丹江口水庫(kù)核心水源區(qū)土地利用變化特征研究

李明蔚 馬方正

摘要 丹江口市是南水北調(diào)中線工程核心區(qū)，其土地利用變化對(duì)丹江口水庫(kù)水質(zhì)有重要影響?；诘そ谑?007、2012、2017年遙感影像，人機(jī)交互解譯獲取3期土地利用數(shù)據(jù)，構(gòu)建0～1 km、>1～13 km、>13～36 km緩沖區(qū)，定量和定性方法相結(jié)合，綜合分析2007—2017年丹江口市土地利用時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：①研究區(qū)土地利用類型以林地和農(nóng)地為主，土地利用變化速度2012—2017年大于2007—2012年;土地利用變化速度由大到小依次是>1～13 km緩沖區(qū)、0～1 km緩沖區(qū)、>13～36 km緩沖區(qū);農(nóng)地面積持續(xù)減少，建設(shè)用地面積持續(xù)增長(zhǎng)。②土地利用類型轉(zhuǎn)移面積由大到小依次是>1～13 km緩沖區(qū)、0～1 km緩沖區(qū)、>13～36 km緩沖區(qū)，0～1 km緩沖區(qū)內(nèi)，主要是農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、草地和水?>1～13 km緩沖區(qū)內(nèi)，農(nóng)地、林地和草地相互轉(zhuǎn)變，建設(shè)用地持續(xù)增加;>13～36 km緩沖區(qū)內(nèi)，主要是農(nóng)地、林地和草地的轉(zhuǎn)變。③研究區(qū)土地利用程度由大到小依次是>1～13 km緩沖區(qū)、0～1 km緩沖區(qū)、>13～36 km緩沖區(qū);0～1 km緩沖區(qū)土地利用程度降低，土地開(kāi)發(fā)利用減弱;>1～13 km緩沖區(qū)處于土地利用發(fā)展期，土地開(kāi)發(fā)利用逐漸增大;>13～36 km緩沖區(qū)土地利用程度變化很小。

關(guān)鍵詞 土地利用;變化特征;丹江口市

中圖分類號(hào) F 301.24? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）23-0092-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.23.025

Spatio-temporal Variability Characteristics of Land Use in Key Water Source Area of Danjiangkou Reservoir

LI Ming-wei， MA Fang-zheng

（College of Resources and Environmental Science，Hubei University / Hubei Key Laboratory of Region Development and Environment Response， Wuhan，Hubei 430062）

Abstract Danjiangkou City is the central water source area of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion in China， the land use change has a significant impact on the water quality of Danjiangkou Reservoir. In order to analyze spatio-temporal LUCC in Danjiangkou City from 2007 to 2017，the authors took the remote sensing images of the year in 2007， 2012 and 2017 as the main data sources，acquired the LUCC information of Danjiangkou City by using man computer interactive image processing methods，constructed 0-1 km， >1-13 km and 13-36 km buffer zones ，and combined method of qualitative and quantitative analysis. The results showed that： ①The main type of land use in the study area is woodland and farmland. The rate of land use change is 2012-2017>2007-2012;the rate of land use change in descending order is >1-13 km buffer zone， 0-1 km buffer zone， >13-36 km buffer zone.In the past 10 years， construction land increased significantly， while the farmland showed a trend of decrease.②The transfer area of land use types in descending order is >1-13 km buffer zone， 0-1 km buffer zone， >13-36 km buffer zone. Within the area of 1-13 km，it is mainly exchanges between farmland， woodland and grassland. Within the range of 13-36km， it is mainly the mutual transformation of farmland， woodland and grassland.③ The degree of land use in the study area in descending order is >1-13 km buffer zone， 0-1 km buffer zone， >13-36 km buffer zone.It is the decline phase of land use in the range of 0-1km，and the land development intensity gradually weakened. It is the development period of land use， and the land development intensity gradually increased.

