基于GEE數(shù)據(jù)平臺(tái)的北洛河流域1970-2019年土地利用結(jié)構(gòu)變化特征

鄒亞東， 何 亮， 張曉萍,2， 馬寶有， 王浩嘉， 王妙倩， 薛 帆， 賀 潔

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與干旱農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 3.延安市黃龍國有林管理局， 陜西 延安 71600)

土地資源是承載社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類活動(dòng)過程的重要載體[1-2]。自20世紀(jì)90年代以來，土地利用/覆被變化(land use and land cover change, LUCC)在全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展研究中變得越來越重要，成為國際地圈—生物圈計(jì)劃(IGBP)和國際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃(IHDP)的關(guān)鍵研究課題[3-4]，自此LUCC成為全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點(diǎn)。土地利用結(jié)構(gòu)變化按照其成因和基本特征可分為數(shù)量結(jié)構(gòu)變化和空間結(jié)構(gòu)變化兩方面，是人類在社會(huì)活動(dòng)中對(duì)自然環(huán)境作用而導(dǎo)致的最直觀的結(jié)果[5-8]，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的保護(hù)以及提高全人類的生活水平質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。目前已有許多學(xué)者圍繞區(qū)域土地利用從不同角度展開了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。王思遠(yuǎn)等[9]對(duì)我國20世紀(jì)90年代中期至末期近5 a來土地利用的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了定量分析，得出我國土地利用類型變化主要發(fā)生在東部和北部；周書貴等[10]以黃土高原為研究區(qū)域，運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣的方法，描述了近20 a黃土高原土地利用的時(shí)空變化特征；Agaton等[11]利用GIS和RS技術(shù)對(duì)西塔魯姆河流域的土地利用變化進(jìn)行分析，得出城市化是流域土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)力。馬晴等[12]利用遙感影像數(shù)據(jù)和土地利用變化模型，對(duì)疏勒河流域下游綠洲的土地利用變化趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了分析。李宗怡等[13]以南京市為研究區(qū)域，從土地利用動(dòng)態(tài)度、信息熵和轉(zhuǎn)移方向等方面分析了其土地利用變化情況。對(duì)于土地利用變化的研究主要以國家、省、市和縣等行政尺度和流域等自然區(qū)域?yàn)檠芯繂卧ㄟ^土地利用變化的數(shù)量、轉(zhuǎn)移方向、土地利用動(dòng)態(tài)度和趨勢(shì)預(yù)測(cè)等數(shù)學(xué)模型和方法，來揭示土地利用變化規(guī)律和驅(qū)動(dòng)因素[14-15]。

