辽河流域土地利用/覆被变化

高媛媛，陈阳阳，吴 冲，郭继香，王 赫，肖能文

(1.中国石油大学(北京)，北京 102249；2.辽宁省环境科学研究院，辽宁沈阳 110031；3.中国环境科学研究院，北京 100012)



辽河流域土地利用/覆被变化

高媛媛1，陈阳阳1，吴 冲1，郭继香1，王 赫2，肖能文3

(1.中国石油大学(北京)，北京 102249；2.辽宁省环境科学研究院，辽宁沈阳 110031；3.中国环境科学研究院，北京 100012)

近年来，辽河流域经济迅猛发展，城市化水平不断提高，开发利用强度不断加大，使得流域内土地利用方式和植被覆盖程度发生较大变化。流域内不合理的土地利用结构使得流域环境质量下降，流域生态系统不平衡加剧，主要体现为流域内土地退化、植被覆盖度和生物多样性减少。针对环境危机，研究人类活动对流域生态环境的影响程度及其响应机理是解决流域内生态环境危机和促进经济、社会可持续发展[1]的重要途径之一，而土地利用是人类社会经济活动与自然生态环境相互作用最为密切的环节，因此非常有必要研究辽河流域的土地利用/覆被变化情况，为进一步深入研究整个辽河流域的人类活动特征及其对生态环境演化的影响提供科学依据。

因辽河流域面积大，该研究仅以辽宁省内辽河流域作为研究对象。基于野外调查和资料收集，利用遥感和地理信息系统技术[2-3]，根据该流域植被覆盖情况的特点，分析辽河流域的土地利用变化情况和变化特征。

1材料与方法

1.1研究区概况辽宁省辽河流域面积约为5.3万km2，主要包括浑河、太子河、清河等支流。流域东北部以山地丘陵为主要地貌，树木覆盖广泛；中下游以平原为主要地貌，以工农业经济为主，人口稠密；西部以沙丘地貌为主要地貌，与内蒙古接壤。该研究区属温带半湿润半干旱的季风气候区。降水主要集中在夏季，年均降雨量介于500～650 mm之间，降雨量由东至西逐渐减少，西部常年处于缺水状态；年平均气温在4～9 ℃之间。

1.2数据来源及处理方法解译使用的信息源为美国陆地卫星Landsat5 TM遥感影像，空间分辨率25 m。数据获取时间为2000年和2010年的7～8月。选取这一时间段遥感数据，主要是考虑在该时间段植被发育好、地表信息丰富等，有利于对各解译标志的读判。TM影像各谱段具体用途见表1。

表1　TM影像数据波段特征

(1)遥感影像预处理。图像数据的预处理包括遥感影像的几何校正，研究区的裁剪，不同时相遥感影像的直方图匹配等基础工作。根据辽河流域地形图，对遥感影像进行几何校正[4]，同时采用二次多项式拟和法进行影像配准，然后运用邻近点插值法进行重采样，误差控制在一个像元内。基于实际研究的需要，裁剪出辽河流域所在区域。直方图匹配[5]是对图像查找表进行数学变化，使得一幅图像某个波段的直方图与另一幅图像对应波段类似，或使得一幅图像所有波段的直方图与另外一幅图像所有对应波段类似。

(2)湿地实地调查。使用地形图和GPS，实地调查流域范围内自然生态环境的基本情况。在实地调查的基础上，结合土地覆被变化的遥感观测[6]，取得植被组成、土地利用现状、地形地貌、土壤地质等第一手资料，经与各有关部门核对，再次进行实地调查，最后利用地理信息软件绘制辽河流域相关图件和数据统计表[7]。

1.3研究方法在得到土地利用/覆被空间遥感数据的基础上，选取单一土地利用动态度(K)、土地利用程度综合指数(L)、均衡度(E)等重要指标，研究辽河流域土地利用变化特征。

单一土地利用动态度表达研究区在一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况[8]，反映土地利用变化速率的区域差异[9]。土地利用动态度的意义在于刻画区域土地利用变化的剧烈程度，对预测未来土地利用变化趋势也有积极作用[10]。其表达式[11-12]为：

(1)

式中，K为在研究时段内某一类型土地利用动态度；Ub、Ua分别为研究区内研究初期和研究末期某种土地利用类型的面积；T为研究时段长，当T以年计时，K值就是某一土地利用类型的年变化率。

信息熵(H)反映土地利用系统的有序或混乱程度。熵越大，土地利用系统混乱度越高，有序程度越低；反之，混乱度越低，有序程度越高。其表达式为：

(2)

