1990－2008年江蘇省土地利用特征及MSA指數(shù)變化分析

雷軍成，徐海根，曹銘昌，關(guān)慶偉，丁 暉

（1.南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，南京210037；2.環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京210042）

土地利用／覆被變化（LUCC）能夠引起地表輻射收支、碳循環(huán)及生物多樣性等一系列地表生態(tài)過程的變化，因此土地利用變化研究成為全球變化研究的核心研究領(lǐng)域之一［1－5］。不同尺度、不同地區(qū)、不同時(shí)段土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的典型個(gè)案研究既是對(duì)全球土地利用變化研究的有益補(bǔ)充，也可以為區(qū)域土地利用規(guī)劃和相關(guān)政策的制定提供科學(xué)的理論依據(jù)［6－8］。國內(nèi)外學(xué)者從不同尺度、針對(duì)不同地區(qū)開展了大量的土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究工作［9－14］。在土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究中，土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用程度綜合指數(shù)、馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等分析指標(biāo)和方法得到了廣泛的應(yīng)用［14－18］。

江蘇省以其獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和得天獨(dú)厚的自然條件，在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中充當(dāng)著排頭兵的作用。改革開放以來江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人地之間矛盾突出，但對(duì)于江蘇省土地利用時(shí)空變化特征的研究尚顯不足，主要表現(xiàn)在：（1）以往對(duì)于江蘇省內(nèi)土地利用變化的研究多集中在沿海或環(huán)太湖等熱點(diǎn)地區(qū)；（2）分析多采用較單一指標(biāo)描述土地利用變化的時(shí)空特征；（3）對(duì)土地利用變化引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，尤其生物多樣性變化特征的研究涉及很少［19－21］。從國內(nèi)其他省域尺度土地利用變化的研究看，研究內(nèi)容多集中在土地利用變化特征分析、驅(qū)動(dòng)力分析和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)這三個(gè)方面［22－24］。本研究采用多指標(biāo)分析，全方位揭示1990—2008年江蘇省土地利用的時(shí)空變化特征，并分析土地利用變化對(duì)江蘇省生物多樣性的影響，一方面希望為今后全省土地利用規(guī)劃及其相關(guān)政策的制定提供更詳實(shí)的基礎(chǔ)資料；另一方面希望通過對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的平原地區(qū)土地利用變化及其生物多樣性變化特征的研究，為其他類似區(qū)域的研究提供一定的借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究所使用土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理資源與科學(xué)研究所解譯的1990年、1995年、2000年、2005年、2008年5期全國土地利用柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率為1km×1km；1∶400萬全國和江蘇省行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)（http：∥nfgis.nsdi.gov.cn／）。

1.2 數(shù)據(jù)處理

利用江蘇省1∶400萬行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)，通過ArcGIS的空間分析功能，提取出江蘇省1990—2008年5期土地利用類型數(shù)據(jù)。研究所使用土地利用原始數(shù)據(jù)將土地利用類型劃分耕地、林地、水體等6個(gè)一級(jí)地類，在一級(jí)地類基礎(chǔ)上又進(jìn)一步將土地利用類型細(xì)分為水田、旱地、有林地等25個(gè)二級(jí)地類。為研究方便和便于橫向?qū)Ρ龋狙芯繉@得的土地利用原始數(shù)據(jù)整理歸并到一級(jí)分類中的6類，即耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地，并分別編碼分別為1—6。

2 研究方法

2.1 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度分析

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度不考慮土地利用變化的內(nèi)在過程，定量地反映研究區(qū)總體上土地利用變化的速度。考慮土地利用類型轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出雙向變化過程的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算方法如公式（1）所示：

式中：ΔUi－out——研究時(shí)段T內(nèi)土地利用類型i轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋偷拿娣e之和；ΔUi－in——研究時(shí)段T內(nèi)其他土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)閕類土地利用類型的面積之和；Uia——研究區(qū)土地利用類型i的面積；n——研究區(qū)土地利用類型數(shù)量；T——研究時(shí)段時(shí)間間隔。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移分析

