土地利用及景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析
——以甘肅省黨河流域?yàn)槔?/h1>
2021-04-27 04:00:40趙方圓楊宇翔張華堂趙萬奎李珍存王瓊芳
水土保持研究 2021年3期
趙方圓, 楊宇翔, 張華堂, 趙萬奎, 李珍存, 王瓊芳
(甘肅省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)督管理局 甘肅省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院, 蘭州730020)
黨河流域地處我國西北內(nèi)陸肅北縣和敦煌市境內(nèi)。該區(qū)域土地類型復(fù)雜、水土流失、鹽堿化等問題突出，生態(tài)環(huán)境脆弱，該區(qū)域的生態(tài)變化與社會(huì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展關(guān)系密切[1]。在西部開發(fā)等大政策背景下，該區(qū)域人類活動(dòng)日益顯著，包括20世紀(jì)80年代起的“兩西移民”、“九甸峽庫區(qū)移民”、“疏勒河農(nóng)業(yè)開發(fā)移民”等[2]。在大規(guī)模的土地開發(fā)及人類活動(dòng)下，土地類型趨于豐富但分布漸趨不合理，包括林地面積減少、耕地面積減少等因素是制約生態(tài)持續(xù)健康穩(wěn)定發(fā)展的“卡脖子”問題[3]。因此，從2010年開始國家相繼出臺(tái)了一系列可持續(xù)發(fā)展政策，包括國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施的《敦煌水資源合理利用與生態(tài)保護(hù)綜合規(guī)劃(2011—2020)》、2014年國家發(fā)改委印發(fā)的《甘肅省加快轉(zhuǎn)型發(fā)展建設(shè)國家生態(tài)安全屏障綜合試驗(yàn)區(qū)總體方案》、敦煌市頒布實(shí)施的《敦煌市國家級(jí)生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū)規(guī)劃》以及2015年頒布的《甘肅省生態(tài)保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃(2014—2020年)》等。上述各項(xiàng)政策的核心思想在于合理規(guī)劃、改善該地區(qū)的生態(tài)要素時(shí)空格局，從科學(xué)發(fā)展角度論證該地區(qū)生態(tài)要素以及土地類型分配。對(duì)該地區(qū)的相關(guān)研究是保障“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”建設(shè)、構(gòu)建國家生態(tài)安全屏障的有力支撐。黨河流域作為上述政策實(shí)施的重點(diǎn)地區(qū)，其地理位置與環(huán)境特征典型、土地類型豐富但分布不均，對(duì)該地區(qū)開展相關(guān)研究是分析上述政策落實(shí)性以及下一步規(guī)劃發(fā)展的基礎(chǔ)。
土地利用類型的變化是生態(tài)要素時(shí)空格局分析中的重要一環(huán)。目前，土地利用類型的時(shí)間、空間變化及景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析是其中較為關(guān)注的三點(diǎn)[4]。如夏成琪[5]中通過土地利用類型的時(shí)間變化特征分析了鹽城海岸帶土地利用變化，耕地面積在15 a間持續(xù)增加，說明了該地區(qū)對(duì)糧食生產(chǎn)重視程度的提高。張萌[6]、徐曉然[7]、楊尊尊[8]等通過采用轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)土地利用的空間變化進(jìn)行了分析，得到了土地類型中轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出土地面積的大小以及種類。在景觀格局分析中，采用景觀破碎度、景觀多樣性指數(shù)等參數(shù)對(duì)景觀的多樣性以及復(fù)雜程度進(jìn)行了分析[9-11]，由此得到各類土地類型的相應(yīng)屬性。通過上述三點(diǎn)分析，可以有效地對(duì)一個(gè)區(qū)域的土地利用以及景觀變化進(jìn)行定量判斷以及對(duì)政策落實(shí)結(jié)果進(jìn)行趨勢分析。然而，目前針對(duì)該地區(qū)的土地利用類型及景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析多是從宏觀角度分析，并不全面，且缺少定量數(shù)據(jù)上的比對(duì)分析。針對(duì)此，本文對(duì)2012—2018年黨河流域不同土地類型測量數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間、空間以及景觀格局變化分析，研究結(jié)果旨在為該地區(qū)管理部門制定合理的土地利用保護(hù)對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)。
1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源
1.1 研究區(qū)概況
