2000—2020年長治市土地利用變化特征分析

鄭維龍

(山西工程職業學院,太原 030001)

土地利用(LUCC)是人類與自然交互作用復合地球系統中的重要組成載體,其利用方式的變化是決定生態系統穩定性的重要因素之一[1],研究土地利用變化可為生態評估、環境變化、經濟社會發展驅動提供理論基礎與現實依據。遙感技術因其監測范圍廣、時序周期長、成本低易獲取等特點,在對地觀測中得到廣泛應用[2-3]。國內外學者利用遙感影像,結合GIS軟件,通過不同的研究方法在土地利用變化這一研究領域取得了豐碩成果。

以長治市2000、2010、2020年30米土地利用遙感影像為研究對象,利用GIS軟件對其進行解譯,通過土地利用轉移矩陣法、土地利用趨勢變化法等方法分析長治市兩個十年的土地利用動態時空變化特征,以期為長治市生態環境保護及高質量發展提供參考。

選用國家高技術研究發展計劃(863計劃)提供的全球30米地表覆蓋(GlobeLand30)數據集[4],參照分類標準,依據長治市的土地覆蓋特征,將其分為林地、草地、水體、濕地、耕地與建設用地六類。利用Arcgis軟件的重分類功能賦值,得到長治市2000年、2010年、2020年的土地利用空間分布影像。

1 研究方法

1.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是描述不同土地類型相互轉換的一種方式,用于定量體現不同土地類型間面積變化的數量與方向[2]。具體表達式如下:

(1)

式中,U為土地利用面積,Uii為研究期內土地利用類型未發生變化的面積,Uij為研究期內由第i類土地轉變為第j類土地利用類型的面積。

1.2 土地利用變化動態幅度

土地利用變化動態幅度可定量描述研究期內土地的變化速率,對土地利用差異與利用趨勢預測具有重要意義[3]。具體表達式如下:

(2)

式中,UIN表示研究期內轉入土地的面積,UOUT表示研究期內轉出土地的面積,T為研究周期,本研究中T=10。

1.3 土地利用變化趨勢

為研究土地利用類型的未來變化趨勢,采用土地利用空間變化趨勢公式進行分析[5]。具體表達式如下:

式中,Q為變化趨勢指數,U末、U初分別表示研究開始與結束時同一土地利用類型的面積,UIN、UOUT表示研究期內同一土地利用類型轉入與轉出面積的狀況。當-1

2 實證研究結果

2.1 長治市土地利用轉移情況

利用式(1)及遙感影像數據得到長治市2000—2010年及2010—2020年兩個周期內土地利用轉移矩陣,詳見表1、表2。

表1 2000—2010年長治市土地利用轉移面積變化矩陣Tab.1 Change of land use transfer area in Changzhi City from 2000 to 2010 (單位:km2)

表2 2010—2020年長治市土地利用轉移面積變化矩陣Tab.2 Change of land use transfer area in Changzhi City from 2010 to 2020 (單位:km2)

2000—2010年,長治市不同土地類型轉出面積由高到低依次為:耕地233.74 km2、草地190.48 km2、建設用地41.67 km2、林地33.22 km2、水體6.83 km2、濕地2.68 km2,分別占轉出總面積的45.6%、37.4%、0.82%、0.65%、0.13%及0.005%。周期內,耕地、草地、建設用地是其主要的土地利用類型,轉化程度也最高。其中,耕地主要轉為建設用地(54.44%)、草地(25.76%)及森林(14.76%),草地主要轉為耕地(53.15%)與林地(43.15%)。

在空間分布上,耕地轉為林地的主要分布在平順縣東部、長子縣東南部,轉為草地的主要分布在襄垣縣北部、長子縣中部、平順縣中部,轉為濕地的主要分布在屯留縣中部、長治市轄區中部等水域周邊,轉為水體的主要分布在襄垣縣西部、屯留縣中部,轉為建設用地的主要分布在長治市中部及各個縣地理位置優越的區域。林地轉為耕地的主要集中分布在屯留縣西部、沁縣南部、壺關縣北中部、潞城市北部、長子縣西部等區域。草地轉為耕地的主要分布在平順縣中部、襄垣縣北中部、壺關縣北部、潞城市北部,轉為林地的主要集中在壺關縣北中部及平順縣東部,轉為水體的集中分布在襄垣縣東南部,轉為建設用地的主要分布在垣曲縣中部。濕地轉為耕地的主要集中在沁縣中部、武鄉縣東部。水體轉為耕地的主要分布在襄垣縣中部、沁縣中部。建設用地轉為耕地的主要零星分布在潞城市西南部、屯留縣東部、沁縣北中部、襄垣縣中南部、沁縣中部。

