赣江流域土地利用迁移变化分析

何 昊,刘卫林,李 香,张景嵘,杨 晴,涂序柯,刘建武,刘丽娜

(南昌工程学院江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室,江西 南昌 330099)

随着社会经济的快速进展,人类在开发和利用土地的同时,也改变着区域土地利用的类型,直接导致地表覆被改变[1]。而土地利用和地表覆被的改变会对环境产生较大的影响,继而反过来影响人类的生产生活。1995年,国际地圈生物圈计划(IGBP) 和全球环境变化人文因素计划( IHDP) 联合提出了“土地利用/覆被变化(land use/cover change 简称LUCC)”,使得土地利用/覆被变化成为全球变化影响研究关注的重要内容[2]。LUCC通过影响气候条件、水文、土壤状况等基本自然要素对生态环境产生相应的影响,引发了诸多生态问题和社会问题[3]。通过对土地利用变化的研究可以合理规划土地利用资源,根据各类土地特性,合理有效地使用土地资源,使其充分发挥自身功能。

目前,国内外学者对土地利用变化特征进行了大量有益的探索。对于土地利用变化研究,已由最初的定性描述发展到运用遥感、GIS空间分析技术与数学模型相结合的定量表征[4-5]。典型的研究方法是采用动态度、土地利用转移矩阵、土地利用综合程度等土地利用空间分析指标,从土地利用数量变化、类型转换、变化速度等方面分析土地利用变化[6-8]。少数学者采用重心迁移法[9]和地学信息图谱[10]分析了土地利用空间变化特征,使信息的表达更加多维化,弥补了基于非空间属性数据库的数据挖掘方法在形象思维和空间位置方面的不足,丰富了土地利用变化的研究[11]。

赣江作为长江主要支流之一,鄱阳湖流域最大河流,是鄱阳湖流域生物多样性保护和环境生态整治的重点区域,其土地利用格局对鄱阳湖流域生态安全、经济社会可持续发展影响重大。随着城市化进程的加快,经济的快速增长驱使土地利用格局发生明显变化,引发了一系列的资源、环境问题。近期干旱事件频频发生,其部分原因是由土地利用迁移变化造成的。在王畅[12]的研究中表明,随着土地利用改变,流域重旱频率上升约 23%,达到 36.1%,土地利用变化会加重干旱频率以及干旱程度。同时陈昌春[13]在研究变化环境对江西省干旱特征的研究中,利用土地利用等数据建立SWAT模型,随着土地利用改变,径流下滑,干旱程度加剧。因此,深入研究赣江流域土地利用迁移变化,避免再次出现一系列问题,是极其重要的。近年来,虽然已有少量学者在赣江流域开展了土地利用变化的研究,但研究主要集中在其生态效应与空间响应研究,例如郭强等[14]研究赣江流域土地利用变化对水文过程的影响;徐启渝等[15]研究了赣江流域土地利用结构对水质的影响。缺乏长时间序列以及多指标对赣江流域土地利用时空变化特征的深入研究。因此本研究以赣江整个流域为研究区,以土地利用动态度、土地利用转移矩阵、重心迁移等多维度来分析1980—2018年长时间序列下的赣江流域土地利用时间和空间上的具体变化,为地方生态环境与社会经济和谐发展、流域生态建设提供参考。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

赣江是长江主要支流之一,为鄱阳湖流域最大河流,位于长江中下游南岸,源出赣闽边界武夷山西麓,自南向北纵贯全省。有13条主要支流汇入,长766 km,流域面积83 500 km2,自然落差937 m。从河源至赣州为上游,称贡水,在赣州市城西纳章水后始称赣江。贡水长255 km,穿行于山丘、峡谷之中。赣州至新干为中游,长303 km,穿行于丘陵之间。新干至吴城为下游,长208 km,江阔多沙洲,两岸筑有江堤。赣江流域呈现山地丘陵为主体的地貌格局,山地丘陵占流域面积的64.7%(其中山地占43.9%,丘陵20.8%),低丘岗地占31.5%,平原、水域等仅占3.9%。赣江流域处于亚热带湿润季风气候区,气候温和,雨量充足,以春夏之交梅雨多,秋冬季节降雨少,多年平均降水量约为1 600 mm,多年平均气温约为17.8℃。

