地形对重庆市土地利用动态变化影响分析

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(1.西南大学 地理科学学院，重庆 400715； 2.遥感大数据应用重庆工程研究中心，重庆 400715)

土地是人类赖以生存的基本自然资源，是社会得以持续发展的基础，是劳动对象、人工生态环境改造的基本载体[1]。土地利用变化是引起区域环境变化的关键因素[2]。我国地形起伏大，人地关系矛盾突出，土地资源的合理利用长期以来一直是学者研究的热点与焦点之一[3]。随着重庆市城市化进程加快，社会需求和土地供给的稀缺性之间的矛盾日益突出[4]。因此，研究重庆市土地利用的时空变化及其影响因素，对重庆市的经济发展和生态安全有着重要的意义。

土地利用变化作为全球环境变化研究的核心主题之一,已经受到国内外学者的广泛关注[5-9]。重庆市的土地利用情况一直受到广大学者的高度重视。陈丹等[10]以地形特征明显的重庆都市区为例，以DEM数据和TM数据为基础数据源，提取了2010年区域土地利用现状数据和坡度数据,结果表明：随着城市用地扩张，各种类型的土地利用在高缓坡区域，呈现出明显的竞争趋势，是人地关系协调的重点区域。范科红等[11]利用RS和GIS技术对重庆主城区土地利用的时空变化进行了分析，结果显示:1986～2007年间研究区建设用地面积迅速扩大，耕地面积持续下降，林地和灌丛面积有所增加，水体的变化比例一直很小，土地利用类型的变化主要是耕地与建设用地和林地之间的相互转移。陈倩等[12]利用遥感与GIS研究重庆山地城市区1985～2010年土地利用变化,发现1985～2010年重庆山地城市区总体上呈现耕地、草地、未利用地面积减少，林地、建设用地、水域面积增加的趋势,土地利用程度总体呈增大的趋势,表现出明显的时间阶段性。这些研究提高了我们对重庆市土地利用的认识，但也都不同程度地存在一些局限：① 研究区域范围小，缺乏对重庆市土地利用的时空演变特征的定量研究；② 重庆市土地利用与地理环境因子的相关分析缺乏详细的数据支撑等。

鉴于此，笔者借助RS和GIS技术，以Landsat影像为主要数据源，研究重庆市2001～2016年土地利用的时空演变特征及其与地理环境因子的关系，以期为重庆市土地资源合理配置和有效利用、社会经济发展战略制定、区域生态环境质量改善等提供一定的参考依据。

1 研究区概况

重庆市位于中国西南部、长江上游地区，105°11′E～110°11′E，28°10′N～32°13′N地处青藏高原与长江中下游平原的过渡地带。面积8.24万km2，辖38个区县(自治县)。户籍人口3 371万人，常住人口3 017万人，常住人口城镇化率59.6%。地貌以丘陵、山地为主，坡地面积较大，有“山城”之称。重庆市属亚热带季风性湿润气候,年平均气温16℃～18℃，年平均降水量较丰富，大部分地区在1 000～1 450 mm之间，降水多集中在5～9月，占全年总降水量的70%左右。重庆市域内水系丰富，流经的重要河流有长江、嘉陵江、乌江、涪江、綦江、大宁河等。全市土壤类型主要有紫色土、黄棕壤、棕壤、黄壤、石灰土、粗骨土和水稻土等。地带性植被以亚热带常绿阔叶林、暖性针叶林为主。

2 研究数据及方法

2.1 主要数据来源与处理

遥感影像来源于https://glovis.usgs.gov/，选取重庆市2001年和2016年的TM、OLI影像，并保证云量<10%，空间分辨率30 m，轨道号为(126-128)/(38-40)；DEM数据来源http://www.gscloud.cn/，选用GDEMV2 30m空间分辨率的产品。利用ENVI对遥感影像进行辐射校正、大气校正、图像增强、镶嵌等预处理，用重庆行政区划边界对遥感影像进行裁剪来获取研究区范围。采用计算机自动识别与人工目视判读相结合的解译方法，建立图像解译标志。结合研究区的实际情况和研究目的，依据全国土地利用分类系统，将研究区划分为林地、草地、未利用地、耕地、水域、建设用地6类。经野外验证，两期遥感影像的总体精度分别是85.1 %和84.8 %，Kappa系数分别为0.78和0.77，满足分析要求。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用动态度分析

