吉林省1990-2018年土地利用空間分布及其變化

劉志川， 王建國,2， 梁書維， 王雨婷

(1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 吉林 長春 130021; 2.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 吉林 長春 130026)

土地是綜合了人類活動成果的自然—經(jīng)濟綜合體，土地利用結(jié)構(gòu)是人類土地利用活動與土地自然特點及其所處的社會經(jīng)濟條件長期共同作用的結(jié)果[1]，是了解土地利用是否與需求相吻合，是否與土地的自然現(xiàn)狀相適應(yīng)的重要方式[2]，其現(xiàn)狀反映了區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟水平、生態(tài)水平及人類社會發(fā)展的程度[3]。土地利用空間分異的變化是闡明地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)，也是揭示區(qū)域發(fā)展規(guī)律的重要方式[4]。20世紀末以來，我國土地利用研究工作的一個重要特點是重視土地利用變化對生態(tài)環(huán)境狀況及全球變化的影響。在研究初期應(yīng)用土地利用變化度、年變化率等指標揭示土地利用的動態(tài)變化[5]，但是研究內(nèi)容比較單一，后來又增加了土地利用變化幅度、程度、變化轉(zhuǎn)移矩陣等來揭示土地利用和經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系[6]。隨著研究的不斷深入，多樣化指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、均勻度指數(shù)和信息熵等景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)被應(yīng)用于土地利用空間分異變化研究中，并結(jié)合GIS空間分析技術(shù)對不同空間尺度的土地利用結(jié)構(gòu)進行數(shù)量結(jié)構(gòu)、空間格局狀況等方面的分析[7-8]，但研究區(qū)域大多以市縣為主，缺少對于省域的空間分異特征研究。隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入，經(jīng)濟發(fā)展的模式和人類生活方式的改變[9]，眾多學(xué)者通過構(gòu)建評價指標、運用多元統(tǒng)計方法及數(shù)學(xué)模型對土地利用空間分異變化的驅(qū)動因素及影響進行探討，土地利用變化也在多項研究中呈現(xiàn)出區(qū)域性特征[10-13]，但由于研究區(qū)域多為市縣級，區(qū)域特征的呈現(xiàn)不夠明顯。為此，本研究以吉林省為研究區(qū)，將計量地理模型統(tǒng)計結(jié)果與空間地理位置變化緊密結(jié)合，綜合分析土地利用空間分異變化并分區(qū)剖析其影響因素，為省域的土地利用的可持續(xù)發(fā)展及其生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

吉林省地處中國東北中部，位于121°38′—131°19′E，40°50′—46°19′N，土地面積1.87×105km2，下轄長春(省會)、吉林、四平、松原、白城、遼源、通化、白山8個地區(qū)級城市和延邊朝鮮族自治州，另直管梅河口、公主嶺2個縣級市。吉林省地貌形態(tài)差異明顯，地勢由東南向西北傾斜，呈現(xiàn)明顯的東南高、西北低的特征。以中部大黑山為界，可分為東部山地和中西部平原兩大地貌區(qū)。東部山地分為長白山中山低山區(qū)和低山丘陵區(qū)，中西部平原分為吉林中部臺地平原區(qū)和吉林西部草甸、湖泊、濕地、沙地區(qū)，據(jù)此將研究區(qū)劃分為西部、中部和東部3個地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

以1990年吉林省土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)及吉林省2018年度土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，因為兩期數(shù)據(jù)地類分類標準發(fā)生變化，根據(jù)研究需要，以1990年數(shù)據(jù)地類為基準，將2018年數(shù)據(jù)進行整合，劃分為耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地、未利用地共計8種土地利用現(xiàn)狀類型進行研究。1990—2018年，吉林省內(nèi)所轄部分行政區(qū)的范圍、名稱和部分縣市的歸屬發(fā)生了變化。為了確保研究區(qū)域的一致性及兩期研究數(shù)據(jù)的可比性，本文以1990年第1次吉林省土地調(diào)查、1990年吉林省行政區(qū)劃圖和1991年《吉林省社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》中的吉林省行政區(qū)為基礎(chǔ)，以市區(qū)和縣(縣級市)為研究單位，確定評價單元共49個，市區(qū)包括長春、吉林、四平、遼源、通化、白山、松原、白城、延邊共9個，縣(縣級市)共40個。其中，臨江縣1990年由通化管轄，1993年由國務(wù)院批準撤縣設(shè)為臨江市，由地級市白山市代管。

