何 昊,劉衛(wèi)林,李 香,張景嶸,楊 晴,涂序柯,劉建武,劉麗娜

(南昌工程學(xué)院江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330099)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速進(jìn)展,人類在開(kāi)發(fā)和利用土地的同時(shí),也改變著區(qū)域土地利用的類型,直接導(dǎo)致地表覆被改變[1]。而土地利用和地表覆被的改變會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響,繼而反過(guò)來(lái)影響人類的生產(chǎn)生活。1995年,國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP) 和全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃( IHDP) 聯(lián)合提出了“土地利用/覆被變化(land use/cover change 簡(jiǎn)稱LUCC)”,使得土地利用/覆被變化成為全球變化影響研究關(guān)注的重要內(nèi)容[2]。LUCC通過(guò)影響氣候條件、水文、土壤狀況等基本自然要素對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生相應(yīng)的影響,引發(fā)了諸多生態(tài)問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題[3]。通過(guò)對(duì)土地利用變化的研究可以合理規(guī)劃土地利用資源,根據(jù)各類土地特性,合理有效地使用土地資源,使其充分發(fā)揮自身功能。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土地利用變化特征進(jìn)行了大量有益的探索。對(duì)于土地利用變化研究,已由最初的定性描述發(fā)展到運(yùn)用遙感、GIS空間分析技術(shù)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的定量表征[4-5]。典型的研究方法是采用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用綜合程度等土地利用空間分析指標(biāo),從土地利用數(shù)量變化、類型轉(zhuǎn)換、變化速度等方面分析土地利用變化[6-8]。少數(shù)學(xué)者采用重心遷移法[9]和地學(xué)信息圖譜[10]分析了土地利用空間變化特征,使信息的表達(dá)更加多維化,彌補(bǔ)了基于非空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)挖掘方法在形象思維和空間位置方面的不足,豐富了土地利用變化的研究[11]。

贛江作為長(zhǎng)江主要支流之一,鄱陽(yáng)湖流域最大河流,是鄱陽(yáng)湖流域生物多樣性保護(hù)和環(huán)境生態(tài)整治的重點(diǎn)區(qū)域,其土地利用格局對(duì)鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展影響重大。隨著城市化進(jìn)程的加快,經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)驅(qū)使土地利用格局發(fā)生明顯變化,引發(fā)了一系列的資源、環(huán)境問(wèn)題。近期干旱事件頻頻發(fā)生,其部分原因是由土地利用遷移變化造成的。在王暢[12]的研究中表明,隨著土地利用改變,流域重旱頻率上升約 23%,達(dá)到 36.1%,土地利用變化會(huì)加重干旱頻率以及干旱程度。同時(shí)陳昌春[13]在研究變化環(huán)境對(duì)江西省干旱特征的研究中,利用土地利用等數(shù)據(jù)建立SWAT模型,隨著土地利用改變,徑流下滑,干旱程度加劇。因此,深入研究贛江流域土地利用遷移變化,避免再次出現(xiàn)一系列問(wèn)題,是極其重要的。近年來(lái),雖然已有少量學(xué)者在贛江流域開(kāi)展了土地利用變化的研究,但研究主要集中在其生態(tài)效應(yīng)與空間響應(yīng)研究,例如郭強(qiáng)等[14]研究贛江流域土地利用變化對(duì)水文過(guò)程的影響;徐啟渝等[15]研究了贛江流域土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)水質(zhì)的影響。缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列以及多指標(biāo)對(duì)贛江流域土地利用時(shí)空變化特征的深入研究。因此本研究以贛江整個(gè)流域?yàn)檠芯繀^(qū),以土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、重心遷移等多維度來(lái)分析1980—2018年長(zhǎng)時(shí)間序列下的贛江流域土地利用時(shí)間和空間上的具體變化,為地方生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展、流域生態(tài)建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

