1980—2018年銀川平原土地利用變化時空格局分析

毛鴻欣, 賈科利*, 高曦文, 張俊華

(1.寧夏大學資源環境學院,銀川 750021；2.寧夏大學環境工程研究院,銀川 750021)

土地利用/覆被變化是人類活動作用于地表系統和全球環境變化的重要載體,影響地球表層的物質循環和能量結構,導致土壤退化、土地荒漠化、土壤污染和生物多樣性快速喪失等嚴重問題,已成為全球土地變化研究領域中的重要議題[1-3]。因此,以定量轉化和定性的空間格局視角來分析各用地類型的動態演化是土地資源合理整治和利用的基礎。

針對土地利用/覆被變化在時空格局上的定性分析和定量度量,多年來,眾多學者做了大量研究,如土地利用驅動力研究[4-6]、土地利用遙感監測[7-8]、土地利用時空動態變化研究[9-16]、土地利用變化模擬模型,如CA-Markov[17]、CLUE-S[18-19]、多主體模型[20]和SLEUTH[21]等。自國家設立沿黃經濟區和施行西部大開發戰略以來,銀川平原作為寧夏工農業經濟的核心區域受到了廣泛關注。在此期間,隨著國民經濟的穩步提升,該區工農業現代化和城鎮化迅速發展,加之受生態移民等扶貧政策的影響,使該區土地利用的空間格局發生了較大變化。有關學者也就此期間內銀川平原的土地利用變化做了較多研究,如利用多智能體模型模擬了銀川平原的土地利用情景[22]、探究了土地利用與濕地景觀[23]、土壤鹽漬化[24]的空間關聯關系,基于半方差函數的地統計學方法研究了銀川平原的土地利用變化圖譜[25]。這些成果對于厘清土地變化中存在的問題、土地利用管理措施的制定、更好地指導土地利用實踐等具有一定的理論實踐和現實指導意義[26]。現以銀川平原為例,通過土地利用轉移矩陣和地學信息變化圖譜定量分析各地類間的相互轉移和空間分異特征；借助標準差橢圓分析各地類在空間上變化的方向性,并結合熱點和核密度方法探索土地利用空間變化的密集和離散區域,從而為銀川平原土地資源的合理整治和修復提供借鑒。

1 研究區概況

銀川平原位于寧夏回族自治區北部,范圍介于北緯35°14′～39°23′,東經104°17′～107°39′,面積約7 615 km2,如圖1所示。該區地勢西、南高于東、北,區內湖泊密布,渠道縱橫[22-23],成為水稻、小麥等作物的主產區,農業經濟十分發達,但人類不合理的土地利用管理方式和常年引黃灌溉也使該區滋生土壤鹽漬化等土壤資源損害問題[24]。該區是呼包銀榆經濟區的重要組成部分、國家級沿黃經濟區的核心地區,地理位置上與華北地區接壤,是西部大開發的西北前沿陣地,具有重要的地緣和戰略意義。

圖1 研究區位置Fig.1 The location of the study area

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

從中科院資源環境科學數據中心[27]獲取研究所用的5期土地利用數據,空間分辨率為30 m,空間參考為Albers 投影[28-30]。SRTM1 DEM數據來源于NASA(National Aeronautics and Space Administration)官網,銀川平原和寧夏矢量邊界來源于寧夏遙感測繪勘察院,矢量化得到渠系數據。參考徐新良等[31]對中國土地利用/覆蓋數據分類系統,將銀川平原分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地這6個一級地類和22個二級地類,如表1所示。

表1 土地利用分類系統Table 1 Classification system of the land use

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用類型轉移矩陣

土地利用轉移矩陣能表達出某兩個時間節點間各用地類型相互轉移的數量和方向[32],解釋不同土地利用間的轉移速率,反映了土地利用格局的時空演化過程,其具體形式為

式(1)中:Kab指初始時期的第a種地類轉變為終止時期的第b種地類的面積；n為土地利用類型數量。

2.2.2 土地利用變化空間格局

2.2.2.1 土地利用變化圖譜

地學信息圖譜是地理學時空分析方法論,其利用圖形可視化語言形象表達區域自然過程與社會經濟發展的時態演進和空間分異,為土地利用變化強度的空間格局特征研究提供重要的方法論[33-36]。