2.3 土地利用程度變化分析

土地利用程度反映了土地利用的廣度和深度，它不僅能反映土地利用類型本身的自然屬性，還能反映出土地系統(tǒng)中人類因素和自然環(huán)境的綜合效應(yīng)。劉紀(jì)遠(yuǎn)等從生態(tài)學(xué)的角度出發(fā)，提出了土地利用程度綜合分析方法，即將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會(huì)因素影響下的自然平衡狀態(tài)分為4個(gè)級(jí)別：土地未利用級(jí)、土地自然再生利用級(jí)、土地人為再生利用級(jí)和土地非再生利用級(jí)，并分別賦值1～4（見表1）。土地利用程度計(jì)算公式為［27－29］：

式中：Ai——第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Ci——第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積百分比；n——研究區(qū)土地利用類型數(shù)。

其中Yt為產(chǎn)出，Xt=(x1t,x2t,…,xnt)為要素投入向量，xnt為第n種要素投入，A(t)為技術(shù)系數(shù)。假設(shè)函數(shù)為希克斯技術(shù)中性和規(guī)模收益不變，對(duì)(1)式兩邊求導(dǎo)，則有：

表1 土地利用程度分級(jí)賦值

2.4 土地利用類型重心轉(zhuǎn)移分析

將1990—2008年江蘇省5期土地利用柵格數(shù)據(jù)按不同土地利用類型轉(zhuǎn)換為矢量多邊形數(shù)據(jù)后，利用ArcGIS多邊形重心分析功能，求取1990—2008年江蘇省各土地利用類型的重心。

2.5 土地利用轉(zhuǎn)化頻次分析

根據(jù)地圖代數(shù)原理，計(jì)算獲得1990—2008年研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移歷史序列柵格數(shù)據(jù)，公式如下：

式中：Ki×j——1990—2008年土地利用類型轉(zhuǎn)移歷史序列柵格圖；A1990i×j——1990年研究區(qū)土地利用類型柵格圖，其余分別為1995年、2000年、2005年、2008年研究區(qū)土地利用類型柵格圖；

獲得的土地利用類型轉(zhuǎn)移歷史序列柵格數(shù)據(jù)的萬位數(shù)到個(gè)位數(shù)依次代表1990年、1995年、2000年、2005年、2008年各柵格點(diǎn)上依次出現(xiàn)的土地利用類型。統(tǒng)計(jì)研究時(shí)段內(nèi)各柵格點(diǎn)上土地利用類型轉(zhuǎn)換的頻次。

2.6 土地利用類型空間分布

空間洛倫茨曲線和基尼系數(shù)（Gini coefficient，GI）是重要的經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法，在非經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用［30－32］。本研究以江蘇省13個(gè)地級(jí)市國土面積占全省國土面積累積百分比為橫坐標(biāo)，以13個(gè)地級(jí)市各土地利用類型占全省該土地利用類型累積百分比為縱坐標(biāo)，繪制1990—2008年江蘇省各土地利用類型在13個(gè)地級(jí)市空間分布的洛倫茨曲線，并計(jì)算基尼系數(shù)。基尼系數(shù)越趨近于0，說明某種地類在13個(gè)地級(jí)市的空間分布越均勻；越趨近于1，則說明空間分布越不均勻。參照聯(lián)合國有關(guān)組織對(duì)于居民收入基尼系數(shù)的規(guī)定，本研究將GI＜0.2表示“分布平均”，0.2≤GI＜0.3表示“相對(duì)平均”，0.3≤GI＜0.4表示“相對(duì)合理”，0.4≤GI＜0.5表示“差距大”，GI＞0.6表示“差距懸殊”。

