近16年来黄土丘陵沟壑区土地利用动态变化及驱动因素分析——以陕北黄土高原的子长县为例

刘铁辉

(陕西省水土保持勘测规划研究所，710100，西安)

近16年来黄土丘陵沟壑区土地利用动态变化及驱动因素分析
——以陕北黄土高原的子长县为例

刘铁辉

(陕西省水土保持勘测规划研究所，710100，西安)

在RS和GIS技术支持下，以子长县1990、1999和2006年3期TM/ETM卫星影像为基础数据，结合野外实地调查资料，应用土地利用动态度、年变化率、土地转移矩阵等方法对子长县过去16年间的土地利用变化特征及其驱动因素进行分析。结果表明：1)1990—2006年，子长县土地利用变化表现为耕地和未利用地显著减少、牧草地和林地显著增加、水域先减后增以及建设用地持续增加的总体特征;2)耕地、牧草地、林地和未利用地的面积变化较为剧烈，且几乎所有用地类型在1999—2006年的年变化率较1990—1999年更为明显;3)耕地和未利用地的减少在各土地类型中最为明显，二者的减少是因为林草地面积大量增加，坡耕地等成为林草地面积增加的主要来源;4)社会、经济、政策等人文因素对子长县的土地利用变化起着重要作用，而政策因素则是导致土地利用结构发生变化最主要的驱动力。

土地利用变化;TM/ETM影像;驱动因素;子长县

土地利用动态演变研究是揭示区域生态环境状况的有效手段之一［1］。土地利用方式对区域水土流失具有重要影响，不同的土地利用方式可以组合形成不同的景观和结构，使区域生态系统具有不同的结构和功能，具体表现在生物多样性、土壤质量、河川径流与侵蚀等多个方面。合理的土地利用格局是区域生态安全的重要前提，因此，在深入认识和了解区域土地利用过程、格局及驱动因素的基础上，开展土地利用格局变化研究，建立合理的土地利用及生态—生产范式，对于区域生态环境的安全发展具有重要的现实意义。前人关于区域土地利用变化方面的研究［1-3］，主要侧重于土地利用变化规律、土地利用与土地覆被变化对全球气候变化的响应、土地利用变化对区域生态环境的影响、土地利用与土壤侵蚀的关系以及土地利用变化影响因子等几个方面，研究区域多为整个黄土高原或以流域为研究单元［4］，对典型黄土丘陵区县域土地利用与土地覆被变化的研究成果较少，也缺少对不同土地利用类型之间转化关系的研究。目前，还未发现针对子长县土地利用变化的专门研究成果;因此，选择生态建设任务重、土地供需矛盾突出的典型黄土丘陵区，研究县域土地利用变化规律，尤其是分析不同土地类型间的转化过程，非常必要。笔者选择位于陕北黄土高原的延安市子长县为研究区域，以RS与GIS技术为支撑，结合野外实地调查，对县域尺度上的土地利用过程、强度及变化趋势进行研究，以期为该县的土地利用决策和优化调控及水土流失治理工作提供依据与支持。

1 研究区概况

子长县地处陕西省黄土高原腹地，E 109°11'58″～110°01'22″，N 36°59'30″～ 37°30'00″。东西长 72 km，南北宽55.70 km。地势由西北向东南倾斜，海拔930～1 562m。地形为典型黄土梁峁丘陵沟壑，丘陵起伏，沟壑纵横。气候上属于暖温带半干旱大陆性季风气候，气温低，温差大，境内年平均气温9.1℃，年平均降水量为514.70mm，有清涧河、无定河、延河3大水系。土壤主要为黄绵土，其次为绵沙土和坝淤土，黄绵土疏松绵软，孔隙度大，通气良好，渗水性强，易受流水侵蚀。植被分布格局西北部以草为主，草种主要包括胡枝子(Lespedeza bicolor)、冰草(Agropyron cristatum)、紫花针茅(Stipa purpurea)、茵陈蒿(Artemisia scopariaThunb.)、百里香(Thymus serphyllum)、大针茅(Stipa grandis)等地被植物以及沙打旺(Astragalus adsurgens)、紫花苜蓿(Medicago sativa)等人工草种，东南部以林为主，主要有刺槐(Robinia pseudoacacia)、小叶杨(Pobulus simonii)、狼牙刺(Sophora viciifolia)、柠条(Caragana korshinskii)等乔灌树种。行政上辖8镇7乡，包括354个行政村，1 295个自然村，总面积2 405 km2，2007年底总人口达25.73万，其中农业人口15.23万，目前仍为典型的农业县。

