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_刘纪远.docx
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1、 第 69 卷 第 1 期 2014 年 1 月 地 理 学 报 ACTA GEOGRAPHICA SINICA Vol.69, No.1 January, 2014 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 刘纪远 1, 匡文慧1, 张增祥2, 徐新良1, 秦元伟1,3, 宁 佳1,3, 周万村4, 张树文5, 李仁东 6, 颜长珍7, 吴世新8, 史学正9, 江 南10, 于东升9, 潘贤章9, 迟文峰1,3 (1. 中国科学院地理科学与资源研究所 , 北京 100101; 2. 中国科学院遥感与数字地球研究所 , 北京 100101; 3. 中国科学院大学 ,
2、北京 100049; 4. 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 , 成都 610041; 5. 中国科学院东北地理与农业生态研究所 , 长春 130012; 6. 中国科学院武汉测量与地球物理研究所 , 武汉 430077; 7. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 , 兰州 730000; 8. 中国科学院新疆生态与地理研究所 , 乌鲁木齐 830011; 9. 中国科学院南京土壤研究所 , 南京 210008; 10. 中国科学院南京地理与湖泊研究所 , 南京 210008) 摘要:土地利用 /土地 覆被变化 (LUCC) 是人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形 式, 本文采用相同空间
3、分辨率的卫星遥感信息源和相同的技术方法,对中国 1980 年代末到 2010 年 土地利用变化数据进行定期更 新。 在此基础 上, 提出并发展土地利用动态区划的方 法, 研究 土地利用变化的空间格局与时空特征。我们发现: 1990-2010 年的 20 年间,中国土地利用变化 表现出明显的时空差异 。 “ 南减北增,总量基本持衡,新增耕地的重心逐步由东北向西北移 动 ” 是耕地变化的基本特征; “ 扩展提速,东部为重心,向中西部蔓延 ” 是城乡建设用地变化 的基本特征; “ 林地前减后增,荒漠前增后减,草地持续减少 ” 是非人工土地利用类型变化的 主要特征。 20 世纪末与 21 世纪初两个
4、10 年相比,中国土地利用变化空间格局出现了一些新特 征,原有的 13 个土地利用变化区划单元演变为 15 个单元,且部分区划单元边界发生变化。主 要变化格局特征为黄淮海地区、东南部沿海地区、长江中游地区和四川盆地城镇工矿用地呈 现明显的加速扩张态势;北方地区耕地开垦重心由东北地区和内蒙古东部转向西北绿洲农业 区;东北地区旱作耕地持续转变为水田;内蒙古农牧交错带南部、黄土高原和西南山地退耕 还林还草效果初显。近 20 年间,尽管气候变化对北方地区的耕地变化有一定的影响,但政策 调控和经济驱动仍然是导致我国土地利用变化及其时空差异的主要原因。 2000 年后的第一个 10 年,土地利用格局变化的
5、人为驱动因素已由单向国土开发为主,转变为开发与保护并重 。 在空间格局变化的分析方法方面,应用 “ 动态区划法 ” 开展世纪之交两个 10 年中国 LUCC 空 间格局变化的分析,有效揭示了 20 年来中国 LUCC“ 格局的变化过程 ” ,即动态区划边界的推 移、区划单元内部特征的变化与单元的消长等;以及 “ 变化过程的格局 ” ,即土地利用变化过 程与特征的分阶段区域差异,清晰刻画了 LUCC 动态区划中区划单元的消长,单元边界的变 动,以及前后 10 年的变化强度特征,揭示了土地利用 “ 格局 ” 与 “ 过程 ” 之间的交替转化规 律,以及不同类型和区域的变化原因,证明了该分析方法的有
6、效性。 关键词:卫星遥感;土地利用变化;特征;空间格局;中国 DOI: 10.11821/dlxb201401001 收稿日期: 2013-07-29; 修订日期: 2013-11-08 基 金 项 目 : 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 (2010CB950900; 2014CB954302); 国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目 (2013BAC03B00); 中 国 科 学 院 重 点 战 略 部 署 课 题 (KSZD-EW-Z-021-02) Foundation: National Basic Research Program of China, No.
