1986～2010年松嫩平原土地利用程度空間格局變化研究*

田 旸，那曉東，臧淑英

(黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室;哈爾濱師范大學(xué))

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1986～2010年松嫩平原土地利用程度空間格局變化研究*

田 旸，那曉東**，臧淑英

(黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室;哈爾濱師范大學(xué))

在遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支持下，分析松嫩平原1986～2010年土地利用變化的主要類型與轉(zhuǎn)化方向.并采用5 km×5 km的網(wǎng)格對1986年、1995年、2000年、2010年 4期土地利用圖進行等間距系統(tǒng)采樣，分別計算每一個網(wǎng)格的土地利用程度指數(shù)，分析松嫩平原近24年來土地利用程度的空間格局及其變化過程.結(jié)果表明：(1)1986～2010年，松嫩平原土地利用總體狀況發(fā)生了顯著的變化，總體呈現(xiàn)“三增四減”趨勢，即耕地，城鎮(zhèn)用地，林地的增長，而草地，未利用地，濕地和水域減少.(2)1986～2010年松嫩平原土地利用主導(dǎo)變化趨勢為其他土地類型轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀?986～2000年土地利用主導(dǎo)變化趨勢為草地轉(zhuǎn)為耕地，1995～2010年主導(dǎo)變化趨勢為耕地轉(zhuǎn)為林地.(3)松嫩平原西部地區(qū)土地利用程度要低于其他區(qū)域，高值則集中分布在中部地區(qū)呈現(xiàn)出條帶狀.松嫩平原土地利用程度在過去的24年一直增加，松嫩平原中部地區(qū)土地利用程度穩(wěn)定，北部的土地利用程度增加，西部土地利用程度降低.本研究可為松嫩平原景觀格局的優(yōu)化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的維護.

土地利用程度；時空格局；松嫩平原；土地利用變化

0 引言

在“地圈與生物圈計劃”(IGBP)和“全球環(huán)境變化人文計劃”(HDP)的推動下，全球環(huán)境變化研究領(lǐng)域逐漸加強了對土地利用/土地覆被變化的研究[1].人類的生存依靠著生態(tài)系統(tǒng)[2]，但人類的活動和區(qū)域發(fā)展深深的影響著生態(tài)系統(tǒng)和土地利用模式[3].由于社會和工業(yè)的加速發(fā)展加劇了土地資源的高度需求和有限的土地儲備不可逆轉(zhuǎn)性之間的沖突，并且土地自然資源具有自然復(fù)雜性和典型的高度空間異質(zhì)性[4]，全球或區(qū)域土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)的過程、模式、驅(qū)動機制，環(huán)境效應(yīng)以及不同區(qū)域土地利用變化的比較成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點.松嫩平原是中國商品糧生產(chǎn)基地，但是近24年，隨著人口的增長，過度的放牧和開墾以及城鎮(zhèn)的高速發(fā)展，使得松嫩平原生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著的變化，草原退化，湖泊干涸，濕地萎縮，土壤沙化和鹽堿化日趨嚴重，嚴重的影響，制約地區(qū)的社會，經(jīng)濟和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展.近年來有不少學(xué)者對土地利用變化進行研究，并對土地利用類型空間動態(tài)、土地利用空間格局變化進行了總結(jié)與歸納[5-7].土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度, 它不僅反映了土地本身的自然屬性, 同時也反映出人類活動因素與自然環(huán)境因素對土地利用覆蓋的綜合效應(yīng).劉紀遠等人運用土地利用程度描述中國土地利用現(xiàn)代過程的基本規(guī)律[8]，宋開山等人運用土地利用程度反映了1954年以來三江平原自然因子和人類社會因子對土地利用/覆被變化現(xiàn)狀的影響及其強度[9].程磊等人運用土地利用程度指數(shù)描述渭河流域1980～2000年經(jīng)濟發(fā)展結(jié)構(gòu)和水平在時間上對土地利用/覆被變化的影響[10].

