(江蘇師范大學(xué) 地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)是全球氣候變化、環(huán)境變化研究內(nèi)容的重點[1,2],土地利用變化已成為核心研究領(lǐng)域[3,4]。當(dāng)前我國經(jīng)濟高速發(fā)展，城市化累積的諸多人地矛盾凸顯,尤其是經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)[5]。江蘇作為我國東部地區(qū)最活躍、經(jīng)濟最發(fā)達(dá)、人地矛盾最突出的省份[6,7],實時掌握該省土地利用動態(tài)變化信息具有重要意義。

在土地利用變化研究方面,學(xué)者們開展了大量研究,多集中在土地空間格局特征、驅(qū)動因素、變化過程、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及優(yōu)化和模擬等方面[8-12]。就江蘇而言,土地利用變化的研究并不少見,如徐冬冬等利用單一土地利用動態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣對2000—2010年江蘇土地利用變化進(jìn)行了分析,并采用社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)分析了驅(qū)動因素[13];吳秋敏等利用1985—2005遙感數(shù)據(jù)提取江蘇三大區(qū)域的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表,分析了該省土地利用區(qū)域差異[14];呂曉等基于地學(xué)圖譜理論分析了1990—2010年江蘇土地利用變化的圖譜特征[15];李璐璐等以土地利用類型結(jié)構(gòu)統(tǒng)計研究了江蘇土地利用結(jié)構(gòu)演變趨勢[16]。其他研究成果則主要集中分布在太湖地區(qū)[17]、江蘇海岸帶[18]、蘇南地區(qū)[19]等。以上研究文獻(xiàn)可見,采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)年代久遠(yuǎn),且分析江蘇土地利用動態(tài)變化采用的方法較為單一。

作為發(fā)達(dá)地區(qū)典型代表的江蘇，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化迅速,是土地利用變化的熱點地區(qū)[20]，選擇江蘇為研究區(qū)具有典型性和代表性。本文基于1990—2018年江蘇土地利用遙感數(shù)據(jù)和《江蘇省統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù),對1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年3個時期的土地利用時空變化特征及其熱點進(jìn)行了研究分析,探討了影響其土地變化的驅(qū)動力因素,以期為江蘇土地利用和規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

江蘇位于我國東部沿海地區(qū),地理位置介于116°18′—121°57′E、30°45′—35°20′N之間(圖1)。

圖1 研究區(qū)示意圖

江蘇四季分明、雨熱同期,四季中冬夏較長[21]。1990—2018年江蘇土地利用數(shù)據(jù)集來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/),通過人工目視解譯、野外實地驗證修改矢量數(shù)據(jù)柵格化生成lkm的土地利用數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集土地利用一級類綜合評價精度達(dá)到94%以上[22-25]。其中,2018年土地利用數(shù)據(jù)是在2015年土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上,基于landsat 8遙感影像,通過人工目視解譯生成。選擇數(shù)據(jù)集為20世紀(jì)80年代末(統(tǒng)稱為1990年)、2000年、2010年和2018年共4期土地數(shù)據(jù),江蘇1990—2018年的統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)和江蘇省統(tǒng)計局。

1.2 研究方法

本文根據(jù)LUCC分類體系,將江蘇土地分為耕地、草地、林地、水域、未利用地和城鄉(xiāng)工礦居民用地，運用方法包括數(shù)理統(tǒng)計、單一土地利用動態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、綜合土地利用動態(tài)度、空間動態(tài)度、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓(SDE)、熱點分析等[23-32]。其中,單一土地利用動態(tài)度[26]主要用來定量分析江蘇土地各地類的變化頻度；土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[27]主要用來分析江蘇土地轉(zhuǎn)化方向；綜合土地利用動態(tài)度[26]主要用來反映江蘇土地利用變化的劇烈程度；空間動態(tài)度[28]主要用來江蘇土地利用類型轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入的動態(tài)變化過程；標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方法[31]主要用來表征江蘇土地利用變化的空間方向分布和時空演化過程。

2 結(jié)果及分析

2.1 空間分布格局

1990—2018年江蘇省土地利用分布見圖2。

圖2 1990—2018年江蘇土地空間分布

從圖2可見,1990—2018年江蘇以耕地、城鄉(xiāng)工礦居民用地和水域為主,草地、林地面積較其他地類變化不大,耕地面積在不斷減少,而城鄉(xiāng)工礦居民用地顯著增加,且大多集中分布在蘇南地區(qū)，呈現(xiàn)出密集的城市土地向外擴張的趨勢,這一趨勢在2000—2010年和2010—2018年表現(xiàn)得尤為明顯。1990—2000年變化相對緩和,蘇中、蘇北地區(qū)城鄉(xiāng)工礦居民用地也有明顯增加,但相比蘇南地區(qū)擴張程度并不太突出。

