陕西省神木县2012年土地利用结构特征分析

陈利利,张建军,张亭亭,郭敏杰,木热提江·阿不拉,蔺鹏飞,于艺鹏,张晓萍

(1.西北农林科技大学资源环境学院,712100,陕西杨凌;2.中国科学院水利部水土保持研究所,712100,陕西杨凌; 3.中国科学院研究生院,100049,北京)

陕西省神木县2012年土地利用结构特征分析

陈利利1,张建军2,3,张亭亭1,郭敏杰2,3,木热提江·阿不拉1,蔺鹏飞2,3,于艺鹏1,张晓萍2†

(1.西北农林科技大学资源环境学院,712100,陕西杨凌;2.中国科学院水利部水土保持研究所,712100,陕西杨凌; 3.中国科学院研究生院,100049,北京)

以位于晋陕蒙接壤区的陕西省神木县为例,选取相关定量指标,对其2012年土地利用结构特征进行分析,结果表明:1)神木县和各乡镇土地利用均以中低覆盖度草地为主,景观基质为草地。2)神木县土地利用类型齐全度低,集中化程度高,组合类型少,土地利用程度低;西北部风沙草滩区乡镇较东南部丘陵沟壑区乡镇土地利用类型齐全度高,集约化水平低,土地整体功能强,组合类型数多;乡镇间不同土地利用类型的区位意义与该乡镇的矿藏开发、风景名胜区、地形地貌和植被区系等有很大关系。3)神木县土地利用类型的空间结构表现出农地、居民地和工矿用地等受人类活动影响越强烈的地类,其分维数越小、形状指数越大、形状越简单的特征。因此,神木县未来土地利用需要增加有效植被盖度,进一步使陡坡农地退耕,加强未利用地的开发以及工矿用地复垦,改善县域生态环境,从而保证土地利用可持续发展。

土地利用;数量结构;空间结构;神木县

土地利用是社会生产中作为生产资料的土地利用方式、利用程度和利用效果的总称。土地资源是制订国民经济计划和宏观决策的重要基础资料,其利用状况是土地利用规划和土地管理的重要依据[1]。土地利用结构是特定区域内,国民经济各部门(农业和非农业)用地面积占土地总面积的比例[2]。按照系统论中结构决定功能的观点,土地利用系统的核心就在于土地利用结构[3-4],因此,分析土地利用结构、认清土地资源利用状况对合理利用土地、强化土地管理等具有重要意义。

全球变化背景下,国内外土地利用研究的内容侧重于土地利用动态变化、驱动机制、分区、结构优化等;土地利用研究的方法主要以统计分析、系统动力学、元胞自动机和马尔珂夫模型等方法;土地利用研究的尺度主要集中在全国、省、市、地区以及流域等层次,作为具有行政管理功能的基本单位,县域是土地管理、土地规划达到持续利用的最佳尺度。神木县相关研究主要有土地类型划分及评价[5]、土地利用动态变化及景观格局演变[6],而对于土地利用的数量和空间结构特征的定量分析较少。笔者结合林草植被覆盖度及地形要素,定量分析神木县土地利用的结构特征,以期对土地利用规律和土地生态环境进一步认识,从而加强实践指导。

陕西省神木县位于晋陕蒙接壤区的黄土高原北缘与鄂尔多斯高原南缘交接地带的中心区,该区生态脆弱,侵蚀剧烈;但区内能源富集,品质优良,在全国能源工业发展和能源基地建设布局中具有特殊的重要地位,以煤、石油和天然气等为主的能源工业在本区逐渐兴起[7-8]。神木县是中国第一产煤大县,具有农牧交错带地形地貌典型特征,产业结构特殊,强烈的人为活动影响着县域土地利用的结构格局和数量特征。近年来,由于生产建设项目的开发以及退耕还林(草)工程的实施,生态环境发生变化,会表现出什么样的土地利用结构,需要进行分析。笔者选用相关定量指标并结合地理信息系统技术,通过对神木县2012年高精度遥感影像进行解译并获取土地利用信息,进而分析其土地利用结构特征,为该县生态环境稳定和土地可持续利用提供科技信息。

