丹江口庫區(qū)1990—2010年土地利用時空動態(tài)變化研究

胡硯霞，黃進(jìn)良，王立輝

(1.中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，武漢430077;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

區(qū)域土地利用變化是全球變化研究的重要方面［1］，是可持續(xù)發(fā)展的核心問題［2］。從區(qū)域尺度上看，土地利用變化研究意義重大，因?yàn)樯鷳B(tài)建設(shè)往往通過改變土地利用方式實(shí)現(xiàn)，且土地利用變化及其生態(tài)效應(yīng)研究也是探討庫區(qū)土地可持續(xù)利用模式的需要。丹江口庫區(qū)既是生態(tài)脆弱區(qū)，又是人口稠密的貧困區(qū)，庫區(qū)生態(tài)安全狀況對南水北調(diào)中線工程的安全運(yùn)營和庫區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。

遙感方法是當(dāng)前土地利用變化研究最常用的一種方法［3］。本研究以遙感影像為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用遙感和地理信息系統(tǒng)的方法提取出了丹江口庫區(qū)1990，1995，2000，2005，2010年的土地利用信息，由此揭示了1990—2010年庫區(qū)土地利用時空變化及其驅(qū)動因素。丹江口庫區(qū)土地利用變化的研究結(jié)果可為庫區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)及土地可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

丹江口水庫是漢江干流與其支流丹江的交匯地，是南水北調(diào)中線工程的水源地。丹江口水庫分為漢庫、丹庫及淅庫3個子水庫，其中漢庫與丹庫、丹庫與淅庫均有峽谷相連。研究區(qū)域丹江口庫區(qū)在行政區(qū)劃上包括湖北省十堰市所屬的丹江口市、鄖縣、鄖西縣、十堰市轄區(qū)和河南省南陽市所屬的淅川縣和西峽縣［4］，總面積約1.8 萬 km2。

丹江口庫區(qū)以中小起伏山地為主，但東北、西部和西南部均為中高起伏或大起伏山地，秦嶺余脈呈東西向分布。庫區(qū)漢庫沿線、丹庫以西為低海拔丘陵地帶，丹庫以東為低海拔洪積臺地，淅庫沿線為低海拔沖積洪積平原［5］。庫區(qū)以變質(zhì)巖和沉積巖分布最廣，多片麻巖、石灰?guī)r、砂巖和頁巖等，北部和西北部的伏牛山花崗巖較發(fā)育。庫區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，降水主要集中在4—10月，降水時空分布集中，多暴雨，易引發(fā)水土流失、滑坡等自然災(zāi)害。庫區(qū)植被以常綠針葉林、落葉闊葉林、針闊混交林和農(nóng)業(yè)植被為主。

2 數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

研究分為1990，1995，2000，2005，2010 年 5 個時間段。2010年采用HJ-1影像，其他年份采用Landsat TM遙感影像，空間分辨率均為30 m(表1)。盡量選用避開了枯水期和洪水期的5—6月或9—10月的影像，此季節(jié)植被覆蓋也較好。5期遙感影像經(jīng)幾何校正、大氣校正后均轉(zhuǎn)為Albers投影，并用丹江口庫區(qū)矢量文件(來源于國家基礎(chǔ)地理信息網(wǎng))截取子區(qū)。輔助數(shù)據(jù)包括丹江口庫區(qū)野外土地覆被調(diào)查樣點(diǎn)、DEM和坡度(來源于30 m ASTER GDEM)以及社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)(來源于《十堰統(tǒng)計年鑒》和《南陽統(tǒng)計年鑒》)等。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)列表Tab.1 List of remote sensing images

2.2 土地利用分類

丹江口庫區(qū)土地利用分類系統(tǒng)參照美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)土地覆被分類系統(tǒng)［6］，將一級類型分為林地、草地、水體、濕地、農(nóng)業(yè)用地、建設(shè)用地和未利用地7個類型(根據(jù)丹江口庫區(qū)實(shí)際情況，排除了苔原、冰川或永久積雪)，將農(nóng)業(yè)用地分為耕地和園地，林地中分出灌木，以滿足進(jìn)一步研究工作的需要。土地利用分類時按二級分類系統(tǒng)(表2)。

表2 丹江口庫區(qū)土地利用分類系統(tǒng)Tab.2 Land use classification system of Danjiangkou Reservoir Area

