陜西黃土臺塬區(qū)土地系統(tǒng)變化特征分析

馬彩虹， 任志遠

(1.陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院， 陜西 西安 710062； 2.陜西師范大學 西北國土資源研究中心，陜西 西安 710062； 3.陜西理工學院 歷史文化與旅游學院， 陜西 漢中 723001)

土地系統(tǒng)的復雜性問題是土地變化科學的難點之一，關于這一問題的理論研究仍需繼續(xù)強化[1]。描述、理解及解釋土地利用的時空格局及其動態(tài)變化過程[2]仍然是當今地理科學、全球變化、資源環(huán)境、城市化、糧食安全等領域的熱點[3]。土地系統(tǒng)是一個“耦合的人類—自然系統(tǒng)”(coupled human and natural systems)[4]，除了復雜系統(tǒng)的一般特性外，土地系統(tǒng)還表現(xiàn)出時空異質(zhì)性[5]。對人類活動和全球變化反應敏感的區(qū)域一直是土地變化科學研究的熱點區(qū)域[6]。中國黃土臺塬主要分布于陜西、山西、河南等省[7]，其中，陜西省黃土臺塬是中國黃土臺塬的主體。黃土高原臺塬區(qū)是黃土高原重要的糧食生產(chǎn)基地和經(jīng)濟發(fā)展區(qū)，土地相對平坦遼闊，開發(fā)潛力大。本區(qū)也是黃土高原未來的重要產(chǎn)業(yè)與人口聚集和建設開發(fā)區(qū)，但生態(tài)環(huán)境比較脆弱，為社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)建設的復合區(qū)域，人口的聚集和經(jīng)濟的快速發(fā)展給土地資源和生態(tài)環(huán)境將帶來巨大的壓力。近年來，一些學者開始關注黃土臺塬區(qū)的水土資源開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境保護問題，如詹曉紅等[8]對寶雞市川道臺塬區(qū)土地利用景觀格局動態(tài)進行了分析，劉夢云等[9]對黃土臺塬不同土地利用土壤有機碳與顆粒有機碳做了研究，周自翔[10]對西安黃土臺塬土壤微形態(tài)特征與土地利用關系進行了研究，李會[11]對渭北黃土臺塬區(qū)水土資源優(yōu)化配置與潛力開發(fā)進行了探討。截至目前，對陜西黃土臺塬土地系統(tǒng)長時段、多階段時空變異特征研究仍然顯得十分薄弱，需要開展進一步的研究。本研究對陜西黃土臺塬區(qū)土地利用時空動態(tài)特征進行分析，探究這一特殊土地類型區(qū)的土地利用變化時空分異性，以期為該區(qū)域土地利用的效應、時空動態(tài)模擬以及臺塬區(qū)糧食安全、生態(tài)安全的研究提供基礎。

1 研究區(qū)概況

黃土臺塬是一個特殊的地貌單元，是黃土所覆蓋的呈階梯狀傾斜的臺狀地，沿河谷成長條狀分布，具有明顯的臺坎和平緩的臺面，間有河谷切割并發(fā)育有一定的溝壑，隸屬于侵蝕剝蝕堆積地貌類型中的臺地類型。

陜西黃土臺塬區(qū)總體位于34°08′—35°52′N，106°20′—110°36′E，呈帶狀、東西走向展布于渭河谷底南北兩側(cè)，總面積1 263 773 hm2，為溫帶干旱半干旱氣候，多年均溫11.3 ℃，年降水量500～900 mm。農(nóng)作物生長期內(nèi)(4—10月)降水量約占全年85%～88%，利于農(nóng)作物生長發(fā)育，為臺塬區(qū)成為黃土高原主要糧食基地提供了較好氣候條件。但蒸發(fā)量較大，年均蒸發(fā)量約為年均降水量的兩倍多，水資源呈現(xiàn)貧乏狀態(tài)。2010年陜西黃土高原臺塬區(qū)人口1 011.63萬人，非農(nóng)人口比重占24.8%，達到250.87萬人，GDP為1 827.11億元。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

本研究以1985，1990，1995，2000，2005，2010年陸地資源衛(wèi)星Landsat遙感圖像作為主要信息數(shù)據(jù)源，利用ERDAS 9.2進行遙感影像校正，最佳波段組合，投影轉(zhuǎn)換，圖像增強處理[12]；利用ArcGIS 9.3進行分類后處理以及柵格轉(zhuǎn)矢量、投影設置與變換、疊加分析、鄰斑同碼融合，完成土地利用圖和土地利用變化圖可視化處理。

