亚吉铁路与蒙内铁路沿线土地覆盖变化研究.pdf

第 47 卷第 2 期浙江师范大学学报(自然科学版)Vol.47,No.22024 年 5 月 Journal of Zhejiang Normal University(Nat.Sci.)May 2024DOI:10.16218/j.issn.1001-5051.2023.045亚吉铁路与蒙内铁路沿线土地覆盖变化研究陈远见,郑玉涵,张振振,林兴稳,吴超凡,张朝阳(浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004)摘 要:为了研究非洲铁路建设对沿线土地覆盖的影响,以我国援非建设的亚吉铁路和蒙内铁路沿线 10 km半径范围作为研究区,比较建成前(2010 年)、建设时(2015 年)和建成后(2020 年)3 个时期的土地动态变化情况.结果表明:1)2 条铁路沿线的土地利用面积大小分别为亚吉铁路:植被其他耕地建设用地水体,蒙内铁路:植被耕地建设用地其他水体;2)亚吉铁路的土地变化越来越剧烈,而蒙内铁路的土地变化呈相反情况;3)建设用地的单一土地利用动态度对综合土地利用动态度的贡献度最高;4)2 条铁路在建成后对于植被的影响要超过施工阶段;5)2 条铁路沿线的综合土地动态度都与距离呈负相关,2 条铁路建成后偏远地区与核心区的综合土地动态度差异显著缩小,区域土地利用强度趋近于均质化.关键词:亚吉铁路;蒙内铁路;土地覆盖;缓冲区;土地动态度中图分类号:F301.24 文献标识码:A 文章编号:1001-5051(2024)02-0212-07A study on land cover changes along Ababa-Djibouti railway and Mombasa-Nairobi railwayCHEN Yuanjian,ZHENG Yuhan,ZHANG Zhenzhen,LIN Xingwen,WU Chaofan,ZHANG Chaoyang(College of Geography and Environmental Sciences,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,China)Abstract:It was aimed to study the impact of African railway construction on land cover along the line,a 10 km radius range along the Ababa-Djibouti and Mombasa-Nairobi railway,which had been constructed with Chinese aid,was used as the study area to compare the dynamics of land between the three periods:before construction(2010),at the time of construction(2015),and after construction(2020).The results showed that:1)The size of land use area along the two rail lines was,respectively,Ababa-Djibouti railway:woodland other culti-vated land construction land water body,and Mombasa-Nairobi railway:woodland cultivated landcon-struction land other water body;2)The land changes in the Ababa-Djibouti railway were increasingly in-tense,while those in the Mombasa-Nairobi railway were in the opposite direction;3)The single land use dy-namic of construction land had the highest contribution to the integrated land use dynamic;4)Both rail runs had greate impact on vegetation after they were built than during the construction phase;5)The integrated land dy-namic degree along both rail lines was negatively correlated with