2.7 MSA變化分析

為了評(píng)估土地利用變化、生境破碎化、人為干擾等因素對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的影響，Alkemade等提出GLOBIO3評(píng)估框架。GLOBIO3評(píng)估框架通過平均物種豐富度 （Mean Species Abundance，MSA）指數(shù)反應(yīng)評(píng)價(jià)單元上生物多樣性的時(shí)空變化。MSA實(shí)際上是衡量生態(tài)系統(tǒng)偏離其原始或自然狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。以未受干擾自然狀態(tài)下的生態(tài)系統(tǒng)的MSA值為1，受干擾越大其MSA值降低越多。GLOBIO3評(píng)估框架首先依據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)受人為干擾的強(qiáng)弱，賦予不同生態(tài)系統(tǒng)一個(gè)初始的MSA值，然后進(jìn)一步考慮生境破碎化、面積效應(yīng)、邊界效應(yīng)等對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的影響，最終得出評(píng)價(jià)單元的MSA值。本研究基于GLOBIO3評(píng)估框架，各生態(tài)系統(tǒng)類型初始MSA賦值，參考《中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與管理戰(zhàn)略》，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，取值為耕地0.2，林地0.5，草地0.35，河流與湖泊0.7，建設(shè)用地0.05，未利用地0.7［33－34］。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化特征

圖1 1990－2008年江蘇省各土地利用類型面積變化

3.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度特征

江蘇省1990—2008年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度變化如圖2所示。1990—2008年江蘇省土地利用的平均年變化率為0.45%，但不同時(shí)段的變化率有明顯的差別，1995—2000年的變化率最低為0.18%，2000年以后各時(shí)段的變化率要明顯高于歷史時(shí)期。

3.3 土地利用類型轉(zhuǎn)移特征

1990—2008年江蘇省土地利用類型轉(zhuǎn)移的馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣如表2所示（僅分析土地利用類型的最終轉(zhuǎn)移結(jié)果，不考慮轉(zhuǎn)移的中間過程）。從不同土地利用類型的轉(zhuǎn)移模式來看，1990—2008年江蘇省建設(shè)用地的增加主要來源于耕地，有5 586km2的耕地最終轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，占耕地流失總面積的81.36%和建設(shè)用地凈增加面積的98.16%；耕地除主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地外，還轉(zhuǎn)化為水體，達(dá)1 081km2，占耕地流失總面積的15.74%；草地的減少主要轉(zhuǎn)化為耕地、水體和建設(shè)用地，三者總面積達(dá)449km2，合占草地流失總面積的98.68%；林地的減少部分主要轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地，二者合占林地流失總面積的93.62%。從總體上可以看出建設(shè)用地成為其他土地利用類型流失的主要去向。

圖2 1990－2008年江蘇省綜合土地利用動(dòng)態(tài)度變化

3.4 土地利用程度變化特征

1990—2008年江蘇省土地利用程度綜合指數(shù)呈逐漸升高的趨勢(shì)（見圖3），從1990年的289.2上升到2008年的295.1。從不同時(shí)期土地利用程度變化量來看，各時(shí)期土地利用程度綜合指數(shù)變化量均大于0，其中2005—2008年3a間江蘇省土地利用程度綜合指數(shù)升高2.77，較1990—2005年15a間研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)升高的量高出近12.11%。

圖3 江蘇省1990－2008年土地利用程度綜合指數(shù)變化

表2 1990－2008年江蘇省土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣km2

3.5 土地利用重心轉(zhuǎn)移特征

1990—2008年，江蘇省各土地利用類型重心發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)移（見表3），以建設(shè)用地重心轉(zhuǎn)移規(guī)律最為明顯。如圖4所示，1990—2008年江蘇省建設(shè)用地重心明顯向南偏東方向移動(dòng)。1990—2008年18a間江蘇省建設(shè)用地重心的位移距離達(dá)80km，年均向南偏東21.42°方向移動(dòng)4.44km。

表3 1990－2008年江蘇省各土地利用類型重心轉(zhuǎn)移（1°）

圖4 1990－2008年江蘇省建設(shè)用地重心變化

3.6 土地利用轉(zhuǎn)化頻次特征

江蘇省1990—2008年各柵格點(diǎn)上土地利用類型轉(zhuǎn)換頻次如圖5所示。可以看出江蘇省1990—2008年各柵格點(diǎn)上發(fā)生土地利用類型轉(zhuǎn)換的地區(qū)以1～2次轉(zhuǎn)換為主，極少數(shù)地區(qū)發(fā)生3次以上土地利用類型的轉(zhuǎn)換。從發(fā)生土地利用類型轉(zhuǎn)換地區(qū)的空間分布上來講，蘇南地區(qū)發(fā)生土地利用類型轉(zhuǎn)換柵格的數(shù)量和轉(zhuǎn)換的頻次都要明顯高于蘇北地區(qū)。