采用CART決策樹分類方法提取1990，1995，2000，2005，2010年5期土地利用信息。CART決策樹分類方法通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的循環(huán)二分形成二叉樹形式的決策樹，在決策樹生長過程中采用經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域中的Gini系數(shù)作為選擇最佳測試變量和分割閾值的準(zhǔn)則［7-8］。分類時輔助歸一化植被指數(shù)(NDVI)、迭代自組織數(shù)據(jù)分析技術(shù)(ISODATA)非監(jiān)督分類結(jié)果、DEM、坡度以提高分類的精度。分類后影像經(jīng)拼接、濾波去除小圖斑后轉(zhuǎn)為矢量文件。為了彌補(bǔ)計算機(jī)自動分類的不足，確保分類結(jié)果的精度，在ArcMap中對計算機(jī)自動分類誤分的圖斑通過人工目視解譯修改分類編碼或圖斑邊界進(jìn)行修正，得到丹江口庫區(qū)5期土地利用類型圖(圖1)。

2.3 土地利用變化評價指標(biāo)

土地利用的時間和空間變化采用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動態(tài)度［9］和單一土地利用類型相對變化率［10］3個指標(biāo)進(jìn)行分析。用轉(zhuǎn)移矩陣分析庫區(qū)土地利用變化的方向及其數(shù)量結(jié)構(gòu)，用土地利用動態(tài)度分析庫區(qū)土地利用變化的速度，用單一土地利用類型相對變化率分析庫區(qū)土地利用變化的區(qū)域差異。土地利用動態(tài)度常分為綜合土地利用動態(tài)度和單一土地利用動態(tài)度［9］，前者用來反映各土地利用類型的總體變化情況，后者用來反映某種土地利用類型的面積變化情況。

綜合土地利用動態(tài)度(C)、單一土地利用動態(tài)度(D)、單一土地利用類型相對變化率(R)的計算公式分別如下:

式中:Ai為研究始期i類土地利用類型的面積;△Aij為研究時段內(nèi)i類土地利用類型轉(zhuǎn)為j類(非i類)土地利用類型的面積;Aa，Ab分別為整個研究區(qū)某種土地利用類型始期和末期的面積;Sa，Sb分別為局部區(qū)域某種土地利用類型始期和末期的面積;T為研究時段時長。

3 土地利用時空變化分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化及年段間差異

1990—2010年間，丹江口庫區(qū)土地利用發(fā)生了很大變化(表3，表4)。從數(shù)量上看，灌木、耕地和未利用地面積減少，草地和園地面積增加，林地、水體和濕地、建設(shè)用地面積持續(xù)增加，突出表現(xiàn)為灌木大量轉(zhuǎn)化為林地、耕地大量轉(zhuǎn)為草地、灌木、建設(shè)用地、林地和園地。從變化速度上看，園地＞建設(shè)用地＞草地＞水體和濕地＞林地＞耕地＞未利用地＞灌木。具體表現(xiàn)為:(1)灌木面積凈減少22.24%，共1 288.82 km2，主要轉(zhuǎn)化為林地，少量轉(zhuǎn)化為草地;(2)耕地面積減少26.67%，共1 161.2 km2，其中 386.44 km2耕地轉(zhuǎn)化為草地，286.24 km2耕地轉(zhuǎn)化為灌木，176.5 km2耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，94.78 km2耕地轉(zhuǎn)化為林地，82.74 km2耕地轉(zhuǎn)化為園地;(3)未利用地面積凈減少25.72%，共4.27 km2，其中3.34 km2未利用地轉(zhuǎn)化為耕地，還有少量轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地;(4)園地面積增加 1.59 倍，共 81.49 km2，主要來自對耕地的占用;(5)建設(shè)用地面積增加54.90%，共128.83 km2，主要來自對耕地的占用;(6)草地面積增加40.30%，共473.82 km2，其中386.44 km2來自對耕地的占用，64.71 km2來自對灌木的占用;(7)水體和濕地的總面積增加 33.06%，共 199.47 km2，年變化率為1.65%，主要來自對耕地的占用，少量來自對建設(shè)用地和林地的占用;(8)林地面積增加27.59%，共1 570.68 km2，其中1 505.12 km2來自對灌木的占用，還有少量來自對耕地的占用。

圖 1 1990，1995，2000，2005，2010 年丹江口庫區(qū)土地利用圖Fig.1 Land use classification of Danjiangkou Reservoir Area in 1990，1995，2000，2005 and 2010

表4 丹江口庫區(qū)1990—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣km2Tab.4 Land use conversion matrix of Danjiangkou Reservoir Area from 1990 to 2010