distance,and the difference between integrated land dynamic degree in the remote area and the core area was significantly narrowed after the completion of both rail lines,with regional land use intensity approached homogenization.Key words:Ababa-Djibouti railway;Mombasa-Nairobi railway;land coverage;buffer zones;spatial dynamics收文日期:2022-12-06;修订日期:2023-03-02 基金项目:非洲研究与中非合作省部共建协同创新中心委托课题(21XTFZ03B)作者简介:陈远见(2000),男,浙江台州人,硕士研究生.研究方向:遥感应用.通信作者:张振振.E-mail:zhangzhen 0 引 言非洲既是古丝绸之路在陆上的延伸,也是 21世纪海上丝绸之路的重要环节.但落后的交通设施,极大地限制了中非政治、经济及文化等方面的交流1.近些年中国陆续与非洲国家签订多项基础设施建设协议,其中包括亚-吉(Ababa-Djibouti)铁路(下简称“亚吉铁路”)和蒙-内(Mombasa-Nairo-bi)铁路(下简称“蒙内铁路”).铁路的开通将极大地促进当地经济和社会的发展2-3,但也势必会给沿线地区土地面貌带来巨大的变化,如铁路沿线植被与耕地的占用、水域的变化、房屋拆迁与重建、城市格局的变动等,甚至产生生态环境退化问题4-6.过去几十年,针对铁路建设的影响,国内外学者均开展了大量的研究5,7-8.一方面,铁路施工期间会对当地原有的土地产生一定的破坏7,铁路工程建设属于路域工程,施工周期长,空间跨度大,对周边的土石方开采强度高,沿线环境破坏严重.具体表现在耕地的占用9、建筑物的拆迁与重建、流经水域的阻隔变化、树木砍伐、植被破坏等,都使高速铁路路域土地利用格局发生变化.另一方面,铁路建成后,交通的便利往往会带来产业结构的调整,从而引发土地利用方式的重构.例如朱亮5在研究哈佳快速铁路后发现,研究区内草地、耕地、植被等都在减少,而建设用地面积却增加最多.然而,肖建华等10借助遥感和 GIS 技术从多方面对本格拉铁路沿线的生态环境做了分析,发现该铁路的建设并未对沿线的环境和生物多样性产生较大影响.尽管大量研究发现了铁路建设对土地利用变化产生巨大影响,然而关于蒙内铁路和亚吉铁路建设对沿线土地利用变化影响的研究相对较少.由于不同国家间国情存在差异,铁路建设对景观格局和产业结构调整的影响也会有较大的区别.因此,研究非洲地区的铁路建设对其土地利用的影响能够为非洲未来的铁路建设提供决策参考,也能够为非洲生态环境保护和可持续发展提供指导.本研究将利用景观格局分析方法,结合遥感技术对蒙内铁路和亚吉铁路沿线周边土地利用的时空变化进行分析,为中非经贸可持续发展提供借鉴.1 研究区概况亚吉铁路位于非洲东部,整体呈东北西南走向,连接了吉布提和埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴(见图 1),穿过沙漠、高原和山地,全程长 752 km.其经过区域包含 2 种气候类型,即热带草原气候和高原山地气候.蒙内铁路位于肯尼亚境内,呈西北东南走向注:基于自然资源部标准地图服务网审图号为 GS(2016)2940 号的标准地图制作,底图边界无修改,下同图 1 亚吉铁路和蒙内铁路位置及 2020 年亚吉铁路和蒙内铁路沿线 10 km 半径研究区土地覆盖分布图312 第 2 期 陈远见,等:亚吉铁路与蒙内铁路沿线土地覆盖变化研究 (见图 1),全长 480 km.蒙内铁路沿线地区为典型的热带草原气候,有明显的干湿季之分.蒙内铁路沿线植被分布最为广泛,其次为耕地,耕地主要散落在铁路的南端和北端.2 数据来源与研究方法2.1 数据来源本研究采用的数据包括地表覆盖数据、行政区划数据、铁路路径数据等.所有图像均采用D_WGS_1984 坐标系统.地表覆盖数据采用的是刘良云团队112010 年、2015 年和 2020 年的全球30 m 地表覆盖精细分类数据,分别对应了 2 条铁路修建前、修建中及修建完成通车后的时间.行政区划数据和铁路信息从 Natural Earth(https:/)下载,分辨率为 10 m.根据需要获取了肯尼亚、埃塞俄比亚和吉布提的行政区划图,以及亚吉铁路和蒙内铁路路径.2.2 研究方法2.2.1 缓冲区建立在 ArcGIS 中,以 2 条铁路为中心向外做 10条宽度为 1 km 的缓冲带,建立以铁路为中心的10 km 缓冲区.2.2.2 土地利用信息提取本文将研究区的土地利用划分为 5 种类型,包括建设用地、水体、耕地、植被和其他.