1.2 数据来源

土地利用数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所所提供的1980—2018年7个时段江西省土地利用现状遥感监测数据,主要通过目视解译遥感数据获得,分辨率为30 m[16]。根据土地利用分类标准,利用ArcGIS重分类工具得到6类土地利用类型,分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类用地,再通过影像裁剪最终得到赣江流域1980—2018年土地利用数据。

2 研究方法

2.1 土地利用动态度

为表达区域单一类型土地利用的变化速率以及土地利用的综合变化速率,引入2个指标:K(单一土地利用动态)、LC(综合土地利用动态度)。

a)单一土地利用动态度:

(1)

式中Ula、Ulb——初始时单一土地利用面积、结束时单一土地利用面积,km2;T——研究时段。

b)综合土地利用动态度:

(2)

式中 LC——综合土地利用动态度;ΔLU(ij)——第i类土地转变为非i类土地的绝对值;ΔLUi——第i类土地在初期时的面积;T——研究时段。

2.2 土地利用转移矩阵

为了表达各土地利用类型在空间上的分布和在各时期的转移方向及比例,计算土地利用转移矩阵[17],再通过转移矩阵绘制土地利用转移和弦图,转移矩阵见式(3):

(3)

式中Sij——i类转化成j类的面积;n——土地利用类型的数量;i、j——转移前后的土地利用类型(i,j=1,2,3,…,n)。

2.3 重心迁移

重心的确定方法,首先假设某一个区域由n个次一级区域i构成,那么该区域某种属性的“重心”通常采用式(4)、(5)计算方法来表示:

(4)

(5)

式中X、Y——某一个区域某种属性的“重心”经度值、纬度值;xi、yi——第i个次一级区域中心的经度值、纬度值;Mi——第i个次一级区域的某种属性的量值。

3 结果与分析

3.1 土地利用空间分布

1980—2018年赣江流域土地利用分布见图1。由图可知:流域内主要以林地、耕地分布为主,草地、水域、建设用地、未利用地为辅的分布格局。流域内林地面积最大分布范围最广,集中分布于流域的中南部地区,以东部的武夷山区、南部的南岭山区和西部的罗霄山区为主。耕地主要分布于赣江中下游子流域位置以及河流沿岸平坦区域,其他区域面积较少,分布具有一定集中性。草地分布较散,呈镶嵌式分布,主要分布于低丘缓岗及各个子流域中。水域主要集中分布在河流流经区域,一部分于湖泊及水库,例如万安水库、峡江水库等,水域分布具有较高的集中性。建设用地分布较散,但具有一定集中性,主要分布在城市及周边区域。未利用土地面积最少,分布稀疏,处于流域偏僻位置。

图1 1980—2018年赣江流域土地利用

3.2 土地利用变化分析

1980—2018年赣江流域各时期土地利用类型占有率见图2。

图2 土地利用类型占有率

由图2可知,赣江流域土地类型占有率变化幅度较小。耕地面积占有率不断下降,仅2000—2005年有所增加,增幅为0.02%,面积增加了19.2 km2,耕地面积共减少622.9 km2,占有率下降幅度为0.78%。林地面积在1980—2018年同样呈减少趋势,仅在1990—2000年面积增加了170.8 m2,占有率提升0.22%,之后一直减少,占有率下降幅度为1.15%。草地面积在1980—1990年有所增加,面积增加了222.8 km2,占有率增幅为0.28%,2000—2010年持续减少且趋于平缓,面积共减少了261 km2,占有率下降幅度为0.33%,之后草地面积少量增长,共增加310 km2,占有率增幅为0.39%。水域面积变化平稳,变化幅度较小,面积共增加95.1 km2,占有率增幅为0.12%。建设用地面积变化最大,且变化速度不断增加,到2018年面积共增长1 208.6 km2,占有率增幅为1.52%。未利用地面积变化较少,共减少39.5 km2,占有率下降幅度为0.05%。

