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        基于GlobeLand30的山東省地表覆蓋時(shí)空變化與分析

        2022-01-17 06:37:10朱林燁牛婧格邢華橋陳冰瑤
        地理空間信息 2021年12期
        關(guān)鍵詞:人造草地耕地

        朱林燁,牛婧格,邢華橋*,陳冰瑤,劉 暢

        (1.山東建筑大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

        近年來(lái),由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日趨增長(zhǎng),人類(lèi)加快了對(duì)土地資源利用的速度,也產(chǎn)生了相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境惡化、土地利用分布不均等一系列問(wèn)題。以2000-2020 年山東省GlobeLand30 數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,采用用地面積、構(gòu)成占比、增量占比以及地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣的空間分析方法,研究了山東省及其各地級(jí)市地表覆蓋的空間格局、變化幅度、區(qū)域差異及變化成因,為山東省城市規(guī)劃、土地利用可持續(xù)發(fā)展等方向提供理論基礎(chǔ)[1-4]。

        1 研究區(qū)與研究方法

        以2000 年、2010 和2020 年的GlobeLand30 數(shù)據(jù)以及山東省16 地市的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,分別研究山東省地表覆蓋的空間格局分布、變化幅度、區(qū)域差異及變化驅(qū)動(dòng)力分析等,總體思路如圖1 所示。首先,利用行政區(qū)劃數(shù)據(jù)裁剪覆蓋山東省范圍的三期GlobeLand30 數(shù)據(jù),分別從山東省全局和16 地市對(duì)山東省地表覆蓋空間格局分布進(jìn)行分析;其次分別從變化量、變化率、轉(zhuǎn)移矩陣等角度對(duì)2000-2020 年間的山東省地表覆蓋變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì);最后分析山東省地表覆蓋變化的原因及其產(chǎn)生的影響,為山東省土地利用決策、城市發(fā)展方向、國(guó)情預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 總體格局分布

        結(jié)合山東省的行政區(qū)劃數(shù)據(jù),對(duì)2000 年、2010 年和2020 年的GlobeLan 30 數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪,如圖2 所示。獲得山東省2000-2020 年GlobeLand 30 數(shù)據(jù)空間分布情況,并對(duì)8 個(gè)地類(lèi)面積及占比結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表1 所示。山東省耕地面積占全省面積比例最高,這也體現(xiàn)出山東省土壤條件好,易于發(fā)展農(nóng)業(yè)。人造地表僅次于耕地,森林和草地的面積約占總面積的4%~5%,主要分布于魯中南山地丘陵中部區(qū)域和魯東丘陵的北部區(qū)域,該地區(qū)地形起伏較大,易于形成森林。濕地和水體主要分布于南四湖地區(qū)和魯西北平原北部沿海地區(qū)。

        圖2 山東省GlobeLand30 數(shù)據(jù)的空間分布圖

        表1 2000-2020 年山東省地表覆蓋各地類(lèi)面積及比例

        2.2 變化幅度

        通過(guò)分析2000-2020 年的地表覆蓋的變化量和變化率,可知20 a 間山東省地表覆蓋面積和結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展趨勢(shì)[5],如表2 所示。從總體上看,2000-2020 年山東省地表覆蓋變化程度較大,其中,2000-2020 年間耕地變化量最大、裸地的變化量最小。在2000-2010 年間山東省的GlobeLand 30 數(shù)據(jù)沒(méi)有灌木地?cái)?shù)據(jù)。

        表2 2000-2020 年山東省地表覆蓋面積變化量與變化率

        1)在2000-2010 年間,山東省的耕地、森林、濕地呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),山東省的水體、草地、裸地、人造地表呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì),減少幅度最大的地表類(lèi)型為濕地,在這10 a 間減少了約226.28 km2,濕地變化率約為29.19%。森林的縮減率僅次于濕地,減少了約25.42%。耕地縮減了3 761.72 km2,但耕地縮減率僅約為2.98%,縮減率相對(duì)較低,其原因是山東省耕地面積較大,變化部分面積所占耕地總面積比例較小。在2000-2010 年間水體增長(zhǎng)率高達(dá)41.63%,其次是草地,增加了約928.16 km2,增長(zhǎng)率達(dá)到33.96%。裸地在2000-2010 年間由原來(lái)的126.28 km2增長(zhǎng)到158.41 km2,增長(zhǎng)了約25.44%。人造地表由2000 年的15 524.59 km2增長(zhǎng)到2010 年的18 324.18 km2,在這10 a 間,其增長(zhǎng)率約為18.03%。

