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Journal of Geo-information Science >

2015 , Vol. 17 >Issue 6: 661 - 667

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2015.00661

Orginal Article

Displacement and Substitution of the Land-use Spatial Pattern

  • RAN Jianbo 1 ,
  • CHEN Xingwei , 1, 2, 3, *
Expand
  • 1. College of Geographic Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China
  • 2. Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology, Fuzhou 350007, China
  • 3. Fujian Provincial Engineering Research Center for Monitoring and Assessing Terrestrial Disasters, Fuzhou 350007, China
*Corresponding author: CHEN Xingwei, E-mail:

Received date: 2014-09-24

  Request revised date: 2014-11-18

  Online published: 2015-06-10

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

Abstract

Land-use change has been a key component for global environmental change. The conversion matrix is a fundamental tool in the analysis of land-use change. In order to obtain as much information as possible from the conversion matrix, two new patterns of land-use change, which were named as displacement and substitution, were proposed. Accordingly, the total change that characterized in an individual category is then divided into net change, displacement, and substitution. The calculation formulas for the displacement and substitution were also derived. The land-use change among eight land categories of Jinjiang watershed that locate in southeast China, was taken as an example to illustrate the proposed methods. The results show that great changes have taken place in the area from 1985 to 2006. The garden area, built-up land and unused land increased remarkably, while the dry land and grassland decreased, with the waters kept almost unchanged. The swaps between the above six land categories were relatively few, and the main format of change is in the pattern of displacement. Most of the changes in irrigated land and forestland happened in their spatial location swaps. However, for irrigated land, it was mainly displaced by the forestland or dry land; and for forestland, it was mainly substituted with garden area and grassland. The results also indicate that the new patterns—displacement and substitution, are helpful for the analysis of land-use change.

Key words： land-use pattern; displacement; substitution; conversion matrix; Jinjiang watershed

Cite this article

RAN Jianbo , CHEN Xingwei . Displacement and Substitution of the Land-use Spatial Pattern[J]. Journal of Geo-information Science, 2015 , 17(6) : 661 -667 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2015.00661

1 引言

20世纪90年代以来,在“国际地圈与生物圈计划”（IGBP）与“全球环境变化人文计划”（HDP）两大组织的共同推动下,土地利用/土地覆被变化（Land Use and Land Cover Change, LUCC）问题已成为全球环境变化研究领域的核心内容之一[1-3],其研究内容主要包括土地利用/土地覆被的动态变化监测,LUCC的驱动力与模拟预测,以及LUCC的生态环境效应[4-5]。其中,土地利用格局（自然状态下的土地覆被格局[6]）的动态变化既有数量结构上的变化,又有空间位置上的变化[7],但传统的土地利用变化分析往往以净变化为主[8-10],而对类型间的空间转移过程重视不够。
全面而准确地测度区域内土地利用格局的动态变化,是客观地判断其现状特征与未来形势,指导土地资源管理实践的必要前提[11-12];同时,也是LUCC生态环境效应研究的关键[13]。转移矩阵可以刻画区域土地利用变化的结构特征与各种类型变化的方向[14],故广泛应用于土地利用格局的动态变化分析中;但大多数分析并没有从中分离出不同变化成分[15-16],从而不能有效地挖掘土地利用格局中潜在的空间变化信息。Pontius等[17]基于转移矩阵,从单一类型整体出发,提出了交换变化概念,并将总变化中分为交换变化与净变化2种变化成分[18-19]。然而,单一类型的交换变化的实现,以及与其他类型之间的转换关系并不明确。因此,本文在Pontius等[17]的基础上对交换变化进一步分解,提出了置换变化与代换变化2种概念,将单一类型的总变化进一步细分为置换变化、代换变化与净变化,并以晋江流域的土地利用格局变化为例进行分析,旨在深入地分析土地利用空间格局的动态变化,进而探寻土地利用变化驱动力及其变化机制。

