乌裕尔河流域土地利用变化及驱动力分析

郭 敏，方海燕，李致颖(.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京000；2. 中国科学院大学，北京00049)

土地利用变化通过改变地表径流以及土壤水分对人类和自然环境有着深远的影响。随着人类活动范围的扩大和程度的加剧，土地利用变化对流域内水文循环过程、土壤侵蚀以及生物多样性的影响十分显著，不合理的土地利用则可能威胁到流域的生态环境安全，因而成为区域土地利用研究的热点问题之一[1]。东北黑土区是世界三大黑土区之一，黑土土壤肥力高、理化性状好，黑土区为我国重要的商品粮生产基地[2,3]。然而改革开放以来，人口的增加增加了粮食需求，盲目开发使当地原有的森林、草甸和沼泽等天然植被遭到严重破坏[4]，许多流域土地利用发生剧烈的变化，坡耕地土壤侵蚀面积越来越大，严重影响我国的粮食安全和当地社会经济的可持续发展[5-7]。而研究土地资源的变化趋势与驱动机制，对我国黑土区土地资源的可持续发展具有重大的意义。

目前，许多学者已经对黑土区土地利用变化进行了分析探讨。李晓燕等人分析了东北黑土区1986-2000年耕地资源的变化特征与空间格局及其驱动因素[8]。刘彦随等人通过东北1990-2000年土地利用转换的时空特征及生态效应，揭示了水田与旱地转换的成因及驱动机制[9]。谢叶伟等人则以海伦市为研究对象，分析了20年来该区土地利用空间格局与变化[10]。一些学者还对土地利用变化的影响进行了研究。崔海山等人利用吉林省松原市土地利用变化特征，分析了松原市土地利用变化对土地沙化的影响[11]。岳书平等人根据中国东北样带不同土地利用组合类型，选取典型市、县区，分析了近 30 年来不同类型区土地利用变化对生态系统服务价值的影响[12]。孙丽娜和宋戈则分析了18年来松嫩高平原黑土区巴彦县土地利用变化对景观生态风险的影响[13]。

以上表明，黑土区土地利用研究多从区域的角度[10-13]，但从流域的角度研究不足，而流域是水循环的基本单元。本文利用乌裕尔河流域1985、1995、2000年的土地利用TM遥感数据，从土地利用转移方向和变化速度方面，采用单一、综合土地利用动态度和土地利用转移矩阵等指标，利用 ArcGIS分析流域土地利用变化规律，探讨土地利用变化的影响方向和速度，揭示流域土地利用变化的驱动机制。

1 研究区概况及数据资料

1.1 研究区概况

乌裕尔河属嫩江水系一级支流，是黑龙江省唯一的一条内陆河。河流流经富裕县之后，尾闾逐渐消失在齐齐哈尔以东、林甸县西北烟筒屯的大片苇甸、湿地之中，形成广阔的沼泽地。乌裕尔河依安水文站控制流域面积为8 224 km2，行政区划涉及北安市、依安市、克东县、克山县、德都县和拜泉县等。流域地势东北高，西南低，水系顺应地势自东北流向西南，流域内丘陵漫岗起伏，坡度较缓。流域属中温带半干旱大陆性季风气候，四季气候变化明显，多年平均气温2.1 ℃，多年平均降水量为496.7 mm。乌裕尔河年径流量虽呈现逐年减少的趋势，但由于人类活动强度的增加以及对植被的破坏，泥沙量和径流含沙量总体上呈现逐年增加的趋势[14]。流域内土壤侵蚀严重，1986年土壤侵蚀遥感调查显示，土壤侵蚀面积占流域总面积的63.7%，而其中耕地侵蚀面积占耕地总面积的74.2%[15]。

1.2 数据来源与处理

本文1985、1995和2000年土地利用数据来自于“中国科学院地理科学与资源研究所数据中心”的 TM遥感解译数据(比例尺为1∶10万；图1)；数据内容包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6个一级类型和17个二级类型。在ArcGIS中对土地利用类型进行重分类，读取各种土地利用类型的面积，并通过不同时期数据叠置分析输出转移属性表，采用Excel 数据透视表生成转移矩阵二维表，获得土地利用类型转移矩阵，最终对比分析不同类型土地的转移数量和方向。

