甬江流域土地利用时空格局变化特征分析
邵姝遥，曹罗丹*，田鹏，赵梦琪，张柯琴，邹之晗，周静芬，周艺
(宁波大学 地理与空间信息技术系，浙江 宁波 315211)
摘 要： 基于甬江流域土地利用数据，分析其土地利用数量、结构、方向等变化特征，评价其土地利用强度。结果表明，1980—2015年研究区建设用地面积迅速上升，耕地面积锐减。土地利用变化的突出特征为耕地、林地转向建设用地，且在流域中下游地区土地利用转换频繁、复杂。研究区的土地综合利用动态度和单一利用动态度在不同时间段内表现出较大的差异。研究区土地利用程度不断上升，空间上表现为北部高于南部、东部高于西部。
关键词： 土地利用； 生态风险； 甬江流域
作为国际地圈生物圈计划(IGBP)和全球变化人文计划(IHDP)两大国际合作项目共同支撑的核心研究计划，土地利用变化一直是地球科学研究的热点[1]。土地利用变化既能反映自然格局、过程与人类社会之间最直接的相互关系，更是人口、资源、环境可持续发展的基本问题[2]。目前，国内外土地利用变化研究集中在时空格局分布特征和时空开发利用强度[3]、土地利用变化驱动因素探析，以及土地利用变化对区域景观格局、生态系统稳定性的影响，包括生态风险评价、生态服务价值对土地利用的响应分析[4-6]等方面。如冯佰香等[7]基于象山港土地利用变化，分析其土地开发利用强度；刘永超等[8]对比了中国象山港和美国坦帕湾土地利用变化对生态服务价值的影响。
应当申明的是，对本条文的解释，方法上宜坚持整体主义，即将整部法律、法规视为一个有机体系，确立注释条文在这个有机体的编、章、节中扮演的角色；整体主义是由要素构成的，并奉要素至上为根本，即将条文自身视为一个整体，尊重制定法，明确制定法条文中字、词、句、符各要素均有存在意义而不能随意删减或任性忽略的理念。解释者在条、款、项的基础上，细化并研究法条的逻辑结构，依逻辑结构而确立解释任务的构成。① 王艳林.论食品安全法的任务——《食品安全法》第1条释论.中国计量大学质检法研究所2016年工作论文，未刊稿。据此本条之解释，最低限度包括以下三层：
甬江流域坐落于我国经济发达的东南沿海区域，广布的河流水系网和充沛的河流水量孕育了河姆渡七千年文明和“宁波帮”传承精神，推快了“宁波城”走向繁荣和兴盛的步伐。目前，国内对甬江流域的研究集中于河流水污染方面[9]。随着经济飞速发展，甬江流域的土地利用正发生着急剧变化，土地利用变化破坏了流域景观格局的稳定性，对区域生物多样性和生态系统服务功能亦会产生一定的影响。在实行最严格的生态环境保护制度的背景下，了解人类活动对甬江流域土地利用类型的影响，以及从较长时间段上分析甬江流域土地利用的时空变化特征，有利于流域合理利用土地资源，促进生态环境的治理和保护。为此，特基于甬江流域土地利用变化，分析其土地利用转换方向和结构，以及土地利用开发强度，为区域合理开发和保护土地资源、维护生态环境稳定提供理论和实践指导[10]。
1 研究区概况
甬江流域位于我国东南沿海，浙江省东北部，宁绍平原东部的三江平原地区，地理坐标29°24′～30°49′N、120°49′～120°56′E。甬江流域面积约为3 788 km2，全长105 km，是宁波最主要的河流之一，由奉化江和余姚江两江在宁波市区三江口汇集而成。甬江流域处于亚热带季风气候区，地势西南高、东北低。甬江流域行政范围大部分位于宁波市的江北区、鄞州区、海曙区、镇海区、奉化区及余姚市，小部分位于北仑区、慈溪市及宁海县，区位条件优越，交通便利。甬江流域在促进宁波社会经济快速发展中起到了重要的推动作用，但在快速工业化和城市化的过程中，土地利用类型与结构变化明显。
2 数据来源与研究方法
2.1 数据来源
