基于GlobeLand30的都勻市2000—2020年土地利用時空演變分析

李 穎，高長春，陳泓辛，劉 亞，李金花，郭紫微

（黔南民族師范學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，貴州 都勻 558000）

土地利用/覆被變化（Land Use and Cover Change，簡稱LUCC）作為全球氣候變化和全球環(huán)境變化研究關(guān)注的重要內(nèi)容，其不僅對降水量、凈初級生產(chǎn)力、碳氮物質(zhì)排放等造成直接影響，而且會危及食物安全。LUCC 作為公認(rèn)的影響全球環(huán)境變化的兩大主要因素之一，其在全球可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域占有十分重要的地位。因此，加強(qiáng)區(qū)域LUCC 研究，對了解區(qū)域土地利用現(xiàn)狀，合理規(guī)劃利用土地資源，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者采用不同數(shù)據(jù)和分析方法，從多角度對LUCC 進(jìn)行了大量研究，并取得豐碩的研究成果。GASHAW 等對埃塞俄比亞青尼羅河盆地安達(dá)薩流域LUCC 進(jìn)行評估，并采用CA-Markov 模型預(yù)測其2030年和2045年土地利用情況。SAHANA 等對印度宋河流域的土地利用變化格局進(jìn)行分析，并探討了土地利用變化對森林破碎化的影響。臧玉珠等以井岡山市為例，對山區(qū)縣域土地利用格局進(jìn)行分析，認(rèn)為其分布具有明顯的地形梯度效應(yīng)。宋小青認(rèn)為，土地利用形態(tài)主要表現(xiàn)在空間變化和功能變化兩個方面。王金亮等分析了1990—2000年和2000—2010年三峽庫區(qū)農(nóng)林用地變化圖譜特征和農(nóng)林用地變化軌跡。

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和《黔中城市群發(fā)展規(guī)劃》的獲批，都勻市經(jīng)濟(jì)獲得較快發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，人地矛盾更加突出，因此研究都勻市土地利用時空演變具有重要意義。本文以首批國家新型城鎮(zhèn)化綜合試點縣（市）都勻市為研究區(qū)，利用國家基礎(chǔ)地理信息中心研發(fā)的GlobeLand30 數(shù)據(jù)（http://www.globallandcover.com），探究都勻市2000—2020年土地利用時空格局演變特征，以期為都勻市土地資源優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

都勻市位于貴州省南部偏東地區(qū)（107°07′E～107°46′E，25°51′N～26°26′N），是黔南布依族苗族自治州首府，是首批國家新型城鎮(zhèn)化綜合試點縣（市）、國家產(chǎn)城融合示范區(qū)。都勻市總面積為2 285 km，平均海拔為938 m，地貌以山地、丘陵為主，并有少量盆地，山地、丘陵和盆地面積分別占總面積的82.83%、13.51%和3.66%。都勻市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為16.1 ℃。2020年，地區(qū)生產(chǎn)總值為2 233 883 萬元，戶籍人口為51.6 萬人。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用國家基礎(chǔ)地理信息中心發(fā)布的2000年、2010年和2020年三期空間分辨率為30 m 的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)（GlobeLand30）。根據(jù)第三方驗證，2010年的總體精度為83.50%，Kappa 系數(shù)為0.78；2020年的總體精度為85.72%，Kappa 系數(shù)為0.82。GlobeLand30 數(shù)據(jù)把土地利用類型分為耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪等十類。都勻市矢量數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)1∶100 萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫（https://www.webmap.cn/main.do?method=index）。

數(shù)據(jù)預(yù)處理過程利用都勻市矢量數(shù)據(jù)對GlobeLand30 進(jìn)行掩膜提取，獲得都勻市2000年、2010年和2020年三期空間分辨率為30 m 的地表覆蓋數(shù)據(jù)。都勻市土地利用類型包括耕地、林地、草地、水體和人造地表等五類。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)

土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)用于探究某區(qū)域內(nèi)，單位面積上土地利用類型從時期到時期發(fā)生的改變。其計算公式為

式中：LTI為土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)；K、K分別為研究期初和研究期末類土地在區(qū)域內(nèi)的面積；LA為區(qū)域面積；為研究時段長度（年）。

1.3.2 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度用來直觀反映土地利用類型變化速度，其包括單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度。單一土地利用動態(tài)度用來探究某種用地類型在研究時段內(nèi)的數(shù)量變化幅度和速度，不同時段進(jìn)行對比，可以反映土地利用變化劇烈程度的差異；綜合土地利用動態(tài)度用來反映研究區(qū)全部土地利用類型的總變化速率。其計算公式分別為