2 土地利用动态变化的成分及其模式

2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵可用于定量分析系统状态及其状态转移[20],其传统的二维表格式如表1所示。Pjj在转移矩阵的对角线上,表示T1-T2时段内类型j未发生变化面积。Pij在转移矩阵的非对角线上,表示土地利用变化面积;从横行看,是以类型i为研究对象,类型i流失而转出为类型j,面积减少;从竖列看,则是以类型j为研究对象,类型i转入为类型j,面积增加。若以类型j为研究对象,Pji表示类型j转出为类型i;Pj+表示监测初期T1类型j的总面积,P+j表示监测期末T2类型j的总面积;Pj+-Pjj表示T1-T2期间内类型j减少（转出）的面积,P+j-Pjj表示T1-T2期间内类型j增加（转入）的面积。
Tab. 1 A sample of land-use conversion matrix

表1 土地利用转移矩阵

T2 总计 减少（转出）
类型1 类型2 … 类型n
T1 类型1 P11 P12 … P1n P1+ P1+-P11
类型2 P21 P22 … P2n P2+ P2+-P22
... ... ... ... ... ... ...
类型n Pn1 Pn2 … Pnn Pn+ Pn+-Pnn
总计 P+1 P+2 ... P+n 100%
增加（转入） P+1-P11 P+2-P22 … P+n-Pnn

2.2 净变化与交换变化

土地利用变化通常只关注了各种地类在某一时段内数量上的变化,但是,数量上未发生变化,并不意味着土地利用没有变化。鉴此,Pontius等[17]提出了交换变化（Swap）概念,并与净变化（Net Change）一起度量土地利用动态变化。其中,净变化量（Dj）是指在某一时段内,类型j的数量结构上增加或减少的面积;为了表示其方向性,本文采用转入量减去转出量,其计算公式为：
D j = ( P + j - P jj ) - ( P j + - P jj ) （1）
式中,Dj的正负表示变化的方向,而不表示数值的大小;当Dj为正数,表示在T1-T2时段内,类型j面积增加;当Dj为负数,表示在T1-T2时段内,类型j面积减少。交换变化量（Sj）则指类型j的数量结构没有发生变化,而空间位置发生变化的部分,其计算公式[17]如式（2）所示。
S j = 2 × min ( P + j - P jj , P + j - P jj ) （2）
类型j的净变化量和交换变化量共同构成其总变化量（Cj）,其表达式[19]为：
C j = | D j + S j = max ( P + j - P jj , P j + - P jj ) + min ( P + j - P jj ， P j + - P jj ) （3）
式中,|Dj|表示净变化量的数值大小。

2.3 置换变化与代换变化

上述的净变化和交换变化是以单一类型整体变化分析的,但交换变化如何实现,以及与其他类型之间的转换关系并不明确。事实上,研究类型的交换变化包括其转入与转出2个过程,且这2个过程的变化面积相等。研究类型j在一些地方流失为类型i,这里有2种交换变化方式使得类型j的面积保持不变,一种是类型i在另一些地方以相同面积补充类型j,另一种是除了类型i与类型j以外的其他一种或多种类型在另一些地方以相同面积来补充类型j的流失。将前一种交换变化称为置换变化（Displacement）,后一种交换变化称为代换变化（Substitution）。
2.3.1 置换变化
置换变化是指两两类型之间的交换变化,是以两类型间转入面积与转出面积的最小值进行置换的,所以,在转入或转出单方向上的置换面积（Hij）可表示为：
H ij = min ( P ij , P ji ) （4）
由于置换变化具有转入与转出2个方向的变化,且2个方向上的置换面积相等（即Hij=Hji）,因而两两类型之间的置换变化量（Hi&j）等于转入或转出单方向上置换面积的2倍,即：
H i&j = 2 × H ij = 2 × H ji = 2 × min ( P ij , P ji ) （5）
以图1所示的水田为例说明这种置换变化（图1中,青绿色表示水田,紫色表示建设用地,黄绿色表示草地,黑色虚线框表示T1-T2时段内变化的空间区域;箭头左图表示监测初期T1的土地利用格局,箭头右图表示监测末期T2的土地利用格局,箭头两侧的水田面积大小没有变化）。在一定时期内,水田与建设用地之间发生置换变化,郊区的水田由于城市的扩张被开发成建设用地;而为使水田占补平衡,在偏远的农村,相同面积的宅基地（建设用地）被整理成水田。相似地,研究类型j分别与其他所有类型之间置换变化,共同组成置换变化总量（Hj）,其表达式为：
H j = 2 × ∑ i = 1 , i ≠ j n H ij = 2 × ∑ i = 1 , i ≠ j n H ji = ∑ i = 1 , i ≠ j n H ij （6）
式中,n表示区域内土地利用分类数。
Fig.1 Displacement of irrigated land