贛江是長(zhǎng)江主要支流之一,為鄱陽(yáng)湖流域最大河流,位于長(zhǎng)江中下游南岸,源出贛閩邊界武夷山西麓,自南向北縱貫全省。有13條主要支流匯入,長(zhǎng)766 km,流域面積83 500 km2,自然落差937 m。從河源至贛州為上游,稱貢水,在贛州市城西納章水后始稱贛江。貢水長(zhǎng)255 km,穿行于山丘、峽谷之中。贛州至新干為中游,長(zhǎng)303 km,穿行于丘陵之間。新干至吳城為下游,長(zhǎng)208 km,江闊多沙洲,兩岸筑有江堤。贛江流域呈現(xiàn)山地丘陵為主體的地貌格局,山地丘陵占流域面積的64.7%(其中山地占43.9%,丘陵20.8%),低丘崗地占31.5%,平原、水域等僅占3.9%。贛江流域處于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,雨量充足,以春夏之交梅雨多,秋冬季節(jié)降雨少,多年平均降水量約為1 600 mm,多年平均氣溫約為17.8℃。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所所提供的1980—2018年7個(gè)時(shí)段江西省土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),主要通過(guò)目視解譯遙感數(shù)據(jù)獲得,分辨率為30 m[16]。根據(jù)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn),利用ArcGIS重分類工具得到6類土地利用類型,分別為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類用地,再通過(guò)影像裁剪最終得到贛江流域1980—2018年土地利用數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

為表達(dá)區(qū)域單一類型土地利用的變化速率以及土地利用的綜合變化速率,引入2個(gè)指標(biāo):K(單一土地利用動(dòng)態(tài))、LC(綜合土地利用動(dòng)態(tài)度)。

a)單一土地利用動(dòng)態(tài)度:

(1)

式中Ula、Ulb——初始時(shí)單一土地利用面積、結(jié)束時(shí)單一土地利用面積,km2;T——研究時(shí)段。

b)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度:

(2)

式中 LC——綜合土地利用動(dòng)態(tài)度;ΔLU(ij)——第i類土地轉(zhuǎn)變?yōu)榉莍類土地的絕對(duì)值;ΔLUi——第i類土地在初期時(shí)的面積;T——研究時(shí)段。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

為了表達(dá)各土地利用類型在空間上的分布和在各時(shí)期的轉(zhuǎn)移方向及比例,計(jì)算土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[17],再通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣?yán)L制土地利用轉(zhuǎn)移和弦圖,轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)式(3):

(3)

式中Sij——i類轉(zhuǎn)化成j類的面積;n——土地利用類型的數(shù)量;i、j——轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型(i,j=1,2,3,…,n)。

2.3 重心遷移

重心的確定方法,首先假設(shè)某一個(gè)區(qū)域由n個(gè)次一級(jí)區(qū)域i構(gòu)成,那么該區(qū)域某種屬性的“重心”通常采用式(4)、(5)計(jì)算方法來(lái)表示:

(4)

(5)

式中X、Y——某一個(gè)區(qū)域某種屬性的“重心”經(jīng)度值、緯度值;xi、yi——第i個(gè)次一級(jí)區(qū)域中心的經(jīng)度值、緯度值;Mi——第i個(gè)次一級(jí)區(qū)域的某種屬性的量值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用空間分布

1980—2018年贛江流域土地利用分布見(jiàn)圖1。由圖可知:流域內(nèi)主要以林地、耕地分布為主,草地、水域、建設(shè)用地、未利用地為輔的分布格局。流域內(nèi)林地面積最大分布范圍最廣,集中分布于流域的中南部地區(qū),以東部的武夷山區(qū)、南部的南嶺山區(qū)和西部的羅霄山區(qū)為主。耕地主要分布于贛江中下游子流域位置以及河流沿岸平坦區(qū)域,其他區(qū)域面積較少,分布具有一定集中性。草地分布較散,呈鑲嵌式分布,主要分布于低丘緩崗及各個(gè)子流域中。水域主要集中分布在河流流經(jīng)區(qū)域,一部分于湖泊及水庫(kù),例如萬(wàn)安水庫(kù)、峽江水庫(kù)等,水域分布具有較高的集中性。建設(shè)用地分布較散,但具有一定集中性,主要分布在城市及周邊區(qū)域。未利用土地面積最少,分布稀疏,處于流域偏僻位置。