1 研究区概况

图1 神木县区位图及乡镇分布Fig.1 Location of Shenmu County

神木县位于陕西榆林地区东北部长城沿线,晋陕蒙接壤地区,内蒙古毛乌素沙地和黄土高原丘陵沟壑过渡区,如图1所示。介于E 109°37′～110° 56′、N 38°12′～39°27′之间。南北长141 km,东西宽95 km,总面积7 635 km2,居陕西省县区面积之首。县域地形西北高,东南低,海拔720.6～1 437.8 m。全县分3个地貌区:东南部黄河沿岸峡谷丘陵区,约占总面积的7%,谷道狭窄,岩石裸露,多悬崖陡坡;中南部为黄土丘陵沟壑区,占全县面积31%,梁峁起伏,沟壑纵横,地形破碎;北部为风沙草滩区,占全县面积62%。气候为温带半干旱大陆性季风气候,年平均日照时间2 876 h,气温8.5℃,无霜期169 d,降水440.8 mm。植被区系为森林草原向典型草原和干旱草原过渡带。以黄河为界与山西兴县相望,境内窟野河、秃尾河流域面积分别占全县总面积的51.2%和31.4%。降水资源短缺,地下水资源相对丰富。县境西北部有46个内陆湖泊,其中塞上明珠红碱淖总面积54 km2,储水8亿m3,是陕西省最大的内陆湖,也是中国最大的沙漠淡水湖。主要土壤类型为风沙土和黄绵土,淡栗钙土和黑垆土同时并存、交错分布,南北方向延伸。主要土地利用类型为草地、耕地和林地[9]。2011年底,全县总人口42万,辖15镇4乡。

2 数据来源及处理

2.1 数据源

遥感影像数据为2012年9—10月RapidEye影像,经过几何纠正、大气纠正和多光谱合成的正射镶嵌影像,空间分辨率6.5 m,全县共5景,影像时间和参数如表1所示。建立各土地利用类型解译标志库,通过目视解译过程获取土地利用信息,同时对第3和第5波段进行运算,获取全县归一化植被指数,并采用像元二分模型估算植被覆盖度。神木县30 m分辨率的DEM数据下载于国际科学数据服务平台,经过预处理及投影转换后,提取坡度数据。植被覆盖度和坡度信息帮助判断林草地覆盖质量和农地地形部位信息。

表1 神木县2012年RapidEye遥感影像信息及参数Tab.1 Information and parameters of RapidEye remote sensing image in Shenmu County in 2012

2.2 土地利用信息解译

参照第2次全国土地调查土地分类系统,根据县域实际情况,将园地和耕地合并为农地,土地利用类型分为农地、草地、林地、居民地、工矿用地、交通用地、水域和未利用地等。影像解译和提取土地利用信息的过程如下:

1)根据影像的颜色、色调、纹理、形状、阴影、位置、结构和几何特征,结合水系、地貌、土质、植被、气候条件及人文活动特征,依据上述土地利用分类系统,对包含生产建设项目扰动地类在内的土地利用类型建立遥感解译标志。在野外实地勘察过程中,对解译标志进行核查、修改和补充。

2)参照解译标志,采用目视解译法对神木县土地利用信息进行室内判读。按照1∶5万比例尺制图规范,最小成图图斑面积为4 mm2,条状图斑短边长度≥1 mm。成图图斑数量达到1万6 952个。

3)对解译结果抽取总图斑数的5%进行核查,核查10%的样本进行实地验证。解译结果判对率达到91.5%。

4)在ArcGIS 9.3软件支持下,将最终解译图建立拓扑关系,制作土地利用图,对分类面积进行量算和统计,得到神木县县域及各县镇土地利用数量信息表(表2)。

3 研究方法

3.1 土地利用数量结构分析方法

土地利用数量结构分析是对区域内各类型数量组合关系的分析。选取Gibbs-Martin多样化指数、Weaver-Thomas组合系数法、土地利用程度综合指数和区位指数4个指标[4,10-12]分别对土地利用类型的多样化、组合类型、土地利用程度和区位意义4方面探讨神木县土地利用数量结构特征。