2.2 研究方法

基于已有的土地利用數(shù)據(jù)，計算多樣化指數(shù)、土地區(qū)位指數(shù)、信息熵、均衡度，分析其空間分布特征，使用莫蘭指數(shù)進行空間自相關(guān)的探索，探究各項指數(shù)的空間集聚情況，并分析土地利用空間分異變化的驅(qū)動因素[14]。

2.2.1 土地利用面積比例與區(qū)位指數(shù) 土地利用面積比例是指區(qū)域內(nèi)的某類用地面積占該區(qū)域面積的百分比[15]。計算公式為：

(1)

式中：Kij為i區(qū)域j類用地的面積比；aij為i區(qū)域j類用地的面積；Si為i區(qū)域總面積。

該式可以計算出區(qū)域內(nèi)何種土地利用在該范圍內(nèi)存在面積優(yōu)勢。區(qū)域內(nèi)Kij最大的土地利用類型即為優(yōu)勢地類。

土地利用區(qū)位指數(shù)反映某區(qū)域相對與其上一級區(qū)域各地類的相對集聚程度。計算公式為：

(2)

式中：Qi為某土地類型的區(qū)位指數(shù)；fi為某一區(qū)域內(nèi)第i種土地類型的面積;Fi為其上一級區(qū)域內(nèi)第i種土地類型的面積。如果區(qū)域指數(shù)Qi>1,則該土地類型具有區(qū)位意義,否則不具有區(qū)位意義[16]。

當(dāng)土地利用面積比例和區(qū)位指數(shù)均占優(yōu)勢的時候，認定該種地類為此區(qū)域的雙優(yōu)勢地類。雙優(yōu)勢地類即為區(qū)域內(nèi)當(dāng)前最重要的用地類型。

2.2.2 多樣化指數(shù) 土地利用結(jié)構(gòu)的多樣性反映區(qū)域內(nèi)各用地類型的齊全程度或多樣化狀態(tài)，應(yīng)用吉布斯—馬丁(Gibbs-Martin)多樣化指數(shù)定量表達。計算公式為[17]：

(3)

式中：G為多樣化指數(shù);Li為某一區(qū)域第i種土地利用類型的面積與該區(qū)域總面積之比;n為土地利用類型的數(shù)量。多樣化指數(shù)的值在0～1之間；G值趨于0,說明該區(qū)土地利用類型越少或者某用地類型面積比例過大；G值趨近于1,表明土地利用類型多樣化程度高[16,18]。

2.2.3 信息熵、均衡度 土地利用信息熵反映土地利用結(jié)構(gòu)均衡度，熵值越大，表明土地利用的職能類越多，各職能類的面積相差越小。計算公式為[19-23]：

假定一個城市的用地面積為A，根據(jù)功能可將其分為n個職能類型，若各職能類的面積分別為A1,A2,…,An，則A=A1+A2+…+An=∑Ai，(i=1,2，…，n)，定義“概率”為

(4)

顯然所有Pi之和等于1，于是得城市土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵公式，即

(5)

式中：S為某區(qū)域土地總面積;Si為某一用地類型的面積;H為該區(qū)域土地利用信息熵。當(dāng)各種土地利用類型面積相等時,則：

Hmax=ln(n)

(6)

基于土地利用信息熵，可以構(gòu)建土地利用均衡度公式[9,24]，即

(7)

式中：J表示均衡度，是實際信息熵與最大信息熵之比，J值越大,表明土地利用的均質(zhì)性越強。

2.2.4 莫蘭指數(shù) 地理數(shù)據(jù)接受空間相互作用與空間相鄰擴散的綜合影響，彼此之間相互關(guān)聯(lián)，莫蘭指數(shù)可以將這一關(guān)聯(lián)性很好表達，Moran’s I指數(shù)表達式為[14]：

(8)

局部空間自相關(guān)則是根據(jù)空間位置的不同來觀察空間關(guān)系的不同，因此可以有效衡量觀測地點與周圍區(qū)域的空間相互關(guān)聯(lián)程度。Local Moran’sIi計算公式為：

(9)

式中：Zi，Zj為屬性值的標準化形式；wij為要素i與j之間的空間權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

