1990—2015年延安市土地利用/覆被變化研究

張杰 張麗 王道蕓

摘要：基于延安市1990、2000、2010和2015年土地利用覆被數(shù)據(jù)，采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用變化速度、土地利用程度分析方法，研究1990—2015年土地利用覆被格局變化特征。結(jié)果表明，2000—2010年土地利用類型變化最明顯，耕地面積明顯減少，林地大幅度增加，建設(shè)用地面積明顯增加，其原因是退耕還林政策的實(shí)施及城市化的發(fā)展;1990—2000年和2010—2015年，土地利用變化較小，是因?yàn)檫@兩個(gè)階段分別處在退耕還林實(shí)施的初期和后期;在1990—2015年整個(gè)階段，土地利用處在調(diào)整時(shí)期，但土地利用覆被的總體格局沒有發(fā)生變化。

關(guān)鍵詞：延安市;土地利用/覆被變化;轉(zhuǎn)移矩陣;土地利用變化

中圖分類號(hào)：F301.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）08-0035-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.008? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： Based on land use and land cover data of Yan'an city in 1990， 2000， 2010 and 2015， the land-use cover change characteristic in different period was analyzed by using the methods of the land-use transition matrix， land-use change rate and land-use degree. The results showed that the land-use types had significantly changed from 2000 to 2010. The farmland area had significantly reduction， but the forestland area had increased greatly and the construction land area had increased significantly. The reason was the implementation of Grain for Green Program and the development of urbanization. In 1990—2000 and 2010—2015， the land-use change was relatively small， because these two periods were in the early and late stages of Grain for Green Program. During the whole period of 1990—2015， land use was in the time of adjustment， but the overall situation remained unchanged.

Key words： Yan'an city; land use and cover change; transition matrix; land use change

土地利用/覆被變化一直是全球生態(tài)環(huán)境研究的熱點(diǎn)問題，是自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)等諸多方面共同綜合作用的結(jié)果[1-3]。土地利用/覆被變化能夠揭示人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響[4]，對(duì)于改善人與自然的和諧關(guān)系具有重要的意義。延安市是黃土高原水土流失的重點(diǎn)區(qū)域，是人地關(guān)系極為尖銳的區(qū)域之一，惡劣的自然環(huán)境和不合理的土地利用使得該區(qū)域生態(tài)環(huán)境非常脆弱[5]。自1999年退耕還林工程實(shí)施以來，延安市各土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，因此，研究延安市的土地利用變化可為其土地資源可持續(xù)利用、土地整治規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

目前，對(duì)于黃土高原地區(qū)土地利用/覆被變化已有許多學(xué)者進(jìn)行研究[6-15]，而對(duì)于延安市中尺度區(qū)域的研究相對(duì)較少，無論是大尺度還是中尺度的研究，其研究的時(shí)間范圍都相對(duì)比較早，因此本研究以1990—2015年4期土地利用數(shù)據(jù)分析近25年來土地利用覆被變化特征。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

延安市位于陜北南部，介于東經(jīng)107°41′—110°31′，北緯35°21′—37°31′，西鄰甘肅省慶陽市，東與山西省臨汾市、呂梁市隔黃河相望，北接榆林市，南與咸陽市、銅川市、渭南市接壤。下轄2個(gè)區(qū)11個(gè)縣，包括寶塔區(qū)、安塞區(qū)、吳起縣、志丹縣、子長(zhǎng)縣、延川縣、延長(zhǎng)縣、甘泉縣、富縣、宜川縣、黃陵縣、洛川縣、黃龍縣。屬高原大陸性季風(fēng)氣候，年降水量500 mm左右，溫差較大，年平均氣溫7.7～10.6 ℃。地勢(shì)西北高東南低，平均海拔1 200 m左右，地貌以黃土高原、丘陵為主，是典型的黃土塬梁峁溝壑區(qū)。

1.2? 數(shù)據(jù)來源

分別采用1990、2000、2010、2015年4個(gè)時(shí)期的30 m空間分辨率土地利用覆被數(shù)據(jù)（來源于中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所）。由于該4期數(shù)據(jù)都是二級(jí)分類土地利用數(shù)據(jù)，土地利用類型眾多，所以參照土地利用現(xiàn)狀分類國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 21010-2017），將其合并為一級(jí)，分類并重新編碼，分別為1林地、2草地、3耕地、4水體、5建設(shè)用地和6未利用地6個(gè)土地利用類型。