图1 水田的置换变化示意图

2.3.2 代换变化
一般对于类型j来说,不仅发生置换变化,同时也在转入或转出单一方向上两两类型之间发生数量上的变化,其变化量（Nij）如式（7）所示。
N ij = P ij - H ij （7）
因此,研究类型j的代换变化总量（Uj）可用式(8)表示。
U j = 2 × min ∑ i = 1 , i ≠ j n N ij , ∑ i = 1 , i ≠ j n N ji （8）
式中, ∑ i = 1 , i ≠ j n N ij = N 1 j + N 2 j + … + N ij + … + N nj 表示在转入方向上,类型j分别和其他两两类型间数量上变化的面积之和; ∑ i = 1 , i ≠ j n N ji = N j 1 + N j 2 + … + N ji + … + N jn 表示在转出方向上,类型j数量上变化的面积之和。图2以水田为例,在一定时期内,大片水田被建设用地占用,代换变化则通过挤占相等面积的草地,使得水田的面积保持不变,而建设用地面积增加、草地面积减少。
Fig.2 Substitution of irrigated land

图2 水田的代换变化示意图

图1的置换变化和图2的代换变化均使得水田的面积保持不变,然而代换变化使得草地面积减少而建设用地面积增加。置换变化与代换变化虽均是研究类型的空间位置发生改变且面积不发生改变的交换变化,但二者具有本质区别：置换变化只改变了研究类型的空间格局分布,并不改变各种类型的数量结构;而代换变化除了改变研究类型的空间格局分布以外,还改变了与之转换的其他类型的数量结构。从这个意义上来说,置换变化使得土地利用具有可持续性,而代换变化却随着转出类型面积逐渐减少,这种代换关系将减弱甚至不复存在。

3 土地利用空间格局的置换变化与代换变化分析

为揭示土地利用空间格局的动态变化,以晋江流域为研究区,开展了其空间变化分析。晋江地处福建省东南部,位于闽江与九龙江之间,向东流入台湾海峡,介于117°44′~118°47′ E和24°31′~25°32′ N之间,流域面积5629 km2。晋江水系主要由西溪和东溪组成,西溪为晋江的正源,东溪与西溪交汇于双溪口。晋江流域地跨中、南亚热带,属于亚热带季风气候,年平均气温为19.5~21 ℃,年平均降水量为1013.5~2044.7 mm,降雨主要集中在3-9月,约占全年降雨量的85%,多台风暴雨;流域地貌以内陆中低山丘陵与沿海平原台地为主,土壤以地带性红壤为主;受人类活动影响,原生植被特征已不明显,大部分植被为马尾松、杉木、毛竹、茶树及其他经济果木组成的人工林或天然林[21]。本文以石砻水文站（距离双溪口以下约2.5 km处）以上的晋江流域作为研究区,其控制的流域面积为5057 km2,包括西溪与东溪流域,绝大部分位于社会经济快速发展的泉州市。
本文以1985年与2006年2期土地利用类型图为基础进行研究,其中,1985年数据来源于中国科学院南京土壤所,2006年数据由Landsat TM影像解译所得。为了突出耕地的变化,将其分为水田与旱地,并最终获得水田、旱地、园地（茶园、果园）、林地、草地（草地与灌丛）、建设用地（城镇用地、农村宅基地、工矿交通）、水域（河流、水库、坑塘）、未利用地（裸土、裸岩）8种土地利用类型的矢量图。

3.1 土地利用空间格局的置换变化与代换变化分析

在ArcGIS中,把2期土地利用图进行空间叠加运算,求出1985-2006年间土地利用转移矩阵。
在表2中,由式（4）、（5）得到两两类型之间的置换变化量,由式（6）得到单一类型的置换变化总量。结果表明,1985-2006年间,晋江流域的水田与其他7种类型之间相互置换,最终使得水田在21年间置换变化总量达6.03%;其中,水田与旱地之间、水田与林地之间的置换变化量分别为2.01%、2.88%,分别占水田置换变化总量的33.36%、47.66%;值得注意的是水田与建设用地之间的置换变化量也有0.62%。此外,林地与旱地、林地与园地也具有一定规模的置换变化量,分别为1.31%、1.64%。
Tab. 2 Displacement of land-use pattern in Jinjiang watershed from 1985 to 2006 (%)

