三江平原典型流域土地利用格局變化與空間分異研究

周 浩 雷國平 楊雪昕

(東北大學(xué)土地管理研究所， 沈陽 110169)

三江平原典型流域土地利用格局變化與空間分異研究

周 浩 雷國平 楊雪昕

(東北大學(xué)土地管理研究所， 沈陽 110169)

以遙感和DEM數(shù)據(jù)為基本信息源，基于網(wǎng)格采樣研究方法，利用動(dòng)態(tài)度模型分析土地利用空間異質(zhì)性規(guī)律，并從集水小區(qū)角度出發(fā)研究土地利用空間自相關(guān)格局。結(jié)果表明：撓力河流域土地利用變化呈現(xiàn)明顯的階段性，1990—2002年耕地面積增幅最大，且以水田增加為主，2002—2014年整體面積變化趨于緩和；1990—2002年土地利用變化劇烈程度顯著強(qiáng)于2002—2014年，前后以趨緩為主，加劇區(qū)域較少；流域不同方向上動(dòng)態(tài)度均具有較好的擬合趨勢，不同時(shí)間段擬合趨勢差異大，但基本保持東北方向變化劇烈程度強(qiáng)于西南方向的態(tài)勢；1990—2002年，各集水小區(qū)動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)明顯的高-高型和低-低型集聚趨勢，空間自相關(guān)關(guān)系顯著，2002—2014年，高-高型數(shù)量顯著減少，且多為旱地水田化發(fā)生區(qū)，動(dòng)態(tài)度集聚性變差，差異逐漸趨于緩和，未來應(yīng)根據(jù)集水小區(qū)的空間自相關(guān)格局進(jìn)行土地利用開發(fā)管理，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高-高型土地利用問題，適當(dāng)挖掘低-低型開發(fā)潛力，對高-低型進(jìn)行開發(fā)控制，對低-高型進(jìn)行重點(diǎn)開發(fā)引導(dǎo)。

土地利用； 變化； 動(dòng)態(tài)度； 集水小區(qū)； 空間自相關(guān)； 撓力河流域

引言

以CO2濃度、地表溫度升高和降水時(shí)空異質(zhì)性增大為主要特征的全球氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)造成了深刻的影響，這種影響對我國北方旱區(qū)農(nóng)業(yè)表現(xiàn)尤其顯著[1]。三江平原地處中高緯度和歐亞大陸東端，增溫幅度高于全球同期水平，年降水量呈略減小趨勢[2]，特別是20世紀(jì)90年代中期以來，逐漸進(jìn)入降水減少和干旱多發(fā)階段[3-4]。三江平原應(yīng)對全球氣候變化的適應(yīng)性對策之一是調(diào)整耕地以及耕地內(nèi)部結(jié)構(gòu)(旱地和水田)的布局，但也隨之導(dǎo)致其他用地類型發(fā)生改變，具體表現(xiàn)為：在全國耕地面積減少的背景下，三江平原耕地面積顯著增加，隨著積溫帶的北移東擴(kuò)，耕地墾殖由南向北、由西向東不斷推進(jìn)[5]，其中水稻種植區(qū)北界由20世紀(jì)80年代前期的47°N移至51°N附近[6-7]，濕地基質(zhì)逐漸變?yōu)檗r(nóng)田基質(zhì)，林地退縮，草地幾乎被耕地所替代[8]，該地區(qū)在國家糧食安全戰(zhàn)略中的地位逐漸提升，土地利用問題受到學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。

學(xué)者圍繞三江平原地區(qū)的土地利用問題開展了大量研究。在研究對象上，多圍繞耕地墾殖開發(fā)[8]、濕地退縮及農(nóng)田化[9]、土地利用變化驅(qū)動(dòng)力[10]和景觀生態(tài)格局[11-12]等方面，其研究個(gè)體一般為行政管理單元或其組合體[13-14]；研究方法上，多從模型化出發(fā)來簡化土地利用過程，分析其基本模式、數(shù)量結(jié)構(gòu)和空間格局[9，15]。已有研究較為系統(tǒng)和成熟，但仍然存在進(jìn)一步研究的必要：流域內(nèi)部水文循環(huán)完整且系統(tǒng)，而水資源是土地利用變化中最敏感的環(huán)境要素，相比于行政管理單元，從流域角度進(jìn)行土地利用管理將更加符合土地利用的內(nèi)在自身演化規(guī)律[16]。雖然已有部分以流域?yàn)檠芯總€(gè)體的研究成果，但其本質(zhì)仍是“輪廓”，依據(jù)流域集水特性，劃分研究單元，遵循其動(dòng)態(tài)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律性，而非單純地人為分割單元，以此開展土地利用格局的異質(zhì)性研究，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。地理學(xué)第一定律認(rèn)為，任何事物之間都是相互聯(lián)系的，而離的較近的事物總比離的較遠(yuǎn)的事物聯(lián)系度高[17-18]。該定律決定了土地利用變化空間自相關(guān)存在的客觀性，通過空間自相關(guān)度量，可以用來檢驗(yàn)在土地利用空間格局變化不同空間位置上的相關(guān)性。將空間自相關(guān)研究與GIS相結(jié)合，可以有效地展示出空間單元的位置及其與其他空間單元之間的相互關(guān)系，目前該地區(qū)相關(guān)研究匱乏。已有研究常采用動(dòng)態(tài)度模型反映土地利用變化速度的差異性，但動(dòng)態(tài)度模型僅單純從數(shù)量上進(jìn)行變化的描述，然而考慮到土地利用變化的異質(zhì)性，同一地區(qū)不同位置上的變化速度是不一樣的。

