喀斯特地區(qū)城市化進程中土地利用/覆蓋時空變化研究
——以貴陽市為例*

肖玖軍，邢　丹，謝元貴，廖小鋒，周　焱

(1貴州省山地資源研究所，貴州　貴陽　550001；2貴州省辣椒研究所，貴州　貴陽　550009；3貴州大學　土地規(guī)劃與信息技術(shù)研究所，貴州　貴陽　550025；4貴州大學 農(nóng)學院，貴州　貴陽　550025)

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喀斯特地區(qū)城市化進程中土地利用/覆蓋時空變化研究
——以貴陽市為例*

肖玖軍1，邢丹2，謝元貴1，廖小鋒1，周焱3，4▲

(1貴州省山地資源研究所，貴州貴陽550001；2貴州省辣椒研究所，貴州貴陽550009；3貴州大學土地規(guī)劃與信息技術(shù)研究所，貴州貴陽550025；4貴州大學 農(nóng)學院，貴州貴陽550025)

摘要：喀斯特地區(qū)是我國生態(tài)脆弱區(qū)之一。近年來，隨著西部大開發(fā)的不斷深入，經(jīng)濟社會快速發(fā)展，城市化速度加快，研究其土地利用 / 覆蓋時空變化，對該區(qū)域土地管理與城市規(guī)劃具有重要意義。在RS和GIS技術(shù)的支持下，應用1986、1995和2000年三期TM影像以及2006年CBERS-01影像，得到貴陽市四期土地利用數(shù)據(jù)。從土地利用 / 覆蓋變化速度和空間變化兩方面對貴陽市城市化進程中的時空變化進行研究。結(jié)果表明：貴陽市土地利用 / 覆蓋變化劇烈，主要有持續(xù)增加型，先增后減型，先減后增型。在整個研究期內(nèi)，建設用地持續(xù)增加，各土地利用 / 覆蓋類型重心變化呈現(xiàn)出此消彼長的態(tài)勢。除主城區(qū)建設用地面積有較大增加外，各郊區(qū)城鎮(zhèn)建設亦得到較大發(fā)展。城區(qū)與郊區(qū)間的土地利用 / 覆蓋類型變化存在差異。

關鍵詞：時空變化，土地利用 / 覆蓋，城市化，喀斯特，貴陽市

進入20世紀90年代以來，全球環(huán)境變化研究領域逐漸加強了對土地利用 / 覆蓋變化的研究?！皣H地圈與生物圈計劃”(IGBP)和“全球環(huán)境變化人文計劃”(IHDP)于1995年共同發(fā)起了“土地利用 / 覆蓋變化”(LUCC)研究計劃，并于1995年、1999年發(fā)表了具有重要意義的綱領性文件：“土地利用 / 覆蓋變化科學研究計劃”和“土地利用 / 覆蓋變化執(zhí)行戰(zhàn)略”[1-2]。時空結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟社會客體在空間中相互作用及所形成的空間聚集程度和聚集形態(tài)，是第二次世界大戰(zhàn)以后古典區(qū)位論走向綜合化的產(chǎn)物[3]。土地利用 / 覆蓋時空結(jié)構(gòu)是指各種土地利用 / 覆蓋類型在空間的分布狀況，也包括數(shù)量、等級、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等屬性的時空結(jié)構(gòu)分異性?？赏ㄟ^模擬土地利用 / 覆蓋變化歷史，從而預測土地利用 / 覆蓋時空結(jié)構(gòu)在各種因子的制約下有規(guī)律地轉(zhuǎn)化和遷移，即所謂土地利用 / 覆蓋時空結(jié)構(gòu)演變[4]。目前土地利用 / 覆蓋研究的重點區(qū)域是“熱點地區(qū)”、“脆弱區(qū)”、“典型地區(qū)”。“熱點地區(qū)”如京津唐地區(qū)[5-6]、長江三角洲[7-8]、珠江三角洲[9]等區(qū)域?！按嗳鯀^(qū)”如喀斯特地區(qū)[10]、青藏高原、黃土地區(qū)[11]、綠洲地區(qū)[12]、干旱地區(qū)以及農(nóng)林 / 農(nóng)牧交錯區(qū)[13]等。“典型地區(qū)”如城市邊緣地區(qū)、經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)以及沿海地區(qū)[14]。貴州省位于西南喀斯特地區(qū)的腹地，是全國唯一沒有平原支撐的省份，生態(tài)環(huán)境脆弱，生態(tài)承載力較小，同時，人口眾多，人均耕地少，經(jīng)濟社會落后，是我國貧困問題最突出的省份之一[15]。本文以貴州省會貴陽市作為研究對象，從土地利用 / 覆蓋變化速度、區(qū)域變化和空間變化等方面，研究其城市化進程中土地利用 / 覆蓋時空變化特征，為進一步研究土地利用變化的調(diào)控機制奠定基礎，對喀斯特地區(qū)城市發(fā)展中土地資源供需矛盾處理、政府決策等具有一定科學價值和指導意義。

