土地利用转移矩阵
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2023年3月20日发(作者：山水文化)Vol.11,No.3
May,2021环 境 工 程 技 术 学 报JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology第11卷,第3期2021年5月
马欢,冯朝阳,宋婷,等.1990—2018年赤水河流域土地利用变化分析[J].环境工程技术学报,2021,11(3):428-436.
MAH,FENGCY,SONGT,nthecharacteristicsoflandusechangeinChishuiRiverBasinfrom1990to2018[J].JournalofEnvironmental
EngineeringTechnology,2021,11(3):428-436.
收稿日期:2020-06-09
基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFC0503806)
作者简介:马欢(1992—),女,硕士,主要从事生态环境质量评价与应用等研究,xiaohuan27@
∗责任作者:冯朝阳(1979—),男,研究员,博士,主要从事生态资产评估、生态质量评价、生态环境标准体系建设等研究,fengchy@
1990—2018年赤水河流域土地利用变化分析
马欢,冯朝阳
∗,宋婷,计伟,杨娇,李付杰
国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室,中国环境科学研究院
摘要 土地利用的变化可以直接反映人类活动程度,赤水河作为长江流域上游的重要支流,在共抓长江大保护的时代背景
下,掌握其土地利用动态变化有利于土地优化管理和区域可持续发展。利用1990—2018年共7期土地利用数据,根据区域特
点,整合水田、旱地、林地、草地、水域、城乡建设用地、未利用地7种土地利用类型,从分布格局、土地利用单一动态度、土地利
用转移矩阵方面对赤水河流域土地利用类型的空间分布与时空变化进行分析。结果表明:赤水河流域各土地利用类型面积
占比为林地>旱地>水田>草地>城乡建设用地>水域>未利用地,林地分布广泛,集中分布在赤水河流域下游,旱地多分
布在流域上游,水田多分布在流域下游,草地和城乡建设用地多沿河谷分布;各土地利用类型动态度变化随时间逐渐升高,其
中草地、城乡建设用地在2015—2018年动态度变化明显提高;受退耕还林政策的影响,林地与旱地间的转化较多,且2006—
2015年转化程度高于1990—2000年,而2006—2015年、2015—2018年草地、城乡建设用地与其他土地利用类型间的转化明显
增多。赤水河流域GDP总量增长速率逐年升高,与城乡建设用地增长速率相比,2015—2018年有所减缓,城乡建设用地单位
面积经济产出逐年降低,土地利用效率有待提高。
关键词 土地利用;赤水河流域;动态度;转移矩阵
中图分类号:X24,F301.24 文章编号:1674-991X(2021)03-0428-09 doi:10.12153∕.1674-991X.20200144
Studyonthecharacteristicsoflandusechange
inChishuiRiverBasinfrom1990to2018
MAHuanFENGChaoyang∗SONGTingJIWeiYANGJiaoLIFujie
StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofRegionalEco-ProcessandFunction
AssessmentChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences
Abstract shuiRiverisan
ontextofthegreatprotectionoftheYangtze
Rivermasteringthedynamicchangesoflanduseisconducivetolandoptimizationmanagementandregional
nthelandusedataofsevenperiodsfrom1990to2018andaccordingtothe
ielddrylandforestlandgrasslandwaterarea
urbanandruralconstructionlandandunusedlandwereintegratedtoanalyzethespatialdistributionandtemporal
andspatialchangesoflandusetypesinChishuiRiverBasinintermsofdistributionpatternsingledynamicdegree
ultsshowedthattheareaproportionsoflandusetypesinChishui
RiverBasinwasintheorderofforestland>dryland>paddyfield>grassland>urbanandruralconstruction
land>waterarea>estlandwaswidelydistributedmainlyconcentratedinthelowerreaches
dsweremostlydistributedintheupperreachesofthebasinandpaddyfieldswere
andandurbanandruralconstructionlandweremostly
第3期马欢等:1990—2018年赤水河流域土地利用变化分析
amicdegreeofeachlandusetypegraduallyincreasedovertime.
