干旱区绿洲内城市(镇) 扩展的空间辐射效应

1、 第 25卷 第 2 期 自然 资 源 学 报 Vol25 No2 2021年 2 月 JOURNAL OF NA TURAL R ESOURCES Feb. , 20 10 干旱区绿洲内城市 镇 扩展的空间辐射效应 常学礼 , 张 宁 , 孙小艳 , 韩 艳 鲁东大学 地理与规划学院 , 山东 烟台 264025 摘要 : 近几十年来 ,干旱绿洲区城镇村居民用地的增加加剧了相邻区域土地利用 /覆被的变化 。 以甘州区、临泽县城和高台县城 1985年的城市 镇 空间域为辐射核心 ,在辐射半径不相交的条 件下 , 以间隔 2 km 为辐射半径 ,采用 GS技术中的缓冲分析对黑河中游张掖绿洲 19

2、85、1995和 2006年 3个时期的土地利用 /覆被时空变化进行了分析 。结果说明:张掖绿洲的土地利用 /覆被 变化以农田和城镇村居民用地增加 、草地和未利用土地减少为主要特点 。在空间尺度上 ,农田 和城镇村居民用地随离核心城镇区的距离的增加而减少 ,而草地和未利用土地那么相反 。在时间 尺度上 ,农田和城镇村居民用地在不同的时间段都呈增加的趋势 ,其中农田的增加主要在辐射 距离 10 km 的范围 ,城镇村居民用地的增加主要在辐射距离 4 km 的范围;而林地 、草地 、水 域和未利用土地根本呈降低的趋势 ,但是在 19851995年间林地 、水域和未利用土地在距离核 心区 68 km

3、 和 12 14 km 内也有增加 。从土地流转特点来看 ,绿洲内部城镇扩展是以农田、 草地和林地转换为城镇村居民用地为主 ,这一变化趋势随距离城市核心区的距离增加而逐渐 降低 。 关 键 词 : 土地利用 /覆被 ; 绿洲区 ; 缓冲分析 ; 时空尺度 中图分类号 : F29 1. 1文献标志码 : A 文章编号 : 1000 - 3037 2021 02 - 0227 - 09 土地利用 /覆被变化作为自然和人文过程交互作用的载体 ,是衡量全球变化的主要指标 之一 ,也是判断生态环境变化研究的一个主要方面 13 。目前国内外对土地利用变化的研 究多侧重于土地利用变化对全球环境变化的影响及对

4、区域社会经济可持续开展 的作 用 12 ,或经济高速开展下的城市扩展 45 。 城市 镇 化进程是涉及社会 、经济以及土地利用方式空间变化的过程 ,其空间表现形 式为城市 镇 用地的空间扩展 。因此 ,城市化进程中的土地利用 /覆被变化 LUCC 也成为 地理学 、生态学最为关注的问题之一 48 。对于经济开展水平相对较低的内陆干旱绿洲区 , 相关的土地利用变化研究已有报道 910 ,特别是绿洲在空间上具有清晰的边界 ,系统物质输 入 、输出相对可以准确计量 ,基于水资源约束的城市化进程研究在中国西部绿洲已有较好的 1112 研究根底 。城市 镇 扩展的空间辐射效应是指城市用地增加导致的 ,相

5、邻地区土地利 用 /覆被类型在以城市用地为辐射 缓冲 源的空间变化规律 。相对于内地城市 镇 的扩 展 ,绿洲内城市 镇 化过程对周边地区的土地利用类型转变影响更大 、辐射距离更远 , 因为 绿洲空间范围的扩展受到了水资源量的约束 11 。因此 ,本文将在该地区已有的土地利用变 912 化与水资源变化 、城市化进程研究的根底上 ,从城市 镇 用地空间扩展的辐射效应的角 收稿日期 : 2021- 09- 11; 修订日期 : 2021- 11- 12。 基金项 目: 国家重点根底研究开展方案 “干旱区绿洲化 、荒漠化过程及其对人类活动 、气候变化的响应与调控 2021CB42 1302 ;鲁东大

