遼河流域土地利用/覆被變化

高媛媛，陳陽陽，吳 沖，郭繼香，王 赫，肖能文

(1.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249；2.遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院，遼寧沈陽 110031；3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

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遼河流域土地利用/覆被變化

高媛媛1，陳陽陽1，吳 沖1，郭繼香1，王 赫2，肖能文3

(1.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249；2.遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院，遼寧沈陽 110031；3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

近年來，遼河流域經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，城市化水平不斷提高，開發(fā)利用強(qiáng)度不斷加大，使得流域內(nèi)土地利用方式和植被覆蓋程度發(fā)生較大變化。流域內(nèi)不合理的土地利用結(jié)構(gòu)使得流域環(huán)境質(zhì)量下降，流域生態(tài)系統(tǒng)不平衡加劇，主要體現(xiàn)為流域內(nèi)土地退化、植被覆蓋度和生物多樣性減少。針對環(huán)境危機(jī)，研究人類活動對流域生態(tài)環(huán)境的影響程度及其響應(yīng)機(jī)理是解決流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境危機(jī)和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展[1]的重要途徑之一，而土地利用是人類社會經(jīng)濟(jì)活動與自然生態(tài)環(huán)境相互作用最為密切的環(huán)節(jié)，因此非常有必要研究遼河流域的土地利用/覆被變化情況，為進(jìn)一步深入研究整個遼河流域的人類活動特征及其對生態(tài)環(huán)境演化的影響提供科學(xué)依據(jù)。

因遼河流域面積大，該研究僅以遼寧省內(nèi)遼河流域作為研究對象。基于野外調(diào)查和資料收集，利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)[2-3]，根據(jù)該流域植被覆蓋情況的特點(diǎn)，分析遼河流域的土地利用變化情況和變化特征。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況遼寧省遼河流域面積約為5.3萬km2，主要包括渾河、太子河、清河等支流。流域東北部以山地丘陵為主要地貌，樹木覆蓋廣泛；中下游以平原為主要地貌，以工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主，人口稠密；西部以沙丘地貌為主要地貌，與內(nèi)蒙古接壤。該研究區(qū)屬溫帶半濕潤半干旱的季風(fēng)氣候區(qū)。降水主要集中在夏季，年均降雨量介于500～650 mm之間，降雨量由東至西逐漸減少，西部常年處于缺水狀態(tài)；年平均氣溫在4～9 ℃之間。

1.2數(shù)據(jù)來源及處理方法解譯使用的信息源為美國陸地衛(wèi)星Landsat5 TM遙感影像，空間分辨率25 m。數(shù)據(jù)獲取時間為2000年和2010年的7～8月。選取這一時間段遙感數(shù)據(jù)，主要是考慮在該時間段植被發(fā)育好、地表信息豐富等，有利于對各解譯標(biāo)志的讀判。TM影像各譜段具體用途見表1。

表1　TM影像數(shù)據(jù)波段特征

(1)遙感影像預(yù)處理。圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括遙感影像的幾何校正，研究區(qū)的裁剪，不同時相遙感影像的直方圖匹配等基礎(chǔ)工作。根據(jù)遼河流域地形圖，對遙感影像進(jìn)行幾何校正[4]，同時采用二次多項式擬和法進(jìn)行影像配準(zhǔn)，然后運(yùn)用鄰近點(diǎn)插值法進(jìn)行重采樣，誤差控制在一個像元內(nèi)?；趯嶋H研究的需要，裁剪出遼河流域所在區(qū)域。直方圖匹配[5]是對圖像查找表進(jìn)行數(shù)學(xué)變化，使得一幅圖像某個波段的直方圖與另一幅圖像對應(yīng)波段類似，或使得一幅圖像所有波段的直方圖與另外一幅圖像所有對應(yīng)波段類似。

