吉林省1990-2018年土地利用空間分布及其變化

劉志川， 王建國,2， 梁書維， 王雨婷

(1.吉林大學 地球科學學院, 吉林 長春 130021; 2.吉林大學 地球探測科學與技術學院, 吉林 長春 130026)

土地是綜合了人類活動成果的自然—經濟綜合體，土地利用結構是人類土地利用活動與土地自然特點及其所處的社會經濟條件長期共同作用的結果[1]，是了解土地利用是否與需求相吻合，是否與土地的自然現狀相適應的重要方式[2]，其現狀反映了區域內經濟水平、生態水平及人類社會發展的程度[3]。土地利用空間分異的變化是闡明地區土地利用結構的重要依據，也是揭示區域發展規律的重要方式[4]。20世紀末以來，我國土地利用研究工作的一個重要特點是重視土地利用變化對生態環境狀況及全球變化的影響。在研究初期應用土地利用變化度、年變化率等指標揭示土地利用的動態變化[5]，但是研究內容比較單一，后來又增加了土地利用變化幅度、程度、變化轉移矩陣等來揭示土地利用和經濟發展的協調關系[6]。隨著研究的不斷深入，多樣化指數、優勢度指數、均勻度指數和信息熵等景觀結構指數被應用于土地利用空間分異變化研究中，并結合GIS空間分析技術對不同空間尺度的土地利用結構進行數量結構、空間格局狀況等方面的分析[7-8]，但研究區域大多以市縣為主，缺少對于省域的空間分異特征研究。隨著可持續發展理念的深入，經濟發展的模式和人類生活方式的改變[9]，眾多學者通過構建評價指標、運用多元統計方法及數學模型對土地利用空間分異變化的驅動因素及影響進行探討，土地利用變化也在多項研究中呈現出區域性特征[10-13]，但由于研究區域多為市縣級，區域特征的呈現不夠明顯。為此，本研究以吉林省為研究區，將計量地理模型統計結果與空間地理位置變化緊密結合，綜合分析土地利用空間分異變化并分區剖析其影響因素，為省域的土地利用的可持續發展及其生態環境建設提供科學依據。

1 研究區概況

吉林省地處中國東北中部，位于121°38′—131°19′E，40°50′—46°19′N，土地面積1.87×105km2，下轄長春(省會)、吉林、四平、松原、白城、遼源、通化、白山8個地區級城市和延邊朝鮮族自治州，另直管梅河口、公主嶺2個縣級市。吉林省地貌形態差異明顯，地勢由東南向西北傾斜，呈現明顯的東南高、西北低的特征。以中部大黑山為界，可分為東部山地和中西部平原兩大地貌區。東部山地分為長白山中山低山區和低山丘陵區，中西部平原分為吉林中部臺地平原區和吉林西部草甸、湖泊、濕地、沙地區，據此將研究區劃分為西部、中部和東部3個地區。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

以1990年吉林省土地利用現狀調查數據及吉林省2018年度土地變更調查數據作為數據源，因為兩期數據地類分類標準發生變化，根據研究需要，以1990年數據地類為基準，將2018年數據進行整合，劃分為耕地、園地、林地、草地、城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、未利用地共計8種土地利用現狀類型進行研究。1990—2018年，吉林省內所轄部分行政區的范圍、名稱和部分縣市的歸屬發生了變化。為了確保研究區域的一致性及兩期研究數據的可比性，本文以1990年第1次吉林省土地調查、1990年吉林省行政區劃圖和1991年《吉林省社會經濟統計年鑒》中的吉林省行政區為基礎，以市區和縣(縣級市)為研究單位，確定評價單元共49個，市區包括長春、吉林、四平、遼源、通化、白山、松原、白城、延邊共9個，縣(縣級市)共40個。其中，臨江縣1990年由通化管轄，1993年由國務院批準撤縣設為臨江市，由地級市白山市代管。

2.2 研究方法

基于已有的土地利用數據，計算多樣化指數、土地區位指數、信息熵、均衡度，分析其空間分布特征，使用莫蘭指數進行空間自相關的探索，探究各項指數的空間集聚情況，并分析土地利用空間分異變化的驅動因素[14]。

2.2.1 土地利用面積比例與區位指數 土地利用面積比例是指區域內的某類用地面積占該區域面積的百分比[15]。計算公式為：

(1)

