基于轉(zhuǎn)移矩陣的環(huán)渤海土地利用研究

陶蘊(yùn)之，張 甜 ，梁琦珍 ，李 文

(浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，浙江 金華 321004)

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基于轉(zhuǎn)移矩陣的環(huán)渤海土地利用研究

陶蘊(yùn)之，張 甜 ，梁琦珍 ，李 文

(浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，浙江 金華 321004)

摘要：在對環(huán)渤海5 km研究區(qū)轉(zhuǎn)移矩陣分析的基礎(chǔ)上，生成了研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移方向統(tǒng)計(jì)表以及不同用地類型面積變化的空間分布圖，探究了近十幾年來環(huán)渤海地區(qū)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)展?fàn)顩r、出現(xiàn)的問題與不足，為今后環(huán)渤海地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展道路提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：土地利用；環(huán)渤海；緩沖區(qū)；轉(zhuǎn)移矩陣

1引言

在全球環(huán)境變化研究中，土地利用和土地覆被動態(tài)變化越來越被認(rèn)為是一個關(guān)鍵和迫切的研究課題[1，2]。1995年國際地圈-生物圈計(jì)劃(IGBP)和全球環(huán)境變化中的人文領(lǐng)域計(jì)劃(HDP)聯(lián)合提出的“土地利用和土地覆蓋變化”(LUCC)研究計(jì)劃，基本目標(biāo)是提高對全球土地利用和土地覆蓋變化動力學(xué)(動態(tài)過程)的認(rèn)識，并著重提高預(yù)測土地利用和土地覆蓋變化的能力[3]。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可全面而又具體地分析區(qū)域土地利用變化的數(shù)量結(jié)構(gòu)特征與各用地類型變化的方向，細(xì)致反應(yīng)各地類之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，進(jìn)而了解轉(zhuǎn)移前后各地類的結(jié)構(gòu)特征，在土地利用變化分析和地類模擬方面具有重要作用，因而在土地利用變化和模擬分析中具有重要意義。

20世紀(jì)90年代以來，土地利用變化研究一直是國內(nèi)外很多學(xué)者的研究熱點(diǎn)問題。1994年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署開始“土地覆蓋評價和模擬項(xiàng)目”的項(xiàng)目，目的是調(diào)查東南亞地區(qū)上土地覆蓋的變化。1995年國際系統(tǒng)研究所為了分析從1900～1990年這90年間歐洲和北亞地區(qū)土地利用變化的特征，時空變化分析，并預(yù)測在全球環(huán)境變化下，在經(jīng)濟(jì)，人口，科技及政治等各因素的變化下，歐洲和北亞地區(qū)未來50年土地利用變化的趨勢而啟動了“歐洲和北亞土地利用/覆蓋變化模擬”的3年期項(xiàng)目。同時日本國立科學(xué)研究院全球環(huán)境研究中心提出的“為全球環(huán)境保護(hù)的土地研究”來研究土地利用的驅(qū)動因子和事件動態(tài)，空間分布的特征，并且做出了相應(yīng)對策的研究等[4，5]。

2研究方法與研究區(qū)

2.1研究方法

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映了某一區(qū)域某一時段期初和期末各地類面積之間相互轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程信息，它不但包括靜態(tài)的一定區(qū)域某時間點(diǎn)的各地類面積數(shù)據(jù)，而且含有更為豐富的期初各地類面積轉(zhuǎn)出和期末各地類面積轉(zhuǎn)入的信息。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣通用形式為：

(1)

式中：s代表面積，n代表轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù)，i、j分別代表轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型，sij代表轉(zhuǎn)移前的i地類轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)以后的j地類的面積。矩陣中的每一行元素代表轉(zhuǎn)移前的i地類向轉(zhuǎn)以后的各地類的流向信息，矩陣中的每一列元素代表轉(zhuǎn)以后的j地類面積從轉(zhuǎn)移前的各地類的來源信息。轉(zhuǎn)移前后土地利用類型數(shù)可以有所不同，這是矩陣的行數(shù)和列數(shù)不同，其是一個一般矩陣。為了研究方便，轉(zhuǎn)移前后通常采用相同的分類體系和分類精度，這樣矩陣的行數(shù)列數(shù)相同，它就是一個N階方陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣含有豐富的研究時段期初和期末各地類之間相互轉(zhuǎn)化的信息，并具有豐富的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2研究區(qū)概況

