1995年-2019年內蒙古清水河縣土地利用空間格局變化分析

戴娜敏，包 亮

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

內蒙古清水河縣位于內蒙古高原與山陜黃土高原中間地帶，其地形地表呈現出波浪狀起伏的低山丘陵地區，因此合理的土地利用規劃及因地制宜的水土保持措施尤為重要。并且清水河縣是京津風沙源生態屏障建設工程、“三北”防護林、退耕還林還草重要鄉村地區之一[1]。研究近幾十年的清水河縣土地利用時空演變趨勢對清水河縣土地利用規劃及政策的提出具有重要意義。

土地在人類生產建設活動中有著不可或缺的生產生活生態功能，因此土地的合理利用已是國土空間規劃的重中之重。隨著我國工業化和城市化進程的快速發展，土地利用結構發生明顯變化，土地利用進入轉型時期[2]。目前，關于土地利用的研究形成了較為成熟的研究系統，其中基于空間信息技術研究土地利用數量結構變化[3]、土地利用程度研究[4]、土地利用景觀格局研究[5]、驅動力研究[6]及模型預測研究[7]等方面占多數。目前對清水河縣土地利用空間格局的研究還相對較少，多以研究單一類型林地為主[1,8]。因此，運用空間信息技術對清水河縣土地利用進行多年空間格局變化分析的研究具有重要意義。鑒于此，本研究選取地處中國北方農牧交錯帶地區、京津風沙源治理地區等生態環境問題突出的內蒙古清水河縣為研究區，基于1995年-2019年6期土地利用30m柵格數據，利用GIS技術，采用全局空間自相關和局部空間自相關分析清水河縣土地利用各類型空間自相關性及土地利用空間格局特征。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

內蒙古清水河縣地理坐標為北緯39°35′～40°35′東經111°21′～112°07′，是內蒙古自治區呼和浩特市下轄縣，位于呼和浩特市的南端，東南方與山西省相連，西面臨內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗，北面靠內蒙古和林格爾縣，西北面與托克托縣，整體位置處于“蒙、陜、晉”3省交界和“呼、包、鄂”經濟技術開發區腹地。清水河縣總面積2 859km2。2019年年末全縣戶籍人口140 944人，比上年末減少387人。其中，城鎮人口29 267人，鄉村人口111 677人。

圖1 研究區位置

地貌情況：清水河縣地處內蒙古高原和黃土高原交接地帶，地質構造屬山西臺背斜與內蒙古地軸相接之過渡帶。巖石平緩，黃土覆蓋較厚，地勢由東南向西漸次低下，平均海拔高度1 373.6m。氣候情況：清水河縣地處中溫帶，屬半干旱典型的大陸性氣候。由于地形復雜，境內地區氣候變化差異明顯。主要特點為冬長夏短，寒冷干燥，風多雨少，年平均氣溫7.5℃，月平均氣溫11.5℃，極端最低氣溫29℃。年平均降雨量為410mm，年蒸發量為2 577.2mm。

1.2 數據來源

1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2019年土地利用數據均來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)。該數據庫為中國科學院地理科學與資源研究所經過多年的積累而建立的覆蓋全國陸地區域的多時相土地利用現狀數據庫。數據生產制作是以各期Landsat TM/ETM、Landsat 8遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯生成。本文土地利用數據均采用了30m柵格數據，分類體系為LUCC(Land-Use and Land-Cover Change)分類體系，土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型。

2 研究方法

2.1 全局空間自相關分析

空間自相關分析通過全局空間自相關和局部空間自相關兩個方面對研究區域整體上的空間自相關性和局部小區域之間的分布格局和集聚模式進行分析[9]。

全局空間自相關是從宏觀層面判斷土地利用變化在整個研究區的聚集性[10]，是對地理要素屬性值在整個區域的空間特征的描述[11]，可以用來研究地理要素的空間分布格局。全局空間自相關用Moran’s I表示。其計算公式如下：

(1)

(2)

