1995年-2019年内蒙古清水河县土地利用空间格局变化分析

戴娜敏，包 亮

(内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

内蒙古清水河县位于内蒙古高原与山陕黄土高原中间地带，其地形地表呈现出波浪状起伏的低山丘陵地区，因此合理的土地利用规划及因地制宜的水土保持措施尤为重要。并且清水河县是京津风沙源生态屏障建设工程、“三北”防护林、退耕还林还草重要乡村地区之一[1]。研究近几十年的清水河县土地利用时空演变趋势对清水河县土地利用规划及政策的提出具有重要意义。

土地在人类生产建设活动中有着不可或缺的生产生活生态功能，因此土地的合理利用已是国土空间规划的重中之重。随着我国工业化和城市化进程的快速发展，土地利用结构发生明显变化，土地利用进入转型时期[2]。目前，关于土地利用的研究形成了较为成熟的研究系统，其中基于空间信息技术研究土地利用数量结构变化[3]、土地利用程度研究[4]、土地利用景观格局研究[5]、驱动力研究[6]及模型预测研究[7]等方面占多数。目前对清水河县土地利用空间格局的研究还相对较少，多以研究单一类型林地为主[1,8]。因此，运用空间信息技术对清水河县土地利用进行多年空间格局变化分析的研究具有重要意义。鉴于此，本研究选取地处中国北方农牧交错带地区、京津风沙源治理地区等生态环境问题突出的内蒙古清水河县为研究区，基于1995年-2019年6期土地利用30m栅格数据，利用GIS技术，采用全局空间自相关和局部空间自相关分析清水河县土地利用各类型空间自相关性及土地利用空间格局特征。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

内蒙古清水河县地理坐标为北纬39°35′～40°35′东经111°21′～112°07′，是内蒙古自治区呼和浩特市下辖县，位于呼和浩特市的南端，东南方与山西省相连，西面临内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗，北面靠内蒙古和林格尔县，西北面与托克托县，整体位置处于“蒙、陕、晋”3省交界和“呼、包、鄂”经济技术开发区腹地。清水河县总面积2 859km2。2019年年末全县户籍人口140 944人，比上年末减少387人。其中，城镇人口29 267人，乡村人口111 677人。

图1 研究区位置

地貌情况：清水河县地处内蒙古高原和黄土高原交接地带，地质构造属山西台背斜与内蒙古地轴相接之过渡带。岩石平缓，黄土覆盖较厚，地势由东南向西渐次低下，平均海拔高度1 373.6m。气候情况：清水河县地处中温带，属半干旱典型的大陆性气候。由于地形复杂，境内地区气候变化差异明显。主要特点为冬长夏短，寒冷干燥，风多雨少，年平均气温7.5℃，月平均气温11.5℃，极端最低气温29℃。年平均降雨量为410mm，年蒸发量为2 577.2mm。

1.2 数据来源

1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2019年土地利用数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)。该数据库为中国科学院地理科学与资源研究所经过多年的积累而建立的覆盖全国陆地区域的多时相土地利用现状数据库。数据生产制作是以各期Landsat TM/ETM、Landsat 8遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译生成。本文土地利用数据均采用了30m栅格数据，分类体系为LUCC(Land-Use and Land-Cover Change)分类体系，土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型。

2 研究方法

2.1 全局空间自相关分析

空间自相关分析通过全局空间自相关和局部空间自相关两个方面对研究区域整体上的空间自相关性和局部小区域之间的分布格局和集聚模式进行分析[9]。

全局空间自相关是从宏观层面判断土地利用变化在整个研究区的聚集性[10]，是对地理要素属性值在整个区域的空间特征的描述[11]，可以用来研究地理要素的空间分布格局。全局空间自相关用Moran’s I表示。其计算公式如下：

(1)

(2)

