桐柏大別山區(qū)土地利用時空變化圖譜分析

張榮華，劉霞，李歡，姚孝友，王友勝，張光燦

(1.山東農(nóng)業(yè)大學林學院，山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室，國家林業(yè)局泰山森林生態(tài)站，271018，山東泰安;2.北京師范大學地理學與遙感科學學院，100875，北京;3.水利部淮河水利委員會水土保持處，233001，安徽蚌埠)

桐柏大別山區(qū)土地利用時空變化圖譜分析

張榮華1，2，劉霞1?，李歡1，姚孝友3，王友勝1，張光燦1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學林學院，山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室，國家林業(yè)局泰山森林生態(tài)站，271018，山東泰安;2.北京師范大學地理學與遙感科學學院，100875，北京;3.水利部淮河水利委員會水土保持處，233001，安徽蚌埠)

運用地學信息圖譜理論方法，基于地理信息系統(tǒng)時空分析模型，以桐柏大別山區(qū)20 a土地利用3期(1987、1997、2007)空間數(shù)據(jù)為基礎，通過建立桐柏大別山區(qū)土地利用變化圖譜和漲落勢圖譜，分析該區(qū)域土地利用變化的時空特征，預測未來土地利用變化的趨勢。結(jié)果表明：1)1987—2007年，研究區(qū)土地利用發(fā)生了很大變化，耕地面積持續(xù)性減少，林地和建設用地面積持續(xù)性增加，草地和未利用地面積先增加后減少，水域面積先減少后增加;2)空間格局上，耕地與林地相互轉(zhuǎn)化遍布整個研究區(qū)域，耕地和林地轉(zhuǎn)為建設用地主要分布在各縣市周邊地區(qū)，水域轉(zhuǎn)為耕地和林地主要位于水域與其他用地交接地帶;3)漲落勢圖譜中，林地漲勢最明顯，增加了5 904.06 km2，占新增圖譜單元61.31%，主要來源于耕地和水域轉(zhuǎn)出，耕地落勢最明顯，減少了6 394.71 km2，占萎縮圖譜單元66.41%，主要轉(zhuǎn)為林地和建設用地;4)未來10年，桐柏大別山區(qū)土地利用類型仍將以耕地、林地為主。

地學信息圖譜;時空變化;土地利用;桐柏大別山區(qū)

土地利用/土地覆被記錄了人類改變地球表面特征空間格局的活動，再現(xiàn)了地球表面景觀的時空動態(tài)過程，它既受自然因素的影響，又受社會、經(jīng)濟、政治等人文因素的制約。進入20世紀90年代以來，土地利用/土地覆被變化(LUCC)受到越來越多的關注，成為全球環(huán)境變化研究的核心領域［1-3］。近年來，國內(nèi)外學者探索將地學信息圖譜理論和方法應用于土地利用/覆被變化研究，以解決LUCC研究中時空復合分析的難題［4-9］。地學信息圖譜是以地球空間信息認知理論為基礎，以遙感、地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實、計算機制圖技術為支撐發(fā)展起來的一種時空復合分析方法。其圖譜單元既包含地理實體和地理現(xiàn)象的空間差異性信息，又包含地理過程的時序變化信息，將“表示空間單元特征的圖”與“表示時間發(fā)展之起點與過程的譜”合為一體，解決了空間與過程集成研究的問題［10-11］。筆者運用地學信息圖譜方法，通過對桐柏大別山區(qū)1987—2007以來的土地利用“空間格局”和“變化過程”進行定量化綜合研究，分析土地利用動態(tài)變化特征，預測未來土地利用變化的趨勢，以期為區(qū)域土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

桐柏大別山區(qū)地處我國中部，屬淮河流域，E 113°16'～116°45'，N 30°57'～32°43'，跨皖、豫、鄂3省交界處，涉及16個縣(市、區(qū))，總面積約2.72萬km2(圖1)。屬北亞熱帶過渡性氣候，年平均氣溫13.2～15.7℃，無霜期180～220 d，日照時間1 990～2 650 h，作物生長周期長，是我國重要的糧、油生產(chǎn)基地，在保證我國糧食安全和生態(tài)安全，促進國民經(jīng)濟建設及可持續(xù)發(fā)展中具有極為重要的地位。境內(nèi)地形復雜，地貌類型以山地、丘陵為主，占總面積的59%，主要分布在南部，母質(zhì)大部分以花崗片麻巖為主，易風化，抗蝕性差，土壤以黃棕壤、水稻土和粗骨土為主。地帶性植被為落葉闊葉混交林型，年平均降水量1 200～1 500mm，6—8月超過全年60%，年際相差1～3倍，時空分布不均，易形成洪澇與干旱災害。

