地形對(duì)重慶市土地利用動(dòng)態(tài)變化影響分析

2

(1.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715； 2.遙感大數(shù)據(jù)應(yīng)用重慶工程研究中心，重慶 400715)

土地是人類賴以生存的基本自然資源，是社會(huì)得以持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是勞動(dòng)對(duì)象、人工生態(tài)環(huán)境改造的基本載體[1]。土地利用變化是引起區(qū)域環(huán)境變化的關(guān)鍵因素[2]。我國(guó)地形起伏大，人地關(guān)系矛盾突出，土地資源的合理利用長(zhǎng)期以來一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)與焦點(diǎn)之一[3]。隨著重慶市城市化進(jìn)程加快，社會(huì)需求和土地供給的稀缺性之間的矛盾日益突出[4]。因此，研究重慶市土地利用的時(shí)空變化及其影響因素，對(duì)重慶市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全有著重要的意義。

土地利用變化作為全球環(huán)境變化研究的核心主題之一,已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-9]。重慶市的土地利用情況一直受到廣大學(xué)者的高度重視。陳丹等[10]以地形特征明顯的重慶都市區(qū)為例，以DEM數(shù)據(jù)和TM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，提取了2010年區(qū)域土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù),結(jié)果表明：隨著城市用地?cái)U(kuò)張，各種類型的土地利用在高緩坡區(qū)域，呈現(xiàn)出明顯的競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)，是人地關(guān)系協(xié)調(diào)的重點(diǎn)區(qū)域。范科紅等[11]利用RS和GIS技術(shù)對(duì)重慶主城區(qū)土地利用的時(shí)空變化進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示:1986～2007年間研究區(qū)建設(shè)用地面積迅速擴(kuò)大，耕地面積持續(xù)下降，林地和灌叢面積有所增加，水體的變化比例一直很小，土地利用類型的變化主要是耕地與建設(shè)用地和林地之間的相互轉(zhuǎn)移。陳倩等[12]利用遙感與GIS研究重慶山地城市區(qū)1985～2010年土地利用變化,發(fā)現(xiàn)1985～2010年重慶山地城市區(qū)總體上呈現(xiàn)耕地、草地、未利用地面積減少，林地、建設(shè)用地、水域面積增加的趨勢(shì),土地利用程度總體呈增大的趨勢(shì),表現(xiàn)出明顯的時(shí)間階段性。這些研究提高了我們對(duì)重慶市土地利用的認(rèn)識(shí)，但也都不同程度地存在一些局限：① 研究區(qū)域范圍小，缺乏對(duì)重慶市土地利用的時(shí)空演變特征的定量研究；② 重慶市土地利用與地理環(huán)境因子的相關(guān)分析缺乏詳細(xì)的數(shù)據(jù)支撐等。

鑒于此，筆者借助RS和GIS技術(shù)，以Landsat影像為主要數(shù)據(jù)源，研究重慶市2001～2016年土地利用的時(shí)空演變特征及其與地理環(huán)境因子的關(guān)系，以期為重慶市土地資源合理配置和有效利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略制定、區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善等提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

重慶市位于中國(guó)西南部、長(zhǎng)江上游地區(qū)，105°11′E～110°11′E，28°10′N～32°13′N地處青藏高原與長(zhǎng)江中下游平原的過渡地帶。面積8.24萬km2，轄38個(gè)區(qū)縣(自治縣)。戶籍人口3 371萬人，常住人口3 017萬人，常住人口城鎮(zhèn)化率59.6%。地貌以丘陵、山地為主，坡地面積較大，有“山城”之稱。重慶市屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,年平均氣溫16℃～18℃，年平均降水量較豐富，大部分地區(qū)在1 000～1 450 mm之間，降水多集中在5～9月，占全年總降水量的70%左右。重慶市域內(nèi)水系豐富，流經(jīng)的重要河流有長(zhǎng)江、嘉陵江、烏江、涪江、綦江、大寧河等。全市土壤類型主要有紫色土、黃棕壤、棕壤、黃壤、石灰土、粗骨土和水稻土等。地帶性植被以亞熱帶常綠闊葉林、暖性針葉林為主。

2 研究數(shù)據(jù)及方法

2.1 主要數(shù)據(jù)來源與處理

遙感影像來源于https://glovis.usgs.gov/，選取重慶市2001年和2016年的TM、OLI影像，并保證云量<10%，空間分辨率30 m，軌道號(hào)為(126-128)/(38-40)；DEM數(shù)據(jù)來源http://www.gscloud.cn/，選用GDEMV2 30m空間分辨率的產(chǎn)品。利用ENVI對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射校正、大氣校正、圖像增強(qiáng)、鑲嵌等預(yù)處理，用重慶行政區(qū)劃邊界對(duì)遙感影像進(jìn)行裁剪來獲取研究區(qū)范圍。采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別與人工目視判讀相結(jié)合的解譯方法，建立圖像解譯標(biāo)志。結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況和研究目的，依據(jù)全國(guó)土地利用分類系統(tǒng)，將研究區(qū)劃分為林地、草地、未利用地、耕地、水域、建設(shè)用地6類。經(jīng)野外驗(yàn)證，兩期遙感影像的總體精度分別是85.1 %和84.8 %，Kappa系數(shù)分別為0.78和0.77，滿足分析要求。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用動(dòng)態(tài)度分析