1.3? 研究方法

1.3.1? 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣? 利用ArcGIS軟件統(tǒng)計(jì)4個(gè)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)，應(yīng)用柵格計(jì)算器工具，對(duì)1990—2000、2000—2010、2010—2015、1990—2015年4個(gè)時(shí)間段的前后兩期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行空間運(yùn)算獲得4期土地利用變化圖，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，其計(jì)算公式如下：

式中，Codea為研究時(shí)段內(nèi)初期土地利用類型編碼;Codeb是研究時(shí)段內(nèi)末期土地利用編碼;Code為兩期土地利用類型變化編碼[16]。

1.3.2? 土地利用變化速度? 在區(qū)域土地利用變化中，單一土地利用動(dòng)態(tài)度可以反映某一種土地利用類型的變化幅度和速度，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度可定量描述整體土地利用變化的速度[17]。其公式表達(dá)如下：

式中，Ua、Ub分別為研究區(qū)域初期和末期的土地利用類型數(shù)量;T為研究時(shí)間段長(zhǎng)度，當(dāng)T單位為年時(shí)，其結(jié)果K表示該土地利用類型的年變化率。

式中，Lui為研究時(shí)間段初期第i類土地利用面積;ΔLui-j為研究時(shí)間段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型的面積;T為研究時(shí)間段長(zhǎng)度，Lc為研究時(shí)間段內(nèi)的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。當(dāng)T單位為年時(shí)，Lc表示該研究區(qū)域的土地利用年變化率。

1.3.3? 土地利用程度變化? 土地利用是人與自然相互作用的結(jié)果，土地利用程度主要反映了人類與自然環(huán)境的綜合效應(yīng)，也揭示了土地利用類型的變化結(jié)果及綜合利用水平。土地利用綜合程度指數(shù)和土地利用程度變化率是反映土地利用程度的兩個(gè)重要指標(biāo)[18]。土地利用程度綜合指數(shù)由劉紀(jì)元[19，20]提出，需要將不同土地利用類型進(jìn)行土地利用分級(jí)（表1），再利用公式（4）計(jì)算得到。為了進(jìn)一步研究土地利用程度變化的發(fā)展情況，用土地利用程度變化率來確定各土地利用類型的變化趨勢(shì)。

式中，Ai表示土地利用分級(jí)指數(shù);Si為第i類土地利用面積;S為土地利用總面積;i為土地利用級(jí)別;n為分級(jí)數(shù);L為研究區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)。

式中，Lb為研究區(qū)b時(shí)間的第i級(jí)土地利用程度綜合指數(shù);La為研究區(qū)a時(shí)間的第i級(jí)土地利用綜合程度指數(shù);R為土地利用程度變化率。當(dāng)R>0時(shí)，該研究區(qū)土地利用處于發(fā)展期，否則處于調(diào)整期或衰減期。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 土地利用結(jié)構(gòu)及數(shù)量特征

從表2可以看出，延安市以林地占地面積最大，其次為草地、耕地、建設(shè)用地、水體和未利用地。1990—2015年林地總體呈增加趨勢(shì)，草地和水體保持相對(duì)穩(wěn)定，耕地呈遞減趨勢(shì)，建設(shè)用地和未利用地都呈增加趨勢(shì)。表3結(jié)果表明，25年間林地和耕地面積發(fā)生變化最明顯，林地經(jīng)過了“增加-增加-略微減少（相對(duì)穩(wěn)定）”三個(gè)階段，共增加面積277 091.01 hm2，耕地面積一直在減少，減少面積為327 758.13 hm2，總體時(shí)間段上，林地和耕地面積變化比例分別為7.50%和-8.87%，以2000—2010年變化最大，分別達(dá)到7.45%和-7.63%;草地經(jīng)過了先增加后減少再增加的階段，總體草地面積略有增加，增量為26 759.25 hm2，變化比例為0.73%;水體變化幅度較小，趨于穩(wěn)定;建設(shè)用地和未利用地都有所增加，并且發(fā)生最大變化的時(shí)間段在2000—2010年。