表2 1985-2006年间晋江流域土地利用格局的置换变化（%）

类型 水田 旱地 园地 林地 草地 建设用地 水域 未利用地
水田
旱地 2.01
园地 0.33 0.10
林地 2.88 1.31 1.64
草地 0.14 0.11 0.04 0.72
建设用地 0.62 0.16 0.24 0.44 0.01
水域 0.05 0.03 0.01 0.06 0.01 0.05
未利用地 0.01 0.01 0.02 0.08 0.00 0.07 0.02
置换变化总量 6.03 3.73 2.38 7.13 1.03 1.58 0.24 0.21
在表3中,两两类型之间在数量上变化的面积由式（7）计算得到,而单一类型的净变化量、代换变化总量则分别由式（1）、（8）计算得到。研究类型的代换变化是通过转入方向上两两类型之间数量上的增加,补充转出方向上两两类型之间数量上的减少来实现的。结果表明,林地净占用水田（0.95%）、旱地（2.68%）与草地（8.84%）,补充园地（7.87%）、建设用地（0.77%）、水域（0.11%）、未利用地（0.49%）净占用林地所导致的数量减少,从而使得林地的代换变化面积高达18.48%,并以园地-林地与林地-草地这两对类型间为主;而且林地净占用水田、旱地与草地而获得的那部分中除了用于代换变化外还发生了数量上的净变化,使得林地在整体数量上增加了3.23%。此外,草地没有与其他类型之间发生代换变化。
Tab. 3 Substitution of land-use pattern in Jinjiang watershed from 1985 to 2006 (%)

表3 1985-2006年间晋江流域土地利用格局的代换变化（%）

类型 2006年
水田 旱地 园地 林地 草地 建设用地 水域 未利用地
1985年 水田 2.15 0.95 2.40 0.22 0.14
旱地 0.45 3.36 2.68 1.24 0.07 0.14
园地 0.04
林地 7.87 0.77 0.11 0.49
草地 1.02 0.51 5.48 8.84 0.89 0.07 0.30
建设用地 0.10 0.13
水域 0.02 0.04
未利用地 0.02
净变化量 -4.38 -7.42 18.93 3.23 -17.11 5.11 0.43 1.23
代换变化总量 2.95 1.02 0.08 18.48 0.00 0.45 0.11 0.03

3.2 土地利用空间格局的动态变化特征

表4中单一地类的减少量与增加量由传统矩阵表得到,总变化量、净变化量与交换变化量分别由Pontius等[17]的式（3）、（1）、（2）计算得到。表2的置换变化总量和表3的代换变化总量也一并在表4列出。由表4可知,各种单一类型的置换变化总量与代换变化总量之和等于交换变化量,这也说明单一类型的交换变化确实由置换变化与代换变化共同组成。
表4结果表明,在1985-2006年间,晋江流域土地利用空间格局的总体变化较大,其变化面积约占流域总面积的一半。其中,林地、草地、园地是晋江流域变化面积较大的类型,其总变化量分别达到28.839%、21.386%、18.146%;其次为水田、旱地、建设用地、未利用地;水域变化规模小,不足0.5%。对于各种类型的变化来说,园地、建设用地、未利用地呈现不断扩张,其面积分别增加了18.933%、5.107%、1.427%,草地、旱地则呈现萎缩变化,其面积分别减少了7.422%、17.114%;此外,这5种类型与水域的交换变化相对较低且均以置换变化为主,如园地的交换变化面积有2.453%,而其置换变化面积就达2.378%。水田、林地则主要呈现空间位置改变而面积并未改变的交换变化,水田的净变化量、置换变化总量、代换变化总量分别为-4.384%、6.034%、2.953%,以置换变化为主的减少趋势;而林地的净变化量、置换变化总量、代换变化总量分别为3.225%、7.132%、18.482%,以代换变化为主的低增态势。这也表明置换变化与代换变化的分析,进一步揭示了土地利用格局的动态变化特征。
Tab. 4 Overall characteristics of land-use change in Jinjiang watershed from 1985 to 2006 (%)

