甬江流域土地利用時(shí)空格局變化特征分析

邵姝遙，曹羅丹，田鵬，趙夢琪，張柯琴，鄒之晗，周靜芬，周藝

(寧波大學(xué) 地理與空間信息技術(shù)系，浙江 寧波 315211)

作為國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)和全球變化人文計(jì)劃(IHDP)兩大國際合作項(xiàng)目共同支撐的核心研究計(jì)劃，土地利用變化一直是地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)[1]。土地利用變化既能反映自然格局、過程與人類社會(huì)之間最直接的相互關(guān)系，更是人口、資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基本問題[2]。目前，國內(nèi)外土地利用變化研究集中在時(shí)空格局分布特征和時(shí)空開發(fā)利用強(qiáng)度[3]、土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素探析，以及土地利用變化對區(qū)域景觀格局、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，包括生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、生態(tài)服務(wù)價(jià)值對土地利用的響應(yīng)分析[4-6]等方面。如馮佰香等[7]基于象山港土地利用變化，分析其土地開發(fā)利用強(qiáng)度；劉永超等[8]對比了中國象山港和美國坦帕灣土地利用變化對生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響。

甬江流域坐落于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東南沿海區(qū)域，廣布的河流水系網(wǎng)和充沛的河流水量孕育了河姆渡七千年文明和“寧波幫”傳承精神，推快了“寧波城”走向繁榮和興盛的步伐。目前，國內(nèi)對甬江流域的研究集中于河流水污染方面[9]。隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，甬江流域的土地利用正發(fā)生著急劇變化，土地利用變化破壞了流域景觀格局的穩(wěn)定性，對區(qū)域生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能亦會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在實(shí)行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度的背景下，了解人類活動(dòng)對甬江流域土地利用類型的影響，以及從較長時(shí)間段上分析甬江流域土地利用的時(shí)空變化特征，有利于流域合理利用土地資源，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的治理和保護(hù)。為此，特基于甬江流域土地利用變化，分析其土地利用轉(zhuǎn)換方向和結(jié)構(gòu)，以及土地利用開發(fā)強(qiáng)度，為區(qū)域合理開發(fā)和保護(hù)土地資源、維護(hù)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)[10]。

1 研究區(qū)概況

甬江流域位于我國東南沿海，浙江省東北部，寧紹平原東部的三江平原地區(qū)，地理坐標(biāo)29°24′～30°49′N、120°49′～120°56′E。甬江流域面積約為3 788 km2，全長105 km，是寧波最主要的河流之一，由奉化江和余姚江兩江在寧波市區(qū)三江口匯集而成。甬江流域處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，地勢西南高、東北低。甬江流域行政范圍大部分位于寧波市的江北區(qū)、鄞州區(qū)、海曙區(qū)、鎮(zhèn)海區(qū)、奉化區(qū)及余姚市，小部分位于北侖區(qū)、慈溪市及寧?？h，區(qū)位條件優(yōu)越，交通便利。甬江流域在促進(jìn)寧波社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中起到了重要的推動(dòng)作用，但在快速工業(yè)化和城市化的過程中，土地利用類型與結(jié)構(gòu)變化明顯。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)來自于地理國情監(jiān)測云平臺(tái)(http://www.dsac.cn/)，包括浙江省的1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015共7期1∶100 000土地利用數(shù)據(jù)。結(jié)合甬江流域行政矢量邊界，疊加得到研究所需數(shù)據(jù)。根據(jù)全國土地資源分類系統(tǒng)、甬江流域自然生態(tài)背景及本文實(shí)際需要，把土地利用類型劃分為8類：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地、灘涂，以及包括在流域邊界線內(nèi)的海域[11]，灘涂主要是沿海大潮高潮位與低潮位中間的潮侵地帶，其他土地利用類型內(nèi)涵詳見文獻(xiàn)[12]。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

利用馬爾可夫模型計(jì)算出不同時(shí)期土地開發(fā)利用狀態(tài)的轉(zhuǎn)移矩陣，對甬江流域每個(gè)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，分析得到甬江流域35 a間土地利用類型的轉(zhuǎn)移方向、轉(zhuǎn)移面積等變化情況，具體計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[13]。