6、学学科建设项 目。 第一作者简介 : 常学礼 1963- , 男 , 内蒙古兴和县人 , 教授 , 博士 , 主要从事景观生态学与恢复生态学研究 。E m ail: xlchang 126. com 228 自然 资 源 学 报 25卷 度来揭示干旱绿洲区城市空间扩展对土地利用 /覆被变化时空格局的影响 。 1研究区与方法 11研究区概况 张掖绿洲地处我国第二大内陆河黑河的中游 ,行政区划上包括甘肃省张掖市的临泽 、高 台和甘州区 ,总面积约为 10753 ×103 km2 图 1 ,是我国河西走廊最大的绿洲 ,其绿洲规 模 、社会和经济开展所面临的生态与环境问题在我国的绿洲中具有代

7、表性 1314 。据研究区 内中国生态系统研究网络临泽 内陆河流域研究站的气象观测资料 , 多年平均降水量为 117 mm ,其中 79 月占 65% ; 多年平均蒸发量为 2 390 mm ,平均气温为 76 ,最高气温 391,最低气温 - 273 。在景观类型上可划分为外围荒漠基底区、荒漠绿洲过渡区和绿 洲核心区 。 图 1研究区位置 a 与辐射距离图 b Fig1The m ap s of the study area and radiation distance 12研究方法 12 1遥感数据判读 研究采用的矢量数据共 3期 ,其中 1985 和 1995 年的数据来源于中国科学院资

8、源环境 中心 。2006年的数据是采用 2006 - 09 - 11的 L and sat TM 影像 ,遵循已有的土地利用 /覆被 分类体系 3 ,通过机助 目视解译完成 。根据研究 目的和我国土地利用分类体系 ,将研究区 按一级分类整合 ,划分为林地 、农田、草地 、水体 、城镇村居民用地和未利用土地等 6 种土地 利用 /覆被类型 图 1 a 。 12 2空间尺度分析取样 城市 镇 化的辐射效应分析的方法是以黑河中游绿洲区的甘州区、临泽县和高台县等 3个县 区 级政府所在地 1985 年的城市范围为城市化扩展核心区的起始边界 , 以间隔 2 km 为辐射影响分析尺度 ,在辐射半径不相交的

9、条件下 ,在 A rcgis92 中对 3 期数据进行了 2 期 常学礼等 :干旱区绿洲内城市 镇 扩展的空间辐射效应 229 2 km 、4 km 、6 km 、8 km 、10 km 、12 km 、14 km 等 7个尺度的空间切割 图 1 b 。然后 ,对不 同辐射距离的土地利用 /覆被类型进行分析 。 12 3空间辐射效应度量 1 土地利用 /覆被类型的变化率 。它可表达一定时间尺度内,某种土地利用 /覆被类 型 或区域总体 的变化率 ,公式表达为 : ub - ua 1 k × ×100% 1 u t a 式中 , u 、u 分别为研究期初和研究期末某一种土地利

10、用类型的数量 ; t为研究期时段长 。 a b 当 t设定为年时 , k 为研究时段内某种土地利用类型的年变化率 % /年 。在本文的研究 中 ,土地利用变化率分析分别采用 19851995年和 19952006年 2 个时段进行分析 , 时间 2 间隔分别为 10和 11年 ,即: t 10和 t 11,土地利用类型的数量用平方公里 km 来表示 , 那么 k 的定义为每年某一土地利用 /覆被类型的变化率 百分比 。当 k 0 时 ,为增加 ; k 0 , 为减少 ; k 0 ,为未变化 。 2 土地利用 /覆被类型流转 。采用转移矩阵计算不同类型面积转移率 B ij 和奉献率 C , 进而

11、分析不同辐射范围内土地利用类型之间的相互转化 。面积转移率 B 和奉献率 C 的 ij ij ij 计算公式如下 10 : 14 B ij A ij ×100 / A ij 2 j 2 B 表示 k 时期的 i种土地利用 /覆被类型转变为 k + 1时期的 j 种土地利用 /覆被类型的比例; ij 14 Cij A ij ×100 / A ij 3 i 2 C 表示 k + 1时期的 j 种土地利用 /覆被类型中由 k 时期的 i种土地利用 /覆被类型转化而来 ij 的比例 。在类型流转分析中为了节省篇幅只对辐射半径为 2 km 、8 km 和 14 km 的区间进行 分析

