近40年來(lái)五陵原土地利用變化研究

龐小笑，封建民，李曉華，桑廣書(shū)

（1.浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華321004；2.咸陽(yáng)師范學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)712000）

土地利用／覆蓋變化（LUCC）不僅是全球變化的重要組成部分，而且還是全球變化的驅(qū)動(dòng)因子之一[1－3]，它客觀記錄了人類改變地球表面特征的空間格局，同時(shí)再現(xiàn)了地表景觀的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[4－7]?，F(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了眾多的土地利用／覆蓋變化方面的研究[8－16]，這對(duì)掌握土地資源數(shù)量、分布及變化趨勢(shì)、土地可持續(xù)利用等起到了重要作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，五陵原地區(qū)的城市化水平越來(lái)越高，特別是近40a來(lái)，該地區(qū)的土地利用／覆蓋發(fā)生了劇烈變化。然而，人們對(duì)該地區(qū)的研究仍十分缺乏，例如該區(qū)的帝陵文化旅游資源、土地規(guī)劃以及可持續(xù)發(fā)展等。本文利用1964年、1988年、2005年和2010年4期遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)近40a來(lái)五陵原土地利用變化情況進(jìn)行定量分析，以期為該地區(qū)的土地資源的合理開(kāi)發(fā)利用、旅游資源保護(hù)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展等提供一些參考。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

五陵原地處關(guān)中平原中部偏北的咸陽(yáng)原上，其地理位 置 為 34°14′44″—34°29′40″N，108°30′35″—108°59′40″E，北至涇河河谷，南臨渭水，西起興平，東達(dá)高陵，東西長(zhǎng)約40km，南北寬約13.5km，總面積約540km2。該地區(qū)長(zhǎng)期作為我國(guó)古代政治、軍事和文化中心，形成了獨(dú)特的人文地理區(qū)域。五陵原地勢(shì)較高、景色怡人，被歷代統(tǒng)治者視為風(fēng)水寶地，許多皇家陵墓便選址于此。據(jù)1957年文物普查，五陵原僅咸陽(yáng)秦都、渭城區(qū)一帶的帝王陵就達(dá)808座[17]，這些皇陵被譽(yù)為中國(guó)的“金字塔”群。由于漢代五個(gè)陵在此設(shè)邑建縣，故名“五陵原”。該地區(qū)年均溫度9～13℃，年均降水量537～650mm，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和。地勢(shì)北高南低，北部為黃土臺(tái)塬，鄉(xiāng)村聚落、農(nóng)田、果園占據(jù)大量面積；南部為渭河河流階地，地勢(shì)由北向南傾斜，分布著耕地和城鄉(xiāng)聚落。近40a來(lái)，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，土地利用變化劇烈。

1.2 研究方法

根據(jù)本研究的內(nèi)容、地表景觀季相差異、影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量等，本文研究所選用的4期遙感影像數(shù)據(jù)為：1964年11月25日的Keyhole衛(wèi)星影像，2m分辨率；1988年8月23日的Landsat TM影像，30m分辨率；2005年7月13日的Landsat ETM影像，28.5m分辨率以及2010年10月4日的Rapid eye影像，5m分辨率，4期影像質(zhì)量均良好。同時(shí)又收集了大量非遙感數(shù)據(jù)作為研究區(qū)土地利用信息提取的輔助資料，包括1∶5萬(wàn)地形圖、地貌分區(qū)圖、野外考察時(shí)采集的數(shù)據(jù)和資料等。數(shù)據(jù)處理首先以1∶5萬(wàn)地形圖作為參考圖像，利用Erdas軟件對(duì)4期影像分別進(jìn)行幾何精校正，校正誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。其次，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB／T 21010—2007），并結(jié)合遙感圖像特征和研究區(qū)土地利用的現(xiàn)狀，采用土地利用二級(jí)分類系統(tǒng)，將研究區(qū)土地利用類型劃分為水體、耕地、林地、果園、道路、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、荒地7種類型，結(jié)合野外實(shí)地考察的資料對(duì)遙感影像的分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，使其滿足土地利用變化監(jiān)測(cè)的精度要求。第三，采用監(jiān)督分類與目視解譯相結(jié)合的方法，對(duì)4期圖像進(jìn)行解譯，從而得到4個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)。最后，借助ArcGIS軟件對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行空間疊加分析，得到1964—2010年研究區(qū)土地利用類型的空間轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)（圖1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用的總體特征

