吉林省遼河流域土地利用類型演變過程研究

張大偉 胡長群 何懷江 包廣道 王梓默 劉婷 燕紅 馬瓊芳 郝欣宇 羅也

摘 要：為準確了解吉林省遼河流域土地利用變化趨勢，提供土地可持續(xù)利用及生態(tài)恢復技術的基礎數據，本研究通過對吉林省內9個市、縣（區(qū)）林業(yè)、國土、水利、測繪、農委和氣象等部門的矢量數據和地方史志等基礎資料收集，并檢索了相關文獻、標準和技術規(guī)程（規(guī)范），同時結合實地踏查，分別采用遙感影像分類和土地利用現(xiàn)狀歸類兩種方法對遼河流域不同時期的土地利用現(xiàn)狀進行處理、分析和研判。結果表明：1970s（20世紀70年代）遼河流域主要土地利用類型以耕地、草地、沼澤為主，自1970s—2016年近50 a間，吉林省遼河流域范圍內沼澤濕地、草地面積大幅度減少，耕地、居民建設用地面積大幅度增加，林地、水田和水體面積稍有增加。土地利用逐漸轉為耕地、居民建設用地等人工干預較強的土地利用類型，尤其以居民建設用地增加幅度最大。流域流經的中西部城市四平、梨樹及雙遼等地區(qū)，其草地、沼澤等土地利用類型急劇減少，耕地、居民用地及人工林面積不斷增加已成為主要發(fā)展趨勢，而東南部的遼源地區(qū)則表現(xiàn)為天然林減少，耕地、居民用地不斷增加的趨勢。

關鍵詞：遼河流域;土地利用類型;演變過程

中圖分類號：S157 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2020）05-0045-09

Abstract：In order to accurately understand the land use change trend in the Liaohe River Basin of Jilin Province， and provide basic data for sustainable land use and ecological restoration technologies， this study collected basic data such as vector data and local history records of forestry， land， water conservancy， surveying and mapping， agriculture committee， meteorology and other departments in 9 cities and counties （districts） in Jilin Province， and retrieved relevant literature， standards， technical procedures （specifications）， at the same time， combined with on-the-spot investigation， then the methods of remote sensing image classification and land use status classification were used to treat， analyze and judge the land use status in different periods in the Liaohe River Basin. The results showed， the main land use types in the Liaohe River Basin in 1970s were mainly arable land， grassland and swamp， in the nearly 50 years from 1970s to 2016， the area of swamp wetlands and grassland in the Liaohe River Basin of Jilin Province had been greatly reduced， the area of arable land and residents construction land had increased significantly， and the area of wood land， paddy fields and water bodies had increased slightly. Land use had gradually been converted to land use types such as arable land and residential construction land， which had strong manual intervention， especially for the increase in residential construction land. In the central and western cities of Siping， Lishu and Shuangliao， the land use types of grassland and swamp had been drastically reduced， the increasing area of arable land， residential land and plantation forest had become a major development trend， while the Liaoyuan area in the southeastern part， it showed that natural forests were decreasing， and the arable land and residential land were increasing.

Keywords： Liaohe River Basin; land use types; evolution process

0 引言

近年來，隨著我國城市人口不斷增加，推動了沿河工農業(yè)的不斷發(fā)展，生態(tài)、農業(yè)和工業(yè)等行業(yè)需水量急劇增加， 遼河流域水資源供需矛盾持續(xù)緊張， 對該流域生態(tài)環(huán)境已構成嚴重的威脅[1-2]。為保障遼河流域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)良性循環(huán)，相關學者圍繞遼河流域進行了大量相關研究。王志春等[3]研究了近57 a遼河流域氣候變化特征;鐘玉龍等[4]結合衛(wèi)星遙感數據和實測數據觀測了遼河流域蒸發(fā)量;孫鳳華等[5]對遼河流域平均徑流與氣候之間的關系進行了研究，為流域水質變化及其與氣候之間的關系提供了可靠依據。水土保持綜合治理一直是河流流域重點問題，孫憲[6]對遼河流域水土保持綜合治理的效益進行了分析，為遼河流域生態(tài)環(huán)境科學治理提供了借鑒方法;胡青坤[7]、田力[8]、楊柏[9]分別對遼河流域水質的健康狀況進行了評價，為準確了解遼河流域水質現(xiàn)狀提供了依據;高麗娟等[10]對遼河流域全氟等化合物來源、賦存和風險等進行了分析與評價，為流域尺度下的科學管理提供了依據;孟云飛等[11]研究了遼河流域大型底棲動物群落與水環(huán)境因子關聯(lián)性，通過量化大型底棲動物群落與水環(huán)境因子之間的關系，可以為河流流域生態(tài)環(huán)境的保護和修復提供重要的指導意義。但是目前的研究中對于吉林省遼河流域土地利用類型歷史演變過程尚未涉及。