式中：和分別為單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度；U、U分別為研究期初和研究期末某種用地類型的面積；ΔLU為研究期內(nèi)第種用地類型轉(zhuǎn)變?yōu)榉穷愑玫仡愋偷慕^對數(shù)量；LU為研究期初第類用地類型的數(shù)量；為地類數(shù)量；為研究時段長度（年）。

1.3.3 轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣用于反映研究區(qū)在不同時段內(nèi)土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征以及各用地類型轉(zhuǎn)移的方向，用于直觀分析研究區(qū)的土地利用變化情況。利用ArcGIS 10.5 軟件中的柵格計算器工具對都勻市2000年、2010年和2020年三期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，進(jìn)而在Excel 軟件中制作土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，以探究都勻市不同土地利用類型的轉(zhuǎn)移關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用面積變化分析

2000—2020年，都勻市土地利用分布如圖1所示。經(jīng)分析，都勻市主要的土地利用類型為林地和耕地；林地面積占比最大，但隨著時間的推移，林地面積呈下降趨勢，西部林地面積高于東部；耕地面積所占比重為第二位，但隨著時間的推移，耕地面積呈上升趨勢，都勻市東部耕地面積高于西部；草地主要分布在都勻市西部，其他區(qū)域零星分布；水體在都勻市主要呈零星分布；人造地表主要分布在人口集中的中部偏北區(qū)域，且在研究時段內(nèi)人造地表呈逐步增加趨勢。

圖1 2000—2020年都勻市土地利用分布

由表1可知，2000—2020年，都勻市土地面積絕對變化量的排序為：林地＞耕地＞人造地表＞草地＞水體。2000—2020年，林地面積呈逐漸減少趨勢，共減少23 566.68 hm；耕地面積呈逐漸增加趨勢，共增加17 913.69 hm；人造地表呈先減少后增加趨勢，2000—2010年減少34.47 hm，2010—2020年增加4 435.02 hm，2000—2020年共增加4 400.55 hm；草地面積呈先增加后減少趨勢，其在波動中增加858.42 hm；水體面積逐漸增加，共增加394.02 hm。

表1 2000—2020年都勻市各地類所占比例

2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移情況

都勻市2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分別如表2、表3和表4所示。經(jīng)分析，都勻市20年間土地利用類型轉(zhuǎn)移頻繁，不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移方式較為多樣。2000—2010年，耕地的增加主要來自林地、草地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為2 807.82 hm、1 573.47 hm；林地的增加主要來自耕地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積為842.40 hm；草地的增加主要來自耕地、林地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為3 344.04 hm、3 082.50 hm；水體的增加主要來自草地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積為200.16 hm；人造地表的增加主要來自草地、耕地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為87.30 hm、59.67 hm。2010—2020年，耕地的減少主要是因為耕地轉(zhuǎn)為林地、人造地表、草地，面積分別為7 350.66 hm、2 865.42 hm、2 407.23 hm，而耕地的增加主要來自林地和草地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為24 879.60 hm、4 951.89 hm；林地的增加主要來自耕地、草地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為7 350.66 hm、4 810.95 hm；草地的增加主要來自林地、耕地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為4 279.50 hm、2 047.23 hm；水體的增加主要來自林地、耕地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為287.73 hm、169.83 hm；人造地表的增加主要來自耕地、林地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為2 865.42 hm、1 367.73 hm。2000—2020年，減少的耕地主要轉(zhuǎn)為林地，面積為8 220.96 hm，其次為人造地表，面積為2 867.67 hm；減少的林地主要轉(zhuǎn)為耕地，面積為26 704.89 hm，其次為草地，面積為6 870.51 hm；減少的草地主要轉(zhuǎn)為耕地，面積為4 145.58 hm，其次為林地，面積為3 444.66 hm；減少的水體主要轉(zhuǎn)為耕地，面積為155.16 hm，其次為人造地表，面積為78.39 hm；減少的人造地表主要轉(zhuǎn)為耕地，面積為249.93 hm。

表2 都勻市2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表3 都勻市2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 都勻市2000—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2.3 土地利用動態(tài)變化分析

都勻市各土地利用類型的土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)和單一土地利用動態(tài)度如表5所示。經(jīng)計算，2000—2010年綜合土地利用動態(tài)度為0.274%，2010—2020年綜合土地利用動態(tài)度為1.175%，2000—2020年綜合土地利用動態(tài)度為0.626%。

表5 都勻市土地利用動態(tài)變化分析結(jié)果

2.3.1 土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)

