近十五年来江汉平原LUCC轨迹分析

徐小娇，周建峰，王文丽，王宏志

(华中师范大学城市与环境学院，湖北 武汉 430079)

20世纪90年代以来，土地利用/覆被变化(land use/cover change，LUCC)的研究已成为全球环境变化研究领域的核心内容之一[1].实时、准确、快速地了解土地利用/覆被格局及其动态变化的特征，对于及时调整和优化土地利用结构、提高土地利用效率、制定科学合理的土地政策、促进区域土地资源可持续利用具有重要意义.国外LUCC研究主要是对区域或全球尺度的LUCC过程、动力机制和环境效应的研究及其案例比较研究[2-5]与模型研究[6-7]等；国内多以“生态脆弱区”[8-11]和人类活动活跃的“热点区”[12-16]等典型区域为研究对象，以遥感影像等多源数据为基础，综合应用GIS空间分析和系统分析等方法对LUCC进行监测、模拟与预测，并对驱动力和环境效应进行分析研究等[9-22].随着对粮食安全研究的深入，农村与农业集中区的LUCC研究越来越受到重视[16].江汉平原是我国重要的商品粮棉油产区，其LUCC关系到区域乃至全国的生态及粮食安全，是全球变化研究的重点区域之一[17-22].从发表的区域研究成果来看，江汉平原LUCC变化的系统研究多是基于2000年以前的TM数据进行的分析，尚缺乏近10年来的系统研究成果.拟以中科院基于1995、2000、2005和2010年TM影像建立的土地利用/土地覆被数据库为基础，对江汉平原近15年来LUCC轨迹及时空特征和驱动因素进行分析，为区域土地资源可持续利用和土地利用管理提供决策支持.

1 研究方法

1.1研究区域概况江汉平原(29°26′～31°13′N，111°30′～114°32′E)位于湖北省中南部，由长江和汉水共同冲积、洪积、淤积而成，含16个县市级行政管理区，总面积为31 034 km2，是长江中游平原的主体部分.江汉平原地势低平，海拔一般低于100 m，大部分在40 m以下，边缘的蚀余丘陵海拔高度可达200～300 m.区域内河网纵横，湖泊众多，土层深厚，水、热、温、光资源丰富[17-18，20].由于主要关注江汉平原的农村和农业区，故而研究区域并没有包含武汉市在内.

1.2数据来源及处理江汉平原土地利用/覆被信息源为中科院基于1995、2000、2005和2010TM遥感影像建立的土地利用/土地覆被数据库.在ARCGIS9.2平台支持下，首先利用ArcToolbox中的dissolve命令将原有数据库中的二级地类合并为一级地类，即合并为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六大类；再利用Overlay分析模块的Intersect命令，将各期土地利用/土地覆被矢量图层分别执行1995-2000、2005-2010和1995-2010年的空间叠加分析，分别得到3个时期的LUCC矢量图层；然后利用Field Calculator计算叠加后新生成的斑块面积，并将新生成的属性数据导出，存储为Excel的格式.

1.3 LUCC模型

1.3.1 转移矩阵和变化轨迹 利用Excel软件中数据透视表的功能可建立各期的土地利用/覆被类型的转移矩阵和变化轨迹.转移矩阵和变化轨迹可全面、具体地刻画各个时期区域土地利用/覆被变化的结构特征、土地利用/覆被类型转变的数量和方向[21].

1.3.2 单一土地利用/覆被变化动态度双向模型 单一土地利用/覆被动态度双向模型(公式1)用于分别计算土地利用类型a的年均转出或转入的土地面积占研究期初面积的比率[21-22]，格式如下.

(1)

式中，a，j分别代表第a，j类土地利用类型；Kaj、Kja分别代表第a类土地利用/覆被类型在某一时间段的年均转出、转入比率；∑Uaj、∑Uja分别代表在该时段内第a类变为其他类型、其他类型变为第a类的面积总和；Ua表示第a类土地利用/覆被类型的初始面积，T代表研究时段(年).

2 江汉平原土地利用/覆被变化分析

2.1江汉平原土地利用/覆被变化总体特征利用空间统计功能得到各期江汉平原土地利用/覆被类型面积表，并计算各类型的构成，得到表1.