本研究使用的数据来自于地理国情监测云平台(http://www.dsac.cn/)，包括浙江省的1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015共7期1∶100 000土地利用数据。结合甬江流域行政矢量边界，叠加得到研究所需数据。根据全国土地资源分类系统、甬江流域自然生态背景及本文实际需要，把土地利用类型划分为8类：耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地、滩涂，以及包括在流域边界线内的海域[11]，滩涂主要是沿海大潮高潮位与低潮位中间的潮侵地带，其他土地利用类型内涵详见文献[12]。
2.2 研究方法
对甬江流域1980—2015年的土地利用类型面积进行整理发现(图1)，甬江流域各土地利用类型在数量和结构上发生了较大的变化：草地面积及比例在前10 a大幅减少，此后25 a变化面积较小；耕地面积及比例在1995—2000年前有微小增加，但总体上呈持续减少态势，减少了553.51 km2；海域面积及比例在2010年及以前基本无变化，但在此后5 a内比例快速减小至消失；建设用地持续快速增加且增速明显，从1980年的3.91%增加到2015年的18.60%，共增加了556.63 km2；林地面积及比例以1995年为峰值先增加后减小，但研究初期至后期变化总体较小；水域面积持续增加，但增速不均；滩涂面积比例在1980—1990年增加，在1990—2000年保持稳定，在2000—2005年迅速减小，在2005—2010年保持稳定，于2010—2015年减小至消失；未利用地面积及比例于1980—1990年减小明显，随后5 a有较小增加，之后保持平稳。
土地综合利用动态度与单一利用动态度指数可以用来描述区域和某种土地利用类型变化的强度和速度[14]。土地单一利用动态度表达式：
其中：式(10)为销售商产品发货量与进货量库存量约束关系，式(11)为销售商吞吐能力约束，式(12)为缺货补充平衡关系。
2.2.2 土地利用动态度
利用马尔可夫模型计算出不同时期土地开发利用状态的转移矩阵，对甬江流域每个时期的土地利用数据进行叠加，分析得到甬江流域35 a间土地利用类型的转移方向、转移面积等变化情况，具体计算公式参见文献[13]。
K =(U b -U a )÷(U a T )。
式中：K 为研究时段内某一土地利用类型动态度，U a 、U b 分别为研究期初及研究期末某一土地利用类型的数量；T 为研究时段长。土地综合利用动态度的计算公式参见文献[14]。
2.2.3 土地利用程度
（4）淬火加热时间 加热时间并不是独立的参量，在加热速度一定时，它由所选定的加热温度所决定。不过，反过来说也一样，即实际的加热温度是由加热速度和经试验确定的加热时间所决定的。由于目前在一般的生产条件下，还缺乏可靠的温度测量和控制方法，实际上往往用加热时间而不是用加热温度作为直接的工艺参数。
式中：L 为研究区的土地利用程度综合指数；A i 为研究区内第i 级土地利用程度分级指数；C i 为研究区内第i 级土地利用程度的面积百分率；n 为土地利用程度分级数。据前人经验[15]及研究需要，划分土地利用程度分级：未利用土地级，包括的土地利用类型为未利用地、滩涂，分级指数1；林、草、水用地级，包括的土地利用类型为林地、草地水域，分级指数2；农业用地级，包括的土地利用类型为耕地、养殖用地，分级指数3；城镇聚落用地级，包括的土地利用类型为建设用地，分级指数4。
3 结果与分析
3.1 土地利用总体变化
2.2.1 土地利用转移矩阵
图1 甬江流域各时期土地利用类型结构
3.2 土地利用转移分析
计算甬江流域35 a间各个时期各土地利用类型的综合及单一利用动态度(表2)，分析其土地利用变化速率。甬江流域35 a土地综合利用动态度为0.42%。其中，1990—1995、2000—2005年2个时间段内土地综合利用动态度较大，1980—1990、2005—2010年2个时间段土地利用综合动态度较小，反映了甬江流域土地利用变化在前期和后期较为稳定，中期比较明显。
