劉南健 安佑志 李松

摘 要：基于1980—2015年7期的Landsat TM遙感影像解譯數(shù)據(jù)，結(jié)合地學(xué)統(tǒng)計方法對典型巖溶區(qū)縣域尺度下的土地利用時空演變格局進行定量分析。結(jié)果表明，35年來，研究區(qū)的用地類型以林地、耕地、草地為絕對主導(dǎo)用地，3者面積比例之和穩(wěn)定在98%以上，整體變幅較小。研究區(qū)用地變化劇烈程度依次是建設(shè)用地>水域>林地>未利用地>草地>耕地;從綜合土地利用角度看，1995—2005是研究區(qū)35年來用地結(jié)構(gòu)變化最快的時段，2005—2015年間變化速度減慢。從用地的轉(zhuǎn)移情況可知，1980—1995年期間各用地的轉(zhuǎn)移量較少;1995—2005年間最顯著的特征是耕地轉(zhuǎn)給其他地類的量最多，達22.36km2，2005—2015年各用地轉(zhuǎn)移趨向縮減，轉(zhuǎn)移不顯著。35年來研究區(qū)土地的轉(zhuǎn)出量耕地>草地>林地>水域>建設(shè)用地，其中，耕地的轉(zhuǎn)出量遠多余其他用地，達33.21km2。

關(guān)鍵詞：土地利用;時空變化;GIS;轉(zhuǎn)移矩陣

中圖分類號 F301.2文獻標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）24-0112-05

Abstract：Based on Landsat TM remote sensing image interpretation data of 7 periods from 1980 to 2015，the spatial and temporal evolution pattern of land use at county scale in typical karst areas was quantitatively analyzed with geostatistical method. The results show that：（1）In the past 35 years，woodland、 cultivated land and grassland are the absolute dominant land use types in the study area，and the total proportion of the three areas is more than 98%，and the overall change is small. （2）The intensity of land use change in the study area is construction land>water area>woodland>unused land>grassland>cultivated land in turn;from the perspective of comprehensive land use，the 10-year period 1995-2005 is the fastest period of land use structure change in the study area in 35 years，and the change rate slows down in 2005-2015. （3）From the situation of land transfer，it can be seen that the amount of land transfer from 1980 to 1995 is relatively small;the most significant feature in the 10 years from 1995 to 2005 is that the amount of cultivated land transferred to other land types is the largest，reaching 22.36 km2. The trend of land transfer from 2005 to 2015 is decreasing，but the transfer is not very significant. In the past 35 years，the amount of land transferred from the study area was cultivated land>grassland>woodland>water area>construction land. The amount of arable land transferred is far more than that of other land，reaching 33.21 km2.

Key words：Land use;Spatial and temporal change;GIS;Transfer matrix

土地利用/覆被變化（LUCC）被視為人-地時空耦合復(fù)雜系統(tǒng)下非常重要的科學(xué)問題。作為人類廣泛生產(chǎn)活動與天然環(huán)境作用下的產(chǎn)物，土地利用變化越來越成為人類與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重點研究內(nèi)容。與此同時，土地利用時空格局的動態(tài)監(jiān)測與模擬分析對土地生態(tài)系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)的良性循環(huán)具有突出和長遠的實際運用價值[1-3]。

特定區(qū)域內(nèi)土地屬性的變化與一定范圍內(nèi)的社會實踐活動有密切關(guān)聯(lián)。土地景觀格局演變的眾多研究中，以大中區(qū)域、典型地區(qū)、流域和地理交界地帶等地區(qū)居多[4-7]。在研究方法方面，有學(xué)者通過運用分形理論和地理信息圖譜理論探討了區(qū)域的用地結(jié)構(gòu)及時空演變模式[8-9]。在技術(shù)硬件支持的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者通過計量地理和計算機模擬方法對土地利用變化也做了大量研究。通過運用多種土地利用量化指數(shù)能夠更加客觀反映一個區(qū)域地段的景觀復(fù)雜變化[10]。通過解譯歷史時期影像數(shù)據(jù)的方法，利用計算機模擬未來的土地利用情景變化對區(qū)域土地資源配置具有一定的用地規(guī)劃參考作用[11]。喀斯特地區(qū)作為一個典型生態(tài)脆弱的水土保持與土地覆被變化研究區(qū)域，利用長時段的遙感影像數(shù)據(jù)對其進行土地利用時序-空間格局演化進程分析，無論對區(qū)域的生態(tài)安全評估還是經(jīng)濟發(fā)展都具有深刻意義[12-13]。生態(tài)脆弱區(qū)的土地利用與變化有它獨特的演化特性[14]，而喀斯特山區(qū)因石漠化和水土流失以及土地退化等生態(tài)問題也受到了一些學(xué)者的關(guān)注[15-16]。