北洛河流域位于黃土高原腹地，地貌類型和植被分帶在黃土高原具有典型性。在退耕還林(草)等一系列政策落實(shí)之后，北洛河流域植被覆蓋率得到了很大的提升[16]，極大地改善了生態(tài)環(huán)境，河道徑流和輸沙量顯著降低[17-18]。土地利用變化作為影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境與自然資源變化的重要因素，能為生態(tài)水文過程及碳源碳匯研究提供重要的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。而目前對(duì)于北洛河流域土地利用變化的研究成果普遍較早且時(shí)間序列較短[19-20]，對(duì)于驅(qū)動(dòng)力分析研究內(nèi)容較少。鑒于此，本研究基于GEE(google earth engine)數(shù)據(jù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，選取北洛河流域1970—2019年間6期歷史影像數(shù)據(jù)，對(duì)土地利用變化及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行探析，旨在揭示政策、人類活動(dòng)和自然作用下，北洛河流域近50 a土地利用變化規(guī)律，以期為該區(qū)生態(tài)水文過程研究、碳源碳匯足跡演化及優(yōu)化土地利用等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北洛河流域位于陜西省中部、北部，地理坐標(biāo)34°39′55″—37°18′22″N，107°33′33″—110°10′30″E，是黃河二級(jí)支流，渭河一級(jí)支流，河長680.3 km2，為陜西省跨越長度最長的河流。河流自西北向東南，流經(jīng)陜、甘兩省5地(市)18縣(區(qū))，至大荔縣三河口注入渭河，流域總面積為2.69×104km2。流域地處黃河中游地區(qū)，地貌類型多樣，可分為黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)、土石山區(qū)和階地平原區(qū)。氣候類型屬溫帶半干旱和大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為514.2 mm，由北向南、自西向東遞增，年內(nèi)分布不均，其中5—9月降雨量占全年降雨量的76.2%，多以暴雨形式出現(xiàn)，破壞性大，水土流失極為嚴(yán)重。流域植被物種多樣性較為豐富，受溫度及地理因素的影響，流域內(nèi)不同區(qū)位處于不同的植被分布帶，定邊縣和靖邊縣處溫帶典型草原亞地帶；華池縣和吳起縣處溫帶森林草原亞地帶；甘泉縣和志丹縣處溫帶森林草原向暖溫帶北部落葉櫟樹林亞地帶的過渡地帶；合水縣處暖溫帶北部落葉櫟林亞地帶；黃陵縣、洛川縣、黃龍縣、宜君縣、富縣和甘泉縣處暖溫帶落葉櫟林亞地帶[21]。上中游地區(qū)主要土壤類型為風(fēng)沙土和黃綿土土壤顆粒結(jié)構(gòu)多孔，易塌陷流失，下游為黑壚土、灰褐土和水稻土利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。下游階地平原區(qū)地勢(shì)平坦，耕地為主要地類。1970—2019年，耕地、林地、草地、建設(shè)用地和水域面積分別占區(qū)域總面積的79.26%，9.81%，0.62%，9.98%和0.31%。研究時(shí)段內(nèi)耕地面積減少8.06%，林地增加3.02%，草地增加0.51%，建設(shè)用地增加4.76%，水域減少0.23%，主要為耕地向林地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移變化，地類變化較小，所以本文主要對(duì)土地利用變化較大的上中游丘陵溝壑區(qū)、土石山區(qū)和高塬溝壑區(qū)土地利用變化進(jìn)行分析。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究中所使用的主要數(shù)據(jù)源包括：1980(以1985年左右影像為主)，1990，2000，2010和2019年5期空間分辨率為30 m的Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像，基于GEE API編程，篩選成像時(shí)間為當(dāng)年5—9月，云量小于3%的Landsat遙感影像。1970年的MSS遙感影像，分辨率為80 m，數(shù)據(jù)均來自于USGS(美國地質(zhì)調(diào)查局)。

本研究在GEE平臺(tái)上對(duì)5期Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和影像拼接等處理，本文根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，對(duì)全部影像數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系(WGS)，并重投影至Albers投影。解譯過程：通過人工目視方式，在本研究區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取452個(gè)訓(xùn)練樣本，并將樣本點(diǎn)以kml格式轉(zhuǎn)化為shapefile格式，以便導(dǎo)入GEE API中進(jìn)行調(diào)用。并選取流域范圍內(nèi)平均分布的1 000個(gè)點(diǎn)位，在Google Earth 中對(duì)相應(yīng)5期Landsat影像逐點(diǎn)位進(jìn)行驗(yàn)證。參照區(qū)域地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖、Google Earth高分現(xiàn)實(shí)影像(0.5 m分辨率)進(jìn)行核校，以確保點(diǎn)位解譯信息的準(zhǔn)確性[2]。在1980年Landsat TM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用20世紀(jì)60年代末分辨率的KH遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)比影像的差異，目視判斷兩時(shí)段土地利用類型發(fā)生變化的圖斑，進(jìn)行圖斑形狀及屬性信息修正，參考1970—1980年間逐縣土地利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，保證1970年數(shù)據(jù)精度，生成1970年土地利用圖。流域內(nèi)隨機(jī)生成1 000個(gè)點(diǎn)位，通過GEE驗(yàn)證6期數(shù)據(jù)分類結(jié)果，精度分別達(dá)到78.80%，78.76%，79.32%，77.91%，82.67%和83.94%，kappa系數(shù)分別為0.690 3，0.687 3，0.702 1，0.673 2，0.729 6和0.732 5。土地利用類型的劃分參照《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀和特點(diǎn)，將其劃分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地和水域5類。

本研究涉及到的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《吳起統(tǒng)計(jì)年鑒》《富縣統(tǒng)計(jì)年鑒》和《白水縣統(tǒng)計(jì)年鑒》，還有部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于各縣的統(tǒng)計(jì)局。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)可以分為單一土地利用動(dòng)態(tài)度K1和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度LU，這兩種模型都是對(duì)土地利用數(shù)量變化表征的模型。單一土地利用動(dòng)態(tài)度。單一土地利用動(dòng)態(tài)度表征的是某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其計(jì)算公式[22]為：

