徐鋮龍,紀佩瑤,龔文峰,劉月陽,杜 崇
(1黑龍江大學水利電力學院,哈爾濱 150086;2海南大學林學院,???570228)
土地利用/覆蓋變化(LUCC)已成為人類活動對自然生態(tài)環(huán)境影響的主要形式[1],是人地關系最為密切、最為典型的命題[2]。由于新舊框架下的區(qū)域土地利用規(guī)劃矛盾和區(qū)域生態(tài)過程的變化不斷加劇,對區(qū)域的社會經濟和生態(tài)環(huán)境產生一定影響[3]。故而,區(qū)域尺度的LUCC研究已成為重要領域[3-5]。通過對當前土地利用相關文獻的梳理發(fā)現(xiàn),研究方向分為以下4 個層面:演變過程及特征[4-5]、動態(tài)模擬[6-7]、土地利用驅動力[8-9]和生態(tài)環(huán)境效應[10-11]。
由于中國社會經濟發(fā)展速度過快且不均衡和區(qū)域地形地貌迥異的特點,存在一定程度的人文與自然因素的“疊加差異”[12]。故對區(qū)域土地利用研究和監(jiān)測多以大尺度為主[8-9],而且主要集中在河湖流域[12-14]、經濟發(fā)達地區(qū)[15-16]和生態(tài)脆弱地區(qū)[17-19],但研究方向正逐漸向典型生態(tài)區(qū)轉移。而西南山區(qū)縣域(奉節(jié)縣)處于中國經濟發(fā)展的薄弱地帶,且大部分處于高海拔陡坡區(qū),坡耕地分布集中[20],生態(tài)環(huán)境脆弱導致土壤侵蝕嚴重[21-22]。故而,其LUCC問題極具特殊性[23]。
由于區(qū)域人地矛盾突出及對生態(tài)環(huán)境的作用響應敏感,且基于圖譜模型探求該區(qū)域土地利用時空格局演變及驅動機制的研究相對稀少。本研究以重慶市奉節(jié)縣為例,基于2000、2005、2010、2015年4期遙感影像數(shù)據(jù),結合土地利用數(shù)據(jù)和土地利用動態(tài)模型,揭示區(qū)域15 年間土地利用格局演變規(guī)律;借助SPSS 數(shù)理統(tǒng)計軟件和區(qū)域社會與經濟等相關數(shù)據(jù),定量分析研究區(qū)土地利用時空變化的驅動機制,揭示土地利用時空演變的關鍵驅動因素。以期提升區(qū)域土地資源的合理利用配置,為中國西南地區(qū)土地資源的可持續(xù)利用及經濟與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展提供技術支撐。
由于區(qū)域人地矛盾突出及對生態(tài)環(huán)境的作用響應敏感,且基于圖譜模型探求該區(qū)域土地利用時空格局演變及驅動機制的研究相對稀少。本研究以重慶市奉節(jié)縣為例,借助ArcGIS10.2 軟件和地學信息圖譜,揭示區(qū)域2000—2015年間土地利用格局演變規(guī)律;借助SPSS數(shù)理統(tǒng)計軟件和區(qū)域社會與經濟等相關數(shù)據(jù),進行研究區(qū)土地利用時空變化的驅動機制定量分析,并得出關鍵驅動因素。以期增強區(qū)域土地資源配置的合理優(yōu)化和土地資源的可持續(xù)利用,并為其提供技術支撐。
奉節(jié)縣是重慶市的東大門,以巫山、恩施、云陽和巫溪為鄰。地處三峽庫區(qū)腹地,包含永樂鎮(zhèn)等30個街道鄉(xiāng)鎮(zhèn),屬于三峽庫區(qū)生態(tài)敏感區(qū)和三峽移民區(qū)。典型河谷地形,氣候溫熱,雨熱同季,降雨時間集中且破壞力大。垂直海拔差異大,導致立體氣候特征顯著,有助于發(fā)展地區(qū)特色農業(yè)(如奉節(jié)臍橙)。研究區(qū)喀斯特地貌典型,紫色土壤分布廣泛[24]??h內水資源豐足,但分布不均。長江東西橫斷,切奉節(jié)縣為南北兩部分,有著名的三峽奇觀和白帝古城等景觀。