2.2 數(shù)量變化特征分析

通過對江蘇1990年、2000年、2010年和2018年4個時期土地利用數(shù)據(jù)和變化數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(表1、表2)分析，可總結(jié)出江蘇1990—2018年土地利用變化的主要特征。2018年江蘇耕地面積為62823km2,約占總面積的60.53%;城鄉(xiāng)工礦居民用地為21644km2,約占總面積的20.86%;水域面積為15007km2,約占總面積的14.46%;林地、草地、未利用地面積為3078km2、1125km2、106km2,分別占總面積的2.97%、1.08%、0.10%。

主要特征包括:①耕地面積明顯下降。1990—2018年江蘇耕地面積減少了9048km2,減少幅度達(dá)9.03%。1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年江蘇3個時期的動態(tài)度分別為-0.25%、-0.39%、-0.84%,動態(tài)度不斷增大,但耕地仍是江蘇的主要用地類型。②城鄉(xiāng)工礦居民用地顯著增加。這是江蘇土地變化的又一特點,28年間共增加了9018km2,增加幅度達(dá)8.64%,3個時期的動態(tài)度分別為1.39%、1.80%、3.47%,變化程度較劇烈。③水域面積持續(xù)增加。1990—2000年、2000—2010年和2010—2018年江蘇的水域面積分別增加了321km2、347km2、735km2,增加幅度達(dá)1.29%,3個時期的土地利用動態(tài)度分別為0.24%、0.25%、0.37%。水域增加速度在加快,相比耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地，水域是江蘇第三大用地類型。④林地和草地面積不斷下降。1990年以來，江蘇林地面積共減少了350km2,減少幅度為0.34%,動態(tài)度為-0.36%,3個時期的動態(tài)度分別為-0.06%、-0.06%、-1.14%。1990—2018年江蘇省草地面積共減少了651km2,減少幅度為0.64%,動態(tài)度為-1.31%,3個時期的動態(tài)度分別為-1.5%、-0.9%、-2.25%。⑤未利用地變化明顯。1990—2018年江蘇未利用地共增加了86km2,增加幅度為0.081%,動態(tài)度為15.36%,3個時期的動態(tài)度分別為0、-1.5%、15.36%,未利用地變化劇烈。

表1 1990—2018年江蘇不同地類面積及比重

表2 1990—2018年江蘇不同地類面積變化與單一動態(tài)度

2.3 類型轉(zhuǎn)換分析(土地轉(zhuǎn)移方向)

為了更加清晰地分析1990年以來江蘇省各土地利用類型的變化方向,本文求出1990—2000年、2000—2010年和2010—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，見表3。

表3 江蘇省不同階段土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(km2)

由表3可知,江蘇減少的耕地主要轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地和水域。其中,1990—2000年江蘇耕地面積轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地1715.27km2,轉(zhuǎn)化為水域面積308.78km2;2000—2010年耕地面積轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地2681.05km2,轉(zhuǎn)化為水域面積499.48km2;2010—2018年江蘇耕地面積轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地10247.1km2,轉(zhuǎn)化為水域面積2345.58km2,可見江蘇城市化和經(jīng)濟發(fā)展加大了對土地的需求量。28年來江蘇轉(zhuǎn)出的城鄉(xiāng)工礦居民用地主要轉(zhuǎn)化為耕地,3個時期轉(zhuǎn)出面積分別為161.13km2、155.27km2、5914.7km2,減少的林地和草地主要轉(zhuǎn)化為耕地、城鄉(xiāng)工礦居民用地和水域,新增的水域主要來源于耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地。1990—2018年江蘇以耕地、城鄉(xiāng)工礦居民用地和水域為主要用地類型。

2.4 土地利用動態(tài)與空間動態(tài)度變化

為了探究江蘇1990—2000年、2000—2010年和2010—2018土地利用變化的劇烈程度特征、轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出動態(tài)變化過程,本文主要采用綜合土地利用動態(tài)度、空間動態(tài)度對全省土地利用變化進(jìn)行定量分析,得到不同模型測度下的土地利用動態(tài)變化結(jié)果，見表4。