五陵原地區(qū)土地利用類型復(fù)雜多樣，對(duì)4期影像的解譯結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析顯示，研究區(qū)的土地利用以耕地、果園和城鄉(xiāng)建設(shè)用地為主，其中耕地和果園的總面積始終占研究區(qū)總面積的70%以上；城鄉(xiāng)建設(shè)用地的面積位居第三，且在研究時(shí)段內(nèi)保持快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)?？傮w來(lái)看，這三種土地利用類型的面積之和占到研究區(qū)總面積的90%以上，而水體和荒地所占的比例較小，兩者面積之和還不到研究區(qū)總面積的3%（表1）。

2.2 土地利用數(shù)量變化分析

通過(guò)對(duì)土地利用類型面積的數(shù)量變化進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，可以了解該地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)，從而為土地資源的規(guī)劃、可持續(xù)發(fā)展等提供參考[18]。

2.2.1 土地利用變化量 是對(duì)不同時(shí)期土地利用類型的總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)分析，可以了解土地利用變化的趨勢(shì)以及該時(shí)段內(nèi)由于人為因素所造成的土地資源的變化強(qiáng)弱程度。計(jì)算所用的數(shù)學(xué)模型為[18]：

式中：S1——研究時(shí)間內(nèi)單一土地利用類型的總變化量；S2——研究時(shí)間內(nèi)單一土地利用類型的年平均變化量；Ua，Ub——研究期初和研究期末單一土地利用類型的數(shù)量；N——研究的時(shí)間間隔，以年為單位。根據(jù)公式，計(jì)算出五陵原地區(qū)土地利用類型的總變化量和年均變化量，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 研究區(qū)不同時(shí)期土地利用類型

表1 五陵原地區(qū)1964年、1988年、2005年和2010年土地利用類型

由表2可知，1964—2010年間，五陵原地區(qū)土地利用類型中水體、耕地、荒地的面積變化雖各不相同，但均在持續(xù)減少；林地的面積變化較為起伏；而果園、道路、城鄉(xiāng)建設(shè)用地的面積在研究時(shí)段內(nèi)一直保持增加的趨勢(shì)且變化量比較大。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口大量增加，研究區(qū)的耕地面積大量減少，近40a間共減少了36 254.94hm2，年均減少量為788.15 hm2，特別是在2005—2010年間，年均減少量達(dá)到3 447.44hm2；果園和城鄉(xiāng)建設(shè)用地則迅速增加，研究時(shí)段內(nèi)分別增加了27 368.51hm2和10 119.47 hm2，年均增加量分別為594.97hm2和219.99hm2，由此說(shuō)明，研究區(qū)在近40a來(lái)，經(jīng)濟(jì)有了很大發(fā)展，城市化水平也越來(lái)越高；從耕地和果園所占的比例變化可以看出，人們的種植方式已經(jīng)開(kāi)始從糧食類作物向經(jīng)濟(jì)類作物轉(zhuǎn)變，同時(shí)也說(shuō)明該區(qū)的經(jīng)濟(jì)在逐步發(fā)展；城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積的快速增加和道路面積的持續(xù)增加，說(shuō)明了該區(qū)城市化水平的不斷提高；水體的變化在逐步減小，特別是在2005—2010年間，其年均減少量?jī)H有13.86hm2，是7個(gè)地類中變化最小的，由此可以推測(cè)，近幾年來(lái)，人們更加關(guān)注水資源的保護(hù)，對(duì)生態(tài)環(huán)境也越來(lái)越重視；在研究時(shí)段內(nèi)，林地的變化比較小，總體面積呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，由此推測(cè)人們已經(jīng)逐步意識(shí)到環(huán)境的重要性，并且已經(jīng)做出了相應(yīng)的措施來(lái)保護(hù)環(huán)境。荒地在五陵原地區(qū)所占的面積本不多，近40a來(lái)仍然在緩慢下降，由此也可以看出，五陵原地區(qū)的土地利用程度在逐步加大，城市化水平也越來(lái)越高。