圖1 桐柏大別山區(qū)地理位置圖Fig．1 Geographical position of Tongbai-Dabiemountainous area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

以桐柏大別山區(qū)1987、1997、2007年4—5月份TM影像為數(shù)據(jù)源，空間分辨率為30m×30m。在遙感圖像處理軟件ERDAS 9.1中進行配準、鑲嵌、勻色及增強處理。利用1∶10萬地形圖選擇35個同名地面控制點(GCP)對影像進行校正，誤差控制在0.5個像元以內(nèi)，校正中，采用北京1954坐標系，高斯-克呂格投影。

2.2 土地利用數(shù)據(jù)與圖譜合成

根據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀和土地資源特點，結(jié)合GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地6類。針對遙感影像特征，結(jié)合野外實地調(diào)查，建立解譯判讀標志，采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法對影像進行分類，提取土地利用信息，建立土地利用數(shù)據(jù)庫，并對分類結(jié)果運用Kappa指數(shù)進行精度評價，精度達88.36%。

將ERDAS解譯獲得的“.img”格式的土地利用數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為“.grid”格式(柵格大小設為30m)，作為基本圖譜單元。以基本圖譜單元為基礎，采用Arc-GIS 9.2軟件中的空間分析模塊，利用地圖代數(shù)運算方法，對時間相鄰的土地利用數(shù)據(jù)進行合成，將不同采樣時刻上的地理單元的空間—屬性—過程一體化數(shù)據(jù)進行匹配、融合，建立土地利用變化圖譜。

2.3 土地利用漲落勢圖譜構(gòu)建

土地利用變化包括2方面：一是轉(zhuǎn)入，即由其他用地類型轉(zhuǎn)移到本土地類型的部分;二是轉(zhuǎn)出，即原土地類型除不變區(qū)外，轉(zhuǎn)移到其他土地類型的部分。為了更直接把握土地利用變化的走向和趨勢，通過設定分類原則、重影射方法，弱化冗余信息、消除噪聲，將圖譜單元重新分類、綜合、組合、提取有效信息、重構(gòu)圖譜，建立由轉(zhuǎn)入圖譜單元構(gòu)建的漲勢系列圖譜，由轉(zhuǎn)出圖譜單元構(gòu)建落勢系列圖譜。

2.4 土地利用動態(tài)度分析

土地利用動態(tài)度反映一定時間和范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況［12］，其數(shù)學表達式為

式中：Ri為研究時段內(nèi)第i類土地利用類型面積的年變化，即土地利用動態(tài)度;Uai、Ubi分別為研究初期和末期第i類土地利用類型的面積，km2;T為研究時段，a。

2.5 馬爾柯夫預測模型

馬爾柯夫過程［5］是一個特殊的隨機過程，最大特點是t+1時刻的狀態(tài)只與t時刻的狀態(tài)有關，而與以前的狀態(tài)無關，這一特點決定了其適用于土地利用變化預測。關鍵在于確定各土地利用類型轉(zhuǎn)移概率矩陣P(式2)。根據(jù)柯爾可夫過程的性質(zhì)和條件概率的定義，運用馬爾柯夫過程的基本方程(式3)，可模擬出任意一年的土地利用類型所占比例的變化情況。

式中：為第n期馬爾柯夫過程土地利用類型i轉(zhuǎn)化為土地利用類型j的轉(zhuǎn)移概率，轉(zhuǎn)移矩陣的每一項元素需滿足以下條件：0≤Pij≤1(i，j=1，2，…，N)，即各元素為非負值，且，即每行元素之和為1;k為中間變量;N為轉(zhuǎn)移概率矩陣的行列數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時間序列變化圖譜分析