黨河流域地屬疏勒河水系，發(fā)源于祁連山山系，流經(jīng)肅北縣鹽池灣、黨城灣及敦煌，流程288 km，地處我國干旱半干旱區(qū)，冬季寒冷、夏季炎熱、氣候干燥，日照時(shí)間長，晝夜溫差大。本研究黨河流域(甘肅省范圍內(nèi))總面積17 381.33 km2，地理坐標(biāo)93°58′—97°3′E，38°25′—40°26′N，參照全國《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2017)標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)土地類型主要為林地、耕地、牧草地、水域、未利用地、建設(shè)用地，由于該地區(qū)所處海拔位置、山脈分布以及政策導(dǎo)向等特點(diǎn)，未利用土地占比超50%，建設(shè)用地占比小于1%(主要集中在該區(qū)域東北部)，牧草地主要集中在該區(qū)域中部，耕地主要集中在該區(qū)域東北部。黨河流域主要區(qū)域城鎮(zhèn)化率約70%，2019年第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值分別為9.94億元、18.72億元、53.12億元(旅游服務(wù)業(yè)為主)，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為12.16∶22.89∶64.95。該地區(qū)土地類型豐富但分布不均、干旱缺水、植被稀疏、風(fēng)沙危害和水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱等問題突出。
1.2 數(shù)據(jù)來源
本研究使用的原始數(shù)據(jù)為黨河流域2012年、2014年、2016年、2018年林地更新矢量數(shù)據(jù)。將2012年、2014年、2016年、2018年四期數(shù)據(jù)進(jìn)行投影坐標(biāo)系同一化處理，遙感影像采用的是高分一號(hào)及二號(hào)衛(wèi)星拍攝的結(jié)果，分辨率在2～2.5 m且影像圖制作符合《森林資源調(diào)查衛(wèi)星遙感影像圖制作技術(shù)規(guī)程》。各縣市區(qū)林業(yè)調(diào)查人員在外業(yè)調(diào)查前均已建立完整的判讀標(biāo)志，后期省級(jí)和國家林業(yè)管理部門均進(jìn)行了抽樣質(zhì)量檢查，確保了判讀精度。在各縣區(qū)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組將肅北和敦煌數(shù)據(jù)合并處理，統(tǒng)一坐標(biāo)系后，在ArcGIS 10.2軟件的支持下，結(jié)合GPS驗(yàn)證點(diǎn)，又進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證、校對(duì)、修正，解譯精度達(dá)到90%，滿足后續(xù)分析需要。
2 研究方法
為了分析黨河流域土地利用類型變化情況，參考文獻(xiàn)[11-16]中的分析方法，結(jié)合本文研究問題，從土地利用類型時(shí)間、空間變化特征、景觀格局動(dòng)態(tài)變化3個(gè)角度進(jìn)行后續(xù)分析。
2.1 土地利用類型時(shí)間變化分析參數(shù)選擇
為了分析各土地利用類型在時(shí)間上的變化特征，參考相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]，采用單一土地類型凈變化參數(shù)Nc，單一土地類型總變化參數(shù)Tc，綜合土地類型凈變化參數(shù)Sa、綜合土地類型總變化參數(shù)Ss進(jìn)行后續(xù)分析。Huang等[13]指出該4個(gè)參數(shù)可以在一定程度上充分反映不同土地利用類型的時(shí)間變化特征。
(1)
(2)
(3)
(4)
其中，單一土地類型凈變化參數(shù)Nc表征某土地利用類型在一定時(shí)期內(nèi)轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出面積之差，可以定量描述在一定時(shí)間范圍內(nèi)研究區(qū)域某種土地利用類型的變化速度；Ua，Ub分別為某土地利用類型在研究初期和未期的面積；T為研究時(shí)長，如式(1)所示；單一土地類型總變化參數(shù)Tc某一時(shí)期內(nèi)某種土地利用類型轉(zhuǎn)化面積之和來反映該土地類型與其他土地類型間的轉(zhuǎn)換程度；ΔUin為研究期內(nèi)其他土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋煌恋仡愋偷拿娣e之和；ΔUout為研究期內(nèi)某一土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e和，如式(2)所示；綜合土地類型綜合凈變化Sa和總變化Ss用于反映土地利用類型的整體變化速度和轉(zhuǎn)換程度；Ua-i，Ub-i分別為第i種土地利用類型在研究初期和末期的面積；ΔUin-i為其他類型向第i種類型轉(zhuǎn)變的面積之和；ΔUout-i為由第i種土地利用類型向其他類型轉(zhuǎn)變的面積之和；n為土地類型數(shù)，分別如式(3)，(4)所示。
2.2 土地利用類型空間變化分析參數(shù)選擇
考慮到各種土地類型存在互相轉(zhuǎn)化關(guān)系，為了分析2012—2018土地類型的空間轉(zhuǎn)化，基于文獻(xiàn)[14-16]提及的面積轉(zhuǎn)移矩陣方法進(jìn)行土地利用類型空間變化分析，其基本表達(dá)式如式(5)所示。
(5)
式中:Sij為研究初期和末期土地利用狀態(tài)；n為土地類型數(shù)。向量為各種土地利用的面積，反映不同景觀結(jié)構(gòu)與其來源構(gòu)成[16]。
2.3 景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析參數(shù)選擇
