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基于转移矩阵的环渤海土地利用研究

作者:

关键词:

摘要：

在全球环境变化研究中，土地利用和土地覆被动态变化越来越被认为是一个关键和迫切的研究课题[1，2]。1995年国际地圈-生物圈计划(IGBP)和全球环境变化中的人文领域计划(HDP)联合提出的“土地利用和土地覆盖变化”(LUCC)研究计划，基本目标是提高对全球土地利用和土地覆盖变化动力学(动态过程)的认识，并着重提高预测土地利用和土地覆盖变化的能力[3]。土地利用转移矩阵可全面而又具体地分析区域土地利用变化的数量结构特征与各用地类型变化的方向，细致反应各地类之间的相互转化关系，进而了解转移前后各地类的结构特征，在土地利用变化分析和地类模拟方面具有重要作用，因而在土地利用变化和模拟分析中具有重要意义。 20世纪90年代以来，土地利用变化研究一直是国内外很多学者的研究热点问题。1994年联合国环境规划署开始“土地覆盖评价和模拟项目”的项目，目的是调查东南亚地区上土地覆盖的变化。1995年国际系统研究所为了分析从1900～1990年这90年间欧洲和北亚地区土地利用变化的特征，时空变化分析，并预测在全球环境变化下，在经济，人口，科技及政治等各因素的变化下，欧洲和北亚地区未来50年土地利用变化的趋势而启动了“欧洲和北亚土地利用/覆盖变化模拟”的3年期项目。同时日本国立科学研究院全球环境研究中心提出的“为全球环境保护的土地研究”来研究土地利用的驱动因子和事件动态，空间分布的特征，并且做出了相应对策的研究等[4，5]。 2.1　研究方法土地利用转移矩阵反映了某一区域某一时段期初和期末各地类面积之间相互转化的动态过程信息，它不但包括静态的一定区域某时间点的各地类面积数据，而且含有更为丰富的期初各地类面积转出和期末各地类面积转入的信息。土地利用转移矩阵通用形式为：式中：s代表面积，n代表转移前后的土地利用类型数，i、j分别代表转移前与转移后的土地利用类型，sij代表转移前的i地类转换成转以后的j地类的面积。矩阵中的每一行元素代表转移前的i地类向转以后的各地类的流向信息，矩阵中的每一列元素代表转以后的j地类面积从转移前的各地类的来源信息。转移前后土地利用类型数可以有所不同，这是矩阵的行数和列数不同，其是一个一般矩阵。为了研究方便，转移前后通常采用相同的分类体系和分类精度，这样矩阵的行数列数相同，它就是一个N阶方阵。土地利用转移矩阵含有丰富的研究时段期初和期末各地类之间相互转化的信息，并具有丰富的统计学意义。 2.2　研究区概况渤海是中国唯一的内海，被辽东半岛、山东半岛和华北大平原环抱，海岸线长约5?700?km，形成“C”字形的区域格局。环渤海地区是继珠江三角洲、长江三角洲之后我国经济向北推进的又一经济发展中心。随着城镇化、工业化的快速发展，该区域的土地利用发生了显著变化，成为21世纪学术研究的热点和重点地区之一。本文以环渤海海岸线为基准向陆地扩展5?km缓冲区所成的区域，着重研究该地区土地利用尤其是湿地类型的变化情况。范围涉及京津唐地区(北京市、天津市、河北唐山、秦皇岛、沧州和廊坊)，辽中南沈大沿线地区(大连、营口、辽阳、抚顺等)，山东半岛胶济沿线的部分地区。土地利用数据主要来源于研究区内的1995年，2000年和2008年环渤海沿线5?km缓冲区土地利用图。该区域土地类型分为耕地、林地、草地、水域、城乡、工矿、居民用地和未利用地六大类一级类型。一级类型又进一步分为25个二级类型，包括水田、旱地、有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、河渠、湖泊、水库坑塘、冰川和永久积雪、海涂、滩地、城镇用地、农村居民点用地、工业与交通建设用地、沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石砾地和其他土地类型等。由于二级分类系统过于庞杂，对转移矩阵的分析选用一级土地分类，在论述土地利用类型的分布时使用二级分类。表1～表4就是1995～2000年，2000～2008年两期的环渤海土地利用类型转移矩阵。表1　1995～2000年研究区土地利用转移矩阵　km耕地2000林地2000草地2000水域2000城乡类2000未利用合计1995耕地林地.草地水域..城乡类.06..未利用.7合计..8985..5 表2　2000～2008年研究区土地利用转移矩阵　km耕地2008林地2008草地2008水域2008城乡类2008未利用合计2000耕地.林地草地水域..城乡类.096..未利用合计....1 表3　1995～2000年土地利用转移方向　km2地类新增面积转出面积未变化变化面积耕地林地草地水域.0272.7城乡类.0289.2未利用表4　2000～2008年土地利用转移方向　km2地类新增面积转出面积未变化变化面积耕地.048.0林地草地水域.065.2城乡类.0507.2未利用由表1～表4可以看出，1995～2000年间，六类土地利用类型均有变化，其中变化较为剧烈的是城乡类，共计新增289.2?km2，水域利用类型共计新增272.7?km2，而未利用土地类型共计减少585.1?km2。