從土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)來看，2000—2010年，土地利用變化的主體是林地和草地，林地土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)為負(fù)，說明其面積呈減少趨勢，而草地土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)為正，說明其面積呈增加趨勢；耕地、水體和人造地表的土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)較低，說明在此期間耕地、水體和人造地表的變化強(qiáng)度較弱。2010—2020年，土地利用變化的主體是林地和耕地，林地土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)為負(fù)，說明其面積呈減少趨勢，而耕地土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)為正，說明其面積呈增加趨勢；草地、水體和人造地表的土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)較低，說明在此期間草地、水體和人造地表的變化強(qiáng)度較弱。從第一個時間段到第二個時間段，各種土地利用類型土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)的絕對值均呈增大趨勢，說明隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，人地矛盾突出，各土地利用類型的變化強(qiáng)度逐漸增大。從整體上看，2000—2020年，土地利用變化的主體是林地和耕地，二者具有較大的變化強(qiáng)度，但林地面積呈減少趨勢，而耕地面積呈增加趨勢；草地、水體和人造地表的變化強(qiáng)度較弱。

2.3.2 土地利用動態(tài)度

分析表5可知，都勻市不同土地利用類型的單一土地利用動態(tài)度存在明顯差異。2000—2010年，林地和人造地表面積減少，其單一土地利用動態(tài)度為負(fù)，分別為-0.326%和-0.199%；耕地、草地和水體的面積增加，其單一土地利用動態(tài)度為正，分別為0.040%、4.006%和2.809%，草地在此階段單一土地利用動態(tài)度最高，說明其擴(kuò)張趨勢明顯。2010—2020年，草地和林地的單一土地利用動態(tài)度為負(fù)，分別為-2.332%和-1.259%，說明在此期間都勻市草地和林地面積呈縮小趨勢；人造地表、水體和耕地的單一土地利用動態(tài)度為正，分別為26.112%、5.741%和2.815%，說明人造地表、水體和耕地呈擴(kuò)張趨勢。人造地表的單一土地利用動態(tài)度高達(dá)26.112%，說明隨著都勻市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，其建設(shè)用地面積大幅增加。從整個研究時段看，2000—2020年，林地的單一土地利用動態(tài)度為負(fù)，為-0.772%，表明其面積呈縮小趨勢；人造地表、水體、耕地和草地的單一土地利用動態(tài)度為正，分別為12.697%、5.081%、1.434%和0.370%，說明人造地表的擴(kuò)張趨勢最劇烈。

由上文可知，都勻市2000—2010年和2010—2020年兩個時間段的綜合土地利用動態(tài)度分別為0.274%和1.175%，表明2000—2010年都勻市土地利用變化比較平穩(wěn)，土地利用格局相對穩(wěn)定，2010—2020年都勻市土地利用變化比較劇烈，綜合利用程度升高。

3 結(jié)論

本文選取都勻市作為研究區(qū)，采用土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)、單一土地利用動態(tài)度、綜合土地利用動態(tài)度和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等方法，對其2000—2020年土地利用時空演變特征進(jìn)行分析。研究表明，2000—2020年，都勻市各用地類型面積的排序為：林地＞耕地＞草地＞人造地表＞水體；都勻市各用地類型面積絕對變化量的排序為：林地＞耕地＞人造地表＞草地＞水體。2000—2020年，都勻市土地利用類型轉(zhuǎn)移頻繁，不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移方式較為多樣。其間，減少的耕地主要轉(zhuǎn)為林地，面積為8 220.96 hm，其次為人造地表，面積為2 867.67 hm；減少的林地主要轉(zhuǎn)為耕地，面積為26 704.89 hm，其次為草地，面積為6 870.51 hm；減少的草地主要轉(zhuǎn)為耕地，面積為4 145.58 hm，其次為林地，面積為3 444.66 hm；減少的水體主要轉(zhuǎn)為耕地，面積為155.16 hm，其次為人造地表，面積為78.39 hm；減少的人造地表主要轉(zhuǎn)為耕地，面積為249.93 hm。

從第一個時間段到第二個時間段，各種土地利用類型土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)的絕對值均呈增大趨勢，說明隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，人地矛盾突出，各土地利用類型的變化強(qiáng)度逐漸增大。從整體上看，2000—2020年，土地利用變化的主體是林地和耕地，二者具有較大的變化強(qiáng)度，林地面積呈減少趨勢，而耕地面積呈增加趨勢；草地、水體和人造地表的變化強(qiáng)度較弱。

都勻市不同土地利用類型的單一土地利用動態(tài)度存在明顯差異。從整個研究時段看，2000—2020年，林地的單一土地利用動態(tài)度為負(fù)，為-0.772%，表明其面積呈縮小趨勢；人造地表、水體、耕地和草地的單一土地利用動態(tài)度為正，分別為12.697%、5.081%、1.434%和0.370%，說明人造地表的擴(kuò)張趨勢最劇烈。都勻市2000—2010年和2010—2020年兩個時間段的綜合土地利用動態(tài)度分別為0.274%和1.175%，表明2000—2010年都勻市土地利用變化比較平穩(wěn)，土地利用格局相對穩(wěn)定，2010—2020年都勻市土地利用變化比較劇烈，綜合利用程度升高。