論鄰接類型對土地利用變化的影響
——以長沙市望城區(qū)為例

陳笑揚, 李小麗,2, 蒙 菲, 王麗芳, 張寶一,3

(1.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室/地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,湖南 長沙 410083; 2.南寧市良慶區(qū)發(fā)展和改革局,廣西 南寧 530200; 3.中國地質(zhì)大學(xué) 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室,湖北 武漢 430074)

土地利用變化研究已成為國際上全球變化研究的前沿和熱點問題[1]。土地利用是人類主要的生產(chǎn)活動方式,而土地利用變化則是土地利用活動過程的外在表現(xiàn),是人類利用土地的自然屬性和社會屬性不斷滿足自身發(fā)展需要的動態(tài)變化過程[2]。通過研究土地利用變化,理解人類社會與自然環(huán)境相互作用關(guān)系,輔助政府和決策部門對土地進(jìn)行宏觀調(diào)控,實現(xiàn)土地的可持續(xù)發(fā)展。

近幾年來,國內(nèi)外對土地利用變化的研究主要集中在土地利用格局指數(shù)(如土地利用利用度、土地利用類型動態(tài)度、分維數(shù)等)的變化,以此分析其格局變化趨勢,指導(dǎo)環(huán)境整治和土地資源的利用與保護(hù)。在此基礎(chǔ)上,對影響土地利用變化的驅(qū)動因子進(jìn)行探究,如采用解析分析和系統(tǒng)的動力學(xué),探討土地利用變化的驅(qū)動力[3-6]、驅(qū)動機(jī)制以及演變規(guī)律[7]、演變模式,多功能性演化時空格局[8]等,并提出了區(qū)域土地利用變化的“多層推—拉驅(qū)動”模型;運用數(shù)理統(tǒng)計方法,分析各驅(qū)動因子對土地利用結(jié)構(gòu)分布貢獻(xiàn)作用的大小[9-10],在此基礎(chǔ)上,黃瑞等分析了政策驅(qū)動因素[11],然而這些驅(qū)動因子未考慮地塊間的空間鄰接關(guān)系。此外,土地利用變化研究的另一重要成就是開展了土地利用變化實證研究[12],對社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的熱點地區(qū)及生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的土地利用變化進(jìn)行研究[13],探討其對生態(tài)系統(tǒng)的影響[14]及二者之間的響應(yīng)[15],也有學(xué)者對不同土地利用類型的土壤質(zhì)量變化做了相關(guān)研究[16]。但總的看來,由于研究問題的復(fù)雜性、限制性等多方面的原因,對中小尺度的土地利用/覆蓋變化研究仍然較少,有必要進(jìn)行深入地研究。

因此,本研究在GIS空間統(tǒng)計分析下,對長沙市望城區(qū)2009—2012年時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,直觀而準(zhǔn)確地表現(xiàn)土地利用的變化,探討不同時期發(fā)生變化的地塊與其鄰域地塊類型之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

望城區(qū)地處湘中東北部,隸屬省會長沙,地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°35′48″～113°02′30″和北緯27°58′28″～28°33′45″。全區(qū)土地總面積約為951 km2,整個地形呈不規(guī)則的長方形,地勢由南向北傾斜。東北部群山綿亙,區(qū)域內(nèi)崗地面積較大;西北部為濱湖沖積平原區(qū),土地平曠,渠溝縱橫;中部多為丘陵崗地;境內(nèi)河流為湘江及其支流。截至2012年末,望城區(qū)戶籍人口52.43萬人,GDP為3 748 847萬元,區(qū)內(nèi)鐵路、公路、水路和地鐵運輸都十分便利,同時,公交路線和地鐵也連通了望城區(qū)和長沙市各區(qū)。全區(qū)域被納入“長株潭城市群”核心區(qū)、長沙大河西先導(dǎo)區(qū)和環(huán)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)圈范疇區(qū),屬于長江產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū),擁有湖南省“一點一線”的戰(zhàn)略地位,地理位置優(yōu)越,經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷提高。本研究將長沙市望城區(qū)作為試驗區(qū)進(jìn)行實證分析研究,可為同類土地利用變化特征分析提供方法和應(yīng)用示范。