1研究區(qū)概況

貴陽市地處106°07′～107°17′E，26°11′～26°55′N之間，東南與黔南州的甕安、龍里、惠水、長順4縣接壤，西靠安順市的平壩縣和畢節(jié)市的織金縣，北鄰畢節(jié)市的黔西、金沙兩縣和遵義市的遵義縣。總地勢西南高、東北低，苗嶺橫延市境，崗阜起伏，剝蝕丘陵與盆地、谷地、洼地相間，中部層狀地貌明顯，峰叢與碟狀洼地、漏斗、伏流、溶洞發(fā)育，屬于以山地、丘陵為主的丘原盆地地區(qū)。地處黔中山原丘陵中部，長江與珠江分水嶺地帶。氣候?qū)儆趤啛釒駶櫆睾托蜌夂?，冬無嚴寒、夏無酷暑，氣候宜人。

貴陽市是貴州省的經(jīng)濟、政治和文化中心，自國家實施西部大開發(fā)以來，貴陽市經(jīng)濟社會快速發(fā)展，全市生產(chǎn)總值由1999年的237.59億元增長到2014年的2 497.27億元，15年年均增長達16.98 %，略高于貴州省平均水平(16.75 %)和全國平均水平(14.63 %)；城市化水平和工業(yè)化程度不斷提高，土地利用 / 覆蓋發(fā)生著劇烈變化。

2研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源與處理

按照國家土地利用類型標準結(jié)合土地資源的覆被特征、經(jīng)營特點、利用方式和研究區(qū)土地利用實際情況，將貴陽市的土地利用類型劃分為耕地(細分為水田和旱地)、林地(細分為針葉林和闊葉林)、草地、建設用地和水域5大類。采用1986年、1995年和2000年的Landsat TM影像(來源于地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)西南山地分中心，軌道號為127 / 041和127 / 042)；2006年的CBERS-01影像(來源于中國資源衛(wèi)星應用中心，軌道號為007 / 070和007 / 071)作為數(shù)據(jù)源，以貴陽市1∶5萬的地形圖為基準，利用Erdas Imagine軟件對影像進行影像鑲嵌、幾何精度校正、影像配準、邊界裁剪、遙感解譯(Kappa系數(shù)分別為0.88、0.85、0.89和0.91)、分類后處理(聚類統(tǒng)計→去除分析→分類重編碼→柵矢轉(zhuǎn)換)。并利用ARC / INFO 提取土地利用 / 覆蓋數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

2.2土地利用 / 覆蓋時空分析模型

2.2.1土地利用 / 覆蓋變化速度

土地資源數(shù)量變化可用土地利用動態(tài)度來表示，包括單一動態(tài)度和綜合動態(tài)度。

單一動態(tài)度是指某一地區(qū)在某一時段內(nèi)某種土地利用 / 覆蓋類型的數(shù)量變化情況，其表達式為：

(1)

式中：K為T時段內(nèi)某種土地利用 / 覆蓋類型單一動態(tài)度；Ua和Ub分別為研究期初和期末某種土地利用 / 覆蓋類型的數(shù)量；T為研究時段長度，當T設為年時，K為某種土地利用 / 覆蓋類型的年變化率。

綜合動態(tài)度是指某一地區(qū)在某一時段內(nèi)綜合的土地利用 / 覆蓋類型的數(shù)量變化情況，其表達式為：

(2)

式中：LC為T時段內(nèi)某種土地利用 / 覆蓋類型綜合動態(tài)度；LUi為監(jiān)測起始時刻第i類土地利用 / 覆蓋類型的面積；△LUi-j為監(jiān)測時段第i類土地利用 / 覆蓋類型轉(zhuǎn)為第j類土地利用 / 覆蓋類型面積的絕對值；T為監(jiān)測時段長度[16]。