在地理信息系統(geographical information system, GIS)中利用“Conversion Tools”將5期土地利用矢量文件轉換為統一的30 m柵格數據,作為圖譜研究的基本單元[37]。利用“Spatial analyst tools”工具中的“地圖代數”進行圖譜單元代數計算,由此合成1980—1990、1990—2000、2000—2010、2010—2018年4個時段土地利用變化信息圖譜,其數學表達式為

C=10A+D(2)

式(2)中：C為演化形成的新的圖譜單元；A為初期地類圖譜單元柵格屬性值；D為末期地類圖譜單元柵格屬性值[38]。

2.2.2.2 標準差橢圓

標準差橢圓是地理學空間統計的一種重要研究方法,其主要用來衡量地理要素的集中趨勢、離散和方向趨勢,進而對地理要素空間格局的全局特征進行表達[39-40],利用標準差橢圓能夠探究各地類的空間分異和轉移方向。標準差橢圓包含3個核心參數:橢圓中心、旋轉角、橢圓長軸和短軸,其計算公式分別為

式中：σx和σy分別為x軸和y軸的標準差。

橢圓長軸刻畫出地類變化的方向,短軸體現地類變化的空間范圍,長短軸之間的離差越大,扁率越大,則土地利用分布越具明顯的方向性,短軸越短表明土地利用分布越極具向心力。

2.2.2.3 密度分析和熱點分析

3 結果與分析

3.1 土地利用數量結構演化

1980—2018年銀川平原各用地類型空間分布如圖2所示,耕地為研究區域內最主要的用地類型,占總面積的57.22 %。其中旱地主要集中于靈武以北、永寧縣和平羅縣,水田主要沿黃河和灌溉渠系分布,占耕地總面積的49.23 %。草地主要分布在賀蘭山東麓洪積扇、鄂爾多斯臺地邊緣和黃河兩岸,研究時段內面積呈減少趨勢,減少了786.75 km2。林地主要分布在鄂爾多斯臺地,研究時段內無明顯的增減變化；城鎮用地面積增加較大,過去38 a面積增加了619.58 km2,年均增加21.20 %,特別是2000年以來快速城市化,城鎮建設用地增速最快,2018年的面積約為2000年的兩倍；未利用地面積凈減少224.24 km2,主要分布于永寧縣、賀蘭縣和平羅縣以西。

各地類變化統計如表2所示,建設用地和耕地顯著擴張,其面積分別增加了839.85 km2和619.58 km2。其余地類均在一定程度上下降,其中草地減小最多,面積共減少了786.75 km2,凈減少量也達581.67 km2。從交換變化量看,耕地、草地、建設用地變化較為劇烈,交換變化量超過了1 000 km2,而建設用地相對穩定,交換變化量不足100 km2。

表2 1980—2018年各地類變化統計Table 2 The variation statistics of different land use types from 1980 to 2018

為進一步揭示土地利用類型的交互變化,利用GIS疊加分析將各期土地利用空間分布圖進行兩兩疊置,獲取1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年土地利用轉移矩陣，如表3～表6所示。

表3 1980—1990銀川平原土地利用轉移矩陣Table 3 The transfer matrix of landuse in Yinchuan Plain from 1980 to 1990

表4 1990—2000銀川平原土地利用轉移矩陣Table 4 The transfer matrix of landuse in Yinchuan Plain from 1990 to 2000

表5 2000—2010銀川平原土地利用轉移矩陣Table 5 The transfer matrix of landuse in Yinchuan Plain from 2000 to 2010

表6 2010—2018銀川平原土地利用轉移矩陣Table 6 The transfer matrix of landuse in Yinchuan Plain from 2010 to 2018