本研究以奉節(jié)縣1:50000 地形圖為地理基準,運用遙感軟件ENVI5.3,完成2000 年、2005 年和2010 年Landsat-5TM和2015年Landsat-8OLI遙感數(shù)據(jù)的輻射定標、大氣校正和圖像掩膜裁剪等處理?;凇吨袊恋胤诸愊到y(tǒng)》,結合大量野外調查樣本,將研究區(qū)地類分為:林地、草地、耕地、水域、居民工礦用地和未利用地共6 種,并借助ArcGIS10.2 將土地利用按順序分別賦予1~6 代碼并成圖。運用最大似然監(jiān)督分類法,完成遙感數(shù)據(jù)的分類處理。2000 年、2005 年、2010 和2015 年分類精度達到82.49%、84.41%、87.34%和89.69%,kappa系數(shù)分別為0.80、0.84、0.86和0.87,達到研究分析要求。借助SPSS 數(shù)理統(tǒng)計軟件和奉節(jié)縣的社會經濟數(shù)據(jù),完成定量分析。
本研究借助于土地利用時空演變模型,從時空尺度上定量揭示區(qū)域土地利用類型的數(shù)量特征變化和空間結構演變過程。
2.2.1 土地利用動態(tài)度 土地利用動態(tài)度:反映出各種土地利用類型面積的變化幅度、變化速度以及在區(qū)域土地利用變化中的類型差異,并且利用該模型可以真實反映出區(qū)域土地利用類型的變化劇烈程度。
單一土地利用類型動態(tài)度如式(1)所示。
式中K為某一土地利用類型動態(tài)度,Aa和Ab為某一地類研究初期和末期的面積,T2-T1為研究時段[25]。
綜合土地利用動態(tài)度如式(2)所示。
式中LC為綜合土地利用動態(tài)度;Aai為第i類土地研究初期面積;ΔLAi-j為研究期內第i類土地轉移到其他土地利用類型面積的絕對值[25]。
2.2.2 土地利用結構信息熵 土地利用系統(tǒng)的有序性可以用土地利用結構信息熵來分析:熵值越高,有序性越弱,系統(tǒng)不穩(wěn)定且不利于發(fā)展。如式(3)~(4)所示。
式中Pi為某土地利用類型的比例;H為土地利用結構信息熵;J為均衡度;均衡度與優(yōu)勢度的和為1[26]。
2.2.3 土地利用轉移圖譜 土地利用轉移圖譜中的信息為“時空復合體”數(shù)據(jù),通過對圖形的空間格局及其拓撲關系依據(jù)時間序列變化進行計算分析[21],將在時空尺度下對土地利用的演變規(guī)律進行動態(tài)直觀描述?;诖耍狙芯吭贏rcGIS10.2 的支持下,合成該區(qū)域2000→2005 年、2005→2010 年和2010→2015 年3 個時段的地學信息圖譜,以充分發(fā)揮圖譜數(shù)據(jù)的挖掘方法在時空變化直觀描述方面的優(yōu)勢[27],以期定量揭示區(qū)域土地利用時空動態(tài)演變格局及規(guī)律。圖譜計算公式如式(5)所示。
式中F為研究階段內土地利用演替模式的圖譜單元柵格;F1和F2為研究初期和研究末期的土地利用圖譜柵格屬性值。
基于ArcGIS10.2 獲取研究區(qū)土地利用的基礎數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計分析(見圖1 和表1)。由表1 可知,2000—2015年間研究區(qū)基質景觀為林耕地,兩者四期的面積和占比均九成以上。且林地優(yōu)勢地位顯著,面積比例分別為66.76%、67.54%、67.37%和67.48%,是耕地的2.4~2.6倍。草地分布在林地和耕地之間,面積比例分別為3.19%、3.16%、3.13%和3.10%。
圖1 奉節(jié)縣2000—2015年土地利用類型空間分布
表1 2000—2015年土地類型變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