撓力河流域(131°31′～134°10′E、45°43′～47°45′N)恰為三江平原變暖現(xiàn)象突出的緯度位置，是三江平原最為典型的流域之一。近50 a當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)開發(fā)活動(dòng)特別強(qiáng)烈，尤其是20世紀(jì)90年代以來國家進(jìn)入經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展時(shí)期后，流域當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)大量濕地開墾為耕地、水利工程修建等現(xiàn)象，導(dǎo)致該地區(qū)濕地大面積喪失、結(jié)構(gòu)破壞和功能退化[19]，同時(shí)當(dāng)?shù)卣疄閷Φ屯菀诐澈档剡M(jìn)行改造，大力推行“以稻治澇”的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策，耕地內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化劇烈。研究撓力河流域土地利用開發(fā)管理問題對整個(gè)三江平原地區(qū)將具有很好的推廣示范作用。因此，本文以三江平原地區(qū)的撓力河流域?yàn)檠芯繉ο?，選用通用的土地利用動(dòng)態(tài)度模型，確定空間化處理尺度，研究流域土地利用變化特征，探討其異質(zhì)性規(guī)律，并對流域進(jìn)行集水分區(qū)，運(yùn)用空間自相關(guān)分析方法分析當(dāng)?shù)赝恋乩米兓臻g自相關(guān)格局，以期為土地合理利用開發(fā)提供決策支持和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

撓力河流域地處三江平原腹地，面積2.30×104km2，屬半干旱地帶，為中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季寒冷漫長，流域多年平均降水量518 mm，降水分布不均勻，主要集中在6—9月份，春季干旱頻繁，秋季多洪澇災(zāi)害；流域地形上呈現(xiàn)西南高、東北低的態(tài)勢，水系自西南流向東北。地貌類型主要由山地與平原兩部分組成，山地占流域面積的38.3%，主要分布于流域西南部和南部，平原占61.7%，主要分布于流域北部和中部的內(nèi)、外七星河及撓力河中游地區(qū)；目前該區(qū)已建成7個(gè)縣(區(qū))，7個(gè)現(xiàn)代化農(nóng)場，總?cè)丝谶_(dá)到125萬，其中農(nóng)業(yè)人口占65.4%，已成為三江平原主要產(chǎn)糧食區(qū)和國家重要商品糧基地。圖1為撓力河流域地理位置示意圖，其中左上圖為黑龍江省，左下圖為三江平原，右圖為撓力河流域。

圖1 撓力河流域地理位置示意圖Fig.1 Location of Naoli River Basin

撓力河流域農(nóng)業(yè)開發(fā)活動(dòng)非?；钴S，建國以來經(jīng)歷多次大規(guī)模土地開發(fā)，其中1990—2002年是第4次墾荒高潮，當(dāng)?shù)卣扇≠Y金補(bǔ)貼等相關(guān)政策，推行“以稻治澇”種植模式，大量低洼旱地改造為水田，土地利用格局變化劇烈，相關(guān)資料顯示，至2002年，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策基本推行完畢，因此，本文研究時(shí)點(diǎn)確定為1990、2002、2014年，以揭示該地區(qū)土地利用格局變化及空間分異特征。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