表1 1995-2010年各期江汉平原土地利用/覆被类型构成 km2；%

由表1可知，研究基期(1995)江汉平原土地利用/土地覆被的构成为耕地占71.27%、水域占11.7%、林地占7.52%、建设用地占7.51%、草地和未利用地占1.99%，到研究末期(2010)分别为66.73%、14.95%、7.62%、8.39%、2.31%，耕地面积持续减少，而林地、草地、水域、建设用地和未利用地均有所增加.耕地15年间共减少了1 282.01 km2，占耕地总量的6.37%；水域和建设用持续增加，15年内分别增加了915.27 km2和247.95 km2，分别占其总量27.70%和11.60%；而林地、草地和未利用地等地类稳中有升.

表21995-2010年江汉平原土地利用/覆被转移矩阵km2

19952010草地建设用地耕地林地水域未利用地草地—0．880．120．265．561．88建设用地0．14—33．892．287．192．60耕地40．81265．12—56．981021．4157．99林地0．0518．1012．38—15．950．45水域14．849．3886．8513．53—138．90未利用地0．570．5627．051．43128．67—

利用Excel软件中数据透视表功能建立1995-2010的土地利用/覆被转移矩阵表2.表2中，行表示各地类研究期(1995-2010)转出的面积，列表示研究期转入的面积，显示了土地利用/覆被的双向变化特征.以耕地为例，15年间共流出1 442.31 km2，其中1 021.41 km2转为水域，占耕地总转出量的70.81%；265.12 km2转为建设用地，占耕地总转出量的18.38%；共流入160.29 km2，其中由水域转入86.85 km2，由建设用地转入33.89 km2，由未利用地转入27.05 km2.表2也清楚地显示了其他土地利用/覆被类型变化的数量和方向.

结合表1和表2可见，15年来江汉平原LUCC的主要特征是耕地相关的变化.耕地双向变化中流出、流入面积比约为9∶1，主要趋势为流出、转化为水域和建设用地，显示出“退田还湖”政策和城市化是区域土地利用/土地覆被流出的主要影响因素；在流入耕地的类型中，以水域、建设用地和未利用地为主，其中水域、未利用地为区域传统的耕地增加方式，而建设用地转变为耕地显示出土地整理对区域耕地增加的作用.

2.2 江汉平原LUCC轨迹分析

2.2.1 LUCC轨迹的时序特征 利用通过分期空间叠加获得的土地利用/覆被变化数据，计算了江汉平原前期(1995-2000)、中期(2000-2005)和后期(2005-2010)3个时期内各主要土地利用/覆被类型的单一类型的双向动态度(表3)，并分析了1995-2010土地利用/覆被变化的轨迹(表4).

由表3可见，3种主要地类的变化显示出完全不同的态势.3个时期水域变化最为活跃，水域面积增加是本区域土地利用变化最显著的标志，转出、转入率均比较高，尤其是1995-2000年期间，其转出、转入率均为最高，分别为1.27和3.27，显示出退田还湖政策对江汉平原区域土地利用/覆被变化的影响最为显著.3个时期水域的转入率分别是同期年均转出率的2.6倍、10.2倍和2.16倍，属于持续扩张型；耕地的转出率远远高于转入率，分别是同期年均转入速率的5倍、30倍和6倍，属于高速衰减型；建设用地变化显示了与耕地完全相反的趋势，建设用地同期转入与转出面积比分别为2.1、501.2和12.2，属于高速扩张型.

表3 1995-2010年江汉平原单一LUCC的双向动态

整个江汉平原LUCC呈前期快、中后期缓和的态势，其中以耕地流出为主要趋势.由表4可见，土地利用类型变化轨迹耕地-水域-水域-水域和耕地-耕地-水域-水域的面积分别为423.68 km2和370.12 km2，共占1995-2010年水域面积增加量的67.34%，说明江汉平原水域的增加主要以2005年以前的耕地转入为主，以1995-2000时期为最大；变化轨迹耕地-耕地-耕地-建设用地的面积为172.58 km2，占1995-2010年建设用地增加量的58.69%，说明江汉平原建设用地的增加主要是在2005年以后由耕地转入；变化轨迹水域-耕地-耕地-耕地和建设用地-耕地-耕地-耕地的面积分别为46.93 km2和24.59 km2，共占1995-2010年耕地面积增加量的44.62%，水域-水域-水域-耕地和未利用地-未利用地-未利用地-耕地的面积分别为35.67 km2和10.68 km2，共占1995-2010年耕地面积增加量的28.92%，说明江汉平原耕地面积的增加主要以2000年以前的水域和建设用地及2005年以后的水域和未利用地转入为主；另外未利用地-水域-水域-水域和水域-未利用地-未利用地-未利用地变化轨迹也比较突出，说明江汉平原在2000年以前水域和未利用地之间的相互转化也较显著.