未来，在农业农村部的指导下，各方将充分发挥在发展现代农业方面的人才、技术、市场、资金和管理等优势，本着优势互补、平等互利、着眼长远、共同发展的原则，紧密围绕提升农民专业合作社发展质量，建立工作协调机制，加强信息交流，努力构建社会专业服务力量支持农民专业合作社发展的良性机制。
表1 1980—2015年甬江流域土地利用转移矩阵
在土地利用转移空间上(图2)，甬江流域耕地转为建设用地分布较广泛，主要位于地形平坦、地理位置较好的地区，靠近人类活动强烈的城镇区域，这些区域的土地利用强度高、土地利用需求量大。在退耕还林政策背景下，耕地在部分地区转换为林地，主要发生在山地、丘陵等地形起伏相对较大且不适宜耕种的地区。耕地转为水域主要发生在东部地区，在沿海水产养殖兴起的背景下土地利用方式发生转变。在人口增加和保障粮食安全的背景下，林地转为耕地主要分布在地形相对平坦、适合耕种的地区。林地向建设用地的转换聚集在城镇的郊区，处于城市扩张的范围内，受经济发展水平和速度影响较大。草地向林地转换集中在低缓山地和丘陵地形区，处于甬江流域中部偏西地区。
3.3 土地利用速率分析
借助转移矩阵来分析土地利用类型在不同时期的转移方向和数量(表1)。1980—2015年，研究区内转移面积最大的为耕地转向建设用地，89.36%的耕地转移成建设用地，转移面积为521.90 km2。草地93.03%转出为林地，海域主要转出为建设用地及草地。建设用地转入来源多，转出较少，主要由耕地和林地转移而来，转入比重分别为92.61%、6.29%。林地主要转出为建设用地、耕地和草地，水域主要转出为耕地和建设用地，滩涂主要转出为水域，未利用地主要转出为建设用地。海域和滩涂在研究初期面积较小且在研究期末全部转为其他土地利用类型。甬江流域在35 a土地利用转型的过程中，各土地利用类型之间转换复杂。
图2 1980—2015年甬江流域土地利用转移的空间分布
表2 1980—2015年甬江流域土地利用变化速率
建设用地单一利用动态度35 a间均为正数，面积持续增长。耕地面积虽减少，但由于面积基数较大，所以动态度较小，研究期末下降了0.51%。草地、未利用地单一利用动态度起伏变化，总体上呈上升趋势。水域土地利用变化速率呈减小趋势，海域、滩涂利用动态度在2010—2015年间变化较大。林地利用动态度变化最小，虽在各个小时间段内均有变化且有个别年份变化幅度较大，但总体较为平衡。
序列密码起源于Vernam密码，1917年，G.Vernam提出了流密码Vernam cipher，若密钥流字符是随机的，那么Vernam密码成为一次一密，这种密码在一定条件下是无条件安全的。当然序列密码也存在缺陷，即密钥的个数必须和明文的个数相同，密钥的分配和管理十分的困难。1949年，Shannon信息论的提出为序列密码奠定了理论基础。序列密码分为同步序列密码SSC和自同步序列密码SSSC。相比于分组密码，序列密码特殊在于它每次用一个密钥加密一个比特，它的速度更快，占用硬件资源更少。
参照前人的研究[15]，将土地利用程度数量化，采用土地利用程度指数来研究土地的开发利用程度，其计算公式为
自1978年以来，黑龙江省经历了小规模救济式扶贫，体制改革推动扶贫阶段，基础制度调试阶段，攻坚扶贫阶段和精准扶贫彻底解决贫困阶段五个阶段，并取得了显著的减贫效果。黑龙江省政府自2002年以来先后发布了《黑龙江省农村扶贫开发纲要（2001-2010年）》、《黑龙江省扶贫开发条例》、《黑龙江省扶贫开发实施重点村整村推进验收办法》、《黑龙江省产业扶贫项目管理办法》等一系列扶贫工作措施[2]。
土地综合利用动态度和单一利用动态度在不同时间段内表现出较大的差异，反映了甬江流域开发利用的不均衡性和不确定性。开垦农田与退耕还林同时进行，增大了经济成本，破坏了生态环境，耕地与建设用地的交替转换，在一定程度上降低了土地的生产力，破坏了土地的可持续利用性。