以1990和2018年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用土地利用面積比例、區(qū)位指數(shù)來反映雙優(yōu)勢類型(表1)，采用多樣化指數(shù)、信息熵、均衡度反映土地利用空間分布特征。得出吉林省土地利用多樣化指數(shù)、信息熵、均衡度指數(shù)(表2)。

3.1 土地利用時空分布特征

3.1.1 雙優(yōu)勢地類分布及變化 將區(qū)域內(nèi)的主要地類和具有區(qū)位意義的地類進行統(tǒng)計，得到吉林省雙優(yōu)勢土地利用分布圖(圖1)。吉林省1990—2018年總體上保持林地和耕地為雙優(yōu)勢地類的用地特征。兩期對比可見，吉林省雙優(yōu)勢地類西部、東部變化較大，中部整體相對穩(wěn)定，個別縣市變化明顯。西部的松原地區(qū)耕地雙優(yōu)勢出現(xiàn)明顯減少，白城地區(qū)由原來的多種優(yōu)勢類并存轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿仉p優(yōu)勢為主，水域的雙優(yōu)勢消失(鎮(zhèn)賚縣)、未利用地雙優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為林草雙優(yōu)勢(大安市)；東部地區(qū)的變化主要體現(xiàn)在白山地區(qū)(撫松縣與渾江市)林地雙優(yōu)勢的增加，通化地區(qū)(柳河縣與輝南縣)耕地雙優(yōu)勢的增加，整體上仍以林地雙優(yōu)勢為主；中部地區(qū)總體表現(xiàn)為耕地和個別地區(qū)城鎮(zhèn)村及工礦用地雙優(yōu)勢增加、減少的特征。其中，磐石市與東遼縣由無優(yōu)勢地類轉(zhuǎn)變?yōu)楦仉p優(yōu)勢，東豐縣雙優(yōu)勢由林地轉(zhuǎn)為耕地，遼源市區(qū)城鎮(zhèn)村及工礦用地雙優(yōu)勢消失，長春市城鎮(zhèn)村及工礦用地的雙優(yōu)勢顯現(xiàn)。

表2 吉林省土地利用多樣化指數(shù)、信息熵、均衡度指數(shù)

圖1 吉林省土地利用雙優(yōu)勢分布

3.1.2 多樣化指數(shù) 將1990和2018年的多樣化指數(shù)全部匯總，并利用自然斷點法分成5個等級，得到吉林省土地利用多樣化指數(shù)分布圖(圖2)。吉林省1990—2018年土地利用多樣化指數(shù)保持西高東低的特征。其中1990年多樣化指數(shù)的平均值為0.53,2018年為0.47，多樣化指數(shù)整體上呈現(xiàn)出降低的態(tài)勢?？臻g上吉林省西部多樣化指數(shù)由原來的大范圍極高開始逐漸下降至高；除長春城區(qū)多樣化有所增加以外，吉林省中部多樣化指數(shù)從原來的高逐漸轉(zhuǎn)為中等程度，吉林省東部地區(qū)多樣化指數(shù)基本維持在原有的低水平。

3.1.3 信息熵與均衡度 將1990年和2018年的土地利用信息熵指數(shù)匯總，并利用自然斷點法分成5個等級，得到吉林省土地利用信息熵、均衡度分布圖(圖3—4)。1990年和2018年吉林省信息熵和均衡度都呈現(xiàn)出西高東低的特征，全省呈現(xiàn)總體下降的趨勢。其中，西部信息熵由原來的大范圍極高開始逐漸下降至高；除長春城區(qū)信息熵有所增加以外，吉林省中部信息熵從原來的高逐漸轉(zhuǎn)為中等程度，吉林省東部地區(qū)信息熵基本維持在原有的低水平，但長春城區(qū)的信息熵及均衡度由高上升到極高。信息熵和均衡度體現(xiàn)一個地區(qū)的土地利用職能類的數(shù)量和均質(zhì)性，長春城區(qū)信息熵及均衡度的上升表明長春市的城市化水平有所提高，土地職能趨于均衡。