2 望城區(qū)土地利用特征

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)

本研究采用8大類土地利用類型分類法,即包括耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地和城鎮(zhèn)村及工礦用地。土地利用結(jié)構(gòu)反映一個國家或地區(qū)土地資源的可利用和已利用的程度及開發(fā)利用潛力。通過對望城區(qū)2009—2012期間的土地利用結(jié)構(gòu)和變化進(jìn)行統(tǒng)計處理,可以得到:望城區(qū)總面積為95 138.38 hm2,各類土地利用類型在四個時間點的面積占比排名保持不變,土地利用整體變化幅度不大,所占比重依次為:耕地>林地>水域及水利設(shè)施用地>城鎮(zhèn)村及工礦用地>交通運輸用地>其他土地>園地>草地(見圖1)?？梢钥闯?望城區(qū)的土地利用類型主要以耕地、林地、水域及水利設(shè)施用地、城鎮(zhèn)村及水利設(shè)施用地為主,面積所占比重相對較高。而園地、草地、交通運輸用地、其他土地所占比例較小,均不足3%。也就是說,望城區(qū)土地利用類型主要以耕地為主,農(nóng)業(yè)是該區(qū)域的重要基礎(chǔ)。耕地和林地合占各類土地利用類型的總面積比例>50%。耕地、林地、水域及水利設(shè)施用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地合占各類土地利用類型的總面積>95%,而園地、草地、其他土地和交通運輸用地合占面積<5%。

圖1 望城區(qū)2009—2012年的土地利用狀況統(tǒng)計圖Fig.1 Statistical map of land use status in Wangchengdistrict during 2009—2012

2.2 土地利用變化及土地利用動態(tài)度

數(shù)據(jù)經(jīng)過整理統(tǒng)計可以看出,在三個不同的時段內(nèi),耕地、園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地的土地面積都呈逐年減少的趨勢,交通運輸用地、城鎮(zhèn)村及工礦用地的土地面積都呈逐年增加的趨勢(表1)。也就是說,交通運輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地的面積占比越來越高,有大量的耕地、林地在轉(zhuǎn)變?yōu)榻煌ㄟ\輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地。在2009—2012年期間,林地面積減少量最大,減少量為891.07 km2,耕地次之,減少量為618.86 km2,林地面積減少量最小,減少量僅為25.78 km2;城鎮(zhèn)村及工礦用地的面積增加量最大,增加量為1 460.52 km2,交通運輸用地次之,增加量為400.2 km2。至此可以看出,3年來望城

表1 望城區(qū)土地利用2009—2012年基本情況(km2)Table 1 Land use during 2009—2012 in Wangcheng District

數(shù)據(jù)來源:望城區(qū)土地利用變更資料整理算得。

區(qū)土地利用變化的整體走向主要由耕地和林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻煌ㄟ\輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地。而這主要歸因于新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程及其特色發(fā)展的生態(tài)建設(shè)。在空間分布上,發(fā)生變化的地塊圖斑在空間上呈現(xiàn)離散分布(圖2)。

土地利用類型動態(tài)度是指某研究區(qū)一定時間范圍

圖2 望城縣2009—2012年的土地利用變化空間分布圖Fig.2 The spatial distribution of land use changeduring 2009—2012 in Wangcheng District1.望城區(qū);2.2009—2010變化圖斑;3.2010—2011變化圖斑;4.2011—2012變化圖斑。

內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況,其表達(dá)式為:

(1)

式中:K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度;Ua、Ub分別代表研究期初及研究期末某一類型的土地利用的面積數(shù)量;T為研究時段長度,當(dāng)T的時段設(shè)定為年時,K值代表該研究區(qū)的某種土地利用類型年變化率。運用土地利用類型動態(tài)度來分析土地利用類型的動態(tài)變化,可以真實地反映望城區(qū)土地利用類型的變化劇烈程度。

