道路环境影响.Email：17720815805@163.com.通讯作者胡喜生(1979-)，男，副教授，硕士生导师.研究方向：景观生态学、道路生态学.Email：fafuhuxs@126.com.

U491.9+2

A

1671-5470(2017)04-0445-08

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.04.015