建设用地主要指不透水表面,包括屋顶、道路、停车场等;水体主要包括河流、湖泊、沼泽等;耕地主要包括粮食种植区、经济作物种植区、果园等;植被主要指乔木、灌木的生长地;其他主要指在研究区域内当前尚未开发或难以开发利用的土地,例如苔原冰川等.2.2.3 景观格局分析单一土地类型动态度指某种土地利用类型在一定时间范围内的变化情况,是衡量一种土地利用类型动态变化的指标,其公式为Si=Ui,b-Ui,aUi,a1T 100%.(1)式(1)中:Si为单一土地类型动态变化指标;Ui,a和 Ui,b分别表示 i 类土地类型在研究初期和研究末期的面积;T 表示研究时间长度.综合土地利用动态度指研究区所有土地利用类型在一定研究期内的变化程度,其公式为CL=ni=1Vini=1Ui,a1T 100%.(2)式(2)中:CL表示研究区域综合土地利用类型动态变化指标;Vi表示研究时间范围内 i 类土地利用类型转化为非 i 类土地利用类型的面积;T 表示研究时间长度,本文以 a 为单位.土地利用转移矩阵用于描述土地利用类型之间的相互转化情况.通过 ArcGIS 可以获得各土地利用类型之间的转移情况及其面积,整理成土地转移矩阵.3 研究结果3.1 研究区土地覆盖情况分析亚吉铁路沿线10 km 范围内最主要的土地类型是植被,从 2010 年到 2020 年,其面积持续保持在60.00%左右,但呈下降趋势见图 2(a)图 2(c);水体面积最少(占 1.69%1.72%);建设用地的面积从2010 年的2.54%上升到 2020 年的 3.63%;耕地保持在10.00%左右,并呈逐渐上升趋势;其他 10年间仅减少了0.06%.蒙内铁路沿线的主要土地类型同样为植被,从2010 年的 62.87%下降至 2020 年的 61.00%见图2(d)图 2(e);耕地面积基本稳定(33.40%左右);建设用地面积从 2010 年的 1.95%增长到 2020年的2.92%;水体面积占比则从 2010 年的 1.18%增长到2020 年的2.18%;其他基本保持不变.从以上结果可以发现,亚吉铁路与蒙内铁路沿线土地覆盖变化具有较大的相似性,尤其是植被、水体和建筑面积(见图 2).丰富的植被表征了他们较好的生态环境.但蒙内铁路沿线耕地资源更加丰富,而亚吉铁路则存在较大比例的其他地类(主要集中在北部荒漠地区),约占总面积的1/4,因此,不利于耕作.这就决定了两国产业结构存在差异.虽然两国的支柱产业都是农业,但埃塞俄比亚的农业以畜牧为主,其畜牧产量位居非洲第一,耕地的占比则相对较低12,而肯尼亚的农业主要以茶园、玉米等经济作物为主13.3.2 整体土地动态度分析3.2.1 综合土地利用类型动态度分析亚吉铁路的 CL从建成前的0.17%增加至建成后的 0.35%,表明其土地变化越来越剧烈.而蒙内铁路的 CL远高于前者,但从 1.71%下降到 1.54%.412浙江师范大学学报(自然科学版)第 47 卷亚吉铁路沿线较低的 CL可能与大量的其他地类有关(见图 3),而蒙内铁路沿线较多的植被和耕地更容易被开发,因此,受铁路建设的影响也更大.尽管如此,铁路建成后,亚吉铁路沿线 CL的增加,表明了其土地开发的潜力受到了激发,而蒙内铁路沿线削弱的 CL可能表明其产业结构的变化.3.2.2 单一土地利用类型动态度分析亚吉铁路沿线区域中 Si为正值的土地类型为建设用地、水体和耕地(见表 1).蒙内铁路建设前后沿线地区的建设用地、水体和其他土地利用类型 Si为正值,且 Si最高值均为建设用地.并且亚吉铁路建成后 Si有所降低,即建设用地对 CL的贡献度最高.这与前人研究一致14.值得注意的是,尽管植被的Si较低,但面积大量减少,几乎与建筑面积增加量持平(见表1).此外,亚吉铁路建成后促进了耕地的 Si增加,而蒙内铁路则变化较小.此外,蒙内铁路的水体 Si在建成后显著增加(见表 2).这些结果表明,2条铁路建设均对建设用地和植被的影响最大.图 2 研究期内亚吉铁路和蒙内铁路沿线土地类型结构图 图 3 亚吉铁路和蒙内铁路建成前后综合土地利用动态度(CL)的对比二者耕地变化的差异可能与其自身耕地占比有关.亚吉铁路耕地占比较低,拥有更大的农业发展潜力,而蒙内铁路沿线更加注重城镇的发展.类似的,在对京沪高铁山东段的研究中也同样发现,高铁建成后,以耕地为主的土地利用面积在逐渐缩小15;国巧真等4也发现,京津城际铁路周边最主要的土地利用类型耕地从 20032013 年一直在减少.由此可见,铁路建成后,区域自身的产业结构往往决定了其发展方向.值得注意的是,20102015 年,亚吉铁路和蒙内铁路施工期间植被面积减少的比例分别为1.00%和 0.67%,而耕地则分别减少了 0.25%和0.16%(见表 1表 2).这一数据远低于国内相关研究.例如徐崇敏等14发现,福建省主要铁路建设前后,耕地下降了 6.10%,而植被则下降了3.40%.