Thedynamicchangesofgrasslandurbanandruralconstructionlandincreasedsignificantlyfrom2015to
edbythepolicyofreturningfarmlandtoforesttherehasbeenmoreconversionbetweenforest
landanddryland
conversionofgrasslandurbanandruralconstructionlandandotherlandusetypesincreasedsignificantly
alGDPgrowthrateofChishuiRiverBasinhadbeenincreasingyear
byyearandcomparedwiththegrowthrateofurbanandruralconstructionlandithadsloweddownfrom
nomicoutputperunitofconstructionlandareahadbeendecreasingyearbyyearso
thelanduseefficiencyneededtobeimproved.
Keywords landuseChishuiRiverBasindynamicattitudetransfermatrix
土地资源是人类赖以生存的物质基础,土地利
用∕覆被变化(landuse∕coverchange,LUCC)与地表
物质循环和生命维持过程
[1-3]
密切相关,是人类经
济活动作用的直接反映。随着经济的发展,人类对
土地资源的需求不断扩大。进入20世纪90年代
后,全球环境变化研究领域逐渐加强了对LUCC的
研究,国际地圈生物圈计划(IGBP)和全球变化人文
因素计划(IHDP)发布和推广了一系列科学研究计
划,对LUCC的研究成为全球环境变化研究的热点
之一
[4-5]。许多学者以省、市、县以及流域、重点生
态功能区等为研究尺度,开展不同时段区域土地利
用变化研究,以了解区域在某个时间段内土地利用
的演化过程及其变化方向
[6-10]。如Liu等[11]
对全国
土地利用空间格局和时空特征进行研究,结果表明
中国自20世纪80年代以来,土地利用变化呈现分
阶段的地域差异规律,林地面积先减后增,草地面积
持续减少;李威等
[12]
分析了1980—2015年长江流域
土地利用时空变化过程,发现长江流域耕地和草地面
积也呈持续减少趋势;伍星等
[13-14]
对长江上游土地利
用的研究表明,2000年前林地、草地面积减少,2000
年后建设用地等人工地表的面积明显增加。
赤水河是长江上游重要的一级支流,随着沿赤
水河谷两岸酒产业的发展,土地利用发生明显的变
化。为了落实长江大保护的国家战略,促进长江经
济带的良性发展
[15],对赤水河流域的土地利用变化
进行分析,掌握其变化趋势,有助于了解流域生态环
境变化状况。但目前对于赤水河全流域、长时间序
列土地利用的研究较少。笔者获取1990—2018年
共7期LUCC数据,基于地理信息系统(GIS)和空间
统计分析方法,分析赤水河流域土地利用空间分布
特征及动态变化过程,旨在揭示近30年该区域人类
活动对生态系统的影响,以期为赤水河流域生态保
护与修复、自然资源管理等提供参考。
1 数据来源与研究方法
1.1 研究区概况
赤水河是长江上游近50条主要支流中最重要
的支流之一,也是生物多样性丰富、自然景观优美、
革命历史悠久的河流。流域位于云南、贵州、四川三
省接壤地区,涉及云南省的镇雄、威信,贵州省的遵
义、七星关、大方、金沙、仁怀、习水、赤水、桐梓,以及
四川省的叙永、古蔺、合江13个县(区、市)(图1)。
流域全长444.5km,面积约为1.64万km
2。气候类
型为中亚热带-南亚热带湿润气候,温暖湿润、无霜
期长、降水量大,年平均气温为13.1~17.6℃,多年
平均蒸发量为456mm,年平均降水量为749~1286mm,多年平均径流量为97亿m3。
图1 赤水河流域行政区划Fig.1 AdministrativedivisionofChishuiRiverBasin
1.2 数据来源
各期土地利用数据来源于中国科学院资源环境
科学数据中心(http:∕∕),1990年、1995
·924·
环境工程技术学报第11卷
年、2000年的土地利用数据分辨率为1000m,2006
年、2010年、2015年、2018年的分辨率为30m。2006年、2018年土地利用数据分别是在2000年、
2015年土地利用遥感监测数据的基础上,基于
Landsat8遥感影像,通过人工目视解译生成。中国
