1987—2019 年吉林省梨樹縣土地利用動態(tài)研究

楊勝杰，楊旭杰，王星成，劉吉平

（1. 華中師范大學(xué)地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，湖北武漢430079；2. 華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430079；3. 吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林四平136000）

0 引言

土地利用/覆蓋變化（Land use and land cover change，LUCC）是土地所具有的雙重屬性［1］。LUCC 離不開人類活動，是伴隨自然演進(jìn)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對土地資源進(jìn)行改造和重分配的過程［2］。隨著人類生產(chǎn)、生活方式、形式的不斷發(fā)展，人類對土地資源的利用和管理理念發(fā)生改變，從而形成不同的土地利用格局［3］。土地利用研究主要開展對LUCC 的類型分析和過程研究，同時探討人類對LUCC 的影響作用，進(jìn)行驅(qū)動力機(jī)制的研究以及完成對全球性或區(qū)域性土地利用動態(tài)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建［4］。在土地利用變化研究當(dāng)中，不同的研究尺度往往呈現(xiàn)出不同的特征［5］，因此尺度選擇是值得關(guān)注的重點。當(dāng)前，在土地利用動態(tài)模擬及相關(guān)驅(qū)動因子的研究主要集中在“脆弱區(qū)”和“熱點地區(qū)”［6-9］，且基于大、中尺度的研究居多［10-12］，縣域尺度的土地利用研究成果相對較少［6］。隨著遙感與GIS 技術(shù)的發(fā)展，小尺度土地利用等研究內(nèi)容獲得關(guān)注［13-14］。為了豐富縣域尺度土地利用研究，避免大規(guī)模分析的表面性［15］，選用典型縣域尺度地區(qū)作為研究對象很有必要。張偉等［16］、于海洋等［17］、黃國金等人［18］以縣域為研究對象，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H特點，對土地利用動態(tài)進(jìn)行剖析，取得較好效果。文章選取土地利用動態(tài)度模型、土地利用程度模型、土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、轉(zhuǎn)移矩陣等為主要研究方法，實現(xiàn)對吉林省梨樹縣30 余年土地利用時空動態(tài)的定量表達(dá)，以期為當(dāng)?shù)貒量臻g規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐，為更好改進(jìn)土地利用格局、發(fā)展社會經(jīng)濟(jì)服務(wù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

梨樹縣位于吉林省西南部、松遼平原腹地，隸屬于吉林省四平市（圖1）。縣境總面積4 190 km2，地勢平坦，土質(zhì)肥沃，80%為平原地帶。東與公主嶺市隔東遼河相望，南與四平市接壤，西與遼寧省昌圖縣毗連，北與雙遼市以東遼河為界。地勢從南到北逐漸降低。南部是低山丘陵，中部是波狀平原，西北部是東遼河沖積平原。東南部為剝蝕地形，多低山丘陵，海拔300～400 m，占全縣總面積21.8%；中部為臺地沖積平原，地勢略有起伏，大多是平地和崗地，以剝蝕堆積地形為主，海拔160～250 m，占總面積44.1%；北部沿東遼河中下游河谷平原，大部是平地、洼地和風(fēng)沙鹽堿地，以風(fēng)積沖積地形為主，土質(zhì)多是黑鈣鹽堿風(fēng)沙土、淡黑鈣土。

圖1 梨樹縣空間位置及行政區(qū)劃Fig.1 The spatial location and administrative division of Lishu county

梨樹縣森林資源集中分布在海拔250～400 m 之間，分為天然次生林樹種、人工林樹種和經(jīng)濟(jì)林樹種等。梨樹縣下轄15 個鎮(zhèn)、6 個鄉(xiāng)、1 個國營農(nóng)場、1 個良種場。農(nóng)業(yè)是梨樹縣的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。主要種植有玉米、水稻、大豆和蔬菜等。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

Landsat 系列影像是土地利用分類的主要數(shù)據(jù)源，30 m 的空間分辨率比較適用于地物分類。研究所用數(shù)據(jù)主要包括：地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http：//www.gscloud.cn/）下載的梨樹縣1987 年、2003 年Landsat5 TM 影像和2019 年的Landsat8 OLI 影像；研究區(qū)行政區(qū)劃圖于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)中獲得；輔以梨樹縣地方年鑒等統(tǒng)計資料作為參考。影像獲取季節(jié)相同、含云量少，質(zhì)量良好。