而太中银铁路离石柳林段从 2000 年到2020 年 农 田 和 植 被 减 少 达 到 了 14.38%和13.20%.这些差异均表明,我国在援非铁路建设过程中对当地的植被和耕地进行了极其有效的保护,产生了非常好的效果.512 第 2 期 陈远见,等:亚吉铁路与蒙内铁路沿线土地覆盖变化研究 表 1 亚吉铁路沿线单一土地动态度20102015 年单一土地动态度/%变化面积/km2变化面积占比/%20152020 年单一土地动态度/%变化面积/km2变化面积占比/%耕地0.053.560.251.0272.725.11建设用地4.9591.1624.732.9768.2414.84其他-0.05-8.190.23-0.01-0.990.03水体0.222.651.080.141.790.72植被-0.20-89.181.00-0.32-141.771.61表 2 蒙内铁路沿线单一土地动态度20102015 年单一土地动态度/%变化面积/km2变化面积占比/%20152020 年单一土地动态度/%变化面积/km2变化面积占比/%耕地-0.03-5.430.16-0.04-7.240.22建设用地4.8246.4524.104.0448.3520.21其他0.180.440.911.052.575.23水体0.020.110.0916.8398.3484.14植被-0.13-41.590.67-0.46-142.022.313.2.3 土地利用类型转移分析亚吉铁路研究区内耕地的面积在 20102020年的 10 年间逐年增加,主要来自植被转入,铁路建成前后分别为 15.70 km2和 93.12 km2;耕地转出主要 转 化 为 建 设 用 地(9.50 km2)和 植 被(2.93 km2),建成后分别为植被 15.21 km2,建设用地 7.09 km2;建设用地面积建成前增加 89.26 km2(87.0%来自植被转入),建成后增加 68.50 km2(83.4%来自植被转入),10 年间建设用地转出面积较小;植被面积 10 年间持续下降(建成前后减少分别为 89.18 km2和 141.77 km2),转出的植被建成前主要转为建设用地,建成后主要转为耕地,转为植被的部分主要来自其他土地类型,累计转入量为 36.09 km2(建成后占 77.8%);水体面积变化微小,累计增加了 4.45 km2,且主要来自植被;其他土地类型面积累计减少了 9.18 km2,建成前减少最多,且主要转化为植被和建设用地,而建成后植被的转入弥补了部分损失.从以上结果不难发现,亚吉铁路建成前后的土地利用变化主要表现为植被大量减少,建成前主要用于建筑建设,而建成后主要用于农业发展.蒙内铁路沿线地区耕地面积占比较大,但总面积不断减少,2010 年到 2020 年间累计减少了12.68 km2,其中耕地转化为建设用地的面积为32.39 km2,转 化 为 植 被 的 面 积 最 多,达 到634.46 km2,而转化为耕地的植被面积同样很高,达到了 668.13 km2,可见植被和耕地之间相互转化的比例较高,这种转化正是其高 CL的体现(见图 3);蒙内铁路沿线建设用地转出量较少,主要由植被和耕地 2 种土地类型转入,累计转入面积分别是 32.39 km2和 87.29 km2,10 年间建设用地增加了 94.80 km2.施令飞15以蒙内铁路为研究对象,发现 2014 年到 2018 年蒙内铁路建设期间,沿线城市扩张速度相比建设前有了极大的提高,且该上升趋势在铁路通车后更为显著,这与我们的结果一致;水体面积明显增加,主要来自植被和耕地的转入,且在 2015 年到 2020 年期间增加最多,转化量分别是 18.65 km2和 81.46 km2;植被面积出现明显的下降,且植被转出量较大,植被和耕地之间互相转化的面积较多,其次植被大部分转化为了建设用地和水体;其他土地利用类型面积 基 本 保 持 不 变,出 现 了 小 幅 度 的 增 加(3.01 km2).以上结果表明,蒙内铁路沿线的植被和耕地的比例均在持续下降,主要用于城市建设和提高水体面积.而植被和农业的大比例相互转换体现了其产业结构的调整.值得注意的是,亚吉铁路在施工期间植被占比下降了0.61%,而蒙内铁路仅下降了 0.43%,蒙内铁路沿线经过察沃国家公园、基博科湿地、内罗毕国家公园等野生动物保护区16,这说明我国在援建蒙内铁路时,对铁路沿线的植被进行了有效的保护.此外,2 条铁路在建成后对于植被的破坏要超过施工阶段.其中蒙内铁路建成后的植被占比下降了 1.49%,下降速度大约是建成前的 3.5 倍,亚吉铁路的植被占比下降了 0.98%,下降速度大约是建成前的 1.6 倍.这与国内的相关情况存在差异,先前的研究17认为,铁路在运营期间土地利用变化情况有所改善.这说明与国内相比,建设亚吉铁路612浙江师范大学学报(自然科学版)第 47 卷和蒙内铁路显著促进了沿线地区植被的开发,以提高当地经济水平.