曲靖市陆良县近20年土地利用时空变化

刘 艳,刘凤莲

(云南财经大学 国土资源与持续发展研究所，云南 昆明 650221)

0 引 言

土地利用/土地覆被变化(LUCC)是人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形式[1-3],人类对土地和与土地有关的自然资源的利用,不仅改变地球陆地表面的覆被状况[4],还对区域的生物多样性、土壤质量、水循环、陆地生态系统的生产力和适应能力产生一定程度影响[2,5].研究土地利用/土地覆被变化,探索研究区域土地利用的时空演变规律,对于合理利用土地资源,保护生态环境和实现可持续发展具有重要意义.自1995年《土地利用/土地覆盖变化科学研究计划》签订以来,土地利用/土地覆被变化逐渐成为全球环境变化研究关注的重点[5-7].目前,国内学者从不同的研究尺度对土地利用/土地覆被进行了研究,刘纪远等人[8]通过遥感解译,从全国和区域的视角揭示了2010年至2015年中国土地利用变化的时空格局和新特征.尹登玉等人[9]利用土地利用动态度和土地利用程度综合指数,分析了山东省土地利用变化的数量和结构特征.黄安东等人[10]利用Sankey图、土地利用动态度等方法,对安徽省近40年来的土地利用演变特征进行了分析.王晶等人[11]通过土地利用转移矩阵、用地变化率指数对成都、德阳、乐山、雅安、资阳、眉山和绵阳7个地级市的土地利用变化特征进行了分析.李一琼等人[12]以遥感影像为基础数据,分析了苏州市1995年至2015年土地利用数量结构和空间分布的变化.孙晓晨等人[13]应用土地利用转移矩阵、变化量分析、综合动态度及冷热点分析等方法,揭示了河湟谷地近40年来的土地利用数量与空间变化规律.沈振涛等人[14]以大汶河流域为例,通过土地利用变化转移矩阵,对大汶河流域的土地利用动态变化和转移变化进行了分析.

目前国内对土地利用变化的研究大多在省、市、城市群、流域尺度展开,对县级尺度的土地利用/土地覆被变化研究较少,特别对西南边疆地区县级城市的土地利用变化研究更少.曲靖市陆良县位于云南省东部,有着“滇东粮仓”的美称,近年来,随着陆良县经济发展速度的加快和产业结构的转型升级,各行业用地矛盾日益突出,生态环境质量逐渐下降.本文以陆良县为研究区,通过土地利用动态度、土地利用转移矩阵、标准差椭圆等方法,对陆良县近20年来土地利用的时空演变特征进行分析研究,以期为陆良县土地资源的可持续利用和生态环境保护等提供借鉴参考.

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

曲靖市陆良县位于云南省东部、曲靖市南部,居南盘江上游,位于103°23′～104°02′E,24°44′～25°18′ N,年降雨量796.5毫米,年平均气温14.7℃,属亚热带高原季风冬干夏湿气候区,东接罗平县,西邻宜良县,南与师宗、泸西、石林三县接壤,北与麒麟区、马龙区相邻,总面积1 989.47 km2,平均海拔1 840 m.区内坝子面积771.99 km2,占总面积的38.8%,为云南省第一大高原平坝.陆良县下辖2个办事处、9个乡镇和1个华侨管理区.2020年末全县总人口70.0万人,地区生产总值269.7亿元,比上年增长8.5%,人均生产总值41 405元,比上年增长9.8%.

1.2 数据来源

本文选用2000、2010、2020年陆良县的土地利用覆被数据,数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心[15-16](http://www.resdc.cn).其中2000年和2010年的LUCC数据由Landsat-TM/ETM遥感影像数据解译而来,2020年LUCC数据由Landsat8遥感影像数据解译得到.以中国科学院土地分类系统参考,结合研究区域自然环境条件和社会经济特征,共划分耕地、草地、林地、建设用地、水域和未利用地6种土地利用类型.本文所使用的DEM数据由地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)下载获得.

2 研究方法

2.1 土地利用动态度

土地利用动态度用于反映某个时间段内各土地利用类型的面积变化情况[17],单一动态度用于反映研究区某一段时间内某种土地利用类型的变化幅度和变化速度,综合土地利用动态度用于反映研究区某一段时间内土地利用的整体变化状况.

(1)单一土地利用动态度

(1)

式中:La为研究区某种土地利用类型在研究期初时的面积;Lb为研究区某种土地利用类型在研究期末时的面积;T为研究期时长;K为研究区域某种土地利用类型的单一动态度.

(2)综合土地利用动态度

(2)

式中:U为研究区域土地利用综合动态度,LUi为研究区第i类土地利用类型在研究初期的面积,△LUi-j为研究时段内第i类土地转化为非i类土地利用类型面积的绝对值,T为研究时段.