3.2 土地利用空间结构分析方法

土地利用空间结构反映了土地利用类型在地域上的配置及其对比关系[13]。选取斑块数、斑块面积、斑块周长、分维数、形状指数和分离度指数等几个指标[4,14]表征土地利用空间格局。

这些定量指标能够充分发挥各自作用,并较全面地揭示县域土地利用结构基本特征和所存在的问题,可行性较强[10],并被广为使用。

表2 神木县各乡镇土地利用数量信息表Tab.2 Area of each land use types of 19 towns and whole Shenmu County

4 结果与分析

4.1 神木县土地利用数量结构分析

由表2可知,神木县的土地利用率为91.93%,其中草地面积4 722.13 km2,占总面积比例最大,达61.85%,其次为农地和林地,面积分别为1 119.29和727.89 km2,占总面积比例分别为14.66%和9.53%。水域、工矿用地、居民地和交通用地占地面积都较小,比例分别为1.27%、2.12%、0.18%和2.31%。神木县各乡镇中,除尔林兔镇草地面积比例较小,为47.6%外,均以草地面积最大,花石崖镇高达74.15%。

林草地覆盖度是指示生态环境演替方向的重要指标,尤其在生态环境脆弱区。将70%作为研究区林草地稳定发挥生态效益的有效植被覆盖度[15]。神木县林草植被覆盖度＞70%的面积比例,仅占全县面积的10.28%,占全县林草地利用类型面积的14.40%。位于县域东南部丘陵沟壑区乡镇的有效植被覆盖度面积占各乡镇林草地面积的比例为7.6%～49.1%,而西北部风沙草滩区乡镇有效植被覆盖度面积更小,占乡镇林草地面积比例为1.1%～10.9%。

15°和25°是黄土区侵蚀发育过程中的2个重要临界坡度[16]。以此划分坡度段为＜15°、15°～25°和＞25°,分析神木县农地的坡度分布(表3)。可知,全县67.4%的农地分布在＜15°地段,11.3%的农地分布在＞25°地段,另有21.3%农地分布在15°～25°地段。西北风沙草滩区各乡镇中绝大多数农地位于＜15°地段,由平坦的地形地貌所决定。东南部丘陵沟壑区各乡镇位于＜15°地段的农地面积比例为41.43% ～73.22%,7.35% ～25.85%的农地位于15°～25°坡度段,由破碎的丘陵沟壑地形地貌特征所决定。

表3 神木县土地利用类型与坡度关系Tab.3 Relationship between land use types and slope in Shenmu County %

上述分析可知,神木县及各乡镇土地利用均以草地为主,且均以＜70%覆盖度的中低覆盖度草地为主。农地中仍有约11.3%的农地位于＞25°坡度段,约21.3%的农地位于15°～25°坡度段。坡耕地上浅沟侵蚀的发生发展是导致侵蚀量剧增的重要因素,因此进一步使陡坡农地退耕,尽量将农地控制在发生浅沟侵蚀的临界坡度15°以下的地段对土壤侵蚀的改善具有良好的效果。

4.1.1 土地利用结构的多样化分析 土地利用数量结构的多样化分析能够揭示区域内土地利用的齐全程度或多样化状况,其值介于0～1之间,多样化指数越小,说明该区域的土地利用类型越单一,当为0时,代表只有一种土地利用类型。多样化指数越大,即越趋近于1,说明该区域的土地利用类型越多样。理论上最大值为0.857[10]。根据各乡镇多样化指数的高低,采用K-Means聚类法分为低多样化、中多样化和高多样化3个级别,并制作神木县土地利用多样化指数空间分布图(图2)。各乡镇土地利用数量结构指标值如表4所示。

图2 土地利用类型多样化指数空间分布Fig.2 Diversification index space distribution of land use type

总体上看,神木县县域19个乡镇的多样化指数介于0.417～0.691之间,相差显著,说明神木县乡镇间土地利用类型的齐全程度有一定的差异。县域平均多样化指数为0.579,与理论最大值相差较大,可见全县各种土地利用类型的齐全程度较低。