土地利用是人類為自身生存和發(fā)展而進行的活動，并憑借土地的某些屬性進行生產性或非生產性活動的方式、過程和結果[12-13]，同時也是生態(tài)系統(tǒng)功能性轉變的過程[14-15]，土地利用歷史演變過程的分析對于了解區(qū)域土地歷史狀況起著至關重要的作用。土地利用的變化可以改變生態(tài)系統(tǒng)服務格局，不同的土地利用類型組合對生態(tài)系統(tǒng)影響有所差異[16]，近年來，不同地區(qū)土地利用類型多數向耕地和建筑用地轉換，河流濕地等面積逐漸減少[17-20]。

本研究通過對吉林省遼河流域近50 a土地利用類型演變過程的調查，可以更加準確的認識該區(qū)域土地利用變化規(guī)律，預測未來土地利用變化趨勢，提供制定土地可持續(xù)利用決策的基礎，為土地資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護提供依據，同時可為遼河流域土地利用類型的改變及生態(tài)恢復提供技術數據和參考。

1 研究地區(qū)概況

吉林省內遼河流域位于遼河流域的上游，地理坐標為122°05′～125°35′ E，42°37′～ 44°41′N（圖1），主要包括東遼河、招蘇臺河、條子河和西遼河等4條河流，流域面積達1.61 km×104 km。吉林省遼河流域主要位于吉林省西南部，涉及四平市、遼源市、公主嶺市、雙遼市、伊通滿族自治縣、梨樹縣、東遼縣、通榆縣和長嶺縣9個市、縣（區(qū)）。

吉林省遼河流域屬于典型溫帶大陸性季風氣候，年溫差較大，四季分明，日照豐富，春秋季短，風速大。年平均氣溫約為6.25 ℃，日照時數為2 200～3 000 h，年平均降水量為578.3 mm，年平均蒸發(fā)量為800～1 020 mm。

吉林省遼河流域主要地處長白山的余脈，植被屬長白山植被區(qū)系，植物物種較為豐富，植被類型以次生林、闊葉林為主，主要喬木樹種有黑松、落葉松、蒙古櫟、山楊和白樺等;草本植物有細辛、穿地龍、玉竹、天南星和蕨類植物等。

2 研究方法

本研究收集了吉林省內9個市、縣（區(qū)）林業(yè)、國土、水利、測繪、農委和氣象等部門的矢量數據和地方史志等基礎資料，并檢索了相關文獻、標準和技術規(guī)程（規(guī)范），同時，前往吉林省遼河流域主要河流源頭區(qū)、河流沿岸及水源地進行了實地踏查。根據收集到的資料及現(xiàn)場踏查情況，分別采用遙感影像分類和土地利用現(xiàn)狀歸類兩種方法對遼河流域不同時期的土地利用現(xiàn)狀進行了處理和分析。

2.1 數據來源

遙感影像采用Landsat MSS/TM/OLI衛(wèi)星遙感影像為數據源，其中1970s（20世紀70年代）影像分辨率為60 m，其余時期均為30 m，吉林省遼河流域范圍每個時期涉及遙感影像4景，4個時期共采用遙感影像16景，由于每個時期影像質量受季節(jié)、天氣等因素影響較大，所以同一時期影像可能來自不同年份，但整體數據均在相應的十年演變過程的劃分時期內，且相鄰劃分期內影像數據來源的年份具有一定的間隔，因此對后續(xù)的量化分析影響較小。土地利用現(xiàn)狀采用吉林省國土廳提供的2010年和2016年兩期土地利用數據庫為數據源。

2.2 歷史演變時期劃分

根據遙感影像資料及收集資料情況，綜合吉林省遼河流域范圍內的土地利用狀況，將吉林省遼河流域范圍內土地利用演變過程分為6個時期：分別為1970s（20世紀70年代）、1980s（20世紀80年代）、1990s（20世紀90年代）、2000s（21世紀00年代）、2010年和2016年，整個分析時間跨度近50 a。