而近些年国内越来越注重植被的保护,铁路建成后的首要任务便是恢复生态18.因此,其变化的速度有所放缓.由此可见,铁路建成对非洲的经济发展带来利好的同时,也要注意植被的保护.具体见图 4.图 4 亚吉铁路与蒙内铁路 20102015 年和 20152020 年土地转移矩阵弦图3.3 缓冲区土地动态度分析整体上,亚吉铁路各缓冲区建成后的 CL均高于建成前(见图 5).2 个时间段内,距离铁路越远,CL越低,在 45 km 处开始基本保持稳定.这一结果相对于其他研究较低.例如徐崇敏等14发现,温福铁路、福厦铁路、龙厦铁路、向莆铁路这 4条铁路建成前后,CL均在 512 km,趋于稳定.这表明亚吉铁路建成前后对周边土地利用的辐射影响能力较弱.而蒙内铁路建成前后 CL均随距离的增加而逐渐降低(见图 5),对周边的土地利用表现出更强的影响力.然而建成前后的 CL差异逐渐扩大,偏远地区的 CL在建成后变化幅度更大(见图 5).蒙内铁路不同缓冲区在建成后的 CL均低于建成前,但建成后的梯度变化幅度相对较小,导致距离越远的地区,建成前后的 CL变化幅度也越小.即铁路建成后,靠近铁路的地区,土地利用变化强度大幅下降,具体由图 5 所示.图 5 缓冲区综合土地动态度总体上,离铁路距离越近的缓冲区,土地利用的变化幅度越大,反之亦然4.然而由于土地利用类型变化的不同驱动力如地形、坡度、人口等存在地域差异,因此,铁路建设的辐射效应对不同地类动态度的影响随距离的增加呈现不确定性14.故针对单一土地动态度随距离变化的不确定性,以及对于铁路沿线土地利用的研究等,都应该根712 第 2 期 陈远见,等:亚吉铁路与蒙内铁路沿线土地覆盖变化研究 据研究区域的具体情况进行具体分析.4 结 论本文以我国援非建设的亚吉铁路和蒙内铁路为研究对象,收集铁路建设前后的土地利用情况资料,分析了铁路建设对沿线地区的土地覆盖变化情况.结果表明:亚吉铁路和蒙内铁路沿线主要土地类型均为植被,蒙内铁路沿线耕地面积远大于亚吉铁路,且后者存在大量其他地类,表明了前者有较好的农业资源禀赋,同时后者也具有更高的综合土地利用动态度;2 条铁路在建设过程中植被大量转化为建设用地,但与国内相比,其变化比例依然较低,表明了我国在援非铁路建设过程中对当地环境进行了周密的保护;亚吉铁路建成前后植被大量减少,建成前主要用于建筑建设,而建成后主要用于农业开发.而蒙内铁路沿线的植被和耕地的比例均在持续下降,主要用于城市建设和提高水体面积.此外,2 条铁路在建成后对于植被的破坏要超过施工阶段.2 条铁路建设对土地利用动态度的影响都随距离的增加而逐渐削弱.与此同时,由于亚吉铁路偏远地区的 CL增加幅度大于核心区,而蒙内铁路核心区的 CL下降幅度高于偏远地区,导致二者建成后偏远地区与核心区的 CL的差异显著缩小,即区域土地利用强度趋于均质化.参考文献:1张雷.“一带一路”重点工程生态-经济影响研究D.北京:中国地质大学,2020.2王姣娥,焦敬娟,金凤君.高速铁路对中国城市空间相互作用强度的影响J.地理学报,2014,69(12):1833-1846.3金水英,顾津静,田泽.中国高铁“走进非洲”对沿线国家经济发展的影响J.浙江师范大学学报(社会科学版),2020,45(2):47-59.4国巧真,蒋卫国,王志恒.高速铁路对周边区域土地利用时空变化的影响J.重庆交通大学学报(自然科学版),2015,34(4):133-139.5朱亮.黑龙江省哈佳快速铁路沿线土地利用变化研究D.哈尔滨:东北农业大学,2020.6SANTOS J,CORREA D,SOUZA-FILHO M,et al.Land cover change,landscape degradation,and restoration along a rail-way line in the Ama-zon biome,BrazilJ.Land Degrad Dev,2020,31(15):2033-2046.7BASSE R M.A constrained cellular automata model to simulate the potential effects of high-speed train stations on land-use dynamics in trans-border regionsJ.J Transp Geogr,2013,32(10):23-37.8FAIS A A,NINO P P.Diachronic land use analysis for the evaluation of the impact on agriculture and natural vegetation of the high-speed rail-way tunnel in central ItalyJ.Proc 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