此外，不同年段間的土地利用變化也存在差異。1990—1995年間土地利用變化速度較快，年平均變化率達(dá)13.54%，1995—2000 年、2000—2005 年和 2005—2010年這3個時期土地利用變化速度基本持平，分別為11.93%、11.91% 和 11.89%(表 5)。具體表現(xiàn)為:(1)1990—1995年間，園地和未利用地變化速度較快。主要表現(xiàn)為:園地面積增加 119.23 km2，其中 106.51 km2來自對耕地的占用;未利用地面積增加20.06 km2，主要來自對耕地的占用。(2)1995—2000年間，草地變化速度較快，草地面積減少446.66 km2，主要轉(zhuǎn)化為林地。(3)2000—2005年間，未利用地變化速度較快，其面積增加23.35 km2，主要來自對耕地、草地的占用。(4)2005—2010年間，草地和未利用地變化速度較快。主要表現(xiàn)為:草地面積增加 826.42 km2，其中 715.00 km2來自對耕地的占用，還有少些來自對林地的占用;未利用地面積減少32.67 km2，主要轉(zhuǎn)化為耕地。

表5 丹江口庫區(qū)1990—2010年土地利用動態(tài)度%Tab.5 Land use change velocity of Danjiangkou Reservoir Area from 1990 to 2010

3.2 土地利用變化的區(qū)域差異

計算研究區(qū)內(nèi)丹江口市、十堰市、鄖縣、鄖西縣、淅川縣和西峽縣各土地利用類型的相對變化率(表6)，結(jié)果顯示，丹江口庫區(qū)土地利用變化的區(qū)域差異明顯:林地的變化以丹江口市最大，相對變化率達(dá)2.28，十堰市變化最小;灌木的變化以西峽縣最大，相對變化率達(dá)1.94，十堰市最小;草地的變化以丹江口市最大，相對變化率達(dá)5.12，鄖西縣最小;水體的變化以西峽縣最大(相對變化率很大，可能與西峽縣2010年6，7月降雨量大有關(guān)，2010年7月西峽縣曾遭特大洪水)，鄖西縣最小;耕地的變化以丹江口市最大，鄖西縣最小;園地的變化以鄖西縣最大，十堰市最小;建設(shè)用地以西峽縣和十堰市最大，丹江口市最小;未利用地的變化以十堰市最大，淅川縣最小。

4 土地利用變化的驅(qū)動力分析

丹江口庫區(qū)土地利用變化的驅(qū)動因素包括自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素。其中自然因素主要是庫區(qū)的地質(zhì)地貌及降雨條件，社會經(jīng)濟(jì)因素主要包括庫區(qū)生態(tài)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)利益、庫區(qū)工程建設(shè)、移民安置和城鎮(zhèn)遷建以及城市化的發(fā)展。此外，環(huán)境的不穩(wěn)定也是土地利用變化的原因之一，如庫區(qū)分布有大面積水庫、坑塘以及水田，水田與灘地之間存在年際變動，水域與水田也時常相互轉(zhuǎn)換。

表6 1990—2010年丹江口庫區(qū)各土地利用類型相對變化率分縣統(tǒng)計表Tab.6 Relative change rate of land use types in different counties from 1990 to 2010

4.1 地質(zhì)地貌及降雨條件

庫區(qū)分布的片麻巖、砂巖、頁巖等巖層易破碎、風(fēng)化，降雨時空分布不均且多暴雨，再加之毀林開荒以及一些不合理的土地利用方式，庫區(qū)水土流失嚴(yán)重。庫區(qū)特殊的地質(zhì)地貌及降雨條件對土地利用變化的影響主要表現(xiàn)為耕地的退化。庫區(qū)耕地中存在大量坡耕地和輪歇地，遭暴雨侵蝕后，土層變薄，質(zhì)地變粗，肥力下降，易變?yōu)閱适мr(nóng)業(yè)利用價值的裸巖，此現(xiàn)象在鄖縣和淅川縣尤為突出。如2010年，34.90%的草地和17.68%的灌木是由耕地轉(zhuǎn)化而來。

4.2 生態(tài)建設(shè)工程

以水土保持和植樹造林為中心的庫區(qū)生態(tài)建設(shè)工程促進(jìn)了庫區(qū)林地面積的增加和灌叢面積的減少。如1990—2010年間共有2 172.40 km2灌木轉(zhuǎn)化為林地，減去林地轉(zhuǎn)為灌木的那部分，灌木凈轉(zhuǎn)化為林地面積也達(dá)1 505.12 km2。庫區(qū)石漠化治理以及一些水土保持工程，如在灌木山上種植柏樹，在水土流失嚴(yán)重的地區(qū)種草和柏樹等，在一定程度上改善了庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