土地利用单一动态度指数可定量描述区域土地利用变化的速度，对比土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势有重要作用[13]。研究采用王思远[14]等提出的反映区域土地利用类型变化剧烈程度的土地利用动态度模型。公式表达为

k=[(Ub-Ua)/Ua]×T-1×100%

(1)

式中，Ua,Ub分别表示研究初期和研究末期某土地利用类型的面积；T为研究时段间隔；k为某土地利用类型的年变化率。

2.2.2土地利用转移矩阵分析

利用地图代数原理，对重庆市2001年和2016年的土地利用类型进行转移特征提取，公式如下[15]：

(类型小于10时适用)

(2)

2.2.3土地利用与地形因子的相关分析

高程、坡度、坡向等地形因子对土地利用有重要的影响。将重庆市两期土地利用类型图分别与坡度、高程分级叠加，得出重庆市各土地利用类型与坡度、高程的相关表格。

3 结果与分析

3.1 土地利用空间变化特征分析

由图1和表1可知，重庆市的土地利用类型以耕地和林地为主，耕地和林地的面积之和约占重庆市总面积的92%。其中耕地面积约占土地总面积的55%，主要分布在重庆市中部、西部和西南部。林地面积约占土地总面积的37%，主要分布在重庆市的东北部和东南部。未利用地、水域、草地和建设用地面积之和约占土地总面积的8%，其中，草地主要分布在重庆市西北部，在其他地区也有零星分布。建设用地主要分布在河流交汇处及沿河地区，特别是长江与嘉陵江交汇处是建设用地的主要集中地，且与2001年相比，2016年该地的建设用地呈现出向北、向西大幅扩张的趋势。

图1 重庆市2001年和2016年土地利用类型分布Fig.1 The land use types of Chongqing in 2001 and 2016

3.2 土地利用时间变化特征分析

由表1可以看出：① 面积方面,重庆市2001～2016年耕地、草地面积减少，林地、建设用地、水域和未利用地面积增加。耕地面积减少最多，共减少了777.39 km2，建设用地面积增加最多，共增加了763.31 km2。② 土地利用动态度方面，建设用地动态度变化最大，为12.01%，其次是未利用地，为6.99%。说明2001～2016年重庆市建设用地和未利用地增长迅速。到2016年，建设用地的面积是2001年的约3倍，未利用地面积约为2001年的2倍。林地的动态度最小，为0.02%。③ 由表2的土地利用转移矩阵看出，土地利用类型的转移主要存在于耕地和建设用地、耕地和林地之间。耕地主要转移为林地和建设用地，转移面积分别为743.11 km2和602.24 km2，共占其转出面积的47.31%和38.34%。主要原因是退耕还林政策和城市的扩建占用耕地。建设用地主要由耕地转移而来，耕地的转入量占其总转入量的78.2%，说明城市的扩张主要是以牺牲农业用地为代价。水域的总面积有所增加，且主要由耕地转移而来，耕地的转入量占总转入量的80.05%，主要原因是三峡工程的修建和蓄水运行。

表1 重庆市土地利用变化统计Tab.1 The statistics of land use changes in Chongqing

表2 2001～2016年重庆市土地利用类型转移矩阵Tab.2 The transition matrix of the land use types in Chongqing