圖1 1980—2018年贛江流域土地利用

3.2 土地利用變化分析

1980—2018年贛江流域各時(shí)期土地利用類型占有率見(jiàn)圖2。

圖2 土地利用類型占有率

由圖2可知,贛江流域土地類型占有率變化幅度較小。耕地面積占有率不斷下降,僅2000—2005年有所增加,增幅為0.02%,面積增加了19.2 km2,耕地面積共減少622.9 km2,占有率下降幅度為0.78%。林地面積在1980—2018年同樣呈減少趨勢(shì),僅在1990—2000年面積增加了170.8 m2,占有率提升0.22%,之后一直減少,占有率下降幅度為1.15%。草地面積在1980—1990年有所增加,面積增加了222.8 km2,占有率增幅為0.28%,2000—2010年持續(xù)減少且趨于平緩,面積共減少了261 km2,占有率下降幅度為0.33%,之后草地面積少量增長(zhǎng),共增加310 km2,占有率增幅為0.39%。水域面積變化平穩(wěn),變化幅度較小,面積共增加95.1 km2,占有率增幅為0.12%。建設(shè)用地面積變化最大,且變化速度不斷增加,到2018年面積共增長(zhǎng)1 208.6 km2,占有率增幅為1.52%。未利用地面積變化較少,共減少39.5 km2,占有率下降幅度為0.05%。

3.3 土地利用動(dòng)態(tài)度變化分析

1980—2018年贛江流域各時(shí)期土地利用動(dòng)態(tài)度見(jiàn)表1。

表1 土地利用動(dòng)態(tài)度

由表1可知,從單一土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)看,耕地動(dòng)態(tài)度僅在2000—2005年為正,增速為0.019 %/a,其余時(shí)期均為負(fù)值,在1990—2000年減少的速度最快,速度達(dá)到-0.053 %/a。與其他時(shí)期的減少速度比,增長(zhǎng)速度絕對(duì)值較小,說(shuō)明該時(shí)段的耕地面積短暫增加對(duì)耕地面積的整體減少趨勢(shì)影響微小。林地動(dòng)態(tài)度僅在1990—2000年處于增加階段,增速為0.033 %/a;其余階段林地面積均呈減少趨勢(shì),且在2015—2018年林地減少的最快,動(dòng)態(tài)度為-0.098 %/a。草地面積在1990—2010年基本以相同的速度減少,大致為-0.3 %/a。2010年之后年動(dòng)態(tài)度轉(zhuǎn)為正值,且2010—2015年增速達(dá)到最大值1.423 %/a。水域面積在1980—2000年減速增加,1980—1990年動(dòng)態(tài)度最大為0.419 %/a,之后2000—2018年水域面積整體呈現(xiàn)振蕩式變化,面積總體變化不大。建設(shè)用地面積在1980—2018年持續(xù)增加,且動(dòng)態(tài)度不斷增大,在2015—2018年增速最大,為5.896 %/a。建設(shè)用地面積加速增加,反映了城市化的加速發(fā)展。未利用地面積整體呈減少趨勢(shì),且在1980—1990年動(dòng)態(tài)度絕對(duì)值最大,為-7.502 %/a。從整體土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)看,1980—2018年贛江流域綜合動(dòng)態(tài)度逐漸增加,并在2015—2018年綜合動(dòng)態(tài)度達(dá)到最大0.329 %/a,說(shuō)明贛江流域土地變化在逐漸加快。各類土地利用變化幅度具有差異,耕地和林地動(dòng)態(tài)度變化趨勢(shì)大致保持一致,不斷減少。草地和水域動(dòng)態(tài)度呈震蕩變化,總體為增加趨勢(shì)。建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度不斷增加,處于一個(gè)較高水平。

3.4 土地利用轉(zhuǎn)移分析

由于贛江流域研究區(qū)未利用地占地面積較少,僅在1980—1990年存在一個(gè)較明顯變化,主要為未利用地轉(zhuǎn)為耕地面積,其余時(shí)期面積變化較少,因此本文不對(duì)未利用地展開(kāi)具體分析。圖3表達(dá)了贛江流域土地利用在各時(shí)期的轉(zhuǎn)化比例。