12、 。 由于不同辐射范围取样面积不相等 ,所以本文的分析用相对面积 某类土地利用 /覆被 类型面积占整个取样区的百分比 来表示 。 2结果分析 2 1空间尺度效应分析 城市 镇 化的空间表现形式就是城镇村居民用地空间扩展 。在干旱绿洲区 , 由于工商 业相对集中 ,绿洲核心城镇的空间变化最为明显 。从本研究的黑河中游绿洲来看 ,核心城镇 主要有三个 ,分别是甘州区、临泽县和高台县政府所在地 。 从空间尺度上的变化趋势来看 图 2 ,农田的变化趋势相对简单 ,随着离核心城市的距 离增加而呈线性减少 图 2 a ,这说明张掖绿洲的核心城市根本上是在农田的中心位置 , 在空间分布上的特点是距离核心城镇

13、区越近农田所占比例越高 ,在绿洲边缘所占比重降低 。 林地的变化趋势相对复杂 图 2 b ,在距离城市核心区 10 km 的地方林地面积最大 ,而在 距离城市核心区 14 km 的地方林地相对最少 。草地的变化趋势与农田相反 ,随着离核心城 区的距离增加而呈线增加 图 2 c 。水域的变化趋势也相对复杂 ,但趋势与林地相反 图 2 d ,在距离城市核心区 10 km 的地方水域面积最小 ,而在距离城市核心区 2 6 km 和 14 km 的地方水域面积相对较高 ,说明水域在张掖绿洲的分布特点是临近城市核心区和绿 230 自然 资 源 学 报 25卷 洲外围较高 。城镇村居民用地的变化趋势也相对

14、简单 ,变化趋势与农田根本相同 ,随着离核 心城区的距离增加而减少 图 2 e 。但是 ,稍有不同的是呈指数型减少 ,这说明张掖绿洲 城镇村居民点是以核心城市为中心呈聚团式分布 。在距离城市核心区较近的区域 26 km , 城镇村居民用地呈急速下降的趋势 ; 当辐射距离 8 km 时 ,城镇村居民用地面积变化趋向 平稳 。未利用土地的变化趋势与草地一致 图 2 f ,也是随着离核心城市的距离增加而增 加 ,不同的是从城市核心区开始到最大辐射距离 14 km 之间呈对数型增加 ,说明张掖绿洲 越靠近城市核心区土地开发程度越高 ,大量的未利用土地分布在离核心城区较远的地方 。 图 2不同辐射距离的

15、土地利用 /覆被的空间变化趋势 F ig2Sp atial changing trend s of land u se / cover on different radiu s distance 2 2时间尺度效应分析 从时间尺度上的变化趋势来看 ,不同土地利用 /覆被类型在不同的时间尺度差异较大 图 3 。首先 ,从农田的变化趋势来看 图 3 a ,在 19851995年时段农田面积动态度的 变化较小 ,在不同的辐射距离上变化在 - 096% /年 081% /年之间;其中在辐射距离 4 km 的范围内为减少 ,而在 4 km 的范围内呈增加 。在 19952006 年时段 ,农田面积动态

16、度的变化较大 ,变化在 047% /年 2 90% /年之间 ,而且在整个辐射范围内都为增加 。从 19852006年整体特征来看 ,与 19952006 年的变化趋势相似 ,但变化幅度要小 ,变化在 2 期 常学礼等 :干旱区绿洲内城市 镇 扩展的空间辐射效应 23 1 - 024 % /年 19 1% /年之间。在总趋势上农田的增加主要在辐射距离 10 km 的范围内 明显 。 图 3不同辐射距离的土地利用 /覆被类型变化率趋势 F ig3Temporal changing trend s of land u se / cover on different radiu s distance

17、 其次 ,从林地的变化趋势来看 图 3 b ,在 19851995年时段林地面积动态度的变化 较大 ,在不同的辐射距离上变化在 - 185% /年 1837% /年之间;其中在辐射距离 8 km 的范围内为增加 ,在其它范围内为减少 。在 19952006 年时段 ,林地面积动态度 的变化相对较小且都为减少 ,变化在 - 615% /年 - 155% /年之间。从 19852006年整 体特征来看 ,也与 19952006年的变化趋势相似 ,但变化幅度要小 ,变化幅度在 - 2 35% /年 - 040% /年之间。 第三 ,从草地的变化趋势来看 图 3 c ,在不同的时间尺度变化规律一致 ,

