基于遥感和GIS 的朝阳县土地利用变化分析

魏 玺蔡湘文

(桂林理工大学地球科学学院,广西 桂林 541000)

土地是人类主要从事社会经济活动的空间载体,是全球环境变化和可持续发展研究的重要组成部分[1～2]。土地利用变化作为全球变化中的一种,研究土地利用变化已经成为学者关注的热点问题之一。 土地利用变化之所以受到如此关注主要就是因为土地利用变化与地表径流、城市化发展、海岸线变化、生境质量、区域碳排放和生态安全等息息相关[3～8]。 土地利用变化不仅客观地描述了人类改变地球表面特征空间格局的活动,而且还再现了地球表面景观的时空动态变化过程[9]。 目前,国内外学术界对于土地利用变化研究已取得了显著成果,主要利用土地利用变化幅度、土地利用动态度、土地利用转移矩阵、地理探测器、CA-Markov 模型等方法对省、市、县、流域、重点生态功能区等不同尺度的土地利用的时空演变、驱动因素、模拟预测和生态效益进行了大量研究[10～16]。大多研究在省、市域层面上对土地利用变化进行了积极有意义的研究,但在县域层面上开展土地利用变化的研究较为欠缺还比较少。

朝阳县属于丘陵地区,县域荒漠化、沙化面积为13.53 万hm2,集中连片的耕地较少并且都划为永久基本农田,大多呈零散分布,农用地出现破碎化和退化,农用地生产效率低下。 由于该地区土地利用问题严峻,因此,本文基于遥感和GIS 技术,结合土地利用变化幅度、动态度和转移矩阵的方法,研究朝阳县2005～2020年土地利用变化,对未来优化朝阳县土地利用规划布局提供借鉴依据,促使朝阳县构建有利于碳达峰、碳中和的国土空间利用保护格局。

1 研究区概况

朝阳县地处冀蒙辽三区交界处,是辽宁西部防风固沙与水源涵养的生态屏障,同时也是高效特色农业重点发展地区之一,距沈阳328 km,东接北票市和锦州市,南与葫芦岛市接壤,西、西北和建平市、喀喇沁左翼蒙古族自治县相邻,是辽宁进入内蒙古的门户区域。 全县地势西北高东南低,丘陵分布范围广,平原面积较小。 气温属于温带大陆性气候,年均温8.5 ℃,年降水量486 mm。

2 数据来源及处理

利用的数据主要包括朝阳县2005、2010、2015 和2020年4个时期的遥感影像和朝阳县相关统计资料。 遥感影像数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心,分辨率30 m;社会发展统计数据来源于朝阳县国民经济和社会发展统计公报。 通过对4 期遥感影像进行解译(解译精度良好),并按照LUCC 分类标准划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个类型,借助Arc-GIS10.3 工具处理形成2005、2010、2015、2020年4个时期的朝阳县土地利用现状图。

图1 朝阳县区位图

3 研究方法

3.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是研究土地利用类型之间转换的一种方法,用土地利用转移矩阵可以定量反映不同土地利用类型间互相转化情况[17～18],转移矩阵形式为:

式中:m为土地利用类型数量;Sij为第i类型转化为第j类型的面积。

3.2 土地利用变化幅度

土地利用面积的变化数量情况,可以利用土地利用变化幅度来研究,其公式如下:

式中:K1为研究期内某类土地面积变化幅度;K2为研究期内某类土地面积年均变化幅度;Ua、Ub分别为研究期期初和期末某类土地面积;T为研究期年数。

3.3 土地利用动态度

土地利用动态度反映各土地利用类型在研究期内面积变化的快慢[19],包括单一类型动态度、综合类型动态度。 单一动态度可反映研究区一定时间段内各土地利用类型的数量变化情况,土地利用单一类型时间变化动态度和空间变化动态度表达式分别为[20]:

式中:P1为研究期内某类土地时间变化动态度;P2为某类土地在研究期某时间段的空间变化动态度;ΔUin为研究期内某类土地由其他类型转化形成的面积;ΔUout为研究期内某类土地转化为其他类型的面积。

综合类型动态度反映研究区所有类型土地之间相互转化的整体动态变化程度,公式为:

式中:La为研究期内土地利用综合类型动态度;LCi为研究期期初第i类土地利用面积;ΔLC(i-j)为研究期内第i类土地转化为第j类土地的面积;n为土地利用类型数。

