地形對重慶市土地利用動態變化影響分析

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(1.西南大學 地理科學學院，重慶 400715； 2.遙感大數據應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，是社會得以持續發展的基礎，是勞動對象、人工生態環境改造的基本載體[1]。土地利用變化是引起區域環境變化的關鍵因素[2]。我國地形起伏大，人地關系矛盾突出，土地資源的合理利用長期以來一直是學者研究的熱點與焦點之一[3]。隨著重慶市城市化進程加快，社會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空變化及其影響因素，對重慶市的經濟發展和生態安全有著重要的意義。

土地利用變化作為全球環境變化研究的核心主題之一,已經受到國內外學者的廣泛關注[5-9]。重慶市的土地利用情況一直受到廣大學者的高度重視。陳丹等[10]以地形特征明顯的重慶都市區為例，以DEM數據和TM數據為基礎數據源，提取了2010年區域土地利用現狀數據和坡度數據,結果表明：隨著城市用地擴張，各種類型的土地利用在高緩坡區域，呈現出明顯的競爭趨勢，是人地關系協調的重點區域。范科紅等[11]利用RS和GIS技術對重慶主城區土地利用的時空變化進行了分析，結果顯示:1986～2007年間研究區建設用地面積迅速擴大，耕地面積持續下降，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用地和林地之間的相互轉移。陳倩等[12]利用遙感與GIS研究重慶山地城市區1985～2010年土地利用變化,發現1985～2010年重慶山地城市區總體上呈現耕地、草地、未利用地面積減少，林地、建設用地、水域面積增加的趨勢,土地利用程度總體呈增大的趨勢,表現出明顯的時間階段性。這些研究提高了我們對重慶市土地利用的認識，但也都不同程度地存在一些局限：① 研究區域范圍小，缺乏對重慶市土地利用的時空演變特征的定量研究；② 重慶市土地利用與地理環境因子的相關分析缺乏詳細的數據支撐等。

鑒于此，筆者借助RS和GIS技術，以Landsat影像為主要數據源，研究重慶市2001～2016年土地利用的時空演變特征及其與地理環境因子的關系，以期為重慶市土地資源合理配置和有效利用、社會經濟發展戰略制定、區域生態環境質量改善等提供一定的參考依據。

1 研究區概況

重慶市位于中國西南部、長江上游地區，105°11′E～110°11′E，28°10′N～32°13′N地處青藏高原與長江中下游平原的過渡地帶。面積8.24萬km2，轄38個區縣(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性濕潤氣候,年平均氣溫16℃～18℃，年平均降水量較豐富，大部分地區在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。重慶市域內水系豐富，流經的重要河流有長江、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 研究數據及方法

2.1 主要數據來源與處理

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，軌道號為(126-128)/(38-40)；DEM數據來源http://www.gscloud.cn/，選用GDEMV2 30m空間分辨率的產品。利用ENVI對遙感影像進行輻射校正、大氣校正、圖像增強、鑲嵌等預處理，用重慶行政區劃邊界對遙感影像進行裁剪來獲取研究區范圍。采用計算機自動識別與人工目視判讀相結合的解譯方法，建立圖像解譯標志。結合研究區的實際情況和研究目的，依據全國土地利用分類系統，將研究區劃分為林地、草地、未利用地、耕地、水域、建設用地6類。經野外驗證，兩期遙感影像的總體精度分別是85.1 %和84.8 %，Kappa系數分別為0.78和0.77，滿足分析要求。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用動態度分析

土地利用單一動態度指數可定量描述區域土地利用變化的速度，對比土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢有重要作用[13]。研究采用王思遠[14]等提出的反映區域土地利用類型變化劇烈程度的土地利用動態度模型。公式表達為

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土地利用轉移矩陣分析

利用地圖代數原理，對重慶市2001年和2016年的土地利用類型進行轉移特征提取，公式如下[15]：

(類型小于10時適用)

(2)

2.2.3土地利用與地形因子的相關分析

高程、坡度、坡向等地形因子對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、高程分級疊加，得出重慶市各土地利用類型與坡度、高程的相關表格。

