烏裕爾河流域土地利用變化及驅(qū)動(dòng)力分析

郭 敏，方海燕，李致穎(.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京000；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京00049)

土地利用變化通過(guò)改變地表徑流以及土壤水分對(duì)人類和自然環(huán)境有著深遠(yuǎn)的影響。隨著人類活動(dòng)范圍的擴(kuò)大和程度的加劇，土地利用變化對(duì)流域內(nèi)水文循環(huán)過(guò)程、土壤侵蝕以及生物多樣性的影響十分顯著，不合理的土地利用則可能威脅到流域的生態(tài)環(huán)境安全，因而成為區(qū)域土地利用研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。東北黑土區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一，黑土土壤肥力高、理化性狀好，黑土區(qū)為我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地[2,3]。然而改革開(kāi)放以來(lái)，人口的增加增加了糧食需求，盲目開(kāi)發(fā)使當(dāng)?shù)卦械纳?、草甸和沼澤等天然植被遭到?yán)重破壞[4]，許多流域土地利用發(fā)生劇烈的變化，坡耕地土壤侵蝕面積越來(lái)越大，嚴(yán)重影響我國(guó)的糧食安全和當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。而研究土地資源的變化趨勢(shì)與驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)我國(guó)黑土區(qū)土地資源的可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。

目前，許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)黑土區(qū)土地利用變化進(jìn)行了分析探討。李曉燕等人分析了東北黑土區(qū)1986-2000年耕地資源的變化特征與空間格局及其驅(qū)動(dòng)因素[8]。劉彥隨等人通過(guò)東北1990-2000年土地利用轉(zhuǎn)換的時(shí)空特征及生態(tài)效應(yīng)，揭示了水田與旱地轉(zhuǎn)換的成因及驅(qū)動(dòng)機(jī)制[9]。謝葉偉等人則以海倫市為研究對(duì)象，分析了20年來(lái)該區(qū)土地利用空間格局與變化[10]。一些學(xué)者還對(duì)土地利用變化的影響進(jìn)行了研究。崔海山等人利用吉林省松原市土地利用變化特征，分析了松原市土地利用變化對(duì)土地沙化的影響[11]。岳書(shū)平等人根據(jù)中國(guó)東北樣帶不同土地利用組合類型，選取典型市、縣區(qū)，分析了近 30 年來(lái)不同類型區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響[12]。孫麗娜和宋戈則分析了18年來(lái)松嫩高平原黑土區(qū)巴彥縣土地利用變化對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響[13]。

以上表明，黑土區(qū)土地利用研究多從區(qū)域的角度[10-13]，但從流域的角度研究不足，而流域是水循環(huán)的基本單元。本文利用烏裕爾河流域1985、1995、2000年的土地利用TM遙感數(shù)據(jù)，從土地利用轉(zhuǎn)移方向和變化速度方面，采用單一、綜合土地利用動(dòng)態(tài)度和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等指標(biāo)，利用 ArcGIS分析流域土地利用變化規(guī)律，探討土地利用變化的影響方向和速度，揭示流域土地利用變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)概況

烏裕爾河屬嫩江水系一級(jí)支流，是黑龍江省唯一的一條內(nèi)陸河。河流流經(jīng)富?？h之后，尾閭逐漸消失在齊齊哈爾以東、林甸縣西北煙筒屯的大片葦?shù)?、濕地之中，形成廣闊的沼澤地。烏裕爾河依安水文站控制流域面積為8 224 km2，行政區(qū)劃涉及北安市、依安市、克東縣、克山縣、德都縣和拜泉縣等。流域地勢(shì)東北高，西南低，水系順應(yīng)地勢(shì)自東北流向西南，流域內(nèi)丘陵漫崗起伏，坡度較緩。流域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，四季氣候變化明顯，多年平均氣溫2.1 ℃，多年平均降水量為496.7 mm。烏裕爾河年徑流量雖呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)，但由于人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加以及對(duì)植被的破壞，泥沙量和徑流含沙量總體上呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)[14]。流域內(nèi)土壤侵蝕嚴(yán)重，1986年土壤侵蝕遙感調(diào)查顯示，土壤侵蝕面積占流域總面積的63.7%，而其中耕地侵蝕面積占耕地總面積的74.2%[15]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文1985、1995和2000年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自于“中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所數(shù)據(jù)中心”的 TM遙感解譯數(shù)據(jù)(比例尺為1∶10萬(wàn)；圖1)；數(shù)據(jù)內(nèi)容包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6個(gè)一級(jí)類型和17個(gè)二級(jí)類型。在ArcGIS中對(duì)土地利用類型進(jìn)行重分類，讀取各種土地利用類型的面積，并通過(guò)不同時(shí)期數(shù)據(jù)疊置分析輸出轉(zhuǎn)移屬性表，采用Excel 數(shù)據(jù)透視表生成轉(zhuǎn)移矩陣二維表，獲得土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，最終對(duì)比分析不同類型土地的轉(zhuǎn)移數(shù)量和方向。