渤海是中國唯一的內(nèi)海，被遼東半島、山東半島和華北大平原環(huán)抱，海岸線長約5 700km，形成“C”字形的區(qū)域格局。環(huán)渤海地區(qū)是繼珠江三角洲、長江三角洲之后我國經(jīng)濟(jì)向北推進(jìn)的又一經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心。隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展，該區(qū)域的土地利用發(fā)生了顯著變化，成為21世紀(jì)學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)地區(qū)之一。本文以環(huán)渤海海岸線為基準(zhǔn)向陸地?cái)U(kuò)展5km緩沖區(qū)所成的區(qū)域，著重研究該地區(qū)土地利用尤其是濕地類型的變化情況。范圍涉及京津唐地區(qū)(北京市、天津市、河北唐山、秦皇島、滄州和廊坊)，遼中南沈大沿線地區(qū)(大連、營口、遼陽、撫順等)，山東半島膠濟(jì)沿線的部分地區(qū)。

土地利用數(shù)據(jù)主要來源于研究區(qū)內(nèi)的1995年，2000年和2008年環(huán)渤海沿線5km緩沖區(qū)土地利用圖。該區(qū)域土地類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用地六大類一級類型。一級類型又進(jìn)一步分為25個二級類型，包括水田、旱地、有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、河渠、湖泊、水庫坑塘、冰川和永久積雪、海涂、灘地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地、工業(yè)與交通建設(shè)用地、沙地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地、裸巖石礫地和其他土地類型等。由于二級分類系統(tǒng)過于龐雜，對轉(zhuǎn)移矩陣的分析選用一級土地分類，在論述土地利用類型的分布時使用二級分類。

表1～表4就是1995～2000年，2000～2008年兩期的環(huán)渤海土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

表1　1995～2000年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣　km2

表2　2000～2008年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣　km2

表3　1995～2000年土地利用轉(zhuǎn)移方向　km2

表4　2000～2008年土地利用轉(zhuǎn)移方向　km2

由表1～表4可以看出，1995～2000年間，六類土地利用類型均有變化，其中變化較為劇烈的是城鄉(xiāng)類，共計(jì)新增289.2 km2，水域利用類型共計(jì)新增272.7 km2，而未利用土地類型共計(jì)減少585.1 km2。對于2000～2008年，六類土地利用類型也有變化，最為劇烈的是草地利用類型，總減少804.6 km2，其次是水域類型，新增65.2 km2，城鄉(xiāng)新增507.2 km2，耕地新增48 km2。接下來對變化劇烈的土地利用類型進(jìn)行了研究，分析這些類型變化的原因機(jī)制，即分別研究其他土地利用類型對該土地利用類型變化的貢獻(xiàn)值，并將起主導(dǎo)作用的土地類型轉(zhuǎn)化在ARCGIS下用地圖予以顯示。表5～表7為1995～2000年城鄉(xiāng)類、水域以及未利用地的變化情況明細(xì)表。

表5　1995～2000城鄉(xiāng)類土地類型變化明細(xì)

表6　1995～2000水域土地利用類型變化明細(xì)　km2

表7　1995～2000年未利用地類型轉(zhuǎn)化明細(xì)　km2

由表5可以看出研究期內(nèi)，其他五個地類對城鄉(xiāng)用地的增加都有貢獻(xiàn)，轉(zhuǎn)化最多的就是未利用地和水域轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)用地。表6表明對于水域面積的增加，耕地與城鄉(xiāng)類的變化量為負(fù)值，說明這兩種類型對水域面積增加起反作用，即存在水域轉(zhuǎn)為耕地和城鄉(xiāng)用地的區(qū)域，剩余的三類都是促進(jìn)水域面積增加的類型，其中水域轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)分布圖，前文已經(jīng)論述。