表4 1995-2010年江汉平原主要土地利用/覆被类型变化轨迹

2.2.2 LUCC轨迹的空间特征 分别提取1995-2000、2000-2005和2005-2010年的LUCC信息，成图显示得到图1.由图1可以得到与前面分析相一致结论，即:整个江汉平原LUCC呈前期快、中后期缓和的态势.与此同时，由图1可见，江汉平原LUCC在不同的时段呈现出明显不同的空间分布特征.早期、中期东部平原区(汉川、仙桃、洪湖和监利县)LUCC变化率明显高于其他地区；而后期这种趋势有所缓和，虽然东部平原区的LUCC仍然很显著，但是沙市市、江陵县和潜江市的LUCC也很明显.

对主要LUCC类型作变化轨迹分析，由图2可见，耕地-水域变化轨迹主要集中分布在原有水域边缘，表现为原有水域的扩张，占1995-2010年水域面积增量的62%，以仙桃、洪湖和监利等低湖平原区为主要代表区域；耕地-建设用地变化轨迹则主要表现为各乡镇县市所在地的向外扩张和内部填充以及工交建设占用，分别占建设用地增量的45%和26%.与此同时，各乡镇县市所在地的扩张和填充在交通干线(陆路和水路)两侧比重较大[20].

图1 1995-2010年江汉平原土地利用/覆被变化

图2 1995-2000-2005-2010年江汉平原土地利用/覆被变化主要轨迹

3 讨论

1995-2010年以来江汉平原土地利用/覆盖变化，从类型上看，主要表现为耕地面积的持续减少和湖泊水域及建设用地的扩张；从空间上看，区域东部动态度明显高于中西部.水域扩张主要表现为在原有水域周边水面的增加，建设用地增加主要表现为各乡镇县市所在地的向外扩张和内部填充以及工交建设占地.

耕地转变为水域主要是国家政策的驱动.1998年特大洪水以后，国务院提出了治理大江大河的“32字方针”，随后水利部等又组织编制了《长江平垸行洪、退田还湖规划报告》和《关于进一步做好湖北、湖南、江西、安徽四省平垸行洪、退田还湖、移民建镇工作的报告》，1999年又提出了生态退耕政策，在这些政策的引导和规范下，江汉平原退田还湖效果显著，水域面积大幅度增加.本区域退田还湖所增加的水面很大一部分是鱼池，随着人民生活水平的提高，对鱼类产品的需求增加，同时养鱼收入高于种田收益；但是2004年之后国家实行了粮食直补政策，同时粮食价格持续走高，许多农民又把鱼塘改造回了水田.江汉平原耕地转变为水域的面积逐时段呈显著递减状态.

耕地转变为建设用地是多种因素共同作用的结果，1995-2000年主要受1987-1994年间出现的“开发区热”、“房地产热”和“建房修路热”的后效影响，建设用地扩张较快；1997 年国家颁布了“关于进一步加强土地管理切实保护耕地的通知”后，各类建设用地猛增的势头得到了缓和[17]，2000-2005年江汉平原建设用地扩张率明显减缓；2006年国家决计推行中部崛起战略，区域交通运输条件明显改善.“汉宜铁路”和随岳高速公路等交通线路的修建占用了大量农用地，同时也带动了沿线投资增加，使江汉平原2005-2010年建设用地扩张显著.除了政策之外，人口增加也是区域建设用地扩张的重要原因，2005-2009年江汉平原人口增加了10.5万，伴随着人口的增长，必然导致为居民服务的各项基础设施建设用地的扩张.

4 结论

(1)1995-2010年江汉平原土地利用/覆被变化的主要表现为耕地面积持续减少、水域和建设用地面积持续增加.3个时期耕地的转出率远远高于转入率，分别是同期年均转入速率的5倍、30倍和6倍，属于高速衰减型；水域的转入率远远高于转出率，分别是同期年均转出率的2.6倍、10.2倍和2.16倍，属于持续扩张型；建设用地同期转入与转出面积比分别为2.1、501.2和12.2，属于高速扩张型.

(2)耕地的转入类型中，除了传统的水域和未利用地外，建设用地也成为了一种主要的类型.表明土地整理对于耕地增加的作用也不可小视.

(3)江汉平原东部、中部综合LUCC动态度明显高于西部地区，这种空间格局在前期和中期表现更为明显.