2.2 局部空间自相关分析

局部空间自相关是将全局空间自相关性分解到更小的空间单元，可以进一步量化具体空间要素与周围要素之间的差异程度及其显著性，是全局空间自相关的一种补充形式[10]。局部空间自相关常用反映指标为Local Moran’s I。其空间关联模式可分为四种类型：高高(High-High)关联、低低(Low-Low)关联、高低(High-Low)关联和低高(Low-High)关联。其计算公式为：

(3)

在构成的Moran’s I散点图中，可以划分为4个象限分别为第一象限(HH)、第二象限(LH)、第三象限(LL)、第四象限(HL)，对应4种不同的区域空间差异类型能够根据各类型占比来综合判断某一地区是否存在显著的空间自相关性，即具有明显的空间集聚特征[4]。

3 结果与分析

3.1 清水河县土地利用现状分布与总体变化特征

图2 1995年-2019年清水河县土地利用类型

从1995年-2019年清水河县各土地利用类型面积占比表(表1)可以看出，2019年清水河县土地利用类型以草地为主，约占研究区总面积的61%；耕地约占总面积的24%；林地面积占比约为10%；建设用地面积占比约为3%；水域面积占比约为1%；未利用地面积占比最小，面积占比约为0.5%。

表1 1995年-2019年清水河县各土地利用类型面积占比(%)

1995年-2019年，耕地面积占比呈现了降低的趋势，2019年耕地面积占比相较于1995年占比约降低了1.3个百分点；林地面积占比呈现了逐渐增加的趋势，2019年林地面积占比比1995年占比约增加了0.1个百分点；草地面积占比呈现了先增加后减少的趋势，2000年的草地面积占比最大，但2005年开始出现了降低的趋势，约降低了0.7个百分点；建设用地占比呈现了逐年递增趋势，2019年占比比1995年约占比约增加了0.6个百分点；2010年-2019年未利用地占比变化量小，变化特点为先降低后增加的趋势；水域占比不到1%，变化量也较少。

从1995年-2019年清水河县土地利用类型图可以看出，清水河县土地利用类型主要以草地为主，草地主要分布在清水河县东南部，即韭菜庄乡、北堡乡和单台子乡南部；耕地主要分布在清水河县中部及北部，即城关镇、宏河镇、窑沟乡分布较多；林地分布较为零散，在清水河县各个乡镇都有少许林地，其中喇嘛湾镇和北堡乡分布较多而且分布较为集中；建设用地主要分布在清水河县县政府所在地城关镇内，其他建设用地分布较多的乡镇为清水河县北部的喇嘛湾镇和宏河镇；水域集中分布在清水河县五良太乡北部；未利用地主要分布在五良太乡北部、窑沟乡中部及单台子乡中部。

3.2 土地利用类型的全局自相关分析

利用ArcGIS空间统计工具里的莫兰指数计算工具计算出清水河县土地利用各类型的全局Moran’s I值(表2)。从表2可以看出1995年-2019年耕地莫兰指数均>0，Z得分均>2.58，而且显著性检验P值均<0.01，因此耕地类型在空间上具有集聚性特征，呈现显著的、正向的空间自相关性。说明耕地类型并不是随机和离散分布，而是在相互邻近耕地类型之间都具有集聚分布态势。以 2010年为界，耕地空间分布集聚特征呈先增加后下降趋势。1995年-2019年林地Moran’s I指数均>0，Z得分均>2.58，显著性检验P值均<0.01，表明林地类型空间分布不是随机分布，而是表现出空间集聚性特征，整体呈正向空间自相关关系。林地空间分布集聚特征呈下降趋势。1995年-2019年草地Moran’s I指数变化特征为均>0，先增加后降低的趋势，Z 得分除2019年外均>2.58，并且2019年草地莫兰指数未通过显著性检验，因此除2019年，草地类型表现出空间集聚性特征。草地空间分布集聚特征呈持续下降趋势。1995年-2019年水域Moran’s I指数变化特征为2005年、2010年、2015年通过了P<0.5的显著性检验，其他年份Moran’s I均未通过显著性检验，因此水域类型空间集聚性较低，并没有空间自相关性。水域空间分布集聚特征呈先增加后下降趋势。1995年-2019年建设用地Moran’s I指数除2019年外均>0，Z 得分均>2.58，显著性检验P值均>0.01，表明建设用地类型空间分布不是随机分布，而是表现出空间集聚性特征，整体呈正向空间自相关关系。以2010年为界，建设用地空间分布集聚特征呈先缓慢增加后快速下降趋势。1995年-2019年未利用地Moran’s I指数除1995年外均未通过显著性检验，表明未利用地类型空间分布是随机分布，没有集聚性特征。