科学院资源环境科学数据中心发布的数据是以美国
陆地卫星LandsatTM∕ETM遥感影像数据作为主要
信息源,利用人机交换的方法进行目视解译,建成的
多时期土地利用∕土地覆盖专题数据库
[16]。该数据
库在LUCC研究中应用广泛
[17-18],精度达到90%,
可信度较高。由于分辨率不同,本研究主要针对赤
水河流域土地利用大类开展分阶段研究。其他经济
数据来源于各县(区、市)国民经济与社会发展公报(http:∕∕∕tjgb∕)。
1.3 研究方法
1.3.1 土地利用转移矩阵
土地利用转移矩阵来源于系统状态与状态转移
的定量描述,可以直观地反映土地利用类型变化的
转化量、结构特征及转移方向
[18],其数学形式如下:
S
ij
=
S
11…S1n︙︙
S
n1…Snn
é
ë
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
ú
(1)
式中:S
ij
为研究时段初期i类土地利用类型到研究
末期转为j类土地利用类型的面积,km
2;n为土地
利用类型。转移矩阵的每行数值总和表示研究初期
该土地利用类型的总面积,代表该土地类型的转移
去向和面积;每列数值总和表示研究末期该土地类
型的总面积,代表该土地类型的所有转入类型及
面积。
1.3.2 土地利用动态度
土地利用动态度模型分为单一动态度(K)和综
合动态度(LC),可定性和定量地描述土地利用的变
化速率。本研究主要使用K来衡量某种具体土地
利用类型在一定时间内的变化速度和幅度
[19]。计
算公式如下:
K=
U
bi
-U
ai
U
ai
×1
T
×100%(2)
式中:U
ai、Ubi
分别为研究初期和研究末期土地利
用类型i的面积,km
2;T为研究时长。
1.3.3 土地利用分类体系
由于土地利用数据出处、来源不同,考虑分析的
准确性,按照GB∕T21010—2007《土地利用现状分
类》,根据赤水河流域的地域特点,对原始数据中的
土地利用类型进行整合,最终获得水田、旱地、林地、
草地、水域、城乡建设用地、未利用地七大类,包含若
干亚类的土地利用类型数据(表1)。
表1 土地利用分类体系
Table1 Landuseclassificationsystem
类型包含亚类含义
水田
山地水田
丘陵水田
平原水田
有水源保证和灌溉设施,在一般年景能
正常灌溉,用以种植水稻、莲藕等水生
农作物的耕地,包括实行水稻和旱地作
物轮种的耕地
旱地
山地旱地
丘陵旱地
坡地旱地
无灌溉水源及设施,靠天然降水生长作
物的耕地;有水源和浇灌设施,在一般
年景下能正常灌溉的旱作物耕地
林地
有林地
灌木林
疏林地
其他林地
生长乔木、灌木、竹类以及沿海红树林
地等的林业用地
草地
高覆盖度草地
中覆盖度草地
低覆盖度草地
以生长草本植物为主,覆盖度在5%以
上的各类草地
水域
河渠
湖泊
水库坑塘
天然陆地水域和水利设施用地
城乡建
设用地
城镇用地
农村居民点
其他建设用地
城乡居民点及其以外的工矿、交通等
用地
未利用地
裸土地
裸岩石质地
目前还未利用的土地,包括难利用的
土地
2 结果与分析
2.1 土地利用空间分布
1990—2018年赤水河流域土地利用分布如图2
所示。由图2可知,林地是赤水河流域优势土地利
用类型,分布范围最广,其中赤水河流域北部赤水
市、习水县分布最多;水田集中分布在赤水河流域下
游,在赤水河河谷零星分布;旱地在赤水河上游分布
广泛,上游分布面积多于下游;草地和城乡建设用地
多沿赤水河河谷分布,并且城乡建设用地面积在2015年后明显增多,而草地面积明显减少,在仁怀
市周围区域表现明显。
2.2 土地利用面积分布
1990—2018年赤水河流域土地利用面积变化
如表2所示。由表2可知,赤水河流域林地面积分
布最广,多年平均面积占比为54.65%;其次是旱
·034·
第3期马欢等:1990—2018年赤水河流域土地利用变化分析
图2 1990—2018年赤水河流域土地利用类型分布Fig.2 Spatialdistributionoflandusetypesfrom1990to2018inChishuiRiverBasin
地,多年平均面积占比为29.39%;水田多年平均面
积占比为8.21%,草地多年平均面积占比为6.17%;城乡建设用地、水域和未利用地多年平均面
积占比较小,分别为0.83%、0.72%和0.03%。1990—2018年,林地、旱地、水田始终是赤水河
流域主要的土地利用类型,但流域内各土地利用类
型变化存在明显差异。水田面积呈先减少后增长态
势,但整体较为稳定,1990—2006年基本稳定,2006—2015年出现较大幅度下降,而到2018年又
增至2006年水平。旱地面积变化趋势与水田正好
