升金湖濕地土地利用變化及其驅(qū)動力

葉小康, 董　斌, 陳凌娜, 黃　慧, 王　成, 巫　婧

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，安徽 合肥 230036)

濕地是地球上多功能、富有生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)，是人類最重要的生存環(huán)境之一.它不僅為人類提供了大量珍貴的自然資源，而且在維持生態(tài)平衡、保持生物多樣性和珍稀物種資源以及涵養(yǎng)水源、蓄洪防旱、降解污染、調(diào)節(jié)氣候、補(bǔ)充地下水、控制土壤侵蝕等方面均具有不可替代的綜合功能[1].研究[2-5]表明，濕地土地利用變化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)密切相關(guān)，而要分析土地利用及覆蓋變化，則必須對其變化過程及驅(qū)動力進(jìn)行研究[6].當(dāng)前，土地利用及覆蓋變化已成為國內(nèi)外學(xué)者研究土地利用變化領(lǐng)域中的一個重要課題[7-15].

升金湖濕地是以保護(hù)淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)以及珍稀和瀕危鳥類為主體的濕地類型保護(hù)區(qū)[16]，近年來由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口快速增長和生產(chǎn)開發(fā)活動不斷升級，升金湖濕地生態(tài)系統(tǒng)面臨著巨大的壓力.本研究旨在為升金湖濕地土地利用格局優(yōu)化、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及恢復(fù)提供參考.

1　研究區(qū)概況

升金湖濕地位于安徽省池州市境內(nèi)，瀕臨長江，位于116°55′—117°15′E ，30°15′—30°30′N，橫跨池州市貴池區(qū)和東至縣，總面積3 3340 hm2.保護(hù)區(qū)以升金湖為主體，由升金湖及周圍的灘地組成，即保護(hù)區(qū)境內(nèi)沿湖四周 2.5 km以內(nèi)的陸地部分.全區(qū)分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)，核心區(qū)即升金湖，位于保護(hù)區(qū)的中心區(qū)域，由湖面和湖灘組成.其中湖面分為三部分，即上湖、中湖和下湖.

2　方法

2.1　數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

考慮影像質(zhì)量及時段等要求，本文綜合選取升金湖濕地1986年2月13日、1990年2月8日、1995年12月7日、2000年1月8日、2004年1月15日、2008年12月10日、2011年1月1日、2015年1月13日的Landsat TM影像(影像均來源于地理空間數(shù)據(jù)云)，運用ERDAS 9.3軟件對影像進(jìn)行波段融合、幾何校正、圖像裁剪、圖像增強(qiáng)及監(jiān)督分類等數(shù)據(jù)預(yù)處理.結(jié)合升金湖濕地實際情況及相關(guān)土地利用分類文獻(xiàn)，將升金湖濕地土地利用分為8類，即草地、旱地、林地、水域、水田、蘆葦沼澤、灘涂及其他用地(考慮影像限制，將建設(shè)用地、空閑地等統(tǒng)一并入其他用地)；并利用ArcGIS 10.3對各地類面積進(jìn)行計算，統(tǒng)計各地類面積.分類后結(jié)合外業(yè)調(diào)繪對8期影像分類結(jié)果進(jìn)行檢驗，kappa系數(shù)均大于0.85，表明分類結(jié)果的精度較高.

2.2　土地利用變化幅度分析

采用土地利用變化幅度方法計算研究區(qū)各類土地利用類型在某時間段內(nèi)面積的變化.土地利用變化幅度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中，Rl為研究時段內(nèi)某一類型土地利用的變化幅度，Ub、Ua分別為研究初期和末期某一類型用地的面積.

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，它不僅反映了土地利用過程中土地本身的自然屬性，同時也反映了人類因素和自然環(huán)境因素的綜合效應(yīng).根據(jù)樊玉山等[17]提出的土地利用程度綜合分析方法，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態(tài)分成若干等級，并賦予分級指數(shù)，灘涂、蘆葦沼澤，林地、草地、水域，水田、旱地，居住用地、交通用地的分級指數(shù)分別為1、2、3、4，并據(jù)此計算土地利用程度綜合指數(shù).

(2)

式中，La為研究區(qū)域內(nèi)的土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為研究區(qū)域內(nèi)的第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci為研究區(qū)域內(nèi)的第i級土地利用類型面積百分比.

2.4　灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是由鄧聚龍[18]首創(chuàng)的灰色系統(tǒng)理論中的一種分析方法，它能夠根據(jù)各因素變化曲線幾何形狀的相似程度，判斷因素之間的關(guān)聯(lián)程度.關(guān)聯(lián)度系數(shù)越高，則因子間相關(guān)程度越高.