位于神木县北部和西部风沙草滩区的大柳塔镇、尔林兔镇、锦界镇和大保当镇为土地利用高多样化区,如图2和表4所示。表明4个乡镇产业结构较其他乡镇丰富多样,经济水平较高。其中大柳塔镇的多样化指数最高,为0.691。主要由于其矿藏资源丰富,煤炭产业发达,带动二、三产业和生态农牧产业全面发展,反映到土地利用结构上,则表现为土地利用类型多样。

而位于神木县东南部丘陵沟壑区的花石崖镇、太和寨乡、栏杆堡镇、乔岔滩乡为低多样化地区,多样化指数＜0.516。这主要与其所处地形地貌有关:梁多峁少,自然环境较差,人类活动干扰程度较少,各乡镇草地面积比例均为70%以上,土地利用的多样化发展受到限制。

其他11个乡镇包括神木镇为中多样化地区,多样化指数介于0.516～0.607,相差较小,说明这几个乡镇间经济发达程度类似,土地利用结构具有趋同性。

4.1.2 土地利用结构的组合类型分析 土地数量结构组合类型分析是为了确定土地利用结构的类型特征及主要类型。土地利用组合类型的多少一般反映了区域土地整体功能的强弱。

由表4可知:位于神木县风沙草滩区的乡镇以草地和未利用地为主要组合类型,林地和农地为次要组合类型;位于丘陵沟壑区的乡镇以草地为主要组合类型,农地、未利用地和林地为次要组合类型;而位于峡谷丘陵区的乡镇主要类型为草地和农地。大柳塔镇、尔林兔镇和高家堡镇的组合类型数最多,有3种,为草地、林地和未利用地,而孙家岔镇、花石崖镇、乔岔滩乡、太和寨乡、解家堡乡的土地利用组合类型数最少,仅有草地1种类型。总体来看,全县及19个乡镇的组合类型构成中包括草地、农地、林地和未利用地4种地类,有16个乡镇的土地利用组合类型数≤2种,土地利用整体功能较弱,草地、农地和未利用地优势显著,尤其是草地,体现了神木县牧草产业的重要性,同时也说明全县土地整体功能较弱,尤其是只有1种组合类型的乡镇即孙家岔镇、花石崖镇、乔岔滩乡、太和寨乡、解家堡乡还有很大的提升空间。

表4 各乡镇土地利用多样化指数、组合类型及土地利用程度综合指数Tab.4 Diversification index,combination and land use degree comprehensive index of every town

4.1.3 土地利用程度综合分析 土地利用程度主要反映土地利用的广度和深度,它不仅反映了土地利用中土地本身的自然属性,而且反映了人类因素与自然环境因素的综合效应[17]。依据公式结构,土地利用综合指数值介于100～400之间。

由表4可知,全县平均土地利用程度综合指数为213.74,锦界镇、大保当镇、解家堡乡、尔林兔镇、高家堡镇、麻家塔乡6个乡镇的土地利用程度综合指数低于全县平均水平,且未利用地比例大于全县的平均未利用地比例,具有较大的开发潜力。其余13个乡镇的土地利用程度综合指数高于全县平均水平,其中栏杆堡镇最高为228.00。各乡镇土地利用程度综合指数介于184.68～228.00之间,土地利用程度普遍较低,有待于提高土地集约化程度和综合利用效益。

4.1.4 地类区位意义分析 区位指数是反映某一地区各种土地相对于高层次区域空间的聚集程度[10],当区位指数＞1时,说明该地类具有区位意义,反之,说明该地类不具有区位意义。