該文選取1986年、1995年、2000年、2010年的TM影像，并進行人機交互式解譯，獲得1986年、1995年、2000年、2010年土地利用數(shù)據(jù)，對其空間疊加，獲取不同年代土地利用類型變化情況，得出1986～該2010年松嫩平原總體土地利用變化趨勢.運用土地利用變化重要性指數(shù)，土地利用變化面積比重，進一步分析松嫩平原土地利用主導(dǎo)變化趨勢.將松嫩平原以5 km×5 km的網(wǎng)格進行劃分，并作為統(tǒng)計單元，計算土地利用程度綜合度指數(shù)，分析松嫩平原近24年來土地利用程度的空間格局及其變化過程.

1 研究區(qū)概況

松嫩平原(如圖1所示)是東北三大平原(三江平原、遼河平原、松嫩平原)之一.松嫩平原處于中緯度地帶，位于北緯42°30′ ～ 51°20′，東經(jīng)121°40′ ～ 128°30′，總面積為23.13×104km2.松嫩平原土地遼闊，資源豐富，土地利用類型以耕地，林地，草地，沼澤濕地，河流等為主.由于松嫩平原地質(zhì)構(gòu)造運動的不平衡升降以及河道的改動，使得湖泊濕地呈散布狀態(tài)，主要分布在其中西部偏南.20世紀下半葉以來，該區(qū)的農(nóng)業(yè)和牧業(yè)有了很大的發(fā)展，并逐漸發(fā)展成了商品糧，牧業(yè)生產(chǎn)，石油能源基地.由于水，土，生物資源被過度地開發(fā)，利用和氣候日趨干旱化等原因，導(dǎo)致土地沙化，鹽堿化和草地退化，荒漠化迅速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境受到嚴重破壞.

圖1 研究區(qū)的位置及所包含縣級行政區(qū)

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)與預(yù)處理

該研究所使用的土地利用數(shù)據(jù)主要通過解譯遙感影像獲得，獲取研究區(qū)2010年TM影像26景，時間選取為7～9月份.2010年Landsat TM數(shù)據(jù)來自于美國地質(zhì)勘探局(USGS).

將2010年Landsat TM數(shù)據(jù)與1∶100000地形圖進行配準，在ArcGIS 10.1中利用根據(jù)不同土地利用類型的紋理特征，影像色調(diào)等特征，建立相對應(yīng)的遙感解譯標志，進行判讀，通過對圖斑信息的查錯修改，圖斑空間分割和合并，將分類好的研究區(qū)的土地利用類型進行歸并處理，共分為7類，分別為耕地，林地，草地，水域，沼澤濕地和未利用地.2010年對研究區(qū)進行2次野外驗證，共采集348個GPS點對2010年分類影像進行驗證，土地利用類型分類精度達到93.39%.

2.2 研究方法

2.2.1 松嫩平原土地利用/土地覆蓋面積變化統(tǒng)計方法

為了全面具體地描述區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征與每個土地利用類型間的變化的方向，該文采用土地利用類型間的轉(zhuǎn)移矩陣進行分析，該方法來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[13].轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)形式為：

式中：S代表面積；n代表土地利用的類型數(shù)；i、j分別代表研究期初與研究期末的土地利用類型.

2.2.2 松嫩平原土地利用變化主導(dǎo)趨勢分析

通過計算研究區(qū)各類土地變化面積總和(A)，進而運用土地利用變化重要性指數(shù)(Ci)，篩選出土地利用變化的主要類型.根據(jù)土地利用變化的重要性指數(shù)得到土地利用類型轉(zhuǎn)移的主導(dǎo)方向.計算公式見式(1)、(2).

(1)

(2)

式中，Ci是第i種變化類型的土地利用變化重要性指數(shù)；Ai是第i類土地變化面積(km2)；A是該區(qū)域各類土地變化面積之和(km2).Ci值越大，說明第i類土地變化越占主導(dǎo).考慮各類型區(qū)土地變化種類繁多，統(tǒng)計時將Ci值從大到小降序排列，并將Ci值累計之和大于70%的土地變化類型統(tǒng)計成圖，以篩選出該區(qū)主要的土地變化類型.

2.2.3 松嫩平原土地利用程度空間異質(zhì)性

為了將土地利用程度指數(shù)進行空間化，本研究采用5 km×5 km的網(wǎng)格對4期松嫩平原土地利用圖進行等間距系統(tǒng)采樣，獲得采樣的網(wǎng)格8627個.分別計算每個網(wǎng)格的土地利用程度指數(shù)，一次作為格網(wǎng)中心點的土地利用程度值(圖2).