3.7 土地利用類型空間分布變化特征

江蘇省1990—2008年各土地利用類型在13個(gè)地級(jí)市空間分布的洛倫茨曲線和基尼系數(shù)變化如圖6所示。如果某種地類基尼系數(shù)變大，說明該地類在13個(gè)地級(jí)市的空間分布趨于越來越不均勻，反之則表示趨于越來越均勻。1990—2008年江蘇省耕地和水體在13個(gè)地級(jí)市空間分布的基尼系數(shù)有增大的趨勢(shì)，但增大趨勢(shì)并不明顯，各年份基尼系數(shù)均小于0.2，表明研究時(shí)段內(nèi)江蘇省耕地和水體在13個(gè)地級(jí)市的空間分布“分布平均”；建設(shè)用地基尼系數(shù)的變化呈現(xiàn)以2000年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，1990—2000年建設(shè)用地基尼系數(shù)減小，2000—2008年建設(shè)用地基尼系數(shù)變大，但總體上研究時(shí)段內(nèi)建設(shè)用地在13個(gè)地級(jí)市的空間分布仍可以認(rèn)為是“分布平均”；2005年以前，林地基尼系數(shù)變化不大，2008年較2005年有明顯的上升，總體上研究時(shí)段內(nèi)林地在13個(gè)地級(jí)市的空間分布“相對(duì)合理”；草地的基尼系數(shù)有明顯下降局勢(shì)，表明草地在研究時(shí)段內(nèi)在13個(gè)地級(jí)市的空間分布有趨向越來越均勻的趨勢(shì)；未利用地面積小，基尼系數(shù)變化較大。

3.8 MSA變化特征

1990—2008年江蘇省各柵格點(diǎn)上MSA指數(shù)平均值的變化狀況如圖7所示。總體上，1990—2008年，江蘇省MSA指數(shù)呈持續(xù)下降趨勢(shì)，但是各時(shí)間段MSA指數(shù)的下降幅度不盡相同。1990—2005年MSA指數(shù)下降比較緩慢，2005—2008年MSA指數(shù)的下降幅度較大，甚至超過了1990—2005年15a間總的下降幅度。

圖5 1990－2008年江蘇省土地利用類型轉(zhuǎn)換頻次

圖6 1990－2008年江蘇省13個(gè)地級(jí)市土地利用空間分布洛倫茨曲線及基尼系數(shù)變化

圖7 1990－2008年江蘇省MSA指數(shù)變化

4 結(jié)論與討論

本文利用1990—2008年江蘇省土地利用類型遙感解譯數(shù)據(jù)，對(duì)江蘇省土地利用和生物多樣變化性特征進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，1990—2008年江蘇省土地利用及其生物多樣性狀況都發(fā)生了比較明顯的變化。

（1）從總體上看，1990—2008年，江蘇省土地利用變化的主要特點(diǎn)是：建設(shè)用地、水體面積的增加和耕地、草地面積的減少。耕地成為土地利用流失的主要“源”而建設(shè)用地成為土地利用流失的主要“匯”。究其原因可能主要包含如下幾個(gè)方面：①1990—2008年江蘇省總?cè)丝趶? 766.9萬增加至7 676.5萬，增長13.44%，國 內(nèi) 生 產(chǎn) 總 值 從 1 416.5 億 元 增 加 至30 981.98億元，增長20.87倍，人口增長和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致對(duì)居住用地、交通建設(shè)用地、企業(yè)建設(shè)用地等需求量增加；② 農(nóng)村由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和管理不嚴(yán)等眾多原因，非法占地、超標(biāo)占地、一戶多宅的現(xiàn)象比較普遍，造成宅基地不斷向村外擴(kuò)展，直接造成農(nóng)村建設(shè)用地的擴(kuò)張和耕地面積的減少［35］；③耕地基本位于平原地區(qū)和居民區(qū)附近，轉(zhuǎn)化為居住用地、企業(yè)用地等建設(shè)用地的成本相對(duì)較低。

