1985—2014年大清河山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化及其驅(qū)動力分析

祝冰潔 王剛 何曉燕 周曠 翁白莎 付曉娣

摘要：基于1985年、2000年、2014年3期土地利用數(shù)據(jù)，對大清河山區(qū)長期土地利用的時空格局變化特征進行分析，并討論土地利用變化的自然背景及經(jīng)濟社會因素。結(jié)果表明，大清河山區(qū)各土地利用類型在1985—2000年總體保持穩(wěn)定，而在2000—2014年變化較快;耕地面積持續(xù)減少，城鄉(xiāng)、工礦及居民用地面積持續(xù)增加，尤其2000年以來快速增長;林地規(guī)模總體不變，但其構(gòu)成在2000—2014年間發(fā)生明顯變化，灌木林地大量轉(zhuǎn)化為有林地，高覆蓋草地面積比例也有所增加，林草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強;人類活動在大清河山區(qū)土地利用變化中起主導(dǎo)作用，在區(qū)域人口、經(jīng)濟持續(xù)增長背景下，林草地的變化在一定程度上反映了相關(guān)政策在生態(tài)建設(shè)方面取得的積極成效。

關(guān)鍵詞：土地利用結(jié)構(gòu);時空格局變化;驅(qū)動力;大清河山區(qū)

中圖分類號：F323.21文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2020）22-0283-08

作者簡介：祝冰潔（1995—），女，河南固始人，碩士研究生，主要從事水文預(yù)報研究。E-mail：563146168@qq.com。

通信作者：王剛，博士，高級工程師，主要從事生態(tài)水文模擬與調(diào)控、水資源及水環(huán)境綜合管理等研究。E-mail：wanggang@iwhr.com。

土地利用/覆被變化（LUCC）是人類活動對地球表層系統(tǒng)影響的最直接表征[1]，其變化必然會引起自然水循環(huán)及其伴生的水化學(xué)過程、水生態(tài)過程和水沙過程發(fā)生變化，因而研究土地利用/覆被變化對水文系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、洪水的影響具有重要意義，是全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展研究的重要內(nèi)容[2-8]。1992年聯(lián)合國制定的《21世紀(jì)議程》標(biāo)志著國際上關(guān)于土地利用變化的研究正式開啟。1995年國際地圈生物圈計劃（IGBP）、國際全球環(huán)境變化人文因素計劃（IHDP）聯(lián)合提出“土地利用/覆被變化”研究計劃，進一步提出將土地利用過程、土地利用/覆被變化的自然及人文響應(yīng)、全球和區(qū)域的綜合模型作為研究主題，至此土地利用/覆被變化研究成為眾多國際組織及國家全球變化研究的核心領(lǐng)域[9]。目前對土地利用/覆被變化研究主要集中在流域尺度，主要分析流域內(nèi)土地利用/覆被的變化對區(qū)域水文循環(huán)、生態(tài)環(huán)境安全、洪水風(fēng)險管理的影響[10-16];對于土地利用變化的評估一般采用動態(tài)變化度、趨勢度、土地利用綜合程度指數(shù)等指標(biāo)進行評價以及利用因子分析法對其驅(qū)動力進行分析[17-20]。

生態(tài)建設(shè)等人類活動可快速改變土地利用/覆被變化的空間分布格局，或改變各類土地利用類型的轉(zhuǎn)換速度與平衡狀態(tài)[21]。20世紀(jì)80年代中期以來，太行山區(qū)開展了大規(guī)模的綠化工程，而大清河山區(qū)是太行山的重要組成部分，通過土地利用變化分析，尤其是關(guān)注林草地規(guī)模、結(jié)構(gòu)、布局的變化，可以評估山丘區(qū)生態(tài)建設(shè)成效。同時，充分挖掘和發(fā)揮林草地天然生態(tài)系統(tǒng)等綠色基礎(chǔ)設(shè)施對水循環(huán)的調(diào)節(jié)作用，是最大限度減緩水患災(zāi)害，系統(tǒng)解決流域水問題的有效途徑[22]。在大清河流域下游白洋淀地區(qū)有雄安新區(qū)，立足雄安新區(qū)的防洪安全，遵循水循環(huán)多過程在時間和空間上的水力聯(lián)系，從流域尺度、全過程洪水風(fēng)險防控角度，選取大清河山區(qū)作為研究區(qū)具有典型性，可作為進一步開展生態(tài)海綿流域建設(shè)、坡面-河道系統(tǒng)自然調(diào)節(jié)能力評估等研究的基礎(chǔ)。