為了分析景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征，選擇景觀破碎度Ci、景觀形狀指數(shù)LSI進(jìn)行后續(xù)分析。其中，各參數(shù)計(jì)算式如式(6)，(7)所示，景觀破碎度為斑塊個(gè)數(shù)與面積的比值，景觀破碎度表征景觀被分割的破碎程度；景觀形狀指數(shù)LSI用以表征斑塊的離散化程度，斑塊的離散化程度隨LSI值的增加而增大，小的LSI值說明形狀簡單。
(6)
(7)
式中:Ni為第i類景觀類型的斑塊數(shù)；Ai為第i類景觀類型的總面積；A為景觀總面積；E為邊界總長度。
3 結(jié)果與分析
3.1 土地利用類型時(shí)間變化分析
黨河流域2012—2018年林地、耕地、牧草地、水域、未利用地、建設(shè)用地變化見圖1。各類土地面積占比大小分別為未利用地、牧草地、水域、林地、耕地以及建設(shè)用地，平均占比分別為52.66%，24.32%，11.36%，9.38%，1.84%，0.44%。未利用土地占比最高，建設(shè)用地占比最少。這種土地類型的分配與當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣饔兄苯拥年P(guān)系。
從各類土地類型總占比變化情況來看(表1)，2012—2018年中，林地總占比減少量最大，為0.47%(82.13 km2)，建設(shè)用地總占比增加量最大，為0.20%(35.10 km2)。牧草地總占比減少量0.02%(0.63 km2)，耕地、水域、未利用地均有所增加，增加量分別為0.12%(20.62 km2)，0.01%(2.16 km2)，0.16%(27.61 km2)。
圖1 黨河流域土地利用特征變化
表1 黨河流域2012-2018年不同土地類型面積變化
從各類土地在6 a間的環(huán)比變化來看：(1) 林地面積2012—2014減少了5.61%，2014—2016年減少了0.32%，2016—2018年增加了1.15%。2012—2018年林地面積共減少了4.83%。在林地的下屬分類中(表2)，6 a間灌木林地和宜林地面積均占據(jù)主導(dǎo)地位，相對(duì)于林地總面積的平均占比分別為54.26%與38.03%，此類林地面積較廣與當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣饔兄苯雨P(guān)系。6 a間灌木林地和宜林地分別減少了1.46%(13.17 km2)以及12.55%(86.36 km2)。宜林地的大幅減少是林地面積減少的主要貢獻(xiàn)源。林地其他下屬分類中，6 a間有林地、疏林地、未成林地、苗圃地、無立木林地占林地總面積比值較小，平均占比分別為3.00%，0.00%，3.42%，0.02%，1.26%。林業(yè)輔助用地面積減少量明顯，2012—2018年減少了90.91%。(2) 耕地面積2012—2014年增加了5.37%，2014—2016年減少了1.11%，2016—2018年增加了2.41%。2012—2018年耕地面積增加了6.71%。(3) 牧草地6 a間減少了0.08%，水域減少0.11%。(4) 未利用地面積2012—2014年增加了0.82%，2014—2016年增加了0.01%，2016—2018年減少了0.52%。2012—2018年的6 a間增加了0.30%。(5) 建設(shè)用地面積2012—2014年增加了18.19%，2014—2016年增加了5.2%，2016—2018年增加了26.92%。2012—2018年的6 a間增加了57.80%。綜合以上來看，6 a間，林地減少量最大，導(dǎo)致林地減少的關(guān)鍵因素是宜林地的大幅減少。建設(shè)用地增加量最大，增幅最快。
表2 林地下屬分類不同土地類型面積變化
為了進(jìn)一步分析各土地類型變化特性，通過式(1)—(4)中的單一土地類型凈變化、總變化以及綜合土地類型凈變化以及總變化進(jìn)行后續(xù)分析。從綜合土地類型凈變化與總變化程度來看(圖3)，2012—2014年這一時(shí)間段的變化程度最為劇烈，凈變化率和總變化率分別為0.98%和0.59%；變化程度最小的是2014—2016年，二者分別為0.15%和0.06%。從單一土地類型凈變化與總變化程度來看，2016—2018年建設(shè)用地增長速度最快，凈變化與總變化分別為5.38%與7.84%。除建設(shè)用地外，林地在2012—2014年的凈變化最快，為-1.12%，耕地2012—2014年總變化最快，為2.62%。
圖3 不同土地類型變化情況
3.2 土地利用類型空間變化分析
土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可以反映不同土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)移情況，便于分析土地利用類型的變化過程。基于式5，得到了表3的黨河流域2012—2018年期間土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，具體各類土地轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出以及增加情況見圖4。
表3 2012-2018年土地類型轉(zhuǎn)移矩陣
圖4 不同土地類型面積轉(zhuǎn)移情況
從不同土地類型面積變化量來看，林地6 a間面積減少量最大，為82.13 km2。建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積始終大于轉(zhuǎn)出面積，其土地面積持續(xù)增加。從轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出角度來看，未利用土地6 a間的轉(zhuǎn)入量最大，為107.76 km2，轉(zhuǎn)入面積中林地為主要貢獻(xiàn)源，轉(zhuǎn)入總面積88.72 km2，林地砍伐后成為了未利用土地。其中，林地轉(zhuǎn)出量最大的時(shí)間段為2012—2014年的72.68 km2，后續(xù)2016—2018年未利用土地轉(zhuǎn)出為林地50.45 km2。轉(zhuǎn)入為建設(shè)用地最多的土地類型為未利用土地，6 a間總轉(zhuǎn)入面積13.15 km2，在一定程度上說明加快了未利用土地向建設(shè)用地的開發(fā)利用轉(zhuǎn)變以及開始重視林地保護(hù)。