(2)濕地實地調(diào)查。使用地形圖和GPS，實地調(diào)查流域范圍內(nèi)自然生態(tài)環(huán)境的基本情況。在實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合土地覆被變化的遙感觀測[6]，取得植被組成、土地利用現(xiàn)狀、地形地貌、土壤地質(zhì)等第一手資料，經(jīng)與各有關(guān)部門核對，再次進(jìn)行實地調(diào)查，最后利用地理信息軟件繪制遼河流域相關(guān)圖件和數(shù)據(jù)統(tǒng)計表[7]。

1.3研究方法在得到土地利用/覆被空間遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取單一土地利用動態(tài)度(K)、土地利用程度綜合指數(shù)(L)、均衡度(E)等重要指標(biāo)，研究遼河流域土地利用變化特征。

單一土地利用動態(tài)度表達(dá)研究區(qū)在一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[8]，反映土地利用變化速率的區(qū)域差異[9]。土地利用動態(tài)度的意義在于刻畫區(qū)域土地利用變化的劇烈程度，對預(yù)測未來土地利用變化趨勢也有積極作用[10]。其表達(dá)式[11-12]為：

(1)

式中，K為在研究時段內(nèi)某一類型土地利用動態(tài)度；Ub、Ua分別為研究區(qū)內(nèi)研究初期和研究末期某種土地利用類型的面積；T為研究時段長，當(dāng)T以年計時，K值就是某一土地利用類型的年變化率。

信息熵(H)反映土地利用系統(tǒng)的有序或混亂程度。熵越大，土地利用系統(tǒng)混亂度越高，有序程度越低；反之，混亂度越低，有序程度越高。其表達(dá)式為：

(2)

式中，Pi為研究區(qū)中某一土地利用類型面積百分比；m為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型分級數(shù)。

均衡度可用來反映土地利用結(jié)構(gòu)的均衡性。均衡度是基于信息熵函數(shù)構(gòu)建的能反映土地利用結(jié)構(gòu)均衡性的量值，取值范圍為E∈[0,1]，即當(dāng)E= 1時，研究區(qū)用地類型達(dá)到理想平衡狀態(tài)；當(dāng)E= 0時，則用地處于最不均勻狀態(tài)。E值越大，均質(zhì)性越強(qiáng)。其表達(dá)式為：

(3)

土地利用程度綜合指數(shù)主要反映區(qū)域土地利用的廣度和深度。在研究區(qū)范圍內(nèi)的土地利用程度變化量、年均變化量、變化幅度可用來表征該地區(qū)土地利用的綜合水平和變化趨勢，其中某值大于0，則證明該區(qū)域土地利用處于發(fā)展時期，否則處于調(diào)整期或衰退期[13]。應(yīng)用土地利用綜合指數(shù)的關(guān)鍵問題在于土地利用類型的分級與分級指數(shù)的指定[14]。該研究將土地利用類型整合為土地未利用級、林草水用地級、農(nóng)業(yè)用地級和城鎮(zhèn)聚落用地級等4級，并且分別將分級指數(shù)設(shè)定為1、2、3、4。區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)、土地利用程度變化量(ΔLb-a)、年均變化量(Ra)和變化幅度(Re)可表示為：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，L為研究區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；A為區(qū)域內(nèi)第i級土地利用程度分級指數(shù)；P為區(qū)域內(nèi)第i級土地利用類型分級面積百分比；m為利用類型分級數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1土地利用分類結(jié)果根據(jù)實地調(diào)查和土地利用遙感衛(wèi)星影像，將遼河流域土地利用情況劃分為6個一級類型和15個二級類型(表2)。具體的一級土地利用類型為林地、草地、水域、耕地、建設(shè)用地和其他6類，對遙感影像進(jìn)行解譯后得到土地利用解譯數(shù)據(jù)，并且根據(jù)單一類型土地利用動態(tài)度計算公式(1)，計算遼河流域2000～2010年一級土地利用類型的年均動態(tài)變化情況(表3)。