7、2010CB950900; No.2014CB954302; National Key Technology R&D Program, No.2013BAC03B00; The Key Research Program of the Chinese Academy of Sciences No.KSZD-EW-Z-021-02 作者简介 : 刘纪远 (1947-), 男 , 研究员 , 博士生导师 , 中国自然资源学会理事长 , 中国地理学会会员 (S110001625M), 主 要从事资源环境遥感与土地利用 /覆盖变化及其宏观生态效应研究。 E-mail: 03-14 页 4 地 理 学
8、报 69 卷 1 引言 土地利用 /土地覆盖变化 (LUCC) 是全球气候变化和全球环境变化研究关注的重要内 容 1-2。它作为表征人类活动行为对地球陆表自然生态系统影响最直接的信号,是人类社会 经济活动行为与自然生态过程交互和链接的纽带 1。这一过程与陆地表层物质循环和生命 过程密切相关 3,因此它也直接影响着生物圈 大气交互、生物多样性、地表辐射强迫、 生物地球化学循环以及资源环境的可持续利用 1-4。 1993 年 , “ 国际地圈与生物圈计划 ” (IGBP) 和 “ 全球变化人文因素计划 ” (IHDP) 两大国际组织共同制订的 “ 土地利用 /土地覆 盖变化 (LUCC) 科学研究
9、计划 ” , 将其作为全球变化研究的核心内容 5-6。 在此基础上, 2005 年启动全球土地计划 (Global Land Project, GLP),强调陆地系统中人类 环境耦合系 统的综合集成与模拟研究,以人类 环境耦合系统为核心的土地利用 /土地覆盖动态过程 的监测与模拟逐渐成为研究关注的焦点 7-10。 开展国家尺度长时间序列高精度的土地利用 /覆盖变化遥感监测,通过数据挖掘和知 识库的建立,快速获取土地利用 /覆被变化相关知识,及时提出国土开发和气候变化适应 性的宏观策略对于国家资源环境可持续发展具有重要的战略意义 10-16。在中国, 20 世纪后 期以来社会经济的持续快速发 展
10、, 工业化 、 城市化进程的加快,以及国家区域发展与生态 保护战略的实施,对中国土地利用空间格局变化产生了显著的影响。为了掌握和揭示中国 土地利用变化的时空特征,我们自 1990 年代初以来,以卫星遥感数据作为主要信息源, 建成中国国家尺度土地利用变化数据库,并每隔 5 年采用同类卫星遥感信息源和相同的数 据分析方法,完成全国范围的土地利用数据更新 12-15,截至目前,已经完成并拥有 1980 年 代末 、 1995 年 、 2000 年 、 2005 年和 2010 年 5 期全国土地利用变化 1:10 万矢量数据库和 1km 比例成分分类栅格数据库 13-15。基于上述数据库,分析 19
11、80 年代末以来 20 年间中国土 地利用变化的基本时空特征,并对比 20 世纪末最后 10 年 (1990-2000) 和 21 世纪初第一个 10 年 (2000-2010) 中国土地利用变化格局的异同,揭示世纪之交的 20 年期间中国土地利用 变化的基本特征及其主要驱动力,为土地利用 /土地覆盖变化及其相关领域的研究提供有 价值的科学信息。 2 数据与方法 2.1 卫星遥感数据获取与土地利用数据更新 在已建立的 1980 年代末、 1995 年、 2000 年、 2005 年 4 期全国土地利用变化数据库的 基础上 13-15,继续采用土地利用变化遥感信息人机交互快速提取方法,解译 20
12、10 年覆盖中 国的 Landsat TM 数字影像,更新 2005 年全国土地利用数据库,建成了 2010 年全国 1:10 万 比例尺土地利用数据库。其中, Landsat TM 数据无法覆盖或质量较差的区域,利用环境 1 号卫星 (HJ-1) 的 CCD 多光谱数据等作为补充。具体做法是,通过 2005 年与 2010 年遥感影 像对比,在 2005 年土地利用数据基础上,判定并勾绘变化区域,标注类型变化的动态信 息编码,该编码能够同时反映变化地块在 2005 年和 2010 年前后两个时段的土地利用类 型 。 为保证获取数据的解译质量和一致 性, 我们对每期数据集都进行统一的质量检查和