Key words Land use;Change characteristics;Danjiangkou City

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471227）。

作者簡(jiǎn)介 李明蔚（1995—），女，山東日照人，碩士研究生，研究方向：水土資源利用。

收稿日期 2021-03-16

土地利用變化是全球變化中最普遍活躍的地球景觀現(xiàn)象之一[1]，因而是全球變化研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。相關(guān)研究主要集中在土地利用變化與環(huán)境變化之間的聯(lián)系[2-3]，土地利用模型模擬及變化預(yù)測(cè)[4-5]和驅(qū)動(dòng)因素研究[6-7]等方面。國(guó)內(nèi)對(duì)于土地利用變化的研究主要是3S技術(shù)，對(duì)土地利用過(guò)程、空間差異等方面發(fā)生的變化以及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析[8-9]。土地利用變化過(guò)程主要利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、動(dòng)態(tài)度、土地利用程度等方法，對(duì)土地利用轉(zhuǎn)變方向、變化速度和程度變化等方面進(jìn)行分析[10-11];土地利用空間變化主要通過(guò)景觀格局指數(shù)和土地利用重心模型等方法進(jìn)行研究[12-13];土地利用變化驅(qū)動(dòng)力方面主要研究社會(huì)因素對(duì)土地利用變化的影響，一般通過(guò)定量分析方法對(duì)人口、經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行分析[14]。上述研究多集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的地區(qū)或城市周邊，而對(duì)水環(huán)境有重要影響的水源地土地利用變化的研究尚較少。

丹江口市是南水北調(diào)中線工程的核心水源區(qū)，其土地利用變化對(duì)丹江口庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境及水源地水質(zhì)有重要影響。該研究以2007、2012、2017年3期遙感影像為基礎(chǔ)，利用RS和GIS技術(shù)對(duì)丹江口市土地利用變化進(jìn)行分析，以期為保護(hù)丹江口水源地和生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

丹江口市隸屬湖北省十堰市，東臨老河口市，西連十堰市城區(qū)，南接房縣，東南與谷城縣接壤，西北倚鄖縣，東北與河南省淅川縣交界。土地總面積3 121 km2，東西長(zhǎng)73 km，南北長(zhǎng)81 km。

丹江口市地處漢江中上游，漢江自西向東穿過(guò)境內(nèi)，也是我國(guó)南水北調(diào)中線工程的核心水源區(qū)，素有“中國(guó)水都，亞洲天池之稱”。地勢(shì)懸殊，南北高，中間低，平均海拔400 m。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年均降水量為750～900 mm。土壤類型主要有水稻土、紫色土、棕壤、黃棕壤和潮土。植被以落葉闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林為主。

丹江口市下轄4個(gè)街道，12個(gè)鎮(zhèn)及武當(dāng)山旅游經(jīng)濟(jì)特區(qū)（即湖北省武當(dāng)山風(fēng)景區(qū)）。常住人口46.38萬(wàn)，2017年地區(qū)生產(chǎn)總值225.14億元。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源 該研究以丹江口市2007、2012、2017年3期Landsat系列遙感影像為數(shù)據(jù)源，空間分辨率為30 m，來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS（United States Geological Survey，https：earthexplorer.usgs.gov）。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（www.gscloud.cn）。在ENVI 5.1和ArcGIS 10.2平臺(tái)支持下，人機(jī)交互相結(jié)合獲取3期丹江口市土地利用數(shù)據(jù)，并利用Google Earth高分辨率影像進(jìn)行精度檢驗(yàn)，滿足研究需求。土地利用分類根據(jù)《全國(guó)土地分類（試行）》和丹江口市實(shí)際情況劃分為6類：農(nóng)地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地。

1.3 研究方法

1.3.1 緩沖區(qū)劃分。以丹江口水庫(kù)平水位為基礎(chǔ)劃分0～1 km、>1～13 km、>13～36 km緩沖區(qū)，并以此為統(tǒng)計(jì)單元分別計(jì)算丹江口市2007、2012、2017年土地利用變化速度、轉(zhuǎn)變方向和程度方面相關(guān)指數(shù)，綜合分析丹江口市土地利用變化特征因水源區(qū)內(nèi)距水體距離不同而產(chǎn)生的地域差異。

1.3.2 土地利用動(dòng)態(tài)度。

（1）土地利用單一動(dòng)態(tài)度。土地利用單一動(dòng)態(tài)度是指研究區(qū)某一土地利用類型單位時(shí)間內(nèi)變化速度的情況。其表達(dá)式如下：