關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式為：

(3)

式中，ρ為分辨系數(shù)，ρ的一般取值區(qū)間為(0,1)，通常取值0.5.

關(guān)聯(lián)度計算公式為：

(4)

3　結(jié)果與分析

3.1　土地利用變化趨勢

基于升金湖保護(hù)區(qū)8期TM影像，對升金湖濕地1986年、1990年、1995年、2000年、2004年、2008年、2011年、2015年共8期數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析(圖1)，得到該區(qū)域各地類面積(表1)，并據(jù)此分析各時間段內(nèi)各地類面積的變化趨勢(圖2).

圖1　升金湖濕地土地利用類型分類圖Fig.1　Classification map of land use types in Shengjin Lake wetland

hm2

從圖1、2可以看出，研究區(qū)各類土地利用類型面積在1986—2015年雖有波動，但林地、旱地、水域及蘆葦沼澤的面積總體上仍呈減小趨勢；而草地、水田、灘涂及其他用地的面積總體上呈增大趨勢.林地面積在1986—2008年大幅減小，原分布于升金湖南部的大片林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、旱地及其他用地?008—2015年林地面積逐漸增大，增大的部分主要來源于退耕還林及人工造林.旱地面積在1986—2015年呈先減后增再減的趨勢.2008—2011年旱地面積雖有小幅增大，但總體仍在減小，減小的部分主要轉(zhuǎn)變?yōu)樗?、其他用地及草?水域面積在1986—2000年逐漸增大，增大的部分主要由灘涂及蘆葦沼澤轉(zhuǎn)化而來;而2000年以后水域面積持續(xù)減小，減小的部分主要轉(zhuǎn)變?yōu)闉┩考安糠趾档睾退?蘆葦沼澤面積在1986—2015年總體呈減小趨勢，變化較為平緩.草地面積在1986—2015年持續(xù)增大，增大的部分主要來源于林地及旱地.水田面積在1986—1990年增速較快，1990年之后水田面積雖有波動，但變化較為平緩.總體來看1986—2015年水田面積呈增長趨勢，增加的部分主要來源于旱地及部分其他用地.灘涂面積在1986—2000年逐漸減小，減小的部分主要轉(zhuǎn)變?yōu)樗?2000—2015年灘涂面積呈先增后減再增的趨勢，較1986年而言灘涂面積總體仍呈增長趨勢.其他用地面積在1986—2004年持續(xù)減小，主要是其他用地中的空閑地轉(zhuǎn)變?yōu)樗?、旱地?004—2008年其他用地面積大幅增大，增大的部分主要為建設(shè)用地，并且主要來源于旱地；2008年以后其他用地面積略有減小，空閑地已大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地.

圖2　1986—2015年土地利用類型面積的變化趨勢Fig.2　Change trend for area of different land use types from 1986 to 2015

3.2　土地利用變化幅度

基于1986—2015年研究區(qū)各類土地利用類型的總面積，利用式(1)計算出研究區(qū)1986—2015年各地類面積變化量及變化幅度，結(jié)果如表2及圖3所示.

表2　1986—2015年升金湖土地利用類型面積的變化幅度Table 2　Change range of land use area in Shengjin Lake from 1986 to 2015

從表2及圖3可以看出，1986—2015年升金湖濕地土地利用類型中，面積變化最大的是旱地，減小了3 912.84 hm2，減幅為38.38%；其余面積變化從大到小依次為灘涂、草地、水田、林地、水域、蘆葦沼澤、其他用地.灘涂面積增加2 416.53 hm2，草地面積增加1 841.29 hm2，水田面積增加1 666.98 hm2，林地面積減少1 230.5 hm2，水域面積減少661.72 hm2，蘆葦沼澤面積減少587.2 hm2，其他用地面積增加467.46 hm2.

1986—2015年升金湖濕地土地利用類型中，土地利用變化幅度最大的是水田，變化幅度達(dá)到109.74%；其余依次為草地、灘涂、蘆葦沼澤、旱地、其他用地、林地、水域，其中草地變化幅度為92.82%，灘涂變化幅度為90.54%，蘆葦沼澤變化幅度為-39.09%，旱地變化幅度為-38.38%，其他用地變化幅度為18.39%，林地變化幅度為-18.04%，水域變化幅度為-10.83%.

