刘南健 安佑志 李松

摘 要：基于1980—2015年7期的Landsat TM遥感影像解译数据，结合地学统计方法对典型岩溶区县域尺度下的土地利用时空演变格局进行定量分析。结果表明，35年来，研究区的用地类型以林地、耕地、草地为绝对主导用地，3者面积比例之和稳定在98%以上，整体变幅较小。研究区用地变化剧烈程度依次是建设用地>水域>林地>未利用地>草地>耕地;从综合土地利用角度看，1995—2005是研究区35年来用地结构变化最快的时段，2005—2015年间变化速度减慢。从用地的转移情况可知，1980—1995年期间各用地的转移量较少;1995—2005年间最显著的特征是耕地转给其他地类的量最多，达22.36km2，2005—2015年各用地转移趋向缩减，转移不显著。35年来研究区土地的转出量耕地>草地>林地>水域>建设用地，其中，耕地的转出量远多余其他用地，达33.21km2。

关键词：土地利用;时空变化;GIS;转移矩阵

中图分类号 F301.2文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）24-0112-05

Abstract：Based on Landsat TM remote sensing image interpretation data of 7 periods from 1980 to 2015，the spatial and temporal evolution pattern of land use at county scale in typical karst areas was quantitatively analyzed with geostatistical method. The results show that：（1）In the past 35 years，woodland、 cultivated land and grassland are the absolute dominant land use types in the study area，and the total proportion of the three areas is more than 98%，and the overall change is small. （2）The intensity of land use change in the study area is construction land>water area>woodland>unused land>grassland>cultivated land in turn;from the perspective of comprehensive land use，the 10-year period 1995-2005 is the fastest period of land use structure change in the study area in 35 years，and the change rate slows down in 2005-2015. （3）From the situation of land transfer，it can be seen that the amount of land transfer from 1980 to 1995 is relatively small;the most significant feature in the 10 years from 1995 to 2005 is that the amount of cultivated land transferred to other land types is the largest，reaching 22.36 km2. The trend of land transfer from 2005 to 2015 is decreasing，but the transfer is not very significant. In the past 35 years，the amount of land transferred from the study area was cultivated land>grassland>woodland>water area>construction land. The amount of arable land transferred is far more than that of other land，reaching 33.21 km2.

Key words：Land use;Spatial and temporal change;GIS;Transfer matrix

土地利用/覆被變化（LUCC）被视为人-地时空耦合复杂系统下非常重要的科学问题。作为人类广泛生产活动与天然环境作用下的产物，土地利用变化越来越成为人类与环境协调发展的重点研究内容。与此同时，土地利用时空格局的动态监测与模拟分析对土地生态系统以及各子系统的良性循环具有突出和长远的实际运用价值[1-3]。

特定区域内土地属性的变化与一定范围内的社会实践活动有密切关联。土地景观格局演变的众多研究中，以大中区域、典型地区、流域和地理交界地带等地区居多[4-7]。在研究方法方面，有学者通过运用分形理论和地理信息图谱理论探讨了区域的用地结构及时空演变模式[8-9]。在技术硬件支持的基础上，国内学者通过计量地理和计算机模拟方法对土地利用变化也做了大量研究。通过运用多种土地利用量化指数能够更加客观反映一个区域地段的景观复杂变化[10]。通过解译历史时期影像数据的方法，利用计算机模拟未来的土地利用情景变化对区域土地资源配置具有一定的用地规划参考作用[11]。喀斯特地区作为一个典型生态脆弱的水土保持与土地覆被变化研究区域，利用长时段的遥感影像数据对其进行土地利用时序-空间格局演化进程分析，无论对区域的生态安全评估还是经济发展都具有深刻意义[12-13]。生态脆弱区的土地利用与变化有它独特的演化特性[14]，而喀斯特山区因石漠化和水土流失以及土地退化等生态问题也受到了一些学者的关注[15-16]。

