2001-2013年中國西北地區(qū)土地利用變化 的時空格局分析

賈菊桃 吳彩燕 張建香 成春節(jié)

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽 621010；2.隴東學(xué)院土木工程學(xué)院 甘肅慶陽 745000)

自20世紀(jì)以來，人類對土地資源的開發(fā)利用日益活躍，進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，全球土地利用變化促進(jìn)了土地利用的研究，改變了人們對于土地利用及其研究方式的認(rèn)識，土地利用被賦予了新的含義[1]。

1922年在美國密執(zhí)安州由索爾領(lǐng)導(dǎo)的土地調(diào)查，開創(chuàng)了區(qū)域土地綜合利用的先例，而1950年之后土地分區(qū)已跨入實質(zhì)階段[2]。隨后多個國家也陸續(xù)開展土地利用的研究 ，如Daniel 等1999年在芝加哥地區(qū)實施的土地功能分區(qū)，在一定程度上解決了土地混合使用帶來的問題[3]，Christopher 2005年提出土地利用分區(qū)應(yīng)體現(xiàn)實用性原則，并采用獨(dú)立劃分模型展開實證分析[4]。2014年以來，國外土地利用與規(guī)劃研究集中于土地利用動態(tài)監(jiān)測、土地利用變化、土地利用規(guī)劃和土地利用管理4個方面，重視對公眾利益、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的綜合考慮[5]。

在國內(nèi)，早期土地利用分區(qū)主要應(yīng)用于大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求[6]。研究區(qū)域氣候、植被、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)及土地利用方向等指標(biāo)，采用定性手段對區(qū)域土地利用進(jìn)行分區(qū)[7]。趙其國在20世紀(jì)90年代詳細(xì)論述了我國土地資源的數(shù)量及合理利用途徑，并根據(jù)土地資源利用特點(diǎn)將我國分成8個土地利用區(qū)[3]。周生路2000 年采用遙感解譯地域歸類方法，研究桂林市土地利用地域分區(qū)，并就兩種方法進(jìn)行比較[4]。2014以后，在新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的引導(dǎo)下，國內(nèi)土地利用與規(guī)劃研究以“集約高效”、“生態(tài)文明”為主題，圍繞土地利用調(diào)查與監(jiān)測、土地利用變化、土地利用評價、土地利用規(guī)劃及土地利用管理方面展開[5]。

目前，國內(nèi)對土地利用的研究大多基于行政區(qū)劃完整性和綜合性原則，在進(jìn)行土地利用分類研究時，分類精度一般選擇11類或更少，而我國西北地區(qū)土地總面積占中國的31%，人口僅占全國的7%，是一個地廣人稀的區(qū)域[8]，但由于自然、人文和政治等因素影響，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，因此對西北地區(qū)土地利用變化進(jìn)行研究，總結(jié)土地利用變化特點(diǎn)及趨勢，從而合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與調(diào)整，對該區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義[9]。本文選取西北地區(qū)作為研究區(qū)，采用IGBP(國際地圈-生物圈計劃)定義的17類土地利用，以更精確的分類方法研究13年內(nèi)不同土地類型間的變化。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)地理位置

我國西北地區(qū)有著悠久的文化和歷史。 其大致處于大興安嶺以西，長城和昆龍山—阿爾金山以北，包含新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)、甘肅省北部和青海北部。深居內(nèi)陸，距海遙遠(yuǎn)。位于73°33′E至123°E，37°S至50°S之間，總面積約306.99萬km2[10](圖1)。

圖1 中國西北地區(qū)區(qū)位圖Fig. 1 Location map of northwest China

1.2 自然條件及社會經(jīng)濟(jì)條件

我國西北地區(qū)幅員遼闊,土地面積達(dá)306.99萬km2,占全國土地總面積的31.39%。地跨亞熱帶、暖溫帶、溫帶和寒溫帶。由于本區(qū)南北跨度大,地理環(huán)境復(fù)雜,生態(tài)條件多樣,故野生動植物種類繁多,其中有許多是我國稀有珍貴的品種[9-11]。

西北地區(qū)是中國的內(nèi)陸省份，自然環(huán)境和資源與沿海地區(qū)存在巨大懸殊，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中, 與其它區(qū)域的發(fā)展不平衡, 不僅空間差異明顯, 發(fā)展階段有別, 而且經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、社會歷史和文化背景各異, 并呈現(xiàn)拉大的趨勢[12]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

(1) MODIS土地覆蓋類型產(chǎn)品包括每年從Terra星數(shù)據(jù)中提取的不同分類方案的土地覆蓋特征數(shù)據(jù)的分類產(chǎn)品?；镜耐恋馗采w分為IGBP定義的17類土地利用，包括11類自然植被分類，3類土地利用和土地鑲嵌以及3類無植生土地分類[13]。

