陜西省丹漢江流域土地利用時(shí)空變化動(dòng)態(tài)分析

陳 磊，李占斌，，李 鵬，劉曉君，高海東

（1.西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710048；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

土地利用/覆被變化可引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過(guò)程及水資源環(huán)境的變化。土地利用/覆被變化反應(yīng)了不同時(shí)期人類(lèi)出于各種目的對(duì)土地利用方式的改變。由于不同時(shí)期人們對(duì)土地利用方式的差異，導(dǎo)致了土地利用時(shí)空模式的變化。這種變化既包括土地資源數(shù)量、質(zhì)量隨時(shí)間的變化，也包括土地利用空間格局的變化及土地利用類(lèi)型組合方式的變化［1－2］。

南水北調(diào)中線工程水源區(qū)位于丹江流域和漢江流域。近年來(lái)對(duì)丹漢江流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和中小尺度景觀動(dòng)態(tài)研究較多，但針對(duì)丹漢江整個(gè)流域尺度土地利用與覆蓋變化的研究相對(duì)較少。本文利用1985，1995和2000年3期土地利用數(shù)據(jù)，分析了丹漢江流域15 a土地利用/覆被變化的幅度、速率、轉(zhuǎn)化類(lèi)型和空間變化模式，并參考相關(guān)文獻(xiàn)和資料，分析了該流域土地利用變化的原因。為南水北調(diào)中線工程水源區(qū)水土保持和進(jìn)一步的流域環(huán)境治理提供一定科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

漢江地處我國(guó)南北過(guò)渡、東西交替的秦巴山區(qū)，是長(zhǎng)江較大的一級(jí)支流，發(fā)源于陜西省寧強(qiáng)縣的蟠冢山，全長(zhǎng)1 577 k m，干流在陜西省內(nèi)河長(zhǎng)656 k m，在陜西省內(nèi)流域面積為54 783 k m2（不包括丹江水系），占漢江全流域面積的37.1%。漢江流域?qū)賮啛釒駶?rùn)氣候區(qū)，山區(qū)年平均氣溫13～16℃，最高35～41℃，最低－5～10℃，盆地年平均氣溫為11.4～15℃，最高38～40℃，最低－6～－10℃。年降水量平均800 mm以上。流域內(nèi)秦嶺巴山植被條件獨(dú)特，構(gòu)成暖溫帶含常綠闊葉成分的落葉闊葉林棕壤景色，且垂直分布明顯，秦嶺南坡由下而上分別為：常綠闊葉混交林帶、樺木林帶、冷杉林帶、落葉松林帶等。大巴山地植物區(qū)系成分繁多，北坡垂直帶譜明顯，山勢(shì)陡峭，多巖溶地貌，構(gòu)成北亞熱常綠闊葉混交林景觀。

丹江發(fā)源于商洛市商州區(qū)秦嶺東南鳳凰山，有兩個(gè)源頭，北源出于秦嶺南坡的東峽，經(jīng)鐵爐子至黑龍口與西源匯合。西源出于牧護(hù)關(guān)以東秦嶺南麓的七盤(pán)河，向東南和北源相會(huì)。黑龍口以下大致成東南流向，經(jīng)商州、丹鳳、商南于商南縣汪家店鄉(xiāng)月亮灣出境。流經(jīng)河南、湖北注入丹江口水庫(kù)。全長(zhǎng)443 k m，總流域面積16 812 k m2，在陜西省境內(nèi)全長(zhǎng)249.6 k m，流域面積7 510 k m2，占總流域面積的44.5%，年平均徑流量1.71×109m3。區(qū)域內(nèi)森林覆蓋率為23.15%，許多山區(qū)綠峰林立，但分布不均；野生植被以落葉、闊葉、針葉混交林為主，主要樹(shù)種為櫟樹(shù)、松樹(shù)、柏樹(shù)、楊樹(shù)和刺槐等［3］。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 1985年，1995年和2000年的1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心。該數(shù)據(jù)基于Landsat MSS，T M 和ET M遙感圖像，主要通過(guò)全國(guó)各地的相關(guān)專(zhuān)家根據(jù)對(duì)圖像光譜、紋理、色調(diào)等的認(rèn)識(shí)結(jié)合地形圖目視解譯而成。該數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)過(guò)了野外實(shí)地考察驗(yàn)證，其精度達(dá)可以到95%，是目前我國(guó)精度最高的土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，已經(jīng)在國(guó)家土地資源調(diào)查、水文、生態(tài)研究中發(fā)揮著重要作用。