(1)

式中：K為動(dòng)態(tài)度；Ua，Ub分別為研究區(qū)初期和末期某一種土地利用類型的面積；T為研究時(shí)段長(a)。

土地利用綜合動(dòng)態(tài)度。與單一土地利用動(dòng)態(tài)度相比，土地利用綜合動(dòng)態(tài)度表征的是整個(gè)研究區(qū)域在一定時(shí)間范圍內(nèi)各種土地利用類型的綜合變化情況，是反映地類整體變化的指標(biāo)，其計(jì)算公式[23]為：

(2)

式中：LU是研究時(shí)段內(nèi)的綜合土地利用類型的動(dòng)態(tài)度； LUi為研究時(shí)段初期第i類土地利用類型面積； ΔLUi-j是研究時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值；T為研究時(shí)段長。

2.2.2 土地利用程度

(1) 土地利用程度綜合指數(shù)。人類對(duì)土地資源開發(fā)利用的改造程度和土地資源的變化程度可用土地利用綜合指數(shù)來表達(dá)，其值越大，說明人類對(duì)該區(qū)域的土地利用強(qiáng)度越大，反之越小[24]。其計(jì)算公式為：

(3)

Lj∈[100，400]

(4)

式中：Lj為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai，Ci分別為研究區(qū)內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)和面積比重;n為分級(jí)數(shù)。根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)[25]的土地利用程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)(表1)。

表1 北洛河流域不同時(shí)期土地利用面積及比例

(2) 土地利用程度變化。土地利用程度變化是研究區(qū)內(nèi)多種土地利用類型變化的結(jié)果，土地利用程度及變化量(率)可定量揭示該區(qū)域內(nèi)土地利用的綜合水平和變化趨勢(shì)。其計(jì)算公式[25]為：

(5)

式中：La，Lb分別為時(shí)間a和b時(shí)間的區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級(jí)的土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Ci,a，Ci,b分別為某區(qū)域時(shí)間a和b第i級(jí)土地利用程度的面積比例。土地利用類型指數(shù)分別為：未利用地1；林地、草地和水域2；耕地3；建設(shè)用地4[26]。

2.2.3 形狀結(jié)構(gòu)演變分析 土地利用斑塊形狀和大小會(huì)影響一系列生態(tài)過程，可以反映生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的程度。最大斑塊指數(shù)(LPI)反映景觀最大斑塊的變化方向，值越大表明研究區(qū)受該景觀大斑塊的影響越大，優(yōu)勢(shì)度逐漸增強(qiáng)。周長—面積分形維數(shù)(PAFRAC)反映地類斑塊的復(fù)雜程度[20]。計(jì)算公式為：

(6)

PAFRAC=

(7)

式中：aij為斑塊ij的面積；Pij為斑塊ij的周長；A為地類i的總面積；n為斑塊數(shù)量。0

2.2.4 聚散程度演變分析 景觀生態(tài)學(xué)中用景觀聚集度(AL)和景觀分裂指數(shù)(Division)等指標(biāo)來描述景觀類型中不同斑塊空間分布的集聚(或離散)程度(AI)，來反映土地利用類型的空間分布特征[20,27]。其計(jì)算公式為：

(8)

(9)

式中：gii為基于統(tǒng)一算法的地類i下斑塊間的似然臨近值； 0≤AI≤100，值越大，斑塊聚集度越大；aij為斑塊ij的面積；A為地類i的總面積；0≤Division<1,值越接近1，景觀分裂度越大。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型時(shí)空變化