土地利用數(shù)據(jù)原始信息源來自美國陸地資源衛(wèi)星1990、2002、2014年Landsat TM/OLI多光譜遙感影像，該類型影像云量少，圖像質(zhì)量良好，便于數(shù)據(jù)處理和土地利用信息提取。參照全國土地利用分類體系并結(jié)合流域土地利用現(xiàn)狀和研究目標(biāo)，確定該研究區(qū)土地利用類型為耕地(包括旱地和水田)、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類。為保證人工目視解譯精度，以流域境內(nèi)的各縣(區(qū))全國第二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)(2009年)為底圖，根據(jù)經(jīng)幾何糾正及RGB假彩色合成后的影像色調(diào)、紋理等特征，并配合流域野外地物調(diào)查結(jié)果(圖2)，進(jìn)行地物類型斑塊的修改和圖層的拼接，并采用Google Earth軟件進(jìn)行精度驗(yàn)證，最終得到流域3期土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。高程數(shù)據(jù)來自SRTM的DEM數(shù)據(jù)，精度為90 m，利用ArcGIS水文模塊進(jìn)行洼地填充得到無洼地DEM。研究中各圖件經(jīng)投影變換統(tǒng)一轉(zhuǎn)為Albers雙標(biāo)準(zhǔn)緯線等積投影。

圖2 撓力河流域典型地物樣本Fig.2 Typical features of Naoli River Basin

2 研究方法

2.1 土地利用變化動(dòng)態(tài)分析

2.1.1 土地利用動(dòng)態(tài)度模型

在自然和人為因素影響下，區(qū)域時(shí)間段、空間位置存在差異，其不同土地利用類型的變化幅度和速度是不同的。變化幅度為研究時(shí)段初、末的面積差值，變化速度運(yùn)用動(dòng)態(tài)度模型進(jìn)行定量描述，可以分為單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度[20-21]。

單一土地利用動(dòng)態(tài)度表征某一土地利用類型在研究期內(nèi)的面積變化情況，計(jì)算公式為

(1)

式中K——某地類單一土地利用動(dòng)態(tài)度Ua——某地類研究期初期面積，km2Ub——某地類研究期末期面積，km2T——研究時(shí)段長度，a

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度反映區(qū)域內(nèi)所有地類在研究期內(nèi)的總體變化情況，其計(jì)算式為

(2)

式中LC——綜合土地利用動(dòng)態(tài)度LUi——研究期初期i類土地面積，km2LUi-j——i類土地變?yōu)閖類土地的面積，km2n——研究區(qū)地類總數(shù)目

2.1.2 動(dòng)態(tài)度空間化處理

動(dòng)態(tài)度模型僅從數(shù)量上描述某一單元的整體土地利用變化速度情況，但實(shí)際中，同一單元在不同空間位置上的土地利用變化特點(diǎn)是不同的。景觀生態(tài)學(xué)中，常采用土地利用網(wǎng)格采樣來實(shí)現(xiàn)景觀格局特征的描述，一般認(rèn)為平均斑塊面積的2～5倍能較好反映采樣區(qū)周圍景觀格局異質(zhì)性特征，且地統(tǒng)計(jì)學(xué)中趨勢分析，能有效反映空間數(shù)據(jù)在區(qū)域全局的變化趨勢，土地利用動(dòng)態(tài)變化直接導(dǎo)致景觀特征發(fā)生改變，因此，從土地利用變化動(dòng)態(tài)度，即加入時(shí)間序列的土地利用變化空間分異和趨勢的變化量視角出發(fā)，引入景觀生態(tài)學(xué)中反映景觀格局特征的網(wǎng)格采樣研究方法，實(shí)現(xiàn)土地利用綜合動(dòng)態(tài)度指數(shù)的空間化。根據(jù)流域?qū)嶋H情況，最終確定網(wǎng)格采樣尺寸為5 km×5 km(共有樣區(qū)1 034個(gè))，如圖3所示。

圖3 撓力河流域土地利用變化采樣小區(qū)劃分Fig.3 Division of land use change sampling in Naoli River Basin

2.2 流域分區(qū)

圖4 撓力河流域小區(qū)劃分Fig.4 Division of catchments in Naoli River Basin

流域作為獨(dú)立的水文集水單元，其內(nèi)部水文循環(huán)完整且系統(tǒng)，一個(gè)完整的流域由大小不等、各式各樣的集水小區(qū)組成。為探尋不同集水區(qū)條件下土地利用變化特征，本研究基于DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)ArcGIS 10.2洼地填充計(jì)算等前期處理，利用水流徑流模塊對撓力河流域進(jìn)行集水小區(qū)分割，共劃分為75個(gè)集水小區(qū)，將集水小區(qū)與地貌分布數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加后取其典型地貌為該集水小區(qū)的地貌類型，并將各集水小區(qū)分別命名為LA-0、LF-1、LF-2、…、LS-74，各子集水小區(qū)分布情況如圖4所示，其中LA、LF、LH、LT、LS分別代表低海拔高度沖擊平原、沖積扇平原、低山丘陵區(qū)、沖擊洪積臺地和低海拔高度小起伏山地5種主要的地貌類型。

