1980—2018年银川平原土地利用变化时空格局分析

毛鸿欣, 贾科利*, 高曦文, 张俊华

(1.宁夏大学资源环境学院,银川 750021；2.宁夏大学环境工程研究院,银川 750021)

土地利用/覆被变化是人类活动作用于地表系统和全球环境变化的重要载体,影响地球表层的物质循环和能量结构,导致土壤退化、土地荒漠化、土壤污染和生物多样性快速丧失等严重问题,已成为全球土地变化研究领域中的重要议题[1-3]。因此,以定量转化和定性的空间格局视角来分析各用地类型的动态演化是土地资源合理整治和利用的基础。

针对土地利用/覆被变化在时空格局上的定性分析和定量度量,多年来,众多学者做了大量研究,如土地利用驱动力研究[4-6]、土地利用遥感监测[7-8]、土地利用时空动态变化研究[9-16]、土地利用变化模拟模型,如CA-Markov[17]、CLUE-S[18-19]、多主体模型[20]和SLEUTH[21]等。自国家设立沿黄经济区和施行西部大开发战略以来,银川平原作为宁夏工农业经济的核心区域受到了广泛关注。在此期间,随着国民经济的稳步提升,该区工农业现代化和城镇化迅速发展,加之受生态移民等扶贫政策的影响,使该区土地利用的空间格局发生了较大变化。有关学者也就此期间内银川平原的土地利用变化做了较多研究,如利用多智能体模型模拟了银川平原的土地利用情景[22]、探究了土地利用与湿地景观[23]、土壤盐渍化[24]的空间关联关系,基于半方差函数的地统计学方法研究了银川平原的土地利用变化图谱[25]。这些成果对于厘清土地变化中存在的问题、土地利用管理措施的制定、更好地指导土地利用实践等具有一定的理论实践和现实指导意义[26]。现以银川平原为例,通过土地利用转移矩阵和地学信息变化图谱定量分析各地类间的相互转移和空间分异特征；借助标准差椭圆分析各地类在空间上变化的方向性,并结合热点和核密度方法探索土地利用空间变化的密集和离散区域,从而为银川平原土地资源的合理整治和修复提供借鉴。

1 研究区概况

银川平原位于宁夏回族自治区北部,范围介于北纬35°14′～39°23′,东经104°17′～107°39′,面积约7 615 km2,如图1所示。该区地势西、南高于东、北,区内湖泊密布,渠道纵横[22-23],成为水稻、小麦等作物的主产区,农业经济十分发达,但人类不合理的土地利用管理方式和常年引黄灌溉也使该区滋生土壤盐渍化等土壤资源损害问题[24]。该区是呼包银榆经济区的重要组成部分、国家级沿黄经济区的核心地区,地理位置上与华北地区接壤,是西部大开发的西北前沿阵地,具有重要的地缘和战略意义。

图1 研究区位置Fig.1 The location of the study area

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

从中科院资源环境科学数据中心[27]获取研究所用的5期土地利用数据,空间分辨率为30 m,空间参考为Albers 投影[28-30]。SRTM1 DEM数据来源于NASA(National Aeronautics and Space Administration)官网,银川平原和宁夏矢量边界来源于宁夏遥感测绘勘察院,矢量化得到渠系数据。参考徐新良等[31]对中国土地利用/覆盖数据分类系统,将银川平原分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地这6个一级地类和22个二级地类,如表1所示。

表1 土地利用分类系统Table 1 Classification system of the land use

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用类型转移矩阵

土地利用转移矩阵能表达出某两个时间节点间各用地类型相互转移的数量和方向[32],解释不同土地利用间的转移速率,反映了土地利用格局的时空演化过程,其具体形式为

式(1)中:Kab指初始时期的第a种地类转变为终止时期的第b种地类的面积；n为土地利用类型数量。

2.2.2 土地利用变化空间格局

2.2.2.1 土地利用变化图谱

地学信息图谱是地理学时空分析方法论,其利用图形可视化语言形象表达区域自然过程与社会经济发展的时态演进和空间分异,为土地利用变化强度的空间格局特征研究提供重要的方法论[33-36]。

在地理信息系统(geographical information system, GIS)中利用“Conversion Tools”将5期土地利用矢量文件转换为统一的30 m栅格数据,作为图谱研究的基本单元[37]。利用“Spatial analyst tools”工具中的“地图代数”进行图谱单元代数计算,由此合成1980—1990、1990—2000、2000—2010、2010—2018年4个时段土地利用变化信息图谱,其数学表达式为

C=10A+D(2)