圖2 吉林省土地利用多樣化指數(shù)分布

3.2 土地利用空間聚集特征

1990—2018年，吉林省土地利用多樣化指數(shù)、信息熵、均衡度3個指數(shù)整體均有所下降，且在不同的區(qū)域具有不同的變化程度。這3項指數(shù)的下降，表明吉林省范圍內(nèi)的土地利用類型在不同區(qū)域產(chǎn)生了變化，土地利用職能的多樣性在不同區(qū)域均有所下降，但土地利用職能類卻并沒有減少或消亡，結(jié)合雙優(yōu)勢地類的變化情況，說明在1990—2018年，多種土地利用類型并沒有均勻分布在全省，而是產(chǎn)生了不同情況的聚集。通過莫蘭指數(shù)探索吉林省土地利用多樣化指數(shù)和信息熵的空間集聚特征，并分析土地利用變化的空間分異。地理事物或?qū)傩栽诳臻g分布上互為相關(guān)，存在集聚、隨機、規(guī)則分布。采用全局空間自相關(guān)探索全省49個縣市的多樣化指數(shù)與信息熵在空間上的聚集現(xiàn)象，結(jié)果詳見表3。通過分析結(jié)果(表3)發(fā)現(xiàn)： ①p值均小于顯著性水平0.05，即置信度大于95%，數(shù)據(jù)具有研究性和可信性； ②顯著性水平0.05下的臨界值為1.96，全部Z值均大于1.96，表明全省的土地利用多樣化指數(shù)與信息熵存在著空間聚集現(xiàn)象；莫蘭指數(shù)的計算結(jié)果均在0.5以上，說明多樣化指數(shù)與均衡度均存在正的空間自相關(guān)；為了獲得更精確的聚集情況，決定采用Anselin Local Moran’sI指數(shù)進一步計算。

圖3 吉林省土地利用信息熵分布

圖4 吉林省土地利用均衡度分布

表3 吉林省全局莫蘭指數(shù)分析

根據(jù)Anselin Local Moran’sI指數(shù)計算結(jié)果(圖5—6)可以將兩項指數(shù)的空間聚集特征劃分為HH(高—高聚集)區(qū)域和LL(低—低聚集)區(qū)域。整體來看多樣化指數(shù)和均衡度，HH(高—高聚集)聚集區(qū)最主要分布在吉林省的西部(白城市和松原市部分地區(qū))，LL聚集區(qū)主要分布在吉林省的東部(延吉市、白山市以及通化市部分地區(qū))。從兩期結(jié)果來看，1990—2018年多樣化指數(shù)以及均衡度的HH聚集區(qū)和LL聚集區(qū)均有所變化。兩項指數(shù)的HH聚集區(qū)域均有所收縮，松原市部分區(qū)域的多樣化指數(shù)HH聚集特征消失；均衡度的LL聚集區(qū)域略有擴大。結(jié)果表明地理位置對于土地利用類型的空間分布及變化有著重要的影響。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

4.1.1 自然因素對空間分異變化的影響 吉林省從西部到東部，氣候、地貌類型具有明顯的差異，土地利用類型、土地利用結(jié)構(gòu)與功能等也因此會呈現(xiàn)出中、東、西差異特征[25]。 ①地形地貌因素。吉林省東部地區(qū)包括延邊朝鮮族自治州、白山市和通化市。地貌類型以長白山山地為主，地勢東北高、西南低，局部有丘陵和山地分布。區(qū)域內(nèi)分布著長白山、天佛指山等國家級自然保護區(qū)，森林生態(tài)功能突出；中部地區(qū)包括長春市、吉林市、四平市和遼源市，地貌類型以沖擊、洪積平原為主；西部地區(qū)包括白城市和松原市，該地區(qū)處于松嫩平原的西部科爾沁大草原的東部，除西北端為大興安嶺東麓低山丘陵外，絕大部分地區(qū)為海拔200 m以下的平原。因此，東部地區(qū)用地類型以林地為主，28 a間林地作為東部主要的用地類型面積不斷擴大，優(yōu)勢逐漸突出，而中部和西部地區(qū)地勢相對平坦，以耕地和草地為主要用地類型，28 a間耕地面積逐漸擴大，成為優(yōu)勢地類。土地利用類型與地形地貌的空間分異規(guī)律相吻合，吉林省在28 a間信息熵和均衡度都維持較高水平，表明吉林省土地利用的均質(zhì)性較強，土地利用職能總體平衡；國土空間適宜性及生態(tài)用地保護良好，能夠因地制宜的進行土地利用，無明顯的人類對自然的干擾。 ②氣候因素。氣溫和降水是造成自然景觀和環(huán)境差異的重要影響之一，對于農(nóng)作物的生長也起著至關(guān)重要的作用，吉林省氣象資料詳見表4。結(jié)合表4及其他氣象資料[26]，吉林省西部地區(qū)溫度整體持續(xù)高于其他區(qū)域，且降水量明顯少于其他地區(qū)，東部降水條件最好，中部地區(qū)處于中等水平。西部地區(qū)長時間降水量少、氣候趨向干旱，導(dǎo)致該地區(qū)的水域雙優(yōu)勢逐漸消失；持續(xù)干旱也使得西部地區(qū)耕地、草場存在著不同程度的鹽堿化和沙化，區(qū)域耕地耕作條件和抗災(zāi)能力較差，農(nóng)牧業(yè)持續(xù)發(fā)展受到影響。