2.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是研究各地类相互转移数量和方向的方法,进而反映研究区域在某一时间段内各地类的演变方向和程度[18-19].

(3)

式中:S为土地利用类型的面积;n为土地利用类型的类型数;i为研究初期的土地利用类型,j为研究末期的土地利用类型.

2.3 标准差椭圆

标准差椭圆是一种同时对点的方向和分布进行分析的一种经典算法[20-21],用于反映地理要素的空间分布特征,椭圆的面积可以看出地理要素的分布范围,椭圆的长半轴反映数据的分布方向,短半轴反映数据的分布范围,长短半轴差值越大,数据分布的方向性越明显[22-23].

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 结果与分析

3.1 土地利用时空变化

通过2000、2010、2020年LUCC数据,得到陆良县2000、2010、2020年三个时期的土地利用覆被图(图2)和土地利用结构表(表1).分析可知,陆良县耕地面积最大,研究期末为77 654.24 hm2,占总面积的39.03%;其次为草地,2020年面积为56 773.59 hm2,占总面积的28.54%;林地以25.78%的面积占比位居第三位,是陆良县第三大土地利用类型,2020年面积为51 287.84 hm2.耕地、草地和林地是陆良县主要的土地利用类型,三者共占陆良县总面积的93.35%.水域和未利用地面积较小,研究期末分别占总面积的1.8%和0.05%.研究期末建设用地占总面积的比例为4.80%,且近年来面积持续增加.

表1 陆良县土地利用结构变化表

图2 陆良县土地利用覆被图

近20年间,陆良县各土地利用类型面积变化明显,主要表现为集中分布在研究区中部的建设用地增长明显,在整个研究时段内增加了2 128.91 hm2,其中2010—2020年间增加了1 658.22 hm2,占整个时段内增长的78%,表明建设用地处于增速扩张状态;耕地分布较为集中,主要分布在研究区中部,且近20年间面积缩减,分布渐趋破碎化,这和建设用地的扩张紧密相关;草地分布在耕地的外围区域,研究期面积减少了2 020.1 hm2;林地主要分布在西北部,研究期内减少了430.68 hm2;未利用地近20年间减少了130.14 hm2.

3.2 土地利用动态度

计算陆良县土地利用动态度(表2),分析可知,陆良县土地利用综合动态度从2000—2010年的0.21%上升到2010—2020年的0.25%,表明陆良县土地利用较为稳定,变化速度总体较慢.从单一地类的动态度来看,耕地、林地、水域、建设用地、未利用地的动态度在2010—2020年间较大,说明耕地、林地、水域、建设用地、未利用地在2010—2020年间变化速度较快.草地的变化情况正好相反,在2000—2010年间变化速度较快.整个研究期间建设用地面积以年均1.43%的速度持续增加;草地以年均0.17%的速度持续减少;耕地、林地、未利用地在2000—2010年间动态度为正,面积增加,在2010—2020年间动态度为负,面积减少,整个研究期间耕地、林地、未利用地的动态度为负,面积减少;水域在2000—2010年呈减少趋势,动态度为-1.01%,在2010—2020年间呈增加趋势,动态度为4.47%,整个研究期间水域的面积增加.

表2 2000—2020年陆良县土地利用动态度 %

3.3 土地利用类型转移分析

利用ArcGIS将陆良县2000、2010、2020年的土地利用覆被图进行叠加分析,得到陆良县土地利用变化图谱(图3),进一步运算得到陆良县2000—2010年、2010—2020年、2000—2020年的土地利用转移变化矩阵(表3).

表3 陆良县土地利用转移矩阵 hm2

图3 陆良县土地利用变化图谱

在2000—2010年,各用地类型相互间出现了不同程度的转化,从转出面积来看,草地的转出面积(3 508.74 hm2)最大,主要转为耕地(2 327.58 hm2)和林地(1 137.96 hm2),约占草地总转出面积的66.37%和32.4%;耕地次之,共转出2 507.94 hm2,主要转为草地(931.77 hm2)和建设用地(806.94 hm2),分别占耕地总转出面积的37.15%和32.18%;林地的总转出面积为1 705.50 hm2,主要转为草地(919.71 hm2)和耕地(705.15 hm2),分别占林地总转出面积的54%和41.35%.十年间总的转变趋势为其他用地类型向耕地的转入,共转入耕地3 776.67 hm2.