綜合以上分析可知，研究區(qū)的土地利用類型較為豐富，人們對(duì)于土地的利用程度也較高，該區(qū)正處于逐漸發(fā)展的階段，其經(jīng)濟(jì)水平和城市化進(jìn)程也會(huì)大大加快。2.2.2 單一土地利用類型的動(dòng)態(tài)度分析 單一土地利用動(dòng)態(tài)度表達(dá)的是某區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達(dá)式為[19]：

式中：k——研究時(shí)段內(nèi)單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Uia——研究期期初i類土地利用類型的數(shù)量；Uib——研究期期末i類土地利用類型的數(shù)量；T——研究的時(shí)段間隔，當(dāng)設(shè)定以年（a）為單位時(shí)，式中所求k值即為研究區(qū)某單一土地利用類型的年變化率。

表2 1964－2010年各時(shí)段土地利用類型總變化量及年平均變化量

動(dòng)態(tài)度表征了研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)土地利用類型的變化（如數(shù)量的增加或減少），其計(jì)算結(jié)果是一個(gè)相對(duì)值，值的大小不僅與研究時(shí)段內(nèi)地類面積的變化有關(guān)，還與研究期初的數(shù)值有很大關(guān)系。動(dòng)態(tài)度是為了說(shuō)明某種土地利用類型的相對(duì)穩(wěn)定度，值越大，說(shuō)明土地利用類型越不穩(wěn)定，反之，值越小，則說(shuō)明土地利用類型越穩(wěn)定。對(duì)于理解和預(yù)測(cè)土地利用格局有很重要的作用，故而是土地利用變化研究中一個(gè)重要的方法[20]。

根據(jù)式（3）計(jì)算出五陵原地區(qū)土地利用類型動(dòng)態(tài)度（表3）。由表3看出，研究區(qū)在近40a間，水體、耕地、荒地的動(dòng)態(tài)度始終為負(fù)，說(shuō)明這三種地類有減少的趨勢(shì)；而果園、道路和城鄉(xiāng)建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)度始終為正，表明這三種地類的面積在逐漸增加。其中，耕地的面積減少最多，近40a間減少了36 254.94hm2；而水體的減少速率最快，年變化率達(dá)－2.10%；果園在40a間的面積增加最多，增加了27 368.51hm2；果園的增加速率也最快，年變化率達(dá)到了3 663.59%。

表3 五陵原地區(qū)1964－2010年不同土地利用類型變化動(dòng)態(tài)度 %

2.2.3 綜合土地利用類型的動(dòng)態(tài)度分析 用于描述區(qū)域土地利用的變化率，其表達(dá)式為：式中：LUi——研究期初第i類土地利用類型的面積；ΔLUi－j——研究時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j類土地利用類型的絕對(duì)值；T——研究時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)T的單位設(shè)定為年（a）時(shí)，LC的值就是T時(shí)段內(nèi)土地利用類型的年變化率[21]。

由式（4）可以計(jì)算出近40a內(nèi)，五陵原地區(qū)的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為1.63%，即每年有1.00%以上的土地利用類型發(fā)生了改變，由此可以說(shuō)明該研究區(qū)的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度較高。