13、数 据集成 17。在每期数据集研发前期在全国范围内北方以秋季为主,南方以春季为主开展野 外考察,实地调 查除台湾以外各省土地利用情 况, 获取大量的外业调查记录 、 照片,对野 外调查资料与外业实地记录,按照 10%的县数比例随机抽取开展精度验证。土地利用一级 类型综合评价精度达到 94.3%以上,二级类型分类综合精度达 91.2%以上,满足 1:10 万比 例尺用户制图精度 13-15。 在实现 2010 年全国土地利用图更新后,通过图形切割处理和面积平差计算,实现省 20 之 间 的 转 换 面 积 ( 图 2)。 这 样,每 1 km 栅格上,记录了不 Fig. 2 The flowch
14、art of generated grid datasets on dominated land use change 1 期 刘纪远 等: 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 5 图 1 2010 年中国土地利用现状图 Fig. 1 Acquired land use map across China in 2010 级分类面积汇 总, 分别计算出各省和全国耕 地、 林地 、 草地 、 水域 、 城乡建设用 地、 未利 用地等 6 个方面 25 个类型的土地面积 15。 基于 1980 年代末 、 1995 年 、 2000 年 、 2005 年和 2010 年 5
15、期土地利用数据库 13-15,构 建了能全面反映我国 21 世纪之交土地利用变化的时空信息平台。在其支持下,我们开展 了 1980 年代末至 2010 年这一时 期内间隔 5 年或 10 年的各个时 段,各种土地利用类型的数 量、变化量、区域分布及其变 化原因的分析,并形成国家与 区域尺度土地利用时空变化特 征与变化规律的科学结论。 2.2 土地利用变化的度量 、 制 图与区划 以覆盖全国的 1 km 栅格土 地利用本底与动态的成分数据 作为土地利用动态区域划分的 依据,可以在消除空间数据尺 度效应的基础上,保证数据的 空间精度和面积精度。将动态 图进行 1 km 大小的矢量栅格切 割,可以得
16、到每个栅格内各土 地类型的动态变化面积及类型 图 2 土地利用变化图公里栅格生成技术流程 同时期土地利用类型的面积百 types S = Si-j /Si (1/t) 100% 6 地 理 学 报 69 卷 分比及其变化比例、变化方式等信息。 土地利用动态度反映了土地利用变化速率的区域差异,土地利用动态度按公式 (1) 计算: n ij (1) 式中, Si为监测开始时间第 i 类土地利用类型总面积, Si-j为监测开始至监测结束时段内第 i 类土地利用类型转换为其它类土地利用类型面积总和 , t 为时间段,土地利用动态度 S 反 映了与 t 时段对应的研究样区土地利用变化速率。 图 3 20
17、 世纪 80 年代末 -2000 年中国土地利用变化空间分区与分布特征 Fig. 3 Spatial regionalization and distribution map of national land use change from the late 1980s to 2000 图 4 2000-2010 年中国土地利用变化空间分区与分布特征 Fig. 4 Spatial regionalization and distribution map of national land use change from 2000 to 2010 20 1 期 刘纪远 等: 世纪 80 年代末以来