3.3 土地利用与坡度的关系分析

坡度是影响土地类型分布的重要因素之一，从表3可以看出：2001年和2016年，耕地都主要集中在坡度小于25°的地区，其面积约占耕地总面积的90%，特别是在5°～15°的地区，面积占比超过40%。草地、未利用地、建设用地和水域都主要集中在坡度小于15°的地区，林地的分布面积随着坡度的增加而增加，建设用地的分布面积随着坡度的增加而减少。由表4可知：与2001年相比，2016年耕地在各级坡度上面积都在减少，主要原因是城市建设占用耕地和退耕还林政策。由于城市建设和开垦草地为耕地，使草地面积在各级坡度上都呈减少趋势。林地在0°～5°的坡度上有所减少，在大于5°的地区都在增加，说明在坡度小于5°的地区，城市扩张侵占林地，在坡度大于5°的地区，退耕还林政策得到了很好的实施。与2001年相比，2016年未利用地在各级坡度上面积都在增加，其中在15°～25°和大于25°的地区增加幅度很大，增长率达到了209.5%和219.32%，原因是三峡工程的建设使库区内滑坡、地震、泥石流等发生频率增加，导致裸露地表增加。2001～2016年建设用地面积在各级坡度的涨幅都大，增长率分别为118.05%，168.41%，186.64%，178.31%，表明在近15 a内城市扩张迅速。由于三峡水库的修建和蓄水运行，使水域面积略有增加。总体而言，耕地、草地、林地随着坡度的增加，土地利用类型面积变化变慢，未利用地和水域随着坡度的增加，土地利用类型面积变化变快，建设用地在各级坡度上面积变化都快。

表3 重庆市各土地利用类型与坡度的相关特征统计Tab.3 The correlation between land use and slope of Chongqing

注:列方向的%表示不同坡度分级占每种土地利用类型面积的百分比。

3.4 土地利用与高程的关系分析

由表5可以得出：耕地、草地和建设用地都主要集中在高程200～500 m的范围内，林地主要集中在高程1 000～1 500 m的范围内，在高程小于200 m的地区，是水域的主要集中区，其面积超过了水域总面积的60%。未利用地的主要分布范围变化很大:2001年主要分布在高程200～500 m的地区，2016年主要分布在高程小于200 m的地区。从表6可以看出：与2001年相比，2016年在高程小于1 000 m的地区，耕地和草地的面积都在不断减少，主要原因是城市的扩展占用耕地和草地，特别是在高程小于200 m的地区，耕地面积和草地面积在15 a间分别减少了9.08%和12.94%，是面积减少最快的区域。林地在高程小于200 m和大于1 000 m的地区面积都在减少，在200～1 000 m的范围内在增加，说明在高程小于200 m的地区，林地被建筑用地侵占，在200～1 000 m的地区，由于退耕还林政策的实施，林地面积在少量增加，在高程大于1 000 m的区域，毁林现象仍然存在。未利用地在各级高程都有所增加，但增加总量不大。建筑用地在各级高程范围内都有增加，特别是200～500 m的范围内，是增长最迅速的区域，增加了649.41 km2，说明由于低海拔区用地的饱和导致城市向高海拔区扩展。2001年到2016年，在高程小于200 m的地区是各种土地利用类型面积变化最大的区域，各种土地类型在该区域存在最大的竞争关系。

表4 各土地利用类型在不同坡度上的变化分析Tab.4 The analysis of changes of land use types on different grades

表6 各土地利用类型在不同海拔高度上的变化分析Tab.6 The analysis of changes of land use types on different altitudes

4 结 论

(1) 重庆市的土地利用类型以耕地和林地为主，建设用地主要分布在长江与嘉陵江交汇处，与2001年相比，2016年该地的建设用地呈现出向北、向西大幅扩张的趋势。

(2) 从面积来看，重庆市2001～2016年，耕地面积减少最多，建设用地面积增加最多。从土地利用动态度来看：建设用地动态度变化最大，其次是未利用地，林地的动态度最小。从土地利用转移矩阵来看，土地利用类型的转移主要是由耕地转移为林地和建设用地。

(3) 林地的分布面积随着坡度的增加而不断的扩大，建设用地面积随坡度的增大而不断减小。与2001年相比，2016年建设用地面积在各级坡度的涨幅都大，表明在近15 a内，城市扩张迅速。

(4) 与2001年相比，2016年在高程小于1 000 m的地区，耕地和草地的面积都在不断减少，林地在高程小于200 m和大于1000 m的地区面积在减少，200～1 000 m的范围内在增加，未利用地和水域在各级高程都有所增加，但增加总量不大。建筑用地在各级高程范围内都在增加，特别是200～500 m的范围内，是增长最迅速的区域。