2.3 土地利用程度變化分析

土地利用程度主要體現(xiàn)在土地利用的廣度和深度兩個(gè)方面，反映了土地生態(tài)系統(tǒng)中人類的影響程度。無(wú)論何時(shí)段，土地利用情況都是社會(huì)、自然因素綜合作用的結(jié)果[22]。根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)等[23]提出的土地利用程度綜合分析方法，按照土地自然綜合體在社會(huì)因素影響下的自然平衡狀態(tài)，將土地利用程度分為若干級(jí)，并賦予分級(jí)指數(shù)，由此給出土地利用程度綜合指數(shù)以及土地利用程度變化模型的定量化表達(dá)式。本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合五陵原土地利用的實(shí)際分類情況，得到符合研究區(qū)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表4）。

表4 土地利用程度分級(jí)

2.3.1 土地利用程度的綜合指數(shù) 將土地利用的綜合指標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，形成一個(gè)連續(xù)分布的綜合指數(shù)，其值的大小反映了研究區(qū)土地利用的程度，可以表達(dá)為[23]：

式中：Ai——研究區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度的分級(jí)指數(shù)；Ci——第i級(jí)土地利用程度的面積百分比；n——土地利用程度分級(jí)數(shù)（本文分為7類，所以此處n＝7）；La——研究區(qū)內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)。

由式（5）計(jì)算得出五陵原地區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)由1964年的296.62增加到2010年的322.51。由此可以看出，該研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)總體偏高，且在近40a來(lái)呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這表明，該研究區(qū)的土地利用程度在進(jìn)一步的加深（表5）。

2.3.2 土地利用程度的變化分析 某一研究區(qū)域內(nèi)的土地利用程度的變化是該區(qū)域內(nèi)多種土地利用類型的變化的結(jié)果，土地利用程度及其變化量和變化率可以定量揭示出該研究區(qū)域內(nèi)土地利用的綜合水平和變化趨勢(shì)，土地利用程度的變化量和變化率可表達(dá)為[23]：

式中：ΔLb－a——土地利用程度的變化量；Lb，La——b時(shí)期和a時(shí)期研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)；R——土地利用程度變化率，當(dāng)其值為正（即R＞0）時(shí)，表示該研究區(qū)域的土地利用正處于發(fā)展時(shí)期，若值為負(fù)，則表明研究區(qū)域的土地利用處于衰退期或是調(diào)整期；Ai——第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Cib，Cia——b時(shí)期和a時(shí)期第i級(jí)土地利用程度面積百分比。利用式（6）計(jì)算得到的是研究區(qū)1964—2010年某兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的土地利用程度變化量；式（7）計(jì)算得到的是研究區(qū)1964—2010年某兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的土地利用程度變化率（表5）。由表5可知，研究區(qū)近40a間的土地利用程度變化率為0.087 3，且值為正，說(shuō)明五陵原研究區(qū)土地利用仍處于發(fā)展期，且隨著時(shí)間的推移，土地利用類型會(huì)繼續(xù)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。

2.4 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用變化研究除了數(shù)量、程度變化外，研究各地類之間的相互轉(zhuǎn)化也十分重要[24]。不同時(shí)期，由于受到的自然因素和人類活動(dòng)的影響不同，土地利用類型會(huì)發(fā)生不同程度的改變，僅僅對(duì)土地利用類型數(shù)量、程度、面積等進(jìn)行研究，無(wú)法較好地反映各地類間的轉(zhuǎn)換情況。而利用轉(zhuǎn)移矩陣，就能夠較為全面、具體地分析出研究區(qū)土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征以及變化方向，有效地揭示出土地利用類型的具體轉(zhuǎn)化細(xì)節(jié)[25]。本文利用GIS對(duì)研究區(qū)4期遙感影像解譯結(jié)果進(jìn)行空間疊加分析，得到1964—1988年、1988—2005年、2005—2010年3個(gè)時(shí)段內(nèi)各土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的情況（表6—8）。

表5 土地利用程度變化指數(shù)

