2008-2013年晉北地區(qū)土地利用／覆被變化研究

王國玲　李艷紅　蘇志珠　李想　馬義娟

摘要：旨在了解人類活動對晉北地區(qū)土地利用/覆被變化（LUCC）的影響，為研究區(qū)合理利用土地資源、優(yōu)化土地利用格局以及促進區(qū)域經(jīng)濟社會協(xié)調發(fā)展提供科學依據(jù)。利用晉北地區(qū)2008-2013年的TM遙感影像數(shù)據(jù)，在ERDAS、ArcGIS等軟件的技術支持下，解譯影像處理數(shù)據(jù)并建立土地利用變化轉移矩陣，對研究區(qū)域近5年來土地利用/覆被變化進行研究。結果表明：2008-2013年期間，晉北地區(qū)耕地面積減少62561.10 hm2，林地增加55774.23 hm2，居民工礦建設用地增加22895.49 hm2，草地減少15395.60 hm2，水域面積增加1090.24 hm2，未利用地面積減少1803.29 hm2。這與研究區(qū)域在研究時段內大量退耕還林還草的生態(tài)建設、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展、經(jīng)濟持續(xù)增長等人類活動相關。綜上，2008-2013年期間，晉北地區(qū)土地利用與覆被發(fā)生了較大變化。

關鍵詞：晉北地區(qū);農牧交錯帶;土地利用/覆被變化;土地利用動態(tài)度;轉移矩陣;人機交互式目視解譯法;高分辨率遙感影像

中圖分類號：K921/927

文獻標志碼：A

論文編號：cjas19010034

0引言

土地是人類賴以生存與發(fā)展的重要自然資源和物質基礎，土地利用方式作為人類與自然界相互影響與交互作用的綜合反映，是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要因素[1]，土地覆被則是指地表自然形成的或者人為引起的覆蓋狀況[2]，土地利用/覆被變化（Land Use and LandCove Change，LUCC）是表征人類活動對地球表層系統(tǒng)影響的最直接的表現(xiàn)形式，在全球環(huán)境變化過程中扮演著重要角色[3]，也是表征人類活動對全球變化響應的重要因素之一，在模擬全球氣候效應和生物地球化學效應的參數(shù)輸入、時空過程的量測、動力學機制的理解方面一直是目前學界關注的前沿內容[4]。自1986年“國際地圈與生物圈計劃”（IGBP）和“全球環(huán)境變化人文因素計劃”（IHDP）共同發(fā)表《Land- Use and Land- CoverChange Science/Research Plan》以來，LUCC成為當前國際全球變化研究的前沿領域[5-8]，也是中國氣候與環(huán)境演化研究的核心領域和熱點問題[4]。據(jù)IPCC第5次評估報告[9]，LUCC能夠直接反映人類活動通過土地利用及其造成的覆被變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成的影響，是導致全球變化的主導因素。為此，中國學者對土地利用/覆被變化研究給予高度關注，相繼開展了大量的理論與實證研究，主要包括土地利用的空間格局[3-4]、LUCC與環(huán)境變化的關系[10]、土地利用的生態(tài)安全評價[11-12]以及土地利用變化的生態(tài)效應研究”[13]、LUCC驅動力及模型模擬預測研究[14-15]、“3S”技術在土地利用變化中的應用[16-17]等，研究范圍涉及農牧交錯帶[18-19]、生態(tài)脆弱區(qū)[20]、城鄉(xiāng)過渡帶[21]以及流域自然單元[22]等區(qū)域，數(shù)據(jù)主要源自國土部門的統(tǒng)計資料、遙感影像解譯、基礎地理數(shù)據(jù)等。顯而易見，近年來有關LUCC的研究內容、范圍、技術手段與研究程度等方面都取得了可喜的成果，并為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供了決策支撐。

晉北地處山西省北部，是中國北方農牧交錯帶的重要組成部分，也是京津冀風沙源治理及荒漠化監(jiān)測與防治的重點區(qū)域之一。長期以來，受自然因素和人類活動的綜合影響，生態(tài)環(huán)境脆弱易變，制約著區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展及其周邊地區(qū)的生態(tài)安全。近年來，隨著“三北防護林工程”、“天然林保護工程”、“退耕還林還草工程”等生態(tài)建設項目的實施，以及產業(yè)結構的調整和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，區(qū)域土地利用/土地覆被、景觀格局及其生態(tài)效應都發(fā)生了明顯變化，成為區(qū)域LUCC研究的理想之地。為此，本項研究選取晉北地區(qū)21個縣市區(qū)，開展土地利用/覆被變化研究，旨在揭示人類活動對土地利用/覆被變化以及生態(tài)效應的影響，為合理利用土地資源、優(yōu)化土地利用格局、保護生態(tài)環(huán)境、促進區(qū)域經(jīng)濟社會協(xié)調發(fā)展提供科學依據(jù)。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況