從空間分布上(圖1和表2)來看，1970—2019年間北洛河流域土地利用類型主要以耕地、林地和草地為主，分別占流域面積的30.72%，46.87%和17.14%，其中林地面積增加明顯，增加面積主要分布在丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)，分別占增加面積的33.53%和39.37%。建設(shè)用地在階地平原區(qū)擴(kuò)張較明顯。在空間分布上，林地面積的84.32%主要分布土石山區(qū)和高塬溝壑區(qū)；草地主要分布于丘陵溝壑區(qū)，占草地總面積的77.9%；耕地在4個(gè)地貌區(qū)都有分布，主要集中于階地平原區(qū)。從土地利用結(jié)構(gòu)來看(表1)，地類變化呈現(xiàn)明顯的升降特征，流域內(nèi)林地和建設(shè)用地所占比例持續(xù)增加，其中林地增幅最大，增幅達(dá)5371.78 km2，所占比例從1970年的38.77%上升至2019年的58.74%，建設(shè)用地所占比例從1970年的1.76%上升至2019年的3.06%。耕地和草地所占比例呈下降趨勢(shì)，其中耕地所占比例從1970年的36.57%下降至2019年的22.00%，草地所占比例從1970年的22.68%下降至2019年的15.98%。從地貌類型區(qū)(表2)來看，丘陵溝壑區(qū)、土石山區(qū)和高塬溝壑區(qū)的耕地、林地和草地的面積比從1970年的1∶0.1∶1.4，1∶6.1∶0.7和1∶0.6∶0.4變成2019年的1∶1.6∶2.9，1∶15.8∶0.5和1∶2.9∶0.2，3種主要地類面積比例發(fā)生了很大的變化，丘陵溝壑區(qū)最為顯著，生態(tài)環(huán)境得到了極大的改善。

圖1 北洛河流域1970-2019年土地利用類型變化

表2 北洛河流域各地貌類型區(qū)耕地、林地和草地面積及比例

3.2 土地利用變化速度

土地利用變化速度是以研究時(shí)段內(nèi)土地利用類型的面積為基礎(chǔ)，單位時(shí)段內(nèi)面積變化的結(jié)果。由表3可知，在研究時(shí)段內(nèi)，流域土地利用綜合動(dòng)態(tài)度呈“先增后減”的變化趨勢(shì)，在2000—2010年間達(dá)到最大值為12.45%，表明該時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)土地利用的影響最為強(qiáng)烈。從單一土地利用動(dòng)態(tài)度來看，1970—2019年間林地面積始終增加，動(dòng)態(tài)度介于0.06%～2.33%，且在1990—2000年間達(dá)到最大值為2.33%。耕地面積在研究時(shí)段內(nèi)均在減少，減少速度介于0.46%～2.14%，1990—2000年減少速度達(dá)到最大為2.14%。草地面積在1980—2010年3個(gè)時(shí)期均在減少，并且減少速度呈增加趨勢(shì)，在其余兩時(shí)段均少量增加。建設(shè)用地整體呈擴(kuò)張趨勢(shì)發(fā)展，在2000—2010年變化速度達(dá)到最快。以縣域?yàn)檠芯繂卧?jì)算各時(shí)段縣域土地利用綜合動(dòng)態(tài)度，來反映人類活動(dòng)的區(qū)域差異性。如圖2所示，1970—1980年各縣土地利用變化速度較慢，動(dòng)態(tài)度介于0.17%～13.26%。1980—1990年各縣土地利用動(dòng)態(tài)度介于0.32%～19.81%，該時(shí)期土地利用變化速度也相對(duì)較為緩慢，動(dòng)態(tài)度較大的縣主要分布在上游地區(qū)(定邊、吳起、志丹、華池等縣)；1990—2000年各縣土地利用變化速度普遍增加，吳起、富縣和白水等5個(gè)縣的動(dòng)態(tài)度均大于30，成為該時(shí)段內(nèi)土地利用變化最快的幾個(gè)縣域；2000—2010年各縣土地利用綜合動(dòng)態(tài)度介于2.54%～61.17%，成為5個(gè)時(shí)期土地利用變化最快的時(shí)期；2010—2019年間，流域內(nèi)各縣土地利用綜合動(dòng)態(tài)度相比于前一時(shí)段有所下降，綜合動(dòng)態(tài)度介于0.23%～42.25%，其中吳起、華池、合水和洛川等7個(gè)縣的土地利用綜合動(dòng)態(tài)度超過30。由此看出，5個(gè)時(shí)期內(nèi)丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)的土地利用綜合動(dòng)態(tài)度較大，受人類活動(dòng)影響最為劇烈。

表3 不同時(shí)期北洛河流域土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)