2.3 數據處理方法

為獲取吉林省遼河流域范圍內土地利用類型歷史狀況，針對不同時期分別采用遙感影像分類和土地利用現(xiàn)狀歸類兩種方法。

2.3.1 遙感影像分類方法

土地利用類型提取采用監(jiān)督分類方法，并利用支持向量計算法對遙感影像進行提取，分類訓練樣本選擇及后期提取結果處理均采用人機交互方式。1980s、1990s及2000s的最終提取結果數據經過精度檢驗，Kappa系數均在0.7以上，符合本次歷史演變過程分析的精度需要。1970s由于時間跨度較大、影像空間分辨率較低，其提取結果無法驗證，結果精度不高，僅供參考。

2.3.2 土地利用歸類方法

土地利用現(xiàn)狀歸類方法采用國土廳提供的2010年和2016年兩期土地利用數據庫為數據源，依據土地利用類型分類，將土地利用數據庫內容進行歸類，并結合歷史資料、土地利用類型，將該區(qū)域土地利用類型劃歸為8類，分別為居民建設用地、林地、耕地、水田、水體、沼澤、草地及鹽堿地，具體分類見表1。

2.3.3 數據分析方法

（1）動態(tài)度模型

動態(tài)度是描述土地資源數量變化程度的常用方法，本研究引用該方法構建本區(qū)域的動態(tài)度模型，用于反映遼河流域土地利用類型面積的變化幅度與速度，并通過類型間的比較反映變化的類型差異，從而探測其背后的驅動或約束因素。其表達式為：

K1=Ub-UaUa×1T×100%。（1）

式中：K1為研究時段內區(qū)域某一種土地利用類型的動態(tài)度;Ua、Ub分別為研究時段初期與末期該土地利用類型的面積;T為研究時段，當設定為年時，模型結果表示該區(qū)此類土地利用類型的年變化率。

（2）馬爾柯夫（Markov）轉移矩陣

馬爾柯夫（Markov）模型用轉移概率矩陣模擬景觀從一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)轉移的動態(tài)過程，是一系列特定的時刻間隔下，一個亞穩(wěn)定系統(tǒng)由T時刻狀態(tài)向T+1時刻轉化的一系列過程。本研究采用馬爾柯夫轉移矩陣來描述不同土地利用類型之間在時間維上的發(fā)展演化過程，其數學表達式為：

以年為單位，把土地利用變化分成一系列離散的演化狀態(tài)，從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉化速率通過各時期內某土地利用類型的年平均轉化率獲得。對不同時期的土地利用類型數據進行疊加分析運算，得到研究區(qū)域不同時段的各個土地利用動態(tài)圖層，并通過該圖層的屬性表，計算出土地利用類型轉移概率。

3 實驗結果

3.1 不同時期土地利用類型面積

從表2中可知，在各時期耕地面積最大，其次為林地，草地在1970s具有和林地相似的面積大小，但經過近50 a的變化，草地面積大幅度降低，到2016年僅剩1970s的1/5。在所有土地類型中，沼澤面積降低幅度最大，自1970s到2016年降低幅度達95%，而居民建設用地增加幅度最大，2016年居民建設用地面積是1970s的110倍。