晉北地區(qū)位于山西省北部，地理坐標38029'-40°40‘N、110057L一114033‘E，行政區(qū)劃上包括大同、朔州、忻州3個地級市的21個縣市區(qū)（圖1），區(qū)域土地總面積約375.5 Xl04 hm2。研究區(qū)地處黃土高原東北緣，地貌上包括大同盆地及周圍山地丘陵和晉西北緩坡黃土丘陵，地表物質以覆沙黃土為主，在流水和風力作用下，地表物質易遭受侵蝕。研究區(qū)為溫帶大陸性季風氣候，四季分明，春季干旱多風沙，夏季雨熱同期，秋季涼爽短促，冬季寒冷干燥，年平均氣溫在3.6—7.50C之間，年平均降水量380—440 mm，且主要集中在夏秋季（6-9月份）。土壤類型以褐土為主，地帶性植被為溫帶半干旱草原和半濕潤森林草原[23-24]。受農業(yè)開發(fā)歷史久遠和自然資源特別是礦產資源的過度開發(fā)利用，生態(tài)破壞嚴重，加之地表植被稀少、土壤含砂量大，水土流失和風蝕沙化現(xiàn)象嚴重，成為中國水土流失治理和荒漠化防治的12個重點地區(qū)之一，也是京津冀風沙源沙化土地治理關鍵技術研究與示范地區(qū)。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)基礎數(shù)據(jù)源于各個縣市區(qū)國土部門2008-2013年的土地利用變更數(shù)據(jù)和《山西省統(tǒng)計年鑒》、遙感影像及DEM數(shù)據(jù)。其中，遙感影像及DEM數(shù)據(jù)主要來源于2008年6月和2013年6-9月2個時段，2008年影像為TM遙感影像，2013年影像為Landsat-80LI遙感影像。矢量數(shù)據(jù)源于對遙感影像的解譯和1：50000的數(shù)字高程模型。利用ERDAS軟件對上述時段的遙感影像進行影像矯正（空間誤差控制在0.5個像元內）、配準、多波段融合、影像分幅裁剪拼接、確定解譯標志及精度等處理，所有影像基本上無云覆被，成像質量良好，采用人機交互式目視解譯法及邏輯推理法進行解譯，同時參考區(qū)域地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖，并結合野外實地核校，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和數(shù)據(jù)提取的可操作性，圖像解譯后對分類結果進行精度檢驗，其Kappa指數(shù)基本符合精度要求。據(jù)遙感解譯生成晉北地區(qū)2008年、2013年的土地利用現(xiàn)狀圖，通過ArcGIS軟件將2個時期的土地利用現(xiàn)狀圖進行空間疊加分析，得到研究時段內土地利用變化情況，并對變化的屬性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，建立2008-2013年土地利用基礎數(shù)據(jù)庫，為開展土地利用/覆被變化及其景觀格局研究提供完整、準確、科學的數(shù)據(jù)資料。土地利用類型的劃分參照《土地利用現(xiàn)狀》分類標準[25]，依據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀和特點，將其劃分為耕地、林地、草地、水域、居民工礦建設用地和未利用地6類。

1.3研究方法

土地利用動態(tài)度表示土地利用的變化速率，定量描述區(qū)域土地利用變化的速度，能夠反映研究時段內各土地利用類型的數(shù)量變化情況，也可反映區(qū)域土地利用動態(tài)變化狀況及其區(qū)域分異特征[26]，對比較土地利用變化的區(qū)域差異和預測未來土地利用變化趨勢具有積極作用。表達式見公式（1）。 式中，K為研究時段內某一土地利用類型動態(tài)度;Ua、Ub分別為研究初期及研究末期某一種土地利用類型的數(shù)量;T為研究時長，當T的時段設定為年時，K的值就是該研究區(qū)某種土地利用類型年變化率。

土地利用轉移矩陣可以反映土地利用類型轉換的數(shù)量、去向及來源，包括一個特定區(qū)域內靜態(tài)時間點的所有土地類型數(shù)據(jù)，是體系與體系狀態(tài)轉移的定量描述，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。通用形式見公式（2）。

式中：S代表面積，n代表轉移前后的土地利用類型數(shù)，i、j（ij=1，2，…n）分別代表轉移前與轉移后的土地利用類型，Sij代表轉移前的i地類轉換成轉以后的，地類的面積。