表2　土地利用/土地覆蓋分類方案

2.2土地利用/覆被數(shù)量變化特征

2.2.1土地利用/覆被數(shù)量變化。由表3可知，遼河流域主要土地利用類型為耕地、林地，經(jīng)濟(jì)形式以農(nóng)業(yè)為主。草地、耕地和建設(shè)用地面積增加，其余均減少。其中，耕地、草地和其他用地變化幅度最大，耕地面積內(nèi)凈增加265.32萬km2，年均變化率高達(dá)26.53%，較其他土地類型增長率高，林地和水域則分別減少了71.91萬和38.22萬km2，年均變化率分別為7.19%和3.82%。由圖1可知，2000年遼河流域二級土地利用/覆被分類面積從大到小依次為耕地、農(nóng)田與自然鑲嵌植被、針闊混交林、落葉闊葉林、建設(shè)用地、草地、多樹草原、水體、常綠針葉林、裸地與低覆被植被、郁閉灌叢、永久濕地、稀疏草原、開放灌叢、落葉針葉林；2010年遼河流域二級土地利用/覆被分類面積從大到小依次為耕地、農(nóng)田與自然鑲嵌植被、針闊混交林、落葉闊葉林、建設(shè)用地、草地、多樹草原、郁閉灌叢、裸地與低覆被植被、水體、稀疏草原、常綠針葉林、永久濕地、開放灌叢、落葉針葉林。這說明10年間遼河流域土地利用/覆被分類情況總體沒有太大變化，而且耕地一直是流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要組分。

在10年間，耕地、針闊混交林、郁閉灌叢、開放灌叢、多樹草原、稀疏草原、草地、建設(shè)用地面積呈現(xiàn)出不同程度的增加趨勢，其余的則呈現(xiàn)出不同程度的減少趨勢，其中針闊混交林、耕地、郁閉灌叢和裸地與低覆被植被面積增加得最多，分別增加404.84、265.32、91.66和47.22 km2，而落葉闊葉林、農(nóng)田與自然鑲嵌植被減少最多，分別減少了534.28和324.13 km2。變化相對劇烈的土地利用類型是落葉闊葉林、針闊混交林、農(nóng)田與自然鑲嵌植被和耕地，對流域土地利用/覆被變化起著決定性作用。

表3　遼河流域土地利用分類面積和動態(tài)度

圖1　2000年與2010年遼河流域二級土地利用類型面積百分比變化Fig.1　The change of percentage of Ⅱ-level land use area of Liao River Basin in 2000 and 2010

2.2.2土地利用類型信息熵和均衡度變化。利用式(2)、(3)對解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出信息熵和均衡度。研究表明，均衡度由2000年的0.482減少到2010年的0.481，信息熵由2000年的1.306減少到2010年的1.305。由此可知，10年間遼河流域土地利用系統(tǒng)有序程度越來越高，說明遼河流域土地利用結(jié)構(gòu)均衡性日趨減弱，各類型用地面積分布的均勻程度有所下降。

2.2.3土地利用程度變化。土地利用綜合指數(shù)最大的意義在于它能夠反映區(qū)域土地利用的集約程度，可以衡量區(qū)域土地利用所處發(fā)展或衰退階段。通過公式(4)計算出2000年、2010年土地利用程度綜合指數(shù)，分別為2.524和2.533。可見，10年來遼河流域土地利用程度變化幅度微弱。該指數(shù)有所增加的原因是遼河流域內(nèi)耕地、草地、建設(shè)用地面積不斷增加，而這3種土地利用類型尤其是耕地在整個流域土地利用構(gòu)成中所占比例最高，由其他土地利用類型面積變化引起的減少量被抵消。這還說明退耕還林工作并沒有廣泛開展起來。

通過公式(5)～公式(7)可以計算出遼河流域10年間土地利用程度變化量、年均變化量和變化幅度，分別為0.90%、0.09%、0.36%，均大于0，說明該流域土地利用處于發(fā)展時期這主要由于分級指數(shù)分別為2、3、4的草地、耕地、建設(shè)用地在增加，其增加幅度遠(yuǎn)大于分級指數(shù)為1的其他土地利用類型。這同時導(dǎo)致土地利用程度綜合指數(shù)的增加。