土地利用程度綜合指數(shù)及土地利用程度變化模型定量化表達為：

(3)

式中：L為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i種土地利用程度的分級指數(shù)；Ci為第i土地利用程度的百分比；其中Ai取值是根據(jù)劉紀遠[14]提出的土地利用程度的綜合分析方法，將土地利用分為4級(見表1)，該方法認為城鄉(xiāng)工礦居民點用地、耕地、林地、未利用地依次代表人類活動強度降低.

將已空間化的1986年、1995年、2000年、2010年土地利用程度進行疊加分析，再將其按照土地利用程度在24年中變化趨勢進行分類，分為土地利用程度穩(wěn)定，土地利用程度加重，土地利用程度減輕這3類.

表1 土地利用程度分級賦值表

3 結(jié)果與分析

3.1 松嫩平原土地利用土地覆被變化情況

在1986～2010年，松嫩平原土地利用格局發(fā)生了顯著的變化，各種土地利用類型之間頻繁的轉(zhuǎn)換，松嫩平原4期土地利用圖如圖2.通過圖2可以看出松嫩平原耕地多分布在松嫩平原中部地區(qū)，林地多集中于北部地區(qū)，而草地，水域，濕地，未利用地則集中于松嫩平原西部地區(qū).

圖2 松嫩平原1980～2010年土地利用/覆被的空間格局

通過表2，可以看出松嫩平原在1986～2010年中，耕地，林地，建設(shè)及居民用地面積呈現(xiàn)出增加的趨勢，而草地，水域，沼澤濕地，未利用地呈現(xiàn)出減少的趨勢.其中耕地和建設(shè)及居民用地呈現(xiàn)出持續(xù)增加的狀態(tài)，24年中共分別增加13759.08 km2和2455.67 km2，林地呈現(xiàn)出前14年減少，后10年增加的狀態(tài)，30年共增加940.66 km2.草地，水域，濕地呈現(xiàn)為24年間持續(xù)下降，減少的面積分別為6536.64 km2，2573.31 km2，4562.27 km2，未利用地則表現(xiàn)為先減少后增加在減少，但最終未利用地面積共減少3483.18 km2.

表2 1986～2010年不同時期松嫩平原不同土地利用類型的變化 km2

為了進一步分析松嫩平原土地利用變化情況，在ArcGIS中，對1986年和2010年的土地利用數(shù)據(jù)進行疊加分析獲得1986～2010年土地利用變化的轉(zhuǎn)移矩陣(表3).可以看出1986～2010年，耕地面積的增加最主要是來源于草地，共有9155.53 km2的草地轉(zhuǎn)化為了耕地，林地面積的增加最主要來源于耕地，面積為4197.02 km2，建設(shè)用地及居民地面積的增加主要是由于耕地的轉(zhuǎn)換，面積為4664.22 km2.而草地和沼澤濕地的減少的原因是大部分面積轉(zhuǎn)化為了耕地，轉(zhuǎn)化的面積分別為9155.53 km2和5342.92 km2.

表3 1986～2010年松嫩平原土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 松嫩平原土地利用變化主導(dǎo)趨勢分析

根據(jù)式(1)、(2)可以得出各種土地利用類型的土地利用變化重要性指數(shù)Ci，再將Ci值從大到小降序排列，并以1986年Ci值前10位作為排序標準，篩選出1986～1995年，1995-2000年，2000～2010年這三個時間段土地利用變化的主要類型，見表4.

從表4，可以看出1986～2010年，這24年間土地利用變化主導(dǎo)趨勢為其他土地利用類型向耕地轉(zhuǎn)變，1986～1995年、1995～2000年、2000～2010年的 Ci值分別為37.02%、29.36%、27.09%，其中向耕地轉(zhuǎn)變過程中草地貢獻度最大，其Ci值分別為17.99%、15.56%、8.13%, 呈現(xiàn)逐年減少的趨勢.通過對比可以看出耕地向林地轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)增加趨勢，Ci值分別為4.46%、9.37%、8.58%.在2000～2010年這十年中，耕地向林地轉(zhuǎn)變趨勢已經(jīng)超過草地向耕地轉(zhuǎn)變趨勢，成為單一土地利用變化主要趨勢.