式中：Kij為i區域j類用地的面積比；aij為i區域j類用地的面積；Si為i區域總面積。

該式可以計算出區域內何種土地利用在該范圍內存在面積優勢。區域內Kij最大的土地利用類型即為優勢地類。

土地利用區位指數反映某區域相對與其上一級區域各地類的相對集聚程度。計算公式為：

(2)

式中：Qi為某土地類型的區位指數；fi為某一區域內第i種土地類型的面積;Fi為其上一級區域內第i種土地類型的面積。如果區域指數Qi>1,則該土地類型具有區位意義,否則不具有區位意義[16]。

當土地利用面積比例和區位指數均占優勢的時候，認定該種地類為此區域的雙優勢地類。雙優勢地類即為區域內當前最重要的用地類型。

2.2.2 多樣化指數 土地利用結構的多樣性反映區域內各用地類型的齊全程度或多樣化狀態，應用吉布斯—馬丁(Gibbs-Martin)多樣化指數定量表達。計算公式為[17]：

(3)

式中：G為多樣化指數;Li為某一區域第i種土地利用類型的面積與該區域總面積之比;n為土地利用類型的數量。多樣化指數的值在0～1之間；G值趨于0,說明該區土地利用類型越少或者某用地類型面積比例過大；G值趨近于1,表明土地利用類型多樣化程度高[16,18]。

2.2.3 信息熵、均衡度 土地利用信息熵反映土地利用結構均衡度，熵值越大，表明土地利用的職能類越多，各職能類的面積相差越小。計算公式為[19-23]：

假定一個城市的用地面積為A，根據功能可將其分為n個職能類型，若各職能類的面積分別為A1,A2,…,An，則A=A1+A2+…+An=∑Ai，(i=1,2，…，n)，定義“概率”為

(4)

顯然所有Pi之和等于1，于是得城市土地利用結構的信息熵公式，即

(5)

式中：S為某區域土地總面積;Si為某一用地類型的面積;H為該區域土地利用信息熵。當各種土地利用類型面積相等時,則：

Hmax=ln(n)

(6)

基于土地利用信息熵，可以構建土地利用均衡度公式[9,24]，即

(7)

式中：J表示均衡度，是實際信息熵與最大信息熵之比，J值越大,表明土地利用的均質性越強。

2.2.4 莫蘭指數 地理數據接受空間相互作用與空間相鄰擴散的綜合影響，彼此之間相互關聯，莫蘭指數可以將這一關聯性很好表達，Moran’s I指數表達式為[14]：

(8)

局部空間自相關則是根據空間位置的不同來觀察空間關系的不同，因此可以有效衡量觀測地點與周圍區域的空間相互關聯程度。Local Moran’sIi計算公式為：

(9)

式中：Zi，Zj為屬性值的標準化形式；wij為要素i與j之間的空間權重。

3 結果與分析

以1990和2018年土地利用數據為基礎，利用土地利用面積比例、區位指數來反映雙優勢類型(表1)，采用多樣化指數、信息熵、均衡度反映土地利用空間分布特征。得出吉林省土地利用多樣化指數、信息熵、均衡度指數(表2)。

3.1 土地利用時空分布特征

3.1.1 雙優勢地類分布及變化 將區域內的主要地類和具有區位意義的地類進行統計，得到吉林省雙優勢土地利用分布圖(圖1)。吉林省1990—2018年總體上保持林地和耕地為雙優勢地類的用地特征。兩期對比可見，吉林省雙優勢地類西部、東部變化較大，中部整體相對穩定，個別縣市變化明顯。西部的松原地區耕地雙優勢出現明顯減少，白城地區由原來的多種優勢類并存轉變為以耕地雙優勢為主，水域的雙優勢消失(鎮賚縣)、未利用地雙優勢轉化為林草雙優勢(大安市)；東部地區的變化主要體現在白山地區(撫松縣與渾江市)林地雙優勢的增加，通化地區(柳河縣與輝南縣)耕地雙優勢的增加，整體上仍以林地雙優勢為主；中部地區總體表現為耕地和個別地區城鎮村及工礦用地雙優勢增加、減少的特征。其中，磐石市與東遼縣由無優勢地類轉變為耕地雙優勢，東豐縣雙優勢由林地轉為耕地，遼源市區城鎮村及工礦用地雙優勢消失，長春市城鎮村及工礦用地的雙優勢顯現。