2.3 空間關(guān)聯(lián)描述分析

土地利用變化作為地理過程現(xiàn)象，通過檢驗(yàn)其空間自相關(guān)特征，可以分析某一位置的要素觀測值與相鄰位置上的觀測值關(guān)聯(lián)程度情況，可分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)分析。

2.3.1 全局空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)用來描述整個(gè)研究區(qū)域的空間分布模式和度量屬性值在整個(gè)區(qū)域的分布態(tài)勢，對于本研究而言，即表示整個(gè)流域集水小區(qū)土地利用變化動(dòng)態(tài)度空間分布的內(nèi)部關(guān)聯(lián)性特征，可用全局空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量Moran’sI進(jìn)行表征，其值域范圍為-1≤I≤1，指數(shù)為正表示空間正相關(guān)，指數(shù)為負(fù)表示空間負(fù)相關(guān)，零為空間不相關(guān)，I值越大，表示在空間分布上的關(guān)聯(lián)性越大，聚集性越強(qiáng)。

(3)

當(dāng)i和j為鄰近空間關(guān)系時(shí)，wij=1；反之，wij=0。

Moran’sI需進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，一般采用Z值進(jìn)行檢驗(yàn)[22]，當(dāng)Z<-1.96或Z>1.96時(shí)，P<0.05，即置信度大于95%。

2.3.2 局部空間自相關(guān)

土地利用變化動(dòng)態(tài)度是一種典型的區(qū)域化變量。在進(jìn)行空間自相關(guān)分析中，全局Moran’sI指數(shù)作為一種總體統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，只能顯示某一區(qū)域與周邊區(qū)域空間差異的平均程度，在一定程度上掩蓋了區(qū)域的局部空間特征，不能全面反映流域內(nèi)部土地利用變化的空間關(guān)系?？臻g關(guān)聯(lián)局域指標(biāo)(Local indicators of spatial association，LISA)用來衡量觀測單元屬性值與周邊單元屬性值的相近(正相關(guān))或差異(負(fù)相關(guān))程度，其結(jié)果可采用地圖可視化手段來表達(dá)。LISA指數(shù)被定義為

(4)

其中

式中S2——xq觀測單元的方差m——觀測單元總數(shù)目

若Ip>0，表示該區(qū)域單元周圍相似值(高值或低值)在空間上的聚集，Ip<0則表示非相似值在空間上的聚集。

本文設(shè)定的空間相關(guān)分析單元為集水小區(qū)，將集水小區(qū)與動(dòng)態(tài)度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)，取其平均值作為對應(yīng)集水小區(qū)動(dòng)態(tài)度，并將其作為觀測變量，選用基于鄰接的Queen規(guī)則進(jìn)行空間自相關(guān)性分析?？紤]到集水小區(qū)間面積差異，其暗含的穩(wěn)定性假設(shè)可能被比率的內(nèi)在方差不穩(wěn)定性推翻，方差的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致自相關(guān)性的錯(cuò)誤推斷，為此，本文采用經(jīng)驗(yàn)貝葉斯標(biāo)準(zhǔn)化方法對動(dòng)態(tài)度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理予以糾正，利用標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間自相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化特征

依據(jù)撓力河流域1990、2002、2014年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，分析3個(gè)時(shí)點(diǎn)土地利用變化特征，結(jié)果如圖5和表1所示。研究發(fā)現(xiàn)，撓力河流域土地利用變化呈現(xiàn)明顯的階段性：1990—2002年，耕地面積增幅最大，且其變化以水田面積增加為主，相對比例由8.12%增加至20.37%，增加幅度為12.25個(gè)百分點(diǎn)，“水田化”進(jìn)程強(qiáng)烈，而期間旱地面積僅增加0.77個(gè)百分點(diǎn)。由于流域當(dāng)?shù)貕ㄖ郴顒?dòng)非常強(qiáng)烈，未利用地面積下降極其明顯，1990年其面積比例為8.25%，2002年僅占1.34%，下降幅度為6.91個(gè)百分點(diǎn)，林地、草地和水域用地均出現(xiàn)不同程度的下降態(tài)勢，幅度依次為3.49、0.23、2.57個(gè)百分點(diǎn)；2002—2014年，土地利用變化整體趨于緩和。水田面積繼續(xù)保持增長，但增長幅度明顯放緩，增幅僅2.46個(gè)百分點(diǎn)，而旱地面積比例則降至42.20%。草地面積基本保持不變，變化幅度為0.06個(gè)百分點(diǎn)，林地和未利用地面積仍維持下降趨勢，幅度分別為0.29和0.22個(gè)百分點(diǎn)。由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，2014年增至1.92%?？傮w而言，24 a間流域水田擴(kuò)張極其劇烈，未利用地面積持續(xù)下降，但土地利用變化總體逐漸趨于緩和。