4 朝阳县土地利用变化

4.1 土地利用变化总体特征

从土地利用类型结构来看,2005年朝阳县土地利用类型以耕地、林地、草地为主,分别占总面积的38.783%和12.318%、43.837%。 随着朝阳县社会经济的发展,2020年 耕 地 面 积 为 1 400.144 km2, 占 总 面 积 的33.113%;林 地面积 为 1 724.977 km2, 占 总 面积的40.785%;草 地 面 积 为 739.891 km2, 占 总 面 积 的17.506%;水域面积为121.095 km2,占总面积的2.862%;建设用地面积为234.523 km2,占总面积的5.548%;未利用面积为5.791 km2,占总面积的0.137%。 2005～2020年朝阳县土地利用变化幅度较为明显,耕地面积减少了239.786 km2; 林地面积增加相对较多, 增幅为1 203.984 km2;草地面积减少相对较多,从2005年的1 852.750 km2减少到2020年的739.891 km2,减幅为1 112.859 km2; 建设用地面积从2005年的119.419 km2增加到2020年的234.523 km2,增幅为115.104 km2;水域和 未 利 用 地 面 积 增 加, 增 幅 分 别 为 32.358 km2、1.187 km2(表1)。

表1 不同时段各类土地面积变化幅度 (km2)

具体来看,受地形地貌和水系的影响,朝阳县耕地主要分布在西北部低山区及大小凌河河谷平原,2005～2020年间整体呈现减少的趋势,2005～2010年间耕地面积减少过多,但是受退耕还林等政策的影响,2010年之后耕地面积减少趋势放缓;草地主要分布在丘陵和山地,2005～2010年间,是朝阳县面积最大的土地类型,但2010年之后,更多的草地变成林地,草地整体呈现减少趋势;林地主要分布在努鲁儿虎山、清风岭、大青山和刘炮手等自然保护区,2005～2020年面积持续增加;2005～2010年间水域面积大幅度增加,2010年后面积有所减少,整体呈现增加趋势;建设用地主要分布在在朝阳县区、各乡镇镇区,整体呈现增加的趋势,2005～2010年间建设用地面积增加较多,但是2010年之后建设用地面积增加趋势放缓;未利用地主要位于沙漠化严重和矿业发达地区,经历了先减后增的变化过程,2015～ 2020年间增加幅度最为明显,整体呈现增加的趋势,未利用地面积的增加给朝阳县生态环境带来了一定的压力。

4.2 土地利用动态变化特征

2005～2010年时段,朝阳县耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地单一类型时间变化动态度分别为-2.875%、46.501%、- 11.971%、7.919%、16.919% 和-12.041%。 可以看出受国家退耕还林工程的影响[21],林地面积增加较为明显;同时,朝阳县地处朝阳市中,城市规模不断扩大,建设用地也呈快速增长态势(单一类型时间变化动态度为正)[22];草地和未利用地面积减少较明显(单一类型时间变化动态度为负)。 2010～2015、2015～2020 两时段,除了未利用地,耕地、林地、草地、水域、建设用地单一类型时间变化动态度比较小,数值不超过1%。2015～ 2020年未利用地单一类型时间变化动态度为43.078%,表明这个时段未利用地增加较明显,主要是由于朝阳县受土壤、降雨和人类活动等因素的影响,使本县水土流失严重,水土流失造成土壤肥力下降、土地沙化及石漠化[23](表2)。

2005～2010年时段,朝阳县耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地单一类型空间变化动态度分别为11.100%、 55.951%、 17.059%、 17.565%、 33.466%、62.628%,可以看出2005～ 2010年各土地利用类型空间变化动态度数值比较大,特别是未利用地、建设用地和林地,说明这个时段未利用地、建设用地和林地同其它土地利用类型转入、转出强烈。 2010～2015年间各土地利用类型单一类型空间变化动态度数值非常小,表明各土地利用类型之间转入、转出不太明显,土地利用趋于稳定状态。 2015～ 2020年,除未利用地,其他土地利用类型单一类型空间变化动态度比较小,表明未利用地同其它土地利用类型转入、转出明显,其它各土地利用类型之间转换不明显。 未利用地转入为其它土地利用类型有利于改善生态环境,其它土地利用类型转入为未利用地,可能造成生态环境恶化,当地政府应特别重视未利用地的转入、转出(表3)。

表3 某土地利用类型单一类型空间变化动态度计算结果 (%)