图1 1985、1995和2000年乌裕尔河流域土地利用特征Fig.1 The characteritics of spatial distribution of land uses in Wuyuer River Basin from1985 to 2000

2 研究方法

基于以上3期土地利用数据，本文选取土地利用转移矩阵和动态度2种方法研究乌裕尔河流域土地利用时空变化特征。

2.1 土地利用转移方向——土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵能够反映土地利用类型转化的数量、方向及土地利用变化结构，可揭示土地利用格局时空演化特征。转移矩阵中每一个行列元素的值可通过实际数值计算得到，通过把不同时期土地利用图做叠加分析，获取不同时期土地利用类型、转化面积和数量，其数学表达式为[16]：

(1)

式中：Sn为各土地利用类型面积；Sij为研究期内第i类土地利用类型转化为第j类土地利用类型的面积。

2.2 土地利用变化速度——土地利用类型动态度

土地利用动态度能够用来分析土地利用类型面积变化幅度、变化速率及差异等，进而反映土地利用变化的剧烈程度，可从单一和区域土地利用类型动态度两方面来分析[17]。

单一土地利用类型动态度反映一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，表达式为：

(2)

式中：K为研究时段内某一土地利用类型的动态度；Ua、Ub分别为研究初期和研究末期某种土地利用类型的数量；T为研究时段，当T的时段设定为年时，K值即为某种土地利用类型的年变化率。

综合土地利用动态度能够反映研究区内土地利用动态的总体状况及其差异，表达式为：

(3)

式中：LC为综合土地利用动态度；LUi为研究初期第i类土地利用类型的面积；ΔLUi-j为研究时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值；T为研究时段；n为土地利用类型的数量；当T设定为年时，LC的值就是研究区综合土地利用年变化率。

3 结果与分析

3.1 不同时期土地利用类型构成

乌裕尔河流域1985、1995和2000年土地利用类型面积有着相似的特点(见表1)，流域内主要有耕地，林地，草地，水域，建设用地和沼泽地6种土地利用类型，耕地、沼泽地和林地是土地利用的主要类型。3个时期流域内耕地、林地和沼泽地面积之和分别占流域总土地面积的90.57%、91.89%和91.45%。耕地为各时期主要的土地利用类型，3个时期耕地的平均面积和比例分别达到5 829.15 km2和68.31%；沼泽地主要分布在河道附近，所占比例为12%；林地面积也较多，主要分布在东北及西北部，占总面积的11.15%，三者面积之和高达91.46%。草地、水域和建设用地分别平均占流域总面积的为4.45%、0.75%和3.97%，其中水域以水库居多，建设用地以农村居民点为主。

表1 1985-2000年乌裕尔河流域土地利用类型面积特征Tab.1 The areas of land uses in Wuyuer River Basin from1985 to 2000

3.2 土地利用面积变化特征

3个时期不同土地利用变化不大，但仍显示出不同程度的变化。1985、1995和2000年耕地面积所占比例呈现上升趋势；林地面积所占比例下降较为显著；沼泽地面积也有下降趋势。1985-2000年期间，林地、草地、水域及沼泽地面积都有一定程度的减少，林地减少了234.75 km2；草地减少81.01 km2，水域减少 0.34 km2，沼泽地减少46.07 km2。相比之下，16 年间农村建设用地面积由原来的338.35 km2增加到了344.30 km2。不同时期土地利用面积变化见表2，2000年耕地和建设用地分别比1985年增加了6.29%和1.76%；而林地和草地分别比1985年减少了21.09%和19.89%，尤其是草地面积在1985-1995年减少了27.57%，1995-2000年又有所增加，但仍呈下降趋势；水域面积1985-1995年减少了12.94%，1995-2000年增加了14.29%，面积基本保持不变；沼泽地面积在1985-1995年增加了4.72%，而1995-2000年减少了8.79%，但整体仍呈减少趋势。

表2 乌裕尔河流域不同土地利用类型面积变化率 %Tab.2 The changing rate of different land use types in Wuyuer River Basin