3 結果與分析

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，在其他地區也有零星分布。建設用地主要分布在河流交匯處及沿河地區，特別是長江與嘉陵江交匯處是建設用地的主要集中地，且與2001年相比，2016年該地的建設用地呈現出向北、向西大幅擴張的趨勢。

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，建設用地面積增加最多，共增加了763.31 km2。② 土地利用動態度方面，建設用地動態度變化最大，為12.01%，其次是未利用地，為6.99%。說明2001～2016年重慶市建設用地和未利用地增長迅速。到2016年，建設用地的面積是2001年的約3倍，未利用地面積約為2001年的2倍。林地的動態度最小，為0.02%。③ 由表2的土地利用轉移矩陣看出，土地利用類型的轉移主要存在于耕地和建設用地、耕地和林地之間。耕地主要轉移為林地和建設用地，轉移面積分別為743.11 km2和602.24 km2，共占其轉出面積的47.31%和38.34%。主要原因是退耕還林政策和城市的擴建占用耕地。建設用地主要由耕地轉移而來，耕地的轉入量占其總轉入量的78.2%，說明城市的擴張主要是以犧牲農業用地為代價。水域的總面積有所增加，且主要由耕地轉移而來，耕地的轉入量占總轉入量的80.05%，主要原因是三峽工程的修建和蓄水運行。

表1 重慶市土地利用變化統計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，其面積約占耕地總面積的90%，特別是在5°～15°的地區，面積占比超過40%。草地、未利用地、建設用地和水域都主要集中在坡度小于15°的地區，林地的分布面積隨著坡度的增加而增加，建設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年耕地在各級坡度上面積都在減少，主要原因是城市建設占用耕地和退耕還林政策。由于城市建設和開墾草地為耕地，使草地面積在各級坡度上都呈減少趨勢。林地在0°～5°的坡度上有所減少，在大于5°的地區都在增加，說明在坡度小于5°的地區，城市擴張侵占林地，在坡度大于5°的地區，退耕還林政策得到了很好的實施。與2001年相比，2016年未利用地在各級坡度上面積都在增加，其中在15°～25°和大于25°的地區增加幅度很大，增長率達到了209.5%和219.32%，原因是三峽工程的建設使庫區內滑坡、地震、泥石流等發生頻率增加，導致裸露地表增加。2001～2016年建設用地面積在各級坡度的漲幅都大，增長率分別為118.05%，168.41%，186.64%，178.31%，表明在近15 a內城市擴張迅速。由于三峽水庫的修建和蓄水運行，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，建設用地在各級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特征統計Tab.3 The correlation between land use and slope of Chongqing

注:列方向的%表示不同坡度分級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系分析

由表5可以得出：耕地、草地和建設用地都主要集中在高程200～500 m的范圍內，林地主要集中在高程1 000～1 500 m的范圍內，在高程小于200 m的地區，是水域的主要集中區，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，2016年主要分布在高程小于200 m的地區。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，耕地和草地的面積都在不斷減少，主要原因是城市的擴展占用耕地和草地，特別是在高程小于200 m的地區，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域。林地在高程小于200 m和大于1 000 m的地區面積都在減少，在200～1 000 m的范圍內在增加，說明在高程小于200 m的地區，林地被建筑用地侵占，在200～1 000 m的地區，由于退耕還林政策的實施，林地面積在少量增加，在高程大于1 000 m的區域，毀林現象仍然存在。未利用地在各級高程都有所增加，但增加總量不大。建筑用地在各級高程范圍內都有增加，特別是200～500 m的范圍內，是增長最迅速的區域，增加了649.41 km2，說明由于低海拔區用地的飽和導致城市向高海拔區擴展。2001年到2016年，在高程小于200 m的地區是各種土地利用類型面積變化最大的區域，各種土地類型在該區域存在最大的競爭關系。

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 論

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

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

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

(4) 與2001年相比，2016年在高程小于1 000 m的地區，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的地區面積在減少，200～1 000 m的范圍內在增加，未利用地和水域在各級高程都有所增加，但增加總量不大。建筑用地在各級高程范圍內都在增加，特別是200～500 m的范圍內，是增長最迅速的區域。