2000—2020年长治市土地利用变化特征分析

郑维龙

(山西工程职业学院,太原 030001)

土地利用(LUCC)是人类与自然交互作用复合地球系统中的重要组成载体,其利用方式的变化是决定生态系统稳定性的重要因素之一[1],研究土地利用变化可为生态评估、环境变化、经济社会发展驱动提供理论基础与现实依据。遥感技术因其监测范围广、时序周期长、成本低易获取等特点,在对地观测中得到广泛应用[2-3]。国内外学者利用遥感影像,结合GIS软件,通过不同的研究方法在土地利用变化这一研究领域取得了丰硕成果。

以长治市2000、2010、2020年30米土地利用遥感影像为研究对象,利用GIS软件对其进行解译,通过土地利用转移矩阵法、土地利用趋势变化法等方法分析长治市两个十年的土地利用动态时空变化特征,以期为长治市生态环境保护及高质量发展提供参考。

选用国家高技术研究发展计划(863计划)提供的全球30米地表覆盖(GlobeLand30)数据集[4],参照分类标准,依据长治市的土地覆盖特征,将其分为林地、草地、水体、湿地、耕地与建设用地六类。利用Arcgis软件的重分类功能赋值,得到长治市2000年、2010年、2020年的土地利用空间分布影像。

1 研究方法

1.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是描述不同土地类型相互转换的一种方式,用于定量体现不同土地类型间面积变化的数量与方向[2]。具体表达式如下:

(1)

式中,U为土地利用面积,Uii为研究期内土地利用类型未发生变化的面积,Uij为研究期内由第i类土地转变为第j类土地利用类型的面积。

1.2 土地利用变化动态幅度

土地利用变化动态幅度可定量描述研究期内土地的变化速率,对土地利用差异与利用趋势预测具有重要意义[3]。具体表达式如下:

(2)

式中,UIN表示研究期内转入土地的面积,UOUT表示研究期内转出土地的面积,T为研究周期,本研究中T=10。

1.3 土地利用变化趋势

为研究土地利用类型的未来变化趋势,采用土地利用空间变化趋势公式进行分析[5]。具体表达式如下:

式中,Q为变化趋势指数,U末、U初分别表示研究开始与结束时同一土地利用类型的面积,UIN、UOUT表示研究期内同一土地利用类型转入与转出面积的状况。当-1

2 实证研究结果

2.1 长治市土地利用转移情况

利用式(1)及遥感影像数据得到长治市2000—2010年及2010—2020年两个周期内土地利用转移矩阵,详见表1、表2。

表1 2000—2010年长治市土地利用转移面积变化矩阵Tab.1 Change of land use transfer area in Changzhi City from 2000 to 2010 (单位:km2)

表2 2010—2020年长治市土地利用转移面积变化矩阵Tab.2 Change of land use transfer area in Changzhi City from 2010 to 2020 (单位:km2)

2000—2010年,长治市不同土地类型转出面积由高到低依次为:耕地233.74 km2、草地190.48 km2、建设用地41.67 km2、林地33.22 km2、水体6.83 km2、湿地2.68 km2,分别占转出总面积的45.6%、37.4%、0.82%、0.65%、0.13%及0.005%。周期内,耕地、草地、建设用地是其主要的土地利用类型,转化程度也最高。其中,耕地主要转为建设用地(54.44%)、草地(25.76%)及森林(14.76%),草地主要转为耕地(53.15%)与林地(43.15%)。

在空间分布上,耕地转为林地的主要分布在平顺县东部、长子县东南部,转为草地的主要分布在襄垣县北部、长子县中部、平顺县中部,转为湿地的主要分布在屯留县中部、长治市辖区中部等水域周边,转为水体的主要分布在襄垣县西部、屯留县中部,转为建设用地的主要分布在长治市中部及各个县地理位置优越的区域。林地转为耕地的主要集中分布在屯留县西部、沁县南部、壶关县北中部、潞城市北部、长子县西部等区域。草地转为耕地的主要分布在平顺县中部、襄垣县北中部、壶关县北部、潞城市北部,转为林地的主要集中在壶关县北中部及平顺县东部,转为水体的集中分布在襄垣县东南部,转为建设用地的主要分布在垣曲县中部。湿地转为耕地的主要集中在沁县中部、武乡县东部。水体转为耕地的主要分布在襄垣县中部、沁县中部。建设用地转为耕地的主要零星分布在潞城市西南部、屯留县东部、沁县北中部、襄垣县中南部、沁县中部。

