近30年江苏省土地利用时空格局演变

(江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院,江苏 徐州 221116)

土地利用/土地覆盖变化(LUCC)是全球气候变化、环境变化研究内容的重点[1,2],土地利用变化已成为核心研究领域[3,4]。当前我国经济高速发展，城市化累积的诸多人地矛盾凸显,尤其是经济发达地区[5]。江苏作为我国东部地区最活跃、经济最发达、人地矛盾最突出的省份[6,7],实时掌握该省土地利用动态变化信息具有重要意义。

在土地利用变化研究方面,学者们开展了大量研究,多集中在土地空间格局特征、驱动因素、变化过程、生态环境效应及优化和模拟等方面[8-12]。就江苏而言,土地利用变化的研究并不少见,如徐冬冬等利用单一土地利用动态度、土地利用转移矩阵对2000—2010年江苏土地利用变化进行了分析,并采用社会经济数据分析了驱动因素[13];吴秋敏等利用1985—2005遥感数据提取江苏三大区域的土地利用转移矩阵表,分析了该省土地利用区域差异[14];吕晓等基于地学图谱理论分析了1990—2010年江苏土地利用变化的图谱特征[15];李璐璐等以土地利用类型结构统计研究了江苏土地利用结构演变趋势[16]。其他研究成果则主要集中分布在太湖地区[17]、江苏海岸带[18]、苏南地区[19]等。以上研究文献可见,采用的基础数据年代久远,且分析江苏土地利用动态变化采用的方法较为单一。

作为发达地区典型代表的江苏，工业化、城镇化迅速,是土地利用变化的热点地区[20]，选择江苏为研究区具有典型性和代表性。本文基于1990—2018年江苏土地利用遥感数据和《江苏省统计年鉴》数据,对1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年3个时期的土地利用时空变化特征及其热点进行了研究分析,探讨了影响其土地变化的驱动力因素,以期为江苏土地利用和规划提供参考。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区与数据来源

江苏位于我国东部沿海地区,地理位置介于116°18′—121°57′E、30°45′—35°20′N之间(图1)。

图1 研究区示意图

江苏四季分明、雨热同期,四季中冬夏较长[21]。1990—2018年江苏土地利用数据集来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn/),通过人工目视解译、野外实地验证修改矢量数据栅格化生成lkm的土地利用数据集。该数据集土地利用一级类综合评价精度达到94%以上[22-25]。其中,2018年土地利用数据是在2015年土地利用遥感监测数据的基础之上,基于landsat 8遥感影像,通过人工目视解译生成。选择数据集为20世纪80年代末(统称为1990年)、2000年、2010年和2018年共4期土地数据,江苏1990—2018年的统计年鉴数据来源于中国知网统计年鉴数据和江苏省统计局。

1.2 研究方法

本文根据LUCC分类体系,将江苏土地分为耕地、草地、林地、水域、未利用地和城乡工矿居民用地，运用方法包括数理统计、单一土地利用动态度、土地利用转移矩阵、综合土地利用动态度、空间动态度、标准差椭圆(SDE)、热点分析等[23-32]。其中,单一土地利用动态度[26]主要用来定量分析江苏土地各地类的变化频度；土地利用转移矩阵[27]主要用来分析江苏土地转化方向；综合土地利用动态度[26]主要用来反映江苏土地利用变化的剧烈程度；空间动态度[28]主要用来江苏土地利用类型转出和转入的动态变化过程；标准差椭圆方法[31]主要用来表征江苏土地利用变化的空间方向分布和时空演化过程。

2 结果及分析

2.1 空间分布格局

1990—2018年江苏省土地利用分布见图2。

图2 1990—2018年江苏土地空间分布

从图2可见,1990—2018年江苏以耕地、城乡工矿居民用地和水域为主,草地、林地面积较其他地类变化不大,耕地面积在不断减少,而城乡工矿居民用地显著增加,且大多集中分布在苏南地区，呈现出密集的城市土地向外扩张的趋势,这一趋势在2000—2010年和2010—2018年表现得尤为明显。1990—2000年变化相对缓和,苏中、苏北地区城乡工矿居民用地也有明显增加,但相比苏南地区扩张程度并不太突出。