18、都为减少 ;不 同的是变化幅度有所差异 。在 19851995年时段 ,草地面积动态度的变化在 - 359% /年 - 029% /年之间;在 19952006 年 时段 , 变化在 - 345% /年 - 175% /年之 间。在 19852006年整个研究时段 ,变化幅度在 - 2 7 1% /年 - 102 % /年之间。 232 自然 资 源 学 报 25卷 第四 ,从水域的变化趋势来看 图 3 d ,在 19851995年时段水域面积动态度的变化 幅度较大 ,在 - 143% /年 688% /年之间;其中在辐射距离 4 km 的范围内为增加 ,在其 它范围内为减少 。在 19952

19、006年时段 ,水域动态度的变化相对较小 , 除 4 6 km 范围其 它都为减少 ,变化在 019% /年 - 392 % /年之间。从 19852006 年总体变化来看 , 与 19851995 的变化趋势相似 ,变化幅度在 - 2 43% /年 055% /年之间。 第五 ,从城镇村居民用地的变化趋势来看 图 3 e , 除 19851995 年时段中的 6 8 km 和 12 14 km 外 ,其它的变化都为增加 。其中 19851995年时段 ,城镇村居民用地面积 动态度变化在 - 065% /年 344 % /年之间;在 19952006年时段 ,动态度变化在 09 1% / 年

20、500% /年之间。从 19852006 年总体变化来看 ,与 19952006 年的变化趋势相似 , 变化幅度在 137% /年 504 % /年之间。在总趋势上 ,城镇村居民用地的增加主要在辐射 距离 4 km 的范围内。 最后 ,从未利用土地的变化趋势来看 图 3 f ,在 19851995年时段未利用土地动态 度的变化在 - 002 % /年 148% /年之间 ,总体上为增加 ;在 19952006年时段 ,未利用土 地动态度的变化相对较大且为减少 ,变化在 - 322 % /年 - 047% /年之间。从 1985 2006年总体变化来看 , 与 1995 2006 年 的变化趋势

21、一致但 幅度较 小 , 变化 幅度在 - 123% /年 018% /年之间。 2 3不同辐射距离的土地利用 /覆被类型流转 由表 1可以看出 ,张掖绿洲从 19852006年间不同辐射距离内农田和草地转化为城镇 村居民用地的比例最高 。首先从农田流转特点来看 ,在 2 km 范围内,有 153%的土地转换为 其他土地利用类型 ,其中转换为城镇村居民用地为 141% , 占所有转出的 916% 。在 8 km 范 表 119852006年土地利用转换矩阵 Tab le 1L and u se / cover change m atrix from 1985 to 2006 % 2006年 辐射

22、半径 农田 林地 草地 水体 城镇村居民用地 未利用土地 1985 农田 847 01 05 02 14 1 04 林地 295 576 05 12 59 53 草地 580 12 276 11 108 13 2 km 水体 71 13 222 683 11 01 城镇村居民用地 230 00 00 00 770 00 未利用土地 71 55 30 14 2 2 3 679 农田 9 10 02 08 06 57 17 林地 222 557 157 00 09 55 草地 427 35 449 04 17 67 8 km 水体 402 2 8 4 8 44 9 00 73 城镇村居民用地 2

23、16 00 06 00 770 09 未利用土地 74 07 11 07 01 901 农田 923 05 13 02 4 0 17 林地 306 223 259 00 08 204 草地 458 09 423 02 11 97 14 km 水体 558 02 2 6 374 03 37 城镇村居民用地 272 01 07 00 709 11 未利用土地 73 04 17 07 01 898 2 期 常学礼等 :干旱区绿洲内城市 镇 扩展的空间辐射效应 233 围内,有 90%的土地转换为其他土地利用类型 ,其中转换为城镇村居民用地为 57% , 占所 有转出的 633% 。在 14 km 范