在2010—2020年,各用地类型的变化更为剧烈,其中,耕地的转出量增加幅度最大,转出总面积也最大,共转出4 003.83 hm2,主要转为建设用地(1 720.16 hm2);草地共转出2 551.36 hm2,与2000—2010年相比,草地转出面积减少957.38 hm2,主要由于草地向耕地转移面积的大量减少;林地共转出2 326.00 hm2,主要转为草地(1 150.24 hm2)和耕地(735.63 hm2),相比于2000—2010年,林地转出量增加620.50 hm2,主要由于林地向草地、水域、建设用地转移面积增加;与2000—2010年相比,建设用地面积大量增加,主要由于耕地和草地转入建设用地的面积大幅增长,转入建设用地的面积分别增长913.22 hm2和372.27 hm2;未利用地共转出239.70 hm2,主要转为耕地(227.24 hm2).

在整个研究期间,各地类均发生了显著的变化,其中,耕地的转移变化最为剧烈,其他地类共转入耕地5 435.41 hm2,主要由林地和草地转入,林地向耕地的转入(1 296.93 hm2)主要分布在东部和西南部,草地向耕地的转入(2 891.60 hm2)主要分布在陆良县的东部和西部.耕地转出面积为5 814.47 hm2,主要转为建设用地(2 348.61 hm2)、草地(1 567.05 hm2)和林地(996.81 hm2),耕地向建设用地的转出主要分布在中部坝区;耕地向草地的转出主要分布在中部和南部地区;耕地向林地的转出主要分布在东部山区.其他用地类型共向建设用地转入3 041.43 hm2,其中耕地向建设用地的转入面积占建设用地总转入面积的77.22%,可以看出建设用地的扩张主要是通过占用中部坝区的耕地来实现,陆良县的城镇化进程加快.

3.4 建设用地标准差椭圆分析

为更深入地了解陆良县不同时期建设用地的空间分布及其演变规律,利用ArcGIS的空间统计工具构建了陆良县2000、2010、2020年三个时期建设用地的标准差椭圆(表4,图4).陆良县建设用地总体呈现“东北—西南”的布局特征,2000—2010年建设用地空间分布由东北向西南扩张,2010年与2020年的标准差椭圆几乎重合,表明2010—2020年建设用地空间分布格局无明显变化,三个时期建设用地的重心迁移变化不明显,2000—2010年建设用地重心向西南迁移563.76米,2010—2020年建设用地重心向东南迁移58.50米,三个时期建设用地的重心均位于三岔河镇.由表4可知,方位角逐渐增大,椭圆的轴线顺时针方向旋转,椭圆面积在2000年最小,说明2000年建设用地的空间聚集性最强,三个时期长短半轴的差距逐渐增大,建设用地“东北—西南”分布格局的方向性逐渐增强.

表4 陆良县建设用地标准差椭圆参数

图4 陆良县2000-2020年建设用地标准差椭圆和重心

4 结论与讨论

(1)耕地、草地、林地是陆良县主要的土地利用类型,在2020年三种用地类型共占陆良县总面积的92%,研究期间各用地类型面积变化明显,建设用地、水域面积增加,建设用地增长幅度最大,研究期间共增长2 128.91 hm2,耕地、林地、草地、未利用地面积减少,草地减少幅度最大,20年间共减少2 020.10 hm2.

(2)陆良县土地利用综合动态度较小,土地利用较为稳定.各用地类型的动态度差异明显,未利用地动态度最大,建设用地以年均1.43%的速度持续增长,草地以年均1.17%的速度持续下降.

(3)陆良县耕地、草地、林地三种用地类型相互转化量大,其中,耕地的转移变化最为剧烈,整个研究期间,耕地转出5 814.47 hm2,转入5 435.41 hm2;建设用地的扩张主要是通过占据中部坝区的耕地来实现.

(4)陆良县建设用地总体呈现“东北—西南”的布局特征,2000—2010年建设用地空间分布由东北向西南扩张,2010—2020年建设用地空间分布格局无明显变化,2000年建设用地的空间聚集性最强,重心迁移变化不明显.

中部坝区是研究区重要的优质耕地分布区,随着经济的发展和城镇化进程的加快,建设用地大量占用中部坝区优质农田,同时耕地又通过占用周围丘陵山区的林地、草地来补充,这些变化对陆良县的自然生态环境和可持续发展产生了一定程度的影响.因此,在今后的发展中,陆良县应科学制定国土空间规划,优化土地利用结构,注重内部挖潜,节约集约利用土地,加强对土地利用的动态监测,严格保护基本农田,加强对农业基础设施的建设,发展现代化农业.本研究着重分析了2000—2020年陆良县各用地类型的时空演变规律,尚未对土地利用变化的驱动因子和变化趋势进行探讨,因此在未来的研究中应加强对引起土地利用变化的自然地理因素、社会经济因素的分析和对未来土地利用变化趋势进行预测,以便更好地为研究区科学合理利用土地资源、制定土地管理政策提供理论依据.