河北太行山低山丘陵區(qū)土地利用時空變化研究

李愛民,郭宏,趙娛,張冬梅,許中旗

(1 秦皇島市林業(yè)局，河北 秦皇島 066000； 2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；3 河北省木蘭圍場林管局，河北 圍場 068450)

土地是人類社會賴以生存的載體，人類為滿足發(fā)展需要，按照土地的自然屬性和用途分類加以利用。土地利用發(fā)生改變會對物質(zhì)能量流動、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，因此對土地利用變化因素的研究就十分重要。隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及對土地資源利用的增加，人類活動對于土地利用變化的影響日益受到關(guān)注。近些年來，隨著3S技術(shù)的發(fā)展，使用遙感影像對土地利用變化的分析已經(jīng)成為一種重要的分析方法。2008年，劉金萍等借助3S技術(shù)和重慶市的五期土地利用數(shù)據(jù)，通過建立數(shù)學(xué)模型(人為影響指數(shù)、土地利用動態(tài)度)進行動態(tài)分析，結(jié)果顯示人類干擾活動影響指數(shù)較高[1]。2015年，向英奇等對遼寧省沿海地區(qū)2000-2010年間景觀格局變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)人為因素是主要的驅(qū)動力，同時也不能忽視自然因素[2]。2020年，孫晨等基于RS和GIS技術(shù)對塔里木河上有典型綠洲的土地利用進行研究，發(fā)現(xiàn)1990-2017年中，阿克蘇綠洲的建設(shè)用地和耕地面積呈現(xiàn)增加趨勢，且耕地面積增幅最大，其他利用類型面積呈現(xiàn)相反趨勢[3]。以上結(jié)果均表明，人類活動對于區(qū)域的土地利用變化有影響，且為主動驅(qū)動力，所以深入研究土地利用變化對有限的土地資源優(yōu)化配置，人類社會的生存發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。河北省邢臺市內(nèi)丘縣侯家莊鄉(xiāng)是具有代表性的低山丘陵地區(qū)，近年來當(dāng)?shù)匾蕴O果為主的經(jīng)濟林得到迅速發(fā)展，對當(dāng)?shù)氐耐恋乩米兓M行研究，旨在為當(dāng)?shù)氐耐恋乩媚Ｊ郊傲止麡I(yè)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省邢臺市內(nèi)丘縣侯家莊鄉(xiāng)，地跨東經(jīng)114°03′～114°09′，北緯37°19′～37°24′，海拔高518～1 134 m，溫帶亞濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量523 mm，年均氣溫11.6 ℃，無霜期180 d，土壤類型主要為壤土或砂壤土，pH值為6.9。主要的植被類型有栓皮櫟林、側(cè)柏林、油松林，以及以蘋果、板栗為主的經(jīng)濟林。

2 研究方法

2.1 材料數(shù)據(jù)來源

主要借助谷歌地球衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)完成，衛(wèi)星圖像采用2009年10月、2013年11月和2016年9月3期影像數(shù)據(jù)(像素分辨率為0.47 m)，其中2009年和2013年2期影像質(zhì)量良好，2016年的影像數(shù)據(jù)有少量云霧，但云霧覆蓋面積小于5%，對整個研究影響很小，所以本研究采用了替代法除云霧。

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實地考察，參考土地利用現(xiàn)狀圖、地形圖等資料，利用ArcGIS采用人工判讀的方法對衛(wèi)星圖像進行處理。通過野外實地考察對土地景觀特征進行檢驗，正確率在90%以上。然后將處理過的3期土地利用圖像，結(jié)合統(tǒng)計資料等數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)研究提供科學(xué)、完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。

根據(jù)研究區(qū)土地利用實際情況，將研究區(qū)景觀類型分為7類，分別為：天然次生植被、農(nóng)田、山地經(jīng)濟林、水域、建筑用地、灘道經(jīng)濟林、河道，詳見表1。

表1 土地利用/土地覆蓋類型分類體系Table 1 Classification system of land use/land coverage types

2.2.1 土地利用變化速率 利用ArcGIS對2009年、2013年、2016年3期衛(wèi)星圖像進行處理，得到研究區(qū)3個時期的土地利用類型圖，從而得出研究區(qū)的土地利用變化情況(包括不同土地利用類型的面積、所占比例以及轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出去向)。