3.4 土地利用程度分析
通过计算得到甬江流域土地利用程度指数，运用ArcGIS 10.3软件对其中的1980、1995、2005、2015年土地利用程度进行空间化，再对评价结果进行分等定级，将评价结果分为弱、较弱、中、较强和强5个等级，以反映甬江流域土地利用程度的空间变化。时间上，1980—2015年间，甬江流域土地利用程度总体上呈上升趋势，反映了研究期间人类对甬江流域的土地利用程度不断上升。其中，1990—1995年，土地利用程度有所下降，而2000—2005年土地利用程度综合指数上升最快，增加了8.27。
空间上，35 a间甬江流域土地开发利用程度区域差异明显(图3)，北部高于南部，东部高于西部。整个甬江流域范围内，1980年土地利用中等以上程度合计占65.08%，较强程度的土地利用面积占41.24%，强等级土地利用程度分布在宁波市区范围的中心地带，面积占比为1.37%，弱等级土地开发利用程度的土地分布在研究区东北角。1995年土地开发利用程度为中等以上的土地面积减少，总计占甬江流域总面积的61.88%，研究区北部即余姚市东北部和宁波市区范围西北部较大面积土地的利用程度由较强级转变为较弱级。2005年土地开发利用程度为中等以上的土地面积增加，占甬江流域总面积的66.21%，原有的开发利用程度为强的余姚市中心地带、宁波市区范围的中心地带及奉化中心地带以其自身为中心得到了快速的扩张。2015年土地开发利用程度为中等以上的土地面积比例增加至最大值67.35%，土地利用程度达到最大。
图3 甬江流域土地利用程度空间分布
总体来说，研究区内土地开发利用程度普遍较高，中等以上程度面积呈增加趋势，其中开发利用程度为强的土地面积所占比例稳定持续增加且增加速度越来越快，较强开发利用程度土地面积整体上呈持续减少状态，中等程度的土地面积变化不明显，稍有减少，较弱级及弱级土地持续减少，在2015年达到最小值。由于西南部山地丘陵对土地开发利用的限制，东部及北部的土地开发利用程度越来越高。耕地中化肥农药的使用，居民点及工厂企业生活垃圾、固体废弃物的污染，使得甬江流域东部及北部的土地受到人类活动的严重影响，来自生产生活的压力越来越大。
4 小结
对甬江流域1980—2015年的土地利用时空格局变化特征进行分析，结果发现：甬江流域草地、林地、耕地、海域、滩涂、未利用地面积缩减，建设用地和水域面积持续增长。耕地主要转为建设用地、林地和水域，海域、林地和未利用地主要转为建设用地，草地主要向林地转换，土地利用转移趋向复杂化。甬江流域耕地转为建设用地主要位于地形平坦、地理位置较好的地区，靠近人类活动强烈的城镇区域。耕地转换为林地主要发生在山地、丘陵等地形起伏相对较大且不适宜耕种的地区。耕地转为水域主要发生在东部地区。林地转为耕地主要分布在地形相对平坦、适合耕种的地区。林地向建设用地转换聚集在城镇的郊区，处于城市扩张的范围内。草地向林地转换集中在低缓山地和丘陵地形区，处于甬江流域中部偏西地区。甬江流域土地综合利用动态度为0.42%。建设用地单一利用动态度35 a间均为正数，耕地单一利用动态度下降了0.51%。草地、未利用地单一利用动态度总体呈上升趋势，林地单一利用动态度变化最小。土地综合利用动态度和单一利用动态度在不同时间段内表现出较大的差异，反映了甬江流域开发利用的不均衡和不确定性。甬江流域土地利用程度不断上升，研究期末增长了57.89%，其区域分异明显，受地形条件、地理区位、经济发展等因素影响，土地利用程度空间上呈现北部高于南部、东部高于西部的特征。
参考文献 ：
[1] 李秀彬. 全球环境变化研究的核心领域：土地利用/土地覆被变化的国际研究动向[J]. 地理学报, 1996, 51(6): 553-558.