圖2 不同時(shí)期北洛河流域各縣土地利用綜合動(dòng)態(tài)度

3.3 土地利用程度

如圖3所示，流域土地利用程度綜合指數(shù)呈“先增后減”變化，其值介于228.4～240.7之間，1990年達(dá)到最大值，然后逐漸減少。流域地貌類型多樣，各地貌類型區(qū)土地利用程度差異較大，其中階地平原區(qū)土地利用程度最大且總體呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)殡A地平原區(qū)主要地類為耕地，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建設(shè)用地快速擴(kuò)張使得地類開發(fā)程度越來越大。丘陵溝壑區(qū)、高塬溝壑區(qū)和土石山區(qū)由于退耕還林(草)工程的實(shí)施，土地利用程度綜合指數(shù)總體呈遞減的趨勢(shì),且丘陵溝壑區(qū)遞減趨勢(shì)最明顯。在流域基礎(chǔ)上，以縣為研究單元計(jì)算各時(shí)段土地利用程度綜合指數(shù)變化值，反映出隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)土地利用的影響程度。由圖4可知，1970—1990年間流域內(nèi)絕大多數(shù)縣域土地利用程度處于發(fā)展期，18個(gè)縣只有少數(shù)縣域的綜合指數(shù)變化值為負(fù)值，其余都為正值，說明土地利用程度綜合指數(shù)升高是該時(shí)期的主要趨勢(shì)；1990—2000年間，除階地平原區(qū)(白水縣、澄城縣、合陽縣和大荔縣)外，其余各縣綜合指數(shù)變化量均為負(fù)，上游的吳起、志丹最為明顯；2000—2010年間，各縣土地利用程度綜合指數(shù)變化幅度增大，18個(gè)縣中有17個(gè)縣的綜合指數(shù)變化值為負(fù)值，其中吳起縣最大達(dá)到-19.6，主要是因?yàn)橥恋乩贸潭确旨?jí)指數(shù)高的耕地向分級(jí)指數(shù)低的林地轉(zhuǎn)換，說明該時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)土地利用的影響主要表現(xiàn)為退耕還林(草)；2010—2019年間，各縣土地利用程度綜合指數(shù)減小幅度較前一時(shí)期有所減弱，吳起縣仍為變化幅度最大的縣。

圖3 全流域及各地貌類型區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)

圖4 不同時(shí)期流域各縣土地利用程度綜合指數(shù)變化

3.4 土地利用類型轉(zhuǎn)移

基于北洛河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表4)可知，1970—1980年流域內(nèi)土地利用類型變化較小，主要以林、草地向耕地轉(zhuǎn)移和草地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移為主；1980—1990年流域內(nèi)地類轉(zhuǎn)化類型主要為耕地轉(zhuǎn)林、草地和草地轉(zhuǎn)耕、林地，占流域內(nèi)所有地類轉(zhuǎn)化面積的77.19%。1990—2000年耕地面積凈減少7.73%，主要轉(zhuǎn)化為林地和草地，占轉(zhuǎn)出面積的48.34%和48.96%。林地面積增加最多，凈增加9.09%，主要來自于耕地和草地，分別占轉(zhuǎn)入面積的41.15%和58.43%。2000—2010年土地利用變化速度加快，以耕地、草地和林地之間轉(zhuǎn)化為主。耕地面積減少4.17%，主要轉(zhuǎn)化為林地，占凈減少面積的92.1%。林地面積增加8.78%，主要來自于耕地和草地，分別占轉(zhuǎn)移面積的43.72%和54.37%。草地面積轉(zhuǎn)入4.76%，轉(zhuǎn)出10.03%，主要轉(zhuǎn)化成林地。2010—2019年耕地面積持續(xù)減少，凈轉(zhuǎn)出3.14%，主要轉(zhuǎn)向林地、草地和建設(shè)用地。林地面積持續(xù)增加，面積凈增加2.92%，但是較前一時(shí)期明顯減弱，耕地仍然是林地的主要來源。草地轉(zhuǎn)出3.69%，轉(zhuǎn)入4.59%，面積稍有增加，主要來自于耕地，占轉(zhuǎn)入面積的57.19%。建設(shè)用地面積增加0.28%，主要來源于耕地；同時(shí)有部分建設(shè)用地經(jīng)土地整治轉(zhuǎn)化為其他地類，以耕地為主，占轉(zhuǎn)出面積的68.35%。