土地形态、属性和性质等特征的变化和区域内的生境具有较强的互动反馈作用，土地作为生态系统的一部分也反映着生境的动态状况。前人对喀斯特的研究多数集中于石漠化和水土保持[17-20]。本研究以镇宁和关岭县域联合尺度为整体研究单元，使用1980—2015年共7个时间节点的遥感影像解译数据，通过ArcGIS10.6软件对典型岩溶区土地利用演变进行定量分析，旨在为生态脆弱区土地的科学合理规划利用与管理提供理论依据。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域 以典型喀斯特岩溶县镇宁和关岭为整体研究单元。镇宁县和关岭县位于贵州省西南典型喀斯特地貌区（105°15′～106°1′E，25°25′～26°11′N），隶属于安顺市，岩溶地貌分布广。其中镇宁地处贵州高原向南倾斜的斜坡地带，位于世界上最大的岩溶区-华南岩溶的中心位置，属黔中丘原中山类型，海拔自北向南逐渐降低，地形南北狭长且跨度大。关岭地处云贵高原东部的一段斜坡地带，贵州省中部偏西南，地势上西北面较高，东南侧较低，东北面与镇宁县相衔接。关岭喀斯特地貌分布广泛，气候垂直分异明显。关岭岩溶景观大面积发育，石灰岩分布比较突出。

1.2 研究数据 本研究所使用的Landsat TM遥感影像解译数据集来源于中科院资源环境数据中心（http：//www.resdc.cn/），分别是1980、1990、1995、2000、2005、2010和2015年共7期数据，分辨率为30m，该精度符合本研究区域要求。根据实际情况，本研究采用一级类地类分类，分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。利用现有的研究区矢量边界数据对获取的栅格执行裁剪，从而得出本文的土地利用分类栅格数据集。使用ArcGIS10.6加载7期的栅格数据集，通过转换工具得到研究区的矢量数据集。

2 研究方法

2.1 土地利用动态度

2.1.1 单一土地利用动态度 单一土地利用动态度用来定量描述特定时间区间内变化中的土地状态[21]，公式为：

式中，Xi即是地类i的单一土地利用动态度，Xi值越小，表明其转出的量越少;Lit2和Lit1表示的地类i在t1和t2时间节点的面积;T为起始时间与终止时间之差。

2.1.2 综合土地利用动态度 综合土地利用度用来反映土地对象在开始时段与结束时段之差内转移的整体动态过程[22]，公式为：

式中，LC表示对象区域t时间范围内的综合土地利用动态度，计算获得的LC越大则用地的演化状态越强烈;LUi-j代表开始时间点至终止时间点某i型用地转化到其他类别用地的量;LUi表示研究时段内初期某i类土地的数量;t则是研究的时间跨度。

2.2 转移矩阵 土地动态转移矩阵通过对一定时间范围内的用地土地转移进行定量研究，可以宏观量化研究区的各地类的转移情况，还能预测未来的变化趋势，能够较好地反映土地的转移数量和方向[23]。

3 结果与分析

3.1 镇宁关岭1980—2015年用地格局 通过ArcGIS10.6软件平台对1980、1990、1995、2000、2005、2010和2015年7个时间节点的遥感解译数据进行几何统计和可视化分析，得到研究對象在各时间节点的用地分布格局（图1）。从用地的区域结构来看，镇宁关岭的林地、耕地和草地比重显著大于其他类型，这3种地类广泛散布在研究区内，并且面积长期稳定居于主导位置，林地在全区域广泛分布，又以东南部部居多，其次是耕地和林地几乎交错分布，耕地分布的区域几乎都有林地。耕地则大片分布于海拔相差较小的北部区域，西面和东北面较高海拔区也分布较多。耕地总体分散在西北侧。草地分布在研究区的中心位置分布较多，西侧海拔较高区域和南端分布明显少于其他方位。35年来草地的分布是较为稳定的。其次与社会经济活动密切的建设用地也团聚在北部海拔差距较小的位置，以及靠近耕地和水域的中西部位。2010年作为建设用地发展的北方建设用地呈成长条形迅速扩张，同时向周边分散发展，主要向耕地地区扩张。镇宁和关岭相比较而言，社会经济活动的区域也是集中于镇宁的北部地区，其次是关岭的中西侧零星散布。水域主体分布在偏北部地区，中西部也有少量独立的水域区，从研究区整体来看，水域面积十分稀少，空间上的分布也不均匀。在时间演进基础上来看，据表1可知，近35年来，镇宁-关岭的土地利用结构以林地、耕地和草地为主，面积从大小依次是：林地>耕地>草地>建设用地>水域>未利用地，这3种地类所占的比重稳定达到了90%以上，林地占比在50%左右，变动幅度十分微小。面积最小的分别是未利用地，水域和建设用地，35年来这3种用地的总面积和占比分别为87.7km2和2.76%。耕地和草地的数量总体表现为下降趋势，1980—2015年两者的数量分别缩减29.06km2和4.53km2。耕地面积每年平均减少0.83km2，草地每年平均减少0.13km2。耕地数量的减少最多。林地总体为上升趋势，1980—2015年增加了22.4797km2，平均每年增加0.64km2。水域数量变化比较特殊，1980—2005年总体数量在缩减，1980年的数量是6.38km2，而2010年锐减到3.65km2，减幅达到50%左右。值得注意的是，2010年北部建设用地区域出现大块水域面积，这可能是人工湖，水域在2005—2010年有所增加并保持稳定。从时空演变格局来看，研究区近35年来用地结构变化最突出的是耕地，这与城区扩建、交通运输用地的建设、水土流失和荒漠化有密切联系。因此加强水土保持和荒漠化治理工作极为重要，这直接关系到当地生态的可持续发展和人地协调。