式(2)中：C为演化形成的新的图谱单元；A为初期地类图谱单元栅格属性值；D为末期地类图谱单元栅格属性值[38]。

2.2.2.2 标准差椭圆

标准差椭圆是地理学空间统计的一种重要研究方法,其主要用来衡量地理要素的集中趋势、离散和方向趋势,进而对地理要素空间格局的全局特征进行表达[39-40],利用标准差椭圆能够探究各地类的空间分异和转移方向。标准差椭圆包含3个核心参数:椭圆中心、旋转角、椭圆长轴和短轴,其计算公式分别为

式中：σx和σy分别为x轴和y轴的标准差。

椭圆长轴刻画出地类变化的方向,短轴体现地类变化的空间范围,长短轴之间的离差越大,扁率越大,则土地利用分布越具明显的方向性,短轴越短表明土地利用分布越极具向心力。

2.2.2.3 密度分析和热点分析

3 结果与分析

3.1 土地利用数量结构演化

1980—2018年银川平原各用地类型空间分布如图2所示,耕地为研究区域内最主要的用地类型,占总面积的57.22 %。其中旱地主要集中于灵武以北、永宁县和平罗县,水田主要沿黄河和灌溉渠系分布,占耕地总面积的49.23 %。草地主要分布在贺兰山东麓洪积扇、鄂尔多斯台地边缘和黄河两岸,研究时段内面积呈减少趋势,减少了786.75 km2。林地主要分布在鄂尔多斯台地,研究时段内无明显的增减变化；城镇用地面积增加较大,过去38 a面积增加了619.58 km2,年均增加21.20 %,特别是2000年以来快速城市化,城镇建设用地增速最快,2018年的面积约为2000年的两倍；未利用地面积净减少224.24 km2,主要分布于永宁县、贺兰县和平罗县以西。

各地类变化统计如表2所示,建设用地和耕地显著扩张,其面积分别增加了839.85 km2和619.58 km2。其余地类均在一定程度上下降,其中草地减小最多,面积共减少了786.75 km2,净减少量也达581.67 km2。从交换变化量看,耕地、草地、建设用地变化较为剧烈,交换变化量超过了1 000 km2,而建设用地相对稳定,交换变化量不足100 km2。

表2 1980—2018年各地类变化统计Table 2 The variation statistics of different land use types from 1980 to 2018

为进一步揭示土地利用类型的交互变化,利用GIS叠加分析将各期土地利用空间分布图进行两两叠置,获取1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年土地利用转移矩阵，如表3～表6所示。

表3 1980—1990银川平原土地利用转移矩阵Table 3 The transfer matrix of landuse in Yinchuan Plain from 1980 to 1990

表4 1990—2000银川平原土地利用转移矩阵Table 4 The transfer matrix of landuse in Yinchuan Plain from 1990 to 2000

表5 2000—2010银川平原土地利用转移矩阵Table 5 The transfer matrix of landuse in Yinchuan Plain from 2000 to 2010

表6 2010—2018银川平原土地利用转移矩阵Table 6 The transfer matrix of landuse in Yinchuan Plain from 2010 to 2018

1980—1990年未利用地变化总量最大,以草地转化为未利用地最为显著,转移面积占草地总面积的14.01%；水域转出面积远大于转入面积,主要由滩地转为草地、耕地和未利用地,转移率分别为17.85%、4.11%、2.22%；耕地主要来源于水域和未利用地,转入面积总和为69.81 km2,净转入57.53 km2；林地和建设用地变化程度不明显。

1990—2000年以耕地变化最为显著,其次为草地和未利用地。耕地面积净转入453.88 km2,主要由草地和滩地转化而来；这一时期,也有60.32 km2耕地转化为草地和建设用地,占总面积的75.38%。草地主要开垦为耕地,面积净减少370.19 km2,占变化面积的85.34 %；草地主要由耕地、林地、水域和未利用土地转入,但转移面积较小,仅占草地转入面积的24.41 %。水域和未利用地主要转为耕地,主要转入来源为草地,其中草地面积的24.36%和12.46%分别转出为水域和未利用地。林地净增加的13.74 km2来源为耕地和草地。建设用地几乎无转出,净增加的73.52 km2主要来源于草地、耕地和未利用地。

2000—2010年以建设用地的显著扩张为主导变化,其面积增长了322.60 km2,年均增速超过了4%。耕地是建设用地的主要增长源,其次是水域和未利用地,其中耕地的转出比例达91.32%；同时,经农村土地整理,有30.52 km2建设用地转化为其他地类,以耕地占主导,占转出面积的 90.61%。耕地、林地比上个时段有所逆转,面积分别净减少84.94 km2和9.62 km2,耕地主要转化为建设用地,林地主要转化为耕地。未利用地和草地继续转出,面积分别净减少了116.56 km2和111.14 km2,其中草地主要转化为耕地、水域和建设用地,未利用地主要转化为耕地、草地和建设用地。水域主要由未利用地、草地和耕地转化而来,面积净增加了30.17 km2。

