30年間昕水河流域土地利用變化分析

朱金鳳 宋克鵬 張 浩

（華北電力大學環(huán)境科學與工程學院 北京 102206）

引言

土地資源是人類生活賴以生存的基礎(chǔ)資源，土地資源和人類的生存環(huán)境密切相關(guān)，可直接反映人類經(jīng)濟活動的程度，土地資源對于人類發(fā)展和全球氣候變化具有重要意義[1][2]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，土地利用變化已成為全球氣候變化下研究重點[3][4]。土地利用類型的變化對流域內(nèi)水文循環(huán)、水土流失以及生物多樣性具有重要影響，合理的土地利用以及水土資源配置是土地可持續(xù)發(fā)展的前提，否則將有可能影響到流域的生態(tài)環(huán)境安全[5]。目前，已有較多學者對不同區(qū)域土地進行土地利用變化研究，如劉紀元[6]對全國土地利用的時空格局進行了分析研究，呈現(xiàn)了1980 年以來土地利用的變化趨勢。黃河流域的生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展是國家的重大戰(zhàn)略之一，分析流域土地利用變化的趨勢及其驅(qū)動力，對治理流域泥沙沖擊、水土保持具有重大意義，不僅能夠加強流域生態(tài)環(huán)境保護，推動流域高質(zhì)量發(fā)展，更有利于推動我國生態(tài)文明的建設[7]。昕水河是黃河12 大支流之一，近幾十年來昕水河流域?qū)嵤┝硕囗椫卫泶胧┤缤烁€林還草、三北防護林工程，經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市化進程加快，流域內(nèi)土地利用類型也對應的產(chǎn)生了變化。目前，對昕水河流域土地利用類型變化方面的研究較少，對昕水河流域進行土地利用變化分析，探尋驅(qū)動機制，有助于了解昕水河流域的環(huán)境變化狀況，對改善生態(tài)環(huán)境以及合理配置資源具有重要意義。本文以1986 年和2015 年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析昕水河流域30 年間土地利用變化的時空特征以及驅(qū)動力分析研究，為昕水河流域生態(tài)環(huán)境的保護與修復以及自然資源管理提供理論支撐和依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

為了獲得昕水河流域不同時期的土地利用類型圖，利用USGS 下載Landsat TM 遙感影像，數(shù)據(jù)分別是1986 年和2015 年，空間分辨率為30m 的遙感影像，選取原則是：選取7 月中旬或者8 月下旬植被生長季的無云或者少云的影像數(shù)據(jù)。對于下載的遙感影像數(shù)據(jù)，首先運用ArcGIS10.2 以及ENVI5.0 對四期影像進行預處理，然后再運用監(jiān)督識別分類和目視識別解譯結(jié)合的技術(shù)方法，對預處理后的遙感圖像數(shù)據(jù)進行解譯。參照國內(nèi)外已有的土地利用的分類體系，根據(jù)昕水河流域的實際情況并考慮本研究的研究內(nèi)容與目的，對昕水河流域的土地利用進行分類，主要分為水域、建設用地、林地、草地、和耕地5 類。

1.2 土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣能夠直觀地反映兩個時期不同土地利用類型的時空變化狀況，包括土地利用類型的轉(zhuǎn)化來源、轉(zhuǎn)移方向及轉(zhuǎn)移的數(shù)量大小，對各類土地利用類型的轉(zhuǎn)換有較為清晰且定量的認識[8]。具體的數(shù)學形式如下：

式中：A 為各種土地利用類型的總面積，km2；n為研究區(qū)土地利用類型的種類；Aij代表初期i 類土地利用到末期轉(zhuǎn)換為j 類土地利用類型的面積，km2。轉(zhuǎn)移矩陣中每一行數(shù)據(jù)的總和代表的是研究時段的初期某種土地利用類型的面積總和，每一行值代表的是該土地利用類型的轉(zhuǎn)移去向和面積大??；每一列數(shù)據(jù)的總和代表的是研究時段的末期某種土地利用類型的面積總和，每一列的值是該土地利用類型的各項來源和面積大小。

本研究土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的計算是運用ArcGIS軟件，對不同時期（1986 年和2015 年）昕水河流域的土地利用類型圖先進行融合、相交，計算各土地利用類型所轉(zhuǎn)換的面積，然后導出屬性表，進行表轉(zhuǎn)EXCEL，最終完成土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)據(jù)提取。

1.3 土地利用動態(tài)度

土地利用的動態(tài)度一般可以劃分為單一動態(tài)度和綜合動態(tài)度，主要是用于對土地利用的變化速度進行定量的描述。本研究采用單一土地利用動態(tài)度作為對土地利用種類的變化進行量化的依據(jù)。通過計算昕水河流域每種不同的土地使用類型在某個研究階段前后的總體數(shù)量，了解研究區(qū)土地利用狀態(tài)隨著時間發(fā)生的整體變化情況，具體計算公式如下：

式中：K 為變化幅度值，At1、At2分別代表研究初期、末期的某種土地利用的面積，km2，T 為研究時段。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用的時間變化