2.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地綜合利用動(dòng)態(tài)度與單一利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)可以用來描述區(qū)域和某種土地利用類型變化的強(qiáng)度和速度[14]。土地單一利用動(dòng)態(tài)度表達(dá)式：

K=(Ub-Ua)÷(UaT)。

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度，Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一土地利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)段長。土地綜合利用動(dòng)態(tài)度的計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[14]。

2.2.3 土地利用程度

參照前人的研究[15]，將土地利用程度數(shù)量化，采用土地利用程度指數(shù)來研究土地的開發(fā)利用程度，其計(jì)算公式為

式中：L為研究區(qū)的土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為研究區(qū)內(nèi)第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci為研究區(qū)內(nèi)第i級土地利用程度的面積百分率；n為土地利用程度分級數(shù)。據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)[15]及研究需要，劃分土地利用程度分級：未利用土地級，包括的土地利用類型為未利用地、灘涂，分級指數(shù)1；林、草、水用地級，包括的土地利用類型為林地、草地水域，分級指數(shù)2；農(nóng)業(yè)用地級，包括的土地利用類型為耕地、養(yǎng)殖用地，分級指數(shù)3；城鎮(zhèn)聚落用地級，包括的土地利用類型為建設(shè)用地，分級指數(shù)4。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用總體變化

對甬江流域1980—2015年的土地利用類型面積進(jìn)行整理發(fā)現(xiàn)(圖1)，甬江流域各土地利用類型在數(shù)量和結(jié)構(gòu)上發(fā)生了較大的變化：草地面積及比例在前10 a大幅減少，此后25 a變化面積較??；耕地面積及比例在1995—2000年前有微小增加，但總體上呈持續(xù)減少態(tài)勢，減少了553.51 km2；海域面積及比例在2010年及以前基本無變化，但在此后5 a內(nèi)比例快速減小至消失；建設(shè)用地持續(xù)快速增加且增速明顯，從1980年的3.91%增加到2015年的18.60%，共增加了556.63 km2；林地面積及比例以1995年為峰值先增加后減小，但研究初期至后期變化總體較??；水域面積持續(xù)增加，但增速不均；灘涂面積比例在1980—1990年增加，在1990—2000年保持穩(wěn)定，在2000—2005年迅速減小，在2005—2010年保持穩(wěn)定，于2010—2015年減小至消失；未利用地面積及比例于1980—1990年減小明顯，隨后5 a有較小增加，之后保持平穩(wěn)。

圖1 甬江流域各時(shí)期土地利用類型結(jié)構(gòu)

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移分析

借助轉(zhuǎn)移矩陣來分析土地利用類型在不同時(shí)期的轉(zhuǎn)移方向和數(shù)量(表1)。1980—2015年，研究區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移面積最大的為耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地，89.36%的耕地轉(zhuǎn)移成建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移面積為521.90 km2。草地93.03%轉(zhuǎn)出為林地，海域主要轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地及草地。建設(shè)用地轉(zhuǎn)入來源多，轉(zhuǎn)出較少，主要由耕地和林地轉(zhuǎn)移而來，轉(zhuǎn)入比重分別為92.61%、6.29%。林地主要轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地、耕地和草地，水域主要轉(zhuǎn)出為耕地和建設(shè)用地，灘涂主要轉(zhuǎn)出為水域，未利用地主要轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地。海域和灘涂在研究初期面積較小且在研究期末全部轉(zhuǎn)為其他土地利用類型。甬江流域在35 a土地利用轉(zhuǎn)型的過程中，各土地利用類型之間轉(zhuǎn)換復(fù)雜。