2 研究方法

选用 1990-08-22、1999-10-17和 2006-09-10的 3期多光谱遥感影像数据，其中1990和1999年2个时段为 Landsat TM影像，2006年时段为 Landsat ETM影像。其他辅助数据包括研究区1∶5万地形图、1∶10万土地利用类型图、植被分类图以及相关文献资料等。此外，采用GPS定位技术和现场调查记录方式，于2011-03—04对研究区进行了实地调查，共定位和记录土地利用样点118个。

2.1 土地利用类型划分及信息提取

1)土地利用类型的划分。根据研究目的及土地利用现状，参照土地利用现状分类国家标准(GB/T 21010—2007)，将研究区土地利用类型划分为以下6种类型：耕地，包括水浇地和旱地;林地，包括乔木林、灌木林地以及园地等;牧草地，包括天然牧草地和人工牧草地;水域，包括河流、水库、坑塘等;建设用地，包括农村居民点、城镇及工矿建设用地、交通用地等;未利用地，包括荒坡、撂荒地等。

2)土地利用类型信息的提取。基于3期遥感影像数据，利用ERDAS IMAGINE 9.2软件和1∶5万地形图对影像进行几何校正(校正误差控制在1个像元以内)、去云处理，然后进行辐射校正，再对影像统一采样到30m空间分辨率，并转换成ALBERS等面积双标准纬线圆锥投影及WGS1984坐标系，提取3期全波段影像的4、3、2波段并赋予红、绿、蓝3种颜色进行标准假彩色合成，同时用研究区界限对影像图进行裁剪，最后根据已建立的解译标志结合非监督分类和监督分类方法提取土地利用类型信息。为保证土地利用分类的解译精度，还需对初步分类结果进行精度检验。采取随机抽样法(随机抽取500个验证点)，结合野外GPS定位样点来进行精度检验，如若不符合精度要求，则需重新调整分类模板进行分类，直到分类图像的Kappa指数大于85%为止。经过计算，3期遥感影像最终分类结果的Kappa指数分别为0.91(1990年)、0.88(1999年)、0.86(2006年)，都超过了最低判读精度Kappa指数大于85%的要求。

2.2 土地利用变化分析指标的选取

选取土地利用动态度、变化幅度、年变化率和转移矩阵对研究区土地利用变化的数量、速率以及各用地类型之间的转化量及转移方向进行定量分析。各指标的计算公式［5］如下。

式中：ΔU为土地利用动态度，即表示研究时段内某种土地利用类型面积变化数量;Ua和Ub分别为研究初期和研究期末土地利用类型的数量;t为研究时段，a;当t为1时，K为研究时段内某种土地利用类型的变化幅度，当t设定为年时，则K为研究时段内某种土地利用类型的年变化率;sij为研究初期第i类土地转化为研究期末第j类土地的面积，km2;n为土地利用类型的数量。

2.3 计算方法

利用ERDAS IMAGINE 9.2软件中Interpreter菜单下Gis Analysis模块中的Matrix功能进行分类重编码和土地利用转移矩阵的计算分析。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构及其变化

利用ERDAS IMAGINE 9.2软件对TM/ETM影像进行解译时，由于在影像的多次校正、边界的裁剪等过程中存在一定误差，因此，需要对解译所得的土地利用总面积进行面积平差，其平差流程为县域面积→乡镇区划面积→图斑面积。解译后得到的子长县土地利用图斑总面积为2 462.53 km2，应用面积平差法将土地面积调整为官方所公布的面积，即2 405 km2。

对子长县1990、1999和2006年3期 TM/ETM影像进行解译，结果见图1，土地利用类型图斑面积统计结果见表1。可以看出，耕地、牧草地、林地和未利用地是该县土地利用的主要类型，4种土地类型面积之和分别占3个时段县域面积的96.49%、95.93%和94.86%。