1980—1990年未利用地變化總量最大,以草地轉化為未利用地最為顯著,轉移面積占草地總面積的14.01%；水域轉出面積遠大于轉入面積,主要由灘地轉為草地、耕地和未利用地,轉移率分別為17.85%、4.11%、2.22%；耕地主要來源于水域和未利用地,轉入面積總和為69.81 km2,凈轉入57.53 km2；林地和建設用地變化程度不明顯。

1990—2000年以耕地變化最為顯著,其次為草地和未利用地。耕地面積凈轉入453.88 km2,主要由草地和灘地轉化而來；這一時期,也有60.32 km2耕地轉化為草地和建設用地,占總面積的75.38%。草地主要開墾為耕地,面積凈減少370.19 km2,占變化面積的85.34 %；草地主要由耕地、林地、水域和未利用土地轉入,但轉移面積較小,僅占草地轉入面積的24.41 %。水域和未利用地主要轉為耕地,主要轉入來源為草地,其中草地面積的24.36%和12.46%分別轉出為水域和未利用地。林地凈增加的13.74 km2來源為耕地和草地。建設用地幾乎無轉出,凈增加的73.52 km2主要來源于草地、耕地和未利用地。

2000—2010年以建設用地的顯著擴張為主導變化,其面積增長了322.60 km2,年均增速超過了4%。耕地是建設用地的主要增長源,其次是水域和未利用地,其中耕地的轉出比例達91.32%；同時,經農村土地整理,有30.52 km2建設用地轉化為其他地類,以耕地占主導,占轉出面積的 90.61%。耕地、林地比上個時段有所逆轉,面積分別凈減少84.94 km2和9.62 km2,耕地主要轉化為建設用地,林地主要轉化為耕地。未利用地和草地繼續轉出,面積分別凈減少了116.56 km2和111.14 km2,其中草地主要轉化為耕地、水域和建設用地,未利用地主要轉化為耕地、草地和建設用地。水域主要由未利用地、草地和耕地轉化而來,面積凈增加了30.17 km2。

2010—2018年建設用地面積持續增加,面積凈增加了208.53 km2,但增速較前一時期明顯減緩,耕地仍然是建設用地的主要來源,占建設用地轉入面積的66.52%；同時,有86.79 km2建設用地經土地整理轉化為其他土地利用類型,以耕地為主,占轉出面積的67.26 %。耕地、林地、草地、未利用地面積持續凈轉出。耕地主要轉向建設用地、水域、未利用地,凈轉出87.23 km2。林地主要開墾為耕地、其次為建設用地和草地,凈轉出43.94 km2。草地凈轉出20.60 km2,主要變為水域、耕地、未利用地和建設用地。未利用地凈轉出38.24 km2,主要變為建設用地、水域、耕地和草地。水域在這一時期呈現出轉出態勢,主要轉為耕地,轉出面積為113.40 km2,逆差18.52 km2。

3.2 土地利用空間格局變化特征

3.2.1 土地利用變化的空間分異特征

土地利用圖譜變化如圖3所示,1980—1990年,最顯著變化的圖譜單元為水域,主要為灘地轉為草地,變化率達73.1%,分布于惠農以北、平羅縣、大武口區、西夏區以西、賀蘭山腳下和黃河東岸。

1990—2000年,以草地向耕地和水域的變化較為顯著,其中草地轉化為耕地是顯著變化的圖譜單元,變化率超過30%,主要集中于西夏區、大武口區、平羅縣以及黃河兩岸；草地向水域變化主要是草地開墾為灘地,變化率接近10%,發生在黃河兩岸；未利用地轉化為耕地也較強烈,變化率近18%,變化面積為167.63 km2,主要發生在賀蘭縣、永寧縣以北、金鳳區以南；建設用地未向其他用地類型變化,變化率為0。