表2 望城區(qū)2009—2012年土地利用類型動態(tài)度(%)Table 2 Dynamic degree of land use type during2009—2012 in Wangcheng District

由表2可以看出,各種土地利用類型的年變化強(qiáng)度不一致,土地利用類型動態(tài)度不同年份之間的差異也相對較大。變化強(qiáng)度依次為:交通運輸用地>其他土地>草地>城鎮(zhèn)村及工礦用地>園地>林地>耕地>水域及水利設(shè)施用地。交通運輸用地的變化最為活躍,速度最大,其次是其他土地;變化較快的是草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、園地、林地;變化緩慢的土地利用類型分別為耕地、水域及水利設(shè)施用地。這主要是因為該區(qū)近幾年加快交通設(shè)施建設(shè)以及城市化進(jìn)程的加快,交通運輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地大大增加。雖然耕地的面積變化相對較大,但是其年動態(tài)度卻相對較小,主要是因為研究期初耕地的面積基數(shù)大。同樣,城鎮(zhèn)村及工礦用地的面積變化最大,但其年動態(tài)度并不是最大,原因也主要和它研究期初自身的面積基數(shù)有關(guān)。所以說,土地利用類型動態(tài)度不僅與面積變化量有關(guān),還和研究期初的土地利用面積數(shù)量有關(guān)。

3 土地利用變化及其鄰接類型關(guān)系

過往,對于土地利用變化的驅(qū)動力分析主要是從自然驅(qū)動力和社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力兩方面進(jìn)行分析。前者(主要包括氣候變化、地形演變、植物演替等)主要是從長時間段內(nèi)引起土地利用類型發(fā)生變化,后者(主要包括國家政策導(dǎo)向、科學(xué)技術(shù)、人口變化等)主要是在短時間尺度上對土地利用類型的變化造成影響。這些驅(qū)動力直接或間接地解釋了土地利用發(fā)生變化的原因,然而這些驅(qū)動力較少考慮到地塊鄰接類型對地塊變化的影響。

Tobler曾指出“地理學(xué)第一定律:任何東西與別的東西之間都是相關(guān)的,但近處的東西比遠(yuǎn)處的東西相關(guān)性更強(qiáng)”。土地利用變化作為一種地學(xué)現(xiàn)象,地學(xué)的空間相關(guān)性是一個重要的影響因素,反映在土地利用上就是周圍土地利用類型對中心地類變化的影響。本文將空間鄰接拓?fù)潢P(guān)系屬性嵌入到每個變化地塊圖斑中,探討發(fā)生變化的地塊與其鄰接地塊圖斑的土地利用類型之間的關(guān)系。

相鄰關(guān)系的指標(biāo)是通過GIS空間數(shù)據(jù)庫的拓?fù)潢P(guān)系描述所獲得,拓?fù)潢P(guān)系是指圖形元素之間空間上的相互連接、鄰接關(guān)系,并不考慮具體的空間位置,在本文中主要考慮土地利用變化斑塊在某一時刻相鄰的主要土地利用類型。為了獲取主要的鄰接類型,引入鄰接度指數(shù)的概念,來計算當(dāng)前地塊與其周邊地塊的鄰接程度,其公式為:

NiCase(D)=CiCase(D)/CCase(D)

(2)

式中:NiCase(D)代表土地利用變化案例D與其鄰接的土地利用類型i的鄰接度指數(shù);CiCase(D)代表土地利用變化案例D與其鄰接的土地利用類型i共享的弧段長度;CCase(D)代表土地利用變化案例D的圖斑周長。