土地形態(tài)、屬性和性質(zhì)等特征的變化和區(qū)域內(nèi)的生境具有較強的互動反饋作用，土地作為生態(tài)系統(tǒng)的一部分也反映著生境的動態(tài)狀況。前人對喀斯特的研究多數(shù)集中于石漠化和水土保持[17-20]。本研究以鎮(zhèn)寧和關(guān)嶺縣域聯(lián)合尺度為整體研究單元，使用1980—2015年共7個時間節(jié)點的遙感影像解譯數(shù)據(jù)，通過ArcGIS10.6軟件對典型巖溶區(qū)土地利用演變進行定量分析，旨在為生態(tài)脆弱區(qū)土地的科學(xué)合理規(guī)劃利用與管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域 以典型喀斯特巖溶縣鎮(zhèn)寧和關(guān)嶺為整體研究單元。鎮(zhèn)寧縣和關(guān)嶺縣位于貴州省西南典型喀斯特地貌區(qū)（105°15′～106°1′E，25°25′～26°11′N），隸屬于安順市，巖溶地貌分布廣。其中鎮(zhèn)寧地處貴州高原向南傾斜的斜坡地帶，位于世界上最大的巖溶區(qū)-華南巖溶的中心位置，屬黔中丘原中山類型，海拔自北向南逐漸降低，地形南北狹長且跨度大。關(guān)嶺地處云貴高原東部的一段斜坡地帶，貴州省中部偏西南，地勢上西北面較高，東南側(cè)較低，東北面與鎮(zhèn)寧縣相銜接。關(guān)嶺喀斯特地貌分布廣泛，氣候垂直分異明顯。關(guān)嶺巖溶景觀大面積發(fā)育，石灰?guī)r分布比較突出。

1.2 研究數(shù)據(jù) 本研究所使用的Landsat TM遙感影像解譯數(shù)據(jù)集來源于中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/），分別是1980、1990、1995、2000、2005、2010和2015年共7期數(shù)據(jù)，分辨率為30m，該精度符合本研究區(qū)域要求。根據(jù)實際情況，本研究采用一級類地類分類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。利用現(xiàn)有的研究區(qū)矢量邊界數(shù)據(jù)對獲取的柵格執(zhí)行裁剪，從而得出本文的土地利用分類柵格數(shù)據(jù)集。使用ArcGIS10.6加載7期的柵格數(shù)據(jù)集，通過轉(zhuǎn)換工具得到研究區(qū)的矢量數(shù)據(jù)集。

2 研究方法

2.1 土地利用動態(tài)度

2.1.1 單一土地利用動態(tài)度 單一土地利用動態(tài)度用來定量描述特定時間區(qū)間內(nèi)變化中的土地狀態(tài)[21]，公式為：

式中，Xi即是地類i的單一土地利用動態(tài)度，Xi值越小，表明其轉(zhuǎn)出的量越少;Lit2和Lit1表示的地類i在t1和t2時間節(jié)點的面積;T為起始時間與終止時間之差。

2.1.2 綜合土地利用動態(tài)度 綜合土地利用度用來反映土地對象在開始時段與結(jié)束時段之差內(nèi)轉(zhuǎn)移的整體動態(tài)過程[22]，公式為：

式中，LC表示對象區(qū)域t時間范圍內(nèi)的綜合土地利用動態(tài)度，計算獲得的LC越大則用地的演化狀態(tài)越強烈;LUi-j代表開始時間點至終止時間點某i型用地轉(zhuǎn)化到其他類別用地的量;LUi表示研究時段內(nèi)初期某i類土地的數(shù)量;t則是研究的時間跨度。

2.2 轉(zhuǎn)移矩陣 土地動態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣通過對一定時間范圍內(nèi)的用地土地轉(zhuǎn)移進行定量研究，可以宏觀量化研究區(qū)的各地類的轉(zhuǎn)移情況，還能預(yù)測未來的變化趨勢，能夠較好地反映土地的轉(zhuǎn)移數(shù)量和方向[23]。