2結果與分析

2.1土地利用結構變化

根據(jù)影像解譯得到研究區(qū)2008年和2013年的土地利用現(xiàn)狀圖（圖2），對研究時段土地利用變化的統(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（表1）。

不同土地利用類型面積總量變化，可以反映該區(qū)域土地利用變化的幅度和總體態(tài)勢。從表l中可以看出，研究區(qū)土地總面積為3755038.16 hm2，2008年和2013年間各用地類型中，耕地、草地和林地皆為主要土地利用類型，三者面積之和占研究區(qū)總面積的90.00%以上，其余用地類型依次為居民工礦用地、水域和未利用地。

對不同土地利用類型分布區(qū)域及所占面積變化情況而言，耕地主要分布在大同盆地等地勢平緩的區(qū)域。其中，2008年和2013年不同時期的耕地面積分別占土地總面積的35.64%和33.98%，面積呈減少趨勢，耕地面積減少最明顯的在大同市市轄區(qū)、右玉縣和左云縣等地。

草地主要分布在緩坡丘陵和低山丘陵地區(qū)，在研究區(qū)的河曲、保德、偏關、神池、岢嵐、五寨縣及其右玉縣、朔城區(qū)以西等地分布較多，2008年和2013年草地分別占土地總面積的34.80%和34.39%，面積呈小幅度減少，但研究區(qū)的東部區(qū)域草地面積略有增加。

林地主要分布在中低山地區(qū)，如研究區(qū)西南部的岢嵐縣、西北部的右玉縣以及東部的渾源縣、廣靈縣、陽高縣等，2008年和2013年的面積所占土地總面積的比例分別為24.44%和25.93%，林地面積略呈增加趨勢。

居民工礦用地在不同時期的面積所占土地總面積的比例均小于5%。區(qū)域分布上，以大同市市轄區(qū)、朔州市市轄區(qū)、懷仁縣、靈丘縣分布面積最大，且增加最明顯。

水域和未利用地的面積占土地總面積的比例最小，水域面積在2008-2013年間由1.29%增加至1.32%，面積略有增加;未利用地面積在2008-2013年間由0.35%減少至0.30%，面積略有減少。

2.2土地利用速度變化

依據(jù)單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度計算公式，結合研究區(qū)土地利用變化的面積（表1），得到晉北地區(qū)不同土地利用類型動態(tài)度指數(shù)（表2）。

從表2可以看出，2008-2013年期間，晉北土地利用類型變化存在差異。耕地、草地和未利用地的單一土地利用類型動態(tài)度為負值，說明這3種土地利用類型呈減少趨勢，其面積減少量分別為6256110、15395.60和1803.29 hm2，動態(tài)度值分別為- 0.93%、-0.24%和-2.76%。林地、居民工礦用地和水域的單一土地利用類型動態(tài)度為正值，表明這3種土地利用類型呈增加趨勢，其面積增加量分別為55774.23 hm2、22895.49 hm2和1090.24 hm2，動態(tài)度值分別為1.22%、3.51%和0.45%。其中，居民工礦用地動態(tài)度值最大，變化幅度最大;草地動態(tài)度值最小，變化幅度最小。

2.3土地利用變化分析

借助ArcGIS軟件對土地利用數(shù)據(jù)進行空間疊置分析，并運用Excel軟件數(shù)據(jù)透視表功能，獲取2008-2013年時間內土地利用變化的空間轉移矩陣，其結果見表3。

從轉移矩陣表3中可以看出，2008-2013年期間，晉北地區(qū)土地利用變化明顯，結合2008年和2013年土地利用現(xiàn)狀面積（見表1），研究區(qū)土地類型的轉換主要發(fā)生在耕地、草地、林地三者之間，其余3種土地利用類型轉換面積不大，分布不集中，效果不明顯。其中，耕地面積明顯減少，主要與草地和林地之間發(fā)生轉換;2008-2013年，耕地面積的轉出量為145709.00 hm2，轉入量為83147.92 hm2，凈減少62561.08 hm2，主要轉變?yōu)椴莸兀?5074.28 hm2）、林地（35794.93 hm2）和居民工礦用地（21037.89 hm2）。 草地轉出的面積140794.45 hm2大于其轉入面積125398.85hm2，凈減少15395.60 hm2.主要轉變?yōu)榱值兀?5658.92 hm2）、耕地（53420.24 hm2）及居民工礦用地（7038.20 hm2）。林地面積的增加主要源于草地和耕地的轉變，分別為75658.92和35794.93 hm2。這些變化是國家生態(tài)退耕還林還草政策實施以及生態(tài)工程建設的結果。