        2)在2010-2020 年間,山東省的耕地、水體、裸地呈現(xiàn)減少趨勢(shì),山東省人造地表、濕地、森林、草地呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。水體由2000-2010 年的增長(zhǎng)趨勢(shì)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)在的減少趨勢(shì)。裸地變化率最大,高達(dá)27.49%。耕地一直呈縮小的趨勢(shì),且縮小趨勢(shì)十分明顯,這與人造地表面積的擴(kuò)張存在一定的聯(lián)系。人造地表的增長(zhǎng)尤為迅速,由18 324.18 km2(2010 年)擴(kuò)張至28 087.32 km2(2020 年),增長(zhǎng)率高達(dá)53.28%。灌木地的變化率較大,其可能是由于在2000 年和2010 年灌木地的區(qū)域較少,較難提取灌木地區(qū)域。草地的增長(zhǎng)率相比于2000-2010 年增長(zhǎng)率減少24.17%。雖然在2010-2020 年間森林和濕地都有不同程度的增加(森林面積增長(zhǎng)率為10.44%,濕地面積增加77.09 km2),但都未達(dá)到2000 年的森林和濕地面積量。

        2.3 區(qū)域差異

        利用ArcGIS 軟件得到2000-2020 年山東省地表覆蓋變化轉(zhuǎn)移矩陣。如表3~4 所示,從總體上看,山東省耕地面積減少的主要原因是人造地表面積增加,2000-2010 年耕地轉(zhuǎn)出總面積為7 748.14 km2,其中轉(zhuǎn)入人造地表面積為4 930.62 km2,占63.64%,另有部分耕地轉(zhuǎn)化為森林、草地等其他地類(lèi)。2010-2020 年耕地轉(zhuǎn)化為人造地表面積占比高達(dá)78.35%。由此可知,山東省在這20 a 內(nèi)城市化水平仍在提高。

        表3 2000-2010 年山東省地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

        表4 2010-2020 年山東省地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

        對(duì)2000-2020 年間山東省各地級(jí)市的地表覆蓋面積變化量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖3 所示??梢钥闯?000-2010 年煙臺(tái)市、東營(yíng)市、青島市的地表覆蓋面積變化量較大,棗莊市、德州市、聊城市等其他地級(jí)市地表覆蓋面積變化較小,山東省的地表覆蓋變化呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性[6]。2010-2020 年臨沂市地表覆蓋面積變化量較大,威海市地表覆蓋面積變化量最小,其他地級(jí)市地表覆蓋均有不同程度的變化。具體表現(xiàn)為:

        圖3 山東省各地級(jí)市地表覆蓋面積變化量

        1)山東省各地級(jí)市耕地均有不同程度的減少,但耕地減少區(qū)域分布相對(duì)分散。2000-2010 年耕地減少量較大的地區(qū)為濰坊市、東營(yíng)市、臨沂市、青島市。耕地減少最大的地區(qū)為東營(yíng)市,由2000 年的5 293.28 km2減少至2010 年的4 383.91 km2。濰坊市、東營(yíng)市、臨沂市、青島市在2000-2010 年間耕地面積減少量為2 223.58 km2,山東省耕地總體減少量為3 761.72 km2,占59.12%。2010-2020 年耕地轉(zhuǎn)化為人造地表的區(qū)域面積更大,且?guī)缀醣椴颊麄€(gè)山東省。結(jié)合圖4a 和圖4g所示,森林區(qū)域主要集中在魯中南山地丘陵中部地區(qū)(即,濟(jì)南市和淄博市);耕地轉(zhuǎn)化為濕地、水體的區(qū)域主要分布于魯西北平原北部;各地級(jí)市中心及其周?chē)貐^(qū)是耕地轉(zhuǎn)化為人造地表的主要地區(qū),主要呈現(xiàn)從中心向外部擴(kuò)張的趨勢(shì)。

        2)森林變化量由減少趨勢(shì)轉(zhuǎn)化為略微增加的趨勢(shì)。在2000-2010 年間,煙臺(tái)市、青島市、威海市是山東省森林變化幅度較大的區(qū)域。煙臺(tái)市、青島市、威海市森林面積減少量為1 345.56 km2,超過(guò)山東省森林減少總量1 251.31 km2。結(jié)合圖4b 所示,森林轉(zhuǎn)化耕地、草地的區(qū)域主要分布魯東丘陵?yáng)|北部地區(qū),主要由于該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件較好,導(dǎo)致森林面積減少量較大。在2010-2020 年間,結(jié)合圖4b 和圖4h 可知,16 地級(jí)市的森林變化量基本都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。其中,濰坊市、臨沂市、淄博市森林面積增加量較大。