在土地利用變化的研究中，土地利用分類是基礎性和關鍵性環(huán)節(jié)[13]。根據(jù)黃土高原臺塬區(qū)土地利用特點，依據(jù)中國科學院和農(nóng)業(yè)部劃分的土地利用分類系統(tǒng)[14]，采用耕地、林地、草地、水體、建設用地、未利用地6大地類對遙感影像數(shù)據(jù)進行解譯。采用計算機隨機采樣的方式，在影像上隨機采樣300個點左右，并根據(jù)野外GPS采樣點信息，對臺塬區(qū)的影像進行精度評價。從分類精度表1中可以看出，解譯精度基本上符合研究的需要，可以作為下一步研究的土地利用基礎數(shù)據(jù)，

表1 1990年臺塬區(qū)分類精度評價

2.2 土地利用計量模型

2.2.1 土地利用動態(tài)度 土地利用動態(tài)度用來表達區(qū)域一定時間內(nèi)某種土地利用類型數(shù)量的速度變化[15]。綜合土地利用動態(tài)度用來表征整個區(qū)域土地利用變化的速度[15]。公式如下：

(1)

(2)

式中：K——當T設定為年時，研究時段內(nèi)某一種土地利用類型的年變化率；Ua，Ub——研究初期和末期某一種土地利用類型的面積；Uai，Ubi——研究初期和末期i種土地利用類型的面積；T——研究時段；n——土地利用類型數(shù)； LC——土地利用變化的綜合年變化率。

2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移流 引入動態(tài)物質(zhì)變化中“流”的概念，把由一種土地利用類型轉(zhuǎn)為另外一種土地利用類型的情況稱作“土地利用轉(zhuǎn)移流”[16]，用來表達土地利用變化的矢量屬性。對任何土地利用類型而言，由該地類轉(zhuǎn)為其他地類的變化量稱為“轉(zhuǎn)出流”，由其他類型轉(zhuǎn)為該類型的變化量稱為“轉(zhuǎn)入流”，轉(zhuǎn)出流與轉(zhuǎn)入流之和就是該地類在特定時間段的“土地利用轉(zhuǎn)移流”，表征該土地利用類型中所有參與土地利用變化的總量。轉(zhuǎn)入流與轉(zhuǎn)出流之差為土地轉(zhuǎn)移流凈值。當其值為正時，表示凈流入；反之，當其值為負時，表示凈流出。公式如下：

Lf=Lout+Lin

(3)

Lnf=Lin-Lout

(4)

式中：Lf——土地利用轉(zhuǎn)移流；Lout——轉(zhuǎn)出流；Lin——轉(zhuǎn)入流；Lnf——土地轉(zhuǎn)移凈值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動態(tài)特征

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化 從數(shù)量結(jié)構(gòu)分析，主要土地利用類型是耕地、草地、建設用地。2010年這3大地類占總土地面積的97.59%，其中耕地984 337.30 hm2，占77.89%，充分體現(xiàn)了臺塬區(qū)糧食主產(chǎn)區(qū)土地利用類型的獨特性。草地143 030.47 hm2，占11.32%；建設用地105 871.35 hm2，占8.38%(表2)。

表2 1985-2010年陜西黃土臺塬區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

3.1.2 土地利用數(shù)量變化 1985—2010年耕地、草地、林地、水域、未利用地均表現(xiàn)為減少，依次減少20 866.61，11 065.22，1 186.44，748.9577和35.5476 hm2，分別占1985年相應地類面積的2.08%，7.18%，4.60%，11.64%和11.24%；建設用地增加，共增加了33 902.8，增加比例為1985年的47.11%。從變化絕對值而言，耕地的值最大，但從變化率上來說，建設用地變化的幅度最大；從占總面積比例上來說，建設用占總面積百分比由6.33%增長為8.38%，年遞增率達到1.30%；草地比例大幅下降，林地、水域面積比例很低且持續(xù)降低，占全區(qū)面積比重由1985年的0.51%降低為2010年的0.45%，臺塬區(qū)生態(tài)安全存在一定風險；未利用地僅占0.02%，耕地后備資源嚴重不足(圖1)。