2.2 数量变化特征分析

通过对江苏1990年、2000年、2010年和2018年4个时期土地利用数据和变化数据的统计(表1、表2)分析，可总结出江苏1990—2018年土地利用变化的主要特征。2018年江苏耕地面积为62823km2,约占总面积的60.53%;城乡工矿居民用地为21644km2,约占总面积的20.86%;水域面积为15007km2,约占总面积的14.46%;林地、草地、未利用地面积为3078km2、1125km2、106km2,分别占总面积的2.97%、1.08%、0.10%。

主要特征包括:①耕地面积明显下降。1990—2018年江苏耕地面积减少了9048km2,减少幅度达9.03%。1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年江苏3个时期的动态度分别为-0.25%、-0.39%、-0.84%,动态度不断增大,但耕地仍是江苏的主要用地类型。②城乡工矿居民用地显著增加。这是江苏土地变化的又一特点,28年间共增加了9018km2,增加幅度达8.64%,3个时期的动态度分别为1.39%、1.80%、3.47%,变化程度较剧烈。③水域面积持续增加。1990—2000年、2000—2010年和2010—2018年江苏的水域面积分别增加了321km2、347km2、735km2,增加幅度达1.29%,3个时期的土地利用动态度分别为0.24%、0.25%、0.37%。水域增加速度在加快,相比耕地和城乡工矿居民用地，水域是江苏第三大用地类型。④林地和草地面积不断下降。1990年以来，江苏林地面积共减少了350km2,减少幅度为0.34%,动态度为-0.36%,3个时期的动态度分别为-0.06%、-0.06%、-1.14%。1990—2018年江苏省草地面积共减少了651km2,减少幅度为0.64%,动态度为-1.31%,3个时期的动态度分别为-1.5%、-0.9%、-2.25%。⑤未利用地变化明显。1990—2018年江苏未利用地共增加了86km2,增加幅度为0.081%,动态度为15.36%,3个时期的动态度分别为0、-1.5%、15.36%,未利用地变化剧烈。

表1 1990—2018年江苏不同地类面积及比重

表2 1990—2018年江苏不同地类面积变化与单一动态度

2.3 类型转换分析(土地转移方向)

为了更加清晰地分析1990年以来江苏省各土地利用类型的变化方向,本文求出1990—2000年、2000—2010年和2010—2018年土地利用转移矩阵，见表3。

表3 江苏省不同阶段土地利用转移矩阵(km2)

由表3可知,江苏减少的耕地主要转化为城乡工矿居民用地和水域。其中,1990—2000年江苏耕地面积转化为城乡工矿居民用地1715.27km2,转化为水域面积308.78km2;2000—2010年耕地面积转化为城乡工矿居民用地2681.05km2,转化为水域面积499.48km2;2010—2018年江苏耕地面积转化为城乡工矿居民用地10247.1km2,转化为水域面积2345.58km2,可见江苏城市化和经济发展加大了对土地的需求量。28年来江苏转出的城乡工矿居民用地主要转化为耕地,3个时期转出面积分别为161.13km2、155.27km2、5914.7km2,减少的林地和草地主要转化为耕地、城乡工矿居民用地和水域,新增的水域主要来源于耕地和城乡工矿居民用地。1990—2018年江苏以耕地、城乡工矿居民用地和水域为主要用地类型。

2.4 土地利用动态与空间动态度变化

为了探究江苏1990—2000年、2000—2010年和2010—2018土地利用变化的剧烈程度特征、转入转出动态变化过程,本文主要采用综合土地利用动态度、空间动态度对全省土地利用变化进行定量分析,得到不同模型测度下的土地利用动态变化结果，见表4。