表4 北洛河流域1970-2019年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.5 土地利用空間結(jié)構(gòu)演變分析

土地利用空間結(jié)構(gòu)變化是指景觀類型在空間上的分布、幾何特征及排列特征在人類活動(dòng)和氣候變化影響下發(fā)生變化。在退耕還林(草)工程的影響下，北洛河流域的耕地、林地和草地?zé)o論在形狀結(jié)構(gòu)還是在聚散程度上都發(fā)生了很大的變化，進(jìn)而對(duì)其生態(tài)功能和生態(tài)環(huán)境復(fù)雜程度有很大的影響。所以，基于退耕前、退耕初和退耕穩(wěn)定期對(duì)流域內(nèi)丘陵溝壑區(qū)、高塬溝壑區(qū)和土石山區(qū)的耕地、林地和草地的空間結(jié)構(gòu)特征變化進(jìn)行分析，來描述各地類的斑塊聚集程度及大小變化。

最大斑塊指數(shù)(LPI)是反映景觀最大斑塊的變化方向，值越大表明研究區(qū)受該景觀大斑塊的影響越大，優(yōu)勢(shì)度逐漸增強(qiáng)。如圖5所示，丘陵溝壑區(qū)、高塬溝壑區(qū)和土石山區(qū)耕地LPI在退耕前、初和穩(wěn)定期都呈遞減趨勢(shì)；林地LPI在3個(gè)時(shí)期都呈增加趨勢(shì)，表明林地大斑塊逐漸增多，對(duì)區(qū)域生態(tài)景觀的影響逐漸增強(qiáng)；草地LPI在3個(gè)時(shí)期除高塬溝壑區(qū)呈逐漸遞減趨勢(shì)，其余兩個(gè)區(qū)都呈先增再減的變化趨勢(shì)。周長—面積分形維數(shù)(PAFRAC)是描述斑塊的復(fù)雜性的指數(shù)，值越大表明斑塊形狀越不規(guī)則，生態(tài)環(huán)境越復(fù)雜。如圖5所示，丘陵溝壑區(qū)和土石山區(qū)耕地PAFRAC在退耕前、初和穩(wěn)定期都呈逐漸遞減趨勢(shì)，林地和草地PAFRAC呈先降低后增加的變化趨勢(shì)；高塬溝壑區(qū)耕地、林地和草地PAFRAC在3個(gè)時(shí)期都呈先降低后增加。LPI和PAFRAC指標(biāo)反映出研究區(qū)耕地向小斑塊轉(zhuǎn)化，林地大斑塊優(yōu)勢(shì)越來越大，丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)的林地在退耕初期分布較為破碎，且面積較小，斑塊形狀較為規(guī)范，隨著退耕還林工作深入，大斑塊開始增多，斑塊形狀變得越來越復(fù)雜。由圖6可知，丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)耕地AL在退耕前、初和穩(wěn)定期均呈遞減趨勢(shì)，Division呈遞增趨勢(shì)，土石山區(qū)耕地AL和Division指數(shù)反映出該區(qū)耕地先聚集后離散的變化趨勢(shì)，且以離散為主。林地AL除丘陵溝壑區(qū)呈先減后增的變化趨勢(shì)，其余兩個(gè)區(qū)呈逐年增加趨勢(shì)，林地Division則和AL指數(shù)呈相反變化趨勢(shì)，表明林地隨著退耕還林(草)工作的深入，逐漸向大斑塊、聚集過程發(fā)展。丘陵溝壑區(qū)和土石山區(qū)草地AL呈先增后減，Division呈先減后增變化，高塬溝壑區(qū)草地AL呈先減后增，Division呈先增后減變化趨勢(shì)，3個(gè)區(qū)域草地主要以離散變化為主。

注：Ⅰ丘陵溝壑區(qū); Ⅱ高塬溝壑區(qū); Ⅲ土石山區(qū)