2010—2020年,长治市不同土地类型中转出面积由高到低依次为:耕地620.28 km2、草地576.93 km2、林地470.08 km2,分别占转出总面积的36.14%、33.61%、27.38%。湿地、水体、建设用地面积变化较小。耕地中有310.73 km2转为建设用地(50%),212.97 km2转为草地(34.33%)。草地中有372.74 km2转为林地(46.60%),184.73 km2转为耕地(32.02%),18.19 km2转为建设用地(3.1%)。林地中有345.42 km2转为草地(73.48%),120.38 km2转为耕地(25.61%)。

在空间分布上,耕地转为林地的零星分布在襄垣县北中部、沁县南部、沁源县西部、长子县西部、平顺县中部等区域,转为草地的主要在沁源县南部、武乡县东南部、黎城县中部、襄垣县北中部、屯留县西北部、潞城市北部、平顺县西南部、壶关县北部等地,转为水体的集中分布在沁源县北中部、武乡县北部等地,转为建设用地的主要分布在黎城县中南部、潞城市中南部、襄垣县南部、屯留县东南部、长子县东部、长治县北部及市辖区等部分区域。林地转为耕地的零星分布在沁源县西部、沁县中部、垣曲县西北部、黎城县东部、潞城市北部、屯留县西部、平顺县西南部、壶关县中部等地,转为草地的主要分布在沁源县中南部、沁县东部、黎城县北部、屯留县西部、潞城市中部、平顺县大部、长子县中西部、壶关县东部等地。草地转为耕地的主要分布在武乡县东部、沁县东部、襄垣县北部、潞城市北中部、屯留县西部、壶关县西北部、长子县中部等地,转为林地的集中分布在长子县西部、屯留县西部、沁源县南部、黎城县北中部、武乡县南部、平顺县大部、壶关县中部等地,转为建设用地的主要分布在沁源县中部、垣曲县中部、武乡县南部、长治县中部等地。

2.2 土地利用动态及变化趋势

2000—2010年,长治市耕地、草地、林地、湿地、水体及建设用地的动态度分别为-0.024%、-0.06%、0.25%、0.18%、0.03%、0.22%。2010—2020年,其土地利用动态度分别为-0.04%,-0.002%、-0.003%、0.054%、0.26%、0.67%。可见在这两个周期内,耕地、草地总面积都呈现减少趋势,湿地、水体、建设用地面积呈现增加趋势,林地面积呈现先增长后减少趋势。

2000—2010年,长治市耕地、林地、草地、湿地、水体、建设用地的趋势指数分别为-0.13、0.55、-0.49、0.47、0.15、0.52。2010—2020年,其趋势指数分别为-0.27 、-0.01、-0.01、0.21、0.56、0.77。可见在研究期后的一段时期内,长治市的耕地、草地及林地使用面积将有所缩减,而湿地、水体及建设用地的面积会增加。

3 结论

分析DEM数据及同期的NDVI数据集发现,长治市海拔在500～1000 m的地类转换较为频繁,而海拔较高区域的地类变化较为单一。海拔较高区域及远离经济建设高速发展区的土地利用类型变化较小,侧面说明人类活动对其土地利用类型变化的影响较高。

通过Arcgis土地利用重心迁移分析发现,长治市研究期内不同地类重心的迁移趋势如下:耕地在2000—2010年重心向北西方向偏移22.45 km,2010—2020年重心向西偏移16.38 km,2000—2020年两个周期内重心整体向西偏北方向移动33.13 km。林地在2000—2010年重心向东北偏移13.24 km,2010—2020年重心向东南偏移17.34 km,在2000—2020年两个周期内重心整体向东偏北方向移动15.46 km。建设用地在2000—2010年重心向西偏南移动18.62 km,2010—2020年重心向南移动14.38 km,2000—2020年两个周期内重心整体向西南方向移动27.53 km。

研究发现,2000—2020年:①长治市耕地、林地、草地、建设用地波动较大,耕地主要转为建设用地,新增建设用地382 km2。城市扩张、城镇化建设是这一现象的主导因素。②长治市耕地的变化速率、动态度、趋势指数为负值,建设用地为正值。③长治市的建设用地呈卫星状扩张,这直接导致了耕地与建设用地重心的偏移。