1研究區(qū)概況

大清河山區(qū)位于海河流域中部、太行山區(qū)西北部，地跨晉、冀、京3?。ㄊ校乩碜鴺?biāo)為113°34′～116°10′E，38°18′～40°03′N，總面積1.85萬km2，其中在河北省保定市行政范圍內(nèi)的面積超過60%。大清河系均發(fā)源于太行山迎風(fēng)坡，分南北2支，呈扇形分布。主要河流有南支的潴龍河、唐河、漕河、瀑河，以及北支的易水河、拒馬河等。河道徑流自西向東經(jīng)王快、西大洋、橫山嶺、口頭、龍門、安格莊等水庫調(diào)節(jié)后下泄，進入大清河淀西平原區(qū)，由白洋淀、東淀等洼淀滯蓄后進入大清河流域淀東平原區(qū)。太行山迎風(fēng)區(qū)為我國大暴雨集中地帶，加之土石山區(qū)地形陡峻、植被土壤條件差，使得發(fā)源于此的大清河系洪水具有陡漲陡落、洪峰高、歷時[JP3]短的特點，極易形成特大洪水。歷史上曾發(fā)生“63·8”特大洪水，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。從洪水發(fā)生鏈路、風(fēng)險防控角度，上游山區(qū)生態(tài)建設(shè)在一定程度上關(guān)系到下游雄安新區(qū)的防洪安全。研究區(qū)位置、河流水系、行政區(qū)劃等基本情況見圖1。

2材料與方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本研究使用的1985年、2000年、2014年3期1∶10萬矢量土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心;用于流域氣象背景分析的流域及周邊地區(qū)11個氣象站點1960—2013年的逐日氣象數(shù)據(jù)，由國家氣象中心提供;用于社會經(jīng)濟背景分析的保定市1985—2014年的人口、GDP等[JP3]資料，來自河北省統(tǒng)計局網(wǎng)站（http：//tjj.hebei.gov.cn/hetj/tjsj/）。

2.2研究方法

為了便于分析，按照我國現(xiàn)行土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)土地劃分為耕地、林地、草地、水域、居工地（城鄉(xiāng)、工礦、居民用地）、未利用土地等六大類。采用土地利用綜合程度指數(shù)、動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用趨勢與狀態(tài)指數(shù)等分析大清河山區(qū)近30年的土地利用空間格局動態(tài)變化，采用景觀格局指數(shù)評價研究區(qū)景觀破碎化狀況及態(tài)勢。

2.2.1土地利用變化

土地利用綜合程度指數(shù)是一種將土地利用程度分級量化的分析方法，按土地類型賦予分級指數(shù)：未利用土地，分級指數(shù)為1;林地、草地、水域，分級指數(shù)為2;耕地、農(nóng)工地分別為3、4，計算公式如下：

式中：La為土地利用綜合程度指數(shù);Ai為第i級土地利用程度的分級指數(shù);Ci為第i級土地利用程度的分級面積百分比;n表示土地利用程度級數(shù)。La值越大，表示土地利用程度越高，受人類活動影響越大。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[23]，是分析土壤類型在一定時段內(nèi)相互轉(zhuǎn)移的一種有效工具。通過ArcGIS平臺對土地利用數(shù)據(jù)進行兩兩疊加分析，對所得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，獲得了土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。進而可以按如下方法計算土地利用動態(tài)度和土地利用趨勢狀態(tài)指數(shù)。