(2)本文從NASA網(wǎng)(https://earthdat a nasa gov/)下載覆蓋西北地區(qū)2001年、2007年和2013年MODIS MCD12Q1土地覆被數(shù)據(jù)， 使用MRT軟件進(jìn)行影像拼接、格式轉(zhuǎn)換(hdf-tiff)，其次使用ArcGIS 9.3軟件，利用西北地區(qū)DEM地圖對西北土地利用影像進(jìn)行掩膜提取研究區(qū)影像，隨后轉(zhuǎn)換為shp格式數(shù)據(jù)，并分別將每兩期解譯完的影像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和疊置分析，在屬性表中新建字段同時進(jìn)行幾何計算，最后在Excel中制作土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

2.2 研究方法

(1)結(jié)構(gòu)分析法

土地利用結(jié)構(gòu)分析法是根據(jù)影像解譯得到研究區(qū)2001年、2007年和2013年的土地利用現(xiàn)狀圖(圖2-圖4)，對研究時段土地利用變化進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到研究區(qū)土地利用變化的面積及其所占的比例[1]。

圖2 西北地區(qū)2001年土地利用現(xiàn)狀Fig.2 Status of land use in northwest China in 2001

圖3 西北地區(qū)2007年土地利用現(xiàn)狀Fig.3 Status of land use in northwest China in 2007

圖4 西北地區(qū)2013年土地利用現(xiàn)狀Fig.4 Status of land use in northwest China in 2013

(2)土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度，代表一定范圍內(nèi)土地利用的變化率，反映土地利用狀況和區(qū)域分化特征的動態(tài)變化，定量描述土地利用的年變化，它對對比土地利用轉(zhuǎn)變的地區(qū)差異和展望未來土地利用變化的趨向都具有重要意義[14]。

K=(Ub-Ua)/Ua/T×100%

式中，K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度；Ua,Ub分別為研究區(qū)初期及末期某一種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段的時間間隔，當(dāng)T時段為年時，K即為土地利用類型的年變化率。

(3)轉(zhuǎn)移矩陣法

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映一個區(qū)域開始結(jié)束期間土地轉(zhuǎn)換動態(tài)過程，包括一個特定區(qū)域內(nèi)靜態(tài)時間點(diǎn)的所有土地類型數(shù)據(jù)，是體系與體系狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，表征區(qū)域土地利用變化的特征與不同類型土地年際動態(tài)變化方向與數(shù)量。通用形式一般為[15]：

式中:S代表面積，n代表轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù)，i,j分別代表轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型，Sij代表轉(zhuǎn)移前的i地類轉(zhuǎn)換成j地類后的面積[15]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時空變化

3.1.1 土地利用變化結(jié)構(gòu)特征

土地利用結(jié)構(gòu)分析法是在IGBP數(shù)據(jù)庫分類的基礎(chǔ)上，使用GIS和遙感軟件，對研究時段的土地利用統(tǒng)計分析，得到研究區(qū)土地利用變化的面積及所占的比例(表1)。

3.1.2 土地利用/覆被變化速率

土地利用變化速率通常用土地利用類型的動態(tài)度來表示。按照上節(jié)所述公式，計算得到中國西北地區(qū)2000-2013年時段內(nèi)土地利用的年變化率(表2)。

3.1.3 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

在 Arc GIS 軟件下，對西北地區(qū)2000，2007，2013 年土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行空間疊加分析，得出研究時段內(nèi)土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣(表3-表5)，據(jù)此揭示不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律。

表1 研究區(qū)土地類型分布特征Table 1 The distribution characteristics of land types in the study area

表2 西北地區(qū)2001-2013年土地利用年變化率Table 2 Annual change rate of land use in northwest China from 2001 to 2013

表3 2001-2013年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(單位：km2)Table 3 Land use type transfer matrix from 2001 to 2013(unit: km2)

注：①表中數(shù)據(jù)為地類間面積轉(zhuǎn)移量；②表中地類代碼：0水，1常綠針葉林，2常綠闊葉林，3落葉針葉林，4落葉闊葉林，5混交林，6郁閉灌叢，7開放灌叢，8多樹的草原，9稀疏草原，10草原，11永久濕地，12作物，13城市和建成區(qū)，14作物和自然植被鑲嵌體，15雪、冰，16裸地或低植被覆蓋地。

表4 2001-2007年主要土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(單位：km2)Table 4 The main land use type transfer matrix from 2001 to 2007(unit: km2)

注：同表3。

表5 2007-2013年主要土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(單位：km2)Table 5 The main land use type transfer matrix from 2007 to 2013(unit: km2)

注：同表3。

3.2 土地利用變化分析

結(jié)合上述所得結(jié)果分析可知，西北地區(qū)2001-2013年間，土地利用變化表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