表7可以看出研究期內(nèi)，除林地、未利用地的減少導(dǎo)致其他用地類型的增加，林地的減少確實(shí)需要著重關(guān)注，本文研究未利用地轉(zhuǎn)化為耕地，水域以及林地轉(zhuǎn)化為未利用地的空間分布情況。其中未利用地轉(zhuǎn)化為水域和城鄉(xiāng)空間分布前文以及提及 ，本部分主要分析未利用轉(zhuǎn)為耕地以及林地轉(zhuǎn)為未利用地的空間分布情況。圖1反映了1995～2000年環(huán)渤海5km緩沖區(qū)顯著地類景觀變化的空間分布情況。

圖1　1995～2000環(huán)渤海5km緩沖區(qū)

相關(guān)類型轉(zhuǎn)成草地/km2由草地轉(zhuǎn)出/km2變化量/km2百分比/%耕地18.5197.2-178.722.2林地19.3119.6-100.312.5水域13.2132.1-118.914.8城鄉(xiāng)類3.1129.7-126.615.7未利用地1.8281.9-280.134.8

表 9　2000～2008水域變化明細(xì)　km2

表10　2000～2008城鄉(xiāng)用地變化明細(xì)　km2

表11　2000～2008耕地變化明細(xì)　km2

表8～表11表明，2000～2008年內(nèi)，草地轉(zhuǎn)出引起其他五類用地類型的增加，水域面積的增加由耕地以及未利用地減少所致，同時水域面積的減少也導(dǎo)致耕地、林地以及草地面積的增加。城鄉(xiāng)類型用地的增加由耕地，林地，草地和未利用地轉(zhuǎn)化而來，但有部分城鄉(xiāng)用地轉(zhuǎn)化為水域類型。耕地面積的增加由草地，水域以及未利用地的轉(zhuǎn)化而來，同時部分耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)以及林地類型。對于顯著轉(zhuǎn)化的地類景觀，本文主要研究以下幾類地類轉(zhuǎn)化的空間分布，如圖2所示。

圖2　2000～2008環(huán)渤海5 km緩沖區(qū)

3結(jié)語

通過對三期環(huán)渤海數(shù)據(jù)計(jì)算得到的兩期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、兩期土地利用轉(zhuǎn)移方向表以及兩期時間段內(nèi)改變劇烈的土地利用類型的變化明細(xì)表及其空間分布的分析和綜合，可以得出以下結(jié)論。

(1)1995～2000年間，環(huán)渤海地區(qū)六類土地利用的面積與分布都發(fā)生了較大變化，其中增長量最多的為城鄉(xiāng)用地，在城鄉(xiāng)用地面積的增加過程中，未利用地、水域和耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)用地所占的比例最大?？臻g分布上，未利用地和水域的轉(zhuǎn)化多發(fā)生在天津、滄州以及山東的北部沿海地區(qū)，耕地的轉(zhuǎn)化多分布在遼中南以及山東的煙臺至威海一帶。其次水域面積的增長也較大，很大一部分由未利用地轉(zhuǎn)化而來，同時部分水域面積轉(zhuǎn)化為耕地和城鄉(xiāng)用地。未利用地的轉(zhuǎn)化多分布在滄州以及東營等山東北部地區(qū)。水域的轉(zhuǎn)出多分布在唐山-秦皇島-葫蘆島一帶。未利用地面積的減少最多。貢獻(xiàn)最大的就是未利用地向耕地、水域以及城鄉(xiāng)用地的轉(zhuǎn)化。其空間分布多在山東北部的沿海地區(qū)。