2.2? 土地利用類型轉(zhuǎn)移分析

表4至表7分別為4個(gè)時(shí)間段的土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣，其中每一行表示研究時(shí)段初期土地利用類型向末期土地利用類型轉(zhuǎn)化面積。由表4可知，耕地、水體和未利用地轉(zhuǎn)化比較明顯，耕地有32 682.78 hm2轉(zhuǎn)為其他土地利用類型，轉(zhuǎn)化率為3.942 7%，水體有3 354.84 hm2轉(zhuǎn)為其他土地利用類型，轉(zhuǎn)化率為29.647 9%，未利用地有69.75 hm2轉(zhuǎn)為其他土地利用類型，轉(zhuǎn)化率為8.306 5%。其中耕地主要轉(zhuǎn)化為草地和林地，轉(zhuǎn)化面積分別為24 728.40和5 665.14 hm2，轉(zhuǎn)化率分別為2.983 1%和0.683 4%;水體主要轉(zhuǎn)化為耕地和草地，轉(zhuǎn)化面積分別為1 960.38和998.37 hm2，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化率分別為17.324 6%和8.822 9%;未利用土地主要轉(zhuǎn)化為耕地和水體，有47.79 hm2轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)化率達(dá)5.691 3%，有15.03 hm2轉(zhuǎn)化為水體，其轉(zhuǎn)化率為1.789 9%。由此可知，耕地的減少成為草地和林地增加的主要來源，同時(shí)也是建設(shè)用地增加的主要來源。此外其他土地利用類型也有不同程度的相互轉(zhuǎn)化。1990—2000年，整體的土地利用類型變化不是很明顯，各土地利用類型保持相對(duì)穩(wěn)定。

從表5可以看出，耕地面積明顯減少（由? ? 804 563.01 hm2降到522 783.00 hm2），水體面積增加（由8 750.43 hm2增加到10 210.59 hm2），林 地面積大幅度增加（由1 482 519.60 hm2增加到1 757 696.94 hm2），草地面積略有減少（由1 376 830.53 hm2降到? 1 365 153.03 hm2），建設(shè)用地面積增加（從20 032.74 hm2增加到32 934.87 hm2），未利用地面積明顯增加（從848.97 hm2增加到4 766.85 hm2）。其中耕地轉(zhuǎn)為其他土地利用類型的面積達(dá)330 288.12 hm2，轉(zhuǎn)化率為41.051 9%，其中尤以轉(zhuǎn)化為林地和草地最為明顯，轉(zhuǎn)化率分別為9.758 6%和29.578 3%，所以林地和草地的增加主要來源是耕地的減少，然而由于林地轉(zhuǎn)出較少，草地轉(zhuǎn)出較多，使得總林地面積增加，草地面積減少。同理，雖然水體、建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)化率都較大，然而轉(zhuǎn)入的面積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出的面積，因此三者的面積都有所增加。在2000—2010年，各土地利用類型面積變化較大，各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化率也較大，整體土地利用類型變化比較明顯。

由表6可以看出，2010—2015年，耕地繼續(xù)減少，由522 783.00 hm2降低到501 190.29 hm2，林地面積略有減少，其他土地利用類型面積略有增加，但各土地利用類型的變化面積和轉(zhuǎn)化率都較小，總體土地利用變化不是很明顯，逐漸趨于穩(wěn)定。

由表7可知，1990—2015年，林地面積明顯增加（由1 478 877.12 hm2增加到1 755 968.13 hm2），耕地面積減少（由828 948.42 hm2降低到501 190.29 hm2），建設(shè)用地面積增加（由17 952.21 hm2增加到35 859.78 hm2），未利用地面積增加（由839.70 hm2增加到7 323.75 hm2），草地和水體面積變化較小。其中草地、耕地、水體、未利用地向其他土地利用類型轉(zhuǎn)化比例較大，分別為19.337 1%、45.234 1%、41.378 7%、45.991 4%。