表4 不同模型測度下的江蘇1990—2018年土地利用動態(tài)變化結(jié)果

由表4可知,江蘇土地利用變化在綜合土地利用動態(tài)度和空間動態(tài)度整體上(除草地外)2010—2018年變化激烈程度大于1990—2000年和2000—2010年。1990年以來江蘇省綜合土地利用動態(tài)度不斷增大,3個時期的年均變化速率分別為0.27%、0.36%、3.14%。1990—2018年江蘇各地類綜合土地利用動態(tài)度排序為:草地>未利用地>城鄉(xiāng)工礦居民用地>林地>耕地>水域。由于綜合動態(tài)度考慮了不同地類相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量變化過程[28],而單一土地利用動態(tài)度僅考慮數(shù)量變化特征,因此所得江蘇省土地利用綜合動態(tài)度測算結(jié)果有別于單一動態(tài)度。28年來,3個時期空間動態(tài)度不斷增加,反映了江蘇土地轉(zhuǎn)化速率加快,其中又以未利用地城鄉(xiāng)工礦、居民用地最快,其他各地類(草地除外)在每個時期都有不同程度的提高;1990年至今,江蘇未利用地>城鄉(xiāng)工礦居民用地>草地>林地>水域>耕地,相比綜合土地利用動態(tài)度,城鄉(xiāng)工礦居民用地和水域明顯提前,說明江蘇省城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和水域在近30年來與其他地類之間的轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入頻繁,轉(zhuǎn)變速率和活躍程度較高。

2.5 空間格局變化(移動軌跡)

為了進(jìn)一步探究江蘇土地利用變化的分布格局和時空演化過程,本文應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方法得到3個時期的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分布圖(圖3)和相對應(yīng)的結(jié)果參數(shù)值(表5):Shape-Leng為橢圓的周長,Shape_Area表示橢圓的面積,CenterX、CenterY分別代表橢圓平均中心的x坐標(biāo)、y坐標(biāo),XStdDist、YStdDist分別表示橢圓長x軸和短y軸,而Rotation則是橢圓的方向角度,標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長半軸和短半軸分別反映土地變化數(shù)據(jù)分布的方向和范圍。

圖3 江蘇各時期土地利用變化標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分布

表5 江蘇省各時期土地利用變化標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的參數(shù)數(shù)值

從圖3和表5可知,相對于1990—2000年第一個時期,從2000年以后的兩個時期(2000—2010年、2010—2018年)方向性更加顯著,以西北—東南為主軸發(fā)生傾斜,方位角變小,標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長軸的伸縮幅度較大,而2000—2010年橢圓面積不僅向東西方向擴展,而且向南北方向擴張,說明推動江蘇土地變化的拉動力主要有東西向和南北向。相比于1990—2010年,2000—2010年橢圓面積有所增加,標(biāo)準(zhǔn)差主半軸從2000年的218502.86m擴大到2010年的269699.82m,這個時期江蘇的土地利用變化分布趨向分散,而2010—2018年橢圓面積相對前兩個時期減少,此階段江蘇的土地利用變化分布趨于集中。綜上所述,整體上江蘇3個時期的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化幅度較大,覆蓋范圍東至南通,西至南京,南至無錫、蘇州、常州,北至宿遷、連云港、鹽城等地,基本涵蓋了江蘇經(jīng)濟發(fā)展的主體區(qū)域。

2.6 動態(tài)變化熱點分析

本文利用ArcGIS10.5軟件對1990—2018年江蘇土地利用變化圖斑進(jìn)行熱點分析,結(jié)果見圖4。從圖4可見，28年來江蘇土地利用動態(tài)變化的熱點區(qū)域和冷點區(qū)域,蘇南地區(qū)的土地利用變化最大,呈現(xiàn)集中連片的分布特征,蘇中地區(qū)和蘇北地區(qū)的變化熱點圖斑面積相對較小,且較為分散。28年來,江蘇土地利用變化的熱點區(qū)域集中在蘇南等經(jīng)濟較發(fā)達(dá)的地區(qū),人為因素則是江蘇土地利用變化的根本原因。

圖4 1990—2018年江蘇省土地利用變化熱點分析結(jié)果

2.7 土地利用變化驅(qū)動因素分析

本研究認(rèn)為，政策、經(jīng)濟是影響江蘇土地變化的主要驅(qū)動因素。政府制定的一系列政策法規(guī)深刻影響了江蘇土地利用的變化特征,地方政府鼓勵發(fā)展經(jīng)濟,促進(jìn)了城市化發(fā)展。

