基于土地利用信息圖譜的西南區縣域土地利用時空演變分析
——以重慶市奉節縣為例

徐鋮龍，龔文峰，盧玉海，劉月陽

(1.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150086；2.海南大學林學院，海口 570208；3.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

通過對當前研究土地利用變化相關文獻的梳理，發現土地利用變化的研究主要側重于土地利用變化特征、預測模擬、影響因素和驅動機制及生態環境效應機理等4個層面，且都已取得豐富的研究成果。主要表現如下：①研究土地利用變化過程特征，主要借助RS和GIS技術構建土地利用及其相關數據庫，基于土地利用模型對其進行動態監測分析；②土地利用動態模擬主要借助GIS技術和相關預測模型，實現土地利用時空演變預測；③LUCC的過程和機理非常復雜，人們主要借助于自然條件、經濟發展和相關的政策對土地利用的影響因素和驅動機制進行分析和研究；④土地利用變化生態環境效應研究，主要涉及對生態安全及生態地理過程的影響[1-3]。

在眾多土地利用演變的方法中，運用ArcGIS軟件空間分析模塊的地學信息圖譜方法在近些年的研究中被廣泛應用。地學信息圖譜結合土地利用遙感數據，將“時間過程”和“空間格局”屬性有機結合，使得土地類型演變過程及趨勢展示的更加直觀，有利于深化區域土地利用變化內在規律和多維表達[4-6]。

西南山區縣域處于中國經濟發展的薄弱地帶，其土地利用/覆蓋變化極具特殊性，但相關研究較為稀少，基于圖譜模型探求土地利用時空格局演變及驅動機制的則更加稀少。奉節縣為位于重慶市東部，區域內自然條件相對復雜，對人地矛盾和生態環境作用響應敏感[7]。基于此，文章以重慶市奉節縣為例，基于2005年、2010年和2015年三期遙感影像數據，結合土地利用數據和土地利用動態模型，揭示區域10年間土地利用格局演變規律。以期提升區域土地資源的合理利用配置，為中國西南地區土地資源的可持續利用及經濟與生態環境的協調發展提供技術支撐。

1 研究區概況

奉節縣地理坐標為：E:109°1′17″-109°45′58″，N:30°29′19″-31°22′33″，東鄰巫山縣，南接湖北省恩施市，西連云陽縣，北接巫溪縣。地處三峽庫區腹地，屬于三峽庫區生態敏感區和三峽移民區，研究區內包含永樂鎮等30個街道鄉鎮。其境內長江橫貫中部，地勢總體為東南、東北高而中部偏西稍平緩，地貌以中低山地為主。南北約為對稱分布，以長江為對稱軸，離長江越遠海拔越高。受山地地形影響，地帶性植被以常綠闊葉林為主，伴生常綠落葉林和針闊混交林。

2 數據獲取和處理

本研究運用RS軟件ENVI 5.3，完成2005年、2010年和2015年 Landsat TM/ OLI遙感數據的幾何校正、大氣校正和圖像掩膜裁剪處理。結合大量野外GPS調查樣本和《中國土地分類系統》將奉節縣土地利用類型共分6個一級類，包括：林地、草地、耕地、水域、居民工礦用地和未利用地，運用最大似然監督分類法，完成對遙感影像的分類處理。基于ArcGIS10.2完成最終分類結果修正和拓撲處理，并將土地利用按順序分別賦予1-6代碼，最后生成土地利用分布專題圖。

土地利用轉移圖譜中對空間圖形格局和拓撲關系，隨時間序列變化進行分析和計算，能夠以時空尺度對土地利用的演變進程進行動態描述。結合ArcGIS10.2和土地利用轉移圖譜公式，合成該區域2005-2010年和2010-2015年兩個時段的土地利用信息圖譜，以期定量揭示區域土地利用動態變化格局和時空演變規律[8-10]。圖譜計算公式如下：

F=10F1+F2

(1)

式中：F為研究階段內土地利用演替模式的圖譜單元柵格；F1和F2為研究初期和研究末期的土地利用圖譜柵格屬性值。

3 數據分析

3.1 土地利用變化整體分析

基于ArcGIS 10.2完成研究區土地利用基礎數據的獲取和統計分析(見圖1和表1)。

表1 2005年-2015年不同土地利用類型面積統計表

由表1可知，2005-2015年間研究區以林、耕地為基質景觀，兩者的面積比例之和分別為94.63%、93.93%和93.75%。其中林地占據更加優勢地位，3期數據面積比例分別為67.54%、67.37%和67.48%，是耕地的2.4-2.6倍。

10a間林地、草地、耕地面積呈減少趨勢，減少幅度分別為了0.10%、1.69%和3.01%。草地和耕地面積持續減少，減少速率為-0.15%、-0.19%和-0.39%、-0.22%，其中耕地減少的速率最快且幅度最大，林地面積呈現先減后增的趨勢。2005-2010和2010-2015年，未利用地得增幅最大，為64.90%，且總體增速最快，為6.49%。水域、居民工礦用地面積增加速率分別為8.65%、0.38%和0.95%、4.71%，均為持續增加。

表2 2005年-2015年單一土地利用動態度統計表

圖1 奉節縣2005-2015年土地利用類型空間分布

3.2 主要土地利用圖譜演變分析

基于ArcGIS10.2完成2005-2010年和2010-2015年土地利用轉移圖譜的合成。2005-2010年產生36類圖譜單元，轉移總面積1301.05km2。土地利用類型的轉移主要集中在林地、草地和耕地之間轉化。2010-2015年產生23類圖譜單元，轉移總面積19.82km2。土地利用類型的轉移并不劇烈，主要為林地和居民工礦用地面積增加和耕、草地面積減少。奉節縣2005-2015年時序單元轉移圖譜 2a 2b，見圖2。