（2）1990—2008年，江蘇省土地利用處于較快速發(fā)展時(shí)期，但土地利用類型變化表現(xiàn)出比較明顯的時(shí)間和空間不均衡性。2000年以后，土地利用變化的數(shù)量和強(qiáng)度明顯高于2000年以前；蘇南地區(qū)土地利用變化的轉(zhuǎn)換頻次明顯高于蘇北地區(qū)。導(dǎo)致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因可能是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)空差異。1990—2000年，江蘇省GDP總量增長503.86%，但由于基數(shù)低，10a間GDP增長的總量僅為7 137.19億元；2000—2008年，江蘇省GDP總量增幅（262.21%），雖然低于1990—2000年的增幅，但GDP增長的總量卻達(dá)22 428.29億元，增長量為1990—2000年GDP增長量的3倍多［36］。江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間差異明顯，蘇南地區(qū)地處“長三角”，受上海市經(jīng)濟(jì)輻射的影響和地區(qū)工業(yè)發(fā)展的規(guī)模效應(yīng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，大量土地流向居住用地、企業(yè)用地和交通用地等建設(shè)用地，而蘇北地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)遲緩，第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占地區(qū)生產(chǎn)總值比重較高，土地利用類型變動(dòng)需求小，土地利用類型轉(zhuǎn)換的頻次和發(fā)生的面積也相對(duì)較低［37－38］。

（3）研究時(shí)段內(nèi)，江蘇省各土地利用類型在13個(gè)地級(jí)市的空間分布除未利用地外，林地和草地空間分布的基尼系數(shù)也相對(duì)較高，究其原因可能是由于江蘇省自然條件差異所致。林地和草地主要分布于低山丘陵等人工轉(zhuǎn)化難度較大的地區(qū)，而江蘇省低山丘陵主要位于全省的北部和西南部。

（4）研究時(shí)段內(nèi)，江蘇省生物多樣性MSA指數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，其直接原因主要是由于MSA指數(shù)較高的土地利用類型轉(zhuǎn)化為MSA指數(shù)較低的土地利用類型，如草地和林地轉(zhuǎn)化為耕地，耕地轉(zhuǎn)化為MSA指數(shù)更低的建設(shè)用地；土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)化的同時(shí)，伴隨著生態(tài)系統(tǒng)的破碎化。

本研究利用地圖代數(shù)原理，充分發(fā)揮柵格數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建土地利用類型流轉(zhuǎn)歷史序列數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并空間化表達(dá)每個(gè)柵格點(diǎn)上土地利用類型轉(zhuǎn)換的頻次，較傳統(tǒng)的馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣分析方法能更直觀、更詳盡地展示土地利用類型轉(zhuǎn)換的強(qiáng)度，可以為以后相關(guān)分析提供一定的參考。

需要指出的是，由于不同的研究需要及研究人員對(duì)于各土地利用類型的理解和認(rèn)知不同，同一土地利用方式在不同的研究中可能被劃分為不同的土地利用類型，尤其是兼具多種土地利用類型特點(diǎn)的土地利用方式，如本研究及有些相關(guān)研究將鹽田歸為建設(shè)用地，有些研究則將其歸為水體，有些研究甚至直接將其歸為單獨(dú)一類［39－42］。因此，對(duì)于土地利用類型的劃分應(yīng)主要立足于研究需要，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步兼顧不同研究之間的可比性。

本研究也存在一定的不足之處，主要表現(xiàn)在：（1）所使用遙感解譯數(shù)據(jù)的空間分辨率仍不夠高，土地利用類型在更細(xì)微空間上的變化無法得到充分體現(xiàn)；（2）研究所使用土地利用數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率不夠高，無法反應(yīng)土地利用年季的甚至更高時(shí)間分辨率的變化特征；（3）本研究將研究區(qū)土地利用類型分為6類，掩蓋了更低級(jí)別土地利用類型的時(shí)空轉(zhuǎn)換特征；（4）由于沒有研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)詳細(xì)的道路數(shù)據(jù)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)破碎化導(dǎo)致的MSA指數(shù)的降低可能存在過低估計(jì)。因此，采用高時(shí)空分辨率土地利用數(shù)據(jù)，基于更精細(xì)的土地類型分類，是未來土地利用變化時(shí)空特征研究需要優(yōu)先考慮的方面。

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