3 結(jié)果與分析

3.1 鎮(zhèn)寧關(guān)嶺1980—2015年用地格局 通過ArcGIS10.6軟件平臺對1980、1990、1995、2000、2005、2010和2015年7個時間節(jié)點的遙感解譯數(shù)據(jù)進行幾何統(tǒng)計和可視化分析，得到研究對象在各時間節(jié)點的用地分布格局（圖1）。從用地的區(qū)域結(jié)構(gòu)來看，鎮(zhèn)寧關(guān)嶺的林地、耕地和草地比重顯著大于其他類型，這3種地類廣泛散布在研究區(qū)內(nèi)，并且面積長期穩(wěn)定居于主導(dǎo)位置，林地在全區(qū)域廣泛分布，又以東南部部居多，其次是耕地和林地幾乎交錯分布，耕地分布的區(qū)域幾乎都有林地。耕地則大片分布于海拔相差較小的北部區(qū)域，西面和東北面較高海拔區(qū)也分布較多。耕地總體分散在西北側(cè)。草地分布在研究區(qū)的中心位置分布較多，西側(cè)海拔較高區(qū)域和南端分布明顯少于其他方位。35年來草地的分布是較為穩(wěn)定的。其次與社會經(jīng)濟活動密切的建設(shè)用地也團聚在北部海拔差距較小的位置，以及靠近耕地和水域的中西部位。2010年作為建設(shè)用地發(fā)展的北方建設(shè)用地呈成長條形迅速擴張，同時向周邊分散發(fā)展，主要向耕地地區(qū)擴張。鎮(zhèn)寧和關(guān)嶺相比較而言，社會經(jīng)濟活動的區(qū)域也是集中于鎮(zhèn)寧的北部地區(qū)，其次是關(guān)嶺的中西側(cè)零星散布。水域主體分布在偏北部地區(qū)，中西部也有少量獨立的水域區(qū)，從研究區(qū)整體來看，水域面積十分稀少，空間上的分布也不均勻。在時間演進基礎(chǔ)上來看，據(jù)表1可知，近35年來，鎮(zhèn)寧-關(guān)嶺的土地利用結(jié)構(gòu)以林地、耕地和草地為主，面積從大小依次是：林地>耕地>草地>建設(shè)用地>水域>未利用地，這3種地類所占的比重穩(wěn)定達到了90%以上，林地占比在50%左右，變動幅度十分微小。面積最小的分別是未利用地，水域和建設(shè)用地，35年來這3種用地的總面積和占比分別為87.7km2和2.76%。耕地和草地的數(shù)量總體表現(xiàn)為下降趨勢，1980—2015年兩者的數(shù)量分別縮減29.06km2和4.53km2。耕地面積每年平均減少0.83km2，草地每年平均減少0.13km2。耕地數(shù)量的減少最多。林地總體為上升趨勢，1980—2015年增加了22.4797km2，平均每年增加0.64km2。水域數(shù)量變化比較特殊，1980—2005年總體數(shù)量在縮減，1980年的數(shù)量是6.38km2，而2010年銳減到3.65km2，減幅達到50%左右。值得注意的是，2010年北部建設(shè)用地區(qū)域出現(xiàn)大塊水域面積，這可能是人工湖，水域在2005—2010年有所增加并保持穩(wěn)定。從時空演變格局來看，研究區(qū)近35年來用地結(jié)構(gòu)變化最突出的是耕地，這與城區(qū)擴建、交通運輸用地的建設(shè)、水土流失和荒漠化有密切聯(lián)系。因此加強水土保持和荒漠化治理工作極為重要，這直接關(guān)系到當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)的可持續(xù)發(fā)展和人地協(xié)調(diào)。

3.2 土地利用動態(tài)度

3.2.1 單一土地利用動態(tài)度 根據(jù)公式（1）可算出研究范圍內(nèi)1980—2015年分時段的單一土地動態(tài)結(jié)果（表2）。近35年來，研究區(qū)的土地利用變化穩(wěn)定程度耕地>草地>未利用地>林地>水域>建設(shè)用地。變化最明顯的是2005—2015年的水域和建設(shè)用地。

3.2.2 綜合土地利用動態(tài)度（LC） 根據(jù)公式可計算出研究區(qū)內(nèi)1980—2015年不同時段的LC值。1980—1995的LC值僅0.02%，表明該時期用地結(jié)構(gòu)變化較慢。1995—2005的10年間，用地變化最快。2005—2015年變化速度減緩。35年間的LC為0.09%，說明鎮(zhèn)寧關(guān)嶺縣整體的土地利用處于緩慢演變階段。