圖1 1985、1995和2000年烏裕爾河流域土地利用特征Fig.1 The characteritics of spatial distribution of land uses in Wuyuer River Basin from1985 to 2000

2 研究方法

基于以上3期土地利用數(shù)據(jù)，本文選取土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和動(dòng)態(tài)度2種方法研究烏裕爾河流域土地利用時(shí)空變化特征。

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移方向——土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠反映土地利用類型轉(zhuǎn)化的數(shù)量、方向及土地利用變化結(jié)構(gòu)，可揭示土地利用格局時(shí)空演化特征。轉(zhuǎn)移矩陣中每一個(gè)行列元素的值可通過(guò)實(shí)際數(shù)值計(jì)算得到，通過(guò)把不同時(shí)期土地利用圖做疊加分析，獲取不同時(shí)期土地利用類型、轉(zhuǎn)化面積和數(shù)量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[16]：

(1)

式中：Sn為各土地利用類型面積；Sij為研究期內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j類土地利用類型的面積。

2.2 土地利用變化速度——土地利用類型動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度能夠用來(lái)分析土地利用類型面積變化幅度、變化速率及差異等，進(jìn)而反映土地利用變化的劇烈程度，可從單一和區(qū)域土地利用類型動(dòng)態(tài)度兩方面來(lái)分析[17]。

單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度反映一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，表達(dá)式為：

(2)

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期和研究末期某種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)段，當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K值即為某種土地利用類型的年變化率。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度能夠反映研究區(qū)內(nèi)土地利用動(dòng)態(tài)的總體狀況及其差異，表達(dá)式為：

(3)

式中：LC為綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；LUi為研究初期第i類土地利用類型的面積；ΔLUi-j為研究時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值；T為研究時(shí)段；n為土地利用類型的數(shù)量；當(dāng)T設(shè)定為年時(shí)，LC的值就是研究區(qū)綜合土地利用年變化率。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時(shí)期土地利用類型構(gòu)成

烏裕爾河流域1985、1995和2000年土地利用類型面積有著相似的特點(diǎn)(見(jiàn)表1)，流域內(nèi)主要有耕地，林地，草地，水域，建設(shè)用地和沼澤地6種土地利用類型，耕地、沼澤地和林地是土地利用的主要類型。3個(gè)時(shí)期流域內(nèi)耕地、林地和沼澤地面積之和分別占流域總土地面積的90.57%、91.89%和91.45%。耕地為各時(shí)期主要的土地利用類型，3個(gè)時(shí)期耕地的平均面積和比例分別達(dá)到5 829.15 km2和68.31%；沼澤地主要分布在河道附近，所占比例為12%；林地面積也較多，主要分布在東北及西北部，占總面積的11.15%，三者面積之和高達(dá)91.46%。草地、水域和建設(shè)用地分別平均占流域總面積的為4.45%、0.75%和3.97%，其中水域以水庫(kù)居多，建設(shè)用地以農(nóng)村居民點(diǎn)為主。

表1 1985-2000年烏裕爾河流域土地利用類型面積特征Tab.1 The areas of land uses in Wuyuer River Basin from1985 to 2000