分析表5可知,神木县19个乡镇中,11个乡镇的农地具有区位意义,其中栏杆堡镇的农地区位指数最大,区位意义最为显著。

13个乡镇的草地具有不明显区位意义,区位指数均在1.5以下;林地具有区位意义的乡镇有12个,其中店塔镇和大柳塔镇的林地区位优势明显,分别为1.98和2.06。

神木镇、大柳塔镇、锦界镇、孙家岔镇、麻家塔乡、店塔镇、中鸡镇和尔林兔镇6个乡镇的居民地具有区位意义,其中大柳塔镇和孙家岔镇的区位优势最为明显,区位指数分别为2.22和2.08;孙家岔镇、大柳塔镇、麻家塔乡、神木镇和中鸡镇5个乡镇的工矿用地具有区位意义,其中位于北部风沙草滩区的孙家岔镇、大柳塔镇以及麻家塔乡的区位优势显著,这与其地下矿藏资源丰富,神府煤矿的开采,对地面产生较大的扰动有密切的关系。这3个乡镇林草有效植被盖度面积占乡镇面积比例都较小(2.62%、3.04%、4.14%),对水土资源的涵养效果较差,而煤田开发破坏了原有生态环境的稳定性,区位优势发展与生态的稳定性矛盾凸显。

表5 神木县各乡镇土地利用区位指数Tab.5 Location advantage indices of land use of each town in Shenmu County

大保当镇、孙家岔镇、麻家塔乡、神木镇和大柳塔镇5个乡镇的交通条件较为理想,交通用地具有区位意义,除大柳塔镇以外的4个乡镇区位意义较强,都在2.5以上。

水域用地类型具有区位意义的乡镇有8个,受风景名胜区红碱淖的影响,尔林兔镇的水域用地类型区位意义最显著。

未利用地具有区位意义的乡镇有7个,其中锦界镇、大保当镇、尔林兔镇的区位意义相对明显,分别为2.79、2.04、1.90,这与其处于毛乌素沙漠和黄土高原过渡带,土地难以利用有很大的关系。其林草有效植被盖度的面积占乡镇面积比例都较小(＜3.36%),说明这3个镇90%以上的林草建设对水土保持的作用不大,将影响到土地生产潜力的发挥及土地的可持续发展。

4.2 神木县土地利用空间结构分析

4.2.1 总体特征 如前所述,神木县草地的总面积占全县面积的比例最大,为61.85%,其斑块平均面积、最大面积、平均周长和最大周长4个指标在各地类中都居首位(表6),优势明显,可以确定神木县的景观基质为草地。农地、林地、居民地、工矿用地、交通用地、水域和未利用地是草地上的镶嵌体,构成全县土地利用总体格局的基础。

4.2.2 斑块形态特征 分维数反映了在一定的观测尺度上土地利用斑块边缘的复杂程度,理论范围为1.0～2.0,1.0代表形状最简单的正方形斑块,2.0代表等面积下周边最复杂的斑块。由表6可知,各地类斑块分维数介于1.06～1.20之间,差异较小,说明所有地类斑块形状总体上较为简单。

表6 神木县土地利用类型斑块指标统计Tab.6 Statistical indices for different land patch types in Shenmu County

形状指数是反映斑块与圆形的相似程度,当形状指数为最大值1时,表示斑块形状与圆越相近,斑块形状越规则;其值越小,则表明斑块形状与圆形相差越大,斑块形状越不规则。

结合分维数和形状指数2个指标来分析,居民地和工矿用地的分维数最小,都为1.06,二者形状指数居前2位,分别为0.64和0.65。表明2种地类是受人类活动影响相对较大的地类,其斑块形状相对简单、规则。

交通用地的分维数最大(1.20),形状指数最小(0.29),说明受到地形地貌条件的制约,其斑块形状最复杂。农地是受人类活动强烈干扰的利用类型之一,但由于很大程度上受地形的制约,所以具有较大的分维数(1.11)和较小的形状指数(0.47);未利用地是其他土地利用后残留的未开发土地,也就是被其他土地利用类型分割、包围而具有不规则形状的地类,其分维数和形状指数均显示其形状的复杂性。

分离度指数反映不同斑块个体空间分布的离散(或集聚)程度,从分离度指数看,交通用地的分离度指数较大,为2.517。这是由于解译过程中,县域内的道路太窄,考虑到图斑大小,只解译正在施工的道路,因此交通用地破碎最严重;而农地、未利用地和林地的分离度指数相对较小,分别为 0.037、0.045和0.059,没有发生严重的破碎,说明这3类土地呈大面积连片分布的状态,在整个土地利用格局中地位较高。草地的分离度指数最小(0.008),也与草地是该县的景观基质相一致。