式中，Pi为研究区中某一土地利用类型面积百分比；m为研究区内土地利用类型分级数。

均衡度可用来反映土地利用结构的均衡性。均衡度是基于信息熵函数构建的能反映土地利用结构均衡性的量值，取值范围为E∈[0,1]，即当E= 1时，研究区用地类型达到理想平衡状态；当E= 0时，则用地处于最不均匀状态。E值越大，均质性越强。其表达式为：

(3)

土地利用程度综合指数主要反映区域土地利用的广度和深度。在研究区范围内的土地利用程度变化量、年均变化量、变化幅度可用来表征该地区土地利用的综合水平和变化趋势，其中某值大于0，则证明该区域土地利用处于发展时期，否则处于调整期或衰退期[13]。应用土地利用综合指数的关键问题在于土地利用类型的分级与分级指数的指定[14]。该研究将土地利用类型整合为土地未利用级、林草水用地级、农业用地级和城镇聚落用地级等4级，并且分别将分级指数设定为1、2、3、4。区域土地利用程度综合指数、土地利用程度变化量(ΔLb-a)、年均变化量(Ra)和变化幅度(Re)可表示为：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，L为研究区域土地利用程度综合指数；A为区域内第i级土地利用程度分级指数；P为区域内第i级土地利用类型分级面积百分比；m为利用类型分级数。

2结果与分析

2.1土地利用分类结果根据实地调查和土地利用遥感卫星影像，将辽河流域土地利用情况划分为6个一级类型和15个二级类型(表2)。具体的一级土地利用类型为林地、草地、水域、耕地、建设用地和其他6类，对遥感影像进行解译后得到土地利用解译数据，并且根据单一类型土地利用动态度计算公式(1)，计算辽河流域2000～2010年一级土地利用类型的年均动态变化情况(表3)。

表2　土地利用/土地覆盖分类方案

2.2土地利用/覆被数量变化特征

2.2.1土地利用/覆被数量变化。由表3可知，辽河流域主要土地利用类型为耕地、林地，经济形式以农业为主。草地、耕地和建设用地面积增加，其余均减少。其中，耕地、草地和其他用地变化幅度最大，耕地面积内净增加265.32万km2，年均变化率高达26.53%，较其他土地类型增长率高，林地和水域则分别减少了71.91万和38.22万km2，年均变化率分别为7.19%和3.82%。由图1可知，2000年辽河流域二级土地利用/覆被分类面积从大到小依次为耕地、农田与自然镶嵌植被、针阔混交林、落叶阔叶林、建设用地、草地、多树草原、水体、常绿针叶林、裸地与低覆被植被、郁闭灌丛、永久湿地、稀疏草原、开放灌丛、落叶针叶林；2010年辽河流域二级土地利用/覆被分类面积从大到小依次为耕地、农田与自然镶嵌植被、针阔混交林、落叶阔叶林、建设用地、草地、多树草原、郁闭灌丛、裸地与低覆被植被、水体、稀疏草原、常绿针叶林、永久湿地、开放灌丛、落叶针叶林。这说明10年间辽河流域土地利用/覆被分类情况总体没有太大变化，而且耕地一直是流域内生态环境质量的主要组分。

在10年间，耕地、针阔混交林、郁闭灌丛、开放灌丛、多树草原、稀疏草原、草地、建设用地面积呈现出不同程度的增加趋势，其余的则呈现出不同程度的减少趋势，其中针阔混交林、耕地、郁闭灌丛和裸地与低覆被植被面积增加得最多，分别增加404.84、265.32、91.66和47.22 km2，而落叶阔叶林、农田与自然镶嵌植被减少最多，分别减少了534.28和324.13 km2。变化相对剧烈的土地利用类型是落叶阔叶林、针阔混交林、农田与自然镶嵌植被和耕地，对流域土地利用/覆被变化起着决定性作用。

表3　辽河流域土地利用分类面积和动态度

图1　2000年与2010年辽河流域二级土地利用类型面积百分比变化Fig.1　The change of percentage of Ⅱ-level land use area of Liao River Basin in 2000 and 2010

2.2.2土地利用类型信息熵和均衡度变化。利用式(2)、(3)对解译数据进行计算，得出信息熵和均衡度。研究表明，均衡度由2000年的0.482减少到2010年的0.481，信息熵由2000年的1.306减少到2010年的1.305。由此可知，10年间辽河流域土地利用系统有序程度越来越高，说明辽河流域土地利用结构均衡性日趋减弱，各类型用地面积分布的均匀程度有所下降。