朝阳县2005～2020年各土地利用类型综合类型动态度为1.673%;2005～2010年、2010～2015年与2015～2020年间各土地利用类型的综合动态度分别为5.007%、3.920%、0.419%。 从综合土地利用类型变化来看, 朝阳县2005～2010年间、2010～2015年间、2015～2020年间各土地利用类型的综合动态度依次减小,说明在2005～2010年期间土地利用变化较为活跃,此阶段朝阳县依靠丰富的矿产资源,经济发展迅速,尤其2008年以后,朝阳县经济水平在8个县市中排名前列,到2010年以后,朝阳县由于矿产企业关停并转,导致其经济实力迅速下滑。 经济作为主要的影响因素[24],影响土地利用变化趋缓(表4)。

表4 某时段所有土地利用类型综合类型动态度计算结果 (%)

结合表2、3、4 综合分析可得,受经济、政策、土壤和降雨等自然和人文因素的影响,朝阳县2005～2010年土地利用变化强烈,主要表现在林地和建设用地;2010～2020年变化趋缓,2015～2020年间未利用地增加较为明显,当地政府应对其重视。

表2 某土地利用类型单一类型时间变化动态度计算结果 (%)

4.3 土地利用转移特征

土地利用转移矩阵不但可以体现土地利用类型的转移数量变化,而且可以体现出各土地利用类型的转移去向。 各土地利用转移情况见表5,从表5 可以看出:

2005～2010 土地利用转移变化主要表现在耕地、林地、草地和建设用地,其中耕地较多转移成林地和建设用地,草地较多转移成林地,较少转移成耕地和其它用地。

2010～2015 土地利用转移变化主要表现在耕地、草地、林地和建设用地,其中耕地较多转移成建设用地,林地较多转移成建设用地、草地较多转移成建设用地。

2015～2020 土地利用转移变化主要表现在林地、草地、水域和未利用地,其中,林地较多转移成建设用地,草地较多转移成建设用地,水域和耕地较多转移成未利用地。

总的来看,2005～ 2020年,朝阳县耕地较多转移成林地和建设用地;草地较多转移成林地;建设用地的主要转移来源是耕地;水域的主要转移来源是耕地;未利用地的主要转移来源是耕地。

结合表5 综合分析, 2005～2020年朝阳县草地主要转移成林地,耕地较多的转移成林地,表明受“退耕还林”政策的影响比较大;水域的主要转移来源是耕地,建设用地的主要转移来源是耕地,未利用地的主要转移来源是耕地,说明可能为了满足当地居民生活和生产用水,征用耕地建造水库,其次朝阳县2005年城镇化率4.761%,2018年城镇化率22.300%,由于城镇化的推进,部分耕地被征用为建设用地;同时农业人口数量减少,耕地荒芜情况越来越严重,加之县域水土流失严重,导致耕地向未利用地转移[24],因此,要加强耕地资源的保护与合理利用,处理好耕地、经济发展与土地合理利用关系, 才能保证朝阳县经济稳步有序发展。

5 结论

朝阳县属于丘陵地区,县域荒漠化、沙化严重,农用地出现破碎化和退化,农用地生产效率低下。 由于该地区土地利用问题严峻,本文基于遥感和GIS 技术,结合土地利用变化幅度、动态度及转移矩阵方法,研究朝阳县2005～2020年土地利用变化,对未来优化朝阳县土地利用规划布局提供借鉴依据,促使朝阳县构建有利于碳达峰、碳中和的国土空间利用保护格局。 主要得出以下结论:

从2005～2020年间朝阳县土地利用总体特征变化、动态变化和转移来看,受经济、政策、土壤、降雨等自然因素和人文因素影响,耕地面积减少239.786 km2,林地面积增加相对较多,增幅为1 203.984 km2; 草地面积减少相对较多,减幅为1 112.859 km2; 建设用地面积从2005年的119.419 km2增加到2020年的234.523 km2,增幅为115.104 km2;水域和未利用地面积增幅分别为32.358 km2、1.187 km2,朝阳县2005～2010年土地利用变化强烈,2010～2020年变化趋缓,2015～2020年间未利用地增加较为明显,当地政府应对其重视;16年来,朝阳县耕地较多转移成林地和建设用地,草地较多转移成林地,建设用地的主要转移来源是耕地,水域的主要转移来源是耕地,未利用地的主要转移来源是耕地,因此在推进经济发展进程的同时,要加强对耕地资源的保护与合理利用,处理好耕地、经济发展与土地合理利用关系,保证朝阳县经济稳步有序发展。