2.2 局部空間自相關分析

局部空間自相關是將全局空間自相關性分解到更小的空間單元，可以進一步量化具體空間要素與周圍要素之間的差異程度及其顯著性，是全局空間自相關的一種補充形式[10]。局部空間自相關常用反映指標為Local Moran’s I。其空間關聯模式可分為四種類型：高高(High-High)關聯、低低(Low-Low)關聯、高低(High-Low)關聯和低高(Low-High)關聯。其計算公式為：

(3)

在構成的Moran’s I散點圖中，可以劃分為4個象限分別為第一象限(HH)、第二象限(LH)、第三象限(LL)、第四象限(HL)，對應4種不同的區域空間差異類型能夠根據各類型占比來綜合判斷某一地區是否存在顯著的空間自相關性，即具有明顯的空間集聚特征[4]。

3 結果與分析

3.1 清水河縣土地利用現狀分布與總體變化特征

圖2 1995年-2019年清水河縣土地利用類型

從1995年-2019年清水河縣各土地利用類型面積占比表(表1)可以看出，2019年清水河縣土地利用類型以草地為主，約占研究區總面積的61%；耕地約占總面積的24%；林地面積占比約為10%；建設用地面積占比約為3%；水域面積占比約為1%；未利用地面積占比最小，面積占比約為0.5%。

表1 1995年-2019年清水河縣各土地利用類型面積占比(%)

1995年-2019年，耕地面積占比呈現了降低的趨勢，2019年耕地面積占比相較于1995年占比約降低了1.3個百分點；林地面積占比呈現了逐漸增加的趨勢，2019年林地面積占比比1995年占比約增加了0.1個百分點；草地面積占比呈現了先增加后減少的趨勢，2000年的草地面積占比最大，但2005年開始出現了降低的趨勢，約降低了0.7個百分點；建設用地占比呈現了逐年遞增趨勢，2019年占比比1995年約占比約增加了0.6個百分點；2010年-2019年未利用地占比變化量小，變化特點為先降低后增加的趨勢；水域占比不到1%，變化量也較少。

從1995年-2019年清水河縣土地利用類型圖可以看出，清水河縣土地利用類型主要以草地為主，草地主要分布在清水河縣東南部，即韭菜莊鄉、北堡鄉和單臺子鄉南部；耕地主要分布在清水河縣中部及北部，即城關鎮、宏河鎮、窯溝鄉分布較多；林地分布較為零散，在清水河縣各個鄉鎮都有少許林地，其中喇嘛灣鎮和北堡鄉分布較多而且分布較為集中；建設用地主要分布在清水河縣縣政府所在地城關鎮內，其他建設用地分布較多的鄉鎮為清水河縣北部的喇嘛灣鎮和宏河鎮；水域集中分布在清水河縣五良太鄉北部；未利用地主要分布在五良太鄉北部、窯溝鄉中部及單臺子鄉中部。

3.2 土地利用類型的全局自相關分析

利用ArcGIS空間統計工具里的莫蘭指數計算工具計算出清水河縣土地利用各類型的全局Moran’s I值(表2)。從表2可以看出1995年-2019年耕地莫蘭指數均>0，Z得分均>2.58，而且顯著性檢驗P值均<0.01，因此耕地類型在空間上具有集聚性特征，呈現顯著的、正向的空間自相關性。說明耕地類型并不是隨機和離散分布，而是在相互鄰近耕地類型之間都具有集聚分布態勢。以 2010年為界，耕地空間分布集聚特征呈先增加后下降趨勢。1995年-2019年林地Moran’s I指數均>0，Z得分均>2.58，顯著性檢驗P值均<0.01，表明林地類型空間分布不是隨機分布，而是表現出空間集聚性特征，整體呈正向空間自相關關系。林地空間分布集聚特征呈下降趨勢。1995年-2019年草地Moran’s I指數變化特征為均>0，先增加后降低的趨勢，Z 得分除2019年外均>2.58，并且2019年草地莫蘭指數未通過顯著性檢驗，因此除2019年，草地類型表現出空間集聚性特征。草地空間分布集聚特征呈持續下降趨勢。1995年-2019年水域Moran’s I指數變化特征為2005年、2010年、2015年通過了P<0.5的顯著性檢驗，其他年份Moran’s I均未通過顯著性檢驗，因此水域類型空間集聚性較低，并沒有空間自相關性。水域空間分布集聚特征呈先增加后下降趨勢。1995年-2019年建設用地Moran’s I指數除2019年外均>0，Z 得分均>2.58，顯著性檢驗P值均>0.01，表明建設用地類型空間分布不是隨機分布，而是表現出空間集聚性特征，整體呈正向空間自相關關系。以2010年為界，建設用地空間分布集聚特征呈先緩慢增加后快速下降趨勢。1995年-2019年未利用地Moran’s I指數除1995年外均未通過顯著性檢驗，表明未利用地類型空間分布是隨機分布，沒有集聚性特征。