3.3 土地利用转移特征

1985-1995年乌裕尔河流域土地利用转移矩阵及转移分布图(表3，图2)表明，耕地面积增加，草地面积锐减，转换的草地面积中有76.5%转换成耕地。增加的耕地主要源于林地、草地及沼泽地，特别是草地向耕地转化数量较大。尽管耕地面积增加，仍有耕地转化为其他土地利用类型，流失的耕地中主要转化为林地、草地和沼泽地，但源于林地和沼泽地的面积与耕地转化为林地和沼泽地的面积相差不大，1985-1995年变化的耕地面积有45%是从草地转化而来。减少的林地主要转化为草地和沼泽地，以沼泽地为主。1985-1995年水域也大量减少，一部分水域转换为耕地，很大部分转换成沼泽地，水体沼泽化现象显著。

表3 1985-1995年乌裕尔河流域土地利用类型转移矩阵Tab.3 Transition matrix of the land use types in Wuyuer River Basin from 1985 to 1995

注:表3中行表示1985年某种土地利用类型转换成1995年其他土地利用类型的面积;列表示1995年某种土地利用类型的来源及其面积。

与1985-1995年相比，1995-2000年间乌裕尔河流域土地利用转化有所不同(表4，图2)。林地和沼泽地大面积减少，且都转化为耕地，增加的耕地面积中有84.32%是从林地和沼泽地转化而来的，转换的沼泽地面积有78.1% 转换成耕地。特别是林地，林地转化为耕地的面积是耕地转换为林地面积的10.78 倍，是该期林地面积大幅减少的直接原因。该时期草地面积逐渐增多，耕地和沼泽地转换为草地的面积是草地转化为耕地和沼泽地面积的1.66倍。此外，有11.7 km2的沼泽地转换成水域，使得1995-2000年水域面积增多，而建设用地面积几乎没有发生变化。

表4 1995-2000年乌裕尔河流域土地利用类型转移矩阵 km2Tab.4 Transition matrix of the land uses types in Wuyuer River Basin from 1995 to 2000

注:表4中行表示1995年某种土地利用类型转换成2000年其他土地利用类型的面积;列表示2000年某种土地利用类型的来源及其面积。

图2 不同时期土地利用转移分布图Fig.2 The spatial distribution of land use changes in different periods

两个研究时段土地利用间隔年限不同，单纯面积变化不足以说明土地利用变化的速度。流域土地利用类型动态度图(图3)表明，1995-2000年6年间土地利用变化速度快于1985-1995年11年间的土地利用变化速度；在1985-2000年6年间，林地和草地变化速度非常快，耕地和沼泽地变化速度也较快，而其他土地利用类型变化速度缓慢。1985-1995和1995-2000年间流域土地利用综合动态度分别为0.34%和 0.35%，不同时期土地利用变化速度相差较小。不同土地利用类型中耕地面积持续增长，1985-1995年11年间，耕地面积增加比例为2.36%，年均增加速度为0.21%；而1995-2000年6年间增加比例为3.84%，年均增加速度为0.64%，增加速度超过该地的综合土地利用动态度，耕地增加速度不断增大。在不同土地利用类型中，林地面积持续减少，1985-1995年间林地的减少速度为6.19%，年均减少速度为0.56%；而1995-2000年，林地的减少速度增加到15.89%，年均减少速度为2.65%，减少速度越来越快，两个时期的林地土地利用动态度均大于综合土地利用动态度。与其他土地利用类型不同，草地和水域面积在1985-1995年间大幅度减少，减少比例分别为 27.57%、12.94%，年均减少速度为2.51%和1.18%；而在1995-2000年，两者面积都相继增加，增加比例为10.61%与14.29%，年均增长速度分别为1.77%和2.38%。不同时期内建设用地土地利用变化速度都小于该流域的综合土地利用动态度，虽然1995-2000年面积有所减少，但仍呈增加趋势，总体来说变化不大。1985-1995年出现水体沼泽化、林地沼泽化和草地沼泽化现象，沼泽地面积增多；但1995-2000年大面积沼泽地转化为耕地，使得沼泽地面积大量减少，且减少速度越来越快。

图3 不同时期乌裕尔河流域土地利用类型动态度Fig.3 The rate of land-use change at various stages in Wuyuer River Basin