從總體上來看，2012—2018年土地利用類型呈現(xiàn)林地退化轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢猛恋兀鷳B(tài)建設(shè)加強(qiáng)后未利用土地回轉(zhuǎn)為林地和向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變的大趨勢。這在一定程度反映了研究區(qū)在沙漠治理、天然林保護(hù)、國家公益林保護(hù)建設(shè)等林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)上的效果良好。
3.3 景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析
為了分析在上述土地類型變化過程中對(duì)應(yīng)的景觀動(dòng)態(tài)變化趨勢，從景觀破碎度Ci、景觀形狀指數(shù)LSI等角度研究了黨河流域6 a內(nèi)變化情況并分析變化原因。從景觀破碎度來看(圖5)，建設(shè)用地破碎程度高，景觀連續(xù)性差，人為干擾程度大。6 a間的平均景觀破碎度從大到小分別為建設(shè)用地(58.33)、耕地(19.05)、林地(6.42)、水域(1.13)、未利用地(1.11)、牧草地(0.77)。2012—2016年各地類景觀破碎度均呈增長趨勢，2016—2018年林地和建設(shè)用地減少，其他地類繼續(xù)增長。
圖5 不同年份景觀格局變化情況
從景觀形狀指數(shù)來看，景觀形狀指數(shù)表征景觀形狀的異質(zhì)性，景觀形狀指數(shù)越大，斑塊越離散。6 a間，未利用地與建設(shè)用地的景觀形狀指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢。各土地類型的平均景觀形狀指數(shù)由大到小分別為林地(125.31)、建設(shè)用地(119.69)、未利用地(114.17)、耕地(109.68)、牧草地(66.49)以及水域(66.03)。
4 討論與結(jié)論
4.1 討 論
黨河流域作為《甘肅省生態(tài)保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃(2014—2020年)》、《甘肅省加快轉(zhuǎn)型發(fā)展建設(shè)國家生態(tài)安全屏障綜合試驗(yàn)區(qū)總體方案》等可持續(xù)發(fā)展政策下的重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)其土地利用類型的變化特征的分析關(guān)系到上述政策落實(shí)性以及下一步的規(guī)劃發(fā)展。針對(duì)現(xiàn)有研究對(duì)該地區(qū)的土地利用類型分析主要從宏觀角度并不全面，且缺少定量數(shù)據(jù)上的比對(duì)，基于此，本文給出了定量數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得到了關(guān)鍵性的結(jié)論：生態(tài)建設(shè)加強(qiáng)后呈現(xiàn)未利用土地向林地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)變的大趨勢。但本文仍存在后續(xù)需要繼續(xù)深入研究的問題，包括在更長年份中(增大樣本容量)該地區(qū)土地利用類型變化以及土地利用類型的轉(zhuǎn)變與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人均收入等方面的關(guān)系。
4.2 結(jié) 論
(1) 從土地利用類型時(shí)間變化角度，2012—2018年，林地總占比減少量最大，為0.47%(82.13 km2)，建設(shè)用地總占比增加量最大，為0.20%(35.10 km2)。6 a間林地下屬分類中的宜林地減少量最大，為12.55%(86.36 km2)。宜林地的大幅減少是林地面積減少的主要貢獻(xiàn)源。
(2) 從空間變化角度，未利用土地6 a間的轉(zhuǎn)入量最大，為107.76 km2，轉(zhuǎn)入面積中林地為主要貢獻(xiàn)源，轉(zhuǎn)入總面積88.72 km2，林地轉(zhuǎn)出量最大的時(shí)間段為2012—2014年的72.68 km2，后續(xù)2016—2018年未利用土地轉(zhuǎn)出為林地50.45 km2。建設(shè)用地面積持續(xù)增加，貢獻(xiàn)量最大的為未利用土地的轉(zhuǎn)入量13.15 km2。2012—2018年土地利用類型呈現(xiàn)林地退化轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢猛恋?，生態(tài)建設(shè)加強(qiáng)后未利用土地回轉(zhuǎn)為林地和向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變的大趨勢。這在一定程度上反映了研究區(qū)在沙漠治理、天然林保護(hù)、國家公益林保護(hù)建設(shè)等林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)上的改善。
(3) 從景觀格局動(dòng)態(tài)變化角度，6 a間各地類的景觀破碎度總體上呈現(xiàn)上升趨勢，建設(shè)用地景觀破碎度最大，建設(shè)用地景觀形狀指數(shù)較大且呈現(xiàn)快速上升趨勢，說明人類活動(dòng)較多的建設(shè)用地區(qū)域破碎度高且形狀更復(fù)雜。