1990—2006年，研究区土地利用发生了显著变化，具有以下特点。

图1 1990、1999、2006年子长县土地利用分布图Fig．1 Spatial distribution of land use at Zichang County in 1990，1999 and 2009

1)主要土地利用类型变化幅度较大，土地利用主导类型由耕地和草地转变为林地和草地。与1990年相比，1999年该县的耕地和未利用地总面积下降明显，分别为704.64和302.90 km2，而牧草地和林地总面积有较大的增长，增长幅度分别达到13.76%和35.29%。到2006年时，耕地和未利用地面积进一步下降，所占比例分别减少了19.69%和11.35%，牧草地和林地总面积则持续增加，二者的面积总和是1990年的1.66倍，水域面积总体上是先减后增，建设用地面积所占比例不断上升。

2)土地利用结构趋于合理化，土地供需矛盾有所缓和。地处陕北黄土高原的子长县，历史上生态环境十分脆弱，土地贫瘠，且土地利用粗放，效益低下，而人口的增长又使这些问题和矛盾更加严重和尖锐，为长期广种耕垦提供了客观条件;但自1990年以来，耕地和未利用地面积的下降以及林、草地面积的持续增加，反映了该县的土地利用逐渐趋于理性，土地供需矛盾得到缓和，有利于人地关系的良性健康发展。

表1 子长县1990—2006年土地利用结构及变化趋势Tab．1 Land use structure and its changes in Zichang County from 1990 to 2006

3.2 土地利用动态度及年变化率

从图2和图3可以看出，子长县1990—2006年的土地利用变化存在以下主要特点。

1)从土地利用动态度来看，1990—1999年和1999—2006年2个时段面积变化较大的地类主要是耕地、牧草地、林地和未利用地。其中：牧草地和林地面积增加比较明显，且1999—2006年的林、草地面积增加量要大于1990—1999年;耕地和未利用地在2个时段的面积变化量也非常明显，但以面积显著减少为特点，其中耕地1999—2006年的减少量要远大于1990—1999年的;水域面积在前后2个时段的面积变化很小，先减后增;建设用地面积在整个研究时段上有所增加，但幅度也较小。

2)从土地利用类型的年变化率来看，耕地、林地、水域和未利用地的变化比较剧烈，尤其是1999—2006年，耕地、林地、水域和未利用地的年变化率分别达到 -7.25%、9.34%、7.63%和-6.74%，牧草地和建设用地的年变化率与其他地类相比变化较小，二者在2个时段的平均年增加率仅为1.94%和3.05%。总体上来看，几乎所有用地类型1999—2006年的年变化率较1990—1999年更为剧烈。

3.3 土地利用转移特征

图2 1990—2006年子长县土地利用类型变化量Fig．2 Change of land use in Zichang County from 1990 to 2006

图3 1990—2006年子长县土地利用类型年变化率Fig．3 Annual change rate of land use net in Zichang County from 1990 to 2006

利用ERDAS IMAGINE 9.2软件中的Matrix功能进行土地利用转移矩阵的分析，整理后结果见表2和表3。其中的行表示各种土地利用类型由1990年土地利用类型向1999年土地利用类型转化的结果，列表示由1999年土地利用类型向1990年初始状态土地利用类型转化的状况。由表2可知，1990—1999年共有 143.65 km2的耕地和 182.30 km2的未利用地转作它用，分别占研究区转化土地总面积的34.26%和43.47%。其中：耕地转化为牧草地、林地和未利用地的面积最多，依次为72.35、29.71和 29.22 km2，分别占三者新增面积的42.94%、19.57%和55.63%;未利用地的主要转化方向是牧草地和林地，占未利用地转化总面积的99.43%。可知，耕地和未利用地的减少是林草地面积增加的主要来源。此外，牧草地的流出方向主要是毁草开垦为耕地以及林地，其次是转化为未利用地和建设用地，林地有一小部分分别转化为牧草地(6.45 km2)和未利用地(6.21 km2)，其他用地类型也发生了不同程度的转化。