15年間林地、水域和居民工礦用地面積呈增加趨勢,分別增加了29.36、46.67、9.03 km2,水域面積增幅最大,為127.11%,且增速最快,為8.47%。2000—2015年居民工礦用地的變化速率分別為0.76%,0.95%和4.71%,保持持續(xù)增加的趨勢。15年間,林地的變化速率為0.23%、-0.05%和0.03%,由快速增加轉為緩慢的增減平衡變化。耕地、草地和未利用地的土地面積總變化為-78.84、-3.73、-2.49 km2。未利用地減幅最大,為34.34%,且減速最快,為-1.37%。2000—2015年,草地與耕地的減少速度均由快向慢轉化,為-0.24%、-0.15%、-0.19%和-0.79%、-0.39%、-0.22%。
基于土地利用綜合動態(tài)度分析結果可知[25],奉節(jié)縣在2000—2005 年和2005—2010 年的綜合動態(tài)度分別為4.72%和4.71%,均處于慢速變化型階段;而熵值在2000—2010 年一直保持0.83。該結果表明當?shù)赝恋乩么嬖陬l繁轉化的不穩(wěn)定情況,源于2000—2010年間正是三峽移民工程逐步完成、奉節(jié)縣城新舊交替和經濟結構調整的時期,其土地利用變化也呈現(xiàn)由整體無序向局部有序方向發(fā)展趨勢。2010—2015 年研究區(qū)的綜合動態(tài)度僅為0.05%,處于極緩慢變化型階段,而熵值僅增加了0.02。源于奉節(jié)縣三峽移民工程完成后,土地利用節(jié)奏放慢且農業(yè)政策日趨穩(wěn)定,社會經濟趨向平穩(wěn)發(fā)展。2000 年熵值均衡度由0.46 增加到2015 年的0.48,優(yōu)勢度減少0.02,但仍然大于0.5。表明林地的優(yōu)勢地位雖然降低,對其他土地類型的影響程度正在減弱,但仍為區(qū)域優(yōu)勢景觀。
2000—2005 年和2005—2010 年均生成36 類圖譜單元,轉移總面積1304.66 km2和1303.93 km2。土地利用演變主要集中在林地、草地和耕地之間。2010—2015 年產生23 類圖譜單元,轉移總面積19.82 km2。土地利用演變并不劇烈,主要為林地、水域和居民工礦用地面積增加[28]。
2000—2010年間,以林地面積變化幅度最為劇烈。2000—2005年,林地轉出856.90 km2,主要向草地和耕地轉移,轉移的面積分別為66.98 km2和475.39 km2,變化比率分別為5.13%和36.44%。受三峽移民工程的影響,部分移民通過開荒種地來增加經濟收入,加大了對林地的開發(fā)力度,陡坡濫墾開荒現(xiàn)象比較嚴重,在擴大坡耕地面積的同時,加大了局部區(qū)域地質災害的發(fā)生頻度,加速了部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化進度。2005—2010 年,林地的輸入面積最多,為573.94 km2,其主要的輸入來源為草地和耕地,其中草地輸入面積為67.72 km2,變化比率為5.19%;耕地輸入面積達到494.05 km2,變化比率為37.89%。隨著當?shù)厣鷳B(tài)移民規(guī)劃的實施,在國家退耕還林等積極的農林政策推動下,部分粗獷開發(fā)的草地和耕地轉化為生態(tài)林和旅游林,形成足夠規(guī)模的長江生態(tài)保護屏障。此外,受農業(yè)產業(yè)結構調整影響,奉節(jié)縣規(guī)模化的臍橙產業(yè)加速了部分草地和耕地向林地的轉換速度。