3.1.3 土地利用轉(zhuǎn)移流動態(tài) 對于同一種土地利用類型而言既有轉(zhuǎn)入也有轉(zhuǎn)出。研究時段關鍵土地利用轉(zhuǎn)移地類為耕地、草地、建設用地。其中，耕地轉(zhuǎn)建設用地26 668.8 hm2， 占耕地轉(zhuǎn)出流量59.753%，占建設用地轉(zhuǎn)入流的96.26%，可見建設用地是耕地的主要流失方向；草地轉(zhuǎn)耕地18 923.9 hm2，占草地轉(zhuǎn)出流93.2407%，可見草地是耕地補充的主要來源。

圖1 陜西黃土臺塬區(qū)1985-2010年土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)

3.1.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性動態(tài) 1985—1990年綜合動態(tài)度為0.52，表明土地利用變化幅度很低,但1990—1995年綜合動態(tài)度達到3.60，表明土地利用變化活躍；其后逐漸降低，到2005—2010年降低為1.16，土地系統(tǒng)趨于穩(wěn)定(圖2)。

圖2 土地利用變化面積及綜合動態(tài)度

3.2 土地利用空間變化特征

3.2.1 土地利用空間格局特征 依據(jù)景觀生態(tài)學理論，耕地是構(gòu)成黃土臺塬區(qū)景觀的基質(zhì)類型；建設用地中，城鎮(zhèn)用地團塊狀分布，農(nóng)村居民點散布于黃土臺塬區(qū)；林地和草地主要沿黃土臺塬上溝壑地帶展布，稀疏河流和水庫散布于耕地基質(zhì)(附圖2)。

3.2.2 轉(zhuǎn)換地類的空間集聚特征 1985—2010年耕地轉(zhuǎn)建設用地、草地轉(zhuǎn)耕地、耕地轉(zhuǎn)草地、耕地轉(zhuǎn)林地、林地轉(zhuǎn)耕地、建設用地土地利用變化累計貢獻率可達89.9%，涵蓋了土地利用變化的大部分信息。采用上述土地轉(zhuǎn)移流制圖繪制出土地利用空間變化圖譜(圖3)。從圖3中可以看出，除了發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)地域系統(tǒng)附近耕地轉(zhuǎn)建設用地具有明顯的識別性外，難以解讀出其他地類的空間分異特征。本文基于土地利用變化圖譜的幾何中心的密度制圖法，用以識別黃土臺塬區(qū)土地系統(tǒng)變化的空間分異特征。主要技術(shù)流程如下：對k期和k+1期遙感解譯數(shù)據(jù)進行疊置分析，計算出變化斑塊面積，生成變化圖斑密度數(shù)據(jù)。1985—2010年，耕地轉(zhuǎn)建設用地的集中連片高值區(qū)域見于寶雞臺塬西部、咸陽臺塬南部，點狀分布區(qū)域則主要集中在臺塬區(qū)城市地域系統(tǒng)附近(圖3a)；草地轉(zhuǎn)耕地高值區(qū)有秦嶺北麓的寶雞臺塬、咸陽臺塬西北部、渭南臺塬東部(圖3b)；就耕地集聚特征而言，表現(xiàn)為寶雞臺塬區(qū)中部、咸陽塬東南部、渭南塬中部及東部高值區(qū)集中連片分布(圖3c)。25 a來，總體表現(xiàn)為城市地域系統(tǒng)附近為變化高值區(qū)(圖3d)。

圖3 1985-2010年黃土臺塬區(qū)土地利用變化空間集聚特征

4 結(jié) 論

(1)陜西黃土臺塬區(qū)主要土地利用類型是耕地、草地、建設用地。2010年這3大地類占研究區(qū)土地面積的97.59%，其中耕地984 337.30 hm2，占77.89%，草地143 030.47 hm2，占11.32%，建設用地105 871.35 hm2，占8.38%。

(2)1985—2010年，耕地、草地、林地、水域、未利用地均表現(xiàn)為減少，依次減少1 285.01，11 065.22，1，186.44，748.96，35.5476 hm2，分別占1985年相應地類面積的1.29%，7.18%，4.60%，11.64%，11.24%；建設用地增加，共增加了33 902.8 hm2，增加比例為1985年的47.11%。

(3)建設占用耕地是耕地流失主要方向，耕地補充主要依靠草地重新墾殖為耕地。1985—2010年，建設占用耕地26 668.8 hm2，占建設用地轉(zhuǎn)入流的96.26%；草地到耕地的轉(zhuǎn)移流為18 923.9 hm2，占草地轉(zhuǎn)出流的93.2407%。