表1 1980—2015年甬江流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

在土地利用轉(zhuǎn)移空間上(圖2)，甬江流域耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地分布較廣泛，主要位于地形平坦、地理位置較好的地區(qū)，靠近人類活動(dòng)強(qiáng)烈的城鎮(zhèn)區(qū)域，這些區(qū)域的土地利用強(qiáng)度高、土地利用需求量大。在退耕還林政策背景下，耕地在部分地區(qū)轉(zhuǎn)換為林地，主要發(fā)生在山地、丘陵等地形起伏相對較大且不適宜耕種的地區(qū)。耕地轉(zhuǎn)為水域主要發(fā)生在東部地區(qū)，在沿海水產(chǎn)養(yǎng)殖興起的背景下土地利用方式發(fā)生轉(zhuǎn)變。在人口增加和保障糧食安全的背景下，林地轉(zhuǎn)為耕地主要分布在地形相對平坦、適合耕種的地區(qū)。林地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換聚集在城鎮(zhèn)的郊區(qū)，處于城市擴(kuò)張的范圍內(nèi)，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和速度影響較大。草地向林地轉(zhuǎn)換集中在低緩山地和丘陵地形區(qū)，處于甬江流域中部偏西地區(qū)。

3.3 土地利用速率分析

計(jì)算甬江流域35 a間各個(gè)時(shí)期各土地利用類型的綜合及單一利用動(dòng)態(tài)度(表2)，分析其土地利用變化速率。甬江流域35 a土地綜合利用動(dòng)態(tài)度為0.42%。其中，1990—1995、2000—2005年2個(gè)時(shí)間段內(nèi)土地綜合利用動(dòng)態(tài)度較大，1980—1990、2005—2010年2個(gè)時(shí)間段土地利用綜合動(dòng)態(tài)度較小，反映了甬江流域土地利用變化在前期和后期較為穩(wěn)定，中期比較明顯。

圖2 1980—2015年甬江流域土地利用轉(zhuǎn)移的空間分布

表2 1980—2015年甬江流域土地利用變化速率

建設(shè)用地單一利用動(dòng)態(tài)度35 a間均為正數(shù)，面積持續(xù)增長。耕地面積雖減少，但由于面積基數(shù)較大，所以動(dòng)態(tài)度較小，研究期末下降了0.51%。草地、未利用地單一利用動(dòng)態(tài)度起伏變化，總體上呈上升趨勢。水域土地利用變化速率呈減小趨勢，海域、灘涂利用動(dòng)態(tài)度在2010—2015年間變化較大。林地利用動(dòng)態(tài)度變化最小，雖在各個(gè)小時(shí)間段內(nèi)均有變化且有個(gè)別年份變化幅度較大，但總體較為平衡。

土地綜合利用動(dòng)態(tài)度和單一利用動(dòng)態(tài)度在不同時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)出較大的差異，反映了甬江流域開發(fā)利用的不均衡性和不確定性。開墾農(nóng)田與退耕還林同時(shí)進(jìn)行，增大了經(jīng)濟(jì)成本，破壞了生態(tài)環(huán)境，耕地與建設(shè)用地的交替轉(zhuǎn)換，在一定程度上降低了土地的生產(chǎn)力，破壞了土地的可持續(xù)利用性。

3.4 土地利用程度分析

通過計(jì)算得到甬江流域土地利用程度指數(shù)，運(yùn)用ArcGIS 10.3軟件對其中的1980、1995、2005、2015年土地利用程度進(jìn)行空間化，再對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分等定級，將評價(jià)結(jié)果分為弱、較弱、中、較強(qiáng)和強(qiáng)5個(gè)等級，以反映甬江流域土地利用程度的空間變化。時(shí)間上，1980—2015年間，甬江流域土地利用程度總體上呈上升趨勢，反映了研究期間人類對甬江流域的土地利用程度不斷上升。其中，1990—1995年，土地利用程度有所下降，而2000—2005年土地利用程度綜合指數(shù)上升最快，增加了8.27。