表2 清水河县不同土地利用类型的全局Moran’s I值

3.3 土地利用类型的局部空间自相关分析

由1995年-2000年清水河县土地利用类型空间集聚LISA图(图3)可以看出，1995年耕地高集聚区有20个，分布在清水河县中西部及西部，主要在宏河镇和窑沟乡内，表明1995年宏河镇和窑沟乡地区内耕地空间分布具有较高集聚性。但是1995年-2019年间高高(High-High)集聚区数量急速减少，到2019年时耕地高高(High-High)集聚区只有8个，并且呈现了分散化的现象。耕地低低(Low-Low)集聚区变化特征为从1995年的22个区域到2019年时减少到了11个，低低(Low-Low)集聚区分布在清水河县东南部，主要在韭菜庄乡和北堡乡内，表明了韭菜庄乡和北堡乡内耕地空间分布集聚性较低。1995年-2019年耕地低低(Low-Low)集聚区在2000年时快速降，随后变化较小一直处于相同状态；1995年-2019年林地高高(High-High)集聚区从1个变成了3个区域，主要分布在单台子乡和北堡乡。林地低低(Low-Low)集聚区表现出先减少后增加的趋势；1995年-2019年草地高高(High-High)集聚状态整体上增加的趋势，主要分布在韭菜庄乡南部和北堡乡。草地低低(Low-Low)集聚区也表现出增加的趋势。表明草地空间集聚状态高，空间自相关性增加的趋势。1995年-2019年水域高高(High-High)集聚区数量表现出减少态势，空间位置上没有转移现象。水域(Low-Low)集聚区先增加后减少态势；1995年-2019年建设用地(High-High)集聚区数量增加的趋势，主要集中在五良太乡南部及城关镇北部。建设用地(Low-Low)集聚区数量先增加后减少趋势。主要分布在韭菜庄乡南部、北堡乡和城关镇东南部；1995年-2019年未利用地(High-High)集聚区数量表现出先增加后减少趋势，主要分布在五良太乡北部和韭菜庄乡东北部，并且2000开始(High-High)集聚区位置上有较大变化。未利用地(Low-Low)集聚区数量以2000年为界，先增加后减少趋势，2019年主要分布在五良太乡北部。

图3 1995年-2000年清水河县土地利用类型空间集聚LISA图

4 结论

笔者基于空间信息技术，对内蒙古清水河县1995年-2019年土地利用格局变化及各土地利用类型的空间自相关性进行了初步分析，得出以下主要结论：①1995年-2019年，清水河县土地利用主要类型为草地，约占研究区总面积的60%，其次为耕地约占24%。六大类型中，草地格局变化特点为面积占比先增加后减少的趋势，耕地面积占比表现出减少的趋势，但建设用地占比则呈现了逐年递增的趋势。②清水河县土地利用类型全局空间自相关性分析表明，耕地类型在空间上具有集聚性特征，呈现显著的、正向的空间自相关性。但1995年-2019年的Moran’s I指数变化来看，以 2010年为界，耕地空间分布集聚特征呈先增加后下降趋势，表明耕地集聚性有所下降。其他五类用地整体上都呈现了空间集聚性的下降趋势。③1995年-2019年从整体来看，区域集聚性表现为减少趋势。各类型高高(High-High)集聚区增加的类型为林地、草地、建设用地，高高(High-High)集聚区减少的类型为耕地、水域和未利用地。1995年-2019年各类型低低(Low-Low)集聚区增加的类型为草地，其他类型均有减少的趋势。