表2 清水河縣不同土地利用類型的全局Moran’s I值

3.3 土地利用類型的局部空間自相關分析

由1995年-2000年清水河縣土地利用類型空間集聚LISA圖(圖3)可以看出，1995年耕地高集聚區有20個，分布在清水河縣中西部及西部，主要在宏河鎮和窯溝鄉內，表明1995年宏河鎮和窯溝鄉地區內耕地空間分布具有較高集聚性。但是1995年-2019年間高高(High-High)集聚區數量急速減少，到2019年時耕地高高(High-High)集聚區只有8個，并且呈現了分散化的現象。耕地低低(Low-Low)集聚區變化特征為從1995年的22個區域到2019年時減少到了11個，低低(Low-Low)集聚區分布在清水河縣東南部，主要在韭菜莊鄉和北堡鄉內，表明了韭菜莊鄉和北堡鄉內耕地空間分布集聚性較低。1995年-2019年耕地低低(Low-Low)集聚區在2000年時快速降，隨后變化較小一直處于相同狀態；1995年-2019年林地高高(High-High)集聚區從1個變成了3個區域，主要分布在單臺子鄉和北堡鄉。林地低低(Low-Low)集聚區表現出先減少后增加的趨勢；1995年-2019年草地高高(High-High)集聚狀態整體上增加的趨勢，主要分布在韭菜莊鄉南部和北堡鄉。草地低低(Low-Low)集聚區也表現出增加的趨勢。表明草地空間集聚狀態高，空間自相關性增加的趨勢。1995年-2019年水域高高(High-High)集聚區數量表現出減少態勢，空間位置上沒有轉移現象。水域(Low-Low)集聚區先增加后減少態勢；1995年-2019年建設用地(High-High)集聚區數量增加的趨勢，主要集中在五良太鄉南部及城關鎮北部。建設用地(Low-Low)集聚區數量先增加后減少趨勢。主要分布在韭菜莊鄉南部、北堡鄉和城關鎮東南部；1995年-2019年未利用地(High-High)集聚區數量表現出先增加后減少趨勢，主要分布在五良太鄉北部和韭菜莊鄉東北部，并且2000開始(High-High)集聚區位置上有較大變化。未利用地(Low-Low)集聚區數量以2000年為界，先增加后減少趨勢，2019年主要分布在五良太鄉北部。

圖3 1995年-2000年清水河縣土地利用類型空間集聚LISA圖

4 結論

筆者基于空間信息技術，對內蒙古清水河縣1995年-2019年土地利用格局變化及各土地利用類型的空間自相關性進行了初步分析，得出以下主要結論：①1995年-2019年，清水河縣土地利用主要類型為草地，約占研究區總面積的60%，其次為耕地約占24%。六大類型中，草地格局變化特點為面積占比先增加后減少的趨勢，耕地面積占比表現出減少的趨勢，但建設用地占比則呈現了逐年遞增的趨勢。②清水河縣土地利用類型全局空間自相關性分析表明，耕地類型在空間上具有集聚性特征，呈現顯著的、正向的空間自相關性。但1995年-2019年的Moran’s I指數變化來看，以 2010年為界，耕地空間分布集聚特征呈先增加后下降趨勢，表明耕地集聚性有所下降。其他五類用地整體上都呈現了空間集聚性的下降趨勢。③1995年-2019年從整體來看，區域集聚性表現為減少趨勢。各類型高高(High-High)集聚區增加的類型為林地、草地、建設用地，高高(High-High)集聚區減少的類型為耕地、水域和未利用地。1995年-2019年各類型低低(Low-Low)集聚區增加的類型為草地，其他類型均有減少的趨勢。