从表3可以看出，1999—2006年耕地和未利用地的流失依然是最多的，耕地流失总面积为363.12 km2。其中：流失耕地的57.11%和40.15%分别转化为牧草地和林地，其余转化为建设用地和未利用地;未利用地面积的减少使得牧草地的面积大大增加，增加比例占牧草地新增总面积的51.24%，此外，一部分流失的牧草地还使水域面积和林地面积分别增加11.79和2.11 km2;牧草地流失面积中有74.58%的面积流向林地，其余则流向建设用地和未利用地;林地除有16.83 km2转化为建设用地外，还有5.28 km2转为耕地;水域和建设用地流失部分均转为未利用地。

表2 1990—1999年子长县土地利用转移矩阵Tab．2 Transitionmatrix of land use of Zichang County from 1990 to 1999 km2

表3 1999—2006年子长县土地利用转移矩阵Tab．3 Transitionmatrix of land use of Zichang County from 1999 to 2006 km2

3.4 土地利用变化的主要驱动因素分析

引起区域土地利用类型变化的因素是多方面的，目前，普遍认为导致土地利用类型发生变化的驱动因素主要是自然和人文2个系统。自然因素包括地形坡度、气候、自然灾害等方面，人文因素包括社会、经济与人口增长、土地利用者主体行为、政策等多个方面。从已有的研究成果来看，自然因素对区域土地利用变化的影响并不是很显著，人类的社会经济活动则直接导致了土地利用方式的改变和土地利用结构的演化，实质是人类为了满足社会经济发展的需要而不断地调整、配置各类土地利用的过程;因此，主要针对人文因素来分析其对子长县土地利用变化的影响。

1)社会因素对土地利用变化的影响。社会的发展和进步影响着土地的利用结构，在社会因素驱动力中人口因素是人类社会因素中最主要的因素，一切社会活动都源于人［6］;因此，人口因素在社会因素中占主导地位，是促使土地利用发生变化的主要驱动力。子长县人口增长迅速，1949年为6.88万人，到1985年人口增长到17.73万人，2007年底达到25.73万人，其中农业人口15.23万，从1949年到2006年的58年间，人口增加了2.74倍。人口的快速增长一方面必然使建设用地的需求增加，另一方面，人口增长使得粮食、畜产品等的需求增加，从而对耕地、牧草地、林地的变化等都有很大的影响;因此，在不考虑其他因素影响的前提下，人口的增长定会使居民点用地等建设用地以及耕地面积增加，这样就使得牧草地、林地、未利用地等成为二者的主要来源。1990—2006年，子长县的建设用地在小幅增加，耕地在大幅减少，牧草地和林地除有一小部分转化为耕地等其他地类外，总面积在不断增大，这与政策、经济等其他因素有着很大的关系。

2)经济因素对土地利用变化的影响。区域土地利用变化离不开经济发展的刺激，经济因素是土地利用变化的基本保证，它影响着土地利用变化的方向和土地利用开发的效益，同时又受土地利用变化的制约。改革开放以来，子长县的经济实力明显增强：GDP由1978年的0.199 6亿元发展到2007年的 33.95亿元，增长了 170多倍，年均增长15.4%，尤其是在“十五”期间，GDP年均增长达到16.4%;人均GDP由1978年的126元增长到2007年的1万3 602元，增长了104倍［7］;经济产业结构不断得到优化，三次产业结构显现出农业比例下降、第二产业、第三产业比例提升的趋势，即由原来以农业经济类型为主逐渐演变为以石油、原煤等能源重化工和现代化农业经济为主的经济类型。经济的快速发展使得县域内的土地利用发生了较大的变化，呈现出居民点、城镇、交通等建设用地持续增加，牧草地、林地快速增加，耕地和未利用地持续减少的特点，其中牧草地的快速增加与该县大力发展以养殖为主的草畜业有密切关系。