圖5 1990—2014年撓力河流域土地利用現(xiàn)狀圖Fig.5 Land use maps in Naoli River Basin from 1990 to 2014

表1 1990—2014年間撓力河流域各土地利用類型面積比例Tab.1 Area ratio of each land use type in Naoli River Basin from 1990 to 2014 %

3.2 土地利用變化動(dòng)態(tài)度

3.2.1 動(dòng)態(tài)度時(shí)空變化特征

圖6 撓力河流域土地利用綜合動(dòng)態(tài)度變化情況Fig.6 Comprehensive changes of land use dynamic degree in Naoli River Basin

通過計(jì)算單個(gè)采樣樣區(qū)的綜合動(dòng)態(tài)度，并將其視作采樣格網(wǎng)的中心點(diǎn)值，選用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的Kriging插值方法進(jìn)行前、后2個(gè)時(shí)間段(1990—2002年和2002—2014年)動(dòng)態(tài)度的空間化處理(圖6a、6b)。結(jié)果顯示，流域東部和南部多為低山丘陵帶，土地利用變化平緩，為流域動(dòng)態(tài)度的低值集中區(qū)。流域中部以及北部地勢平緩，土地開發(fā)及生產(chǎn)條件優(yōu)越，受人類活動(dòng)潛在干擾程度高，動(dòng)態(tài)度偏高。另外，2個(gè)時(shí)間段動(dòng)態(tài)度分布差異較大。1990—2002年，內(nèi)、外七星河周邊地區(qū)土地利用開發(fā)活動(dòng)強(qiáng)烈，動(dòng)態(tài)度偏高，其最高值達(dá)到3.84%；2002—2014年，土地利用變化明顯趨緩，基本以低動(dòng)態(tài)度分布為主。

對前、后2個(gè)時(shí)間段動(dòng)態(tài)度進(jìn)行疊加處理以反映土地利用變化強(qiáng)烈程度的差異性，正值表示變化趨緩，負(fù)值表示變化加劇，零值則表示前后不變，絕對值越大則變化程度越強(qiáng)烈(圖6c)。

前、后2個(gè)時(shí)間段撓力河流域土地利用變化以趨緩和前后不變?yōu)橹鳎兓觿〉貐^(qū)較少，具體表現(xiàn)為：約5.84%的地區(qū)處于變化加劇狀態(tài)，而趨緩地區(qū)面積比例高達(dá)93.19%，前后不變地區(qū)僅占0.97%；空間分布上，趨緩地區(qū)分布廣，但趨緩程度存在明顯的區(qū)域性，大部分集中于內(nèi)、外七星河的周邊地帶，該地區(qū)濕地分布廣。自20世紀(jì)90年代以來，當(dāng)?shù)卮罅康膲ㄖ郴顒?dòng)導(dǎo)致該地區(qū)土地利用變化極其劇烈，但隨著灘涂濕地等耕地后備資源的開發(fā)殆盡以及受政府政策調(diào)控影響，土地利用變化逐漸趨于緩和。動(dòng)態(tài)度加劇區(qū)域分布較為零散，且多對應(yīng)2002—2014年“水田化”區(qū)域。

圖7 撓力河流域2個(gè)時(shí)間段內(nèi)土地利用綜合動(dòng)態(tài)度趨勢面Fig.7 Trend surfaces of comprehensive land use dynamic degree of two periods in Naoli River Basin

3.2.2 動(dòng)態(tài)度變化趨勢特征

空間趨勢反映空間物體在空間區(qū)域上變化的主體特征。本文嘗試根據(jù)空間抽樣數(shù)據(jù)(以間隔5 km進(jìn)行面狀綜合動(dòng)態(tài)度的取點(diǎn))，擬合一個(gè)數(shù)學(xué)曲面，以反映流域綜合動(dòng)態(tài)度變化趨勢特征。圖7為撓力河流域土地利用綜合動(dòng)態(tài)度全局趨勢分析示意圖。X軸表示正東方向，Y軸表示正北方向，Z軸表示綜合動(dòng)態(tài)度。每根豎棒代表一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)度(高度)和位置，通過投影點(diǎn)可以作出一條最佳擬合曲線。結(jié)果顯示，前、后2個(gè)時(shí)間段內(nèi)，流域在不同方向上均具有較好的擬合趨勢，但所表現(xiàn)出的擬合趨勢差異較大。1990—2002年，東西方向(X軸)呈現(xiàn)倒“U”字形凸形曲線，南北方向(Y軸)呈北高南低的凸形曲線。說明在東西方向上，流域中部動(dòng)態(tài)度高，土地利用變化強(qiáng)烈，在南北方向上，北部動(dòng)態(tài)度較高，而南部較低。東西方向上，由于中部為主要的平原區(qū)，水資源豐富，種植條件優(yōu)良，期間土地利用開墾強(qiáng)烈，南北方向上南部多為山地丘陵區(qū)，土地利用開發(fā)相對緩慢。2002—2014年，流域整體擬合曲線趨于緩和，東西方向上呈階梯狀平滑過渡擬合態(tài)勢，在南北方向呈北高南低的微凹形曲線。與1990—2002年相比，流域土地利用變化明顯放緩，但基本仍保持東北方向變化劇烈程度高于西南方向的態(tài)勢。