3.2 土地利用面積變化特征

3個(gè)時(shí)期不同土地利用變化不大，但仍顯示出不同程度的變化。1985、1995和2000年耕地面積所占比例呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；林地面積所占比例下降較為顯著；沼澤地面積也有下降趨勢(shì)。1985-2000年期間，林地、草地、水域及沼澤地面積都有一定程度的減少，林地減少了234.75 km2；草地減少81.01 km2，水域減少 0.34 km2，沼澤地減少46.07 km2。相比之下，16 年間農(nóng)村建設(shè)用地面積由原來(lái)的338.35 km2增加到了344.30 km2。不同時(shí)期土地利用面積變化見(jiàn)表2，2000年耕地和建設(shè)用地分別比1985年增加了6.29%和1.76%；而林地和草地分別比1985年減少了21.09%和19.89%，尤其是草地面積在1985-1995年減少了27.57%，1995-2000年又有所增加，但仍呈下降趨勢(shì)；水域面積1985-1995年減少了12.94%，1995-2000年增加了14.29%，面積基本保持不變；沼澤地面積在1985-1995年增加了4.72%，而1995-2000年減少了8.79%，但整體仍呈減少趨勢(shì)。

表2 烏裕爾河流域不同土地利用類型面積變化率 %Tab.2 The changing rate of different land use types in Wuyuer River Basin

3.3 土地利用轉(zhuǎn)移特征

1985-1995年烏裕爾河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣及轉(zhuǎn)移分布圖(表3，圖2)表明，耕地面積增加，草地面積銳減，轉(zhuǎn)換的草地面積中有76.5%轉(zhuǎn)換成耕地。增加的耕地主要源于林地、草地及沼澤地，特別是草地向耕地轉(zhuǎn)化數(shù)量較大。盡管耕地面積增加，仍有耕地轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型，流失的耕地中主要轉(zhuǎn)化為林地、草地和沼澤地，但源于林地和沼澤地的面積與耕地轉(zhuǎn)化為林地和沼澤地的面積相差不大，1985-1995年變化的耕地面積有45%是從草地轉(zhuǎn)化而來(lái)。減少的林地主要轉(zhuǎn)化為草地和沼澤地，以沼澤地為主。1985-1995年水域也大量減少，一部分水域轉(zhuǎn)換為耕地，很大部分轉(zhuǎn)換成沼澤地，水體沼澤化現(xiàn)象顯著。

表3 1985-1995年烏裕爾河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Tab.3 Transition matrix of the land use types in Wuyuer River Basin from 1985 to 1995

注:表3中行表示1985年某種土地利用類型轉(zhuǎn)換成1995年其他土地利用類型的面積;列表示1995年某種土地利用類型的來(lái)源及其面積。

與1985-1995年相比，1995-2000年間烏裕爾河流域土地利用轉(zhuǎn)化有所不同(表4，圖2)。林地和沼澤地大面積減少，且都轉(zhuǎn)化為耕地，增加的耕地面積中有84.32%是從林地和沼澤地轉(zhuǎn)化而來(lái)的，轉(zhuǎn)換的沼澤地面積有78.1% 轉(zhuǎn)換成耕地。特別是林地，林地轉(zhuǎn)化為耕地的面積是耕地轉(zhuǎn)換為林地面積的10.78 倍，是該期林地面積大幅減少的直接原因。該時(shí)期草地面積逐漸增多，耕地和沼澤地轉(zhuǎn)換為草地的面積是草地轉(zhuǎn)化為耕地和沼澤地面積的1.66倍。此外，有11.7 km2的沼澤地轉(zhuǎn)換成水域，使得1995-2000年水域面積增多，而建設(shè)用地面積幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。

表4 1995-2000年烏裕爾河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2Tab.4 Transition matrix of the land uses types in Wuyuer River Basin from 1995 to 2000

注:表4中行表示1995年某種土地利用類型轉(zhuǎn)換成2000年其他土地利用類型的面積;列表示2000年某種土地利用類型的來(lái)源及其面積。

圖2 不同時(shí)期土地利用轉(zhuǎn)移分布圖Fig.2 The spatial distribution of land use changes in different periods