土地利用單一動(dòng)態(tài)度指數(shù)可定量描述區(qū)域土地利用變化的速度，對(duì)比土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測(cè)未來土地利用變化趨勢(shì)有重要作用[13]。研究采用王思遠(yuǎn)[14]等提出的反映區(qū)域土地利用類型變化劇烈程度的土地利用動(dòng)態(tài)度模型。公式表達(dá)為

k=[(Ub-Ua)/Ua]×T-1×100%

(1)

式中，Ua,Ub分別表示研究初期和研究末期某土地利用類型的面積；T為研究時(shí)段間隔；k為某土地利用類型的年變化率。

2.2.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

利用地圖代數(shù)原理，對(duì)重慶市2001年和2016年的土地利用類型進(jìn)行轉(zhuǎn)移特征提取，公式如下[15]：

(類型小于10時(shí)適用)

(2)

2.2.3土地利用與地形因子的相關(guān)分析

高程、坡度、坡向等地形因子對(duì)土地利用有重要的影響。將重慶市兩期土地利用類型圖分別與坡度、高程分級(jí)疊加，得出重慶市各土地利用類型與坡度、高程的相關(guān)表格。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用空間變化特征分析

由圖1和表1可知，重慶市的土地利用類型以耕地和林地為主，耕地和林地的面積之和約占重慶市總面積的92%。其中耕地面積約占土地總面積的55%，主要分布在重慶市中部、西部和西南部。林地面積約占土地總面積的37%，主要分布在重慶市的東北部和東南部。未利用地、水域、草地和建設(shè)用地面積之和約占土地總面積的8%，其中，草地主要分布在重慶市西北部，在其他地區(qū)也有零星分布。建設(shè)用地主要分布在河流交匯處及沿河地區(qū)，特別是長(zhǎng)江與嘉陵江交匯處是建設(shè)用地的主要集中地，且與2001年相比，2016年該地的建設(shè)用地呈現(xiàn)出向北、向西大幅擴(kuò)張的趨勢(shì)。

圖1 重慶市2001年和2016年土地利用類型分布Fig.1 The land use types of Chongqing in 2001 and 2016

3.2 土地利用時(shí)間變化特征分析

由表1可以看出：① 面積方面,重慶市2001～2016年耕地、草地面積減少，林地、建設(shè)用地、水域和未利用地面積增加。耕地面積減少最多，共減少了777.39 km2，建設(shè)用地面積增加最多，共增加了763.31 km2。② 土地利用動(dòng)態(tài)度方面，建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度變化最大，為12.01%，其次是未利用地，為6.99%。說明2001～2016年重慶市建設(shè)用地和未利用地增長(zhǎng)迅速。到2016年，建設(shè)用地的面積是2001年的約3倍，未利用地面積約為2001年的2倍。林地的動(dòng)態(tài)度最小，為0.02%。③ 由表2的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣看出，土地利用類型的轉(zhuǎn)移主要存在于耕地和建設(shè)用地、耕地和林地之間。耕地主要轉(zhuǎn)移為林地和建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移面積分別為743.11 km2和602.24 km2，共占其轉(zhuǎn)出面積的47.31%和38.34%。主要原因是退耕還林政策和城市的擴(kuò)建占用耕地。建設(shè)用地主要由耕地轉(zhuǎn)移而來，耕地的轉(zhuǎn)入量占其總轉(zhuǎn)入量的78.2%，說明城市的擴(kuò)張主要是以犧牲農(nóng)業(yè)用地為代價(jià)。水域的總面積有所增加，且主要由耕地轉(zhuǎn)移而來，耕地的轉(zhuǎn)入量占總轉(zhuǎn)入量的80.05%，主要原因是三峽工程的修建和蓄水運(yùn)行。

表1 重慶市土地利用變化統(tǒng)計(jì)Tab.1 The statistics of land use changes in Chongqing

表2 2001～2016年重慶市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 The transition matrix of the land use types in Chongqing