2000—2010 年間,耕地變化較為劇烈,2000—2005 年耕地以轉出為主,面積595.56 km2。主要輸出地類為林地和草地,分別轉出523.87 km2和40.07 km2,面積變化比率分別為40.15%和3.07%。奉節(jié)縣受國家生態(tài)政策影響,大力推行退耕還林、還草,土地利用趨向一定合理性。此外,得益于當?shù)貎?yōu)勢的地理條件和產業(yè)結構的調整,部分低經濟價值的坡耕地被改造為較高經濟價值的臍橙果園,也使得林地面積增加。由于新型農業(yè)技術推廣和農業(yè)生產集約化推行,節(jié)省出來的農村勞動力走向城市,在促進城鎮(zhèn)化發(fā)展的同時,部分耕地被撂荒并逐漸轉化為草地。2005—2010 年耕地以轉入為主,面積達到561.92 km2,其中林地和草地是其主要轉出來源,林地→耕地的面積為509.53 km2,變化比率為39.08%。草地→耕地的面積為39.19 km2,變化率為3.01%。雖然當?shù)赝菩型烁€林還草政策,但仍然有新縣城周圍的林地和草地被擠壓侵占,并轉化為耕地,在一定程度上凸顯了局部區(qū)域的人地矛盾。
2000—2010 年間,草地和林地及耕地的變化趨勢相似,2000—2005年間以轉出為主,2005—2010以轉入為主。2000—2005年轉出的總面積為109.81 km2,對象主要為耕地和林地,面積分別為55.03 km2和52.02 km2,受三峽移民工程影響,區(qū)域人地矛盾加劇,加大了對草地和林地干擾力度,使得部分草地和林地被擠壓侵占,區(qū)域土地利用呈現(xiàn)一定的不合理化。2005—2010年耕地和林地轉入草地面積共107.23 km2,為所有種類中最多。其中,耕地→草地的面積53.37 km2,林地→草地的面積51.41 km2。受國家退耕還林、還草等生態(tài)政策和當?shù)厣鷳B(tài)產業(yè)發(fā)展的雙重影響下,部分地理條件不好的耕地,隨著人為干擾的減少逐漸演變?yōu)椴莸?。林地和草地間的轉換很大程度上與地理條件有一定的關聯(lián)。
2010—2015 年,居民工礦用地累計增加最大,6.73 km2。林地和耕地是其主要的轉換來源,其中林地→居民工礦用地和耕地→居民工礦用地面積分別為3.38 km2和2.65 km2,很大程度上源于研究區(qū)城市化的進程?!笆濉逼陂g,奉節(jié)縣投資120億元建設西部城區(qū)和15億元建設旅游新城,打造移民生態(tài)工業(yè)園并引進一系列特色企業(yè),經濟建設勢必會擠壓侵占林地和耕地。林地增加的面積次之,耕地和草地是其主要來源,耕地→林地和草地→林地的面積分別為8.48 km2和1.02 km2,源于建設長江上游重要生態(tài)屏障的國家級水土保持重點項目實施。水域面積計增加1.57 km2,很大程度上源于三峽大壩的修建。
圖2 奉節(jié)縣2000—2015年時序單元轉移圖譜
土地利用演變是一個非常復雜的演化過程。在參照相關研究基礎上,遵循驅動因子選取原則[19],選取城鎮(zhèn)化水平、經濟因素、農業(yè)結構、政策因素和社會發(fā)展水平等5 個主要因素共23 個指標(見表3),利用主成分分析模型和線性回歸模型,對驅動土地利用類型演變的主要因素進行分析。
表2 2000—2015年奉節(jié)縣土地利用轉移主要圖譜單元排序表
表3 土地利用驅動力變化指標
3.3.1 主成分分析 主成分1和2累計貢獻率達87.7%,并且特征值均大于1,滿足數(shù)據(jù)分析標準。正交旋轉處理后,按照旋轉荷載大小排序。由此可知:主成分1中的荷載系數(shù)大于0.9的因素,均與社會水平和經濟發(fā)展高度相關,因此可將其歸納為社會經濟發(fā)展因素。主成分2 中水產品、油料和肉類產量的荷載系數(shù)均大于0.88,與之高度相關,因此,主成分2 為農業(yè)因素。結合主成分1中旋轉荷載均大于0.8的茶葉、水果與蔬菜產量分析,奉節(jié)縣形成了為以茶葉、果蔬為主,輔以水產品、油料和肉類的農業(yè)結構。因此,由表4因子荷載數(shù)據(jù)可知,奉節(jié)縣土地利用驅動力形成了以城鎮(zhèn)化為主,次之政策和經濟因素,輔以農業(yè)因素的格局。
表4 正交旋轉后的因子荷載矩陣表