(4)江汉平原LUCC总体上在1995-2000年最为显著，水域面积增加在1995-2000年最为显著，而建设用地增加在2005-2010年最为显著.从LUCC轨迹来看，江汉平原水域的增加主要2005年以前的耕地转入为主；建设用地的增加主要以2005年后的耕地转入为主.水域扩张主要集中在原有水域边缘，占1995-2010年水域面积增量的62%；建设用地变化轨迹则主要表现为各乡镇县市所在地的扩张和填充及工交建设用地占地，分别占建设用地增量的45%和26%.

(5)江汉平原LUCC特征与退田还湖政策、中部崛起战略、土地整理等政策的实施在时段上基本吻合.

[1] 李秀彬.全球环境变化研究的核心领域-土地利用/土地覆盖变化的国际研究动向[J].地理学报，1996，51(6):553-557．

[2] John Manyimadin Kusimi. Assessing land use and land cover change in the Wassa West District of Ghana using remote sensing[J].GeoJournal，2008，71(4):249-259.

[3] Napton D E，Auch R F，Headley R. Land changes and their driving forces in the Southeastern United States[J].Regional Environmental Change，2010，10(1):37-53.

[4] Ataollah Kelarestaghi，Zeinab Jafarian Jeloudar. Land use/cover change and driving force analyses in parts of northern Iran using RS and GIS techniques[J].Arabian Journal of Geosciences，2011，4(3/4):401-411.

[5] Fusun Balik Sanli，Yusuf Kurucu，Mustafa Tolga Esetlili. Determining land use changes by radar-optic fused images and monitoring its environmental impacts in Edremit region of western Turkey[J].Environmental Monitoring and Assessment，2009，151(1/4):45-58.

[6] Diego Valbuena，Peter H Verburg，Arnold K Bregt. An agent-based approach to model land-use change at a regional scale. Landscape Ecology，2010，25(2):185-199.

[7] Terry L Sohl，Thomas R Loveland，Benjamin M Sleeter. Addressing foundational elements of regional land-use change forecasting[J].Landscape Ecology，2010，25(2):233-247.

[8] 宋乃平，王磊，张庆霞，等.农牧交错区典型村域的土地利用变化过程研究——以盐池县马儿庄村为例[J].资源科学，2010，32(6):1148-1153.

[9] 杨东，郑凤娟，刘洪敏，等.干旱内陆河流域土地利用变化的人文驱动因子分析——以甘肃省酒泉市为例[J].干旱区资源与环境，2010，24(11):12-17.

[10] 杨格格，杨艳昭，封志明，等.南方红壤丘陵地区土地利用变化特征——以吉泰盆地为例[J].地理科学进展，2010，29(4):483-488.

[11] 李志，周生路，陆长林，等.基于系统动力学城市边缘区土地利用变化模拟与预测——以南京市江宁区为例[J].土壤，2010，42(2):314-318.

[12] 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，2009，64(12):1411-1420.

[13] 杨国清，吴志峰，祝国瑞.广州地区土地利用景观格局变化研究[J].农业工程学报，2006，22(5):218-221.

[14] 朱会义，李秀彬，何书金，等.环渤海地区土地利用的时空变化分析[J].地理学报，2001，56(3):253-260.

[15] 黎夏.珠江三角洲发展走廊1988-1997年土地利用变化特征的空间分析[J].自然资源学报，2004，19(3):307-315.

[16] 陈百明，刘新卫，杨红.LUCC研究的最新进展评述[J].地理科学进展，2003，22(1):22-29.

[17] 李仁东，程学军，隋晓丽.江汉平原土地利用的时空变化及其驱动因素分析[J].地理研究，2003，22(4):423-431.

[18] 吴胜军，程学军，吴冲龙.江汉平原土地利用变化分析[J].安徽农业科学，2007，35(15):4596-4597，4629.

[19] 李仁东，庄大方，王宏志，等.洞庭湖区近20年土地利用/覆盖变化的时空特征[J].地理科学进展，2003，22(2):164-169.

[20] 王宏志，宋明洁，李仁东，等.江汉平原建设用地扩张的时空特征与驱动力分析[J].长江流域资源与环境，2011，20(4):416-421.

[21] 朱会义，李秀彬.关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J].地理学报，2003，58(5):643-650.

[22] 王宏志，李仁东，毋河海.土地利用动态度双向模型及其在武汉郊县的应用[J].国土资源遥感，2002，(2):20-33.