表4 1985-2006年间晋江流域土地利用动态变化的总体特征（%）

减少量（转出量） 增加量（转入量） 总变化量 净变化量 交换变化量 置换变化总量 代换变化总量
水田 8.878 4.493 13.371 -4.384 8.987 6.034 2.953
旱地 9.801 2.378 12.179 -7.422 4.757 3.733 1.024
园地 1.226 20.160 21.386 18.933 2.453 2.378 0.075
林地 12.807 16.032 28.839 3.225 25.614 7.132 18.482
草地 17.630 0.516 18.146 -17.114 1.032 1.032 0.000
建设用地 1.017 6.124 7.141 5.107 2.033 1.580 0.453
水域 0.176 0.603 0.779 0.427 0.352 0.240 0.112
未利用地 0.120 1.347 1.467 1.227 0.240 0.209 0.031

3.3 变化结果分析

为了遏制耕地持续减少的势头,20世纪末,中国开始实施“耕地总量占补平衡”政策[22-23]。晋江流域主体部分位于快速发展的福建省泉州市,从1985-2006年的21年间,园地、建设用地占用了大量的耕地。为了保证耕地总量占补平衡,当地实施了一系列的农村宅基地置换等土地开发整理项目,体现在水田与建设用地相互置换的面积达到了0.62%;同时,通过耕地内部之间发生空间位置的互换,实现耕地的规模化利用,水田与旱地之间的置换变化面积达2.01%。1985-2006年间,水田、旱地的置换变化总量分别达到了6.03%、3.73%,而两者的代换变化总量之和却不足4%。同样,森林具有涵养水源、保持土壤、净化空气等作用,具有较高的生态价值,因此我国一些地区也实施了林地总量不减少的政策。晋江流域在1985-2006年间,园地的大规模扩张净占用了大量林地;为了实现林地面积增加,通过植树造林、生态退耕,将原有水土流失严重的草地、坡耕地[24]转换为林地,使得林地在1985-2006年间交换变化面积高达25.61%,并呈现以园地-林地与林地-草地这两对类型之间代换变化为主的低增加态势。大量的耕地或林地交换变化也发现在其他区域[17-19],但均未能进一步分析这种变化是如何实现的,以此探讨土地管理政策等驱动力对土地利用的影响。
1985-2006年间,晋江流域的耕地、林地通过置换变化与代换变化,使得林地总量不减少,保证了森林覆盖率与生态安全,或者减缓耕地的大量流失,在一定程度上保障了区域内粮食安全,同时也满足了土地流转的需求。目前,晋江流域已开展大量的土地开发整理等相关工作,使得水田的置换变化与林地的代换变化面积均较大。然而,建设用地等刚性增长下,农村宅基地、工矿区等可整理类型的面积已较少[25],未来通过置换变化达到耕地的总量动态平衡压力较大,可能会以代换变化来减缓耕地的流失。此外,草地现存量较低且随着不断地减少,林地的代换变化关系将不可持续,实现总量不减少也较为困难。

4 结论

基于转移矩阵,从类型间的空间转移过程出发,通过置换变化与代换变化及其计算模型的分析,从而将单一地类的总变化进一步细分为置换变化、代换变化与净变化,并以晋江流域的土地利用空间格局变化为例,进行了实证研究：
（1）1985-2006年间,晋江流域的土地利用空间格局发生了显著变化。园地、建设用地、未利用地呈现高速扩张态势,草地与旱地呈现高速萎缩变化,且这5种类型的交换变化面积相对较低且均以置换变化为主。水田主要与林地、旱地2种类型之间发生置换变化,而林地则主要是园地-林地与林地-草地这两对类型间的代换变化;这些变化反映了土地管理政策等驱动力对土地利用的影响。
（2）置换变化与代换变化概念的分析,细化了各种类型之间动态变化过程;从而为土地利用变化的驱动力分析与土地资源管理实践,提供有用的信息。
对于土地利用空间格局置换变化与代换变化的生态环境意义有待今后进一步探讨。

The authors have declared that no competing interests exist.

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