隨著人們對土地資源的開發(fā)利用，20年桐柏大別山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化(表1)。在面積減少的地類中，耕地減少最大，達4 175.22 km2，水域減少59.66 km2;同時，林地、草地、建設用地和未利用地不同程度增加，其中林地和建設用地增加最為顯著，分別增加了3 351.50和659.64 km2。從土地利用動態(tài)度來看，變化較大的是建設用地、耕地和林地，動態(tài)度分別為 +4.42%、-1.68%和+1.38%。對比2個時段(1987—1997年和1997—2007年)，耕地持續(xù)減少(后一時段動態(tài)度稍小)，林地持續(xù)增加(前一時段動態(tài)度較大)，這與該區(qū)20世紀90年代初實施林業(yè)二次創(chuàng)業(yè)、大力發(fā)展經(jīng)濟林政策，90年代末國家頒布保護耕地資源的土地管理法規(guī)、退耕還林政策有關。建設用地持續(xù)增加，且后一時段增長較快，這與社會經(jīng)濟發(fā)展、城市化、工業(yè)化進程加快密切相關。未利用地動態(tài)度最大，其原因可能為前一時段局部大規(guī)模進行坡地經(jīng)濟林開發(fā)、毀林開荒、撂荒、棄耕等，導致土壤侵蝕、土地沙化加劇，進而導致未利用地增加，后一時段由于技術水平的提高和政府投入的增加，為未利用地的開墾提供了可能，土地開發(fā)利用率勢必提高。發(fā)展經(jīng)濟林、退耕還林(草)等政策導向，使得研究區(qū)耕地面積大幅減少，林地和草地面積增加。

表1 1987—2007年桐柏大別山區(qū)土地利用變化情況Tab．1 Land use changes of Tongbai-Dabiemountainous area during 1987—2007

3.2 土地利用空間序列變化圖譜分析

桐柏大別山區(qū)土地利用變化圖譜共計36類圖譜單元(圖2)。從表2矩陣可以看出，1987—1997年，73.60%的圖譜單元土地利用方式?jīng)]有發(fā)生變化，而變化的圖譜單元中耕地和林地轉(zhuǎn)移最明顯，水域和建設用地次之，草地和未利用地轉(zhuǎn)移較少。耕地是受人類活動影響最大的土地利用類型，其變化特征與發(fā)展動態(tài)已成為土地利用研究的重要內(nèi)容。20世紀90年代農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展經(jīng)濟林、比較利益驅(qū)動及城市發(fā)展對建設用地的需求，使得大量耕地被占用，其面積大幅減少。耕地中分別有3 889.27和283.75 km2轉(zhuǎn)為林地和建設用地，占耕地轉(zhuǎn)出面積85.79%、6.26%，主要分布在光山縣、潢川縣、固始縣北部，信陽市轄區(qū)北部，桐柏縣東北部，霍山縣東部，六安市轄區(qū)西北部。同時，由于該區(qū)作為我國重要的糧食生產(chǎn)基地，為保證一定的糧食產(chǎn)量和質(zhì)量，加之人們比較利益的驅(qū)動，耕地中1 898.58 km2因其他土地利用類型轉(zhuǎn)入而增加，其增加來源主要為林地、水域，分別占轉(zhuǎn)入面積的79.63%、12.95%，主要分布在金寨縣北部、霍山縣西部、新縣南部及西部、羅山縣中部、桐柏縣西部。

表2 1987—2007年土地利用動態(tài)變化轉(zhuǎn)移矩陣Tab．2 Transitionmatrix of land use changes during 1987—2007 km2

1997—2007年土地利用方式?jīng)]有發(fā)生變化的圖譜單元占66.93%，低于前一時段，土地利用發(fā)生了較大規(guī)模的變化，但變化最大的仍是耕地與林地之間的轉(zhuǎn)化。由于土地管理政策法規(guī)的頒布實施、城鎮(zhèn)化水平和耕作技術水平的提高、退耕還林(草)的實行，使得耕地減少的趨勢得到了有效的遏制，減少了1 540.08 km2，主要轉(zhuǎn)為林地、建設用地，集中在桐柏縣中東部、信陽市轄區(qū)北部、羅山縣中北部、光山縣中部、潢川縣東北部、固始縣中南部、金寨縣東南部、霍山縣西北部、六安市轄區(qū)西北部。同時，當?shù)卣鎸θ丝谠鲩L、糧食產(chǎn)量、國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、財政收入的壓力，以及人們比較利益的驅(qū)動，使得耕地中3 310.72 km2由其他土地利用類型轉(zhuǎn)變增加，集中在桐柏縣東北部、信陽市轄區(qū)西北部、羅山縣西部、光山縣南部、新縣南部、固始縣西北部、金寨縣中部、霍山縣西北部及東北部、六安市轄區(qū)東北部。耕地與林地之間的頻繁轉(zhuǎn)換，說明退耕還林與毀林開荒的現(xiàn)象同時存在，也說明土地利用結(jié)構(gòu)不合理，人地關系緊張。