圖2 奉節縣2005-2015年時序單元轉移圖譜 2a 2b

2005-2010年，林地是面積變化最大的地類，轉入面積573.94km2。其中耕地→林地的面積為494.05km2，變化比率為37.89%；草地→林地的面積為67.72km2，變化比率為5.19%。隨著奉節縣政府發布的《奉節縣生態移民工程項目規劃》的實施，在國家退耕還林、還草政策的積極推動下，江北生態經濟林、江南生態旅游林和城市生態林逐步建立，部分粗獷開發的草地和耕地轉化為生態林和旅游林，成為了長江上游重要的生態保護屏障。加之該區域水利設施得到了充分的改善，使得奉節縣成為三峽庫區臍橙產業的中心。臍橙產量的增加促使部分草地和耕地轉為經濟林地，使得林地面積增加。

其次，耕地的轉入面積為561.92km2。其中林地→耕地面積為509.53km2，變化比率39.08%；草地→耕地面積39.19km2，變化比率3.01%。雖然國家推行退耕還林還草工程，但在做好生態移民的經濟保障和逐漸加劇的人地矛盾的大背景下，新縣城周圍的林地和草地被擠壓侵占，并轉化為耕地。同時，為了平衡保護生態環境和經濟發展，在河谷和平壩區實行集約化生產，充分發揮機械化生產和農業科技的作用，使得部分適宜耕種的林地轉移為耕地，而其他區域小規模的耕地恢復為林地，在一定程度上凸顯了區域土地利用的不合理性[11-13]。

再次，草地的轉入面積107.23km2。其中耕地→草地面積為53.37m2，變化比率4.09%；林地→草地面積51.41km2，變化比率3.94%。根據2007年重慶市政府發布《渝東北地區經濟社會發展規劃》，奉節縣屬于四個重要特色產業布局點之一。政策要求當地大力發展特色旅游業，致使農村勞動力大量外流，導致耕地撂荒，自然演變成草地。同時分布在高海拔和陡坡區域的耕地，隨著人為干擾活動的逐漸減少和地理條件限制而棄耕，自然演變為草地。2005-2010年奉節縣土地利用轉移主要圖譜單元排序表見表3。

表3 2005-2010年奉節縣土地利用轉移主要圖譜單元排序表

2010-2015年居民工礦用地累計增加6.73km2，林地→居民工礦用地轉入面積為3.38km2，耕地→居民工礦用地轉入面積為2.65km2，累計變化比率35.75%。奉節縣在“十二五”期間，在移民工程完成的基礎上，建設各種重點項目，加速發展當地經濟和提高人民生活水平。其中，西部新區完成投資120億元并完善基礎設施建設，使得城市的框架基本形成；旅游新城完成投資15億元，建成中心景觀大道和旅游環線等項目；移民生態工業園打造成農產品綜合交易市場并引進一系列特色企業。奉節縣的城鎮化政策和和土地規劃都會促進居民工礦用地侵占其周邊土地類型的面積。

其次，林地累計增加4.63km2，耕地→林地轉入面積為8.48km2，草地→林地轉入面積為1.02km2，累計變化比率50.12%。作為長江上游水土流失最嚴重的區域之一，奉節縣在重慶市的大量國家級水土保持重點項目實施的影響下，為完成好建設長江流域重要生態屏障和渝東北生態涵養區的任務，興修水利，退耕還林，植樹造林，涵養水土。增加土壤保水保土保肥能力，提高土地生產綜合能力，使得治理后地區的植被面積得到較大幅度提高，呈現岀山、水、田、林、路綜合治理的青山綠水新風貌。

再次，水域累計增加1.57km2，林地→水域轉入面積為1.68km2，耕地→水域轉入面積為0.68km2，累計變化比率12.63%。水域面積的增加很大程度上源自三峽水庫的修建，淹沒部分沿岸的林地和耕地。2005-2010年奉節縣土地利用轉移主要圖譜單元排序表見表4。

表4 2005-2010年奉節縣土地利用轉移主要圖譜單元排序表

4 結 論

文章基于RS和GIS技術定量分析研究區的土地利用動態變化特征和時空演變的過程，在此基礎上，結合地學圖譜理論和ArcGIS 10.2軟件，對奉節縣土地利用演化規律進行分析。研究表明：

1)研究期內奉節縣的基質景觀為林耕地，面積總占比為94.63%、93.93%和93.75%，且林地占據優勢地位。10a間土地利用總趨勢是林地、草地緩和耕地面積減少，水域、居民工礦用地和未利用地增加。草地和耕地面積是持續減少的土地利用類型，10a間減少了2.17km2和33.26km2，減少了1.69%和3.01%。居民工礦用地逐漸侵占其他類型土地，2010-2015年林地和耕地是主要輸入來源。

2)根據土地利用空間轉移圖譜可知，2005-2010年主要以草地→林地、林地→耕地、耕地→林地和草地→耕地轉移為主，累計變化面積1215.27km2，累計變化比率為93.02%；2010-2015年主要以耕地→林地、林地→居民工礦用地和耕地→居民工礦用地轉移為主，累計變化面積14.51km2，累計變化比率為73.27%。