1.2.2 處理方法 基于3期土地利用圖，利用GIS空間分析功能，首先對(duì)不同時(shí)期土地利用面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析其面積增減情況；其次對(duì)3期土地利用圖求轉(zhuǎn)移矩陣，分析土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；然后針對(duì)單個(gè)和綜合土地利用情況，計(jì)算分析其變化率；最后，針對(duì)區(qū)域影響水土流失和土地利用的主要地形特征，分析土地利用與坡度的關(guān)系。

土地利用變化率分析包括區(qū)域單一土地利用變化率和區(qū)域綜合土地利用變化率。區(qū)域單一土地利用變化率用以說(shuō)明單一土地利用動(dòng)態(tài)度可表達(dá)區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的數(shù)據(jù)變化情況。表達(dá)式為：

式中：Ua，Ub——研究初期和研究末期某種土地利用類(lèi)型的數(shù)據(jù)；T——研究時(shí)段長(zhǎng)，當(dāng)其設(shè)定為年時(shí)；K——研究時(shí)段內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的年變化率。利用式（1）計(jì)算研究區(qū)2個(gè)時(shí)段內(nèi)土地利用類(lèi)型的年變化率。

區(qū)域綜合土地利用變化率用以說(shuō)明區(qū)域綜合土地利用動(dòng)態(tài)度可描述區(qū)域土地利用變化的速度。表達(dá)式為：

式中：L Ui——監(jiān)測(cè)起始時(shí)間第i類(lèi)土地利用類(lèi)型面積；△L Ui－j——監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)為第j類(lèi)土地利用類(lèi)型面積的絕對(duì)值；T——監(jiān)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，LC的值就是該研究區(qū)土地利用年變化率［1，4］。

2 結(jié)果分析

2.1 土地利用的數(shù)量變化分析

2.1.1 各年土地利用面積分析 1985，1995和2000年3期土地利用圖及對(duì)應(yīng)的面積統(tǒng)計(jì)（表1）表明：（1）耕地、林地和草地是研究區(qū)3種主要的土地利用類(lèi)型，建筑用地和水體所占的比例很小，不足1%。1985—2000年，耕地、林地、建筑用地和水體均呈先減少后增加的趨勢(shì)，但草地相反。（2）1985—1995年的10 a間，只有草地面積增加，增加了322.56 k m2；耕地和林地減少面積較大，分別為135.86和161.81 k m2；建筑用地和水體減少面積分別為16.15和9.11 k m2。（3）1995—2000年5 a間，只有草地面積減少，減少了400.19 k m2；耕地和林地增加面積最大，分別為240.94和120.79 k m2；建筑用地和水體增加面積分別為31.00和7.83 k m2。（4）耕地、林地和草地的變化率分別是：以1985年為基數(shù)，到1995年和2000年耕地變化幅度分別為－0.2%和0.15%，林地變化幅度為－0.23%和－0.06%，草地變化幅度為0.46%和－0.11%。

2.1.2 土地利用變化率分析 為了更好地比較區(qū)域土地利用變化的差異并預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化趨勢(shì)，利用土地利用動(dòng)態(tài)度進(jìn)行土地利用變化速度分析。土地利用動(dòng)態(tài)度可定量描述區(qū)域土地利用變化的速度，包括區(qū)域單一土地利用變化分析和區(qū)域綜合土地利用變化分析。

表1 丹漢江流域土地利用類(lèi)型的面積統(tǒng)計(jì)

（1）區(qū)域單一土地利用變化率分析。利用式（1）可以計(jì)算出單一土地利用變化率（圖1）。由圖1可知，1985—1995年，未利用地的變化最大，為0.52%，其次為建筑用地為－0.41%。1995—2000年間，建筑用地變化最大，為2.27%，其次是未利用地、水體、耕地、草地和林地。耕地、林地、草地的年變化率由1985—1995年的－0.07%，－0.07%，0.10%變?yōu)?995—2000年的0.34%，0.14%，－0.34%，表明耕地和林地的年變化速度由負(fù)轉(zhuǎn)正，草地的年變化速度由正轉(zhuǎn)負(fù)。建筑用地的年變化率較大，在1985—1995年期間的年變化率為－0.41%，1995—2000年變?yōu)?.27%。