單一土地利用類型動態(tài)度指的是某一土地利用類型的變化速率，其表達式(1)為

(1)

式中：v表示即單位時間內(nèi)某一景觀類型面積的變化速率；Ma表示研究初期某景觀類型的面積；Mb表示研究末期某景觀類型的面積；T表示研究初期和末期的時間段；綜合土地利用類型動態(tài)度是指研究區(qū)不同土地利用類型的綜合變化程度，其表達式為：

(2)

式中：LC為T時間內(nèi)研究區(qū)土地利用類型的年變化率，LUi為研究期間第i地類的面積，ΔLUi-j為某種土地類型轉(zhuǎn)換成另一種土地類型的面積，T代表時間間隔[4]。

2.2.2 土地利用類型之間的變化 建立轉(zhuǎn)移矩陣可以分析不同土地利用類型之間的內(nèi)部轉(zhuǎn)化過程，這種方法在景觀格局分析中被廣泛應(yīng)用[5-11]。轉(zhuǎn)移矩陣的模型為：

(3)

式中S為土地利用類型面積；n代表土地利用類型的數(shù)量；i、j分別代表研究初期初與期末的土地利用類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用的結(jié)構(gòu)變化

土地利用結(jié)構(gòu)變化見圖1和表2。

圖1 研究區(qū)2009-2016年土地利用變化Figure 1 Land-use change in the study area from 2009 to 2016

表2 研究區(qū)各年份土地利用類型面積及所占比例Table 2 Land-use type and proportion of each year in the study area

從2009年、2013年和2016年3期景觀格局分布圖來看，研究區(qū)的主要斑塊類型為天然次生植被，其次為山地經(jīng)濟林，這與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展模式和自然地貌有很大關(guān)系。從表2可以看出，2009-2016年，天然次生植被面積所占比例從72.84%減少到63.81%，共減少9.03%；山地經(jīng)濟林植被面積所占比例從19.33%增加到28.09%，共增長8.76%。其他土地類型面積占比均在5%以下，其中，農(nóng)田面積占比減少到0.01%，減少了3.93%；灘道經(jīng)濟林面積占比總體增加3.20%，在2013年面積占比達4.39%；水域面積占比在2013年達到最高值0.37%；建筑用地面積變化不大。

3.2 土地利用變化速率

土地利用變化速率見表3。

表3 不同時期研究區(qū)土地利用類型變化量及單一動態(tài)度指數(shù)Table 3 Land-use type variation and single dynamic index in the study area in different periods

由表3可知，研究區(qū)2009-2016年天然次生植被、農(nóng)田、建筑用地及水域單一動態(tài)度為負(fù)值，呈減少趨勢，其中農(nóng)田變化速度較快，減少速度最快高達14.24%。水域的動態(tài)度值在2009-2013年為正，2013-2016年為負(fù)；山地經(jīng)濟林，灘道經(jīng)濟林單一動態(tài)度為正值，呈增加趨勢，其面積變化速度呈變慢趨勢，而河道的動態(tài)度值在2009-2013年為負(fù)，2013-2016年為正；建筑用地動態(tài)度整體無明顯變化。

3.3 不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化

不同土地利用類型之間轉(zhuǎn)化情況見表4、表5、表6。

表4 2009-2013年不同景觀類型土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Land-use transfer matrix for different landscape types during 2009-2013 hm2

表5 2013-2016年不同景觀類型土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Land-use transfer matrix for different landscape types during 2013-2016hm2

表6 2009-2016年不同景觀類型土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 6 Land-use transfer matrix for different landscape types during 2009-2016hm2