相反,呈先增长后减少的趋势,在1990—2006年基
本稳定,但2006—2015年出现较大幅度增加,而2018年又降至2006年水平。林地面积呈小幅度增
长趋势,2018年较1990年增长8.92%;草地面积在2006年前较为稳定,之后大幅度减少,2018年较
1990年减少97.26%;水域面积呈大幅增长趋势,
2018年较1990年增长105.69km2,增长了
139.07%;城乡建设用地面积呈大幅度增长趋势,
·134·
环境工程技术学报第11卷
2018年较1990年增长576.55km2,增长了21.35
倍;未利用地面积占比极小,基本保持稳定。
按照GB∕T21010—2007,土地利用类型一级
分类中,耕地包含水田、旱地2种类型,对赤水河
流域耕地面积进行统计,结果如图3所示。由图3可以看出,1990—2018年,水田和旱地面积变
化趋势相反,使得流域内耕地面积总体变幅较
小,其中1995年耕地面积最小(6572km
2);
2015年最大(6880km2),各年平均值为6707
km2,占流域总面积的37.61%,仅次于流域内林
地面积分布。2000—2010年耕地面积呈先减少
后增长趋势,这是由于2000年以来地方实施退
耕还林政策,并且后期农民为了满足粮食生产需
要增加耕地面积,导致耕地面积波动。
表2 1990—2018年赤水河流域土地利用面积变化Table2 Changeoflanduseareafrom1990to2018inChishuiRiverBasin
年份
水田旱地林地草地水域城乡建设用地未利用地
面积∕
km2
占比∕
%
面积∕
km2
占比∕
%
面积∕
km2
占比∕
%
面积∕
km2
占比∕
%
面积∕
km2
占比∕
%
面积∕
km2
占比∕
%
面积∕
km2
占比∕
%
199016379.19508428.53955053.5914398.08760.43270.157.000.04
199515528.71502028.19975554.7813797.74660.37260.1511.000.06
200016309.15510328.64951753.4214628.21700.39280.167.000.04
200616509.25504828.28947253.0714668.211420.79650.366.000.04
201011066.2561831.48972954.5111236.291760.99960.540.380.002
201510585.93582232.62980754.947864.411841.031871.054.000.02
201816219.08499627.991040258.28390.221821.026043.384.000.02
图3 1990—2018年赤水河流域耕地面积变化Fig.3 Variationofcultivatedlandareafrom1990
to2018inChishuiRiverBasin
2.3 土地利用变化
2.3.1 动态度分析
赤水河流域土地利用类型动态度如表3所示。
由表3可知,林地的动态度一直处于较低水平,变化
速率缓慢;水田、旱地的动态度变化较为复杂,但2000年后水田、旱地动态度呈反向变化,说明赤水
河流域耕地整体动态平衡;草地的动态度自2006年
后持续为负值,且缩减速率逐渐扩大,2015—2018
年达到-31.66;水域的动态度呈先增后降趋势,2000—2006年达到峰值;城乡建设用地自1995年
后动态度持续大幅增加,始终保持较高水平,2015—2018年达到74.02;未利用地由于基数较小,动态度
变化规律不具有统计学意义。
表3 赤水河流域土地利用类型动态度Table3 DynamicdegreeofvariouslandusetypesinChishuiRiverBasin
年份水田旱地林地草地水域城乡建设用地未利用地
1990—1995-1.04-0.250.43-0.83-2.63-0.7411.43
1995—20001.010.33-0.491.201.211.54-7.27
2000—20060.21-0.18-0.080.0417.0621.76-1.74
2006—2010-8.242.820.68-5.846.0512.03-23.48
2010—2015-0.870.730.16-6.000.9219.20196.44
2015—201817.76-4.732.02-31.66-0.4174.020.04
·234·
第3期马欢等:1990—2018年赤水河流域土地利用变化分析
2.3.2 土地利用转移分析