表4 不同模型测度下的江苏1990—2018年土地利用动态变化结果

由表4可知,江苏土地利用变化在综合土地利用动态度和空间动态度整体上(除草地外)2010—2018年变化激烈程度大于1990—2000年和2000—2010年。1990年以来江苏省综合土地利用动态度不断增大,3个时期的年均变化速率分别为0.27%、0.36%、3.14%。1990—2018年江苏各地类综合土地利用动态度排序为:草地>未利用地>城乡工矿居民用地>林地>耕地>水域。由于综合动态度考虑了不同地类相互转换的数量变化过程[28],而单一土地利用动态度仅考虑数量变化特征,因此所得江苏省土地利用综合动态度测算结果有别于单一动态度。28年来,3个时期空间动态度不断增加,反映了江苏土地转化速率加快,其中又以未利用地城乡工矿、居民用地最快,其他各地类(草地除外)在每个时期都有不同程度的提高;1990年至今,江苏未利用地>城乡工矿居民用地>草地>林地>水域>耕地,相比综合土地利用动态度,城乡工矿居民用地和水域明显提前,说明江苏省城乡、工矿、居民用地和水域在近30年来与其他地类之间的转出、转入频繁,转变速率和活跃程度较高。

2.5 空间格局变化(移动轨迹)

为了进一步探究江苏土地利用变化的分布格局和时空演化过程,本文应用标准差椭圆方法得到3个时期的标准差椭圆分布图(图3)和相对应的结果参数值(表5):Shape-Leng为椭圆的周长,Shape_Area表示椭圆的面积,CenterX、CenterY分别代表椭圆平均中心的x坐标、y坐标,XStdDist、YStdDist分别表示椭圆长x轴和短y轴,而Rotation则是椭圆的方向角度,标准差椭圆长半轴和短半轴分别反映土地变化数据分布的方向和范围。

图3 江苏各时期土地利用变化标准差椭圆分布

表5 江苏省各时期土地利用变化标准差椭圆的参数数值

从图3和表5可知,相对于1990—2000年第一个时期,从2000年以后的两个时期(2000—2010年、2010—2018年)方向性更加显著,以西北—东南为主轴发生倾斜,方位角变小,标准差椭圆长轴的伸缩幅度较大,而2000—2010年椭圆面积不仅向东西方向扩展,而且向南北方向扩张,说明推动江苏土地变化的拉动力主要有东西向和南北向。相比于1990—2010年,2000—2010年椭圆面积有所增加,标准差主半轴从2000年的218502.86m扩大到2010年的269699.82m,这个时期江苏的土地利用变化分布趋向分散,而2010—2018年椭圆面积相对前两个时期减少,此阶段江苏的土地利用变化分布趋于集中。综上所述,整体上江苏3个时期的标准差椭圆变化幅度较大,覆盖范围东至南通,西至南京,南至无锡、苏州、常州,北至宿迁、连云港、盐城等地,基本涵盖了江苏经济发展的主体区域。

2.6 动态变化热点分析

本文利用ArcGIS10.5软件对1990—2018年江苏土地利用变化图斑进行热点分析,结果见图4。从图4可见，28年来江苏土地利用动态变化的热点区域和冷点区域,苏南地区的土地利用变化最大,呈现集中连片的分布特征,苏中地区和苏北地区的变化热点图斑面积相对较小,且较为分散。28年来,江苏土地利用变化的热点区域集中在苏南等经济较发达的地区,人为因素则是江苏土地利用变化的根本原因。