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能反映出景觀類型之間的轉(zhuǎn)換情況。由表4、表5和表6可以得出河道面積在2009-2013年間有20%左右的面積轉(zhuǎn)出成灘道經(jīng)濟林，在2013-2016年間，河道面積增加了42.94 hm2，轉(zhuǎn)入來源主要為天然次生植被和灘道經(jīng)濟林。整體來看，2009-2016年間，由于河道治理工作，河道面積增加為原來的3倍。農(nóng)田在2009-2013年間面積減少了133.25 hm2，轉(zhuǎn)出去向主要為灘道經(jīng)濟林，在2013-2016年間面積減少了8.80 hm2，轉(zhuǎn)出去向主要為灘道經(jīng)濟林和山地經(jīng)濟林，從整體上看，2009-2016年間，農(nóng)田大面積轉(zhuǎn)變?yōu)闉┑澜?jīng)濟林，原因是當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境更適合種植蘋果、板栗等經(jīng)濟林，其經(jīng)濟效益更高。灘道經(jīng)濟林在2009-2013年間面積變?yōu)樵瓉淼?倍，主要由農(nóng)田和天然次生植被的大面積轉(zhuǎn)入，2013-2016年，面積增加了8.21 hm2，轉(zhuǎn)入來源主要為天然次生植被和河道，整體來看，2009-2016年間，農(nóng)田和天然次生植被大面積轉(zhuǎn)變?yōu)闉┑澜?jīng)濟林，灘道經(jīng)濟林大面積增加。2009-2013年，水域面積增加，主要來自天然次生植被的轉(zhuǎn)入，2013-2016年，面積減少，轉(zhuǎn)出為灘道經(jīng)濟林和河道，總體表現(xiàn)為少量增加。山地經(jīng)濟林在2009-2013，2013-2016年間均有大面積的天然次生植被轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為150.35 hm2和157.92 hm2，總體上，2009-2016年間，天然次生植被大面積轉(zhuǎn)變?yōu)樯降亟?jīng)濟林，轉(zhuǎn)入了309.69 hm2。2009-2016年，天然次生植被向各種類型土地轉(zhuǎn)出，其中絕大部分轉(zhuǎn)出成山地經(jīng)濟林，2013-2016年間也有部分轉(zhuǎn)出成河道。

4 結(jié)論與討論

運用土地利用動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣等方法分析了河北太行山低山丘陵地區(qū)的土地利用變化。研究區(qū)域所處的太行山低山丘陵區(qū)主要景觀類型為天然次生植被，其次是山地經(jīng)濟林和灘道經(jīng)濟林，建筑用地、河道、水域和農(nóng)田的面積較小。2009-2016年，天然次生植被占主導(dǎo)地位的空間格局未發(fā)生明顯改變，但天然次生植被和農(nóng)田的減少，以及經(jīng)濟林的增加是該地區(qū)土地利用變化的主要趨勢。經(jīng)濟林的增加一方面來自于山地天然次生林，另一方面來自于河灘農(nóng)田的轉(zhuǎn)化。2009年以來經(jīng)濟林的快速發(fā)展是當(dāng)?shù)赝恋乩米兓闹饕?qū)動力。

對研究區(qū)3個時間段的土地利用變化分析結(jié)果說明，研究區(qū)在2009-2016年間，天然次生植被和農(nóng)田的面積持續(xù)減少，而山地經(jīng)濟林和灘道經(jīng)濟林的面積持續(xù)增加，水域面積整體呈減小趨勢。太行山地區(qū)總體自然條件差，土層瘠薄，水土流失嚴(yán)重[12,13]，種植農(nóng)作物經(jīng)濟效益低，因此，近年來，根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥罓顩r，結(jié)合生態(tài)經(jīng)濟溝建設(shè)，開始大力發(fā)展以蘋果、板栗為主的經(jīng)濟林。同時，本研究結(jié)果也表明，雖然經(jīng)濟林發(fā)展迅速，但研究地區(qū)以天然次生林植被為本底的景觀特征未發(fā)生明顯變化，這有利于維持研究地區(qū)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。該研究區(qū)景觀面積的變化主要體現(xiàn)在由天然次生植被向山地經(jīng)濟林的轉(zhuǎn)化。這種變化，實現(xiàn)了在不減少林地面積的情況下經(jīng)濟收入的增加[14]，對山區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展起到了促進作用。農(nóng)田面積主要向灘道經(jīng)濟林轉(zhuǎn)變，灘道經(jīng)濟林起到了一定的水土保持的作用，但是同時灘道經(jīng)濟林對河道行洪可能會有阻礙作用[15]，因此需要建設(shè)河水疏導(dǎo)工程，防止由于經(jīng)濟林的建設(shè)導(dǎo)致洪水發(fā)生。