3.3.2 線性回歸分析 影響城市土地利用變化的主要因素包括人口、經濟、產業(yè)結構、政策[29]。由前文分析可知,城鎮(zhèn)化因素是區(qū)域土地利用驅動力的主要來源,且居民工礦用地又是城鎮(zhèn)化因素響應最敏感的要素。基于此,本文在對23個指標進行相關性分析和共線性分析的基礎上,篩選出城鎮(zhèn)化率(X3)、第三產業(yè)產值(X7)、水果產量(X14)、公共預算支出(X22)和農村常住居民人均可支配收入(X23)這5 個與城鎮(zhèn)化相關性最大的因素。并作為自變量,分別以居民工礦用地作為因變量,進行線性分析,得出線性回歸模型(圖4)。R2均大于0.8,回歸效果顯著,模型的構建方式如式(6)~(10)所示。
圖4 居民工礦用地與影響因素的回歸分析模型
(1)城鎮(zhèn)化進程。2015 年城鎮(zhèn)化率為39.44%,是2005 年23.8%的1.66 倍,且逐年均呈現(xiàn)增加趨勢。奉節(jié)縣2015年年末總人口為106.41萬人,非農人口占比為21%,較2005 年增加10 個百分點。2005—2015 年間,居民工礦用地面積增加8.03 km2,年均增加2.94%,呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢。城鎮(zhèn)化率的相關系數(shù)為0.8717,其主要原因為:非農人口增加提高了居民用地和基礎設施建設用地的占比,進而導致城鎮(zhèn)化率上升。雖然三峽移民已收官,當?shù)氐慕洕鷺嫵珊屯恋乩媒Y構逐漸確定,其中心任務由生態(tài)移民轉為經濟發(fā)展和生態(tài)保護,土地利用趨向穩(wěn)定化和規(guī)模化。但是研究區(qū)投資新城及產業(yè)園建設,必然會犧牲和壓縮耕地等其它地類,使得現(xiàn)存的土地資源空間分布面臨挑戰(zhàn)。
(2)產業(yè)結構。在生態(tài)移民項目和地區(qū)經濟社會發(fā)展規(guī)劃發(fā)布后,當?shù)卣_始調整產業(yè)結構,以奉節(jié)臍橙為代表的高效益的農作物種植增收,減少人地矛盾。同時打造特色歷史文化旅游業(yè)。在回歸分析模型中,水果產量的相關系數(shù)達到了0.9340,表明隨著當?shù)禺a業(yè)結構的調整,農林經濟得到了很大的發(fā)展,2015年奉節(jié)縣水果產量32 萬t,較2005 年增長97.85%,年均增長1.6 萬t,從而帶動了相關第三產業(yè)的迅猛發(fā)展(如交通運輸、餐飲服務及旅游服務等)。2015年第三產業(yè)產值為66億元,較2005年增長2.9倍,且相關系數(shù)達到了0.8004,很大程度歸因于研究區(qū)建設用地資金的投入。數(shù)據(jù)表明該區(qū)域的道路網密度由2005 年的39.46 km/km2增加到2015 年197.18 km/km2,道路建設不僅加速了農林產業(yè)的快速流通,而且還向外擴展了城市空間,加快了城鎮(zhèn)化速率。
(3)政策實施。在回歸模型中,公共預算支出的相關系數(shù)為0.9175,且公共預算支出的社會固定資產投資增加方面體現(xiàn)的尤為明顯。2015 年社會固定資產投資232 億元,相比2005 年翻了3 番,項目投資、房地產投資、跨區(qū)投資和工業(yè)投資為其中最主要的投資組成。在帶動當?shù)亟洕焖侔l(fā)展的同時,最直接的表象為建設用地面積的增加及非農業(yè)人口的增多,由2005年的11.3 萬人增加到2015 年22.87 萬人。同時,立足園區(qū)平臺,加強對環(huán)境友好的產業(yè)發(fā)展,實現(xiàn)生態(tài)富民,加速城鎮(zhèn)化進程。