3)政策因素对土地利用变化的影响。子长县历史上水土流失严重，生态环境脆弱，严重影响到当地社会经济的发展，为此，在改革开放以后，国家和地方政府出台了一系列政策，以小流域为单元防治水土流失等自然灾害，1998年子长县被列为全国生态环境建设重点县，加之西部大开发战略的实施，以及1999年退耕还林(草)政策的出台，又使该县在2000年成为全国退耕还林(草)试点示范县。在这些政策因素的强烈影响下，子长县的土地利用结构发生了巨大变化。退耕以后的耕地绝大部分转化为牧草地和林地，部分牧草地转变为林地，大部分未利用土地成为林草地，从而使林草地的面积大大增加，生态环境状况得到很大改善。

4 结论与讨论

1)近16年来，子长县的土地利用结构发生了显著变化，林地和草地快速增加，土地利用结构渐趋合理，有利于水土保持和生态恢复。退耕还林(草)形成的土地利用结构性变化，无法改变土地供需矛盾;因此，今后应加强农业生产结构调整和生态农业的发展。

2)近年来子长县土地利用变化速度逐年加快，以耕地、林地和未利用土地变化最为明显。土地利用变化加快，则必须考虑土地利用方式变化后如何高效和合理利用的问题;因此，应适当减缓土地类型的转化速度，同时，利用现代技术加强对县域土地利用动态变化的监测。

3)子长县耕地和未利用地的转化是各用地类型中最多的。耕地和未利用土地大量转化为林地和草地，会进一步加剧土地供需矛盾，同时也导致后备土地资源不足;因此，应加强基本农田建设，以质量换数量，从而保证在恢复生态的同时，也能够保持农牧业的发展。

4)人文因素是子长县土地利用变化的主要驱动因素。其中，政策因素对该县土地利用变化的影响最大，因此，必须加强政策和法规的研究，使政策和法规真正成为促进生态和农业发展的有力保障。

5 参考文献

［1］杨梅，张广录，侯永平.区域土地利用变化驱动力研究进展与展望［J］.地理与地理信息科学，2011，27(1)：99-100

［2］刘纪远，邵全琴，延晓冬，等.土地利用变化对全球气候影响的研究进展与方法初探［J］.地球科学进展，2011，26(10)：1015-1022

［3］柳长顺，齐实，史明昌.土地利用变化与土壤侵蚀关系的研究进展［J］.水土保持学报，2001，15(5)：10-17

［4］刘德林，郝仕龙，李壁成.黄土高原上黄小流域土地利用动态变化及驱动力分析［J］.水土保持通报，2012，32(3)：211-216

［5］白根川，夏建国，王昌全，等.基于地类空间转化趋势模型的眉山市东坡区土地利用转化分析［J］.资源科学，2009，31(10)：1793-1799

［6］冯杰.延安市土地利用动态变化及其驱动力分析［D］.西安：西北大学，2009：45-47

［7］陕西省统计局.改革开放30年：子长县经济社会长足发展［EB/OL］.［2012-04-30］.http：∥www.sn.stats.gov.cn/news/sxxx/200891174723.htm

Landuse change and its dynamic driving forces
in Hilly-Gully Area of Loess Plateau：A case study in Zichang County from 1990 to 2006

Liu Tiehui
(Shaanxi Province Soil and Water Conservation Survey and Planning Institute，710100，Xi'an，China)

Based on RS/GIS techniques，the TM/ETM satellite images in Zichang County of 1990，1999 and 2006 were used as basic data，field investigation，land use dynamic，annual change rates and land transfermatrix were used to analyze the land use characteristics and its driving factors.The result shows：1)from 1990 to 2006，the cultivated land and unused land decreased，while the grassland，forest，construction land increased significantly，the water area increased at beginning and then decreased;2)during this period，the cultivated land，grassland，forest and unused land changed dramatically，and the change rates occurredmore sharply from 1999 to 2006 than the period from 1990 to 1999;3)cultivated land and unutilized land decreased significantly among all kinds of lands，due to the increase of grass land and forest land contributed by the cultivated land;4)the human factors such as society，economy，policy are playing important roles in the change of land utilization，especially the policy factor has been themaim driving power for the change of landuse structure.

land use change;TM/ETM image;dynamic driving factors;Zichang County

2012-05-03

2012-10-15

陕西省黄土高原规划(2010036)

刘铁辉(1959—)，男，硕士，高级工程师。主要研究方向：水土保持。E-mail：LTH8601@vip.163.com

(责任编辑：宋如华)