由表3排序表［7］可以看出：20 a耕地向林地轉(zhuǎn)化5 523.37 km2，林地向耕地轉(zhuǎn)化1 871.29 km2，二者之差即耕地向林地凈轉(zhuǎn)化3 652.08 km2，占總變化面積37.94%。耕地和林地轉(zhuǎn)為建設用地分別占5.21%和2.68%，轉(zhuǎn)為水域分別占3.01%和1.76%。水域轉(zhuǎn)為耕地和林地分別占2.60%和2.23%?？梢钥闯?，桐柏大別山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化表現(xiàn)為3個特征：一是耕地與林地相互轉(zhuǎn)化是全局性的，遍及整個區(qū)域，相對而言，霍山、金寨、固始、潢川、光山、信陽市轄區(qū)、桐柏等更為明顯;二是耕地和林地轉(zhuǎn)為建設用地明顯，主要在各縣市區(qū)周邊以及交通線兩側(cè)，是經(jīng)濟相對發(fā)達的地區(qū)，居民用地和工礦、交通用地快速擴展，大量蠶食耕地和林地;三是水域轉(zhuǎn)為耕地和林地較為明顯，大部分位于沿河或庫區(qū)周圍一些水域邊緣地帶，而其余土地利用類型的空間移動則成布朗運動態(tài)勢。

表3 1987—2007年桐柏大別山區(qū)主要土地利用類型變化排序表Tab．3 Order ofmain land use conversion during 1987—2007

3.3 土地利用漲落勢圖譜分析

圖3和表4漲落勢圖譜中，耕地、水域以落勢為主，林地、建設用地以漲勢為主，草地和未利用地相對穩(wěn)定。漲勢系列圖譜記錄了各土地利用類型的增長信息(圖3(a))：新增圖譜單元最多的是林地，3個時段分別占新增土地面積的56.82%、50.67%、61.31%，以耕地和水域減少為依托;其次為耕地，分別占31.55%、36.79%、23.05%，主要由砍伐森林和侵占水域?qū)е?水域、建設用地次之，主要來源于對耕地、林地的侵占;其他用地新增較少。落勢系列圖譜記錄了各土地利用類型的萎縮信息(圖3(b))：耕地萎縮最明顯，3個時段分別占萎縮土地面積的60.24%、53.90%、66.41%，主要轉(zhuǎn)為林地和城鎮(zhèn)建設用地;其次為林地，分別占30.24%、38.33%、24.43%，主要轉(zhuǎn)為耕地和水域;水域萎縮次之，主要是被耕地、林地侵占;由于人類活動的強烈干預，建設用地萎縮較小;其他用地萎縮較少。

圖2 桐柏大別山區(qū)土地利用變化圖譜Fig．2 Land use changes atlas in Tongbai-Dabiemountainous area

圖3 桐柏大別山區(qū)土地利用漲落勢圖譜Fig．3 Arising/declining atlas in Tongbai-Dabiemountainous area

表4 1987—2007年土地利用漲落勢圖譜結(jié)構(gòu)Tab．4 Arising/declining atlas analysis of land use during 1987—2007 km2

4 土地利用結(jié)構(gòu)預測

以1987年各土地利用類型所占面積比例表示初始狀態(tài)矩陣A0。以1987—2007年2期土地利用類型轉(zhuǎn)移概率矩陣為基礎，求出多年加權(quán)平均轉(zhuǎn)移概率矩陣，則該矩陣即為初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率矩陣P0。從初始狀態(tài)經(jīng)過n=20、21、22步轉(zhuǎn)移到2007、2008、2009年轉(zhuǎn)移概率矩陣，預測各土地利用類型所占的面積比例。在SPSS中對預測值和實測值進行方差分析，顯著性(Sig.=1)大于0.05，表明用馬爾柯夫預測數(shù)據(jù)與實測情況吻合較好，也說明利用馬爾柯夫模型來預測土地利用變化是可行的。

表5為2010—2019年的預測結(jié)果。結(jié)果表明：在保持人為干擾強度不變的前提下，桐柏大別山區(qū)未來土地利用變化的趨勢是耕地面積繼續(xù)減少，至7 370 km2趨于穩(wěn)定值;林地、建設用地逐年增加，這些變化都是比較劇烈的過程，草地、水域面積在不斷減少，但變化速度相對緩慢。表明未來10年，桐柏大別山區(qū)仍將以耕地、林地為主要土地利用類型，其他地類基本沒有明顯變化。