利用ArcGIS 軟件對昕水河流域的土地利用數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1：草地是1986 年昕水河流域內(nèi)面積最大的土地利用類型，占昕水河流域總面積的57.95%。隨著三北防護林工程的實施，草地面積開始減少，1986-2015 年期間，草地面積由2278.35km2減少到776.79km2，減少了1501.56km2，年平均減少量為50.05km2；林地面積由 1025.89km2增長到2818.25km2，增長了1792.36km2，年平均增加量為59.75km2；耕地面積由499.72km2減少到159.79km2，減少量為339.93km2，年平均減少量為11.33km2；建設用地面積由62.65km2增加到96.44km2，增加了33.79km2，年平均增加量為1.13km2；水體面積由64.94km2增加到80.28km2，增加了15.34km2，年平均增加量為0.51km2。總體分析來看，30 年間，昕水河流域的土地利用類型發(fā)生了顯著的變化，其中林地的變化幅度最大，較1986 年增長了174.71%；其次是耕地，相較于1986 年減少了68.02%；再之是草地，相比于1986 年減少了65.90%；最后是建設用地和水體，相較于1986 年分別增加了53.93%和23.62%。

表1 昕水河流域1986-2015年各土地利用面積和變化幅度表

2.2 土地利用空間分布

1986 年和2015 年昕水河流域的土地利用分布如圖1 所示。1986 年，草地面積較大，主要分布在昕水河流域的西部、北部和中部地區(qū)，耕地與草地交相分布，林地主要分布在昕水河流域的東部和南部的呂梁山脈。2015 年，耕地和草地面積減小，草地分布在流域的西北部，耕地主要分布在流域西部的邊角處，林地開始向中部擴張，面積迅速增大，原分布于西北部和中部的草地開始轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍?/p>

圖1 1986和2015年昕水河流域的土地利用空間分布

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

研究時段內(nèi)不同土地利用相互轉(zhuǎn)化過程中的定量關(guān)系，可以由土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來表示。昕水河流域1986-2015 年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表2 所示。1986-2015 年30 年間，草地主要向林地方向轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的比例大約為74.95%，草地增加的主要來源是耕地；建設用地有34.09%的土地面積一直保持不變，其余的土地面積主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾土值?，轉(zhuǎn)換的土地比例分別是29.05%和28.28%；耕地的土地面積變化較大，僅有6.41%的土地面積一直保持不變，其余的土地面積主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾土值兀D(zhuǎn)換的土地比例分別是53.71%和36.34%，耕地面積增加的主要是來自于草地的轉(zhuǎn)化；林地有85.18%的土地面積保持不變，轉(zhuǎn)換為其他土地利用的面積較少；水體僅有7.08%的土地面積保持不變，其余的土地面積主要轉(zhuǎn)為了林地和草地，轉(zhuǎn)換的比例分別是57.82%和24.08%，另水體面積的增加主要來自于草地和林地的轉(zhuǎn)換，即水體和草地、林地相互轉(zhuǎn)換。結(jié)果表明，草地主要向林地轉(zhuǎn)換，耕地主要向草地和林地轉(zhuǎn)換，建設用地和水體面積的增加主要來自草地和林地的轉(zhuǎn)換。30 年間，草地、耕地呈下降趨勢，林地、建設用地及水域均呈增長趨勢。這主要是政策和經(jīng)濟的驅(qū)動，黃土高原的三北防護林工程、退耕還林政策及生態(tài)建設治理工程取得較好成效，生態(tài)防護林持續(xù)增長，抑制了流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的過程。同時，在這30 年間，建設用地面積逐漸增加，體現(xiàn)了昕水河流域內(nèi)城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速。分析流域土地利用的變化具有重大的意義，土地利用的變化對生態(tài)過程有著重要影響，植被的變化影響著生物多樣性，可以反映著生態(tài)環(huán)境變化的過程。土地利用的變化必然會引起流域水環(huán)境的變化，例如建設用地的增加和城市化進程的快速發(fā)展，會使得城市河流的污染愈發(fā)嚴重，影響河流的水質(zhì)。因此，研究流域的土地利用變化不僅可以反映流域生態(tài)環(huán)境的變化，為流域治理與修復提供理論支撐，同時為水環(huán)境的保護與治理提供科學的依據(jù)。

表2 1986-2015年昕水河土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

結(jié)語

昕水河流域1986-2015 年間土地利用變化較大，主要以草地、耕地向林地轉(zhuǎn)換為主，30 年間昕水河流域的優(yōu)勢土地利用類型逐漸由草地變成林地。昕水河流域土地利用方式發(fā)生變化的主要驅(qū)動力以人為因素為主，生態(tài)恢復及治理政策因素是主要驅(qū)動力，退耕還林還草、三北防護林工程及小流域生態(tài)綜合治理是植被恢復的主要原因，減少了流域水土流失，是昕水河流域土地利用方式轉(zhuǎn)變的主要驅(qū)動力，另外，當?shù)亟?jīng)濟快速發(fā)展是該流域土地利用變化的又一驅(qū)動力。研究昕水河流域土地利用的變化不僅對流域泥沙治理有重大意義，同時為水環(huán)境保護及治理提供有力支撐，有利于推動我國生態(tài)文明建設。