注：a吳起縣； b富縣； c白水縣； P總表示總?cè)丝冢?P農(nóng)表示農(nóng)村人口； 1，2，3表示第一、二、三產(chǎn)業(yè)。

4 土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素分析

土地利用變化是一個(gè)復(fù)雜的過程，對(duì)該過程的驅(qū)動(dòng)因素總體可概括為自然系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)兩個(gè)方面。自然驅(qū)動(dòng)因子包括氣候、地貌、土壤、水文等因子，在較大的時(shí)空尺度上對(duì)土地利用變化起著主導(dǎo)作用，與人類相關(guān)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人口和政策等方面的因素在較小的時(shí)空尺度上作用明顯?；谕恋乩脮r(shí)空演變特征分析可以看出，由于流域地貌特征差異及國家政策、水土保持、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長等驅(qū)動(dòng)因素的作用方式不同，使得流域土地利用在時(shí)空尺度上有較大的差異。因此，本文從自然因素和社會(huì)系統(tǒng)因素兩方面，并以吳起、富縣、白水3縣域代表流域上、中、下游區(qū)，對(duì)流域土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析。

4.1 自然驅(qū)動(dòng)因素影響

北洛河流域地貌特征多樣，從上游到下游依次為丘陵溝壑區(qū)、土石山區(qū)、高塬溝壑區(qū)和階地平原區(qū)。丘陵溝壑區(qū)地處流域上游，該區(qū)域地形起伏，溝壑縱橫，水土流失嚴(yán)重。自然條件惡化及耕地地力下降使得一部分山地和坡地出現(xiàn)撂荒，由于該區(qū)屬于半干旱草原區(qū)，降雨量少，氣候干燥，所以撂荒耕地主要演替為草灌等地類，而且倒春寒等氣候?qū)π?、蘋果等經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)發(fā)展有很大的影響。

土石山區(qū)和高塬溝壑區(qū)位于北洛河流域中游地區(qū)，地貌特征與丘陵溝壑區(qū)相似，該區(qū)屬于暖濕性森林草原區(qū)，相對(duì)于上游降雨量較多，而且子午嶺次生林區(qū)對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蚓哂泻艽蟮恼{(diào)節(jié)作用，氣候溫暖濕潤，對(duì)當(dāng)?shù)氐奶O果等經(jīng)濟(jì)林發(fā)展及植被演替都具有促進(jìn)作用。階地平原區(qū)位于北洛河下游，地貌特征相比于上中游差異較大，該地區(qū)地勢(shì)平坦，土壤肥沃，耕地為優(yōu)勢(shì)地類，適宜的氣候及充足的水源，使得農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好。

4.2 社會(huì)驅(qū)動(dòng)因素影響

在國家政策層面上，國家戰(zhàn)略政策的宏觀調(diào)控對(duì)土地利用影響起著主導(dǎo)作用。1970—1990年間，土地利用動(dòng)態(tài)度大的地區(qū)主要分布在上游丘陵溝壑區(qū)，該地區(qū)耕地和草地的變化率較大，主要由土地利用程度低的林草地向土地利用程度高的耕地轉(zhuǎn)變；1990—2019年動(dòng)態(tài)度較大的地區(qū)主要分布在中上游地區(qū)，該時(shí)期流域耕地、草地和林地的變化率較大，這種前后兩時(shí)期的明顯差異主要受國家政策影響。1966—1976年間“以糧為綱”以及后來的家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，一些荒坡、較為適宜林草地等被開墾成耕地。使得原本脆弱的自然環(huán)境更加雪上加霜，土壤侵蝕、草地退化等帶來的土地退化問題更加嚴(yán)重，農(nóng)民陷入了廣種薄收，薄收更廣種的耕作模式。也正是如此，1991年頒布了《水土保持法》，尤其在1998年長江流域洪災(zāi)后國家加大了生態(tài)環(huán)境改善的步伐，在生態(tài)環(huán)境脆弱的西北地區(qū)大力推進(jìn)三北防護(hù)林、天然林保護(hù)工程，特別是退耕還林(草)工程的大力開展使得2000年以來上中游林草面積增加明顯，尤其上游地區(qū)最為顯著，丘陵溝壑區(qū)林草地面積由1970年的59.19%增加到2019年的80.89%。