動態(tài)度表示研究期間各類型的變化(增加或減少)幅度或快慢，是一個相對值，可以表示該類型相對穩(wěn)定程度，動態(tài)度越小，表明該類越穩(wěn)定。

2.2.2土地利用 / 覆蓋空間變化

(1)土地利用 / 覆蓋區(qū)域變化

土地利用 / 覆蓋變化存在顯著的地區(qū)差異，可以用各區(qū)域某種土地利用 / 覆蓋類型相對變化率來反映區(qū)域之間的差異，即：

(3)

式中：Rj1為第j1區(qū)域相對全研究區(qū)的某種土地利用 /覆蓋類型的相對變化率；Ca和Cb分別為全區(qū)在研究期初和期末的某種土地利用 / 覆蓋類型的總面積；如果Rj1>1，表示第j1區(qū)域相對于全區(qū)的某種土地利用 / 覆蓋類型變化大。

(2)土地利用 / 覆蓋空間變化

土地利用 / 覆蓋類型的空間變化，可以通過土地利用 / 覆蓋類型分布重心的變化來反映。通過比較一個地區(qū)研究期末和期初的各種土地利用 / 覆蓋類型的分布重心，可以得到研究時段內(nèi)土地利用 / 覆蓋空間變化的信息。土地利用 / 覆蓋類型的分布重心可以根據(jù)一般的中心公式求得，第t時刻某種土地利用 / 覆蓋類型分布重心的坐標計算公式為：

(4)式中：Xt和Yt分別表示第t年某種土地資源分布重心的坐標；Ct，i表示第i個小區(qū)該種土地資源的面積；Xi和Yi分別表示第i個小區(qū)的幾何中心的坐標。

3結(jié)果與分析

3.11986—1995年

1986年，貴陽市的優(yōu)勢土地利用 / 覆蓋類型是耕地和林地，合占研究區(qū)的91.782 1 %，草地、建設用地、水域分別占研究區(qū)總面積的4.864 5 %、2.376 3 %、0.977 1 %(表1)。9年間，發(fā)生增加的類型有旱地、針葉林、建設用地和水域，其中，增幅最大的是建設用地，減幅最大的是草地。土地利用 / 覆蓋綜合動態(tài)度為6.506 3 %(表2)。各地類的變化過程和速率有所不同(表3和圖1)，具體為：1)水田由16.428 2 %降為14.611 1 %，重心向東南方向移動3.039 9km，花溪區(qū)、南明區(qū)和云巖區(qū)的水田變化較大，城區(qū)>郊區(qū)。2)旱地由33.618 1 %增為35.593 8 %，重心向西北方向移動3.548 4km，白云區(qū)、烏當區(qū)和小河區(qū)的旱地變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。3)針葉林由17.662 3 %增為22.904 2 %，重心向西南方向移動2.109 8 km，白云區(qū)、花溪區(qū)、烏當區(qū)和小河區(qū)的針葉林變化高于全貴陽市的針葉林變化，郊區(qū)>城區(qū)。4)闊葉林由24.073 5 %降為19.897 3 %，重心向東南方向移動4.215 9 km，花溪區(qū)的闊葉林變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。5)草地由4.864 5 %降為2.637 0 %，重心向西北方向移動3.033 7 km，白云區(qū)、南明區(qū)、烏當區(qū)和云巖區(qū)的草地變化較大，城區(qū)>郊區(qū)。6)建設用地由2.376 3 %增為3.246 5 %，重心向北方移動0.857 0 km，白云區(qū)、花溪區(qū)和烏當區(qū)的建設用地變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。7)水域由0.977 1 %增為1.110 2 %，重心向西南方向移動1.090 0 km，烏當區(qū)、小河區(qū)和云巖區(qū)的水域變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。