3.3 土地利用动态度变化分析

1980—2018年赣江流域各时期土地利用动态度见表1。

表1 土地利用动态度

由表1可知,从单一土地利用动态度来看,耕地动态度仅在2000—2005年为正,增速为0.019 %/a,其余时期均为负值,在1990—2000年减少的速度最快,速度达到-0.053 %/a。与其他时期的减少速度比,增长速度绝对值较小,说明该时段的耕地面积短暂增加对耕地面积的整体减少趋势影响微小。林地动态度仅在1990—2000年处于增加阶段,增速为0.033 %/a;其余阶段林地面积均呈减少趋势,且在2015—2018年林地减少的最快,动态度为-0.098 %/a。草地面积在1990—2010年基本以相同的速度减少,大致为-0.3 %/a。2010年之后年动态度转为正值,且2010—2015年增速达到最大值1.423 %/a。水域面积在1980—2000年减速增加,1980—1990年动态度最大为0.419 %/a,之后2000—2018年水域面积整体呈现振荡式变化,面积总体变化不大。建设用地面积在1980—2018年持续增加,且动态度不断增大,在2015—2018年增速最大,为5.896 %/a。建设用地面积加速增加,反映了城市化的加速发展。未利用地面积整体呈减少趋势,且在1980—1990年动态度绝对值最大,为-7.502 %/a。从整体土地利用动态度来看,1980—2018年赣江流域综合动态度逐渐增加,并在2015—2018年综合动态度达到最大0.329 %/a,说明赣江流域土地变化在逐渐加快。各类土地利用变化幅度具有差异,耕地和林地动态度变化趋势大致保持一致,不断减少。草地和水域动态度呈震荡变化,总体为增加趋势。建设用地动态度不断增加,处于一个较高水平。

3.4 土地利用转移分析

由于赣江流域研究区未利用地占地面积较少,仅在1980—1990年存在一个较明显变化,主要为未利用地转为耕地面积,其余时期面积变化较少,因此本文不对未利用地展开具体分析。图3表达了赣江流域土地利用在各时期的转化比例。

a)1980—1990年

由图3可知:1980—1990年,土地利用变化主要以林地、草地相互转化。草地面积共增加222.78 km2,主要由林地转入,转入面积为195.85 km2,占草地增加面积88%。1990—2000年,土地利用变化主要以耕地、林地、草地之间转化。其中林地面积变化最大,共增加170.82 km2,主要来自草地转入面积127.89 km2,其次来自耕地转入面积57.58 km2。该阶段林地面积增加,主要来自退耕还林的影响。同时这两时期水域面积均为转入,转移面积主要来自耕地,受退田还湖政策影响。2000—2005年和2005—2010年土地利用转移类型比较一致。主要为林地和草地输出,建设用地不断输入,耕地面积既有输出也有输入,整体变化不大,其他类型土地变化较少。建设用地输入主要来自耕地和林地,2000—2005年118.1 km2耕地面积以及19.2 km2林地面积转为建设用地,2005—2010年134.2 km2耕地面积以及112.7 km2林地面积转为建设用地,导致此期间建设用地面积增加。同时两时期分别有99.7、84.8 km2林地面积转至耕地面积,导致耕地面积大致不变。此外有少量草地转向林地。此时期城市化进展开始表现。2010—2015年和2015—2018年以林地和耕地的输出型转移为主导。2010—2015年299.1 km2林地转为草地;169.3 km2耕地转为建设用地;同时林地也有147.5 km2转向建设用地,反映该时期建设用地向林地的扩张。仅少部分的草地移向建设用地。2015—2018年建设用地输入来源主要为耕地和林地,分别为228.3、102.6 km2。同时部分林地转向草地,且少量的林地由耕地转入。这2个时期的土地利用变化反映了建设用地在不断扩张,城市化进展较快。

3.5 重心迁移分析

赣江流域1980—2018年各类土地类型的区域重心,见图4。

图4 土地重心迁移轨迹

通过图4可知,在此期间赣江流域各类土地利用重心均发生了一定变化,重心变化较明显的为草地、水域和建设用地重心,其中建设用地重心迁移最为明显,这与社会发展及人类活动有很大的影响。耕地和林地由于面积占比较大,导致重心迁移不明显,仅存在微小变化。重心迁移变化与土地利用实际情况较为吻合。因此本研究对重心变化较明显的草地、水域和建设用地展开具体分析,结果见图5—7。

图5 草地重心迁移轨迹

赣江流域草地重心在1980—2018年大致表现为向西北方向迁移(图5)。重心迁移轨迹在纬度上迁移0.012°,在经度上迁移0.022°。其中1980—1990在纬度上发生骤变迁移0.021°,2010—2015年在经度上迁移较大为0.015°。造成草地重心迁移的原因是1990—2010年期间赣江流域上游草地面积一直缩减,直到2010年之后动态度提高,草地斑块逐渐增加导致重心呈以上迁移变化。