3.3 土地利用變化空間差異

3.3.1 全局空間自相關(guān)

對綜合和單一土地利用動(dòng)態(tài)度進(jìn)行全局空間自相關(guān)顯著性檢驗(yàn)(表2)，結(jié)果顯示，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度的集聚性程度明顯好于單一土地利用動(dòng)態(tài)度(考慮到草地面積過小，未參與驗(yàn)證)。在前、后2個(gè)時(shí)間段內(nèi)，綜合動(dòng)態(tài)度Moran’sI值均為正，P均小于0.01，因此可以拒絕零假設(shè)，即整個(gè)流域內(nèi)各子集水區(qū)土地利用變化表現(xiàn)出顯著的空間集聚性，集水小區(qū)之間存在顯著的空間正相關(guān)關(guān)系，土地利用變化比較強(qiáng)(弱)的集水小區(qū)其周邊的集水小區(qū)變化也強(qiáng)(弱)，但由于流域當(dāng)?shù)厝祟悢_動(dòng)強(qiáng)度的階段性，動(dòng)態(tài)度相似的集水小區(qū)空間集聚趨弱，由1990—2002年的0.68降至2002—2014年的0.39。而對于單一綜合動(dòng)態(tài)度，空間集聚性較差，除2002—2014年的林地、水域和1990—2002年的未利用地外，其他均未通過空間顯著性異質(zhì)性檢驗(yàn)，即整個(gè)流域內(nèi)單一土地利用動(dòng)態(tài)度分布情況相對較為隨機(jī)。

表2 全局空間自相關(guān)分析顯著性檢驗(yàn)Tab.2 Significance test for Moran’s I of dynamic land use change

注：Ⅰ、Ⅱ分別表示1990—2002年、2002—2014年。

3.3.2 局部空間自相關(guān)

(1)Moran散點(diǎn)圖

Moran’sI指數(shù)檢驗(yàn)表明，撓力河流域各集水小區(qū)的土地利用綜合動(dòng)態(tài)度具有顯著的空間自相關(guān)性。為進(jìn)一步研究集水小區(qū)的空間集聚特征，基于土地利用綜合動(dòng)態(tài)度和空間權(quán)重矩陣?yán)L制Moran散點(diǎn)圖(圖8)，其中橫軸表示土地利用綜合動(dòng)態(tài)度LC，縱軸為其空間滯后向量WL，即相鄰集水小區(qū)綜合動(dòng)態(tài)度的加權(quán)平均，斜率即為Moran’sI值。第1象限(高-高型)或第3象限(低-低型)表示某一集水小區(qū)綜合動(dòng)態(tài)度與周邊集水小區(qū)的綜合動(dòng)態(tài)度同高或同低，空間差異性小，表現(xiàn)為空間正相關(guān)。第2象限(低-高型)或第4象限(高-低型)表示集水小區(qū)動(dòng)態(tài)度較低(較高)，而周圍集水小區(qū)動(dòng)態(tài)度較高(較低)，動(dòng)態(tài)度空間差異度大，為空間負(fù)相關(guān)。

圖8 撓力河流域2個(gè)時(shí)間段內(nèi)Moran散點(diǎn)圖Fig.8 Moran scatter plots of two stages in Naoli River Basin

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1990—2002年，可開發(fā)土地資源豐富且集聚(主要分布于內(nèi)、外七星河地區(qū))，第1象限和第3象限散點(diǎn)比例之和為85.33%，表明流域各集水小區(qū)動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)明顯的高-高型和高-低型集聚特征，具有顯著的空間自相關(guān)關(guān)系，集水小區(qū)間動(dòng)態(tài)度差異較大，散點(diǎn)分布均勻。落入第2、4象限的點(diǎn)較少，即很少出現(xiàn)動(dòng)態(tài)度高(低)的集水小區(qū)其周邊集水小區(qū)動(dòng)態(tài)度低(高)的情形。