在區(qū)域土地變化中,人為因素起到了非常重要的驅(qū)動作用[33]。江蘇城鎮(zhèn)人口從1990年的1458.94萬人擴大到2017年(2016年末)的5416.65萬人,增加了3957.71萬人,這些新增的城鎮(zhèn)人口給城建用地帶來了巨大壓力,導(dǎo)致建設(shè)用地大幅度擴張。1990—2018年江蘇城鄉(xiāng)工礦居民用地共增加了9018km2,增加幅度達(dá)8.64%,3個時期的單一土地利用動態(tài)度分別為1.39%、1.80%、3.47%,城市化使大量耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地。28年來江蘇共有14643.42km2耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地,3個時期轉(zhuǎn)化面積分別為1715.27km2、2681.05km2、10247.1km2。同時,20世紀(jì)80—90年代以來的“開發(fā)區(qū)熱、房地產(chǎn)熱、蘇南模式”等,蘇南地區(qū)發(fā)展水平高,全省土地利用變化的熱點大多集中分布在蘇南地區(qū),南京、蘇州、無錫等市興辦了國家級或省級高新技術(shù)開發(fā)區(qū)和工業(yè)園區(qū),推動了城鎮(zhèn)發(fā)展和城市化進(jìn)程。

經(jīng)濟快速發(fā)展是影響江蘇土地利用變化的主要驅(qū)動因素。相比1990年江蘇地區(qū)GDP1416.50億元,2000年、2010年、2017年(2016年末)江蘇地區(qū)GDP分別增加到7137.19億元、40008.98億元、74669.64億元,固定資產(chǎn)投資從1990年的439.98億元增加到2017年(2016年末)的49370.85億元。近28年來，江蘇的耕地面積從1990年的71871km2下降到62823km2,而城鄉(xiāng)工礦居民用地增加到9018km2,其中很大一部分資產(chǎn)用在城市建設(shè)上。2016年江蘇住宅固定資產(chǎn)投資高達(dá)6971.13億元,城鄉(xiāng)工礦居民用地大部分來源于耕地。2003年以后，江蘇大規(guī)模的城鎮(zhèn)建設(shè)高速發(fā)展,4條城市發(fā)展軸在長江以北地區(qū),使蘇北地區(qū)城市區(qū)位條件得到了極大的改善。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是江蘇省土地利用變化的重要影響因子。2017年(2016年末)江蘇省第二產(chǎn)業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)對經(jīng)濟生產(chǎn)總值的貢獻(xiàn)率高達(dá)99.5%,三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由1990年的27.6∶52.6∶19.8變化為2000年的42.8∶30.2∶27、2010年的6.1∶52.5∶41.4,到2017年這一比例更是達(dá)到了5.4∶44.1∶50.5。第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)占比明顯下降,而第三產(chǎn)業(yè)顯著上升,更加推動耕地向城鄉(xiāng)工礦居民用地轉(zhuǎn)移。農(nóng)、林、牧、漁總產(chǎn)值比從1990年的62.44∶1.36∶27.69∶8.51變化到2000年的58.11∶1.69∶23.06∶16.78、2010年的55.67∶1.92∶22.65∶19.78變化到2017年的54.65∶1.90∶19.58∶23.89,農(nóng)業(yè)比重明顯降低，漁業(yè)產(chǎn)業(yè)比重顯著升高,在經(jīng)濟利益的驅(qū)動下,農(nóng)民將部分耕地、林草地轉(zhuǎn)化為魚塘水庫。1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年耕地轉(zhuǎn)化為水域的面積分別為308.78 km2、499.48km2、2345.58km2。

3 結(jié)論

本文利用GIS和RS技術(shù)對江蘇土地利用時空變化和熱點進(jìn)行了較為深入的研究與分析,得出以下4條主要結(jié)論:①1990—2018年江蘇土地利用的總體特征是:耕地面積大量減少,城鄉(xiāng)工礦居民用地面積大幅度增加,水域面積增加,未利用地面積變化劇烈,林地與草地面積持續(xù)減少。②在轉(zhuǎn)化方向上,1990年以來江蘇耕地主要向城鄉(xiāng)工礦居民用地和水域轉(zhuǎn)化,林地和草地主要向耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地轉(zhuǎn)化;1990—2000年江蘇主要以耕地向城鄉(xiāng)工礦居民用地和水域轉(zhuǎn)化,林地向城鄉(xiāng)工礦居民用地轉(zhuǎn)化,草地、水域向耕地轉(zhuǎn)化為主；2000—2010年以耕地、水域、林地主要向城鄉(xiāng)工礦居民用地轉(zhuǎn)化,未利用地和草地向水域轉(zhuǎn)化為主；2010—2018年耕地主要向城鄉(xiāng)工礦居民用地和水域轉(zhuǎn)化。③全省土地利用變化時空分布存在著明顯的方向性,28年來土地利用熱點區(qū)域呈現(xiàn)集中連片的分布特征,集中分布于蘇南等經(jīng)濟較發(fā)達(dá)地區(qū)。④人為因素是江蘇土地演變的主要驅(qū)動力,其中政策因素和經(jīng)濟因素占據(jù)著主導(dǎo)地位。