利用ENVI 5.3 軟件實現(xiàn)對以上3 期影像進(jìn)行圖幅配準(zhǔn)、波段合成、裁剪等預(yù)處理和分類以及分類后處理。分類解譯基于監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類理念，采用支持向量機(jī)（SVM）方法，同時結(jié)合后期人工目視校正，以減少偏差。通過Google Earth 對照選取檢驗樣本，計算混合矩陣表明，1987 年、2003 年、2019 年土地利用分類結(jié)果的整體分類精度分別為90.6%、87.8%、85.2%，其Kappa 系數(shù)分別為0.897、0.862、0.846?？梢?，影像分類結(jié)果能夠滿足研究需要。土地利用類型參照《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2017）標(biāo)準(zhǔn)，將其分為耕地（旱地和水田）、林地、草地、水域、建筑用地和其他用地6種類型（圖2）。

圖2 1987—2019 年梨樹縣土地利用變化過程Fig.2 The Process of Land Use Change in Lishu County from 1987 to 2019

1.3 主要方法

1.3.1 土地利用動態(tài)度

單一土地利用類型動態(tài)度能夠有效反映研究區(qū)在一定時間范圍內(nèi)的某種土地利用類型數(shù)量變化情況，這里用K 表示，公式［1］為：

式（1）中，K 為研究時段內(nèi)某一土地利用類型的動態(tài)度；Ua表示時段初期某一土地類型面積，Ub表示時段末期某一土地類型面積；T 指研究時段，當(dāng)其單位為年時，K 值就是研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率。

綜合土地利用動態(tài)度用來表達(dá)不同土地利用類型之間轉(zhuǎn)換的總體關(guān)系，以及土地利用總量變化的速度，這里用S 表示，公式［8］為：

式（2）中，Uai、Ubi分別為某土地利用類型在監(jiān)測時段初期和末期的面積；T 指監(jiān)測時段；n 為土地利用類型數(shù)，該研究中n 為6；當(dāng)單位為年時，S 值就是該區(qū)域年土地利用變化速率。

1.3.2 土地利用程度變化分析

土地利用程度可以有效表達(dá)土地系統(tǒng)中人類因素的影響程度。土地利用程度的研究方法主要有類型法和指數(shù)法兩種，其中類型法以類型模式表達(dá)為主，指數(shù)法則通過數(shù)量指標(biāo)體系來表達(dá)，適合于作定量研究，主要以間接指標(biāo)體系及土地利用綜合指數(shù)模型為主［19］。該研究采用土地利用綜合指數(shù)模型法，即由劉紀(jì)遠(yuǎn)先生［20］提出的土地利用程度數(shù)量化方法，將土地利用程度按土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡保持狀態(tài)分級，并賦予指數(shù)，從而實現(xiàn)土地利用程度的定量表達(dá)（表1）。

表1 土地利用程度分級賦值Table 1 The classification values of land use degree

數(shù)量化土地利用綜合指數(shù)是一個威弗（Weaver）指數(shù)，可用Ld 表示，公式為：

式（3）中，Ld 為研究區(qū)的土地利用程度綜合指數(shù)，Ai為研究區(qū)內(nèi)第i 級土地利用程度分級指數(shù)，Ci為研究區(qū)內(nèi)第i 類土地利用程度分級面積百分比。

土地利用程度［20］是在一個特定范圍內(nèi)多種土地利用類型變化的結(jié)果，土地利用程度及其變化量和變化率模型可定量揭示土地利用的綜合水平和變化趨勢。土地利用程度變化率可用R 表示，公式［20］為：

式（4）中，Ai為第i 的土地利用程度分級；Cib和Cia分別為某區(qū)域b 時間和a 時間第i 級土地利用程度面積百分比。若R＞0，則該區(qū)域土地利用處于發(fā)展時期，否則處于調(diào)整期或衰退期。

1.3.3 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度和優(yōu)勢度

土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度、優(yōu)勢度能夠在一定程度上反映出區(qū)域在一定時段內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)特征、動態(tài)變化及其轉(zhuǎn)換程度［21］。