(2)2000～2008年間，環(huán)渤海地區(qū)六類土地利用類型同樣發(fā)生較大面積的變化，草地面積減少的最多，對其貢獻(xiàn)最大的是草地向未利用地，耕地以及城鄉(xiāng)用地的轉(zhuǎn)化。這些轉(zhuǎn)化很多分布在山東整個省份的沿海地區(qū)。水域利用類型的增加比較顯著，很多由草地以及城鄉(xiāng)用地轉(zhuǎn)為水域，同時部分水域轉(zhuǎn)為未利用地以及耕地。草地的轉(zhuǎn)化多發(fā)生在山東中北部沿海地區(qū)，秦皇島沿海地區(qū)也有轉(zhuǎn)化，城鄉(xiāng)用地的轉(zhuǎn)化多發(fā)生在唐山-秦皇島沿線以及錦州至營口的部分地區(qū)。城鄉(xiāng)用地類型的增加最多，大部分由耕地和未利用地轉(zhuǎn)化而來。未利用地轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)又是絕大部分分布在山東中北部沿海地區(qū)，耕地的轉(zhuǎn)化則遍布遼寧省整個沿海地區(qū)以及山東的威海-煙臺一帶。

(3)原因分析。這十幾年間，城鄉(xiāng)用地一直呈增長趨勢，可見人口因素對于土地利用變化來說是一個很大的影響因素，人口增長直接關(guān)系到區(qū)域土地利用的規(guī)劃，比如人口急劇增加，那么居民用地必須隨之增多才能改善人民的居住問題，同時人口的增多和減少也會影響到城市化的進(jìn)展，人口的增多必然影響到就業(yè)的問題。環(huán)渤海地區(qū)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展極具潛力的地區(qū)，這十幾年來經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然導(dǎo)致人口的增多也就使得居民用地大量地增加。同時經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也必然導(dǎo)致大量地未利用地開發(fā)為其他土地利用類型，環(huán)渤海地區(qū)很重要的水資源包括濕地資源等近十幾年來也是一直增加，這也說明了該地區(qū)的政府以及人民對該資源的開發(fā)和利用程度也在不斷加深。但是草地、耕地以及林地的減少卻不容忽視，這往往是由于人口的壓力以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求所造成的，今后環(huán)渤海地區(qū)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)考慮到對這些用地類型的保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉紀(jì)遠(yuǎn)，劉明亮，莊大方，等.中國近期土地利用變化的空間格局分析[J].中國科學(xué)，2002(12):1031～1040，1058～1060.

[2]史培軍.人地系統(tǒng)動力學(xué)研究的現(xiàn)狀與展望[J].地學(xué)前緣，1997(Z1):205～215.

[3]Wanhui Yu，Shuying Zang，Changshan Wu，ea al.Analyzing and modeling land use land cover change (LUCC) in the Daqing City，China[J].Applied Geography，2010(312).

[4]H Thomas Harvey，Michael N，Josselyn.Wetlands restoration and mitigation policies:Comment[J].Environmental Management，1986(105).

[5]Hiller F.S. Lieberman G.J. Introduction to operations research Oakland[J].Ca:Holden-Day，1980(4).

Research on Land Utilization AroundBohaiSea Based on Transfer Matrix

Tao Yunzhi, Zhang Tian, Liang Qizhen, Li Wen

(CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

Abstract:Land utilizationhas been the most popular research direction amongdomestic and foreign scholars in recent decades.Based on the transfer matrix analysis of five kilometers around BohaiSea area,the article generates the statistics of transfer direction ofland utilizationand spatial distribution mapsof area change of different types′land utilization.Then the article explores the development of economic structure of regional industries in the area around BohaiSea during the last decades.The article points out the problems and shortcomings,which offersome suggestions for the future sustainable development of the area around Bohai Sea.

Key words:land utilization;the Bohai Sea;buffer zone;transfer matrix

文章編號：1674-9944(2016)02-0004-04

中圖分類號：TU984

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：陶蘊(yùn)之(1990— )，男，安徽淮南人，浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院碩士研究生。

收稿日期：2015-11-06