3.3 松嫩平原土地利用程度空間異質(zhì)性分析

由1986年、1995年、2000年、2010年松嫩平原土地利用程度圖可見(圖3)，整體土地利用程度高值區(qū)呈現(xiàn)出條帶狀，其土地利用程度綜合指數(shù)(L)值在250～400之間，其中L值在300以上的集中在訥河、克山、依安、海倫、綏化、呼蘭、哈爾濱、雙城、榆樹、松原、前郭爾多斯、德惠、農(nóng)安、公主嶺、長春.而低值則多分布于松嫩平原西部地區(qū)，如齊齊哈爾、杜爾伯特、鎮(zhèn)賚、大安、德都東部、北安東部、綏棱北部、慶安北部，其L值在100～250之間.從時間上來看松嫩平原土地利用程度高值始終集中在松嫩平原東部地區(qū)，較為穩(wěn)定，西部地區(qū)土地利用程度逐年增加，北部地區(qū)土地利用程度呈現(xiàn)出由南向北的增加趨勢.

圖3 1986～2010年松嫩平原土地利用程度指數(shù)空間分布情況

通過四期土地利用程度圖疊加分析得到1986～2010年松嫩平原土地利用程度動態(tài)度空間分布圖4，由圖4可見松嫩平原土地利用程度總體呈現(xiàn)加重趨勢，分布在德都、五大連池、北安、克東、慶安、巴彥、哈爾濱、肇州、松原、甘南、杜爾伯特蒙古自治縣、白城、洮南、通榆、長嶺.而土地利用程度減輕的區(qū)域分布較為零散，分布在大安、德都東部、明水東部、木蘭東部等區(qū)域.土地利用程度穩(wěn)定的區(qū)域則集中于中部的縣市，如克山、青岡、望奎、海倫、肇東、雙城等.

圖4 1986～2010年松嫩平原土地利用程度動態(tài)度

4 結(jié)論與討論

該研究通過土地轉(zhuǎn)移矩陣，土地利用重要性指數(shù)分析松嫩平原1986～2010年土地利用變化的整體趨勢，用格網(wǎng)化的土地利用程度指數(shù)來分析松嫩平原土地利用程度時空變化空間格局及時間變化趨勢.結(jié)果表明：

(1)1986～2010年松嫩平原土地利用變化整體趨勢為其他土地利用類型轉(zhuǎn)為耕地，單一土地利用類型由1986～2000年的草地轉(zhuǎn)耕地變化為2000～2010年耕地轉(zhuǎn)林地.這也說明松嫩平原土地利用變化最直接的因素是農(nóng)業(yè)開墾.農(nóng)業(yè)開墾一方面是國家對糧食的需求，另一方面是人口的增加.林地面積的增加，說明2002年國家推行的退耕還林政策取得明顯成效.

(2)基于5 km×5 km格網(wǎng)的統(tǒng)計分析，分析出松嫩平原土地利用程度變化趨勢.以格網(wǎng)作為統(tǒng)計單元與以縣域作為統(tǒng)計單元作比較，格網(wǎng)可以更加詳細的體現(xiàn)土地利用程度的時空變化趨勢，而以縣域為統(tǒng)計單元只能體現(xiàn)出單一縣市的土地利用程度變化，而對于松嫩平原整體的土地利用程度變化趨勢無法較明確的表達.

(3)松嫩平原中部地區(qū)土地利用程度高，重點集中于一些農(nóng)業(yè)縣，例如克山、海倫、海倫等.而松嫩平原西部地區(qū)多草地，沼澤濕地，未利用地，所以其土地利用程度較低.1986～2010年土地利用程度變化則顯示出松嫩平原西部地區(qū)土地利用程度下降，這也表現(xiàn)出松嫩平原西部地區(qū)由于放牧而導(dǎo)致草地的退化，同時水庫的不合理修建也導(dǎo)致濕地河流水源不足，導(dǎo)致濕地和草地的退化.松嫩平原北部地區(qū)土地利用程度有明顯增加趨勢，這也是人口增加導(dǎo)致耕地面積增加，同時城市化的加劇也是土地利用程度增加的原因.

[1] 李秀彬. 全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域-土地利用/土地覆被變化的國際研究動向[J]. 地理學(xué)報, 1996, 51(6):553-558.