圖5 土地利用多樣化指數(shù)空間聚集特征變化

圖6 土地利用均衡度指數(shù)空間聚集特征變化

表4 吉林省1981-2018年(5-9月)氣象要素變化

4.1.2 社會經(jīng)濟因素對空間分異變化的影響 吉林省社會經(jīng)濟發(fā)展持續(xù)向好。中部地區(qū)是吉林省經(jīng)濟隆起地帶[27]，承擔(dān)著經(jīng)濟發(fā)展的重要責(zé)任，長春為吉林省省會城市，城市擴展迅速，城鎮(zhèn)居住用地的雙優(yōu)勢開始顯現(xiàn)；長春地區(qū)信息熵及均衡度由高上升到極高，表明長春在城市化進程中用地多樣性更加顯著和均衡；遼源地區(qū)是以煤炭開采為主的老工業(yè)基地，隨著資源枯竭，經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，城鎮(zhèn)村及工礦用地逐漸減少[28]。同時，中部地區(qū)是我國的黑土分布區(qū)及重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，多年來一直大力發(fā)展農(nóng)業(yè)，肩負著保護糧食安全的重大責(zé)任，嚴格保護基本農(nóng)田及農(nóng)地生態(tài)環(huán)境，耕地的優(yōu)勢得以擴大。西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，多年來致力于環(huán)境治理和生態(tài)保護，重點恢復(fù)草地，發(fā)展農(nóng)牧業(yè)，施行的退耕還草、鹽堿地治理、土地綠化等措施，使得生態(tài)環(huán)境得到改善，土地利用程度提高[29]。未利用地雙優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為林草雙優(yōu)勢，是該區(qū)域順勢而為，以生態(tài)為導(dǎo)向?qū)嵤┍Ｗo的重要成果。東部地區(qū)林地資源一直是吉林省的生態(tài)屏障，土地利用一直堅持著“在開發(fā)中保護，在保護中開發(fā)”的原則，在保證經(jīng)濟建設(shè)的基礎(chǔ)上加強對于生態(tài)用地的開發(fā)建設(shè)，東部地區(qū)設(shè)立16個國家級自然保護區(qū)，省、市、縣級自然保護區(qū)10余處，重點實施天然林保護工程，有效的發(fā)揮了防止水土流失及涵養(yǎng)水源(東部長白山區(qū)是松花江的源頭)的重要作用，因此在28 a間林地一直保持著絕對的優(yōu)勢。

4.2 結(jié) 論

(1) 吉林省1990—2018年土地利用總體上保持以林地和耕地雙優(yōu)勢為主的特征，但雙優(yōu)勢地類總體減少、西部和中部耕地雙優(yōu)勢相對增加、西部林草用地雙優(yōu)勢增強和水域雙優(yōu)勢消失、中部長春地區(qū)呈現(xiàn)耕地雙優(yōu)勢的發(fā)展趨勢。

(2) 吉林省1990—2018年土地利用多樣化指數(shù)、信息熵與均衡度指數(shù)略有下降但仍保持較高水平，具有西高東低的特征，其中長春主城區(qū)3個指數(shù)明顯提高。全局莫蘭指數(shù)均在0.5～0.7之間，多樣化指數(shù)及信息熵均呈正的全局自相關(guān)。多樣化指數(shù)和信息熵的HH聚集區(qū)在吉林省西部地區(qū)，聚集面積均有所收縮，表示西部地區(qū)土地利用類型豐富度降低；LL的聚集區(qū)在東部地區(qū)，兩期數(shù)據(jù)相比略有波動總體基本穩(wěn)定，東部地區(qū)土地利用類型豐富度降低。

(3) 自然環(huán)境因素是吉林省土地利用空間分異的主導(dǎo)因素，社會經(jīng)濟因素對于土地利用的空間分異變化具有重要影響。