18、中国土地利用变化的基本特征与空间格局 7 参照土地利用动态度的空间分异规律和 1 km 栅格地块内各种土地利用类型相互转化 信息,基于 10 km 大小的栅格区域进行全国土地利用动态区划。以中国自然区划 18、农业 区划 19为借鉴,以土地利用主导类型转换同质单元为主要区划对象,来划定土地利用动态 区,具体原则为: 以土地利用动态类型为首要考虑因素,保证区内土地利用变化方向 的一致性; 考虑区划单元空间位置的连续性,也考虑地貌与宏观经济环境的差异; 参考综合自然条 件、 土地利用特 点, 尽量保持区域单元内宏观自然条件与土地利用特征具 有一致性 13, 15。在全数字化环境下,根据上述动态区划
19、原则识别土地利用动态区划界线, 形成 21 世纪前后两个 10 年土地利用变化特征的土地利用动态区。 20 世纪 80 年代末 -2000 年和 2000-2010 年分别划分了 13 个和 15 个土地利用动态区 (见图 3 和图 4)。 3 结果与分析 3.1 中国土地利用的分类变化特征与区域差异 20 世纪 80 年代末 -2010 年中国土地利用变化具有明显的分年代类型变化特征和区域 差异: (1) 耕地变化的基本特点是: “ 南减北增,总量基本持衡,新增耕地的重心逐步由东北 向西北移动 ” 。两个 10 年中,耕地增加 1.82106 hm2,其中,旱地增加 2.99106 hm2,
20、水田 减少 1.17106 hm2。其中, 2000 年前中国耕地增加 2.83106 hm2,新增耕地主要集中在东 北、华北和西北农林交错区,减少耕地主要以东南沿海城镇居民工矿用地占用为主; 2000 年后中国耕地减少 1.02106 hm2,新增耕地主要集中在西北地区,城镇居民工矿用地的扩 张和中西部生态脆弱区退耕还林还草工程占用了大量耕地。 (2) 城乡建设用地变化的基本特点是: “ 扩展提速,东部为重心,向中西部蔓延 ” 。两 个 10 年中,建设用地增加 5.52106 hm2,主要集中在地形平坦、经济较发达、人口稠密的 黄淮海平原、长江三角洲、珠江三角洲和四川盆地等地区,约有 3.
21、18106 hm2的耕地被建 设用地占用。其中, 2000 年前建设用地增加 1.76106 hm2, 2000 年后建设用地加速扩张, 增加 3.76106 hm2,后 10 年增速为前 10 年的 2.14 倍。 (3)“ 林地前减后增,荒漠前增后减,草地持续减少 ” 是非人工土地利用类型变化的 主要特征。 两个 10 年中,林地减少 8.52105 hm2。其中, 2000 年前林地减少 10.89105 hm2,主要 集中在东北等重点林区有林地的砍伐和农耕区扩张对林地的占用 ; 2000 年后,由于六大 林业重点工程尤其是退耕还林工程的实施,林地面积增加 2.37105 hm2,主要集
22、中在黄土 高原、南方丘陵区等。 同期,草地面积减少 5.32106 hm2。 其中, 2000 年前草地减少 3.44106 hm2,以东 北、华北和西北地区草地开垦为耕地 ,以及南方草地人工造林为主 ; 2000 年后草地减少 1.89106 hm2,主要集中在西北地区草地开垦为耕地,以及南方地区草地转化为林地。 同期,未利用地减少 1.15106 hm2,集中在新疆和黑龙江等地区,主要是未利用土地 开垦为耕地。同时,内蒙古地区草地退化导致未利用土地增加 。 2000 年前十年未利用地 减少了 3.75105 hm2, 2000 年后十年未利用地减少面积 7.79105 hm2。 3.2 前
23、后两个 10 年中国土地利用变化的空间格局及差异 我们对 1980 年代末 -2000 年中国土地利用变化时空格局特征进行了分析 13-15,认为该 10 年土地利用变化的格局特征主要表现为 13 个土地利用变化区划单元的不同变化特征 (图 3)。即: 1) 东北大小兴安岭林草 耕地转换区、 2) 东北东部林草 耕地转换区、 3) 东北 平原旱地 水田交错转换区、 4) 黄淮海、长江三角洲耕地 城镇转换区、 5) 四川盆地耕 地 城镇转换区、 6) 华北、黄土高原农牧交错带草地 耕地转换区、 7) 西北农田开垦与 8 地 理 学 报 69 卷 撂荒交错区、 8) 华中水域变动和城镇扩张区、 9
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