3.2 土地利用动态度

3.2.1 单一土地利用动态度 根据公式（1）可算出研究范围内1980—2015年分时段的单一土地动态结果（表2）。近35年来，研究区的土地利用变化稳定程度耕地>草地>未利用地>林地>水域>建设用地。变化最明显的是2005—2015年的水域和建设用地。

3.2.2 综合土地利用动态度（LC） 根据公式可计算出研究区内1980—2015年不同时段的LC值。1980—1995的LC值仅0.02%，表明该时期用地结构变化较慢。1995—2005的10年间，用地变化最快。2005—2015年变化速度减缓。35年间的LC为0.09%，说明镇宁关岭县整体的土地利用处于缓慢演变阶段。

3.3 土地利用转移矩阵分析 根据7期遥感解译数据制成1980—1995、1995—2005、2005—2015和1980—2015的转移矩阵，从细节到整体分析研究区35年来用地的转移情况。从表3能够得知，1980—1995的15年间，研究区地类转移以草地最为显著。15年间草地共转出2.38km2，其中转为林地最多，为2.36km2。水域转移量也较显著，每转出2.72km2，就有1km2转为林地。转变量最少的是耕地、林地和建设用地，3种用地分别的总转变量不到1km2。总体来看，1980—1995年的土地转变量不明显。本时期变化最显著的用地是草地。

从表4可以看出，耕地仅仅在这10年的轉移量最大，达22.36km2，其中转移最显著的是由耕地转出19.30km2到林地，而林地转移给耕地的仅有1.34km2，这也是本阶段林地面积增加的一个重要原因。较上一个时期，草地转给耕地的面积明显增加，达到1.77km2，而草地总转移量也达到了4.54km2。此时水域的转移最少，转移最显著的是耕地。

从表5可知，2005—2015这10年间用地转化的动态进程整体较小。耕地是转出量最多的一种地类，转移量共计11km2，耕地转出量从小到大依次是建设用地>水域>草地>林地。这10年是建设用地快速发展的阶段，每一种用地或多或少地都有转进。当然，以耕地的转进最多。

从表6可以看出，研究区1980—2015年，耕地转出面咱们最大，共计达到33.21km2，其中由耕地转移到林地的20.44km2最为显著。林地的转移量次之，共计4.59km2，大部分林地转为建设用地。草地的转移也比较显著，共转出10.12km2，其中2.14km2转成建设用地，2015年有0.27km2的草地转成了未利用地。35年间建设用地的转进量主要来自于耕地、林地和草地，3者转为建设用地共10.47km2。建设用地的转移比较少，这可能是由于该用地主要是人居生活场所用地，较为固定，很难发生转移。水域在35年间的转移方向主要是林地、草地和耕地。耕地转出量最显著，转给林地和建设用地的最多，分别达到20.44km2和5.60km2。

4 结论

本研究将典型岩溶区镇宁县与关岭县作为整体分析主体，通过遥感解译数据结合数理统计方法与用地转移指标量化了镇宁关岭35年来土地演变的动态过程。结果表明，研究区以林地、耕地、草地3类土地为主体，3者比例明显多余其他用地类型比例;35年来，镇宁和关岭2县耕地面积的减少最为突出，达29.06km2。建设用地以增长数量10.21km2成为增量最大的地类;从不同用地的动态度来看，研究区的用地稳定程度依次是耕地>草地>未利用地>林地>水域>建设用地;用地结构变化最显著的时段是1995—2005年。1980—1995的用地变化十分微弱，2005—2015年用地变化程度则逐渐减缓。通过土地利用转移矩阵可得知，研究区在1995—2005的10年间土地转移量最大，为28.37km2。耕地在1995—2005年转为林地最显著。就研究区1980—2015年整体来看，耕地的转出量最大，达33.21km2;而转进量较少，其中有20.44km2转为林地，这也是林地面积增多的主要用地来源。

参考文献

[1]Turner II B L，Lambin E F，Reenberg A.The emergence of land change science for global environmental change and sustainability.Proceedings of the National Academy of Sciences of the UnitedStates of America，2007，104（52）：20666-20671.