(4)1985—1990年土地系統(tǒng)較為穩(wěn)定，綜合動態(tài)度為0.52；1990—1995年土地利用變化活躍，綜合動態(tài)度達到3.60，其后逐漸降低，到2005—2010年降低為1.16，土地系統(tǒng)又趨于穩(wěn)定。

(5)空間上，1985—2010年耕地轉(zhuǎn)建設用地集中于城鎮(zhèn)地域系統(tǒng)，草地和耕地互轉(zhuǎn)主要在渭南臺塬東部、咸陽塬北部以及秦嶺北麓的寶雞臺塬上。

從本研究中可以看出，保護耕地資源的問題對糧食主產(chǎn)區(qū)來說比其他地區(qū)更為重要。針對臺塬區(qū)后備資源嚴重不足的實際情況，為了實現(xiàn)耕地占補平衡自然落到了生態(tài)功能性地類上。25 a來，在草地、林地、水域等在本來所占份額很小的情況下，均不同程度地受到侵占。由于土地系統(tǒng)的非線性特征，這些地類的微小變化可能導致土地系統(tǒng)生態(tài)安全格局的劇烈變化，使研究區(qū)存在一定的生態(tài)風險。臺塬區(qū)這種土地利用流向特征，顯然帶有糧食安全目標指向性，卻與區(qū)域生態(tài)安全目標相沖突。在全球生態(tài)安全問題日益突出的情況下，即使作為糧食主產(chǎn)區(qū)也不應該忽視生態(tài)安全問題。確保糧食安全的目標途徑一方面應著眼于提高土地利用集約度，另一方面要加強基本農(nóng)田建設，提高單位面積耕地的產(chǎn)出效益，同時著眼于對有限水資源的科學利用，不宜過度侵占重要生態(tài)服務價值功能型地類。

[參考文獻]

[1]Turner B L, Lambin E F, Reenberg A. The emergence of land change science for global environmental change and sustainability[J].Proceedings of the National Academy of Sciences, 2007,104(52):20666-20671.

[2]Crawford T W, Messina J P, Manson S M, et al. Complexity science: Complex systems and land-use research[J].Environment and Planning(B): Planning and Design, 2005,32(6):792-798.

[3]余強毅，吳文斌，唐華俊 ,等.復雜系統(tǒng)理論與Agent模型在土地變化科學中的研究進展[J].地理學報，2011,66(11): 1518-1530.

[4]Liu Jianguo, Dietz T, Carpenter S R, et al. Coupled human and natural systems[J]. Ambio., 2007,36(8):639-649.

[5]Manson S O, Sullivan D. Complexity theory in the study of space and place[J]. Environment and Planning A, 2006,38(4):677-692.

[6]路云閣，蔡運龍，許月卿.走向土地變化科學:土地利用/覆被變化研究的新進展[J].中國土地科學，2006，20(1):55-61.

[7]齊矗華.黃土高原侵蝕地貌與水土流失關系研究[M].西安：陜西人民教育出版社,1991.

[8]詹曉紅，賈保全，趙忠.寶雞市川道臺塬區(qū)土地利用景觀格局動態(tài)分析[J].東北林業(yè)大學學報，2010,38(3):89-92.

[9]劉夢云，常慶瑞，齊雁冰,等.黃土臺塬不同土地利用土壤有機碳與顆粒有機碳[J].自然資源學報,2010,25(2):218-226.

[10]周自翔.西安黃土臺塬土壤微形態(tài)特征與土地利用關系研究[D].西安：陜西師范大學，2006.

[11]李會.渭北黃土臺塬區(qū)水土資源優(yōu)化配置與潛力開發(fā)[D].西安：陜西師范大學，2010.

[12]郭斌，任志遠.城市土地利用變化與生態(tài)安全動態(tài)測評[J].城市規(guī)劃，2010,34(2):25-29.

[13]張景華，封志明，姜魯光.土地利用/土地覆被分類系統(tǒng)研究進展[J].資源科學，2011,33(6):1195-1203.

[14]劉紀遠.中國資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)[M].北京:中國科學技術(shù)出版社,1996.

[15]任志遠，李晶，王曉峰，等.城郊土地利用變化與區(qū)域生態(tài)安全動態(tài)[M].北京:科學出版社,2006.

[16]馬彩虹,任志遠,李小燕. 黃土臺塬區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移流及空間集聚特征分析[J].地理學報,2013,68(2):257-267.