        3)山東省草地面積一直處于增加的趨勢(shì)。在2000-2010 年間,山東省草地變化幅度較大區(qū)域?yàn)闊熍_(tái)市、青島市、威海市、東營(yíng)市。草地增加最大的地區(qū)為煙臺(tái)市,由2000 年的622.95 km2增加為2010 年的1 121.91 km2。煙臺(tái)市、青島市、威海市、東營(yíng)市草地共增加了1 096.91 km2,而山東省森林共增加了927.58 km2,超過(guò)山東省草地增加總量。結(jié)合圖4c 和圖4i 所示,山東省草地增長(zhǎng)區(qū)域主要集中于魯中南山地丘陵中部區(qū)域(即濟(jì)南市、淄博市等地),以及屬于魯東丘陵的東南部的日照市。

        4)山東省水體面積在2000-2010 年間呈現(xiàn)較大程度的增加,而在2010-2020 年間呈現(xiàn)小幅度的減少。濰坊市、東營(yíng)市、濟(jì)寧市是山東省水體變化幅度較大的區(qū)域。在這20 a 間水體面積變化最大的地區(qū)為濟(jì)寧市。結(jié)合圖4e 和圖4k 所示,水體轉(zhuǎn)移主要分布在魯西北平原北部沿海地區(qū),以及屬于魯東丘陵地區(qū)的日照市、青島市,南四湖區(qū)域也是水體轉(zhuǎn)移的主要區(qū)域。

        圖4 2000-2020 年各地類(lèi)轉(zhuǎn)移的空間分布

        5)山東省各地級(jí)市人造地表均有不同程度的增加,主要分布在城市中心及其近郊區(qū)域,新增人造地表大多集中于現(xiàn)有人造地表周?chē)?。?000-2010 年間,人造地表增加量較大的地區(qū)為煙臺(tái)市、臨沂市、青島市。人造地表增加最大的地區(qū)為青島(由2000 年的1 087.79 km2增加為2010 年的1 542.71 km2)。煙臺(tái)市、臨沂市、青島市人造地表共增加了1 207.36 km2,占人造地表增加總面積的43.12%。結(jié)合圖4f 和圖4l 所示,人造地表面積顯著增加。

        6)山東省濕地變化幅度較大的區(qū)域?yàn)闁|營(yíng)市、濟(jì)寧市。結(jié)合圖4d 和圖4j 所示,2000-2020 年濕地增加最大的地區(qū)為東營(yíng)市,2000-2010 年間東營(yíng)市濕地增加168.70 km2,2010-2020 年間東營(yíng)市濕地增加60.71 km2,其濕地增加的主要原因與獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì)和當(dāng)?shù)卣哂忻芮嘘P(guān)系。在這20 a 間濕地減少最大的地區(qū)為濟(jì)寧市,由2000 年的508.59 km2減少到2020 年的71.94 km2,其濕地減少的主要原因與南四湖區(qū)域的水體面積增加有關(guān)。

        3 山東省地表覆蓋數(shù)據(jù)時(shí)空變化驅(qū)動(dòng)力分析

        地表覆蓋變化由多種因素共同影響造成,主要受經(jīng)濟(jì)、文化、人口、政策等多重因素的制約[7]。原因如下:

        1)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和人口增加是導(dǎo)致地表覆蓋變化的主要因素。2000-2020 年,山東省的經(jīng)濟(jì)和人口正在處于迅猛發(fā)展階段,山東省生產(chǎn)總值(GDP)由2000 年的8 337.47 億元增長(zhǎng)至2019 年的71 067.5 億元,生產(chǎn)總值增長(zhǎng)了62 730.03 億元。人口由2000 年的8 998.00 萬(wàn)增長(zhǎng)至2019 年的10 070.21 萬(wàn)人。經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和人口增加導(dǎo)致城市建設(shè)用地的需求增加,占用城市邊緣地區(qū)的其他地類(lèi)。因此,山東省耕地面積大幅下降,并轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和其他類(lèi)型用地[8-9]。雖然山東省頒布了相關(guān)的耕地保護(hù)政策,在一定的程度上對(duì)耕地起到了保護(hù)的作用,由于建設(shè)用地與耕地之間的矛盾日益加劇,耕地保護(hù)政策不能夠阻止建設(shè)用地的擴(kuò)張,所以耕地面積減少明顯。