24、围内,有 77%的土地转换为其他土地利用类型 ,其中转换为 城镇村居民用地为 4 0% , 占所有转出的 5 19% 。其次从草地流转特点来看 ,在 2 km 范围 内,有 42 0%的土地转换为其他土地利用类型 ,其中转换为城镇村居民用地为 108% , 占所 有转出的 257% 。在 8 km 范围内,有 573%的土地转换为其他土地利用类型 ,其中转换为 城镇村居民用地为 17% , 占所有转出的 30% 。在 14 km 范围内,有 54 2 %的土地转换为 其他土地利用类型 ,其中转换为城镇村居民用地为 11% , 占所有转出的 2 0% 。流转为城 镇村居民用地的趋势为随辐射距离的

25、增加而转换概率减少 。 此外 ,从其他土地利用类型的转化来看 ,林地在 2 km 范围内有 42 4 %发生了流转 ,主 要转换为农田, 占 295% ;在 8 km 范围内有 44 3%发生了流转 ,主要转换为农田和草地 ,分 别占 22 2 %和 157% ;在 14 km 范围内有 777%发生了流转 ,主要转换为农田和草地 ,分别 占 306%和 259% 。林地的整体变化趋势是随辐射距离的增加而转换概率增加 ,其余几种 类型 除城镇村居民用地外 也有相同的趋势 。城镇村居民用地主要转化为农田,其原因是 归属于城镇村居民用地的中的其他城镇村居民用地开发所致 ,这一现象主要发生在村屯周

26、边 。 3讨论与结论 绿洲化 、荒漠化和水资源合理利用是干旱区绿洲所面临的生态与环境核心问题 1314 , 这些问题产生原因与土地管理政策 、人类不合理的生产活动导致的土地利用 /覆被变化密切 相关 1416 。从等级理论的角度来看 17 ,土地管理政策和人类不合理的生产活动处于影响绿 洲生态和环境变化的主要地位 11 ,而由其导致的土地利用 /覆被变化不平衡 ,那么是影响绿洲 生态与环境的次要原因。从本文选取的绿洲核心城区扩展对相邻区域的影响分析来看 ,主 要揭示了在区域土地管理政策和人类活动方式根本一致的情况下 ,绿洲核心城区扩增对土 地利用 /覆被变化的辐射效应 ,主要结论有 : 1 在

27、空间尺度上 ,绿洲城市 镇 核心区对相邻区域土地利用 /覆被变化的影响明显 , 其中变化具有规律性的有农田、草地 、城镇村居民用地和未利用土地 。其中 ,农田面积随距 离核心城镇区距离的增加呈直线型减少 ,而草地那么相反 ,为直线型增加 。城镇村居民用地随 距离核心城镇区距离的增加呈幂函数线型减少 ,未利用土地随距离核心城镇区距离的增加 表现为对数线型增加 。 2 在时间尺度上 ,农田除在 19851995年间距离城镇核心区 4 km 范围内呈减少的 趋势外 ,其它各个时期都为增加的趋势 。林地在 19851995 年间根本呈增加的趋势 ,但是 在 19952006年和 19852006年的整

28、个研究时段都为减少的趋势 。草地在不同的时间尺 度都呈减少的趋势 ,而水体变化与农田相反 ,总体变化呈减少的趋势 ,但是在 19851995年 间距离城镇核心区 4km 范围内呈增加的趋势 。城镇村居民用地的变化在不同时期根本都 为增加的趋势 ,仅在 19851995年间在局部区域 距离核心区 6 8 km 和 12 14 km 有较 少的降低 。未利用土地在 19952006年和总体时间尺度上呈减少的趋势 ,但在 19851995 年间有较少的增加 。 3 土地流转分析说明 ,绿洲内部城镇扩展是以农田、草地和林地转换城镇村居民用地 为主 ,这一变化趋势随距离城市核心区的距离增加而逐渐降低 。

29、从整体特点来看 ,在不同的 辐射距离上 ,农田、草地和未利用土地距离城镇核心区越远 ,流转为其他土地利用类型的概 234 自然 资 源 学 报 25卷 率越低 ;而林地 、水体和城镇村居民用地那么正好相反 。 参考文献 Reference s : 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 : 553558. L I X iub in. A review of international researches on land u se / land cover change. A cta Geog rap h

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