圖1 1985－2000年單一土地利用類(lèi)型年變化率

（2）區(qū)域綜合土地利用變化率分析。利用式（2）分別計(jì)算出1985—1995年和1995—2000年2個(gè)時(shí)期的土地利用年變化率，結(jié)果表明：1985—1995年丹漢江流域土地利用年變化率為0.05%，1995—2000年的年變化率為0.15%，比1985—1995年有較大的提高，說(shuō)明1995—2000年土地利用變化類(lèi)型間的相互轉(zhuǎn)化力強(qiáng)。

2.2 土地利用空間變化分析

2.2.1 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換 單純從面積的變化來(lái)看，很難揭示土地利用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，為更好地揭示各種土地利用類(lèi)型的內(nèi)部變化特征，可以利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣定量說(shuō)明土地利用類(lèi)型之間的相互轉(zhuǎn)化狀況，表現(xiàn)區(qū)域土地利用變化特征［5］?；谘芯繀^(qū)1985，1995，2000年的土地利用圖，利用Arc GIS軟件的空間疊加功能進(jìn)行疊加分析，然后統(tǒng)計(jì)各種類(lèi)型的土地利用面積及各種土地利用類(lèi)型的變化面積，得到土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣（表2—3）。

表2 1985－1995丹漢江流域土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣 k m2

表3 1995－2000丹漢江流域土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣 k m2

由表2可以看出，從1985—1995年，耕地轉(zhuǎn)出面積為312.34 k m2，其中241.05 k m2的耕地轉(zhuǎn)化為草地；53.01 k m2的耕地轉(zhuǎn)化為林地；林地轉(zhuǎn)出面積為291.05 k m2，其中257.64 k m2的林地轉(zhuǎn)化為草地，30.97 k m2的林地轉(zhuǎn)化為耕地；草地轉(zhuǎn)出面積為178.93 k m2，其中101.95 k m2的草地轉(zhuǎn)化為耕地，75.43 k m2轉(zhuǎn)化為林地。3種主要土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)出面積大小依次為耕地＞林地＞草地。由表3看出，從1995—2000年，耕地轉(zhuǎn)出面積為141.82 k m2，其中71.82 k m2耕地流入草地，36.02 k m2耕地流入建筑用地，23.29 k m2耕地流入林地；林地轉(zhuǎn)出面積為158.27 k m2，其中81.8 k m2的林地流入草地，75.46 k m2的林地轉(zhuǎn)化為耕地；草地轉(zhuǎn)出面積為555.33 k m2，其中298.24 k m2的草地轉(zhuǎn)化為耕地，254.32 k m2轉(zhuǎn)化為林地。3種主要土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)出面積大小依次為草地＞林地＞耕地。

研究結(jié)果表明在2個(gè)階段研究區(qū)3種主要土地利用類(lèi)型變化不同，主要表現(xiàn)為：（1）草地是最不穩(wěn)定的土地利用類(lèi)型，內(nèi)部變化幅度相對(duì)于耕地和林地最大，這是由于陜南氣候濕潤(rùn)，適合草本植物生長(zhǎng)，且其是群落演替的早期植被，適應(yīng)力強(qiáng)。林地的內(nèi)部變化相對(duì)較少，主要是由于林地的生長(zhǎng)周期長(zhǎng)的特征決定的。（2）1995—2000年研究區(qū)草地轉(zhuǎn)出面積大幅度增加，表明該時(shí)期人為因素增加，主要表現(xiàn)為開(kāi)墾耕地和植樹(shù)造林。

2.2.2 主要土地利用與坡度的關(guān)系 近年來(lái)，土地利用時(shí)空變化格局與環(huán)境因子的關(guān)系已成為土地利用/土地覆蓋變化研究的核心內(nèi)容之一［6］。為討論不同地形條件下土地利用類(lèi)型的分異程度，本研究利用研究區(qū)3期土地利用圖及數(shù)字化地形圖生成的DEM，研究該區(qū)主要土地利用類(lèi)型變化（耕地、林地和草地）的地形分異程度，分析研究區(qū)主要土地利用類(lèi)型的時(shí)空變化規(guī)律。

坡度對(duì)土地利用有著重要的影響：小于5°的坡地，可開(kāi)發(fā)為旱地或牧草地；大于5°的坡地已開(kāi)始產(chǎn)生明顯的土壤侵蝕，需修筑梯田或采用水保耕作法等水保措施；25°是退耕還林還草的界限；溝坡地的地面坡度大部分在35°以上，該類(lèi)土地應(yīng)以種草造林為主要利用方式，以保護(hù)邊坡的穩(wěn)定性，防止崩塌、錯(cuò)落等重力侵蝕發(fā)生；45°是植樹(shù)造林的上限［7］。本研究中坡度分成平坡（0°～5°）、緩坡（5°～15°）、斜坡（15°～25°）、陡坡（25°～35°）和急坡（＞35°）5個(gè)坡度級(jí)。