3.3　土地利用程度指數(shù)

利用式(2)計算出1986—2015年升金湖濕地土地利用變化程度綜合指數(shù)(圖3)，結(jié)果表明，1986—2015年升金湖濕地的土地利用程度綜合指數(shù)總體上為200～300.說明本地區(qū)土地利用程度總體上處于中等水平，土地利用處于發(fā)展時期，且受人類活動影響較大.

a.升金湖濕地1986—2015年地類變化趨勢;b.升金湖濕地1986—2015年土地利用變化程度指數(shù).圖3　1986—2015年升金湖土地利用類型面積及土地利用程度指數(shù)的變化Fig.3　Area and land use composite index of different land use types for Shengjin Lake from 1986 to 2015

1986—1995年土地利用程度綜合指數(shù)呈上升趨勢，由1986年的237.87%上升到1995年的242.23%，變化量為4.36%，年均變化量為0.484%.說明這一時段內(nèi)升金湖濕地土地利用程度逐步提高，土地利用處于發(fā)展期.1995—2004年土地利用程度綜合指數(shù)呈下降趨勢，由1995年的248.23%下降到2004年的230.08%，變化量為-12.15%，年均變化量為-1.35%.說明這一時段內(nèi)升金湖濕地土地利用處于調(diào)整期.2004—2008年土地利用程度綜合指數(shù)呈上升趨勢，由2004年的230.08%提高到2008年的240.59%，變化量為10.51%，年均變化量為2.63%.這一時段內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)雖不及1995年的242.23%，但土地利用也處于發(fā)展期，土地利用程度正在穩(wěn)步提升.2008—2015年土地利用程度指數(shù)逐漸下降，2015年土地利用程度指數(shù)降為228.46%，為歷年最低水平.造成這一現(xiàn)象的主要原因是第1等級的灘涂面積大幅增大，而第2等級的水域面積大幅減小，導(dǎo)致計算結(jié)果偏低.

3.4　土地利用變化驅(qū)動力

土地利用變化驅(qū)動力是指對土地利用類型變化產(chǎn)生影響的各因子，主要包括社會經(jīng)濟(jì)因子及自然因子.一般而言，自然因子對土地利用類型起到一定的限制作用，對土地利用變化的總趨勢影響較??；而社會經(jīng)濟(jì)因子往往對一個區(qū)域的土地利用類型起決定性作用，對土地利用變化的總趨勢影響較大.就升金湖地區(qū)而言，自然因子起到一定的限制作用，而社會經(jīng)濟(jì)因子對土地利用類型變化的影響更顯著.

3.4.1驅(qū)動因子定性自然因子包含以下三方面.(1)地形地貌：地形地貌對某一區(qū)域土地利用類型的影響較為直接，往往決定該區(qū)域能否作為某種用地類型.升金湖濕地東南岸為低山丘陵，該區(qū)域主要用地類型為林地，不適宜進(jìn)行農(nóng)業(yè)開發(fā).但近年來由于諸多因素的交叉影響，南部大部分林區(qū)變?yōu)楹档亍⒉莸丶捌渌玫?保護(hù)區(qū)西北部為平原圩畈，該區(qū)域地形平坦，適宜人類生存，主要被開發(fā)為旱地、水田及其他用地.(2)土壤：土壤的種類及肥沃程度對某一區(qū)域的利用類型具有較大影響.一般而言土壤越貧瘠越不適宜進(jìn)行農(nóng)業(yè)開墾種植.升金湖保護(hù)區(qū)境內(nèi)的圩畈區(qū)分布有肥沃的水稻土，再加上該區(qū)域地形起伏較小，因此被大量開發(fā)為農(nóng)田.(3)氣候：氣溫、光照、水文等氣候條件對某一區(qū)域的土地利用方式具有指導(dǎo)性作用.升金湖屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱潮濕，光照充足，降水豐沛，適宜多種農(nóng)作物生長.氣候異常時，比如降雨量變化、氣溫變化等均會對升金湖濕地土地利用類型面積變化產(chǎn)生一定影響，尤其是水域面積及灘涂面積.

社會經(jīng)濟(jì)因子包含以下三方面.(1)人口數(shù)量變化：人口數(shù)量的增加不僅意味著對糧食等作物需求的增加，同時對土地的需求也相應(yīng)增加.有研究表明，人口數(shù)量與糧食總產(chǎn)量及耕地面積呈正相關(guān)關(guān)系[19].就升金湖濕地而言，耕地(水田)面積增加的方式主要來源于開墾灘涂及旱地.(2)經(jīng)濟(jì)發(fā)展：經(jīng)濟(jì)發(fā)展對區(qū)域土地利用方式起重要的推動作用.當(dāng)各類用地在開發(fā)利用的同時兼顧經(jīng)濟(jì)利益，則必然伴隨著能夠帶來經(jīng)濟(jì)利益的土地利用類型面積的擴(kuò)大.在這一階段中，改變最為明顯的就是建設(shè)用地面積的增加.在升金湖地區(qū)，農(nóng)民為了提高收入，一方面會通過改善技術(shù)手段提高產(chǎn)量，另一方面則會通過擴(kuò)大耕地面積來實現(xiàn)增收.(3)政策因素：政策因素能主導(dǎo)一個區(qū)域的土地利用方式.升金湖是國家級濕地保護(hù)區(qū)，因此各類土地利用類型應(yīng)在“保護(hù)”這一原則前提下，進(jìn)行合理開發(fā)利用，且不能對該片區(qū)域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響.