表2　貴陽市1986—2006年土地利用 / 覆蓋動態(tài)度

3.21995—2000年

1995年，貴陽市的優(yōu)勢土地利用 / 覆蓋類型是耕地和林地，合占研究區(qū)的93.006 3 %，草地、建設用地、水域分別占研究區(qū)總面積的2.637 0 %、3.246 5 %、1.110 2 %。5年間，發(fā)生增加的類型有水田、旱地、草地和建設用地，其中增幅最大的是草地，減幅最大的是針葉林；土地利用 / 覆蓋綜合動態(tài)度為6.574 5 %，各地類情況具體為：1)水田結(jié)構(gòu)由14.611 1 %增為17.200 5 %，重心向西方移動0.998 7 km，南明區(qū)、烏當區(qū)和小河區(qū)的水田變化較大，城區(qū)>郊區(qū)。2)旱地由35.593 8 %增為36.127 0 %，重心向西南方向移動7.996 0 km，花溪區(qū)、南明區(qū)、小河區(qū)和云巖區(qū)的旱地變化較大，城區(qū)>郊區(qū)。3)針葉林結(jié)構(gòu)由17.662 3 %降為22.904 2 %，重心向東北方向移動9.021 3 km，白云區(qū)和烏當區(qū)的針葉林變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。4)闊葉林結(jié)構(gòu)由19.897 3 %降為15.685 5 %，重心向東北方向移動10.456 8 km，白云區(qū)、烏當區(qū)和云巖區(qū)的闊葉林變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。5)草地由2.637 0 %增為7.456 4 %，重心向東北方向移動4.289 1 km，白云區(qū)和花溪區(qū)的草地變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。6)建設用地由3.246 5 %增為5.701 0 %，重心向東南方向移動1.685 7 km，花溪區(qū)和烏當區(qū)的建設用地變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。7)水域由1.110 2 %降為0.925 7 %，重心向北方移動2.518 2 km，白云區(qū)、烏當區(qū)和小河區(qū)的水域變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。

表3　貴陽市1986—2006年土地利用 / 覆蓋區(qū)域變化

注：圖中坐標系為北京54坐標，投影帶類型為6°帶，投影帶序號為18。

圖1貴陽市各土地利用 / 覆蓋類型重心變化圖(單位：m)

Fig.1The center of gravity change of each land use and cover type of Guiyang(Unit：m)

3.32000—2006年

2000年，貴陽市的優(yōu)勢土地利用 / 覆蓋類型是耕地和林地，合占研究區(qū)的85.182 7 %，草地、建設用地、水域分別占研究區(qū)總面積的5.465 3 %、8.335 2 %、1.016 7 %。5年間，發(fā)生增加的類型有旱地、針葉林、建設用地和水域，其中增幅最大的是針葉林，減幅最大的是水田。土地利用 / 覆蓋綜合動態(tài)度為6.354 9 %，各地類情況具體為：1)水田由17.200 5降為8.036 9 %，重心向西北方向移動4.401 5 km，白云區(qū)和烏當區(qū)的水田變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。2)旱地由36.127 0 %增為41.292 3 %，重心向東北方向移動3.727 4 km，白云區(qū)和烏當區(qū)的旱地變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。3)針葉林由16.903 9 %增為24.461 5 %，重心向西南方向移動5.655 2 km，花溪區(qū)、南明區(qū)、小河區(qū)和云巖區(qū)的針葉林變化較大，城區(qū)>郊區(qū)。4)闊葉林由15.685 5 %降為11.392 0 %，重心向西南方向移動5.757 7 km，花溪區(qū)、南明區(qū)、小河區(qū)和云巖區(qū)的闊葉林變化較大，城區(qū)>郊區(qū)。5)草地由7.456 4 %降為5.465 3 %，重心向東南方向移動1.848 8 km，烏當區(qū)和小河區(qū)的草地變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。6)建設用地由5.701 0 %增為8.335 2 %，重心向西北方向移動2.062 8 km，白云區(qū)和烏當區(qū)的建設用地變化較大，郊區(qū)>城區(qū)。7)水域由0.925 7 %增為1.016 7 %，重心向東南方向移動3.637 6 km，白云區(qū)、花溪區(qū)、南明區(qū)和云巖區(qū)的建設用地變化較大，城區(qū)>郊區(qū)。

4結(jié)果與討論

利用3S技術(shù)獲得貴陽市20年來3個時間段(1986—1995年，1995—2000年，2000—2006年)土地利用 / 覆蓋類型面積，從變化的幅度、速度、程度、重心變化及空間分布等進行時空演變分析，結(jié)果表明：

1)研究期間貴陽市土地利用 / 覆蓋發(fā)生了劇烈波動，不同時段變化情況各不相同，主要有持續(xù)增加型，先增后減型，先減后增型。旱地、針葉林、建設用地和水域在1986—1995年間發(fā)生了增加，增幅最大的是建設用地，其次是針葉林，旱地最小。而在1995—2000年的5年間一些類型發(fā)生了不同程度的增加，增加的類型有水田、旱地、草地和建設用地。在2000—2006年間增加的地類為旱地、針葉林、建設用地和水域。3個時段中建設用地持續(xù)增加，從1986年的5 742.319 6 hm2增加到2006年的20 142.164 7 hm2，凈增14 399.845 1 hm2。