信息熵［22］是對不確定性的量度，可描述某一地區(qū)土地利用有序程度，其大小反映了各類土地利用類型多少和面積分布的均勻程度。信息熵越大，說明土地利用有序度越低，土地利用類型越多，分布越均勻。信息熵H 的公式為：

式（5）中，n 是土地利用類型的數(shù)量；Pi為第i 種地類所占的百分比。

引入均衡度和優(yōu)勢度，可有效消除不同發(fā)展階段土地職能數(shù)的差異［23］，強(qiáng)化土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的可比性和直觀性。均衡度（J）的公式［23］為：

式（6）中，J 越大，說明土地利用均質(zhì)性越強(qiáng)。

優(yōu)勢度I 與均衡度的意義相反，表示土地利用集中程度，公式為：

1.3.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

建立土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來反映研究區(qū)土地利用變化結(jié)構(gòu)特征和各類型之間的轉(zhuǎn)移方向［24］。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是根據(jù)地區(qū)的不同土地利用情況之間轉(zhuǎn)化關(guān)系得到的二維矩陣，其表達(dá)式［24］為：

式（8）中，Sij為研究時段內(nèi)第i 類土地利用類型轉(zhuǎn)換為第j 類利用類型面積；n 表示土地利用類型數(shù)；i、j 分別指研究時段初、末期土地利用類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用動態(tài)度

根據(jù)式（1），獲得梨樹縣1987—2003 年、2003—2019 年、1987—2019 年的單一土地利用類型變化幅度與年變化率（圖3）?？梢姡啬曜兓首兓幻黠@。草地年變化率由1987—2003 年的-4.73%轉(zhuǎn)變到2003—2019 年的17.45%，變動最大，增速較快。水域年變化率由1987—2003 年的-3.50%轉(zhuǎn)變到2003—2019 年的7.43%。草地、水域的年變化率均呈現(xiàn)出“先減后增”的態(tài)勢；其次，變動較大的建筑用地、其他用地和林地，分別由4.81%、-5.79%、-2.09%轉(zhuǎn)變到0.38%、-0.88%、-0.37%。在土地利用類型的面積變動方面，耕地的變幅最大，在第一個16 年增加35 544.22 hm2；其次是林地、草地，分別降低了22 965.39 hm2、10 778.4 hm2；建筑用地的增加量也較為明顯，增量為4 767.68 hm2；水域和未利用地分別降低了1 426.69 hm2、5 141.42 hm2。在第二個16 年，只有草地、建筑用地、水域發(fā)生了增長，增量分別為9 634.88 hm2、1 334.27 hm2、659.58 hm2；耕地、林地、其他用地則發(fā)生不同程度的減少，其中耕地減量最大，為9 061.38 hm2，其次是林地和其他用地，減量分別為9 061.38 hm2、56.89 hm2。耕地面積雖然輕過“增長-減少”過程，但從總體研究時段出發(fā)，耕地面積整體呈增長趨勢。在32 年中，建筑用地年變化率最大，為2.74%，其后從大到小依次為耕地、水域、草地、林地和其他用地。建筑用地增速放緩，但呈現(xiàn)持續(xù)增長的態(tài)勢。林地、其他用地面積持續(xù)減少，減速平緩。草地、水域在32 年，實現(xiàn)了“先減后增”的轉(zhuǎn)變。

由式（2），計算得到梨樹縣1987—2003 年、2003—2019 年、1987—2019 年的綜合土地利用動態(tài)度，即變化速率分別為0.6%、0.175%、0.477%，說明梨樹縣的綜合土地利用動態(tài)度發(fā)展較為均衡，且有逐漸減緩的態(tài)勢。

2.2 土地利用程度變化分析

2.2.1 土地利用綜合指數(shù)

表1 中，各土地利用類型分別被賦予指數(shù)。結(jié)合研究區(qū)其他用地以未利用地居多的實際情況，賦予其他用地的分級指數(shù)為1。

根據(jù)式（3）計算梨樹縣土地利用程度綜合指數(shù)，梨樹縣土地利用綜合指數(shù)在1987年、2003 年和2019 年的土地利用綜合指數(shù)分別為278.41、290.40 和288.61。可見，土地利用綜合指數(shù)由1987 年的278.41 增加為2003 年的290.40，增勢較為平緩，表明土地利用程度加深不明顯；再由2003 年的290.40 減少至2019 年的288.61，呈降低態(tài)勢，表明梨樹縣土地利用類型趨于多樣化。