兩個(gè)研究時(shí)段土地利用間隔年限不同，單純面積變化不足以說(shuō)明土地利用變化的速度。流域土地利用類型動(dòng)態(tài)度圖(圖3)表明，1995-2000年6年間土地利用變化速度快于1985-1995年11年間的土地利用變化速度；在1985-2000年6年間，林地和草地變化速度非常快，耕地和沼澤地變化速度也較快，而其他土地利用類型變化速度緩慢。1985-1995和1995-2000年間流域土地利用綜合動(dòng)態(tài)度分別為0.34%和 0.35%，不同時(shí)期土地利用變化速度相差較小。不同土地利用類型中耕地面積持續(xù)增長(zhǎng)，1985-1995年11年間，耕地面積增加比例為2.36%，年均增加速度為0.21%；而1995-2000年6年間增加比例為3.84%，年均增加速度為0.64%，增加速度超過(guò)該地的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，耕地增加速度不斷增大。在不同土地利用類型中，林地面積持續(xù)減少，1985-1995年間林地的減少速度為6.19%，年均減少速度為0.56%；而1995-2000年，林地的減少速度增加到15.89%，年均減少速度為2.65%，減少速度越來(lái)越快，兩個(gè)時(shí)期的林地土地利用動(dòng)態(tài)度均大于綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。與其他土地利用類型不同，草地和水域面積在1985-1995年間大幅度減少，減少比例分別為 27.57%、12.94%，年均減少速度為2.51%和1.18%；而在1995-2000年，兩者面積都相繼增加，增加比例為10.61%與14.29%，年均增長(zhǎng)速度分別為1.77%和2.38%。不同時(shí)期內(nèi)建設(shè)用地土地利用變化速度都小于該流域的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，雖然1995-2000年面積有所減少，但仍呈增加趨勢(shì)，總體來(lái)說(shuō)變化不大。1985-1995年出現(xiàn)水體沼澤化、林地沼澤化和草地沼澤化現(xiàn)象，沼澤地面積增多；但1995-2000年大面積沼澤地轉(zhuǎn)化為耕地，使得沼澤地面積大量減少，且減少速度越來(lái)越快。

圖3 不同時(shí)期烏裕爾河流域土地利用類型動(dòng)態(tài)度Fig.3 The rate of land-use change at various stages in Wuyuer River Basin

3.4 土地利用變化驅(qū)動(dòng)力分析

土地利用覆被變化是自然因素和人文因素綜合作用的結(jié)果。人口增加、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、區(qū)域發(fā)展政策的變化等人為因素疊加在自然差異之上是烏裕爾河流域土地利用變化及區(qū)域差異產(chǎn)生的主要原因[14]。

(1)自然因素。自然因素包括氣候、地形、地質(zhì)地貌和土壤等。自然環(huán)境是區(qū)域內(nèi)土地利用覆被變化的物質(zhì)基礎(chǔ)和客觀條件，其變化過(guò)程緩慢，因此在宏觀上決定了該地土地資源條件和土地利用的空間格局。該流域地形較為平坦，黑土土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)好，植物營(yíng)養(yǎng)元素含量高，交換量大，蓄水量大，pH值適中，土壤性狀好[15]，適合耕作，流域土地利用以農(nóng)耕地為主；草地零星分布在耕地之中；流域內(nèi)西北處地勢(shì)較高，林地居多；而河道兩岸以沼澤地為主。