2)3個時段的土地利用 / 覆蓋變化強度差異較大，這種差異表現(xiàn)在單一動態(tài)度、綜合動態(tài)度、重心變化等指標。1986—1995年，研究區(qū)的綜合動態(tài)度為6.506 3 %，其中建設用地單一動態(tài)度最大，為4.068 9 %，草地單一動態(tài)度最小，為-5.087 9 %；闊葉林的重心轉(zhuǎn)移最大，達4.215 9 km，建設用地的重心轉(zhuǎn)移最小，僅0.857 0 km。1995—2000年，研究區(qū)的綜合動態(tài)度為6.574 5 %，草地單一動態(tài)度最大，為36.552 6 %，其次建設用地，為15.121 3 %，針葉林單一動態(tài)度最小，為-5.239 5 %；闊葉林的重心轉(zhuǎn)移最大，達10.456 8 km，其次針葉林，為9.021 3 km，水田的重心轉(zhuǎn)移最小，僅0.998 7 km；2000—2006年，研究區(qū)的綜合動態(tài)度為6.354 9 %，建設用地單一動態(tài)度最大，為7.700 9 %，水田單一動態(tài)度最小，為-8.879 1 %；闊葉林的重心轉(zhuǎn)移最大，達5.757 7 km，其次針葉林，為5.655 2 km，草地的重心轉(zhuǎn)移最小，僅1.848 8 km。

3)各土地利用 / 覆蓋類型重心變化呈現(xiàn)出此消彼長的態(tài)勢，突出表現(xiàn)在耕地、林地和建設用地3個類型變化上，耕地和建設用地的重心變化為北—南—北，而林地的重心變化則與之相反，為南—北—南。

4)不同土地利用 / 覆蓋類型變化在區(qū)域間存在差異，按照城區(qū)和郊區(qū)分，水田變化趨勢為快-快-慢型，即1986—1995年，城區(qū)水田變化速度高于郊區(qū)水田變化速度；1995—2000年，城區(qū)水田變化高于郊區(qū)水田變化；2000—2006年，城區(qū)水田變化低于于郊區(qū)水田變化。而針葉林、闊葉林和水域變化則與水田變化相反，為慢-慢-快型；旱地變化趨勢為慢-快-慢型；草地變化為快-慢-慢型；建設用地變化為慢-慢-慢型。

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收稿日期：2016-01-09；修回日期：2016-02-29

*基金項目：貴州省國土資源廳2014年財政專項資金項目；貴州省科學技術(shù)基金(黔科合J字[2007]2154號)。

作者簡介：肖玖軍(1983-)，男，碩士，助理研究員。研究方向：土地資源與水土保持。

通訊作者：▲周焱(1963-)，女，博士，教授。研究方向：土地資源及利用。

中圖分類號：F301.24

文獻標識碼：A

文章編號：1003-6563(2016)03-0046-07

Temporal and spatial variation of land use and cover in the course of urbanization in karst area*——with example of Guiyang City

XIAO Jiujun1，XING Dan2，XIE Yuangui1，LIAO Xiaofeng1，ZHOU Yan3，4▲

(1InstituteofMountainResourcesofGuizhouprovince，Guiyang550001，China；2InstituteofPepperofGuizhouprovince，Guiyang550009，China；3InstituteofLandPlanandInformationTechnology，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China；4AgriculturalCollege，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China)

Abstract：Karst area is one of ecological fragile regions，in which economy and society are relatively backward.In recent years，with the deepening of the western China development，rapid economic and social development，and accelerating the pace of urbanization，studying the temporal and spatial variation of land use and cover is of great significance to the land management and urban planning in Karst area.Based on RS & GIS，the land use data of Guiyang were obtained from TM images of 1986，1995 and 2000 years，as well as CBERS-01 of 2006 year.Temporal and spatial variation in the course of urbanization in Guiyang was studied from two aspects，which were changing speed and spatial variation of land use and cover.The results showed that land use and cover change violently in study ar-ea with continuous increasing.Construction land was increased continuously during the whole study period.The gravity center shift of land use and cover type showed the trade-off trend.The urban construction developed rapidly in main urban area.LUCC are different between urban area and suburb.

Keywords：temporal and spatial variation，land use and cover，urbanization，karst，Guiyang