5 结论

1)神木县各利用类型占全县面积比例从大到小依次为:草地 61.85%、农地 14.66%、林地9.53%、未利用地8.07%、交通用地2.31%、工矿用地2.12%、居民地1.27%和水域0.18%。神木县及各乡镇的主要利用类型为生态效益较低的中低覆盖度草地,全县约30%的农地分布在＞15°的坡度段。

2)神木县总体上多样化指数较小,土地利用类型的齐全程度较低;集中化指数较高,土地利用集中化程度较高;组合类型较少;土地利用程度较低。从东南部黄土丘陵区到西北部风沙草滩区,乡镇多样化指数呈增大趋势,集中化指数为减小趋势,组合类型数为增大趋势。表明西北部乡镇较东南部乡镇土地利用类型齐全度高,集约化水平低,土地整体功能强,组合类型数多。

不同土地利用类型在乡镇间表现出来的区位意义,由乡镇所在区域的矿藏资源、风景名胜、地形地貌特征和植被区系等有很大关系。

3)神木县土地利用空间结构分析表明,各土地利用类型形状均较简单。受人类活动影响越强烈的地类,如农地、居民地和工矿用地,其分维数越小,形状指数越大,形状越简单。

在土地利用野外调查和室内判读工作中,得到北京师范大学地遥学院刘宝元、王志强、符素华、王友胜等,以及刘二佳、陈妮、谢名礼等的帮助,在此表示感谢。

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(责任编辑:程 云)

Characteristics of land use structure in Shenmu County,Shaanxi Province in 2012

Chen Lili1,Zhang Jianjun2,3,Zhang Tingting1,Guo Minjie2,3,Muratjan·Abla1,Lin Pengfei2,3, Yu Yipeng1,Zhang Xiaoping2
(1.College of Natural Resources and Environment,Northwest A&F University,712100,Yangling,Shaanxi,China; 2.Institute of Soil and Water Conservation,CAS&MWR,712100,Yangling,Shaanxi,China; 3.University of Chinese Academy of Sciences,100049,Beijing,China)

Taking Shenmu County in Shaanxi Province as an example,we analyzed the characteristics of its land use structure in 2012 based on related quantitative indices.The results indicated that:1) Moderate and low-cover grassland was the main land use type for the county,and for each of its towns the landscape matrix was grassland.2)The diversity index of land use was relative low,concentration index was high,combination types were few and the land use degree was low.Compared with southeastern towns where hilly and gully area dominates,the northwestern towns which are characterized by sandy wind and grass shoal had higher diversity index of land use,lower level of intensive land utilization,better overall land function and more combination types.The significance of location of each land use type of the towns had a great relationship with exploitation of mineral resources,scenery area,topography and terrain,and vegetation flora.3)The characteristics of spatial structure of land use of Shenmu County show that,for the agricultural land,residential areas and industrial land which were more intensively impacted by human activities,the smaller the fractal dimension,the larger the shape index,and the simpler the shapes.The results of our study show that the land use of Shenmu needs to increase the effective vegetation cover,further perform the“grain for green”project,strengthen the exploitation of unutilized land and the reclamation of mining land,and improve the ecological environment system for ensuring the sustainable development of land use.

land use;quantitative structure;spatial structure;Shenmu County

F301

A

1672-3007(2015)01-0059-09

2014- 05- 09

2014- 12- 02

项目名称:中国科学院知识创新项目“晋陕蒙能源基地受损生态系统恢复重建关键技术与示范”(KZCX2-XB3-13);中国科学院重点部署项目“近百年黄土高原侵蚀环境与水沙变化”(KZZD-EW-04-03-03);国家自然科学基金“典型流域水沙动态过程及对退耕还林(草)响应机理”(41101265);国家自然科学基金重点项目“气候变化背景下黄土高原土地利用影响径流的空间尺度效应”(41230852)

陈利利(1988—),女,硕士研究生。主要研究方向:资源环境监测与评价。E-mail:chlili2013@163.com

†通信作者简介:张晓萍(1971—),女,博士,研究员。主要研究方向:区域水土流失规律及水土保持。E-mail:zhangxp@ms. iswc.ac.cn