(2)政策及人口因素。短期內(nèi)流域自然因素很難發(fā)生顯著變化，土地政策的變化及人口增加引起的下墊面環(huán)境變化是土地利用變化的主要原因[18]。該流域農(nóng)村居民用地占建設(shè)用地的很大一部分，經(jīng)濟(jì)發(fā)展以農(nóng)業(yè)為主。1978年黨的十一屆三中全會(huì)以來(lái)，普遍推行以“家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制”為主要形式的多層次、多樣化的農(nóng)村所有制結(jié)構(gòu)，使得農(nóng)戶在屬于自己的土地上有了經(jīng)營(yíng)自主權(quán)，一些林地或草地被開(kāi)墾為耕地。20世紀(jì)90年代初，計(jì)劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，逐步完善的統(tǒng)分結(jié)合雙層經(jīng)營(yíng)體制進(jìn)一步加快了農(nóng)業(yè)資源的開(kāi)發(fā)力度。以研究區(qū)內(nèi)北安、克山和克東三縣的人口發(fā)展為例，3個(gè)縣的人口數(shù)量增加迅速(圖4)，1985-1999年僅14 a時(shí)間里，人口分別增加了4.5%、2.6%和5.3%。人口增加致使開(kāi)發(fā)大量土地資源，使許多林草地和沼澤地轉(zhuǎn)化為耕地(表1和表2)。此外，20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，糧食價(jià)格受國(guó)家政策的保護(hù)，開(kāi)荒種地經(jīng)濟(jì)效益好，區(qū)內(nèi)耕地面積連年增加。1985-1995年大面積森林轉(zhuǎn)化為沼澤。森林沼澤化過(guò)程往往是由森林的自然演替、采伐和火燒后形成的，然而在一般情況下，森林是不易發(fā)育成沼澤，只有在森林采伐跡地或火燒跡地才能看到沼澤化現(xiàn)象[19]；1985-1995年草甸植被逐漸為沼澤植被所代替，草甸轉(zhuǎn)化為沼澤與人類活動(dòng)密不可分。1995-2000年大面積沼澤開(kāi)墾為耕地，打破原有的生態(tài)平衡，原本脆弱的生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，區(qū)域土地退化、水土流失等問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重[15]。

圖4 1985 - 2000年烏裕爾河流域北安、克山和克東三縣人口變化情況Fig.4 Population changes of the Beian, Keshan and Kedong counties in Wuyuer River Basin during 1985-2000

4 結(jié) 語(yǔ)

本文借助地理信息系統(tǒng)空間分析，從土地利用轉(zhuǎn)移方向和變化速度方面分析了土地利用變化對(duì)人類活動(dòng)響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)移方向的空間差異性，得出了以下結(jié)論。

(1)土地利用類型變化轉(zhuǎn)換特征。烏裕爾河流域耕地面積占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，多年平均比例達(dá)68.31%，耕地面積不斷擴(kuò)大且速度越來(lái)越快。耕地占用是該流域林地、草地與沼澤地流失的重要原因。20世紀(jì)80年代草地面積急劇減少，變化的耕地面積有45%是從草地轉(zhuǎn)化而來(lái)；90年代以后草地面積有所增加。沼澤地在80年代有所增加，一部分林地和草地轉(zhuǎn)換為沼澤地；90年代數(shù)量明顯下降，轉(zhuǎn)換為耕地；大面積林地轉(zhuǎn)換成耕地，林地轉(zhuǎn)化為耕地的面積是耕地轉(zhuǎn)換為林地面積的10.78倍。

(2)土地利用類型變化速度。烏裕爾河流域1995-2000相對(duì)劇烈。1985-2000年16年間，林地和草地變化速度較快，耕地和沼澤地變化速度也較明顯，而其他土地利用類型變化速度緩慢。耕地增加速度和林地減少的速度，1985-1995年耕地和林地的年均變化速度分別為0.21%、-0.56%，而1995-2000年年均變化速度為0.64%、-2.65%，變化速度越來(lái)越快。

(3)土地利用類型變化驅(qū)動(dòng)力因素。自然因素宏觀上決定了流域的土地利用空間格局，土地利用變化主要受人類活動(dòng)的影響。政策變化伴隨農(nóng)業(yè)人口的增多，耕地需求越來(lái)越大，大面積毀林、毀草、開(kāi)荒，土地利用類型變化速度加快。今后經(jīng)濟(jì)發(fā)展中需加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有林地的保護(hù)，減少耕地的開(kāi)發(fā)速度；而以流域?yàn)閱卧獙?duì)資源開(kāi)發(fā)和濕地保護(hù)很可能是防止水土流失和達(dá)到農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

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