图4 1990—2018年江苏省土地利用变化热点分析结果

2.7 土地利用变化驱动因素分析

本研究认为，政策、经济是影响江苏土地变化的主要驱动因素。政府制定的一系列政策法规深刻影响了江苏土地利用的变化特征,地方政府鼓励发展经济,促进了城市化发展。

在区域土地变化中,人为因素起到了非常重要的驱动作用[33]。江苏城镇人口从1990年的1458.94万人扩大到2017年(2016年末)的5416.65万人,增加了3957.71万人,这些新增的城镇人口给城建用地带来了巨大压力,导致建设用地大幅度扩张。1990—2018年江苏城乡工矿居民用地共增加了9018km2,增加幅度达8.64%,3个时期的单一土地利用动态度分别为1.39%、1.80%、3.47%,城市化使大量耕地转化为城乡工矿居民用地。28年来江苏共有14643.42km2耕地转化为城乡工矿居民用地,3个时期转化面积分别为1715.27km2、2681.05km2、10247.1km2。同时,20世纪80—90年代以来的“开发区热、房地产热、苏南模式”等,苏南地区发展水平高,全省土地利用变化的热点大多集中分布在苏南地区,南京、苏州、无锡等市兴办了国家级或省级高新技术开发区和工业园区,推动了城镇发展和城市化进程。

经济快速发展是影响江苏土地利用变化的主要驱动因素。相比1990年江苏地区GDP1416.50亿元,2000年、2010年、2017年(2016年末)江苏地区GDP分别增加到7137.19亿元、40008.98亿元、74669.64亿元,固定资产投资从1990年的439.98亿元增加到2017年(2016年末)的49370.85亿元。近28年来，江苏的耕地面积从1990年的71871km2下降到62823km2,而城乡工矿居民用地增加到9018km2,其中很大一部分资产用在城市建设上。2016年江苏住宅固定资产投资高达6971.13亿元,城乡工矿居民用地大部分来源于耕地。2003年以后，江苏大规模的城镇建设高速发展,4条城市发展轴在长江以北地区,使苏北地区城市区位条件得到了极大的改善。

产业结构调整是江苏省土地利用变化的重要影响因子。2017年(2016年末)江苏省第二产业与第三产业对经济生产总值的贡献率高达99.5%,三次产业结构由1990年的27.6∶52.6∶19.8变化为2000年的42.8∶30.2∶27、2010年的6.1∶52.5∶41.4,到2017年这一比例更是达到了5.4∶44.1∶50.5。第一产业和第二产业占比明显下降,而第三产业显著上升,更加推动耕地向城乡工矿居民用地转移。农、林、牧、渔总产值比从1990年的62.44∶1.36∶27.69∶8.51变化到2000年的58.11∶1.69∶23.06∶16.78、2010年的55.67∶1.92∶22.65∶19.78变化到2017年的54.65∶1.90∶19.58∶23.89,农业比重明显降低，渔业产业比重显著升高,在经济利益的驱动下,农民将部分耕地、林草地转化为鱼塘水库。1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年耕地转化为水域的面积分别为308.78 km2、499.48km2、2345.58km2。

3 结论

本文利用GIS和RS技术对江苏土地利用时空变化和热点进行了较为深入的研究与分析,得出以下4条主要结论:①1990—2018年江苏土地利用的总体特征是:耕地面积大量减少,城乡工矿居民用地面积大幅度增加,水域面积增加,未利用地面积变化剧烈,林地与草地面积持续减少。②在转化方向上,1990年以来江苏耕地主要向城乡工矿居民用地和水域转化,林地和草地主要向耕地和城乡工矿居民用地转化;1990—2000年江苏主要以耕地向城乡工矿居民用地和水域转化,林地向城乡工矿居民用地转化,草地、水域向耕地转化为主；2000—2010年以耕地、水域、林地主要向城乡工矿居民用地转化,未利用地和草地向水域转化为主；2010—2018年耕地主要向城乡工矿居民用地和水域转化。③全省土地利用变化时空分布存在着明显的方向性,28年来土地利用热点区域呈现集中连片的分布特征,集中分布于苏南等经济较发达地区。④人为因素是江苏土地演变的主要驱动力,其中政策因素和经济因素占据着主导地位。