2000—2010年,最明顯的變化特征為耕地減少和建設用地擴張,其中變幅最大的圖譜單元為耕地轉化為建設用地,變化率接近22%,主要集中于西夏區、金鳳區、青銅峽市、利通區和靈武以北；此外,耕地還轉化為水域和未利用地,變化率之和為11.48%；草地開墾為耕地也較強烈,變化面積為99.07 km2,主要集中于平羅縣、惠農區和黃河東岸；未利用地是耕地和建設用地的主要來源,其變化率之和超過10%。

2010—2018年,該時段內仍以建設用地的擴張和耕地減少為主,耕地轉化為建設用地的變化率為23.90%,比前一時段高2.21%,表明該時段建設用地的擴張幅度更大；同時,建設用地轉化為耕地也較強烈,變化面積為60.45 km2,仍然是由于農村居民點拆遷所引起的,主要分布在青銅峽市、利通區和靈武以北地區。

總體情況如表7所示,1980—2018年,銀川平原變幅最大的圖譜單元為水域轉化為耕地,其變化率接近16.1%,主要分布在西夏區、永寧縣、平羅縣、大武口區和黃河東岸；水域轉變為草地的變化率也較大,變化面積為404.75 km2,集中分布在平羅縣和大武口以西；研究期內建設用地的擴張導致耕地的面積驟減,其變化率接近15%,減少面積為377.62 km2；耕地主要來源為未利用地,其變化率超過了10%,主要分布于青銅峽市、永寧縣、賀蘭縣和平羅縣。研究期內土地利用空間分布由離散逐漸轉為集聚,地類變化總量逐漸增加,土地利用變化結構逐漸趨于擴張。

3.2.2 土地利用空間變化的方向特征

表7 1980—2018年銀川平原土地利用變化圖譜的變化率Table 7 Change ratio of land use change spectrum in Yinchuan Plain from1980 to 2018

為更好地揭示土地利用空間變化的方向性,采用標準差橢圓來進行分析。利用式(3)～式(10)來計算標準差橢圓的各項參數,計算結果如表8、圖4所示。

由表8可見,研究期間,橢圓短軸總體呈減小趨勢,表明土地利用變化空間分布的集聚程度增強,具有一定向心性,這主要由于銀川市作為經濟中心所起的集聚和帶動作用；橢圓長軸和橢圓扁率呈逐漸增大趨勢,表明隨著時間的推移,土地利用空間變化總體上呈現出東北-西南方向的集中分布趨勢。標準差橢圓的面積增加了13.16 km,表明研究期內土地利用變化的范圍呈擴張趨勢。

圖3 1980—2018年銀川平原土地利用變化圖譜Fig.3 Geo-informatic spectrum of land use change in Yinchuan Plain from 1980 to 2018

表8 1980—2018年土地利用變化標準差橢圓參數Table 8 The standard deviation ellipse parameters of land use change from 1980 to 2018

圖4 1980—2018年銀川平原土地利用變化標準差橢圓Fig.4 Standard deviation ellipse of land use change in Yinchuan Plain from 1980 to 2018

圖5 銀川平原各時期土地利用熱點區域Fig.5 Land use hotspot area in Yinchuan Plain in different periods

圖4表明,各時段標準差橢圓的覆蓋范圍整體向西南方向擴展,且包含平羅縣、賀蘭縣、金鳳區、興慶區、永寧縣和青銅峽市等沿黃城市群,覆蓋范圍內以建設用地擴張和未利用地開墾為耕地為主。此外,土地利用變化的方向性與銀川平原由南向北、由西向東傾斜的地勢也具有良好的一致性,也表明銀川平原土地利用在此方向上發生劇烈變化,空間上變化范圍呈現逐漸擴張的趨勢。