土地利用動態(tài)變化是以各類土地利用面積在時間序列上的變化為基礎(chǔ)建立的分析方法，反映了區(qū)域土地利用變化的劇烈程度，單一土地利用動態(tài)度計算公式如下：

2.2.2景觀格局變化

景觀格局指數(shù)是指能高度濃縮的景觀格局信息，反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標(biāo)[25]。景觀格局分析分為3個水平的指數(shù)：斑塊（Patch）、斑塊類型（Class）、景觀（landscape），本研究從景觀水平上選擇4個指數(shù)：景觀分裂指數(shù)（Division）、分離度（SPLIT）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）作為評價指標(biāo)。具體操作：先運用ArcGIS10.2導(dǎo)出土地利用類型柵格數(shù)據(jù)，然后借助Fragstats3.3軟件計算不同時期各柵格數(shù)據(jù)的景觀格局指數(shù)。

3結(jié)果與分析

3.1土地利用總體情況

由圖2、表1可知，根據(jù)3期土地利用數(shù)據(jù)，草地、林地、耕地的面積在各類土地利用類型中均占據(jù)前3位，林地和草地共占比75.8%～77.6%，耕地占比17.6%～19.4%，土地利用格局總體上沒有變化。1985—2000年，各類土地利用面積總體保持穩(wěn)定，沒有表現(xiàn)出明顯的增加或減少趨勢。2000—2014年各類土地利用面積變化明顯，其中居工地增加604.28km2，面積占比由1.6%增加到4.8%;耕地、草地分別減少313.82、251.74km2，林地面積略有減少;水域面積增加，與1985年相當(dāng)，未利用地面積約增加1倍。2014年大清河山區(qū)林草地總面積占比75.8%，耕地占比17.6%。

大清河山區(qū)土地利用程度總體處于中等水平，1985年、2000年、2014年土地利用程度綜合指數(shù)分別為222.05、222.29、227.10，表明盡管流域土地利用格局總體沒有太大變化，但流域土地開發(fā)活動始終處于增長期，1985—2000年呈現(xiàn)緩慢增長，而2000—2014年增長較快。

3.2土地利用動態(tài)變化分析

3.2.1土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

利用ArcGIS10.2軟件對大清河山區(qū)1985年、2000年、2014年3期土地利用數(shù)據(jù)進行疊置，獲得土地利用變化數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2、表3所示。1985—2000年和2000—2014年參與轉(zhuǎn)化土地類型總面積分別為153.87、985.05km2，分別占流域總面積的0.8%、5.3%，表明2000—2014年土地變化更為劇烈，各土地利用類型均參與轉(zhuǎn)化。1985—2000年，耕地、林地、草地均參與到向居工地的轉(zhuǎn)化當(dāng)中，其中耕地轉(zhuǎn)化面積最大，為25.13km2;林地、草地間相互轉(zhuǎn)化的面積最大，且規(guī)模相當(dāng);水域主要轉(zhuǎn)化為耕地;居工地、未利用土地沒有向其他類型土地轉(zhuǎn)化。2000—2014年，耕地、林地、草地轉(zhuǎn)化為其他類型的土地中，均以居工地面積最大，其中耕地轉(zhuǎn)化為居工地的面積最多，達到294.38km2，是1985—2000年轉(zhuǎn)化面積的11倍以上。水域轉(zhuǎn)化的土地利用類型主要有未利用土地、耕地、居工地。居工地、未利用土地均發(fā)生向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)化，且分別以向耕地和草地轉(zhuǎn)化面積最大。

