甬江流域土地利用時空格局變化特征分析

邵姝遙，曹羅丹，田鵬，趙夢琪，張柯琴，鄒之晗，周靜芬，周藝

(寧波大學 地理與空間信息技術系，浙江 寧波 315211)

作為國際地圈生物圈計劃(IGBP)和全球變化人文計劃(IHDP)兩大國際合作項目共同支撐的核心研究計劃，土地利用變化一直是地球科學研究的熱點[1]。土地利用變化既能反映自然格局、過程與人類社會之間最直接的相互關系，更是人口、資源、環境可持續發展的基本問題[2]。目前，國內外土地利用變化研究集中在時空格局分布特征和時空開發利用強度[3]、土地利用變化驅動因素探析，以及土地利用變化對區域景觀格局、生態系統穩定性的影響，包括生態風險評價、生態服務價值對土地利用的響應分析[4-6]等方面。如馮佰香等[7]基于象山港土地利用變化，分析其土地開發利用強度；劉永超等[8]對比了中國象山港和美國坦帕灣土地利用變化對生態服務價值的影響。

甬江流域坐落于我國經濟發達的東南沿海區域，廣布的河流水系網和充沛的河流水量孕育了河姆渡七千年文明和“寧波幫”傳承精神，推快了“寧波城”走向繁榮和興盛的步伐。目前，國內對甬江流域的研究集中于河流水污染方面[9]。隨著經濟飛速發展，甬江流域的土地利用正發生著急劇變化，土地利用變化破壞了流域景觀格局的穩定性，對區域生物多樣性和生態系統服務功能亦會產生一定的影響。在實行最嚴格的生態環境保護制度的背景下，了解人類活動對甬江流域土地利用類型的影響，以及從較長時間段上分析甬江流域土地利用的時空變化特征，有利于流域合理利用土地資源，促進生態環境的治理和保護。為此，特基于甬江流域土地利用變化，分析其土地利用轉換方向和結構，以及土地利用開發強度，為區域合理開發和保護土地資源、維護生態環境穩定提供理論和實踐指導[10]。

1 研究區概況

甬江流域位于我國東南沿海，浙江省東北部，寧紹平原東部的三江平原地區，地理坐標29°24′～30°49′N、120°49′～120°56′E。甬江流域面積約為3 788 km2，全長105 km，是寧波最主要的河流之一，由奉化江和余姚江兩江在寧波市區三江口匯集而成。甬江流域處于亞熱帶季風氣候區，地勢西南高、東北低。甬江流域行政范圍大部分位于寧波市的江北區、鄞州區、海曙區、鎮海區、奉化區及余姚市，小部分位于北侖區、慈溪市及寧海縣，區位條件優越，交通便利。甬江流域在促進寧波社會經濟快速發展中起到了重要的推動作用，但在快速工業化和城市化的過程中，土地利用類型與結構變化明顯。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究使用的數據來自于地理國情監測云平臺(http://www.dsac.cn/)，包括浙江省的1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015共7期1∶100 000土地利用數據。結合甬江流域行政矢量邊界，疊加得到研究所需數據。根據全國土地資源分類系統、甬江流域自然生態背景及本文實際需要，把土地利用類型劃分為8類：耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地、灘涂，以及包括在流域邊界線內的海域[11]，灘涂主要是沿海大潮高潮位與低潮位中間的潮侵地帶，其他土地利用類型內涵詳見文獻[12]。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉移矩陣

利用馬爾可夫模型計算出不同時期土地開發利用狀態的轉移矩陣，對甬江流域每個時期的土地利用數據進行疊加，分析得到甬江流域35 a間土地利用類型的轉移方向、轉移面積等變化情況，具體計算公式參見文獻[13]。

2.2.2 土地利用動態度

土地綜合利用動態度與單一利用動態度指數可以用來描述區域和某種土地利用類型變化的強度和速度[14]。土地單一利用動態度表達式：

K=(Ub-Ua)÷(UaT)。

式中：K為研究時段內某一土地利用類型動態度，Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一土地利用類型的數量；T為研究時段長。土地綜合利用動態度的計算公式參見文獻[14]。