2010—2018年建设用地面积持续增加,面积净增加了208.53 km2,但增速较前一时期明显减缓,耕地仍然是建设用地的主要来源,占建设用地转入面积的66.52%；同时,有86.79 km2建设用地经土地整理转化为其他土地利用类型,以耕地为主,占转出面积的67.26 %。耕地、林地、草地、未利用地面积持续净转出。耕地主要转向建设用地、水域、未利用地,净转出87.23 km2。林地主要开垦为耕地、其次为建设用地和草地,净转出43.94 km2。草地净转出20.60 km2,主要变为水域、耕地、未利用地和建设用地。未利用地净转出38.24 km2,主要变为建设用地、水域、耕地和草地。水域在这一时期呈现出转出态势,主要转为耕地,转出面积为113.40 km2,逆差18.52 km2。

3.2 土地利用空间格局变化特征

3.2.1 土地利用变化的空间分异特征

土地利用图谱变化如图3所示,1980—1990年,最显著变化的图谱单元为水域,主要为滩地转为草地,变化率达73.1%,分布于惠农以北、平罗县、大武口区、西夏区以西、贺兰山脚下和黄河东岸。

1990—2000年,以草地向耕地和水域的变化较为显著,其中草地转化为耕地是显著变化的图谱单元,变化率超过30%,主要集中于西夏区、大武口区、平罗县以及黄河两岸；草地向水域变化主要是草地开垦为滩地,变化率接近10%,发生在黄河两岸；未利用地转化为耕地也较强烈,变化率近18%,变化面积为167.63 km2,主要发生在贺兰县、永宁县以北、金凤区以南；建设用地未向其他用地类型变化,变化率为0。

2000—2010年,最明显的变化特征为耕地减少和建设用地扩张,其中变幅最大的图谱单元为耕地转化为建设用地,变化率接近22%,主要集中于西夏区、金凤区、青铜峡市、利通区和灵武以北；此外,耕地还转化为水域和未利用地,变化率之和为11.48%；草地开垦为耕地也较强烈,变化面积为99.07 km2,主要集中于平罗县、惠农区和黄河东岸；未利用地是耕地和建设用地的主要来源,其变化率之和超过10%。

2010—2018年,该时段内仍以建设用地的扩张和耕地减少为主,耕地转化为建设用地的变化率为23.90%,比前一时段高2.21%,表明该时段建设用地的扩张幅度更大；同时,建设用地转化为耕地也较强烈,变化面积为60.45 km2,仍然是由于农村居民点拆迁所引起的,主要分布在青铜峡市、利通区和灵武以北地区。

总体情况如表7所示,1980—2018年,银川平原变幅最大的图谱单元为水域转化为耕地,其变化率接近16.1%,主要分布在西夏区、永宁县、平罗县、大武口区和黄河东岸；水域转变为草地的变化率也较大,变化面积为404.75 km2,集中分布在平罗县和大武口以西；研究期内建设用地的扩张导致耕地的面积骤减,其变化率接近15%,减少面积为377.62 km2；耕地主要来源为未利用地,其变化率超过了10%,主要分布于青铜峡市、永宁县、贺兰县和平罗县。研究期内土地利用空间分布由离散逐渐转为集聚,地类变化总量逐渐增加,土地利用变化结构逐渐趋于扩张。

3.2.2 土地利用空间变化的方向特征

表7 1980—2018年银川平原土地利用变化图谱的变化率Table 7 Change ratio of land use change spectrum in Yinchuan Plain from1980 to 2018

为更好地揭示土地利用空间变化的方向性,采用标准差椭圆来进行分析。利用式(3)～式(10)来计算标准差椭圆的各项参数,计算结果如表8、图4所示。

由表8可见,研究期间,椭圆短轴总体呈减小趋势,表明土地利用变化空间分布的集聚程度增强,具有一定向心性,这主要由于银川市作为经济中心所起的集聚和带动作用；椭圆长轴和椭圆扁率呈逐渐增大趋势,表明随着时间的推移,土地利用空间变化总体上呈现出东北-西南方向的集中分布趋势。标准差椭圆的面积增加了13.16 km,表明研究期内土地利用变化的范围呈扩张趋势。

图3 1980—2018年银川平原土地利用变化图谱Fig.3 Geo-informatic spectrum of land use change in Yinchuan Plain from 1980 to 2018

表8 1980—2018年土地利用变化标准差椭圆参数Table 8 The standard deviation ellipse parameters of land use change from 1980 to 2018

图4 1980—2018年银川平原土地利用变化标准差椭圆Fig.4 Standard deviation ellipse of land use change in Yinchuan Plain from 1980 to 2018