3.2.2土地利用變化動態(tài)度及趨勢

根據(jù)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣按式（4）、式（5）計算，得到大清河山區(qū)不同時期土地利用變化動態(tài)度及趨勢，如表4所示。1985—2000年、2000—2014年土地利用綜合動態(tài)變化度分別為0.0015%、0.1769%，土地類型變化狀態(tài)與趨勢指數(shù)分別為0.2049、0.3264，2個時段大清河山區(qū)土地利用變化態(tài)勢存在明顯差異。土地類型變化狀態(tài)與趨勢指數(shù)均未超過0.5，表明近30年來土地利用類型呈雙向轉(zhuǎn)換趨勢，總體變化接近平衡。1985—2000年的綜合動態(tài)變化度很小，耕地、林地、草地、水域面積變化呈微弱落勢狀態(tài)，其中林地和草地變化速率較小，轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積相差不大。居工地呈漲勢狀態(tài)，且變化速率相對較快，以單向轉(zhuǎn)化為主，轉(zhuǎn)入大于轉(zhuǎn)出趨勢。2000—2014年耕地、林地、草地面積變化仍呈落勢狀態(tài)，水域、居工地、未利用土地則呈漲勢狀態(tài)，尤以居工地面積變化速度最快，呈現(xiàn)出明顯的單向轉(zhuǎn)化為主的特點，轉(zhuǎn)入面積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出面積。

3.3景觀格局變化分析

如表5所示，1985—2000年大清河山區(qū)整體的景觀格局指數(shù)變化不明顯，表明這一時期大清河山區(qū)總體的景觀格局變化不大。2000—2014年大清河山區(qū)斑塊數(shù)量、景觀分裂指數(shù)、分離度、香農(nóng)多樣性指數(shù)及香農(nóng)均勻度指數(shù)均增加且幅度較大，這表明該時段整體景觀正向小斑塊發(fā)展，景觀空間更加分散、各斑塊類型在景觀中呈均衡化趨勢。

1985—2014年林地總面積變化不大，但斑塊數(shù)量、景觀分裂指數(shù)減少，香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)整體增加，這說明林地由小斑快向大斑塊發(fā)展，空間分布趨于集中，各林地類型分布更加均勻。1985—2000年草地面積總體穩(wěn)定，各景觀指數(shù)變化不明顯，2000—2014年草地面積減少較大，斑塊數(shù)量減少，但景觀分裂指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)及香農(nóng)均勻度指數(shù)均增加，說明草地斑塊數(shù)量減少是由面積減少導(dǎo)致的，草地朝小斑塊發(fā)展，空間分布更加分散。

3.4林草地規(guī)模及構(gòu)成變化

如表6、表7、表8所示，大清河山區(qū)林地主要以有林地和灌木林地為主，占全部林地面積的88.6%～89.3%，草地主要以高覆蓋度草地和中覆蓋度草地為主，占全部草地面積的83.2%～84.3%。1985—2000年各類林、草地面積變化較小，總體結(jié)構(gòu)變化不明顯。2000—2014年盡管林地總面積變化不大，但其構(gòu)成變化明顯，有林地面積增加了442.64km2，其中99.3%是由灌木林地面積轉(zhuǎn)化而來。2000—2014年草地總面積減少，高覆蓋度草地和低覆蓋度草地面積增加，其變化的面積均來自中覆蓋度草地的轉(zhuǎn)化。從林草地的規(guī)模、構(gòu)成看，林地中有林地的比重及草地中高覆蓋度草地的比重均有增加，尤其是大量灌木林轉(zhuǎn)化為有林地，林草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其生態(tài)服務(wù)功能增強，太行山區(qū)生態(tài)建設(shè)取得積極成效。