2002—2014年，隨著土地利用開發(fā)活動(dòng)減弱，集水小區(qū)之間綜合動(dòng)態(tài)度差異趨于緩和，各散點(diǎn)分布更為集中，另一方面，盡管土地利用結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，集水小區(qū)間動(dòng)態(tài)度差異越來越小，但人為決策方向逐漸成為利用的主導(dǎo)誘因，偶然性相對增加。對于第2、4象限內(nèi)，散點(diǎn)數(shù)目明顯增加，由1990—2002年的14.67%上升至26.67%，集水小區(qū)動(dòng)態(tài)度集聚性變?nèi)酰霈F(xiàn)部分高(低)動(dòng)態(tài)度集水小區(qū)周邊集水小區(qū)動(dòng)態(tài)度低(高)的情形。

(2)LISA集聚

為進(jìn)一步解釋集水小區(qū)與周圍集水小區(qū)的相近(正相關(guān))和相異(負(fù)相關(guān))關(guān)系，基于顯著性程度判斷，繪制集水小區(qū)綜合動(dòng)態(tài)度局部空間自相關(guān)圖(圖9)。結(jié)果顯示，在2個(gè)時(shí)間段內(nèi)，具有顯著性特征的集水小區(qū)(置信度大于95%)以高-高型和低-低型為主，即集水小區(qū)與其周邊集水小區(qū)的動(dòng)態(tài)度基本保持一致或者相似，而低-高型或高-低型集水小區(qū)數(shù)量較少，具體表現(xiàn)為：高-高型是高動(dòng)態(tài)度的集中區(qū)，易呈現(xiàn)均質(zhì)狀態(tài)，土地利用變化強(qiáng)烈，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該類型集水小區(qū)的土地利用問題，其中，1990—2002年，撓力河流域高-高型集水小區(qū)共15個(gè)，主要分布于內(nèi)、外七星河沿岸，該地區(qū)為沖積扇平原，地勢低平，水域豐富，墾殖條件優(yōu)越。低-低型集聚小區(qū)恰與高-高型分布特點(diǎn)相反，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_發(fā)潛力挖掘，共14個(gè)，主要分布于南部的低海拔高度丘陵區(qū)和小起伏山地區(qū)，地形起伏大，耕作困難，東部的LS-26集水小區(qū)也呈現(xiàn)低-低型特征。高-低型表示集水小區(qū)自身變化劇烈，周圍較為穩(wěn)定，受空間極化作用影響，易遭受同化而轉(zhuǎn)為低-低型，因此應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_發(fā)控制，相反，低-高型則應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)的開發(fā)引導(dǎo)，但二者數(shù)量較少，僅西部低海拔高度沖擊平原的LA-3和LA-12集水小區(qū)表現(xiàn)為低-高型集聚。2002—2014年，9個(gè)高-高型集水小區(qū)集中分布于撓力河的干流北岸，地形多為沖擊或沖擊扇平原，是“旱地水田化”主要發(fā)生地區(qū)，需重點(diǎn)關(guān)注，而處于類似地理位置的LH-17卻呈現(xiàn)出低-高型特征。低-低型集水小區(qū)分布特點(diǎn)與1990—2002年相似，僅南部沖積扇平原LF-47變?yōu)榈?低型聚集，低海拔高度小起伏山地中LS-66呈現(xiàn)出不顯著狀態(tài)。研究期內(nèi)，撓力河流域75個(gè)集水小區(qū)均未表現(xiàn)出高-低型集聚狀態(tài)，即未出現(xiàn)高動(dòng)態(tài)度集水小區(qū)周圍出現(xiàn)低動(dòng)態(tài)度集水小區(qū)的情況。

圖9 撓力河流域2個(gè)時(shí)間段內(nèi)動(dòng)態(tài)度局部空間自相關(guān)圖Fig.9 Local spatial autocorrelation maps of dynamic land use change of two stages in Naoli River Basin

4 討論

傳統(tǒng)土地利用變化空間描述一般僅從空間位置或基于更小面積單元的空間數(shù)量來代替，難以形象直觀的表達(dá)，但土地利用變化存在異質(zhì)性，同一地區(qū)不同位置變化程度存在差異，如何合理解決此類問題成為研究的關(guān)鍵所在。本文利用網(wǎng)格對土地利用變化信息進(jìn)行采樣[23-24]，通過采樣網(wǎng)格中心點(diǎn)的插值處理獲得最終的面狀土地利用變化信息。但針對某一特定區(qū)域，不同空間粒度的采樣網(wǎng)格所包含的土地利用信息存在差異，后續(xù)需強(qiáng)化其對比研究；本文分析撓力河流域土地利用變化格局，并進(jìn)一步利用數(shù)字高程模型進(jìn)行流域集水單元的提取，研究各集水小區(qū)間土地利用變化的自相關(guān)性規(guī)律，可為從流域范疇提出如流域開發(fā)管理分區(qū)等適應(yīng)性的宏觀策略，如重點(diǎn)關(guān)注高-高型集水小區(qū)的土地利用問題，低-低型恰好與之相反，應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐摿ν诰?，?低型適當(dāng)開發(fā)控制，而低-高型則應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)的開發(fā)引導(dǎo)。