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趙方圓, 楊宇翔, 張華堂, 趙萬奎, 李珍存, 王瓊芳
(甘肅省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)督管理局 甘肅省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院, 蘭州730020)
黨河流域地處我國西北內(nèi)陸肅北縣和敦煌市境內(nèi)。該區(qū)域土地類型復(fù)雜、水土流失、鹽堿化等問題突出，生態(tài)環(huán)境脆弱，該區(qū)域的生態(tài)變化與社會(huì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展關(guān)系密切[1]。在西部開發(fā)等大政策背景下，該區(qū)域人類活動(dòng)日益顯著，包括20世紀(jì)80年代起的“兩西移民”、“九甸峽庫區(qū)移民”、“疏勒河農(nóng)業(yè)開發(fā)移民”等[2]。在大規(guī)模的土地開發(fā)及人類活動(dòng)下，土地類型趨于豐富但分布漸趨不合理，包括林地面積減少、耕地面積減少等因素是制約生態(tài)持續(xù)健康穩(wěn)定發(fā)展的“卡脖子”問題[3]。因此，從2010年開始國家相繼出臺(tái)了一系列可持續(xù)發(fā)展政策，包括國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施的《敦煌水資源合理利用與生態(tài)保護(hù)綜合規(guī)劃(2011—2020)》、2014年國家發(fā)改委印發(fā)的《甘肅省加快轉(zhuǎn)型發(fā)展建設(shè)國家生態(tài)安全屏障綜合試驗(yàn)區(qū)總體方案》、敦煌市頒布實(shí)施的《敦煌市國家級(jí)生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū)規(guī)劃》以及2015年頒布的《甘肅省生態(tài)保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃(2014—2020年)》等。上述各項(xiàng)政策的核心思想在于合理規(guī)劃、改善該地區(qū)的生態(tài)要素時(shí)空格局，從科學(xué)發(fā)展角度論證該地區(qū)生態(tài)要素以及土地類型分配。對(duì)該地區(qū)的相關(guān)研究是保障“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”建設(shè)、構(gòu)建國家生態(tài)安全屏障的有力支撐。黨河流域作為上述政策實(shí)施的重點(diǎn)地區(qū)，其地理位置與環(huán)境特征典型、土地類型豐富但分布不均，對(duì)該地區(qū)開展相關(guān)研究是分析上述政策落實(shí)性以及下一步規(guī)劃發(fā)展的基礎(chǔ)。
土地利用類型的變化是生態(tài)要素時(shí)空格局分析中的重要一環(huán)。目前，土地利用類型的時(shí)間、空間變化及景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析是其中較為關(guān)注的三點(diǎn)[4]。如夏成琪[5]中通過土地利用類型的時(shí)間變化特征分析了鹽城海岸帶土地利用變化，耕地面積在15 a間持續(xù)增加，說明了該地區(qū)對(duì)糧食生產(chǎn)重視程度的提高。張萌[6]、徐曉然[7]、楊尊尊[8]等通過采用轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)土地利用的空間變化進(jìn)行了分析，得到了土地類型中轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出土地面積的大小以及種類。在景觀格局分析中，采用景觀破碎度、景觀多樣性指數(shù)等參數(shù)對(duì)景觀的多樣性以及復(fù)雜程度進(jìn)行了分析[9-11]，由此得到各類土地類型的相應(yīng)屬性。通過上述三點(diǎn)分析，可以有效地對(duì)一個(gè)區(qū)域的土地利用以及景觀變化進(jìn)行定量判斷以及對(duì)政策落實(shí)結(jié)果進(jìn)行趨勢分析。然而，目前針對(duì)該地區(qū)的土地利用類型及景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析多是從宏觀角度分析，并不全面，且缺少定量數(shù)據(jù)上的比對(duì)分析。針對(duì)此，本文對(duì)2012—2018年黨河流域不同土地類型測量數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間、空間以及景觀格局變化分析，研究結(jié)果旨在為該地區(qū)管理部門制定合理的土地利用保護(hù)對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)。
1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源
1.1 研究區(qū)概況