Q=Kb-KaKa×1T×100%

式中，Q表示研究區(qū)土地利用單一動(dòng)態(tài)度;Ka、Kb表示研究時(shí)段內(nèi)期初和期末某一土地利用類型的面積;T表示研究時(shí)段。

（2）土地利用綜合動(dòng)態(tài)度。土地利用綜合動(dòng)態(tài)度能夠反映研究區(qū)所有土地利用類型在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的整體變化速率及劇烈程度。其表達(dá)式如下：

G=mn=1（ΔSi-j/Si）×1t×100%

式中，G表示研究區(qū)土地利用綜合動(dòng)態(tài)度;ΔSi-j表示監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為非i類面積總和;t為研究時(shí)間段。

1.3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠表征各土地利用類型流入與流出面積的大小、結(jié)構(gòu)特征及各土地利用類型變化方向，反映土地利用類型動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。其表達(dá)式如下：

Aij=A11…A1n

An1…Ann

式中，Aij為研究區(qū)某一土地利用類型i轉(zhuǎn)移到j(luò)類的面積;n為土地利用類型數(shù)目。

1.3.4 土地利用程度。土地利用程度可反映研究區(qū)土地利用的綜合水平，包括廣度和深度。根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)等提出的土地利用程度分級(jí)，將土地利用劃分為4級(jí)（表1）[15]。土地利用程度以其綜合指數(shù)表示，其表達(dá)式如下：

L=100×ni=1Ai×Ci

土地利用程度變化指數(shù)可反映研究區(qū)土地利用程度的變化，其表達(dá)式[22]為

ΔLb-a=Lb-La=100×∑ni=1（Ai×Cib）-ni=1（Ai×Cia）

式中，L為研究區(qū)土地利用綜合程度指數(shù);i為土地利用分級(jí)數(shù);Ai為等i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù);Ci為i等級(jí)土地利用程度面積所占百分比;ΔLb-a為土地利用程度變化指數(shù);La和分別為a時(shí)期和b時(shí)期研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù);Cia和Cib分別為i等級(jí)土地利用程度a時(shí)期和b時(shí)期面積所占百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用現(xiàn)狀 丹江口市土地利用類型差異明顯。從空間上來(lái)看，丹江口市林地分布廣泛，草地主要分布在南部和北部，農(nóng)地主要在中部和北部，建設(shè)用地集中分布在東部和中西部。從面積上來(lái)看，土地利用類型以林地為主，2017年占總面積的65.75%，耕地面積次之，占總面積的15.82%，水域占總面積的10.16%，草地占5.62%，建設(shè)用地和未利用地占區(qū)域面積的2.64%。

2.2 土地利用變化

2.2.1 土地利用速度變化。在圖1中，0～1 km緩沖區(qū)內(nèi)，2007—2012年土地利用絕對(duì)變化量表現(xiàn)為農(nóng)地>林地>建設(shè)用地>未利用地>水域>草地。林地和建設(shè)用地呈上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)速度分別為0.13%和1.67%;農(nóng)地減少量最大，達(dá)3.07 km2，草地、水域和未利用地變化很小。2012—2017年，土地利用絕對(duì)變化量表現(xiàn)為農(nóng)地>水域>林地>建設(shè)用地>草地>未利用地。林地、建設(shè)用地和水域面積都有不同程度的增加，增加速度分別為0.37%、3.54%和0.84%，水域的增加量最大，達(dá)11.77 km2;農(nóng)地和草地呈減少趨勢(shì)，其中農(nóng)地面積急劇減少，減少了17.20 km2。研究期間農(nóng)地持續(xù)減少，且減少速度不斷加快，水域不斷增加，且增加速度不斷增大，主要是由于此期間丹江口水庫(kù)大壩加高，水庫(kù)蓄水，淹沒(méi)大量農(nóng)地。