4.3 經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動

土地利用變化主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)為林地和園地、未利用地面積減少。丹江口庫區(qū)人多耕地少，且耕地中低產(chǎn)地、坡耕地比重較大，人地關(guān)系緊張。在一些生產(chǎn)水平較低的耕地上種植楊樹或其他用材林、坡地上種植果樹的經(jīng)濟(jì)效益較高。如2010年83.91%的園地是由耕地轉(zhuǎn)化而來，林地中1.87%來自對耕地的占用。另外，1990—2010年間未利用地面積減少4.27 km2，其主要是被開墾為耕地，少量轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。

4.4 工程建設(shè)、移民安置和城鎮(zhèn)遷建以及城市化

土地利用變化主要表現(xiàn)為耕地減少、建設(shè)用地的空間位置變化、林地減少以及植被的逆向演替。(1)水位的上升造成大量生產(chǎn)水平相對較高的耕地被淹，一些城鎮(zhèn)需要遷建，如1990—2010年間盡管有37.87 km2的建設(shè)用地轉(zhuǎn)為水體和濕地，但有257.04 km2的耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，使得建設(shè)用地面積仍增加不少，其中一方面是城鎮(zhèn)遷建對耕地的占用，另一方面是由于城市化的發(fā)展;(2)庫區(qū)工程建設(shè)、移民安置和城鎮(zhèn)遷建過程中缺乏對土地資源的合理墾殖與保護(hù)，特別是在人口密度大、后備資源短缺的局部地區(qū)，林地面積減少較多，同時也伴隨著生態(tài)環(huán)境的惡化，致使林地向灌木，草地逆向演替。如1990—2010年間有11.72%的林地轉(zhuǎn)為灌木、2.57%的林地轉(zhuǎn)為草地。此外，2005—2010年間水庫消落帶上的耕地減少嚴(yán)重，主要是受移民的影響，使消落帶上的耕地遭廢棄。

5 結(jié)論與討論

以遙感影像為基礎(chǔ)對丹江口庫區(qū)1990—2010年間土地利用變化時空特征及其成因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:(1)1990—2010年間，庫區(qū)土地利用變化主要表現(xiàn)為灌木大量轉(zhuǎn)化為林地、耕地大量轉(zhuǎn)為草地、灌木、建設(shè)用地、林地和園地，除耕地、未利用地和灌木面積減少外，其他各地類面積都有不同程度的增加;(2)土地利用類型的年平均變化率:園地＞建設(shè)用地＞草地＞水體和濕地＞林地＞耕地＞未利用地＞灌木，且不同時段間的土地利用變化也存在差異，1990—1995年土地利用變化速度較快;(3)土地利用變化存在明顯的區(qū)域差異;(4)影響丹江口庫區(qū)土地利用變化的因素有庫區(qū)的地質(zhì)地貌和降雨條件、庫區(qū)生態(tài)建設(shè)工程、經(jīng)濟(jì)利益、庫區(qū)工程建設(shè)、移民安置和城鎮(zhèn)遷建以及城市化的發(fā)展等。但本研究也存在一些不足，如影像分類時只是基于一個季節(jié)的影像，這對水體、濕地和灘地的面積變化以及林地的進(jìn)一步劃分有一定影響。

土地利用變化對庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境存在有利的一面，也有不利的一面。一方面，庫區(qū)生態(tài)建設(shè)工程促進(jìn)了庫區(qū)林地面積的增加和灌從面積的減少，在一定程度上改善了庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境。但整體說來，庫區(qū)生態(tài)環(huán)境還是十分脆弱的，植被覆蓋率不高，還應(yīng)加強(qiáng)庫區(qū)生態(tài)建設(shè)的力度。目前庫區(qū)人工林多為柏樹林和楊樹林，樹種單一，隨著時間的推移可能出現(xiàn)病蟲害、生物多樣性下降、地力衰退等問題，故從長遠(yuǎn)來看，在庫區(qū)封山育林、植樹造林等生態(tài)建設(shè)工程中應(yīng)注意樹種的多樣性，避免大面積營造單一樹種。另一方面，隨著南水北調(diào)中線工程的進(jìn)一步推進(jìn)以及庫區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，庫區(qū)人地關(guān)系將更趨緊張。為避免耕地的持續(xù)退化，在庫區(qū)坡改梯工程中可大力發(fā)展坡地復(fù)合農(nóng)林業(yè)，即在坡地上沿等高線設(shè)置綠籬和作物種植帶(可以是大田作物，也可以是經(jīng)濟(jì)作物、園地或經(jīng)濟(jì)林)。坡地復(fù)合農(nóng)林業(yè)既可緩解庫區(qū)土地資源的不足，也可減少水土流失，增加土壤養(yǎng)分和提高土壤肥力，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量，在增加經(jīng)濟(jì)效益的同時也改善了生態(tài)環(huán)境。

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