黨河流域地屬疏勒河水系，發(fā)源于祁連山山系，流經(jīng)肅北縣鹽池灣、黨城灣及敦煌，流程288 km，地處我國干旱半干旱區(qū)，冬季寒冷、夏季炎熱、氣候干燥，日照時(shí)間長，晝夜溫差大。本研究黨河流域(甘肅省范圍內(nèi))總面積17 381.33 km2，地理坐標(biāo)93°58′—97°3′E，38°25′—40°26′N，參照全國《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2017)標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)土地類型主要為林地、耕地、牧草地、水域、未利用地、建設(shè)用地，由于該地區(qū)所處海拔位置、山脈分布以及政策導(dǎo)向等特點(diǎn)，未利用土地占比超50%，建設(shè)用地占比小于1%(主要集中在該區(qū)域東北部)，牧草地主要集中在該區(qū)域中部，耕地主要集中在該區(qū)域東北部。黨河流域主要區(qū)域城鎮(zhèn)化率約70%，2019年第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值分別為9.94億元、18.72億元、53.12億元(旅游服務(wù)業(yè)為主)，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為12.16∶22.89∶64.95。該地區(qū)土地類型豐富但分布不均、干旱缺水、植被稀疏、風(fēng)沙危害和水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱等問題突出。
1.2 數(shù)據(jù)來源
本研究使用的原始數(shù)據(jù)為黨河流域2012年、2014年、2016年、2018年林地更新矢量數(shù)據(jù)。將2012年、2014年、2016年、2018年四期數(shù)據(jù)進(jìn)行投影坐標(biāo)系同一化處理，遙感影像采用的是高分一號(hào)及二號(hào)衛(wèi)星拍攝的結(jié)果，分辨率在2～2.5 m且影像圖制作符合《森林資源調(diào)查衛(wèi)星遙感影像圖制作技術(shù)規(guī)程》。各縣市區(qū)林業(yè)調(diào)查人員在外業(yè)調(diào)查前均已建立完整的判讀標(biāo)志，后期省級(jí)和國家林業(yè)管理部門均進(jìn)行了抽樣質(zhì)量檢查，確保了判讀精度。在各縣區(qū)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組將肅北和敦煌數(shù)據(jù)合并處理，統(tǒng)一坐標(biāo)系后，在ArcGIS 10.2軟件的支持下，結(jié)合GPS驗(yàn)證點(diǎn)，又進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證、校對(duì)、修正，解譯精度達(dá)到90%，滿足后續(xù)分析需要。
2 研究方法
為了分析黨河流域土地利用類型變化情況，參考文獻(xiàn)[11-16]中的分析方法，結(jié)合本文研究問題，從土地利用類型時(shí)間、空間變化特征、景觀格局動(dòng)態(tài)變化3個(gè)角度進(jìn)行后續(xù)分析。
2.1 土地利用類型時(shí)間變化分析參數(shù)選擇
為了分析各土地利用類型在時(shí)間上的變化特征，參考相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]，采用單一土地類型凈變化參數(shù)Nc，單一土地類型總變化參數(shù)Tc，綜合土地類型凈變化參數(shù)Sa、綜合土地類型總變化參數(shù)Ss進(jìn)行后續(xù)分析。Huang等[13]指出該4個(gè)參數(shù)可以在一定程度上充分反映不同土地利用類型的時(shí)間變化特征。
(1)
(2)
(3)
(4)
其中，單一土地類型凈變化參數(shù)Nc表征某土地利用類型在一定時(shí)期內(nèi)轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出面積之差，可以定量描述在一定時(shí)間范圍內(nèi)研究區(qū)域某種土地利用類型的變化速度；Ua，Ub分別為某土地利用類型在研究初期和未期的面積；T為研究時(shí)長，如式(1)所示；單一土地類型總變化參數(shù)Tc某一時(shí)期內(nèi)某種土地利用類型轉(zhuǎn)化面積之和來反映該土地類型與其他土地類型間的轉(zhuǎn)換程度；ΔUin為研究期內(nèi)其他土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋煌恋仡愋偷拿娣e之和；ΔUout為研究期內(nèi)某一土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e和，如式(2)所示；綜合土地類型綜合凈變化Sa和總變化Ss用于反映土地利用類型的整體變化速度和轉(zhuǎn)換程度；Ua-i，Ub-i分別為第i種土地利用類型在研究初期和末期的面積；ΔUin-i為其他類型向第i種類型轉(zhuǎn)變的面積之和；ΔUout-i為由第i種土地利用類型向其他類型轉(zhuǎn)變的面積之和；n為土地類型數(shù)，分別如式(3)，(4)所示。
2.2 土地利用類型空間變化分析參數(shù)選擇
考慮到各種土地類型存在互相轉(zhuǎn)化關(guān)系，為了分析2012—2018土地類型的空間轉(zhuǎn)化，基于文獻(xiàn)[14-16]提及的面積轉(zhuǎn)移矩陣方法進(jìn)行土地利用類型空間變化分析，其基本表達(dá)式如式(5)所示。
(5)
式中:Sij為研究初期和末期土地利用狀態(tài)；n為土地類型數(shù)。向量為各種土地利用的面積，反映不同景觀結(jié)構(gòu)與其來源構(gòu)成[16]。
2.3 景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析參數(shù)選擇
為了分析景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征，選擇景觀破碎度Ci、景觀形狀指數(shù)LSI進(jìn)行后續(xù)分析。其中，各參數(shù)計(jì)算式如式(6)，(7)所示，景觀破碎度為斑塊個(gè)數(shù)與面積的比值，景觀破碎度表征景觀被分割的破碎程度；景觀形狀指數(shù)LSI用以表征斑塊的離散化程度，斑塊的離散化程度隨LSI值的增加而增大，小的LSI值說明形狀簡單。