根据各土地利用类型的动态度分析,将赤水河
流域1990—2018年的土地利用变化划分为1990—2000年、2006—2015年、2015—2018年3个阶段,基
于ArcGIS进行3个阶段土地利用类型的转移矩阵
分析,结果如图4及表4~表6所示。由图4可知,
总体上,赤水河流域土地利用发生转化的面积较大,
且流域上游区域发生转化的面积大于下游区域,其
中,2006—2015年发生转化的面积相对少于其他2
个阶段,而2015—2018年赤水河南岸金沙县、仁怀
市、习水县的土地利用发生转化的面积增多。未发
生转化的土地利用类型在空间上具有明显的聚集
性,主要集中在赤水市、习水县、古蔺县交界区域,该
区域属于高山峡谷地形,石质山体的土壤层很薄,不
适合开垦耕作以及人类其他活动,自然植被覆盖率
高,不易被改变。
由表4可见,1990—2000年水田主要转化为旱
地、林地,转化比例分别为46.30%、44.06%;旱地
主要转化为林地,转化比例为67.35%;林地面积变
化最大,主要转化为旱地,转化比例为65.47%;草
地主要转化为林地和旱地,转化比例分别为48.89%、42.64%;水域和城乡建设用地多转化为旱
地,转化比例分别为49.78%、39.41%。各土地利
用类型间转化较多,但基本保持动态平衡,总量变化
不大。
由表5可见,2006—2015年旱地和林地直接的
转化幅度加大,旱地转化为林地比例为74.83%,林
地转化为旱地比例为80.26%,这主要是由于退耕
还林政策的实施
[20-22],导致林地面积增加,水田面
积减少,为了维持耕地平衡,增加旱地面积;草地与
其他土地利用类型的转化减少,城乡建设用地与其
他土地利用类型的转化明显增多,共有157.59km
2
土地转化为城乡建设用地,这是由于经济发展对建
设用地需求增加导致的。
由表6可见,2015—2018年林地与旱地间转化
仍很大;另外,草地面积大幅减少,其主要转化为林
地,转化比例为59.48%;城乡建设用地面积较之前
更快速上升,旱地、林地、草地向城乡建设用地转化
明显增多,共有504.80km
2
土地转化为城乡建设用
地,占城乡建设用地总面积的83.64%,反映了城镇
化进程的加快,这与地区经济发展情况相吻合
[23]。
2.4 流域经济发展分析
由表4~表6可知,赤水河流域城乡建设用
地扩张明显,1990—2018年面积年增长速率持
图4 不同时段赤水河流域土地利用变化空间分布Fig.4 Spatialdistributionoflandusechangein
ChishuiRiverBasinindifferentperiods
续升高,尤其是在2006年之后增长速率成倍增
加,如2006—2010年为7.75km
2∕a,2010—2015
年为18.20km
2∕a,2015—2018年为139.00km2∕a。
经济发展是城市空间扩张最直接的动力,经济快速
发展,带动GDP和区域城市建设投资的增加,促进
·334·
环境工程技术学报第11卷
城市空间扩张,同时,城市空间的有序扩张又将带动
经济进一步增长。基于赤水河流域13个县(区、
市)国民经济与社会发展公报,对2006—2018年GDP进行统计,结果如表7所示。由表7可知,赤水
河流域GDP总量增长速率逐年升高,2006—2010年
为148.05亿元∕a,2010—2015年为251.36亿元∕a,
2015—2018年为257.87亿元∕a。与城乡建设用地
增长速率相比,2015—2018年GDP增长速率有所减
缓,表明建设用地单位面积经济产出逐年降低,土地
利用效率有待提高,土地资源紧缺问题凸显。因此,
在推进城市化发展进程的同时,要加强土地资源的
保护与合理利用。
表4 1990—2000年赤水河流域土地利用转移矩阵
Table4 LandusetransfermatrixinChishuiRiverBasinfrom1990to2000km2
土地利用类型水田旱地林地草地水域城乡建设用地未利用地
水田502.76522.00496.8085.6117.006.000.00
旱地500.122154.391970.34420.7923.078.013.00
林地509.721960.306541.10502.8615.125.001.00
草地80.09423.43485.49457.261.003.000.00
水域17.0031.7310.004.0014.121.000.00
城乡建设用地6.009.007.000.000.845.000.00
未利用地1.003.000.000.000.000.003.00
表5 2006—2015年赤水河流域土地利用转移矩阵