表5 2010—2019年各土地利用類型面積預測值Tab．5 Predictions of land use types from 2010 to 2019

5 結(jié)論與討論

1)20年間耕地持續(xù)性減少，林地和建設用地持續(xù)性增加。

2)耕地與林地之間的相互轉(zhuǎn)化遍布整個區(qū)域，耕地、林地轉(zhuǎn)為建設用地主要發(fā)生在各縣市區(qū)周邊經(jīng)濟相對發(fā)達的地區(qū)，水域轉(zhuǎn)為耕地、林地大部分位于水域和其他用地交接地帶。

3)漲勢圖譜單元最多的是林地，占新增面積61.31%，主要來源于耕地和水域;落勢圖譜單元最大的是耕地，占萎縮面積66.41%，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾徒ㄔO用地。

4)未來10年，桐柏大別山區(qū)仍將以耕地、林地為主要土地利用類型。

在政策導向、經(jīng)濟發(fā)展、比較利益、人口增長等主要驅(qū)動因素的影響下，各種土地利用類型發(fā)生了不同程度的變化。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，城市化進程加快，城市周邊的優(yōu)質(zhì)耕地被擴建為居民區(qū)、開發(fā)區(qū)、交通運輸?shù)冉ㄔO用地，部分山區(qū)應對人口壓力和糧食短缺，通過毀林開荒來增加耕地面積。作為我國重要的糧、油生產(chǎn)基地，遏制耕地減少、保障糧食安全、生態(tài)安全、促進區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展是桐柏大別山區(qū)的首要任務。因此，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，首要任務是改進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，同時加強耕地資源管理;其次，制定相應的法規(guī)政策，合理分配有限的土地資源，著重對當前已利用土地的深度和廣度進行二次開發(fā)，正確引導土地利用發(fā)展方向;再次，統(tǒng)籌規(guī)劃城市的發(fā)展，嚴格控制建設用地規(guī)模，加強土地資源保護和合理利用，達到土地利用和社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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Atlas analysis on spatial-temporal changes of land use in Tongbai-Dabiemountainous area

Zhang Ronghua1，2，Liu Xia1，Li Huan1，Yao Xiaoyou3，Wang Yousheng1，Zhang Guangcan1
(1.Forestry College of Shandong Agricultural University，Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration，Taishan Forest Ecosystem Research Station，271018，Tai’an，Shandong;2.School of Geography，Beijing Normal University，100875，Beijing;3.Soil and Water Conservation Division of Huaihe River Commission of Water Resourcesministry，233001，Bengbu，Anhui：China)

Based on GIS spatial and temporal analysismodel，geo-information atlas theory were used in this paper.Land use data were extracted from spatial data of three periods(1987，1997，2007)in Tongbai-Dabiemountainous area.Land use change atlas and arising/declining atlas from 1987 to 2007 were established.Land use changes characteristic were analyzed，and land use changes were predicted.Results indicate that land use changes significantly during the past 20 years.The area of farmland decreased，and forest land and construction land increased.Grassland and unused land increased firstly，then decreased，vice versewater land decreased firstly，then increased.From the spatial series，mutual transformation between farmland and forest land was obvious in the whole research area.Farmland and forest land transfered to construction land in the nearby of town.Waters transfered to farmland and forest land in the nearby of waters.In arising/declining atlas，the largest expanding atlas was forest land，with an increase of 5904.06 km2，accounting for 61.31%in expanding atlas，mainly from farmland and water land.And the largest shrinking atlas was farmland，with a decrese of 6 394.71 km2，accounting for 66.41%in shrinking atlas，mainly transforming into forest land and construction land.In the future，farmland and forest land will continue to be chief land use type.

geo-information atlas;spatio-temporal changes;land use;Tongbai-Dabiemountainous area

2011-02-18

2011-05-12

水利部淮河水利委員會“淮河流域生態(tài)修復機理和評價指標體系研究”(hwsbc-2007-001)、“淮河流域水土保持區(qū)劃及分區(qū)防治模式研究”(SBJ-2010-002);林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“生境脅迫立地植被恢復與重建技術研究”(201104002-6)

張榮華(1984—)，女，博士研究生。主要研究方向：水土保持信息技術。E-mail：zrhua5766@163.com

?責任作者簡介：劉霞(1971—)，女，教授，博士。主要研究方向：土壤侵蝕與生態(tài)修復。E-mail：liuxia@sdau.edu.cn

(責任編輯：宋如華)