表2 吉林省土地利用多樣化指數、信息熵、均衡度指數

圖1 吉林省土地利用雙優勢分布

3.1.2 多樣化指數 將1990和2018年的多樣化指數全部匯總，并利用自然斷點法分成5個等級，得到吉林省土地利用多樣化指數分布圖(圖2)。吉林省1990—2018年土地利用多樣化指數保持西高東低的特征。其中1990年多樣化指數的平均值為0.53,2018年為0.47，多樣化指數整體上呈現出降低的態勢。空間上吉林省西部多樣化指數由原來的大范圍極高開始逐漸下降至高；除長春城區多樣化有所增加以外，吉林省中部多樣化指數從原來的高逐漸轉為中等程度，吉林省東部地區多樣化指數基本維持在原有的低水平。

3.1.3 信息熵與均衡度 將1990年和2018年的土地利用信息熵指數匯總，并利用自然斷點法分成5個等級，得到吉林省土地利用信息熵、均衡度分布圖(圖3—4)。1990年和2018年吉林省信息熵和均衡度都呈現出西高東低的特征，全省呈現總體下降的趨勢。其中，西部信息熵由原來的大范圍極高開始逐漸下降至高；除長春城區信息熵有所增加以外，吉林省中部信息熵從原來的高逐漸轉為中等程度，吉林省東部地區信息熵基本維持在原有的低水平，但長春城區的信息熵及均衡度由高上升到極高。信息熵和均衡度體現一個地區的土地利用職能類的數量和均質性，長春城區信息熵及均衡度的上升表明長春市的城市化水平有所提高，土地職能趨于均衡。

圖2 吉林省土地利用多樣化指數分布

3.2 土地利用空間聚集特征

1990—2018年，吉林省土地利用多樣化指數、信息熵、均衡度3個指數整體均有所下降，且在不同的區域具有不同的變化程度。這3項指數的下降，表明吉林省范圍內的土地利用類型在不同區域產生了變化，土地利用職能的多樣性在不同區域均有所下降，但土地利用職能類卻并沒有減少或消亡，結合雙優勢地類的變化情況，說明在1990—2018年，多種土地利用類型并沒有均勻分布在全省，而是產生了不同情況的聚集。通過莫蘭指數探索吉林省土地利用多樣化指數和信息熵的空間集聚特征，并分析土地利用變化的空間分異。地理事物或屬性在空間分布上互為相關，存在集聚、隨機、規則分布。采用全局空間自相關探索全省49個縣市的多樣化指數與信息熵在空間上的聚集現象，結果詳見表3。通過分析結果(表3)發現： ①p值均小于顯著性水平0.05，即置信度大于95%，數據具有研究性和可信性； ②顯著性水平0.05下的臨界值為1.96，全部Z值均大于1.96，表明全省的土地利用多樣化指數與信息熵存在著空間聚集現象；莫蘭指數的計算結果均在0.5以上，說明多樣化指數與均衡度均存在正的空間自相關；為了獲得更精確的聚集情況，決定采用Anselin Local Moran’sI指數進一步計算。

圖3 吉林省土地利用信息熵分布

圖4 吉林省土地利用均衡度分布

表3 吉林省全局莫蘭指數分析

根據Anselin Local Moran’sI指數計算結果(圖5—6)可以將兩項指數的空間聚集特征劃分為HH(高—高聚集)區域和LL(低—低聚集)區域。整體來看多樣化指數和均衡度，HH(高—高聚集)聚集區最主要分布在吉林省的西部(白城市和松原市部分地區)，LL聚集區主要分布在吉林省的東部(延吉市、白山市以及通化市部分地區)。從兩期結果來看，1990—2018年多樣化指數以及均衡度的HH聚集區和LL聚集區均有所變化。兩項指數的HH聚集區域均有所收縮，松原市部分區域的多樣化指數HH聚集特征消失；均衡度的LL聚集區域略有擴大。結果表明地理位置對于土地利用類型的空間分布及變化有著重要的影響。