Table5 LandusetransfermatrixinChishuiRiverBasinfrom2006to2015km2
土地利用类型水田旱地林地草地水域城乡建设用地未利用地
水田588.12638.76345.1513.9019.3642.970.77
旱地247.553119.891441.16140.8132.3062.531.40
林地186.701505.787587.5592.4153.7935.751.60
草地23.21510.03375.64533.678.5214.050.23
水域8.0724.8136.512.6267.841.750.00
城乡建设用地3.8017.7110.521.271.5329.690.02
未利用地0.003.351.470.420.380.560.10
表6 2015—2018年赤水河流域土地利用转移矩阵
Table6 LandusetransfermatrixinChishuiRiverBasinfrom2015to2018km2
土地利用类型水田旱地林地草地水域城乡建设用地未利用地
水田453.59220.62289.810.6216.8975.620.52
旱地702.282754.382073.198.1429.42253.451.15
林地406.331709.627505.4511.0034.37137.471.62
草地30.98250.03456.6418.712.5227.190.29
水域14.0816.8646.120.1996.1710.510.05
城乡建设用地14.0042.9728.160.782.2898.730.48
未利用地0.031.981.480.020.050.560.01
·434·
第3期马欢等:1990—2018年赤水河流域土地利用变化分析
表7 2006—2018年赤水河流域各县(区、市)GDPTable7 GDPofeachcountyinChishuiRiverBasinfrom2006to2018亿元
省市县(区、市)2006年2010年2015年2018年
贵州省
毕节市
遵义市
大方县28.2072.46157.20233.09
金沙县37.3986.87205.55262.20
七星关区60.23121.42288.90391.50
仁怀市73.33220.00510.20722.74
遵义县76.16137.83314.10337.89
桐梓县26.2150.25125.00169.28
赤水市20.1733.5684.10116.36
习水县26.3251.49127.93189.07
四川省泸州市
叙永县21.9854.18100.25124.31
古蔺县21.6869.81128.10158.92
合江县40.2586.49161.74219.99
云南省昭通市
镇雄县24.3053.2982.40123.63
威信县9.6020.3629.3739.48
合计465.82 1058.01 2314.84 3088.46
3 结论
(1)1990—2018年赤水河流域最主要土地利用
类型为林地,多年平均面积占比为54.65%,其次为
旱地、水田、草地,多年平均面积占比分别为29.39%、8.21%、6.17%。林地分布广泛,旱地多分
布在赤水河上游,水田集中分布在赤水河下游的赤
水市、合江县,草地和城乡建设用地沿河谷分布,未
利用地面积极少。(2)从1990—2018年赤水河流域土地利用空
间变化来看,水田、旱地、林地面积波动变化,整体较
为稳定,其中草地面积变化最大,减少了97.26%;
其次为水域面积,增加了139.07%;城乡建设用地
面积自2010年后大幅扩张,2018年是1990年的21.35倍。
(3)1990—2000年土地利用类型的转化集中在
林地与旱地之间,其中2006—2015年、2015—2018
年,林地与旱地间的转化幅度加大,这主要受退耕还
林政策的影响,其他土地利用类型间的转化也多于1990—2000年,尤其是城乡建设用地;2006年之后
旱地、林地、草地向城乡建设用地转化明显增多,其
中2015—2018年共有504.80km
2
土地转化为城乡
建设用地,占城乡建设用地总面积的83.64%。(4)2006—2018年,流域GDP以201.74亿元∕a
的速度快速增长,城乡建设用地面积也快速增长,反
映了区域内经济发展带来的城市扩张,但经济增长
速度逐年减缓,土地资源利用效率有待提高。协调
好保护和开发的关系对于推动赤水河流域健康和可
持续发展极为重要。
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