对于2000～2008年，六类土地利用类型也有变化，最为剧烈的是草地利用类型，总减少804.6?km2，其次是水域类型，新增65.2?km2，城乡新增507.2?km2，耕地新增48?km2。接下来对变化剧烈的土地利用类型进行了研究，分析这些类型变化的原因机制，即分别研究其他土地利用类型对该土地利用类型变化的贡献值，并将起主导作用的土地类型转化在ARCGIS下用地图予以显示。表5～表7为1995～2000年城乡类、水域以及未利用地的变化情况明细表。表5　1995～2000城乡类土地类型变化明细相关类型转成城乡/km2由城乡转出/km2变化量/km2所占百分比/%耕地林地草地水域未利用地表6　1995～2000水域土地利用类型变化明细　km2相关类型转成水域由水域转出变化量耕地林地草地城乡类未利用地表7　1995～2000年未利用地类型转化明细　km2相关类型转成未利用由未利用转出变化量耕地林地草地水域城乡类由表5可以看出研究期内，其他五个地类对城乡用地的增加都有贡献，转化最多的就是未利用地和水域转化为城乡用地。表6表明对于水域面积的增加，耕地与城乡类的变化量为负值，说明这两种类型对水域面积增加起反作用，即存在水域转为耕地和城乡用地的区域，剩余的三类都是促进水域面积增加的类型，其中水域转化为城乡分布图，前文已经论述。表7可以看出研究期内，除林地、未利用地的减少导致其他用地类型的增加，林地的减少确实需要着重关注，本文研究未利用地转化为耕地，水域以及林地转化为未利用地的空间分布情况。其中未利用地转化为水域和城乡空间分布前文以及提及?，本部分主要分析未利用转为耕地以及林地转为未利用地的空间分布情况。图1反映了1995～2000年环渤海5km缓冲区显著地类景观变化的空间分布情况。图1　1995～2000环渤海5km缓冲区显著地类景观变化空间分布表8　2000～2008草地变化明细相关类型转成草地/km2由草地转出/km2变化量/km2百分比/%耕地林地水域城乡类未利用地表?9　2000～2008水域变化明细　km2相关类型转成水域由水域转出变化量耕地林地草地城乡类未利用地表10　2000～2008城乡用地变化明细　km2相关类型转成城乡由城乡转出变化量耕地林地草地水域未利用地表11　2000～2008耕地变化明细　km2相关类型转成耕地由耕地转出变化量林地草地水域城乡类未利用地表8～表11表明，2000～2008年内，草地转出引起其他五类用地类型的增加，水域面积的增加由耕地以及未利用地减少所致，同时水域面积的减少也导致耕地、林地以及草地面积的增加。城乡类型用地的增加由耕地，林地，草地和未利用地转化而来，但有部分城乡用地转化为水域类型。耕地面积的增加由草地，水域以及未利用地的转化而来，同时部分耕地转化为城乡以及林地类型。对于显著转化的地类景观，本文主要研究以下几类地类转化的空间分布，如图2所示。图2　2000～2008环渤海5?km缓冲区显著地类景观变化空间分布通过对三期环渤海数据计算得到的两期土地利用转移矩阵、两期土地利用转移方向表以及两期时间段内改变剧烈的土地利用类型的变化明细表及其空间分布的分析和综合，可以得出以下结论。 (1)1995～2000年间，环渤海地区六类土地利用的面积与分布都发生了较大变化，其中增长量最多的为城乡用地，在城乡用地面积的增加过程中，未利用地、水域和耕地转化为城乡用地所占的比例最大。空间分布上，未利用地和水域的转化多发生在天津、沧州以及山东的北部沿海地区，耕地的转化多分布在辽中南以及山东的烟台至威海一带。其次水域面积的增长也较大，很大一部分由未利用地转化而来，同时部分水域面积转化为耕地和城乡用地。未利用地的转化多分布在沧州以及东营等山东北部地区。水域的转出多分布在唐山-秦皇岛-葫芦岛一带。未利用地面积的减少最多。贡献最大的就是未利用地向耕地、水域以及城乡用地的转化。其空间分布多在山东北部的沿海地区。 (2)2000～2008年间，环渤海地区六类土地利用类型同样发生较大面积的变化，草地面积减少的最多，对其贡献最大的是草地向未利用地，耕地以及城乡用地的转化。这些转化很多分布在山东整个省份的沿海地区。水域利用类型的增加比较显著，很多由草地以及城乡用地转为水域，同时部分水域转为未利用地以及耕地。草地的转化多发生在山东中北部沿海地区，秦皇岛沿海地区也有转化，城乡用地的转化多发生在唐山-秦皇岛沿线以及锦州至营口的部分地区。城乡用地类型的增加最多，大部分由耕地和未利用地转化而来。未利用地转为城乡又是绝大部分分布在山东中北部沿海地区，耕地的转化则遍布辽宁省整个沿海地区以及山东的威海-烟台一带。 (3)原因分析。这十几年间，城乡用地一直呈增长趋势，可见人口因素对于土地利用变化来说是一个很大的影响因素，人口增长直接关系到区域土地利用的规划，比如人口急剧增加，那么居民用地必须随之增多才能改善人民的居住问题，同时人口的增多和减少也会影响到城市化的进展，人口的增多必然影响到就业的问题。环渤海地区是经济发展极具潜力的地区，这十几年来经济的发展必然导致人口的增多也就使得居民用地大量地增加。同时经济的发展也必然导致大量地未利用地开发为其他土地利用类型，环渤海地区很重要的水资源包括湿地资源等近十几年来也是一直增加，这也说明了该地区的政府以及人民对该资源的开发和利用程度也在不断加深。但是草地、耕地以及林地的减少却不容忽视，这往往是由于人口的压力以及经济发展的需求所造成的，今后环渤海地区的发展应当考虑到对这些用地类型的保护。