图5 银川平原各时期土地利用热点区域Fig.5 Land use hotspot area in Yinchuan Plain in different periods

图4表明,各时段标准差椭圆的覆盖范围整体向西南方向扩展,且包含平罗县、贺兰县、金凤区、兴庆区、永宁县和青铜峡市等沿黄城市群,覆盖范围内以建设用地扩张和未利用地开垦为耕地为主。此外,土地利用变化的方向性与银川平原由南向北、由西向东倾斜的地势也具有良好的一致性,也表明银川平原土地利用在此方向上发生剧烈变化,空间上变化范围呈现逐渐扩张的趋势。

3.2.3 土地利用空间变化的热点和密度特征

以2 km×2 km单元创建网格,将研究区域划分为大小均一的网格单元,利用式(13)、式(14)计算各时段地类空间变化的集中和离散区域,结果如图5所示,可以发现1980—2018年土地利用变化的冷点地区主要集中在贺兰山洪积扇和鄂尔多斯台地西南缘,西近贺兰山中北段自然保护区,用地类型以林地和草地为主；东临白芨滩自然保护区,该区地处毛乌素沙地的边缘,区内以荒漠植被为主,存留较好的大片草原。热点地区主要沿黄分布,以耕地、建设用地为主,地势平坦,交通、灌溉条件便利,是宁夏沿黄经济开发的主要区域。过去38 a工农业的快速发展,加速了土地利用类型的转化,使之成为土地利用变化的热点地区。

图6 1980—2018年银川平原土地利用变化核密度Fig.6 Kernel density of land use change of Yinchuan Plain from 1980 to 2018

银川平原图谱变化核密度如图6所示。1980—1990年土地利用变化核密度较大的区域为贺兰县和大武口区,该时段进行工矿用地的建设；1990—2000年核密度较大的区域集中分布于贺兰县、大武口区、惠农区、西夏区和金凤区；2000—2010年核密度较大的地区位于大武口区、平罗县、金凤区中部、永宁县、青铜峡市和利通区,该时段内土地利用强度较大；2010—2018年核密度与前一时段相比,变化不大,但银川建城区快速扩张,土地利用变化核密度仍较为密集。结合土地利用类型可以看出,核密度较为密集的地类多为耕地、建设用地和草地,而沿贺兰山和鄂尔多斯台地边缘主要用地类型为林地和草地,变化幅度较小。

4 结论

以银川平原为例,以5期土地利用数据为研究数据源,基于GIS空间分析技术,构建土地利用转移矩阵,定量分析银川平原土地利用在时空范围内的转移特征；构建土地利用时空变化信息图谱,并综合标准差椭圆、热点分析和密度分析,探究该区域土地利用时空格局演变规律,结论如下。

(1)过去38 a,耕地和建设用地净增加了339.17 km2和573.33 km2,耕地来源于草地和未利用地转入,占转入面积的89.81%,主要转变为建设用地,占建设用地转入面积的60.60%；其余地类面积均减少,草地尤为剧烈,净减少581.67 km2,主要转移方向为耕地和建设用地,占转移总面积的74.60%,主要来源为未利用地,占转入面积的62.60%；未利用地净减少224.24 km2,主要转出为草地和耕地,转出率为73.04%,主要转入源为草地,占转入面积的72.03%；水域和林地减少程度较小,净减少面积之和为106.60 km2,主要垦殖为耕地,转化来源主要为草地。

(2)各图谱单元以水域的转化为主导,其由滩地转变为耕地、草地和未利用地的比例为16.08%、16.07%、10.06%,空间上集中分布于西夏区、平罗县、大武口区和黄河东岸；其次为耕地向建设用地的转化,转化面积为377.62 km2,变化率接近15%,主要发生在青铜峡市和利通区；耕地扩张也较明显,主要由未利用地转化而来,变化率超过了10%,变化集中于青铜峡市、永宁县、平罗县和黄河东岸。

(3)研究期间,土地利用变化在空间上呈现出东北-西南的集中分布趋势,覆盖范围依长轴向西南方向扩展,依短轴向平原中心集聚,空间上涵盖以青铜峡为起点,以黄河为纽带的沿黄城市群,覆盖范围内以耕地和建设用地的扩张最为显著。土地利用变化以银川市这个向心中心进行集聚,沿黄逐渐趋于扩张。

(4)银川平原土地利用呈现出沿黄剧烈变化的空间格局,沿黄经济区以建设用地、居民点和耕地为主导地类,灌溉便利、交通发达,工农业经济迅速发展,成为土地利用变化的热点和密集区域。白芨滩生态保护区和贺兰山中、北部自然保护区位于平原东西两侧,是土地利用变化的冷点区域。