>1～13 km緩沖區(qū)內(nèi)，2007—2012年土地利用絕對(duì)變化量表現(xiàn)為農(nóng)地>草地>建設(shè)用地>林地>水域>未利用地。農(nóng)地面積減少量最大，為25.06 km2;林地、草地和建設(shè)用地面積增加，建設(shè)用地的增長(zhǎng)速度最快，達(dá)3.96%，林地的增長(zhǎng)速度最為緩慢，為0.12%，水域和未利用地面積變化較小。2012—2017年土地利用絕對(duì)變化量表現(xiàn)為農(nóng)地>林地>建設(shè)用地>草地>水域>未利用地。農(nóng)地和草地呈減少趨勢(shì)，分別減少12.53和8.71 km2，草地的減少速度最大，達(dá)1.69%;林地、建設(shè)用地和水域呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，分別增長(zhǎng)9.97、8.92和2.86 km2，建設(shè)用地的增長(zhǎng)速度最大，達(dá)3.92%，其次是水域，為3.48%。研究期間，農(nóng)地不斷減少，但減少速度逐漸放緩，受庫(kù)區(qū)生態(tài)建設(shè)和城鎮(zhèn)化的影響，林地、建設(shè)用地和水域不斷增加，其中水域的增長(zhǎng)速度迅速上升。

>13～36 km緩沖區(qū)內(nèi)土地利用變化量較少，主要是2012—2017年農(nóng)地和林地的減少，以及草地和建設(shè)用地的增加。

總體來(lái)看，2012—2017年土地利用變化速度遠(yuǎn)大于2007—2012年，分別為12.16%和29.34%。2007—2012年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度由大到小的區(qū)域依次是0～1 km、>1～13 km、>13～36 km緩沖區(qū)。0～1 km緩沖區(qū)內(nèi)土地利用變化速度最快，>13～36 km緩沖區(qū)內(nèi)土地利用變化很小;2012—2017年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度由大到小的區(qū)域依次是>1～13 km、0～1 km、13～36 km緩沖區(qū)。>1～13 km緩沖區(qū)內(nèi)土地利用變化最頻繁，>13～36 km緩沖區(qū)內(nèi)相對(duì)變化速度較慢。

2.2.2 土地利用方向變化?；?007、2012和2017年3期土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS進(jìn)行疊加分析，構(gòu)建2007—2012年、2012—2017年丹江口市土地利用類型變化分布圖（圖2）和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表2、3），分析各土地利用類型轉(zhuǎn)移方向。

2007—2012年，土地利用類型轉(zhuǎn)變面積由大到小的區(qū)域依次是>1～13 km、0～1 km、>13～36 km緩沖區(qū)。0～1 km緩沖區(qū)主要是農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，這表明生態(tài)環(huán)境逐漸改善，其他土地利用類型轉(zhuǎn)變較小。>1～13 km緩沖區(qū)主要是農(nóng)地、林地、草地的轉(zhuǎn)出和林地、草地、建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入。農(nóng)地轉(zhuǎn)出面積最大，主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、林地和建設(shè)用地，分別轉(zhuǎn)出16.13、5.31和3.04 km2。草地是面積變化的第二的地類，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾徒ㄔO(shè)用地，農(nóng)地是其面積增加的主要來(lái)源。建設(shè)用地面積逐漸增加，轉(zhuǎn)入7.53 km2，主要是由農(nóng)地、林地和草地轉(zhuǎn)變而來(lái)。>13～36 km緩沖區(qū)土地利用變化較小。

2012—2017年，土地利用類型轉(zhuǎn)變面積遠(yuǎn)大于2007—2012年，轉(zhuǎn)變面積由大到小的區(qū)域依次是>1～13 km、0～1 km、>13～36 km緩沖區(qū)。0～1 km緩沖區(qū)內(nèi)，農(nóng)地面積變化最大，轉(zhuǎn)出18.63 km2，轉(zhuǎn)入1.43 km2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾退?，這表明丹江口庫(kù)區(qū)退耕還林政策效果明顯，生態(tài)環(huán)境改善。林地主要轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，占其轉(zhuǎn)出量的66.99%。受丹江口水庫(kù)蓄水的影響，水域面積增大，農(nóng)地、林地和草地的轉(zhuǎn)入是其三大來(lái)源，分別占轉(zhuǎn)入量的46.90%、35.51%和16.14%。>1～13 km緩沖區(qū)內(nèi)，主要是農(nóng)地、林地和草地三者之間相互轉(zhuǎn)變，以及建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入。農(nóng)地面積持續(xù)減少，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾徒ㄔO(shè)用地，分別轉(zhuǎn)出12.64和4.38 km2。林地面積增加9.96 km2，其主要原因是農(nóng)地和草地的轉(zhuǎn)入量26.49 km2遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)地、草地和建設(shè)用的轉(zhuǎn)出量16.03 km2。建設(shè)用地面積增長(zhǎng)8.92 km2，轉(zhuǎn)出量較少，主要是由農(nóng)地、林地和草地轉(zhuǎn)變而來(lái)，此緩沖區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積占其轉(zhuǎn)入總面積的68.34%，這表明此緩沖區(qū)范圍內(nèi)隨著城鎮(zhèn)化速度的加快，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。>13～36 km緩沖區(qū)內(nèi)主要是農(nóng)地、林地和草地之間的轉(zhuǎn)變，以及建設(shè)用地的增加，其轉(zhuǎn)變面積遠(yuǎn)小于>1～13 km緩沖區(qū)。