3.3 土地利用與坡度的關(guān)系分析

坡度是影響土地類型分布的重要因素之一，從表3可以看出：2001年和2016年，耕地都主要集中在坡度小于25°的地區(qū)，其面積約占耕地總面積的90%，特別是在5°～15°的地區(qū)，面積占比超過40%。草地、未利用地、建設(shè)用地和水域都主要集中在坡度小于15°的地區(qū)，林地的分布面積隨著坡度的增加而增加，建設(shè)用地的分布面積隨著坡度的增加而減少。由表4可知：與2001年相比，2016年耕地在各級(jí)坡度上面積都在減少，主要原因是城市建設(shè)占用耕地和退耕還林政策。由于城市建設(shè)和開墾草地為耕地，使草地面積在各級(jí)坡度上都呈減少趨勢(shì)。林地在0°～5°的坡度上有所減少，在大于5°的地區(qū)都在增加，說明在坡度小于5°的地區(qū)，城市擴(kuò)張侵占林地，在坡度大于5°的地區(qū)，退耕還林政策得到了很好的實(shí)施。與2001年相比，2016年未利用地在各級(jí)坡度上面積都在增加，其中在15°～25°和大于25°的地區(qū)增加幅度很大，增長(zhǎng)率達(dá)到了209.5%和219.32%，原因是三峽工程的建設(shè)使庫(kù)區(qū)內(nèi)滑坡、地震、泥石流等發(fā)生頻率增加，導(dǎo)致裸露地表增加。2001～2016年建設(shè)用地面積在各級(jí)坡度的漲幅都大，增長(zhǎng)率分別為118.05%，168.41%，186.64%，178.31%，表明在近15 a內(nèi)城市擴(kuò)張迅速。由于三峽水庫(kù)的修建和蓄水運(yùn)行，使水域面積略有增加。總體而言，耕地、草地、林地隨著坡度的增加，土地利用類型面積變化變慢，未利用地和水域隨著坡度的增加，土地利用類型面積變化變快，建設(shè)用地在各級(jí)坡度上面積變化都快。

表3 重慶市各土地利用類型與坡度的相關(guān)特征統(tǒng)計(jì)Tab.3 The correlation between land use and slope of Chongqing

注:列方向的%表示不同坡度分級(jí)占每種土地利用類型面積的百分比。

3.4 土地利用與高程的關(guān)系分析

由表5可以得出：耕地、草地和建設(shè)用地都主要集中在高程200～500 m的范圍內(nèi)，林地主要集中在高程1 000～1 500 m的范圍內(nèi)，在高程小于200 m的地區(qū)，是水域的主要集中區(qū)，其面積超過了水域總面積的60%。未利用地的主要分布范圍變化很大:2001年主要分布在高程200～500 m的地區(qū)，2016年主要分布在高程小于200 m的地區(qū)。從表6可以看出：與2001年相比，2016年在高程小于1 000 m的地區(qū)，耕地和草地的面積都在不斷減少，主要原因是城市的擴(kuò)展占用耕地和草地，特別是在高程小于200 m的地區(qū)，耕地面積和草地面積在15 a間分別減少了9.08%和12.94%，是面積減少最快的區(qū)域。林地在高程小于200 m和大于1 000 m的地區(qū)面積都在減少，在200～1 000 m的范圍內(nèi)在增加，說明在高程小于200 m的地區(qū)，林地被建筑用地侵占，在200～1 000 m的地區(qū)，由于退耕還林政策的實(shí)施，林地面積在少量增加，在高程大于1 000 m的區(qū)域，毀林現(xiàn)象仍然存在。未利用地在各級(jí)高程都有所增加，但增加總量不大。建筑用地在各級(jí)高程范圍內(nèi)都有增加，特別是200～500 m的范圍內(nèi)，是增長(zhǎng)最迅速的區(qū)域，增加了649.41 km2，說明由于低海拔區(qū)用地的飽和導(dǎo)致城市向高海拔區(qū)擴(kuò)展。2001年到2016年，在高程小于200 m的地區(qū)是各種土地利用類型面積變化最大的區(qū)域，各種土地類型在該區(qū)域存在最大的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

表4 各土地利用類型在不同坡度上的變化分析Tab.4 The analysis of changes of land use types on different grades

表6 各土地利用類型在不同海拔高度上的變化分析Tab.6 The analysis of changes of land use types on different altitudes

4 結(jié) 論

(1) 重慶市的土地利用類型以耕地和林地為主，建設(shè)用地主要分布在長(zhǎng)江與嘉陵江交匯處，與2001年相比，2016年該地的建設(shè)用地呈現(xiàn)出向北、向西大幅擴(kuò)張的趨勢(shì)。

(2) 從面積來看，重慶市2001～2016年，耕地面積減少最多，建設(shè)用地面積增加最多。從土地利用動(dòng)態(tài)度來看：建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度變化最大，其次是未利用地，林地的動(dòng)態(tài)度最小。從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來看，土地利用類型的轉(zhuǎn)移主要是由耕地轉(zhuǎn)移為林地和建設(shè)用地。

(3) 林地的分布面積隨著坡度的增加而不斷的擴(kuò)大，建設(shè)用地面積隨坡度的增大而不斷減小。與2001年相比，2016年建設(shè)用地面積在各級(jí)坡度的漲幅都大，表明在近15 a內(nèi)，城市擴(kuò)張迅速。

(4) 與2001年相比，2016年在高程小于1 000 m的地區(qū)，耕地和草地的面積都在不斷減少，林地在高程小于200 m和大于1000 m的地區(qū)面積在減少，200～1 000 m的范圍內(nèi)在增加，未利用地和水域在各級(jí)高程都有所增加，但增加總量不大。建筑用地在各級(jí)高程范圍內(nèi)都在增加，特別是200～500 m的范圍內(nèi)，是增長(zhǎng)最迅速的區(qū)域。