空間上，35 a間甬江流域土地開發(fā)利用程度區(qū)域差異明顯(圖3)，北部高于南部，東部高于西部。整個(gè)甬江流域范圍內(nèi)，1980年土地利用中等以上程度合計(jì)占65.08%，較強(qiáng)程度的土地利用面積占41.24%，強(qiáng)等級土地利用程度分布在寧波市區(qū)范圍的中心地帶，面積占比為1.37%，弱等級土地開發(fā)利用程度的土地分布在研究區(qū)東北角。1995年土地開發(fā)利用程度為中等以上的土地面積減少，總計(jì)占甬江流域總面積的61.88%，研究區(qū)北部即余姚市東北部和寧波市區(qū)范圍西北部較大面積土地的利用程度由較強(qiáng)級轉(zhuǎn)變?yōu)檩^弱級。2005年土地開發(fā)利用程度為中等以上的土地面積增加，占甬江流域總面積的66.21%，原有的開發(fā)利用程度為強(qiáng)的余姚市中心地帶、寧波市區(qū)范圍的中心地帶及奉化中心地帶以其自身為中心得到了快速的擴(kuò)張。2015年土地開發(fā)利用程度為中等以上的土地面積比例增加至最大值67.35%，土地利用程度達(dá)到最大。

圖3 甬江流域土地利用程度空間分布

總體來說，研究區(qū)內(nèi)土地開發(fā)利用程度普遍較高，中等以上程度面積呈增加趨勢，其中開發(fā)利用程度為強(qiáng)的土地面積所占比例穩(wěn)定持續(xù)增加且增加速度越來越快，較強(qiáng)開發(fā)利用程度土地面積整體上呈持續(xù)減少狀態(tài)，中等程度的土地面積變化不明顯，稍有減少，較弱級及弱級土地持續(xù)減少，在2015年達(dá)到最小值。由于西南部山地丘陵對土地開發(fā)利用的限制，東部及北部的土地開發(fā)利用程度越來越高。耕地中化肥農(nóng)藥的使用，居民點(diǎn)及工廠企業(yè)生活垃圾、固體廢棄物的污染，使得甬江流域東部及北部的土地受到人類活動(dòng)的嚴(yán)重影響，來自生產(chǎn)生活的壓力越來越大。

4 小結(jié)

對甬江流域1980—2015年的土地利用時(shí)空格局變化特征進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：甬江流域草地、林地、耕地、海域、灘涂、未利用地面積縮減，建設(shè)用地和水域面積持續(xù)增長。耕地主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、林地和水域，海域、林地和未利用地主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，草地主要向林地轉(zhuǎn)換，土地利用轉(zhuǎn)移趨向復(fù)雜化。甬江流域耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地主要位于地形平坦、地理位置較好的地區(qū)，靠近人類活動(dòng)強(qiáng)烈的城鎮(zhèn)區(qū)域。耕地轉(zhuǎn)換為林地主要發(fā)生在山地、丘陵等地形起伏相對較大且不適宜耕種的地區(qū)。耕地轉(zhuǎn)為水域主要發(fā)生在東部地區(qū)。林地轉(zhuǎn)為耕地主要分布在地形相對平坦、適合耕種的地區(qū)。林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換聚集在城鎮(zhèn)的郊區(qū)，處于城市擴(kuò)張的范圍內(nèi)。草地向林地轉(zhuǎn)換集中在低緩山地和丘陵地形區(qū)，處于甬江流域中部偏西地區(qū)。甬江流域土地綜合利用動(dòng)態(tài)度為0.42%。建設(shè)用地單一利用動(dòng)態(tài)度35 a間均為正數(shù)，耕地單一利用動(dòng)態(tài)度下降了0.51%。草地、未利用地單一利用動(dòng)態(tài)度總體呈上升趨勢，林地單一利用動(dòng)態(tài)度變化最小。土地綜合利用動(dòng)態(tài)度和單一利用動(dòng)態(tài)度在不同時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)出較大的差異，反映了甬江流域開發(fā)利用的不均衡和不確定性。甬江流域土地利用程度不斷上升，研究期末增長了57.89%，其區(qū)域分異明顯，受地形條件、地理區(qū)位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素影響，土地利用程度空間上呈現(xiàn)北部高于南部、東部高于西部的特征。