由表6—8可知，近40a間五陵原土地利用類型轉(zhuǎn)化主要有以下特點(diǎn)：1964—1988年，1988—2005年，2005—2010年3個(gè)時(shí)段內(nèi)，土地轉(zhuǎn)移總面積占研究區(qū)土地總面積的比例分別為26.33%，38.91%，54.28%，說(shuō)明近40a來(lái)研究區(qū)各地類的轉(zhuǎn)移明顯增加。在自然條件和人類活動(dòng)的共同影響下，研究區(qū)水體發(fā)生了較大變化，其總面積呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，其中2005年之前水體轉(zhuǎn)出面積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入面積，2005年之后水體轉(zhuǎn)出面積明顯減少，由此說(shuō)明人們逐漸意識(shí)到保護(hù)水資源的重要性。耕地是研究區(qū)最重要及變化最大的土地類型，經(jīng)分析，近40a來(lái)，耕地總面積始終在減少，主要轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@和城鄉(xiāng)建設(shè)用地。林地與耕地、果園、城鄉(xiāng)建設(shè)用地之間的相互轉(zhuǎn)化較為頻繁，但其總面積在近40a間的變化并不大。果園是五陵原地區(qū)近40a來(lái)增長(zhǎng)最快的土地利用類型，其轉(zhuǎn)出面積很少，大量耕地、荒地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@用地，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)人們的種植方式越來(lái)越偏重于經(jīng)濟(jì)類作物，也可表明該區(qū)經(jīng)濟(jì)正處于快速發(fā)展的階段。近40a來(lái)道路面積也在不斷增加，這主要由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然與交通的發(fā)達(dá)程度與便捷程度有關(guān)。城鄉(xiāng)建設(shè)用地在近40a來(lái)呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)，主要轉(zhuǎn)入地類為耕地、荒地和水體，城鄉(xiāng)建設(shè)用地的持續(xù)增加，說(shuō)明研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)在不斷增長(zhǎng)，城市化水平在逐漸加大。研究區(qū)荒地（即未利用土地）的面積是所有地類中最少的，其變化并不明顯，主要轉(zhuǎn)出為其他地類，說(shuō)明現(xiàn)如今人們對(duì)土地資源的利用程度在逐漸加大。

表6 1964－1988年間各土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣hm2

表7 1988－2005年間各土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表8 2005－2010年間各土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)土地利用類型以耕地、果園和城鄉(xiāng)建設(shè)用地為主，其總面積占研究區(qū)總面積的90%以上，而水體和荒地的面積最小，兩者總面積之和不足研究區(qū)總面積的3%。

（2）從土地利用類型的數(shù)量變化情況來(lái)看，耕地的變化量最大，近40a間減少了36 254.94hm2；水體在近40a間減少了2 938.44hm2，位居第二；荒地也在逐漸減少。果園在近40a間增加了27 368.51 hm2，是面積增加最多的地類；城鄉(xiāng)建設(shè)用地、道路也有不同程度的增加。

（3）從土地利用的程度來(lái)看，五陵原地區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)由1964年的296.62上升到2010年的322.51。說(shuō)明該研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)總體偏高，且在近40a來(lái)呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，表明該區(qū)土地利用程度在進(jìn)一步加深；而研究區(qū)土地利用程度變化率為0.087 3，為正值，說(shuō)明五陵原地區(qū)土地利用仍處于發(fā)展階段，隨著時(shí)間推移，土地利用類型會(huì)繼續(xù)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。

（4）從土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)看，五陵原地區(qū)各種土地利用類型都有不同程度的相互轉(zhuǎn)化。其中以耕地、果園和城鄉(xiāng)建設(shè)用地之間的轉(zhuǎn)化最為頻繁。

綜合以上分析可知，近40a來(lái)五陵原地區(qū)土地利用類型發(fā)生了巨大的變化。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化水平的不斷提高，五陵原地區(qū)土地利用仍處于不斷發(fā)展的時(shí)期，土地利用的程度也在進(jìn)一步的加深。

致謝：本文寫作過(guò)程中得到杜忠潮教授、蘇英教授等的耐心指導(dǎo)與幫助，在此表示感謝。

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