2.3? 土地利用動(dòng)態(tài)變化分析

由表8可知，2000—2010年延安市各土地利用類型變化速度最快，其中耕地、建設(shè)用地和未利用地變化最明顯，分別為-3.502 3%、1.668 7%和46.146 8%;1990—2000年和2010—2015年兩個(gè)時(shí)間段土地利用變化速度相對(duì)較小;總時(shí)間段來看，耕地一直處于快速減少的狀態(tài)，建設(shè)用地和未利用地處于急劇增加的狀態(tài)。根據(jù)公式（3）計(jì)算各時(shí)段的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，得到延安市前（1990—2000年）、中（2000—2010年）、后（2010-2015年）3個(gè)時(shí)間段的土地利用年變化率，分別為0.064 3%、0.846 8%和0.086 9%。由此可知，1990—2000年土地利用變化較慢，2000—2010年土地利用變化較快，2010—2015年土地利用變化速度減慢，且2010—2015年變化速度略大于1990—2000年。

從土地利用程度綜合指數(shù)看出，隨著時(shí)間的變化，土地利用程度逐漸降低，且2000—2010年土地利用程度變化最大。由表9可知，第Ⅱ級(jí)面積比例增加，同時(shí)伴隨第Ⅲ級(jí)面積比例逐漸減少，導(dǎo)致土地利用程度降低。根據(jù)公式（5）計(jì)算得到1990—2000、2000—2010、2010—2015、1990—2015年土地利用程度變化率分別為-0.250 7%、-3.159 2%、-0.227 1%和-3.621 3%，可知3個(gè)階段都處于調(diào)整期，尤其以2000—2010年土地利用程度變化最明顯，因此25年以來延安市土地利用一直處于調(diào)整期。

3? 小結(jié)與討論

25年來，延安市土地利用類型發(fā)生了較大的變化，尤其是2000—2010年，土地利用類型的轉(zhuǎn)化速度、幅度和土地利用程度最為明顯，是因?yàn)樽?999年國(guó)家和政府大力實(shí)施退耕還林政策及更早些年的“三北防護(hù)林工程”，1990—2000年，耕地面積開始逐漸減少，林地面積慢慢增加，到2000—2010年，這一變化幅度進(jìn)一步增大，而2010—2015年，各土地利用類型變化逐漸減小，這些政策的實(shí)施已經(jīng)逐漸使土地利用接近達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，但仍處在一個(gè)小幅度調(diào)整的狀態(tài)?？傮w來說，1990—2015年，土地利用處在一個(gè)調(diào)整的時(shí)期，耕地面積總趨勢(shì)在減少，林地和草地面積在不斷地增加，但土地利用覆被的總體格局沒有發(fā)生變化，其格局為林地>草地>耕地>建設(shè)用地>水體>未利用地。另一方面，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人口的增長(zhǎng)和城市化的發(fā)展，導(dǎo)致對(duì)土地需求量增加，所以自1990年以來，建設(shè)用地面積一直在不斷地增加，而對(duì)于未利用地面積的增加，原因主要是土地尚在開發(fā)中并未形成建設(shè)用地，也可能是人為的過度開墾土地造成的。

本研究雖然從土地利用類型的基本結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)化幅度、轉(zhuǎn)化速度、轉(zhuǎn)化率和土地利用程度等方面揭示了1990—2015年土地利用覆被變化特征，但由于該研究區(qū)域土地利用類型破碎，對(duì)于面積較小的土地利用類型遙感影像解譯結(jié)果并不理想，如未利用地、水體等的變化也可能是受分類精度的影響。而且延安市位于黃土高原腹地，是國(guó)家和政府高度重視生態(tài)建設(shè)的區(qū)域之一，其土地利用變化特點(diǎn)受國(guó)家政策影響較大，雖然在過去的25年，對(duì)土地利用進(jìn)行了合理的整治規(guī)劃，但隨著社會(huì)的日益發(fā)展，未來可能會(huì)出現(xiàn)更多問題影響土地利用的變化趨勢(shì)，因此應(yīng)該進(jìn)一步分析土地利用變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)未來土地變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的不同問題。

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收稿日期：2019-01-25

基金項(xiàng)目：山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（201703D211002-2-1）

作者簡(jiǎn)介：張? 杰（1990-），男，山東濰坊人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)?S技術(shù)及應(yīng)用，（電話）17600661648（電子信箱）gis112zj@163.com;通信作者，張? 麗，女，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究，（電子信箱）2057461510@qq.com。