2.2.3 土地利用程度變化。以丹江口市0～1 km、>1～13 km、>13～36 km緩沖區(qū)為統(tǒng)計(jì)單元，計(jì)算丹江口市2007年、2012年、2017年土地利用程度綜合指數(shù)，并在此基礎(chǔ)上得到丹江口市2007—2012年、2012—2017年土地利用程度變化指數(shù)（圖3）。研究期間，0～1 km緩沖區(qū)內(nèi)，土地利用程度變化小于0，土地利用程度呈持續(xù)下降的趨勢(shì)。2012—2017年土地利用減小程度遠(yuǎn)大于2007—2012年，表明2012—2017年土地利用程度降低加快，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善。>1～13 km緩沖區(qū)內(nèi)，土地利用變化程度大于0，土地利用程度呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，表明該區(qū)域處于土地利用發(fā)展期，土地開(kāi)發(fā)加大，建設(shè)用地增加，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快。>13～36 km緩沖區(qū)內(nèi)，2007—2012年土地利用程度變化大于0，土地利用程度呈上升趨勢(shì)，表明該區(qū)域開(kāi)發(fā)利用逐漸加大。2012—2017年土地利用程度變化小于0，土地利用程度降低。

3 結(jié)論

該研究基于丹江口市2007、2012、2017年3期遙感影像，采用多種土地利用變化模型，綜合分析丹江口市土地利用變化特征。

丹江口市土地利用變化速度2012—2017年遠(yuǎn)大于2007—2012年。2007—2012土地利用變化速度由大到小的區(qū)域依次是：0～1 km緩沖區(qū)、>1～13 km緩沖區(qū)、>13～36 km緩沖區(qū);2012—2017年土地利用變化速度由大到小的區(qū)域依次是>1～13 km緩沖區(qū)、>0～1 km緩沖區(qū)、>13～36 km，受退耕還林政策及城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，整個(gè)研究期間耕地面積不斷減少，建設(shè)用地不斷增加，其他土地利用類型面積互有增減。

丹江口市土地利用轉(zhuǎn)變方向主要是農(nóng)地、林地和草地之間相互轉(zhuǎn)化，以及建設(shè)用地和水域的轉(zhuǎn)入。0～1 km緩沖區(qū)內(nèi)，受丹江口大壩加高影響，主要是農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍⒉莸睾退颉?gt;1～13 km緩沖區(qū)內(nèi)，農(nóng)地、林地和草地相互轉(zhuǎn)化，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入主要集中在此范圍內(nèi)，且增長(zhǎng)速度不斷加快。>13～36 km緩沖區(qū)內(nèi)，土地利用變化相對(duì)較少，2012—2017年土地利用轉(zhuǎn)變面積增加，主要是農(nóng)地、林地和草地的轉(zhuǎn)變。

土地利用程度變化主要在0～1 km和>1～13 km緩沖區(qū)內(nèi)。0～1 km緩沖區(qū)內(nèi)土地利用程度持續(xù)降低，土地開(kāi)發(fā)利用減弱;>1～13 km緩沖區(qū)內(nèi)土地利用程度持續(xù)增長(zhǎng)，土地開(kāi)發(fā)利用逐漸增大。

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