赣江流域水域重心在1980—2018年大致表现为向西南方向迁移(图6)。重心迁移轨迹在纬度和经度上均迁移0.021°。迁移轨迹主要分为两部分,在1980—1990年重心向东北方向移动,其中在纬度上迁移0.025°,经度上迁移0.007°;第二部分为1990—2018年向西南方向移动,在纬度上迁移为0.046°,经度上迁移为0.028°。造成水域重心迁移的主要因素是在此期间赣江流域13座大型水库面积均有增加,很大原因归因于政府对赣江流域新建堤防等治水工作导致重心迁移变化。

图6 水域重心迁移轨迹

赣江流域建设用地重心在1980—2018年大致表现为向东南方向迁移(图7)。重心迁移轨迹在纬度上迁移0.055°,在经度上迁移0.042°。迁移轨迹变化最明显的在2005—2018年重心一直向东南方向移动,其中2015—2018年变化最快,在纬度上迁移0.096°,经度上迁移0.019°,其中该时期纬度变化在所有变化中最大,造成如此巨大的重心变化与高度城市化发展离不开关系,其重心变化轨迹与城市发展方向大致吻合,以南昌、新余、抚州三市构成核心区域,发展格局显示出明显的“核心-边缘”结构。

图7 建设用地重心迁移轨迹

4 讨论与结论

4.1 讨论

通过本文研究可知,赣江流域土地利用存在较明显差异。在研究期间,赣江流域建设用地面积变化最大,耕地林地次之。但由于耕地、林地占流域绝大部分面积,导致在重心研究中其迁移不明显。土地类型中耕地和林地变化趋势大致相同,不断向建设用地转移,总体呈减少趋势。主要因为中国经历了工业化发展,森林面积遭到砍伐,林地面积减少,直到后续得到了政府和社会的广泛重视,为保护生态环境,人工造林和退耕还林等措施逐步实施和完善,从而面积有所控制[18]。2004年在实施了“中部崛起”战略后,不断加快的城市化进程,直接使城市建设用地激增,江西省积极推进加快南昌、赣州和九江都市区等建设,因此赣江流域建设用地在不断扩张,部分耕地被挤占为建设用地,建设面积不断增加[19]。水域面积变化主要表现在围湖造田上[20]。赣江流域对应的各类用地重心均发生一定迁移。因此结合本流域土地利用迁移研究,提出以下区域发展策略:赣江下游城镇化较高,城市建设导致用地矛盾,应进行城镇、工业、农村整合。更加聚集高效、节约集约,加大生态建设保护。以“三屏筑底”围绕赣东-赣东北、赣西-赣西北、赣南的山地丘陵地区,筑牢3个森林生态安全屏障。水域依托赣江、抚河、信江、饶河、修河五大河,构建区域生态廊道。同时严守耕地红线确保粮食安全,遏制农业向建设用地转化。在城市化的发展同时保证土地资源有效利用,加强生态建设和生态保护。

4.2 结论

a)赣江流域主要以林地、耕地分布为主,草地、水域、建设用地、未利用地为辅的分布格局。随着城市化进展,林地、耕地面积不断减少,草地先减后增,水域整体呈缓慢增长趋势,建设用地不断增加,到2018年建设用地面积是1980年的1.9倍。

b)赣江流域整体动态度逐渐增加,土地变化在逐渐加快。各类土地利用变化幅度具有差异,耕地和林地动态度变化趋势大致保持一致,不断减少。草地和水域动态度呈震荡变化,总体为增加趋势。建设用地动态度不断增加。

c)1980—2018年赣江流域各类用地均发生一定转移。其中建设用地面积不断增加,主要来源耕地和林地的转入;同时部分林地、草地向耕地补充;水域变化不大,主要受退田还湖的影响,导致部分耕地的转入。总体来看赣江流域主要以耕地、林地输出,建设用地不断输入,且随着城市化进展,建设用地输入不断增加。

d)随着赣江流域土地利用的变化,各类土地重心对应均发生一定迁移,其中变化较明显的是草地、水域、建设用地重心。其中建设用地重心在2015—2018年变化显著,充分表明城市化的高度进程。