(1)分析表1可知，13年間，17種土地類型中，所占比例最大的五類土地面積都為裸地或低植被覆蓋地鑲嵌體、草原、作物、混交林和開放灌叢，且裸地或低植被覆蓋地和草原是西北地區(qū)的主要利用類型，二者面積之和占比達(dá)到總土地利用面積的80%，而水域，闊葉林、城市和建成區(qū)、永久濕地等土地利用面積相對很少，其總面積之和占比不到總土地利用面積的2%。

(2)由表2分析得，研究時段內(nèi)，17類土地利用類型中，除常綠闊葉林、落葉闊葉林、郁閉灌木、稀疏草原、多樹的草原和裸地或低植被覆蓋鑲嵌地有所減少，其他11類土地面積均有所增加。其中面積減少速率最快的土地類型為常綠闊葉林，年變化率達(dá)到了-7.37%，面積增加速率最快的土地類型為常綠針葉林，其年變化率達(dá)到了30.43%，面積增量最大為草原，減少量最大是裸地或低植被覆蓋鑲嵌地。

(3)結(jié)合表3-表5可知，2001-2007年7年間，土地利用面積增加最為明顯的是草原、作物和混交林，其中草原增加面積主要來源于裸地或低植被覆蓋鑲嵌地和作物；作物增加面積主要來源于草原、開放灌叢和自然植被鑲嵌體；混交林增加面積主要來源于落葉闊葉林和作物。而2007-2013年間，土地利用數(shù)量增加最為明顯的是作物、落葉闊葉林和開放灌叢，其中作物增加面積主要來源于草原、開放灌叢和裸地或自然植被覆蓋體；落葉闊葉林增加面積主要來源于混交林和作物或自然植被鑲嵌體；開放灌叢增加面積主要來源于草原和裸地或低植被覆蓋鑲嵌體。

2001-2007年間，土地數(shù)量減少最為明顯的為裸地或低植被覆蓋鑲嵌體、落葉闊葉林和多樹的草原，其中裸地或低植被覆蓋鑲嵌體的主要去向是開放灌叢和草原；落葉闊葉林主要去向是混交林；多樹的草原主要去向是混交林和草原。而2007-2013年間，土地利用數(shù)量減少最為明顯的是裸地或低植被覆蓋鑲嵌體、草原、和多樹的草原，其中裸地或低植被覆蓋鑲嵌體的主要去向是開放灌叢、作物和雪、冰；草原主要去向是裸地或低植被覆蓋鑲嵌體、作物和開放灌叢；多樹的草原主要去向是混交林和草原；

分析13年內(nèi)土地變化，增加最為明顯的是草原、作物和混交林，其中草原增加面積主要來源于裸地或低植被覆蓋鑲嵌體和作物；作物增加面積主要來源于裸地或低植被覆蓋鑲嵌體和草原；混交林增加面積主要來源于作物、草原和落葉闊葉林；減少最為明顯的為郁閉灌叢、多樹的草原和裸地或低植被覆蓋鑲嵌體，其中郁閉灌木的主要去向是混交林；多樹的草原主要去向是混交林和草原；裸地或低植被覆蓋地鑲嵌體主要去向是開放灌木和草原。

4 結(jié)論與討論

土地利用變化是自然環(huán)境和人類活動綜合作用的結(jié)果，特別是人類活動對自然環(huán)境和土地生態(tài)系統(tǒng)引起的土地變化尤為明顯。 西北地區(qū)存在著多種不同的生產(chǎn)和生活方式，在自然和人類活動的共同影響下，2001-2013年該區(qū)域土地利用類型發(fā)生了較為明顯的變化。

在西北地區(qū)土地利用變化過程中草原、混交林和開放灌叢等土地面積增量明顯，地表林草植被覆蓋地顯著增加，郁閉灌叢、多樹的草原和裸地或低植被覆蓋鑲嵌體等土地數(shù)量減少明顯，說明西北區(qū)域在研究時段內(nèi)，國家實施“退耕還林(草)”、“三北防護(hù)林工程”、小流域治理和其他林業(yè)生態(tài)工程成就顯著，顯現(xiàn)出西北地區(qū)土地結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化以及土地利用變化趨于合理。但是，2013的西北地區(qū)裸地或低植被覆蓋體土地利用面積占比仍超過45%，所以有關(guān)部門應(yīng)加大加快裸地和低植被覆蓋體轉(zhuǎn)化為林地等的整治措施，在一定程度上減少滑坡、泥石流、沙漠化等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，希望通過一系列措施的實施，能夠有效地防止水土流失、風(fēng)蝕沙化，使區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，土地利用更為合理。

由于數(shù)據(jù)約束，本文只對西北地區(qū)2001-2013年13年的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，而土地利用受自然、人文與政治等多因素的影響，有必要對其進(jìn)行長期研究，因此在未來的一段時間內(nèi)，在數(shù)據(jù)已更新的條件下將會做進(jìn)一步的研究。