同時(shí)，為了縮減東西部發(fā)展差距，國家對(duì)西部地區(qū)制定了一系列的經(jīng)濟(jì)扶持政策，上中游地區(qū)石油、天然氣及煤炭等礦產(chǎn)資源豐富，使得上中游地區(qū)二、三產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，尤其是上游地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)快速成為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要支柱產(chǎn)業(yè)，這使得一些經(jīng)濟(jì)效益低的耕地和草地轉(zhuǎn)化成工礦用地。下游地區(qū)適宜的氣候及充足的水源使得以蘋果、棗等為主的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)得到了發(fā)展，同時(shí)，政府在資金和政策上的扶持，使得農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)逐漸規(guī)?；?，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。餐飲、商貿(mào)、旅游服務(wù)等第三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也促進(jìn)了下游地區(qū)城市群落的發(fā)展。這些對(duì)一、三產(chǎn)業(yè)扶持政策促進(jìn)了下游階地平原區(qū)耕地向蘋果、棗等經(jīng)濟(jì)林地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化。

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)層面上，自1970年以來人口數(shù)量快速增長，例如：吳起縣人口為14.343萬人，增加了59.36%，富縣人口為15.89萬人，增加了35.46%，白水縣人口為27.59萬人，增加了35.02%(圖6)。為了滿足人們對(duì)物質(zhì)生存的需求，不斷增加的住房、交通及公共服務(wù)設(shè)施等必然會(huì)占用大量的耕地、林地及草地等。經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程實(shí)際上是對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整和土地利用集約度提高的過程，為了實(shí)現(xiàn)土地利用的高收益，土地利用類型也在不斷的向產(chǎn)出高的方向轉(zhuǎn)化。1970—2019年間，研究區(qū)的第一、二、三產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)值均呈逐年增加的趨勢(shì)，但是由于地貌的差異性，上中下游產(chǎn)業(yè)比重有較大的差異。如圖7所示，1980—2000年吳起縣、富縣和白水縣的第一、二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值都呈緩慢增長，該時(shí)期主要以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主；2000—2019年吳起縣產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，第二產(chǎn)業(yè)成為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)值占比由44%增加到76.8%，一、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展較慢；富縣產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對(duì)均衡；白水縣第一和第三產(chǎn)業(yè)增長速度要大于第二產(chǎn)業(yè)，主要以農(nóng)業(yè)和商業(yè)為主。由表1和表5可知，1970—2019年，流域中建設(shè)用地面積增加了350.38 km2，主要來源于耕地和草地，且在2000年以后增速加快。因此可以看出，人口增長和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化對(duì)土地利用變化也有很大的影響。

5 結(jié) 論

(1) 1970—2019年北洛河流域土地利用類型主要以林地、耕地和草地為主，土地利用變化過程中，耕地和草地面積持續(xù)減少，所占百分比分別從1970年的36.57%和22.68%減少到2019年的22%和15.98%；林地和建設(shè)用地面積持續(xù)增加，增幅分別為19.97%和1.3%；水域面積呈動(dòng)態(tài)變化，稍有較少。結(jié)構(gòu)上，流域耕地和草地趨于分散且斑塊簡單化，林地斑塊趨于聚集復(fù)雜化發(fā)展。人類活動(dòng)對(duì)北洛河流域土地利用的影響方式主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)林地、耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地、草地轉(zhuǎn)林地的土地利用轉(zhuǎn)移特點(diǎn)。

(2) 1970—2019年北洛河流域土地利用綜合動(dòng)態(tài)度分別為6.72%，6.84%，9.81%，12.45%和5.27%，呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，其中上中游地區(qū)的吳起、志丹、黃陵、甘泉和黃陵等縣土地利用變化速度較快。

(3) 1970年以來，北洛河流域土地利用程度綜合指數(shù)總體呈下降的趨勢(shì)，土地利用開發(fā)水平不斷減小，地貌類型的多樣性使得區(qū)域之間以及區(qū)域和整個(gè)流域之間的土地利用程度差異較大，階地平原區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，土地利用程度大于全流域，且整體呈增加的趨勢(shì)，其他地貌區(qū)整體呈下降趨勢(shì)。

(4) 北洛河流域土地利用變化主要驅(qū)動(dòng)因素為人為因素，自然因素為長期的輔助影響因素，其中國家政策、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長為主要驅(qū)動(dòng)力。

致謝：許小明、易海杰、田起隆和呂渡在文章思路、數(shù)據(jù)處理、繪圖及后期文章修改過程中的指導(dǎo)和幫助，在此一并感謝老師及整個(gè)課題組同學(xué)們?cè)谖恼伦珜戇^程中的幫助。