3.4 土地利用变化驱动力分析

土地利用覆被变化是自然因素和人文因素综合作用的结果。人口增加、经济增长、区域发展政策的变化等人为因素叠加在自然差异之上是乌裕尔河流域土地利用变化及区域差异产生的主要原因[14]。

(1)自然因素。自然因素包括气候、地形、地质地貌和土壤等。自然环境是区域内土地利用覆被变化的物质基础和客观条件，其变化过程缓慢，因此在宏观上决定了该地土地资源条件和土地利用的空间格局。该流域地形较为平坦，黑土土壤团粒结构好，植物营养元素含量高，交换量大，蓄水量大，pH值适中，土壤性状好[15]，适合耕作，流域土地利用以农耕地为主；草地零星分布在耕地之中；流域内西北处地势较高，林地居多；而河道两岸以沼泽地为主。

(2)政策及人口因素。短期内流域自然因素很难发生显著变化，土地政策的变化及人口增加引起的下垫面环境变化是土地利用变化的主要原因[18]。该流域农村居民用地占建设用地的很大一部分，经济发展以农业为主。1978年党的十一届三中全会以来，普遍推行以“家庭联产承包责任制”为主要形式的多层次、多样化的农村所有制结构，使得农户在属于自己的土地上有了经营自主权，一些林地或草地被开垦为耕地。20世纪90年代初，计划经济转向市场经济，逐步完善的统分结合双层经营体制进一步加快了农业资源的开发力度。以研究区内北安、克山和克东三县的人口发展为例，3个县的人口数量增加迅速(图4)，1985-1999年仅14 a时间里，人口分别增加了4.5%、2.6%和5.3%。人口增加致使开发大量土地资源，使许多林草地和沼泽地转化为耕地(表1和表2)。此外，20世纪80年代中期以来，粮食价格受国家政策的保护，开荒种地经济效益好，区内耕地面积连年增加。1985-1995年大面积森林转化为沼泽。森林沼泽化过程往往是由森林的自然演替、采伐和火烧后形成的，然而在一般情况下，森林是不易发育成沼泽，只有在森林采伐迹地或火烧迹地才能看到沼泽化现象[19]；1985-1995年草甸植被逐渐为沼泽植被所代替，草甸转化为沼泽与人类活动密不可分。1995-2000年大面积沼泽开垦为耕地，打破原有的生态平衡，原本脆弱的生态环境进一步恶化，区域土地退化、水土流失等问题越发严重[15]。

图4 1985 - 2000年乌裕尔河流域北安、克山和克东三县人口变化情况Fig.4 Population changes of the Beian, Keshan and Kedong counties in Wuyuer River Basin during 1985-2000

4 结 语

本文借助地理信息系统空间分析，从土地利用转移方向和变化速度方面分析了土地利用变化对人类活动响应速度和转移方向的空间差异性，得出了以下结论。

(1)土地利用类型变化转换特征。乌裕尔河流域耕地面积占绝对优势，多年平均比例达68.31%，耕地面积不断扩大且速度越来越快。耕地占用是该流域林地、草地与沼泽地流失的重要原因。20世纪80年代草地面积急剧减少，变化的耕地面积有45%是从草地转化而来；90年代以后草地面积有所增加。沼泽地在80年代有所增加，一部分林地和草地转换为沼泽地；90年代数量明显下降，转换为耕地；大面积林地转换成耕地，林地转化为耕地的面积是耕地转换为林地面积的10.78倍。

(2)土地利用类型变化速度。乌裕尔河流域1995-2000相对剧烈。1985-2000年16年间，林地和草地变化速度较快，耕地和沼泽地变化速度也较明显，而其他土地利用类型变化速度缓慢。耕地增加速度和林地减少的速度，1985-1995年耕地和林地的年均变化速度分别为0.21%、-0.56%，而1995-2000年年均变化速度为0.64%、-2.65%，变化速度越来越快。

(3)土地利用类型变化驱动力因素。自然因素宏观上决定了流域的土地利用空间格局，土地利用变化主要受人类活动的影响。政策变化伴随农业人口的增多，耕地需求越来越大，大面积毁林、毁草、开荒，土地利用类型变化速度加快。今后经济发展中需加强对现有林地的保护，减少耕地的开发速度；而以流域为单元对资源开发和湿地保护很可能是防止水土流失和达到农业可持续发展的重要途径。

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