[2] Feng X, Fu B, Yang X, et al. Remote sensing of ecosystem services: An opportunity for spatially explicit assessment[J]. Chinese Geographical Science, 2010, 20(6):522-535.

[3] Nagashima K, Sands R, Whyte A G D, et al. Regional landscape change as a consequence of plantation forestry expansion: an example in the Nelson region, New Zealand[J]. Forest Ecology & Management, 2002, 163:245-261.

[4] Su C, Fu B, Lu Y, et al. Land use change and anthropogenic driving forces: A case study in Yanhe River Basin[J]. Chinese Geographical Science, 2011, 21(5):587-599.

[5] 葛全勝,趙名茶,鄭景云.20世紀中國土地利用變化研究[J],地理學(xué)報,2000,55(6):698-706.

[6] Liu Jiyuan,Liu Mingliang,Tian Hanqin, et al.Spatial and temporal patterns of China's cropland during 1990-2000: An analysis based on Landsat TM data[J]. Remote Sensing of Environment, 2005, 98: 442-456.

[7] Nakamura K, Kameyama S, Mizugaki S. Rapid shrinkage of Kushiro Mire, the largest mire in Japan, due to increased sedimentation associated with land-use development in the catchment[J]. Catena, 2004, 55: 213-229.

[8] 劉紀遠,dls.iogac.on,布和敖斯爾. 中國土地利用變化現(xiàn)代過程時空特征的研究──基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)[J].第四紀研究,2000(3):229-239.

[9] 宋開山,劉殿偉,王宗明.1954 年以來三江平原土地利用變化及驅(qū)動力[J].地理學(xué)報,2008, 63(1):93-104.

[10] 程磊,徐宗學(xué),羅睿等.渭河流域1980-2000 年LUCC時空變化特征及其驅(qū)動力分析[J]. 水土保持研究,2009,16(5):1-6,30．

[11] 張樹文,張養(yǎng)貞,李穎，等.東北地區(qū)土地利用/覆被時空特征分析[M].北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[12] 楊勝天,朱啟疆.人機交互式解譯在大尺度土壤侵蝕遙感調(diào)查中的作用[J]. 水土保持學(xué)報, 2000, 14(3): 88-91.

[13] 全斌. 土地利用覆蓋變化導(dǎo)論[M]. 北京: 中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2010.

[14] 樊玉山,劉紀遠主編.西藏自治區(qū)土地利用[M].北京:科學(xué)出版社,1994.

(責(zé)任編輯：季春陽)

The Research on the Spatial Pattern Change of Land Use Degree in Songnen Plain from 1986 to 2010

Tian Yang, Na Xiaodong, Zang Shuying

(Key Laboratory of Remote Sensing Monitoring of Geographic Environment, College of Heilongjiang Province, Harbin Normal University)

With the support of remote sensing and geographic information system technology, the change of land use type and main direction of transformation in Songnen Plain during 1986 to 2010 is analyzed in this study. 5km * 5km grid was used to sample the 4 phase (1986, 1995, 2000, and 2010) land use map, then land use degree index of each grid was calculated, and the degree of Songnen Plain land use spatial pattern and its change processing was analyzed during the recent 24 years. The results show that:(1) From 1986 to 2010, Songnen Plain land use land cover in the overall situation has changed significantly, the overall trend is that cultivated land, urban land and woodland increased, grassland, unused land, wetland and water area decreased. (2) From 1986 to 2010, the leading change in the overall land use in Songnen Plain is the transformation from other land cover types to cultivated land, the leading trends in the first 14 years is the change from grassland to cultivated land, and the leading trends in the last 10 years is the change from cultivated land to woodland . (3) The land use degree in the west of Songnen Plain is lower than that of the other region. The high value is concentrated on the strips in the central area. The land use degree is increasing during the past 30 years in the Songnen Plain. The land use degree is stable in the central area of Songnen Plain, while it increased in the northern area and decreased in the western area. A basis for the optimization of landscape pattern and the assessment of ecosystem service function are provided.

Land use degree; Spatial pattern; Songnen Plain; Land use change

2016-04-25

*黑龍江省普通高校青年骨干學(xué)術(shù)項目(1253G034)

P96

A

1000-5617(2016)03-0101-07

**通訊作者：naxiaodong_8341@163.com