[2] 刘彦随, 陈百明. 中国可持续发展问题与土地利用/覆被变化研究[J]. 地理研究, 2002, 21(3): 324-330.
[3] ERB K, NIEDERTSCHEIDER M, DIETRICH J P, et al. Conceptual and empirical approaches to mapping and quantifying land-use intensity[M]//Ester boserup’s legacy on sustainability. Dordrecht: Springer Netherlands, 2014: 61-86.
[4] 史作琦, 李加林, 姜忆湄, 等. 甬台温地区海岸带土地开发利用强度变化研究[J]. 宁波大学学报(理工版), 2017, 30(2): 83-89.
[5] 田鹏, 李加林, 史小丽, 等. 浙江省土地利用格局时空变化及生态风险评价[J]. 长江流域资源与环境, 2018 (12): 2697-2706.
[6] 许妍, 高俊峰, 高永年. 基于土地利用动态变化的太湖地区景观生态风险评价[J]. 湖泊科学, 2011, 23(4): 642-648.
[7] 冯佰香, 李加林, 龚虹波, 等. 30年来象山港海岸带土地开发利用强度时空变化研究[J]. 海洋通报, 2017, 36(3): 250-259.
[8] 刘永超, 李加林, 袁麒翔, 等. 人类活动对港湾岸线及景观变迁影响的比较研究: 以中国象山港与美国坦帕湾为例[J]. 地理学报, 2016, 71(1): 86-103.
[9] 许有鹏, 王腊春, 李立国, 等. 中小流域防洪决策支持系统设计研究: 以我国东南沿海甬江流域为例[J]. 南京大学学报(自然科学版), 2000, 36(3): 280-285.
[10] LIU S L, CUI B S, DONG S K, et al. Evaluating the influence of road networks on landscape and regional ecological risk: a case study in Lancang River Valley of Southwest China[J]. Ecological Engineering, 2008, 34(2): 91-99.
[11] 田鹏, 史小丽, 李加林, 等. 杭州市土地利用变化及生态风险评价[J]. 水土保持通报, 2018, 38(4): 274-281.
[12] 黄日鹏, 李加林, 叶梦姚, 等. 东南沿海景观格局及其生态风险演化研究: 以宁波北仑区为例[J]. 浙江大学学报(理学版), 2017, 44(6): 682-691.
[13] 李加林, 徐谅慧, 杨磊, 等. 浙江省海岸带景观生态风险格局演变研究[J]. 水土保持学报, 2016, 30(1): 293-299.
[14] 姜忆湄, 李加林, 龚虹波, 等. 围填海影响下海岸带生态服务价值损益评估: 以宁波杭州湾新区为例[J]. 经济地理, 2017, 37(11): 181-190.
[15] 何改丽, 李加林, 刘永超, 等. 1985—2015年美国坦帕湾流域土地开发利用强度时空变化分析[J]. 自然资源学报, 2019, 34(1): 66-79.
收稿日期： 2019-06-12
基金项目： 国家大学生创新训练项目(201811646001)；浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)(2018R405016)；宁波大学SRIP重点项目(2018SRIP3801)
作者简介： 邵姝遥(1998—)，女，浙江宁波人，从事土地资源开发研究工作，E-mail：vickyssy@163.com。
通信作者： 曹罗丹(1990—)，女，河南许昌人，讲师，博士，从事土地资源开发研究工作，E-mail：aidushude@163.com。
文献著录格式： 邵姝遥，曹罗丹，田鹏，等. 甬江流域土地利用时空格局变化特征分析[J].浙江农业科学，2019，60(8)：1324-1329.
DOI： 10.16178/j.issn.0528-9017.20190816
中图分类号： F301.24
文献标志码： A
文章编号： 0528-9017(2019)08-1324-05
(责任编辑： 高峻)
标签：土地利用论文; 生态风险论文; 甬江流域论文; 宁波大学地理与空间信息技术系论文;