2008-2013年期間，居民工礦建設用地面積凈增加22895.49 hm2，主要來源于耕地（21037.89 hm2）。未利用地面積減少，向其余各土地利用類型均有轉出，最主要是草地（2774.52 hm2）。水域面積略有增加，主要源于原先河灘地作為耕地的轉化。這些變化體現(xiàn)了近年來研究區(qū)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展以及生態(tài)經(jīng)濟建設的需求。

3討論與結論

土地利用/覆被變化是自然因素與人類活動綜合作用的結果，特別是人類活動的影響，使自然環(huán)境與土地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生擾動，引起土地利用類型及其景觀的變化[1，4]。晉北地區(qū)位于中國農牧交錯帶和生態(tài)脆弱區(qū)，2008-2013年間區(qū)域LUCC變化對人類活動響應敏感。以晉北地區(qū)2008年和2013年遙感影像資料為數(shù)據(jù)源，在ERDAS、ArcGIS等軟件技術支持下，開展了土地利用/覆被變化的研究。

2008-2013年間，研究區(qū)耕地面積減少明顯，主要轉入林地、草地和居民工礦用地;林地面積呈明顯增加趨勢，主要由耕地、草地轉入;草地面積總體上有所減少，主要原因是除耕地轉入草地外，大部分草地轉入林地，使林地面積增多;居民工礦建設用地面積也呈增加趨勢，主要由耕地和草地轉入;未利用地面積有減少趨勢，主要轉變?yōu)椴莸睾土值?水域面積略有增加，主要由原先河灘地的耕地轉入。

研究區(qū)2008-2013年間與2003-2008年間[27]林地、耕地和居民工礦用地的變化情況一致，草地、水域及未利用地的變化情況略有差異，究其原因，2008-2013年間，土地利用結構的轉變過程中，耕地的減少主要在于2009年以來國家“退耕還林還草”政策的實施，以及“天然林保護工程”、“三北防護林工程”、小流域治理等林業(yè)生態(tài)工程的建設，使得林地面積增加。居民工礦建設用地呈增加趨勢，一方面是基礎設施建設大幅度增強，此期間為交通、能源等基礎設施建設的高峰時期;另一方面，城鎮(zhèn)化進程的加快，耕地和未利用地向建設用地轉化，結果導致耕地面積呈減少趨勢，這與李秀芬等[28]、崔振洋等[29]的研究結果一致。此期間，草地面積的減少，一是由于交通、能源基礎設施和工礦建設占用，二是由于植樹造林的生態(tài)工程建設占用。未利用地在研究時段內總體上處于減少的趨勢，主要轉向生態(tài)用地。

本文采用人機交互式目視解譯法對高分辨率遙感影像進行解譯，具有可視化分析、方便快捷、所見即所得等特點，同時又易于受到人的經(jīng)驗性、主觀性影響，且目前這種解譯方法尚未形成一種標準、規(guī)范的應用框架[30-31]。文章中選取的遙感影像數(shù)據(jù)雖進行矯正后分辨率提升，但小尺度的土地利用類型相關的遙感影像的判讀解譯仍存在困難。在今后對其進一步的研究中，應當盡量選用一些多時相、分辨率高的遙感影像。晉北地區(qū)作為中國北方農牧交錯帶的重要組成部分，生態(tài)環(huán)境脆弱，其土地利用方式的變化對山西省生態(tài)規(guī)劃建設舉足輕重，且土地利用與區(qū)域生態(tài)過程的耦合關系及相關驅動力因素的研究，與今后研究區(qū)調整產業(yè)結構、轉變經(jīng)濟發(fā)展模式、制定合理相關政策等密切關聯(lián)，這方面的研究仍需努力。

綜上所述，2008-2013年期間，晉北地區(qū)土地利用與覆被發(fā)生了較大變化。其中，耕地面積減少625 61.10 hm2，林地增加55774.23 hm2，居民工礦建設用地增加22895.49 hm2，草地減少15395.60 hm2，水域面積增加1090.24 hm2，未利用地面積減少1803.29 hm2。

參考文獻

[1] 葛方龍，李偉峰，陳求穩(wěn)景觀格局演變及其生態(tài)效應研究進展[J]生態(tài)環(huán)境，2008，1（6）：2511-2519.

[2] 陳佑啟，楊鵬國際上土地利用，土地覆蓋變化研究的新進展[J]經(jīng)濟地理，2001，21（1）：95-100

[3] 劉紀遠，鄧祥征LUCC時空過程研究的方法進展[J]科學通報，2009，54（21）：3251-3258.