借助于ArcGIS軟件的空間統(tǒng)計和空間分析功能,將連續(xù)兩年的土地利用類型空間分布進(jìn)行空間疊加操作,作出土地利用變化空間分布圖(圖2)。針對類型發(fā)生變化的每個地塊,找出與其相鄰的地塊類型,然后根據(jù)鄰接度指數(shù)求出地塊的主要鄰接類型,即鄰接度指數(shù)最大的地塊類型,最后分別統(tǒng)計變化斑塊的土地利用類型與其鄰接斑塊土地利用類型一致和不一致的數(shù)目,通過分析統(tǒng)計結(jié)果判斷鄰接類型對斑塊變化是否有影響。屬性表的屬性主要包括地塊編號、發(fā)生變化的地塊的研究期初的土地利用類型、發(fā)生變化的地塊的研究期末的土地利用類型、發(fā)生變化的地塊的研究期初的領(lǐng)域地塊類型。

經(jīng)整理統(tǒng)計,得到了望城區(qū)土地利用2009—2012年變化與其鄰接類型關(guān)系情況。由表3可以看出,2009—2012年,斑塊總數(shù)分別為67 151、67 413、67 933,發(fā)生變化的斑塊數(shù)分別為1 315、1 449、807,變化后的斑塊類型不是其鄰接類型的斑塊數(shù)分別為314、251、311,變化后的斑塊類型與其鄰接類型有關(guān)的斑塊數(shù)分別為1 001、1 198、496。在2009—2012三年內(nèi),變化后的斑塊類型與其鄰接類型無關(guān)的斑塊數(shù)占75.50%,變化后的斑塊類型與其鄰接類型有關(guān)的斑塊數(shù)占24.50%。由表4可以看出,在2009—2012三年內(nèi),變化后的斑塊類型與其鄰接類型無關(guān)的斑塊面積占65.84%,變化后的斑塊類型與其鄰接類型有關(guān)的斑塊面積占34.16%。從斑塊數(shù)量和斑塊面積兩個角度來看,鄰域地塊的類型對土地利用變化有一定影響,即鄰接拓?fù)潢P(guān)系一定程度上能影響土地利用的變化。另外,根據(jù)變化后的地塊類型和其鄰域類型變化情況,可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)?shù)貕K的鄰域類型為建制鎮(zhèn)、村莊和鐵路用地時,地塊易變化為該類型。也就是說,人類的活動對于地塊的變化具有重要的影響。

表3 望城區(qū)土地利用2009—2012年變化與其鄰接類型關(guān)系情況(斑塊數(shù))Table 3 Land use change with adjacency type in areaof patches during 2009—2012 in Wangcheng District

表4 望城區(qū)土地利用2009—2012年變化與其鄰接類型關(guān)系情況(斑塊面積)Table 4 Land use change with adjacency type in numberof patches during 2009—2012 in Wangcheng District

4 結(jié)論

本文以土地利用的空間分布為基礎(chǔ),將地塊的空間鄰接關(guān)系引入土地利用變化時空特征研究中,對2009—2012年的變化地塊與其周邊鄰接地塊類型之間關(guān)聯(lián)性進(jìn)行探討,主要的結(jié)論如下:

(1) 從宏觀角度看,望城區(qū)土地利用呈現(xiàn)明顯的變化趨勢,土地利用變化的整體走向由林地和耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻煌ㄟ\輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地,這主要是由城鎮(zhèn)化進(jìn)程以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展所引起,說明望城區(qū)用地變化趨勢符合該區(qū)域的發(fā)展趨勢。

(2) 望城區(qū)的土地利用鄰接類型對于其土地利用變化有一定程度的影響,在研究土地利用變化的驅(qū)動因子及模擬未來土地利用情景時需要考慮其鄰接土地利用類型。

土地利用和土地覆蓋變化研究是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,本文只是探討了鄰接類型對于土地利用變化的影響,而未對不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)變傾向以及土地利用類型變化的關(guān)聯(lián)規(guī)律進(jìn)行深入研究,后續(xù)研究中應(yīng)當(dāng)完善理論,在實踐中挖掘出最優(yōu)的土地利用類型空間組合模式,來更加準(zhǔn)確的模擬土地利用變化,更好的輔助政府及決策部門。

致謝:國家地理信息系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心與中南大學(xué)共建“MAPGIS實驗室”為本研究工作提供了MAPGIS軟件,在此表示感謝！