3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析 根據(jù)7期遙感解譯數(shù)據(jù)制成1980—1995、1995—2005、2005—2015和1980—2015的轉(zhuǎn)移矩陣，從細(xì)節(jié)到整體分析研究區(qū)35年來用地的轉(zhuǎn)移情況。從表3能夠得知，1980—1995的15年間，研究區(qū)地類轉(zhuǎn)移以草地最為顯著。15年間草地共轉(zhuǎn)出2.38km2，其中轉(zhuǎn)為林地最多，為2.36km2。水域轉(zhuǎn)移量也較顯著，每轉(zhuǎn)出2.72km2，就有1km2轉(zhuǎn)為林地。轉(zhuǎn)變量最少的是耕地、林地和建設(shè)用地，3種用地分別的總轉(zhuǎn)變量不到1km2?？傮w來看，1980—1995年的土地轉(zhuǎn)變量不明顯。本時期變化最顯著的用地是草地。

從表4可以看出，耕地僅僅在這10年的轉(zhuǎn)移量最大，達22.36km2，其中轉(zhuǎn)移最顯著的是由耕地轉(zhuǎn)出19.30km2到林地，而林地轉(zhuǎn)移給耕地的僅有1.34km2，這也是本階段林地面積增加的一個重要原因。較上一個時期，草地轉(zhuǎn)給耕地的面積明顯增加，達到1.77km2，而草地總轉(zhuǎn)移量也達到了4.54km2。此時水域的轉(zhuǎn)移最少，轉(zhuǎn)移最顯著的是耕地。

從表5可知，2005—2015這10年間用地轉(zhuǎn)化的動態(tài)進程整體較小。耕地是轉(zhuǎn)出量最多的一種地類，轉(zhuǎn)移量共計11km2，耕地轉(zhuǎn)出量從小到大依次是建設(shè)用地>水域>草地>林地。這10年是建設(shè)用地快速發(fā)展的階段，每一種用地或多或少地都有轉(zhuǎn)進。當(dāng)然，以耕地的轉(zhuǎn)進最多。

從表6可以看出，研究區(qū)1980—2015年，耕地轉(zhuǎn)出面咱們最大，共計達到33.21km2，其中由耕地轉(zhuǎn)移到林地的20.44km2最為顯著。林地的轉(zhuǎn)移量次之，共計4.59km2，大部分林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。草地的轉(zhuǎn)移也比較顯著，共轉(zhuǎn)出10.12km2，其中2.14km2轉(zhuǎn)成建設(shè)用地，2015年有0.27km2的草地轉(zhuǎn)成了未利用地。35年間建設(shè)用地的轉(zhuǎn)進量主要來自于耕地、林地和草地，3者轉(zhuǎn)為建設(shè)用地共10.47km2。建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移比較少，這可能是由于該用地主要是人居生活場所用地，較為固定，很難發(fā)生轉(zhuǎn)移。水域在35年間的轉(zhuǎn)移方向主要是林地、草地和耕地。耕地轉(zhuǎn)出量最顯著，轉(zhuǎn)給林地和建設(shè)用地的最多，分別達到20.44km2和5.60km2。

4 結(jié)論

本研究將典型巖溶區(qū)鎮(zhèn)寧縣與關(guān)嶺縣作為整體分析主體，通過遙感解譯數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計方法與用地轉(zhuǎn)移指標(biāo)量化了鎮(zhèn)寧關(guān)嶺35年來土地演變的動態(tài)過程。結(jié)果表明，研究區(qū)以林地、耕地、草地3類土地為主體，3者比例明顯多余其他用地類型比例;35年來，鎮(zhèn)寧和關(guān)嶺2縣耕地面積的減少最為突出，達29.06km2。建設(shè)用地以增長數(shù)量10.21km2成為增量最大的地類;從不同用地的動態(tài)度來看，研究區(qū)的用地穩(wěn)定程度依次是耕地>草地>未利用地>林地>水域>建設(shè)用地;用地結(jié)構(gòu)變化最顯著的時段是1995—2005年。1980—1995的用地變化十分微弱，2005—2015年用地變化程度則逐漸減緩。通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可得知，研究區(qū)在1995—2005的10年間土地轉(zhuǎn)移量最大，為28.37km2。耕地在1995—2005年轉(zhuǎn)為林地最顯著。就研究區(qū)1980—2015年整體來看，耕地的轉(zhuǎn)出量最大，達33.21km2;而轉(zhuǎn)進量較少，其中有20.44km2轉(zhuǎn)為林地，這也是林地面積增多的主要用地來源。

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（責(zé)編：張 麗）