圖3 梨樹縣各時段土地利用年變化率及增減面積Fig.3 Annual land use change rate and increase/decrease area in Lishu county

2.2.2 土地利用程度變化率

根據(jù)公式（4）計算梨樹縣的土地利用程度變化率?？傻?987—2003 年間土地利用程度變化率為0.043，說明梨樹縣在該時段土地利用處于發(fā)展時期；2003—2019 年間土地利用程度變化率為-0.008，說明梨樹縣在該時段的土地利用處于調(diào)整期或衰退期。

2.3 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度和優(yōu)勢度

根據(jù)式（5）（6）（7）分別計算梨樹縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度和優(yōu)勢度（圖4）?？梢?，信息熵均在1 以下，說明梨樹縣土地利用類型分布相對不均勻。均衡度較低，均質(zhì)性較弱。

圖4 1987 年、2003 年、2019 年梨樹縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度及優(yōu)勢度變化Fig.4 information entropy，equilibrium degree and dominance degree of land use structure in Lishu county in 1987，2003 and 2019

2.4 梨樹縣土地利用轉(zhuǎn)移特征

2.4.1 梨樹縣土地利用基本格局

結(jié)合圖2，可見耕地空間分布較均勻，占研究區(qū)總面積的比例大，是梨樹縣土地利用的主體。林地主要位于研究區(qū)的東南部，且空間位置較為穩(wěn)定。草地在32 年發(fā)生了很大的變化，主要由1987 年的聚集性向2003 年的沿河流生長轉(zhuǎn)變，再到2019 年的分散性分布。1987 年梨樹縣土地利用類型主要以耕地為主，林地、草地次之。土地利用類型按面積大小依次排序為耕地、林地、草地、建筑用地、水域和其他用地，分別 為321 791.24 hm2、68 784.08 hm2、14 228.66 hm2、6 188.63 hm2、5 546.89 hm2和2 548.95 hm2。2003 年建筑用地擴(kuò)展明顯，為10 956.31 hm2。耕地面積較1987 年持續(xù)增加。其他類型呈降低趨勢。較2003 年，2019 年的耕地、其他用地、建筑用地變動不大，林地降低至43 086.74 hm2，其他土地利用類型均呈現(xiàn)增加態(tài)勢。其中，草地、水域?qū)崿F(xiàn)了“翻倍”增長，分別增長至13 085.14 hm2、2 456.53 hm2。

2.4.2 梨樹縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

具體操作通過ArcGIS 10.2 實現(xiàn)，即將分類獲得的1987 年、2003 年和2019 年3 期梨樹縣土地利用的圖層進(jìn)行空間分析（融合和疊置工具），結(jié)合Excel 2016 進(jìn)行統(tǒng)計表達(dá)，獲得1987—2003 年、2003—2019 年、1987—2019 年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表2、3、4）。

表2 1987—2003 年梨樹縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 The LUCC transfer matrix from 1987 to 2003 in Lishu County 單位：hm2

表4 1987-2019 年梨樹縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 The LUCC transfer matrix from 1987 to 2019 in Lishu County 單位：hm2