(6)
(7)
式中:Ni為第i類景觀類型的斑塊數(shù)；Ai為第i類景觀類型的總面積；A為景觀總面積；E為邊界總長度。
3 結(jié)果與分析
3.1 土地利用類型時(shí)間變化分析
黨河流域2012—2018年林地、耕地、牧草地、水域、未利用地、建設(shè)用地變化見圖1。各類土地面積占比大小分別為未利用地、牧草地、水域、林地、耕地以及建設(shè)用地，平均占比分別為52.66%，24.32%，11.36%，9.38%，1.84%，0.44%。未利用土地占比最高，建設(shè)用地占比最少。這種土地類型的分配與當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣饔兄苯拥年P(guān)系。
從各類土地類型總占比變化情況來看(表1)，2012—2018年中，林地總占比減少量最大，為0.47%(82.13 km2)，建設(shè)用地總占比增加量最大，為0.20%(35.10 km2)。牧草地總占比減少量0.02%(0.63 km2)，耕地、水域、未利用地均有所增加，增加量分別為0.12%(20.62 km2)，0.01%(2.16 km2)，0.16%(27.61 km2)。
圖1 黨河流域土地利用特征變化
表1 黨河流域2012-2018年不同土地類型面積變化
從各類土地在6 a間的環(huán)比變化來看：(1) 林地面積2012—2014減少了5.61%，2014—2016年減少了0.32%，2016—2018年增加了1.15%。2012—2018年林地面積共減少了4.83%。在林地的下屬分類中(表2)，6 a間灌木林地和宜林地面積均占據(jù)主導(dǎo)地位，相對(duì)于林地總面積的平均占比分別為54.26%與38.03%，此類林地面積較廣與當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣饔兄苯雨P(guān)系。6 a間灌木林地和宜林地分別減少了1.46%(13.17 km2)以及12.55%(86.36 km2)。宜林地的大幅減少是林地面積減少的主要貢獻(xiàn)源。林地其他下屬分類中，6 a間有林地、疏林地、未成林地、苗圃地、無立木林地占林地總面積比值較小，平均占比分別為3.00%，0.00%，3.42%，0.02%，1.26%。林業(yè)輔助用地面積減少量明顯，2012—2018年減少了90.91%。(2) 耕地面積2012—2014年增加了5.37%，2014—2016年減少了1.11%，2016—2018年增加了2.41%。2012—2018年耕地面積增加了6.71%。(3) 牧草地6 a間減少了0.08%，水域減少0.11%。(4) 未利用地面積2012—2014年增加了0.82%，2014—2016年增加了0.01%，2016—2018年減少了0.52%。2012—2018年的6 a間增加了0.30%。(5) 建設(shè)用地面積2012—2014年增加了18.19%，2014—2016年增加了5.2%，2016—2018年增加了26.92%。2012—2018年的6 a間增加了57.80%。綜合以上來看，6 a間，林地減少量最大，導(dǎo)致林地減少的關(guān)鍵因素是宜林地的大幅減少。建設(shè)用地增加量最大，增幅最快。
表2 林地下屬分類不同土地類型面積變化
為了進(jìn)一步分析各土地類型變化特性，通過式(1)—(4)中的單一土地類型凈變化、總變化以及綜合土地類型凈變化以及總變化進(jìn)行后續(xù)分析。從綜合土地類型凈變化與總變化程度來看(圖3)，2012—2014年這一時(shí)間段的變化程度最為劇烈，凈變化率和總變化率分別為0.98%和0.59%；變化程度最小的是2014—2016年，二者分別為0.15%和0.06%。從單一土地類型凈變化與總變化程度來看，2016—2018年建設(shè)用地增長速度最快，凈變化與總變化分別為5.38%與7.84%。除建設(shè)用地外，林地在2012—2014年的凈變化最快，為-1.12%，耕地2012—2014年總變化最快，為2.62%。
圖3 不同土地類型變化情況
3.2 土地利用類型空間變化分析
土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可以反映不同土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)移情況，便于分析土地利用類型的變化過程。基于式5，得到了表3的黨河流域2012—2018年期間土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，具體各類土地轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出以及增加情況見圖4。
表3 2012-2018年土地類型轉(zhuǎn)移矩陣
圖4 不同土地類型面積轉(zhuǎn)移情況
從不同土地類型面積變化量來看，林地6 a間面積減少量最大，為82.13 km2。建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積始終大于轉(zhuǎn)出面積，其土地面積持續(xù)增加。從轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出角度來看，未利用土地6 a間的轉(zhuǎn)入量最大，為107.76 km2，轉(zhuǎn)入面積中林地為主要貢獻(xiàn)源，轉(zhuǎn)入總面積88.72 km2，林地砍伐后成為了未利用土地。其中，林地轉(zhuǎn)出量最大的時(shí)間段為2012—2014年的72.68 km2，后續(xù)2016—2018年未利用土地轉(zhuǎn)出為林地50.45 km2。轉(zhuǎn)入為建設(shè)用地最多的土地類型為未利用土地，6 a間總轉(zhuǎn)入面積13.15 km2，在一定程度上說明加快了未利用土地向建設(shè)用地的開發(fā)利用轉(zhuǎn)變以及開始重視林地保護(hù)。