3結(jié)論

對于遼河流域土地利用問題，該研究分析了遼河流域土地利用的現(xiàn)狀和變化特征，得到以下研究結(jié)論：

(1)在過去10年間，遼河流域一級土地利用類型中草地、耕地和建設(shè)用地面積增加，其余均減少，并且耕地、草地變化最為劇烈；二級土地利用類型中耕地、針闊混交林、郁閉灌叢、開放灌叢、多樹草原、稀疏草原、草地、建設(shè)用地呈現(xiàn)出不同程度的增加趨勢，其余則呈現(xiàn)出不同程度的減少趨勢，其中針闊混交林、耕地、郁閉灌叢和裸地與低覆被植被面積增加最多，而落葉闊葉林、農(nóng)田與自然鑲嵌植被減少最多。從耕地面積的大幅增加可以推知近些年來研究區(qū)存在過度開墾的現(xiàn)象，退耕實施效果不明顯。

(2)在過去10年間，遼河流域土地利用信息熵呈現(xiàn)出減少的趨勢，表明土地利用系統(tǒng)的有序程度增強(qiáng)。結(jié)合一級土地利用類型數(shù)量分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)耕地、林地的面積變化對這一進(jìn)程具有推進(jìn)作用。均衡度變化同樣呈現(xiàn)減少的趨勢，10年間減少了0.001，表明研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)均衡程度有所下降。草地、水域等是能夠提高資源環(huán)境功能的控制組分，所以要起到改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的效果，就必須在未來土地利用規(guī)劃中提高這部分土地利用類型的比例，增加其優(yōu)勢度。

(3)10年來，遼河流域土地利用程度變化微弱，土地利用程度綜合指數(shù)略有上升。遼河流域研究時段的土地利用程度變化量、變化幅度均大于0，說明該流域土地利用處于發(fā)展時期。

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摘要[目的]研究遼河流域土地利用/覆被變化特征對分析遼河流域生態(tài)環(huán)境變化及其驅(qū)動力因素具有重要意義。[方法]基于2000～2010年遼河流域16期土地利用遙感數(shù)據(jù)，對遼河流域10年間土地利用/覆被變化進(jìn)行定量分析。[結(jié)果]耕地、草地和建設(shè)用地面積增加，林地、水域和其他用地面積減少；土地利用信息熵與均衡度均呈現(xiàn)減少趨勢，土地利用系統(tǒng)混亂度增加，均衡性減弱；土地利用程度變化量及變化幅度均大于0。[結(jié)論]該流域土地利用處于發(fā)展時期。

關(guān)鍵詞遼河流域；土地利用/覆被變化；動態(tài)度；土地利用程度

Land Use/Cover Change in Liao River Basin

GAO Yuan-yuan，CHEN Yang-yang，WU Chong et al(China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249)

Abstract[Objective]The research on the change characteristics of land use in Liao River watershed played an important role in the analysis of the change in Liao River basin and the driving force factors. [Method]Based on the remotely sensed data in 2000 and 2010, we analyzed the change characteristics of the land use in Liao River watershed quantificationally. [Result]The areas of grassland, cultivated land and construction land increased while the forest land, water area and other land decreased. The information entropy and the equilibrium degree of land use were both in a decreasing trend. The randomness of land use system went up and the proportionality went down. The variation and the extent of land use intensity in Liao River basin were both over zero. [Conclusion]The basin was in a developing stage.

Key wordsLiao River Basin; Land use/cover change; Land use dynamic degree; Land use intensity

收稿日期2015-12-14

作者簡介高媛媛(1988- )，女，山東東營人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境保護(hù)。

基金項目國家科技重大專項項目(2012ZX07505-001-004)。

中圖分類號S 127；X 87

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)01-027-04