a)1980—1990年

由圖3可知:1980—1990年,土地利用變化主要以林地、草地相互轉(zhuǎn)化。草地面積共增加222.78 km2,主要由林地轉(zhuǎn)入,轉(zhuǎn)入面積為195.85 km2,占草地增加面積88%。1990—2000年,土地利用變化主要以耕地、林地、草地之間轉(zhuǎn)化。其中林地面積變化最大,共增加170.82 km2,主要來(lái)自草地轉(zhuǎn)入面積127.89 km2,其次來(lái)自耕地轉(zhuǎn)入面積57.58 km2。該階段林地面積增加,主要來(lái)自退耕還林的影響。同時(shí)這兩時(shí)期水域面積均為轉(zhuǎn)入,轉(zhuǎn)移面積主要來(lái)自耕地,受退田還湖政策影響。2000—2005年和2005—2010年土地利用轉(zhuǎn)移類型比較一致。主要為林地和草地輸出,建設(shè)用地不斷輸入,耕地面積既有輸出也有輸入,整體變化不大,其他類型土地變化較少。建設(shè)用地輸入主要來(lái)自耕地和林地,2000—2005年118.1 km2耕地面積以及19.2 km2林地面積轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,2005—2010年134.2 km2耕地面積以及112.7 km2林地面積轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,導(dǎo)致此期間建設(shè)用地面積增加。同時(shí)兩時(shí)期分別有99.7、84.8 km2林地面積轉(zhuǎn)至耕地面積,導(dǎo)致耕地面積大致不變。此外有少量草地轉(zhuǎn)向林地。此時(shí)期城市化進(jìn)展開(kāi)始表現(xiàn)。2010—2015年和2015—2018年以林地和耕地的輸出型轉(zhuǎn)移為主導(dǎo)。2010—2015年299.1 km2林地轉(zhuǎn)為草地;169.3 km2耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地;同時(shí)林地也有147.5 km2轉(zhuǎn)向建設(shè)用地,反映該時(shí)期建設(shè)用地向林地的擴(kuò)張。僅少部分的草地移向建設(shè)用地。2015—2018年建設(shè)用地輸入來(lái)源主要為耕地和林地,分別為228.3、102.6 km2。同時(shí)部分林地轉(zhuǎn)向草地,且少量的林地由耕地轉(zhuǎn)入。這2個(gè)時(shí)期的土地利用變化反映了建設(shè)用地在不斷擴(kuò)張,城市化進(jìn)展較快。

3.5 重心遷移分析

贛江流域1980—2018年各類土地類型的區(qū)域重心,見(jiàn)圖4。

圖4 土地重心遷移軌跡

通過(guò)圖4可知,在此期間贛江流域各類土地利用重心均發(fā)生了一定變化,重心變化較明顯的為草地、水域和建設(shè)用地重心,其中建設(shè)用地重心遷移最為明顯,這與社會(huì)發(fā)展及人類活動(dòng)有很大的影響。耕地和林地由于面積占比較大,導(dǎo)致重心遷移不明顯,僅存在微小變化。重心遷移變化與土地利用實(shí)際情況較為吻合。因此本研究對(duì)重心變化較明顯的草地、水域和建設(shè)用地展開(kāi)具體分析,結(jié)果見(jiàn)圖5—7。

圖5 草地重心遷移軌跡

贛江流域草地重心在1980—2018年大致表現(xiàn)為向西北方向遷移(圖5)。重心遷移軌跡在緯度上遷移0.012°,在經(jīng)度上遷移0.022°。其中1980—1990在緯度上發(fā)生驟變遷移0.021°,2010—2015年在經(jīng)度上遷移較大為0.015°。造成草地重心遷移的原因是1990—2010年期間贛江流域上游草地面積一直縮減,直到2010年之后動(dòng)態(tài)度提高,草地斑塊逐漸增加導(dǎo)致重心呈以上遷移變化。

贛江流域水域重心在1980—2018年大致表現(xiàn)為向西南方向遷移(圖6)。重心遷移軌跡在緯度和經(jīng)度上均遷移0.021°。遷移軌跡主要分為兩部分,在1980—1990年重心向東北方向移動(dòng),其中在緯度上遷移0.025°,經(jīng)度上遷移0.007°;第二部分為1990—2018年向西南方向移動(dòng),在緯度上遷移為0.046°,經(jīng)度上遷移為0.028°。造成水域重心遷移的主要因素是在此期間贛江流域13座大型水庫(kù)面積均有增加,很大原因歸因于政府對(duì)贛江流域新建堤防等治水工作導(dǎo)致重心遷移變化。