[4] 劉紀遠，寧佳，匡文慧，等2010-2015年中國土地利用變化的時空格局與新特征[J].地理學報，2018，73（5）：789-802

[5] 李秀彬傘球環(huán)境變化研究的核心領域——土地利用/土地覆被變化的國際研究動向[J]地理學報，1996（6）：553-558

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

[7] 陳百明，劉新衛(wèi)，楊紅.LUCC研究的最新進展評述[J]地理科學進展，2003，22（1）：22-29

[8] 擺萬奇，趙士洞土地利用和土地覆蓋變化研究模型綜述[J]自然資源學報，1997（2）：169-175.

[9] Edenhofer 0，Seyboth K.Intergovernmental Panel on ClimateChange（IPCC） [J].Encyclopedia of Energy Natural Resource&Environmental Economics，2013，26（2）：48-56.

[10]張新榮，劉林萍，方石，等.土地利用、覆被變化（LUCC）與環(huán)境變化關系研究進展[J].生態(tài)環(huán)境學報，2014，23（12）：2013-2021

[11]謝花林土地利用生態(tài)安傘格局研究進展[J]生態(tài)學報，2008，28（12）：6305-6311

[12]蒙古軍，趙春紅，劉明達基于土地利用變化的區(qū)域生態(tài)安傘評價——以鄂爾多斯市為例[J].自然資源學報，2011，26（4）：578-590

[13]傅伯杰黃土丘陵小流域土地利用變化對水土流失的影響[J]地理學報，2002，57（6）：717-722

[14]藺卿，羅格平，陳曦LUCC驅動力模型研究綜述[J]地理科學進展，2005，24（5）：79-87

[15]唐華俊，吳文斌，楊鵬，等土地利用/土地覆被變化（LUCC）模型研究進展[J]地理學報，2009，64（4）：456-468.

[16]張學儉，馮仲科RS和GIS支持下的中國農牧交錯生態(tài)脆弱區(qū)LUCC研究——以寧夏鹽池縣為例[J]北京林業(yè)大學學報，2006，28（1）

[17]工芳芳基于3S的近15a新疆LUCC時空變化研究及分析[J].中國沙漠，2009，29（4）：636-640

[18]張偉科，封志明，楊艷昭，等.北方農牧交錯帶土地利用/覆被變化分析——以西遼河流域為例[J]資源科學，2010，32（3）：573-579

[19]郭碧云，張廣軍基于GIS和Markov模型的內蒙古農牧交錯帶土地利用變化[J]農業(yè)工程學報，2009，25（12）：291-298

[20]賈科利，張俊華.生態(tài)脆弱區(qū)土地利用時空格局變化分析——以寧夏中部干旱帶為例[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2011，29（3）：221-225

[21]楊瑞芳，譚衢霖，秦曉春，等基于遙感與GIS的北京城鄉(xiāng)結合部土地利用時空變化分析[J]測繪與空間地理信息，2016，39（9）：19-26.

[22]魏偉，石培基，雷莉，等基于景觀結構和空間統(tǒng)計方法的綠洲區(qū)生態(tài)風險分析——以石羊河武威、民勤綠洲為例[J]自然資源學報，2014，29（12）：2023-2035

[23]張金屯晉西北主要植被類型及其合理利用問題[J]植物科學學報，1987，5（4）：373-382

[24]蘇志珠人類活動對晉西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境影響的初步研究[J]下旱區(qū)資源與環(huán)境，1998（4）：127-132

[25]陳百明，周小萍《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標準的解讀[J]自然資源學報，2007（6）：994-1003

[26]工秀蘭，包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J]地理科學進展，1999（1）：83-89

[27]李艷紅，焦曉燕，蘇志珠，等.2000-2008年晉西北地區(qū)土地利用/覆被變化研究[J]山西農業(yè)科學，2015，43（4）：439-443

[28]李秀芬，劉利民，齊鑫，等晉西北生態(tài)脆弱區(qū)土地利用動態(tài)變化及驅動力[J]應用生態(tài)學報，2014，25（10）：2959-2967.

[29]崔振洋，李曉亮.基于RS與GIS的山西省土地利用動態(tài)變化分析[J]中國農學通報，2006，22（6）：418-418

[30]閻守邕，工濤，劉亞嵐，等遙感影像人機交互判讀系統(tǒng)及其技術特點[J]遙感學報，2002，6（3）：198-204.

[31]魯學軍，尚偉濤，周和頤基于視覺思維的人機交互遙感解譯模式研究[J]遙感信息，2013，28（6）：6，7-12