2.2.3 土地利用程度

參照前人的研究[15]，將土地利用程度數量化，采用土地利用程度指數來研究土地的開發利用程度，其計算公式為

式中：L為研究區的土地利用程度綜合指數；Ai為研究區內第i級土地利用程度分級指數；Ci為研究區內第i級土地利用程度的面積百分率；n為土地利用程度分級數。據前人經驗[15]及研究需要，劃分土地利用程度分級：未利用土地級，包括的土地利用類型為未利用地、灘涂，分級指數1；林、草、水用地級，包括的土地利用類型為林地、草地水域，分級指數2；農業用地級，包括的土地利用類型為耕地、養殖用地，分級指數3；城鎮聚落用地級，包括的土地利用類型為建設用地，分級指數4。

3 結果與分析

3.1 土地利用總體變化

對甬江流域1980—2015年的土地利用類型面積進行整理發現(圖1)，甬江流域各土地利用類型在數量和結構上發生了較大的變化：草地面積及比例在前10 a大幅減少，此后25 a變化面積較小；耕地面積及比例在1995—2000年前有微小增加，但總體上呈持續減少態勢，減少了553.51 km2；海域面積及比例在2010年及以前基本無變化，但在此后5 a內比例快速減小至消失；建設用地持續快速增加且增速明顯，從1980年的3.91%增加到2015年的18.60%，共增加了556.63 km2；林地面積及比例以1995年為峰值先增加后減小，但研究初期至后期變化總體較小；水域面積持續增加，但增速不均；灘涂面積比例在1980—1990年增加，在1990—2000年保持穩定，在2000—2005年迅速減小，在2005—2010年保持穩定，于2010—2015年減小至消失；未利用地面積及比例于1980—1990年減小明顯，隨后5 a有較小增加，之后保持平穩。

圖1 甬江流域各時期土地利用類型結構

3.2 土地利用轉移分析

借助轉移矩陣來分析土地利用類型在不同時期的轉移方向和數量(表1)。1980—2015年，研究區內轉移面積最大的為耕地轉向建設用地，89.36%的耕地轉移成建設用地，轉移面積為521.90 km2。草地93.03%轉出為林地，海域主要轉出為建設用地及草地。建設用地轉入來源多，轉出較少，主要由耕地和林地轉移而來，轉入比重分別為92.61%、6.29%。林地主要轉出為建設用地、耕地和草地，水域主要轉出為耕地和建設用地，灘涂主要轉出為水域，未利用地主要轉出為建設用地。海域和灘涂在研究初期面積較小且在研究期末全部轉為其他土地利用類型。甬江流域在35 a土地利用轉型的過程中，各土地利用類型之間轉換復雜。

表1 1980—2015年甬江流域土地利用轉移矩陣

在土地利用轉移空間上(圖2)，甬江流域耕地轉為建設用地分布較廣泛，主要位于地形平坦、地理位置較好的地區，靠近人類活動強烈的城鎮區域，這些區域的土地利用強度高、土地利用需求量大。在退耕還林政策背景下，耕地在部分地區轉換為林地，主要發生在山地、丘陵等地形起伏相對較大且不適宜耕種的地區。耕地轉為水域主要發生在東部地區，在沿海水產養殖興起的背景下土地利用方式發生轉變。在人口增加和保障糧食安全的背景下，林地轉為耕地主要分布在地形相對平坦、適合耕種的地區。林地向建設用地的轉換聚集在城鎮的郊區，處于城市擴張的范圍內，受經濟發展水平和速度影響較大。草地向林地轉換集中在低緩山地和丘陵地形區，處于甬江流域中部偏西地區。

3.3 土地利用速率分析

計算甬江流域35 a間各個時期各土地利用類型的綜合及單一利用動態度(表2)，分析其土地利用變化速率。甬江流域35 a土地綜合利用動態度為0.42%。其中，1990—1995、2000—2005年2個時間段內土地綜合利用動態度較大，1980—1990、2005—2010年2個時間段土地利用綜合動態度較小，反映了甬江流域土地利用變化在前期和后期較為穩定，中期比較明顯。

圖2 1980—2015年甬江流域土地利用轉移的空間分布

表2 1980—2015年甬江流域土地利用變化速率

建設用地單一利用動態度35 a間均為正數，面積持續增長。耕地面積雖減少，但由于面積基數較大，所以動態度較小，研究期末下降了0.51%。草地、未利用地單一利用動態度起伏變化，總體上呈上升趨勢。水域土地利用變化速率呈減小趨勢，海域、灘涂利用動態度在2010—2015年間變化較大。林地利用動態度變化最小，雖在各個小時間段內均有變化且有個別年份變化幅度較大，但總體較為平衡。