3.4.2驅(qū)動因子定量驅(qū)動因子定性分析無法判別研究區(qū)各類土地利用類型變化的主導(dǎo)驅(qū)動因子，在堅持科學(xué)性、主導(dǎo)性和數(shù)據(jù)可獲取性等原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)吳澤寧等[20]、左其亭等[21]研究成果，并結(jié)合升金湖濕地實際情況，綜合確定本文驅(qū)動因子.自然因子選取年降雨量(Y1)、年均溫(Y2)、水資源總量(Y3)等，社會經(jīng)濟(jì)因子選取總?cè)丝?Y4)、農(nóng)業(yè)人口(Y5)、糧食總產(chǎn)量(Y6)、農(nóng)民人均純收入(Y7)、生產(chǎn)總值(Y8)、農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值(Y9)等，對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法，具體分析升金湖濕地土地利用變化的驅(qū)動因子，應(yīng)用DPS 7.55軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表4所示.

表3　升金湖濕地8期驅(qū)動因子數(shù)據(jù)Table 3　Eight-phase driving factors of Shengjin Lake wetland

表4　升金湖濕地土地利用變化驅(qū)動因子關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 4　Correlation coefficient of driving factors of land use change for Shengjin Lake wetland

從表4、5可以看出，每種土地利用類型變化都有其主導(dǎo)驅(qū)動因子，其中林地與其他用地面積變化的主導(dǎo)驅(qū)動因子均為總?cè)丝?，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.648 4和0.503 4；草地面積和灘涂面積變化的主導(dǎo)驅(qū)動因子均為年降雨量，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.581 6和0.456 5；旱地面積、水域面積及蘆葦沼澤面積變化的主導(dǎo)驅(qū)動因子均為水資源總量，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.622 7、0.997 6和0.646 9；水田面積變化的主導(dǎo)驅(qū)動因子為農(nóng)業(yè)人口，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.618 4.

各驅(qū)動因子并非單一作用于某一土地類型面積變化，而是多種驅(qū)動因子共同對某一土地類型面積變化產(chǎn)生影響.社會經(jīng)濟(jì)因子中尤以人口數(shù)量變化的影響最為顯著.以林地面積變化為例，在自然狀態(tài)下，林木的成型主要與氣候因子有關(guān)，林地的變化也較為緩慢.而升金湖地區(qū)林地面積在1986—2008年持續(xù)減小，該時段內(nèi)人口卻呈逐漸增加.這種現(xiàn)象是由于早期升金湖地區(qū)保護(hù)意識較弱，毀林開荒、亂砍濫發(fā)現(xiàn)象比較嚴(yán)重，致使林地面積大幅減小.2008年以后，政府加大了對升金湖的保護(hù)力度，并且采用一些生態(tài)補(bǔ)償措施，如人工造林、經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)?，對林地等的恢?fù)起到了重要作用.另外，保護(hù)區(qū)人口增長一方面造成食物性資源需求越來越高，相應(yīng)的生產(chǎn)性用地需求如對耕地等的需求也逐漸增加；另一方面人口增長使得人們對建設(shè)性用地的需求也越來越高.因此，為了改善生存條件，大片土地被開發(fā)為耕地、居住用地及交通用地.升金湖地區(qū)旱地、水田、灘涂、水域和其他用地面積等的變化趨勢也能說明這一點.總體來看人口數(shù)量變化和氣候因子是升金湖濕地土地利用變化的主導(dǎo)驅(qū)動因子，其中人口數(shù)量變化占重要地位.

4　小結(jié)

本文應(yīng)用地理信息技術(shù)對升金湖8期影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯分析，并結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法對研究區(qū)土地利用變化的驅(qū)動力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：1986—2015年，升金湖濕地土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，灘涂、草地、水田及其他用地面積總體在增加，且灘涂面積增加量最大，面積增大2 416.53 hm2，增幅達(dá)90.54%；而旱地、林地、水域及蘆葦沼澤面積總體上在減小，其中旱地面積轉(zhuǎn)移量最大，共轉(zhuǎn)移3 912.84 hm2，并且主要轉(zhuǎn)變?yōu)樗?、其他用地及草?

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