5 結(jié)論

(1)撓力河流域土地利用變化呈現(xiàn)明顯的階段性，1990—2002年，耕地面積增幅最大，且以水田面積增加為主，“水田化”進(jìn)程強(qiáng)烈，未利用地面積比例減少6.91個(gè)百分點(diǎn)；2002—2014年，土地利用變化整體趨于緩和，其中水田面積繼續(xù)保持增長，但增幅僅為2.45個(gè)百分點(diǎn)，旱地面積比例降至42.20%，未利用地面積基本保持不變。

(2)撓力河流域1990—2002年土地利用變化劇烈程度明顯強(qiáng)于2002—2014年，且以趨緩為主，加劇區(qū)域少。東部和南部變化較為緩慢，為動(dòng)態(tài)度低值集中區(qū)，中部以及北部受人類活動(dòng)干擾程度高，動(dòng)態(tài)度偏高；趨勢面擬合上，在不同方向上均具有較好的擬合趨勢：1990—2002年，東西方向上呈倒“U”字形凸形曲線，南北方向上呈北高南低的凸形曲線。2002—2014年，東西方向上階梯狀平滑過渡擬合，南北方向上呈北高南低的微凹形曲線。流域東北方向變化劇烈程度整體高于西南方向。

(3)撓力河流域綜合土地利用動(dòng)態(tài)度的集聚性優(yōu)于單一土地利用動(dòng)態(tài)度，前者空間集聚性顯著，后者分布較為隨機(jī)；1990—2002年，各集水小區(qū)呈現(xiàn)明顯的高-高型和低-低型集聚特征，其中高-高型共15個(gè)(主要分布于內(nèi)、外七星河沿岸)，低-低型共14個(gè)(主要分布于南部山地丘陵區(qū))；2002—2014年高-高型數(shù)量顯著減少，且多為“旱地水田化”發(fā)生地區(qū)，動(dòng)態(tài)度集聚性變差，差異逐漸趨于緩和。

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ZHOU Hao LEI Guoping YANG Xuexin
(InstituteofLandManagement,NortheasternUniversity,Shenyang110169,China)

Since early 1990s, the agricultural structure of Naoli River Basin had been greatly adjusted with large amounts of dry land changed into paddy field. As one of the important reclamation farms in China, the land use was changed severely in Naoli River Basin and such phenomenon would lead to a set of problems in the utilization. To reveal the spatial regular pattern and the difference of land use change in Naoli River Basin, the land use dynamic changes were analyzed, and the land use dynamic degree of the cultivated land was calculated by modeling all land use types of cultivated land and using the contribution results which was borrowed from the thought of landscape ecology, the analysis of land use spatial autocorrelation patterns was also achieved based on sub basin of Naoli River Basin. The remote sensing image data and DEM data were used as fundamental data resources. Results showed that the land use changes in the Naoli River Basin were incredibly violent, the increase of farmland area was the largest, and the internal transformations between the paddy field and dry land were the primary change. From 1990 to 2002, the change of paddy field was the main change types and the dynamic degree of land use change was obviously stronger than that during the period from 2002 to 2014. The middle and northern parts of Naoli River Basin were the mainly concentrated region of high land use dynamic degree, and the overall changing speed of the river basin was slowly trending down. The dynamic degree of land use change in different directions had good fitting trend and differed obviously between the two periods, but it maintained the basic trend that the change in the northeast direction was significantly higher than that in the southwest direction. The whole catchment previously showed the trend of aggregation of high to high and low to low obviously, the land use spatial autocorrelation patterns showed significant correlation, but in the later stage, the aggregation trend was gradually slowed down, and its aggregate on features was high to high and low to low, there was no catchment with aggregation trend of high to low. The research results can be used as references and consultancies for the land use zoning management and precise agriculture in the Naoli River Basin.

land use; change; dynamic degree; catchment; spatial autocorrelation; Naoli River Basin

2017-01-24

2017-02-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41671520)

周浩(1990—)，男，博士生，主要從事土地利用與規(guī)劃研究，E-mail: zhouhao7404@163.com

雷國平(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土地利用規(guī)劃與土地管理研究，E-mail: guopinglei@126.com

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.017

F301.2

A

1000-1298(2017)05-0142-10