土地綜合利用動態度和單一利用動態度在不同時間段內表現出較大的差異，反映了甬江流域開發利用的不均衡性和不確定性。開墾農田與退耕還林同時進行，增大了經濟成本，破壞了生態環境，耕地與建設用地的交替轉換，在一定程度上降低了土地的生產力，破壞了土地的可持續利用性。

3.4 土地利用程度分析

通過計算得到甬江流域土地利用程度指數，運用ArcGIS 10.3軟件對其中的1980、1995、2005、2015年土地利用程度進行空間化，再對評價結果進行分等定級，將評價結果分為弱、較弱、中、較強和強5個等級，以反映甬江流域土地利用程度的空間變化。時間上，1980—2015年間，甬江流域土地利用程度總體上呈上升趨勢，反映了研究期間人類對甬江流域的土地利用程度不斷上升。其中，1990—1995年，土地利用程度有所下降，而2000—2005年土地利用程度綜合指數上升最快，增加了8.27。

空間上，35 a間甬江流域土地開發利用程度區域差異明顯(圖3)，北部高于南部，東部高于西部。整個甬江流域范圍內，1980年土地利用中等以上程度合計占65.08%，較強程度的土地利用面積占41.24%，強等級土地利用程度分布在寧波市區范圍的中心地帶，面積占比為1.37%，弱等級土地開發利用程度的土地分布在研究區東北角。1995年土地開發利用程度為中等以上的土地面積減少，總計占甬江流域總面積的61.88%，研究區北部即余姚市東北部和寧波市區范圍西北部較大面積土地的利用程度由較強級轉變為較弱級。2005年土地開發利用程度為中等以上的土地面積增加，占甬江流域總面積的66.21%，原有的開發利用程度為強的余姚市中心地帶、寧波市區范圍的中心地帶及奉化中心地帶以其自身為中心得到了快速的擴張。2015年土地開發利用程度為中等以上的土地面積比例增加至最大值67.35%，土地利用程度達到最大。

圖3 甬江流域土地利用程度空間分布

總體來說，研究區內土地開發利用程度普遍較高，中等以上程度面積呈增加趨勢，其中開發利用程度為強的土地面積所占比例穩定持續增加且增加速度越來越快，較強開發利用程度土地面積整體上呈持續減少狀態，中等程度的土地面積變化不明顯，稍有減少，較弱級及弱級土地持續減少，在2015年達到最小值。由于西南部山地丘陵對土地開發利用的限制，東部及北部的土地開發利用程度越來越高。耕地中化肥農藥的使用，居民點及工廠企業生活垃圾、固體廢棄物的污染，使得甬江流域東部及北部的土地受到人類活動的嚴重影響，來自生產生活的壓力越來越大。

4 小結

對甬江流域1980—2015年的土地利用時空格局變化特征進行分析，結果發現：甬江流域草地、林地、耕地、海域、灘涂、未利用地面積縮減，建設用地和水域面積持續增長。耕地主要轉為建設用地、林地和水域，海域、林地和未利用地主要轉為建設用地，草地主要向林地轉換，土地利用轉移趨向復雜化。甬江流域耕地轉為建設用地主要位于地形平坦、地理位置較好的地區，靠近人類活動強烈的城鎮區域。耕地轉換為林地主要發生在山地、丘陵等地形起伏相對較大且不適宜耕種的地區。耕地轉為水域主要發生在東部地區。林地轉為耕地主要分布在地形相對平坦、適合耕種的地區。林地向建設用地轉換聚集在城鎮的郊區，處于城市擴張的范圍內。草地向林地轉換集中在低緩山地和丘陵地形區，處于甬江流域中部偏西地區。甬江流域土地綜合利用動態度為0.42%。建設用地單一利用動態度35 a間均為正數，耕地單一利用動態度下降了0.51%。草地、未利用地單一利用動態度總體呈上升趨勢，林地單一利用動態度變化最小。土地綜合利用動態度和單一利用動態度在不同時間段內表現出較大的差異，反映了甬江流域開發利用的不均衡和不確定性。甬江流域土地利用程度不斷上升，研究期末增長了57.89%，其區域分異明顯，受地形條件、地理區位、經濟發展等因素影響，土地利用程度空間上呈現北部高于南部、東部高于西部的特征。