3.2 不同時期土地利用變化幅度

為了解不同時期內土地利用面積變化情況，對相鄰時期（1970s—1980s、1980s—1990s、1990s—2000s、2000s—2010年、2010—2016年）以及整個時期（1970s—2016年）內各土地利用類型面積變化進行比較，結果見表3。居民建設用地1970s—2016年逐漸增長，共計增長了13.971 5 萬hm2;林地除2000s—2010年內增加（增長14.625 9 萬hm2）外，其他各時期均降低，但總體上1970s—2016年呈增加趨勢，共計增加3.426 1 萬hm2;耕地的增加主要在1970s—1980s和1990s—2000s兩個時期，分別增加20.276 0 萬hm2和14.193 1 萬hm2，其他時期呈降低趨勢，其中1980s—1990s降低3.149 0 萬hm2， 2000s—2010年降低21.583 0 萬hm2，2010—2016年有所降低，但降低量較少，僅0.149 1 萬hm2，1970s—2016年總體來看耕地面積增加9.588 0 萬hm2;水田面積除1990s—2000s降低4.554 7 萬hm2外，其他時期均呈增加趨勢，整體來看， 1970s—2016年，水田面積增加2.432 5 萬hm2;水體面積除1970s—1980s出現(xiàn)降低（降低0.153 9 萬hm2）外，其他時期內均有所增加，其中1980s—1990s、1990s—2000s、2000s—2010年各時期水體面積增加量大體相同，均在0.700 0～0.800 0 萬hm2，2010—2016年增加量（0.107 4 萬hm2）稍低， 1970s—2016年，整體呈增加趨勢，增加量達2.231 4 萬hm2;草地除2000s—2010年有所增加（增加0.011 4 萬hm2）外，其他各時期均呈降低趨勢，特別是1970s—1980s、1980s—1990s、1990s—2000s降低量均較大，分別降低10.380 7、2.515 3、9.127 9 萬hm2， 2010—2016年降低0.060 4 萬hm2， 1970s—2016年整個時期，草地呈大幅度降低的趨勢，總面積減少了22.072 9 萬hm2;沼澤面積1970s（9.732 2 萬hm2）—2016年（0.581 5 萬hm2）幾乎減少殆盡，在整個過程中減少了9.150 7 萬hm2，沼澤面積降低主要發(fā)生1970s—1980s和2000s—2010年兩個時期，分別降低9.075 4 萬hm2和1.255 9 萬hm2，在2010—2016年也呈減少趨勢，但減少量（0.077 0 萬hm2）極少，其他時期呈增加趨勢，但增加量都較少（1990s—2000s時期增加0.539 9 萬hm2， 1990s—2000s時期增加0.717 7 萬hm2）;鹽堿地面積自1970s（3.449 5 萬hm2）—2016年（3.152 6 萬hm2）變化量不大，總體降低0.296 9 萬hm2，其中1970s—1980s、2000s—2010年和2010—2016年3個時期呈降低趨勢，分別降低2.128 0、6.017 8、0.262 3 萬hm2; 1980s—1990s和1990s—2000s兩個時期呈增加趨勢，分別增加了5.994 6 萬hm2和2.116 6 萬hm2。

3.3 不同時期土地利用變化動態(tài)度

土地利用變化的速度可以通過土地利用動態(tài)度模型進行度量，它既可以表征單一土地利用類型的時序變化，也可以反映區(qū)域土地利用動態(tài)的總體狀況及其各時期的基本情況。

根據公式（1）計算得出吉林省遼河流域內不同時期各土地利用類型年變化率，結果見表4。從表4中可知，自20世紀70年代到2016年，居民建設用地以237.38%的年速率快速增加，林地、耕地、水田和水體分別以0.26%、0.21%、0.96%和1.40%的年速率緩慢增加;沼澤地和草地分別以34.97%和9.24%的年速率快速降低，鹽堿地以0.21%的年速率緩慢降低。

3.4不同土地利用面積在各時期內變化趨勢

為了直觀地了解土地利用面積在各時期內的變化，對吉林省遼河流域居民建設面積、林地面積、耕地面積、水田面積、水體面積、草地面積、沼澤面積和鹽堿地面積建立折線圖及其趨勢線（圖2）。由圖2可以看出，居民建設用地（圖2a）在整個時段內呈明顯增加的趨勢， 1980s—1990s這一時段內面積急劇增加;林地（圖2b）則是以2000s為分界點，呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢;耕地（圖2c）作為研究區(qū)內的主要土地利用類型，其總體變化趨勢略有增加，中間伴有波動，其中2000s—2010年耕地下降趨勢明顯;水田（圖2d）在整個時期內，以1990s為分界點，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢;水體（圖2e）在整個時期內呈現(xiàn)出增加的趨勢，僅在1970s—1980s年之間有小幅度降低;草地（圖2f）的變化在所有土地類型中最為顯著，尤其是1970s—1980s年這一時期內，面積急劇減少;沼澤（圖2g）呈下降的趨勢十分明顯， 1970s—1980s這一時段內面積下降最為劇烈;鹽堿地（圖2h）在前期有所增加，但從2000年開始面積減少非常明顯。