根據(jù)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以得出：（1）1987—2003 年，土地利用類型變化最明顯的為耕地、林地。其中，耕地轉(zhuǎn)入量最大，主要接受來自林地、草地的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入占比達(dá)70.42%。同時，耕地的轉(zhuǎn)出量也較大，轉(zhuǎn)出占比為25.66%，主要轉(zhuǎn)化為林地和建筑用地，分別為9 922.52 hm2、7 341.88 hm2。草地的轉(zhuǎn)出量明顯比轉(zhuǎn)入量多，為13 938.39 hm2，僅次于林地和耕地。林地的轉(zhuǎn)入量僅次于耕地，為11 078.07 hm2。其轉(zhuǎn)出量為34 043.46 hm2，轉(zhuǎn)出占比為42.87%，大于轉(zhuǎn)入占比的13.95%。建筑用地的轉(zhuǎn)入大于轉(zhuǎn)出。其他用地的轉(zhuǎn)出量大于轉(zhuǎn)入量。水域的轉(zhuǎn)出量較大，達(dá)到1 625.24 hm2，轉(zhuǎn)出占比為2.05%。（2）2003—2019 年間，耕地的轉(zhuǎn)出量、轉(zhuǎn)入量最大，分別為30 609 hm2、21 714.25 hm2，轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入占比分別為52.49%、37.24%，主要轉(zhuǎn)化為林地、草地和建筑用地。林地主要向耕地、草地、建筑用地方向轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入量僅次于耕地。建筑用地轉(zhuǎn)出量和轉(zhuǎn)入量相當(dāng)，分別為8 168.97 hm2、8 841.75 hm2。草地的轉(zhuǎn)入量明顯大于轉(zhuǎn)出量，主要由耕地、林地轉(zhuǎn)入，主要向耕地方向轉(zhuǎn)出，為3 114.16 hm2。水域轉(zhuǎn)入量明顯大于轉(zhuǎn)出量，轉(zhuǎn)入量為1 552.76 hm2，轉(zhuǎn)入占比2.66%。

3 結(jié)論與討論

土地利用動態(tài)變化受自然和人文因素的綜合影響。梨樹縣的降水量特點是季節(jié)變化大、空間分布不均。降水多集中在6—9 月份，占全年的77.8%。多年平均降水量為（1986—2005 年）556.41 mm，東南低山丘陵地帶平均降水量650 mm，西北部平原區(qū)480 mm。年平均氣溫7.0℃，極端最高氣溫和最低氣溫之間的溫差較大，具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候特征。氣溫升高導(dǎo)致地表溫度較高，地表蒸發(fā)迅速，土壤下滲能力降低，是耕地變化的主要因素之一。降水量減少是導(dǎo)致水域類型減少的主要原因，也間接影響耕地的變化［25］。

耕地包括水田和旱田。農(nóng)業(yè)產(chǎn)出對耕地面積變化響應(yīng)較為敏感。梨樹縣作為全國典型農(nóng)業(yè)大縣，維持合理耕地面積是保障農(nóng)業(yè)可長續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級機(jī)遇，同時對農(nóng)業(yè)布局、國土規(guī)劃造成沖擊。

整體來看，梨樹縣土地利用變化總體緩慢，且有減緩趨勢。在1987 年、2003 年、2019 年，梨樹縣耕地面積占比均保持在75%以上。土地利用類型以耕地、林地、草地、建筑用地為主，其中建筑用地和耕地在一定程度上具有“雙向”轉(zhuǎn)化特征，即建筑用地大量轉(zhuǎn)化為耕地的同時，耕地亦有部分轉(zhuǎn)化為建筑用地。林地主要集中分布在研究區(qū)東南部，耕地面積居多且分布廣泛。草地速率由“平緩”向“劇增”轉(zhuǎn)變，其時空格局變化明顯，大量轉(zhuǎn)化為耕地。土地利用綜合指數(shù)呈“增長-減少”態(tài)勢，其中草地、水域持續(xù)增幅較大，建筑用地增速減緩，這與當(dāng)?shù)卣诓煌瑫r期加速發(fā)展社會經(jīng)濟(jì)、調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、促進(jìn)土地資源良性運作有關(guān)。從信息熵理論來看，信息熵值經(jīng)過了“降低—增加”的過程，即區(qū)域土地利用系統(tǒng)的有序程度有所降低，均質(zhì)性也發(fā)生了由“下降”到“上升”的轉(zhuǎn)變。分時段分析，1987—2003 年大量的其他用地、建筑用地、天然草地轉(zhuǎn)化為耕地，土地利用率較高，反映一定時期人們對耕地的需求加大，有著較高的開荒種地積極性。2003—2019 年的土地利用處于衰退期或調(diào)整期，且土地利用系統(tǒng)均衡度有降低趨勢。這一時期耕地轉(zhuǎn)化為林地較為明顯，轉(zhuǎn)變量為12 676.52 hm2，草地、水域均有不同程度的增加，這與國家加大力度推進(jìn)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的環(huán)境防護(hù)工程、條例，如天然林保護(hù)工程、2003 年開始施行的《退耕還林》條例等背景相符。