表4—5分別顯示了研究區(qū)在1985—1995年和1995—2000年耕地、林地和草地在不同坡度上的分布狀況及變化面積。在0°～5°坡度上，耕地在不同年份均占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，草地次之，林地最少。在5°～15°之間，耕地比重開(kāi)始下降，林地和草地占的比重開(kāi)始增加，且草地已占最大比重。在15°～25°之間，耕地、林地和草地均達(dá)到最大面積。之后在25°～35°之間，三者面積又逐步下降，到35°以上，耕地面積銳減。在5°～35°坡度上，草地始終占最大比重。從表中可以看出，耕地、林地和草地的變化都主要發(fā)生在5°～35°之間的坡地上，最大變化也都出現(xiàn)在15°～25°，而在＜5°和＞35°的坡地上，變化幅度都較小。從以上兩表可以看出，不同坡度草地的減少和耕地、林地的增加具有很高的一致性，反之亦然。

表4 1985－1995年耕地、林地和草地在不同坡度上分布面積 k m2

表5 1995－2000年耕地、林地和草地在不同坡度上分布面積 k m2

2.3 土地利用驅(qū)動(dòng)力分析

土地利用變化主要受自然因素和社會(huì)因素影響，但在短期內(nèi)，人類(lèi)活動(dòng)是土地利用變化的最主要的驅(qū)動(dòng)因素。在較短時(shí)間內(nèi)，區(qū)域的氣候、地形地貌、土壤和水分等自然因素不可能發(fā)生很大變化，其對(duì)土地利用變化影響較小，而人口、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及國(guó)家和地方政府的政策等社會(huì)因素則會(huì)從根本上影響土地利用變化的方向［8－9］。

研究區(qū)土地利用類(lèi)型發(fā)生較大變化，可以分為兩個(gè)階段：（1）從1985—1995年，草地面積增加，耕地和林地面積減少，分析原因是期間毀林開(kāi)荒和濫砍亂伐，造成生態(tài)環(huán)境惡化，使林地減少及耕地棄耕。（2）從1995—2000年，草地面積明顯下降，耕地和林地面積增加，分析原因是政府作為及群眾環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，使樹(shù)木得到種植和一定的保護(hù)。耕地的增加一方面與生產(chǎn)的發(fā)展有關(guān)，另一方面可能與退耕還林項(xiàng)目實(shí)施前，群眾為獲得補(bǔ)貼，而開(kāi)墾了一定面積的草地有關(guān)［10－11］。

3 結(jié)論

（1）耕地、林地和草地是研究區(qū)3種主要的土地利用類(lèi)型。1985—2000年，耕地、林地、建筑用地和水體均呈先減少后增加的趨勢(shì)，但草地相反。15 a間，耕地和建筑用地分別增加了105.08和14.85 k m2，林地和草地分別減少了41.02，77.63 k m2。

（2）從1985—1995年，耕地轉(zhuǎn)出面積為312.34 k m2，其中241.05 k m2的耕地轉(zhuǎn)化為草地，53.01 k m2的耕地轉(zhuǎn)化為林地；從1995—2000年，耕地轉(zhuǎn)出面積為141.82 k m2，其中71.82 k m2耕地流入草地，36.02 k m2耕地流入建筑用地，23.29 k m2耕地流入林地；草地轉(zhuǎn)出面積為555.33 k m2，其中298.24 k m2的草地轉(zhuǎn)化為耕地，254.32 k m2轉(zhuǎn)化為林地。表明耕地趨于相對(duì)穩(wěn)定，草地轉(zhuǎn)化活躍。

（3）研究區(qū)主要土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)變化與坡度關(guān)系表明，耕地、林地和草地的變化都主要發(fā)生在5°～35°之間的坡地上，最大變化也都出現(xiàn)在15°～25°。不同坡度草地的減少和耕地、林地的增加具有很高的一致性，反之亦然。

（4）研究區(qū)土地利用變化，很大程度上是受人類(lèi)活動(dòng)的影響。政府行為對(duì)丹漢江流域土地利用變化有很大的影響。因此，國(guó)家的政策在很大程度上影響土地利用變化的方向。

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