3.5大清河山區(qū)土地利用變化影響因素分析

3.5.1自然因素

天然狀態(tài)下，流域土地利用變化能在一定程度上反映其自然本底狀況的變化。選取降雨、蒸發(fā)2個對林草地等雨養(yǎng)型生態(tài)系統(tǒng)影響最直接的指標(biāo)進行分析。考慮自然因素有累積效應(yīng)，在短時間內(nèi)相對穩(wěn)定，利用1960—2013年大清河流域氣象數(shù)據(jù)，采用Penman-Monteith公式計算日潛在蒸散量，經(jīng)統(tǒng)計得到大清河流域1960—2013年年均降水量和潛在蒸散量（圖3）。年均降水量呈波動變化，整體變化趨勢相對穩(wěn)定，其中在1985—2000年間及2000年后分別呈現(xiàn)一定的減少和增加趨勢。年均潛在蒸散量波動較大，整體呈現(xiàn)上升趨勢，尤其是從20世紀(jì)80年代中后期以來呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。2000年我國北方地區(qū)持續(xù)高溫少雨發(fā)生大面積嚴(yán)重干旱[26]，這是2000年水域面積減少的主要原因。在1985—2000年期間降水量總體呈現(xiàn)下降趨勢，潛在蒸散量呈現(xiàn)反相位變化的情況下，林草地總體規(guī)模基本沒有變化，表明自然因素并不是影響大清河山區(qū)土地利用變化的主要原因。

3.5.2社會經(jīng)濟因素

大清河山區(qū)60%的面積位于保定市內(nèi)，本研究采用保定市1985—2014年的年末總?cè)丝跀?shù)和地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）分析大清河山區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r。由圖4可知，1985—2014年人口數(shù)量和GDP持續(xù)增長，尤其是GDP在2000年以來增長速率大幅增加，這也是這一時期城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積爆發(fā)式增長的主要原因。人口、GDP的快速增長反映了流域人類活動的劇烈強度在增加，但在30年間大清河山區(qū)林草地面積、土地利用總體格局沒有發(fā)生大的變化，而且林草地生態(tài)系統(tǒng)有趨于穩(wěn)定的態(tài)勢，充分說明太行山綠化工程等生態(tài)建設(shè)的努力實現(xiàn)了綠色資產(chǎn)的保值和增值。

4結(jié)論

本研究基于大清河山區(qū)1985、2000、2014年3期同一分辨率土地覆蓋數(shù)據(jù)，在ArcGIS10.2、Fragstats3.3平臺上進行土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局指數(shù)計算分析，并采用動態(tài)變化指數(shù)、趨勢指數(shù)等分析了1985—2000年、2000—2014年大清河流域土地變化情況。同時，對研究區(qū)長序列氣象資料和人口、經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）大清河山區(qū)土地利用類型主要以草地、林地、耕地為主，占流域總面積的90%以上，流域內(nèi)土地開發(fā)活動始終處于增長期，1985—2000年呈現(xiàn)緩慢式增長，2000—2014年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。

（2）1985—2000年，草地、林地、耕地等各主要土地利用類型面積總體保持穩(wěn)定，2000—2014年各類土地利用面積變化明顯，耕地、林地、草地面積變化的落勢較為明顯。1985—2014年，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地呈漲勢狀態(tài)持續(xù)增長，尤以2000—2014年間的增長變化明顯，居工地增長面積是前一時段的19倍多。

（3）1985—2014年，林地總體規(guī)?；静蛔?，但2000年以來林地構(gòu)成有明顯變化，大量的灌木林地轉(zhuǎn)化為有林地，并且林地斑塊數(shù)量、景觀分裂指數(shù)減少，而香農(nóng)多樣性指數(shù)及香農(nóng)均勻度指數(shù)增加;高覆蓋草地面積比例也有一定增加。林草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性呈增強趨勢。

（4）相對自然因素，人類活動是大清河山區(qū)土地利用變化的主導(dǎo)因素：一方面人口經(jīng)濟增長促使城鄉(xiāng)、工礦、居民用地在一定范圍內(nèi)急劇擴張;另一方面在山丘區(qū)開展的生態(tài)建設(shè)活動對林草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定起到了一定的積極作用。

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