從總體上來看，2012—2018年土地利用類型呈現(xiàn)林地退化轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢猛恋兀鷳B(tài)建設(shè)加強(qiáng)后未利用土地回轉(zhuǎn)為林地和向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變的大趨勢。這在一定程度反映了研究區(qū)在沙漠治理、天然林保護(hù)、國家公益林保護(hù)建設(shè)等林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)上的效果良好。
3.3 景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析
為了分析在上述土地類型變化過程中對(duì)應(yīng)的景觀動(dòng)態(tài)變化趨勢，從景觀破碎度Ci、景觀形狀指數(shù)LSI等角度研究了黨河流域6 a內(nèi)變化情況并分析變化原因。從景觀破碎度來看(圖5)，建設(shè)用地破碎程度高，景觀連續(xù)性差，人為干擾程度大。6 a間的平均景觀破碎度從大到小分別為建設(shè)用地(58.33)、耕地(19.05)、林地(6.42)、水域(1.13)、未利用地(1.11)、牧草地(0.77)。2012—2016年各地類景觀破碎度均呈增長趨勢，2016—2018年林地和建設(shè)用地減少，其他地類繼續(xù)增長。
圖5 不同年份景觀格局變化情況
從景觀形狀指數(shù)來看，景觀形狀指數(shù)表征景觀形狀的異質(zhì)性，景觀形狀指數(shù)越大，斑塊越離散。6 a間，未利用地與建設(shè)用地的景觀形狀指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢。各土地類型的平均景觀形狀指數(shù)由大到小分別為林地(125.31)、建設(shè)用地(119.69)、未利用地(114.17)、耕地(109.68)、牧草地(66.49)以及水域(66.03)。
4 討論與結(jié)論
4.1 討 論
黨河流域作為《甘肅省生態(tài)保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃(2014—2020年)》、《甘肅省加快轉(zhuǎn)型發(fā)展建設(shè)國家生態(tài)安全屏障綜合試驗(yàn)區(qū)總體方案》等可持續(xù)發(fā)展政策下的重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)其土地利用類型的變化特征的分析關(guān)系到上述政策落實(shí)性以及下一步的規(guī)劃發(fā)展。針對(duì)現(xiàn)有研究對(duì)該地區(qū)的土地利用類型分析主要從宏觀角度并不全面，且缺少定量數(shù)據(jù)上的比對(duì)，基于此，本文給出了定量數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得到了關(guān)鍵性的結(jié)論：生態(tài)建設(shè)加強(qiáng)后呈現(xiàn)未利用土地向林地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)變的大趨勢。但本文仍存在后續(xù)需要繼續(xù)深入研究的問題，包括在更長年份中(增大樣本容量)該地區(qū)土地利用類型變化以及土地利用類型的轉(zhuǎn)變與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人均收入等方面的關(guān)系。
4.2 結(jié) 論
(1) 從土地利用類型時(shí)間變化角度，2012—2018年，林地總占比減少量最大，為0.47%(82.13 km2)，建設(shè)用地總占比增加量最大，為0.20%(35.10 km2)。6 a間林地下屬分類中的宜林地減少量最大，為12.55%(86.36 km2)。宜林地的大幅減少是林地面積減少的主要貢獻(xiàn)源。
(2) 從空間變化角度，未利用土地6 a間的轉(zhuǎn)入量最大，為107.76 km2，轉(zhuǎn)入面積中林地為主要貢獻(xiàn)源，轉(zhuǎn)入總面積88.72 km2，林地轉(zhuǎn)出量最大的時(shí)間段為2012—2014年的72.68 km2，后續(xù)2016—2018年未利用土地轉(zhuǎn)出為林地50.45 km2。建設(shè)用地面積持續(xù)增加，貢獻(xiàn)量最大的為未利用土地的轉(zhuǎn)入量13.15 km2。2012—2018年土地利用類型呈現(xiàn)林地退化轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢猛恋?，生態(tài)建設(shè)加強(qiáng)后未利用土地回轉(zhuǎn)為林地和向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變的大趨勢。這在一定程度上反映了研究區(qū)在沙漠治理、天然林保護(hù)、國家公益林保護(hù)建設(shè)等林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)上的改善。
(3) 從景觀格局動(dòng)態(tài)變化角度，6 a間各地類的景觀破碎度總體上呈現(xiàn)上升趨勢，建設(shè)用地景觀破碎度最大，建設(shè)用地景觀形狀指數(shù)較大且呈現(xiàn)快速上升趨勢，說明人類活動(dòng)較多的建設(shè)用地區(qū)域破碎度高且形狀更復(fù)雜。
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