(4)社會發(fā)展。農村常住居民人均可支配收入與居民工礦用地面積高度相關,相關系數(shù)大于0.96。該指標增長幅度為398%,年均增加297.96元。城鎮(zhèn)化建設的快速發(fā)展輻射奉節(jié)縣縣城周圍的農村鄉(xiāng)鎮(zhèn),不僅形成諸如永安鎮(zhèn)和朱衣鎮(zhèn)這樣具有一定規(guī)模的衛(wèi)星城鎮(zhèn),而且還帶動農村綠色農業(yè)節(jié)、生態(tài)旅游觀光等農業(yè)衍生服務行業(yè)的快速發(fā)展,進而不斷提升社會消費品零售總額,研究期期間增長14%。不僅改善了當?shù)貝毫拥纳鷳B(tài)環(huán)境,并成為渝東北生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)和長江上游重要的生態(tài)屏障,而且加速了區(qū)域的城鎮(zhèn)化。
(1)研究期內奉節(jié)縣土地類型以林地和耕地為主,且林地具有顯著優(yōu)勢地位,與當?shù)氐慕洕Y構特點相符。總體變化趨勢為:耕地、草地和未利用地面積負增長,林地、水域和居民工礦用地面積均有所增加。其中,水域面積不斷擴張,增加了46.67 km2,增長了127.11%。居民工礦用地逐漸侵占其他類型土地,2010—2015年增長面積最多,為6.73km2,增長23.5%。
(2)綜合2000—2015年的綜合動態(tài)度和土地利用結構信息熵分析可知:2000—2005年和2005—2010年土地利用綜合動態(tài)度為4.72 和4.71,熵值保持0.83。綜合動態(tài)度慢速變化,且熵值保持數(shù)值不變。表明土地利用變化呈現(xiàn)由整體無序向局部有序方向發(fā)展趨勢。2010—2015 年研究區(qū)的綜合動態(tài)度僅為0.05,處于極緩慢變化階段,且熵值保持不變。表明在自然生態(tài)環(huán)境、相關政策和經濟發(fā)展穩(wěn)定的同時,土地利用保持穩(wěn)定不變。
(3)根據(jù)地學信息圖譜可知,林地為2000—2005年的最大轉出面積地類,期間土地利用面積主要在林、草和耕地之間轉換,累計變化面積1551.53 km2,累計變化比率為90.76%;林地的轉入面積在2005—2010年最大,土地之間的轉換依舊在林、草和耕地之間,累計變化面積1576.69 km2,累計變化比率為90.89%;2010—2015年的圖譜顯示,地類變化主要以居民工礦用地面積增加為主,累計變化面積14.51 km2,累計變化比率為73.27%。
(4)主要驅動奉節(jié)縣土地利用類型變化的因素為:城鎮(zhèn)化、政策、經濟、社會發(fā)展及農業(yè)等因素。其中,經濟結構重心向第三產業(yè)轉移的過程,主要驅動奉節(jié)縣土地利用格局變化。在這五大類因素中,與居民工礦用地演變高度正相關的指標為:城鎮(zhèn)化率、第三產業(yè)產值、水果產量、公共預算支出和農村常住居民人均可支配收入。
西南區(qū)主要以山地為主,典型喀斯特地貌。并且研究區(qū)內坡度超過15°的地區(qū)占比超過50%,加之汛期侵蝕性降雨量集中且流量大,當?shù)刈匀画h(huán)境易造成水土流失和山體滑坡災害。在研究期內由于三峽移民工程,奉節(jié)縣全縣搬遷,頻繁的土地利用類型轉化導致水土保持措施不力,使得奉節(jié)縣在2015年重慶市復核劃分水土流失重點防治區(qū)和重點治理區(qū)時,奉節(jié)縣的重點治理面積為2015.03 km2,占縣域面積的半數(shù)以上,當?shù)厮帘3盅芯科仍诿冀蕖R虼?,本文構建地學信息圖譜,準確揭示區(qū)域不同地類時空演變規(guī)律,并定量分析時空演變驅動機制及其關鍵驅動因素。但本研究只考慮研究區(qū)的社會經濟數(shù)據(jù)的影響因素,缺乏對氣溫、坡度和降水等自然因素的影響分析,尤其缺乏區(qū)域的土壤侵蝕數(shù)據(jù),可能對土地利用驅動機制自然因素方面產生一定的影響。同時奉節(jié)縣作為三峽庫區(qū)搬遷的縣城,如何協(xié)調城城市新區(qū)建設和區(qū)域土地的合理利用,也是當下研究區(qū)市發(fā)展亟待解決的關鍵問題。