2.2.3土地利用程度变化。土地利用综合指数最大的意义在于它能够反映区域土地利用的集约程度，可以衡量区域土地利用所处发展或衰退阶段。通过公式(4)计算出2000年、2010年土地利用程度综合指数，分别为2.524和2.533。可见，10年来辽河流域土地利用程度变化幅度微弱。该指数有所增加的原因是辽河流域内耕地、草地、建设用地面积不断增加，而这3种土地利用类型尤其是耕地在整个流域土地利用构成中所占比例最高，由其他土地利用类型面积变化引起的减少量被抵消。这还说明退耕还林工作并没有广泛开展起来。

通过公式(5)～公式(7)可以计算出辽河流域10年间土地利用程度变化量、年均变化量和变化幅度，分别为0.90%、0.09%、0.36%，均大于0，说明该流域土地利用处于发展时期这主要由于分级指数分别为2、3、4的草地、耕地、建设用地在增加，其增加幅度远大于分级指数为1的其他土地利用类型。这同时导致土地利用程度综合指数的增加。

3结论

对于辽河流域土地利用问题，该研究分析了辽河流域土地利用的现状和变化特征，得到以下研究结论：

(1)在过去10年间，辽河流域一级土地利用类型中草地、耕地和建设用地面积增加，其余均减少，并且耕地、草地变化最为剧烈；二级土地利用类型中耕地、针阔混交林、郁闭灌丛、开放灌丛、多树草原、稀疏草原、草地、建设用地呈现出不同程度的增加趋势，其余则呈现出不同程度的减少趋势，其中针阔混交林、耕地、郁闭灌丛和裸地与低覆被植被面积增加最多，而落叶阔叶林、农田与自然镶嵌植被减少最多。从耕地面积的大幅增加可以推知近些年来研究区存在过度开垦的现象，退耕实施效果不明显。

(2)在过去10年间，辽河流域土地利用信息熵呈现出减少的趋势，表明土地利用系统的有序程度增强。结合一级土地利用类型数量分析结果，发现耕地、林地的面积变化对这一进程具有推进作用。均衡度变化同样呈现减少的趋势，10年间减少了0.001，表明研究区土地利用结构均衡程度有所下降。草地、水域等是能够提高资源环境功能的控制组分，所以要起到改善生态环境质量的效果，就必须在未来土地利用规划中提高这部分土地利用类型的比例，增加其优势度。

(3)10年来，辽河流域土地利用程度变化微弱，土地利用程度综合指数略有上升。辽河流域研究时段的土地利用程度变化量、变化幅度均大于0，说明该流域土地利用处于发展时期。

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摘要[目的]研究辽河流域土地利用/覆被变化特征对分析辽河流域生态环境变化及其驱动力因素具有重要意义。[方法]基于2000～2010年辽河流域16期土地利用遥感数据，对辽河流域10年间土地利用/覆被变化进行定量分析。[结果]耕地、草地和建设用地面积增加，林地、水域和其他用地面积减少；土地利用信息熵与均衡度均呈现减少趋势，土地利用系统混乱度增加，均衡性减弱；土地利用程度变化量及变化幅度均大于0。[结论]该流域土地利用处于发展时期。

关键词辽河流域；土地利用/覆被变化；动态度；土地利用程度

Land Use/Cover Change in Liao River Basin

GAO Yuan-yuan，CHEN Yang-yang，WU Chong et al(China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249)

Abstract[Objective]The research on the change characteristics of land use in Liao River watershed played an important role in the analysis of the change in Liao River basin and the driving force factors. [Method]Based on the remotely sensed data in 2000 and 2010, we analyzed the change characteristics of the land use in Liao River watershed quantificationally. [Result]The areas of grassland, cultivated land and construction land increased while the forest land, water area and other land decreased. The information entropy and the equilibrium degree of land use were both in a decreasing trend. The randomness of land use system went up and the proportionality went down. The variation and the extent of land use intensity in Liao River basin were both over zero. [Conclusion]The basin was in a developing stage.

Key wordsLiao River Basin; Land use/cover change; Land use dynamic degree; Land use intensity

收稿日期2015-12-14

作者简介高媛媛(1988- )，女，山东东营人，硕士研究生，研究方向：环境保护。

基金项目国家科技重大专项项目(2012ZX07505-001-004)。

中图分类号S 127；X 87

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)01-027-04