3.5 不同時期土地利用類型相互轉移情況

利用公式（2）對1970s—2016年各個時期的土地利用類型的轉化情況建立轉移矩陣。從表5可以看出1970s—2016年時期內各土地利用類型面積的相互轉移變化的總體情況。居民建筑用地1970s—2016年向其他土地類型轉變量為0.087 6 萬hm2，由其他土地利用類型向居民建設用地轉變量為14.059 0 萬hm2，整體呈增加趨勢。林地1970s—2016年向其他土地類型轉變量為11.718 8 萬hm2，由其他土地利用類型向林地轉變量為15.123 9 萬hm2，整體呈增加趨勢，減少的林地主要轉變?yōu)楦兀黾拥牧值爻蟛糠謥碓从诟赝?，還有部分來源于沼澤、草地和鹽堿地。耕地1970s—2016年向其他土地類型轉變量為24.70 99 萬hm2，由其他土地利用類型向耕地轉變量為34.226 0 萬hm2，整體呈增加趨勢，減少的耕地主要被居民建設用地占用，同時有大面積通過退耕還林方式轉變?yōu)榱值?，還有一部分由于耕作方式的改變轉變?yōu)樗锏?，耕地的增加主要來源于沼澤和草地被開墾成耕地。水田1970s—2016年向其他土地類型轉變量為2.350 5 萬hm2，由其他土地利用類型向水田轉變量為4.780 4 萬hm2，整體呈增加趨勢，減少的水田主要被林地占用，還有部分轉化為居民建設用地，水田面積的增加來源于林地轉化以及部分沼澤和草地的開墾，還有一部分是由于耕作方式的改變，使得耕地轉化為水田地。水體1970s—2016年向其他土地類型轉變量為0.563 2 萬hm2，由其他土地利用類型向水體轉變量為2.793 5 萬hm2，整體呈增加趨勢，減少的水體主要轉化為林地和沼澤，還有部分轉化成鹽堿地，水體面積增加主要有林地、沼澤、耕地和草地轉化而來。沼澤面積在1970s—2016年向其他土地類型轉變量為24.867 0 萬hm2，由其他土地利用類型向沼澤轉變量為2.772 2 萬hm2，整體呈降低趨勢，減少的沼澤地主要轉化成了林地、耕地、居民建設用地和鹽堿地，還有少部分轉化成水田和水體，而沼澤地的增加主要有林地、鹽堿地和草地轉化而來。草地面積1970s—2016年向其他土地類型轉變量為9.707 6 萬hm2，由其他土地利用類型向草地轉變量為0.549 1 萬hm2，整體呈大幅度降低趨勢，減少的草地主要轉化成了林地、耕地、居民建設用地和草地，還有少部分轉化成水田、水體和鹽堿地，而沼澤地的增加主要有林地和耕地，但轉化量較少。鹽堿地面積1970s—2016年向其他土地類型轉變量為2.865 9 萬hm2，由其他土地利用類型向鹽堿地轉變量為2.566 2 萬hm2，整體來看有降低趨勢，減少的鹽堿地主要轉化成了林地、草地、耕地和居民建設用地，還有少部分轉化成水體;而鹽堿地增加主要由林地和草地轉化而來。

4 討論與結論

通過本實驗研究結果可知，1970s遼河流域主要土地利用類型以耕地、草地、沼澤為主， 1970s—2016年近50 a，由于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的加快以及產業(yè)結構、消費結構的升級等，形成了對新增建設用地的剛性需求，同樣，建設新農村需要一定規(guī)模的新增建設用地，又要滿足應對金融危機、保障擴大內需的用地需求等[17]，使得人類干預活動強度不斷增大，對自然資源的開發(fā)日益加強，從而導致吉林省遼河流域范圍內各類型生態(tài)系統(tǒng)面積發(fā)生了較大幅度波動，主要表現(xiàn)為沼澤濕地、草地面積大幅度減少，耕地、居民建設用地面積大幅度增加，林地、水田和水體面積稍有增加。土地利用逐漸轉為耕地、居民建設用地等人工干預較強的土地利用類型，尤其以居民建設用地增加幅度最大，流域內原生生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞嚴重。流域流經的中西部城市四平、梨樹及雙遼等地區(qū)，其草地、沼澤等土地利用類型急劇減少，耕地、居民用地及人工林面積不斷增加已成為主要發(fā)展趨勢，而東南部的遼源地區(qū)則表現(xiàn)為天然林減少，耕地、居民用地不斷增加的趨勢。

本研究可為全面、準確地了解吉林省遼河流域現(xiàn)狀和生態(tài)環(huán)境情況提供科學的理論支持，為后續(xù)的深入研究提供基礎材料，同時，基于分析結果及當前自然條件，針對吉林省遼河流域各類型生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀，現(xiàn)急需提出一套完整、科學的還林、還濕、還草生態(tài)修復技術指導方案及建議，該方案及建議的提出可使得生態(tài)保育與修復、功能需求和視覺形態(tài)要求盡可能滿足和協(xié)調于生態(tài)保育的要求，同時可使流域河道恢復到天然河流形態(tài)，河岸緩沖帶恢復到完整穩(wěn)固的形態(tài)，河漫灘恢復達到天然地貌類型，并起到防洪和防止水土流失效果等，從而為遼河流域生態(tài)系統(tǒng)的恢復提供保障措施。

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