        2)經(jīng)濟(jì)效益或產(chǎn)值的差異是水體變化的主要原因。2000-2020 年,山東省水體面積呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。隨著時(shí)間的推移,不同土地利用類(lèi)型的經(jīng)濟(jì)效益不同[10]。由于山東省地表覆蓋變化選擇GlobeLand30 數(shù)據(jù)在氣候方面存在較大的差異性,如:2000 年山東省屬于較為干旱的年份,而2010 年山東省屬于較為濕潤(rùn)的年份,因此,GlobeLand 30 數(shù)據(jù)在解譯過(guò)程中可能存在誤差,導(dǎo)致2000-2010 年水體面積的增加。

        3)政策因素是推動(dòng)濕地變化的主要因素。由于《中國(guó)濕地保護(hù)行動(dòng)計(jì)劃》、南水北調(diào)等政策的推行,山東省對(duì)濕地保護(hù)補(bǔ)助工作的開(kāi)展,加上山東省獨(dú)特的地理環(huán)境優(yōu)勢(shì),促進(jìn)了濕地的生成和擴(kuò)大,山東省部分地區(qū)修建水庫(kù)將濕地轉(zhuǎn)化成水體,提高了山東省環(huán)境修復(fù)能力[11-12]。

        4)保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)是森林、草地變化的主要原因。森林面積由減少趨勢(shì)轉(zhuǎn)向增加趨勢(shì),草地面積呈現(xiàn)一直增加的趨勢(shì),是由于地區(qū)環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)、以及相關(guān)環(huán)境保護(hù)法律體系的完善。如《退耕還林條例》等政策制定,部分耕地轉(zhuǎn)化為森林和草地。為了推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的革新,山東省政府制定相關(guān)的土地利用政策。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        基于GlobeLand-30 數(shù)據(jù),對(duì)山東省及其各地級(jí)市地表覆蓋的時(shí)空變化進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

        1)山東省主要的地表覆蓋類(lèi)型為耕地、人造地表。山東省耕地面積和人造地表面積占山東省總地表面積的91%~92%,其中人造地表主要分布在各地級(jí)市域的中心和其臨近地區(qū)。

        2)在2000-2020 年20 a 年間,山東省地表覆蓋面積發(fā)生了較大的變化。耕地呈現(xiàn)大幅度減少的趨勢(shì),減少量為14 707.28 km2。人造地表呈現(xiàn)急劇增加的趨勢(shì),山東省人造地表面積增加12 562.73 km2,水體、草地呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),其他地類(lèi)變化程度較小。

        3)山東省地表覆蓋變化呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性,各地級(jí)市地表覆蓋均有不同程度的變化。其中,2000-2010 年間東營(yíng)市的耕地面積變化最大,減少量為909.37 km2;2000-2010 年間青島市的人造地表面積變化最大,面積增加了454.92 km2;2010-2020 年間16 地級(jí)市耕地和人造地表均有較大程度變化。草地和森林的變化主要集中在魯東丘陵的東北部地區(qū)和魯中南山地丘陵中部區(qū)域,濕地和水體的變化主要集中在魯西北平原北部沿海地區(qū)和南四湖地區(qū)。

        4)山東省地表覆蓋變化是多種驅(qū)動(dòng)力因素共同影響的結(jié)果,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、人口增長(zhǎng)、政策法規(guī)制定和實(shí)施等是大部分地表覆蓋變化的主要因素。山東省森林和草地的變化主要原因是人們對(duì)森林保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)和相關(guān)法律法規(guī)的制定;水體的變化主要來(lái)自經(jīng)濟(jì)效益或產(chǎn)值的差異的影響;耕地的減少、人造地表的增加主要原因是經(jīng)濟(jì)水平的提高和人口的增長(zhǎng)促進(jìn)城市的擴(kuò)張;濕地的變化主要由于政策的制定與實(shí)施。

        GlobeLand 30 數(shù)據(jù)有效提高了山東省地表覆蓋數(shù)據(jù)的精度質(zhì)量,為研究環(huán)境變化、生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查、土地利用監(jiān)測(cè)和調(diào)控等方向提供了可靠的數(shù)據(jù)材料。在后續(xù)研究中,將采用現(xiàn)勢(shì)性更好、空間分辨率更高的資源衛(wèi)星數(shù)據(jù),對(duì)山東省及其各地級(jí)市地表覆蓋時(shí)空變化進(jìn)行多尺度與長(zhǎng)時(shí)序的分析,為山東省土地利用決策、城市發(fā)展方向、國(guó)情預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

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