[2]刘纪远，张增祥，徐新良，等.21世纪初中国土地利用变化的空间格局与驱动力分析[J].地理学报，2010，64（12）：1411-1420.

[3]Sanneke van Asselen，Peter H.Verburg.Land cover change or land-use intensification： simulating land system change with a global-scale land change model[J].Global Change Biology 2013，19（12）： 3648-3667.

[4]刘纪远，匡文慧，张增祥，等.20世纪80年代末以来中国土地利用变化的基本特征与空间格局[J].地理学报，2014，69（1）：3-14.

[5]宋开山，刘殿伟，王宗明，等.1954年以来三江平原土地利用变化及驱动力[J].地理学报，2008，63（1）：93-104.

[6]程建，程久苗，吴九兴，等.2000～2010年长江流域土地利用变化与生态系统服务功能变化[J].长江流域资源与环境，2017，26（6）：894-901.

[7]蒲罗曼，张树文，李飞，等.近40年东北农牧交错带土地利用变化对人类活动的响应——以吉林省西部地区为例[J].江苏农业科学，2016，44（6）：522-525.

[8]龙静，胡宝清，刘占明.基于分形理论的区域喀斯特地区土地利用动态分析——以广西都安瑶族自治县为例[J].广西师范学院学报（自然科学版），2011，28（3）：50-56.

[9]龚文峰，袁力.土地利用及生态服务价值变化的图形信息特征分析——以松花江流域哈尔滨段为例[J].环境科学与技术，2010，33（8）：200-205.

[10]罗娅，董国涛，宋文龙，等.黄河河口镇—潼关区间1998-2010年土地利用变化特征[J].地理学报，2014，69（1）：42-53.

[11]李志，刘文兆，郑粉莉.基于CA-Markov模型的黄土塬区黑河流域土地利用变化[J].农业工程学报，2010，26（1）：346-352.

[12]許月卿，罗鼎，冯艳，等.西南喀斯特山区土地利用/覆被变化研究——以贵州省猫跳河流域为例[J].资源科学，2010，32（9）：1752-1760.

[13]冉晨，白晓永，谭秋，等.典型喀斯特地区石漠化景观格局对土地利用变化的响应[J].生态学报，2018，38（24）：240-249.

[14]Yan X ，Cai Y L . Multi-Scale Anthropogenic Driving Forces of Karst Rocky Desertification in Southwest China[J]. Land Degradation & Development，2015，26（2）：193-200.

[15]胡馨月.喀斯特石漠化贫困地区文化生态发展研究——以贵州省平坝县桃花村为例[J].湖北农业科学，2015，54（2）：474-479.

[16]刘愿理，廖和平，巫芯宇，等.西南喀斯特地区耕地破碎与贫困的空间耦合关系研究[J].西南大学学报（自然科学版），2019，41（01）：10-20.

[17]习慧鹏，王世杰，白晓永，等.西南典型喀斯特地区石漠化时空演变特征——以贵州省普定县为例[J].生态学报，2018，38（24）：258-272.

[18]张琦，蔡雄飞，汪发勇，等.喀斯特石漠化与水土流失强度耦合关系分析—以六盘水市为例[J].亚热带水土保持，2016，28（3）：7-11.

[19]熊康宁，李晋，龙明忠.典型喀斯特石漠化治理区水土流失特征与关键问题[J].地理学报，2012，67（7）：878-888.

[20]王世杰，李阳兵，李瑞玲.喀斯特石漠化的形成背景、演化与治理[J].第四纪研究，2003，23（6）：657-666.

[21]童小容，杨庆媛，毕国华.重庆市2000～2015年土地利用变化时空特征分析[J].长江流域资源与环境，2018，27（11）：89-103.

[22]马礼，苏海霞.河北沽源县土地利用动态变化研究[J].干旱区资源与环境，2010，24（1）：131-136.

[23]张超，王琳，张秋霞，等.布哈河流域土地利用转移矩阵及空间变化研究[J].水利水电技术，2016，47（5）：6-11.

（责编：张 丽）