圖6 水域重心遷移軌跡

贛江流域建設(shè)用地重心在1980—2018年大致表現(xiàn)為向東南方向遷移(圖7)。重心遷移軌跡在緯度上遷移0.055°,在經(jīng)度上遷移0.042°。遷移軌跡變化最明顯的在2005—2018年重心一直向東南方向移動(dòng),其中2015—2018年變化最快,在緯度上遷移0.096°,經(jīng)度上遷移0.019°,其中該時(shí)期緯度變化在所有變化中最大,造成如此巨大的重心變化與高度城市化發(fā)展離不開(kāi)關(guān)系,其重心變化軌跡與城市發(fā)展方向大致吻合,以南昌、新余、撫州三市構(gòu)成核心區(qū)域,發(fā)展格局顯示出明顯的“核心-邊緣”結(jié)構(gòu)。

圖7 建設(shè)用地重心遷移軌跡

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

通過(guò)本文研究可知,贛江流域土地利用存在較明顯差異。在研究期間,贛江流域建設(shè)用地面積變化最大,耕地林地次之。但由于耕地、林地占流域絕大部分面積,導(dǎo)致在重心研究中其遷移不明顯。土地類型中耕地和林地變化趨勢(shì)大致相同,不斷向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移,總體呈減少趨勢(shì)。主要因?yàn)橹袊?guó)經(jīng)歷了工業(yè)化發(fā)展,森林面積遭到砍伐,林地面積減少,直到后續(xù)得到了政府和社會(huì)的廣泛重視,為保護(hù)生態(tài)環(huán)境,人工造林和退耕還林等措施逐步實(shí)施和完善,從而面積有所控制[18]。2004年在實(shí)施了“中部崛起”戰(zhàn)略后,不斷加快的城市化進(jìn)程,直接使城市建設(shè)用地激增,江西省積極推進(jìn)加快南昌、贛州和九江都市區(qū)等建設(shè),因此贛江流域建設(shè)用地在不斷擴(kuò)張,部分耕地被擠占為建設(shè)用地,建設(shè)面積不斷增加[19]。水域面積變化主要表現(xiàn)在圍湖造田上[20]。贛江流域?qū)?yīng)的各類用地重心均發(fā)生一定遷移。因此結(jié)合本流域土地利用遷移研究,提出以下區(qū)域發(fā)展策略:贛江下游城鎮(zhèn)化較高,城市建設(shè)導(dǎo)致用地矛盾,應(yīng)進(jìn)行城鎮(zhèn)、工業(yè)、農(nóng)村整合。更加聚集高效、節(jié)約集約,加大生態(tài)建設(shè)保護(hù)。以“三屏筑底”圍繞贛東-贛東北、贛西-贛西北、贛南的山地丘陵地區(qū),筑牢3個(gè)森林生態(tài)安全屏障。水域依托贛江、撫河、信江、饒河、修河五大河,構(gòu)建區(qū)域生態(tài)廊道。同時(shí)嚴(yán)守耕地紅線確保糧食安全,遏制農(nóng)業(yè)向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化。在城市化的發(fā)展同時(shí)保證土地資源有效利用,加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)和生態(tài)保護(hù)。

4.2 結(jié)論

a)贛江流域主要以林地、耕地分布為主,草地、水域、建設(shè)用地、未利用地為輔的分布格局。隨著城市化進(jìn)展,林地、耕地面積不斷減少,草地先減后增,水域整體呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),建設(shè)用地不斷增加,到2018年建設(shè)用地面積是1980年的1.9倍。

b)贛江流域整體動(dòng)態(tài)度逐漸增加,土地變化在逐漸加快。各類土地利用變化幅度具有差異,耕地和林地動(dòng)態(tài)度變化趨勢(shì)大致保持一致,不斷減少。草地和水域動(dòng)態(tài)度呈震蕩變化,總體為增加趨勢(shì)。建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度不斷增加。

c)1980—2018年贛江流域各類用地均發(fā)生一定轉(zhuǎn)移。其中建設(shè)用地面積不斷增加,主要來(lái)源耕地和林地的轉(zhuǎn)入;同時(shí)部分林地、草地向耕地補(bǔ)充;水域變化不大,主要受退田還湖的影響,導(dǎo)致部分耕地的轉(zhuǎn)入?？傮w來(lái)看贛江流域主要以耕地、林地輸出,建設(shè)用地不斷輸入,且隨著城市化進(jìn)展,建設(shè)用地輸入不斷增加。

d)隨著贛江流域土地利用的變化,各類土地重心對(duì)應(yīng)均發(fā)生一定遷移,其中變化較明顯的是草地、水域、建設(shè)用地重心。其中建設(shè)用地重心在2015—2018年變化顯著,充分表明城市化的高度進(jìn)程。