2010—2020年,長治市不同土地類型中轉出面積由高到低依次為:耕地620.28 km2、草地576.93 km2、林地470.08 km2,分別占轉出總面積的36.14%、33.61%、27.38%。濕地、水體、建設用地面積變化較小。耕地中有310.73 km2轉為建設用地(50%),212.97 km2轉為草地(34.33%)。草地中有372.74 km2轉為林地(46.60%),184.73 km2轉為耕地(32.02%),18.19 km2轉為建設用地(3.1%)。林地中有345.42 km2轉為草地(73.48%),120.38 km2轉為耕地(25.61%)。

在空間分布上,耕地轉為林地的零星分布在襄垣縣北中部、沁縣南部、沁源縣西部、長子縣西部、平順縣中部等區域,轉為草地的主要在沁源縣南部、武鄉縣東南部、黎城縣中部、襄垣縣北中部、屯留縣西北部、潞城市北部、平順縣西南部、壺關縣北部等地,轉為水體的集中分布在沁源縣北中部、武鄉縣北部等地,轉為建設用地的主要分布在黎城縣中南部、潞城市中南部、襄垣縣南部、屯留縣東南部、長子縣東部、長治縣北部及市轄區等部分區域。林地轉為耕地的零星分布在沁源縣西部、沁縣中部、垣曲縣西北部、黎城縣東部、潞城市北部、屯留縣西部、平順縣西南部、壺關縣中部等地,轉為草地的主要分布在沁源縣中南部、沁縣東部、黎城縣北部、屯留縣西部、潞城市中部、平順縣大部、長子縣中西部、壺關縣東部等地。草地轉為耕地的主要分布在武鄉縣東部、沁縣東部、襄垣縣北部、潞城市北中部、屯留縣西部、壺關縣西北部、長子縣中部等地,轉為林地的集中分布在長子縣西部、屯留縣西部、沁源縣南部、黎城縣北中部、武鄉縣南部、平順縣大部、壺關縣中部等地,轉為建設用地的主要分布在沁源縣中部、垣曲縣中部、武鄉縣南部、長治縣中部等地。

2.2 土地利用動態及變化趨勢

2000—2010年,長治市耕地、草地、林地、濕地、水體及建設用地的動態度分別為-0.024%、-0.06%、0.25%、0.18%、0.03%、0.22%。2010—2020年,其土地利用動態度分別為-0.04%,-0.002%、-0.003%、0.054%、0.26%、0.67%。可見在這兩個周期內,耕地、草地總面積都呈現減少趨勢,濕地、水體、建設用地面積呈現增加趨勢,林地面積呈現先增長后減少趨勢。

2000—2010年,長治市耕地、林地、草地、濕地、水體、建設用地的趨勢指數分別為-0.13、0.55、-0.49、0.47、0.15、0.52。2010—2020年,其趨勢指數分別為-0.27 、-0.01、-0.01、0.21、0.56、0.77。可見在研究期后的一段時期內,長治市的耕地、草地及林地使用面積將有所縮減,而濕地、水體及建設用地的面積會增加。

3 結論

分析DEM數據及同期的NDVI數據集發現,長治市海拔在500～1000 m的地類轉換較為頻繁,而海拔較高區域的地類變化較為單一。海拔較高區域及遠離經濟建設高速發展區的土地利用類型變化較小,側面說明人類活動對其土地利用類型變化的影響較高。

通過Arcgis土地利用重心遷移分析發現,長治市研究期內不同地類重心的遷移趨勢如下:耕地在2000—2010年重心向北西方向偏移22.45 km,2010—2020年重心向西偏移16.38 km,2000—2020年兩個周期內重心整體向西偏北方向移動33.13 km。林地在2000—2010年重心向東北偏移13.24 km,2010—2020年重心向東南偏移17.34 km,在2000—2020年兩個周期內重心整體向東偏北方向移動15.46 km。建設用地在2000—2010年重心向西偏南移動18.62 km,2010—2020年重心向南移動14.38 km,2000—2020年兩個周期內重心整體向西南方向移動27.53 km。

研究發現,2000—2020年:①長治市耕地、林地、草地、建設用地波動較大,耕地主要轉為建設用地,新增建設用地382 km2。城市擴張、城鎮化建設是這一現象的主導因素。②長治市耕地的變化速率、動態度、趨勢指數為負值,建設用地為正值。③長治市的建設用地呈衛星狀擴張,這直接導致了耕地與建設用地重心的偏移。