4 討論與結論

4.1 討 論

4.1.1 自然因素對空間分異變化的影響 吉林省從西部到東部，氣候、地貌類型具有明顯的差異，土地利用類型、土地利用結構與功能等也因此會呈現出中、東、西差異特征[25]。 ①地形地貌因素。吉林省東部地區包括延邊朝鮮族自治州、白山市和通化市。地貌類型以長白山山地為主，地勢東北高、西南低，局部有丘陵和山地分布。區域內分布著長白山、天佛指山等國家級自然保護區，森林生態功能突出；中部地區包括長春市、吉林市、四平市和遼源市，地貌類型以沖擊、洪積平原為主；西部地區包括白城市和松原市，該地區處于松嫩平原的西部科爾沁大草原的東部，除西北端為大興安嶺東麓低山丘陵外，絕大部分地區為海拔200 m以下的平原。因此，東部地區用地類型以林地為主，28 a間林地作為東部主要的用地類型面積不斷擴大，優勢逐漸突出，而中部和西部地區地勢相對平坦，以耕地和草地為主要用地類型，28 a間耕地面積逐漸擴大，成為優勢地類。土地利用類型與地形地貌的空間分異規律相吻合，吉林省在28 a間信息熵和均衡度都維持較高水平，表明吉林省土地利用的均質性較強，土地利用職能總體平衡；國土空間適宜性及生態用地保護良好，能夠因地制宜的進行土地利用，無明顯的人類對自然的干擾。 ②氣候因素。氣溫和降水是造成自然景觀和環境差異的重要影響之一，對于農作物的生長也起著至關重要的作用，吉林省氣象資料詳見表4。結合表4及其他氣象資料[26]，吉林省西部地區溫度整體持續高于其他區域，且降水量明顯少于其他地區，東部降水條件最好，中部地區處于中等水平。西部地區長時間降水量少、氣候趨向干旱，導致該地區的水域雙優勢逐漸消失；持續干旱也使得西部地區耕地、草場存在著不同程度的鹽堿化和沙化，區域耕地耕作條件和抗災能力較差，農牧業持續發展受到影響。

圖5 土地利用多樣化指數空間聚集特征變化

圖6 土地利用均衡度指數空間聚集特征變化

表4 吉林省1981-2018年(5-9月)氣象要素變化

4.1.2 社會經濟因素對空間分異變化的影響 吉林省社會經濟發展持續向好。中部地區是吉林省經濟隆起地帶[27]，承擔著經濟發展的重要責任，長春為吉林省省會城市，城市擴展迅速，城鎮居住用地的雙優勢開始顯現；長春地區信息熵及均衡度由高上升到極高，表明長春在城市化進程中用地多樣性更加顯著和均衡；遼源地區是以煤炭開采為主的老工業基地，隨著資源枯竭，經濟轉型，城鎮村及工礦用地逐漸減少[28]。同時，中部地區是我國的黑土分布區及重要的糧食主產區，多年來一直大力發展農業，肩負著保護糧食安全的重大責任，嚴格保護基本農田及農地生態環境，耕地的優勢得以擴大。西部地區生態環境脆弱，多年來致力于環境治理和生態保護，重點恢復草地，發展農牧業，施行的退耕還草、鹽堿地治理、土地綠化等措施，使得生態環境得到改善，土地利用程度提高[29]。未利用地雙優勢轉化為林草雙優勢，是該區域順勢而為，以生態為導向實施保護的重要成果。東部地區林地資源一直是吉林省的生態屏障，土地利用一直堅持著“在開發中保護，在保護中開發”的原則，在保證經濟建設的基礎上加強對于生態用地的開發建設，東部地區設立16個國家級自然保護區，省、市、縣級自然保護區10余處，重點實施天然林保護工程，有效的發揮了防止水土流失及涵養水源(東部長白山區是松花江的源頭)的重要作用，因此在28 a間林地一直保持著絕對的優勢。

4.2 結 論

(1) 吉林省1990—2018年土地利用總體上保持以林地和耕地雙優勢為主的特征，但雙優勢地類總體減少、西部和中部耕地雙優勢相對增加、西部林草用地雙優勢增強和水域雙優勢消失、中部長春地區呈現耕地雙優勢的發展趨勢。

(2) 吉林省1990—2018年土地利用多樣化指數、信息熵與均衡度指數略有下降但仍保持較高水平，具有西高東低的特征，其中長春主城區3個指數明顯提高。全局莫蘭指數均在0.5～0.7之間，多樣化指數及信息熵均呈正的全局自相關。多樣化指數和信息熵的HH聚集區在吉林省西部地區，聚集面積均有所收縮，表示西部地區土地利用類型豐富度降低；LL的聚集區在東部地區，兩期數據相比略有波動總體基本穩定，東部地區土地利用類型豐富度降低。

(3) 自然環境因素是吉林省土地利用空間分異的主導因素，社會經濟因素對于土地利用的空間分異變化具有重要影響。