3.2.3 土地利用空間變化的熱點和密度特征

以2 km×2 km單元創建網格,將研究區域劃分為大小均一的網格單元,利用式(13)、式(14)計算各時段地類空間變化的集中和離散區域,結果如圖5所示,可以發現1980—2018年土地利用變化的冷點地區主要集中在賀蘭山洪積扇和鄂爾多斯臺地西南緣,西近賀蘭山中北段自然保護區,用地類型以林地和草地為主；東臨白芨灘自然保護區,該區地處毛烏素沙地的邊緣,區內以荒漠植被為主,存留較好的大片草原。熱點地區主要沿黃分布,以耕地、建設用地為主,地勢平坦,交通、灌溉條件便利,是寧夏沿黃經濟開發的主要區域。過去38 a工農業的快速發展,加速了土地利用類型的轉化,使之成為土地利用變化的熱點地區。

圖6 1980—2018年銀川平原土地利用變化核密度Fig.6 Kernel density of land use change of Yinchuan Plain from 1980 to 2018

銀川平原圖譜變化核密度如圖6所示。1980—1990年土地利用變化核密度較大的區域為賀蘭縣和大武口區,該時段進行工礦用地的建設；1990—2000年核密度較大的區域集中分布于賀蘭縣、大武口區、惠農區、西夏區和金鳳區；2000—2010年核密度較大的地區位于大武口區、平羅縣、金鳳區中部、永寧縣、青銅峽市和利通區,該時段內土地利用強度較大；2010—2018年核密度與前一時段相比,變化不大,但銀川建城區快速擴張,土地利用變化核密度仍較為密集。結合土地利用類型可以看出,核密度較為密集的地類多為耕地、建設用地和草地,而沿賀蘭山和鄂爾多斯臺地邊緣主要用地類型為林地和草地,變化幅度較小。

4 結論

以銀川平原為例,以5期土地利用數據為研究數據源,基于GIS空間分析技術,構建土地利用轉移矩陣,定量分析銀川平原土地利用在時空范圍內的轉移特征；構建土地利用時空變化信息圖譜,并綜合標準差橢圓、熱點分析和密度分析,探究該區域土地利用時空格局演變規律,結論如下。

(1)過去38 a,耕地和建設用地凈增加了339.17 km2和573.33 km2,耕地來源于草地和未利用地轉入,占轉入面積的89.81%,主要轉變為建設用地,占建設用地轉入面積的60.60%；其余地類面積均減少,草地尤為劇烈,凈減少581.67 km2,主要轉移方向為耕地和建設用地,占轉移總面積的74.60%,主要來源為未利用地,占轉入面積的62.60%；未利用地凈減少224.24 km2,主要轉出為草地和耕地,轉出率為73.04%,主要轉入源為草地,占轉入面積的72.03%；水域和林地減少程度較小,凈減少面積之和為106.60 km2,主要墾殖為耕地,轉化來源主要為草地。

(2)各圖譜單元以水域的轉化為主導,其由灘地轉變為耕地、草地和未利用地的比例為16.08%、16.07%、10.06%,空間上集中分布于西夏區、平羅縣、大武口區和黃河東岸；其次為耕地向建設用地的轉化,轉化面積為377.62 km2,變化率接近15%,主要發生在青銅峽市和利通區；耕地擴張也較明顯,主要由未利用地轉化而來,變化率超過了10%,變化集中于青銅峽市、永寧縣、平羅縣和黃河東岸。

(3)研究期間,土地利用變化在空間上呈現出東北-西南的集中分布趨勢,覆蓋范圍依長軸向西南方向擴展,依短軸向平原中心集聚,空間上涵蓋以青銅峽為起點,以黃河為紐帶的沿黃城市群,覆蓋范圍內以耕地和建設用地的擴張最為顯著。土地利用變化以銀川市這個向心中心進行集聚,沿黃逐漸趨于擴張。

(4)銀川平原土地利用呈現出沿黃劇烈變化的空間格局,沿黃經濟區以建設用地、居民點和耕地為主導地類,灌溉便利、交通發達,工農業經濟迅速發展,成為土地利用變化的熱點和密集區域。白芨灘生態保護區和賀蘭山中、北部自然保護區位于平原東西兩側,是土地利用變化的冷點區域。