黑龙江省穆棱市土地利用/覆被变化及热点分析

高凤杰 ， 马泉来 ， 单培明 ， 刘 洋 ， 郭欣欣 ， 杨 双 ， 张志民

(东北农业大学 资源与环境学院，哈尔滨150030)

黑龙江省穆棱市土地利用/覆被变化及热点分析

高凤杰 ， 马泉来 ， 单培明 ， 刘 洋 ， 郭欣欣 ， 杨 双 ， 张志民

(东北农业大学 资源与环境学院，哈尔滨150030)

土地利用/覆被变化及其过程特征是全球变化领域研究的重点和热点。运用地统计学和3S技术，对黑龙江省穆棱市1991—2001年和2001—2013年土地利用/覆被变化及其空间演变特征进行研究。结果表明：1991—2001年间，耕地是主要转入地类，增加232.25 km2，林地作为最大转出地类，减少290.35 km2，林地与耕地的转化在土地利用变化中占最大比例，其他用地均发生变化，但面积小且散乱，整体上该时期土地利用呈现出开发混乱、效率低下的特点；2001—2013年间，受还林还草的影响，耕地减少179.01 km2，林地增加171.45 km2，其中坡耕地的退出占较大比例，且分布面积广，该时段内土地利用结构得到优化；土地利用变化的热点区由2001年前的“两大一小”模式，演变为以市区和中心乡镇围成的重点区域；1991—2013年间研究区自然因子变化较小，土地利用/覆被变化主要受退耕还林等国家政策的主导。

土地利用/覆被变化；地统计学；3S技术；黑龙江省穆棱市

0 引言

土地利用/覆被变化(LUCC)作为人类活动和自然过程相互作用最为密切的问题，一直是全球变化领域研究的重点和热点，引起国内外学者的广泛关注[1-3]。“国际地圈生物圈计划(IGBP)”和“全球变化人文因素计划(IHDP)”共同制定了“土地利用/覆被变化(LUCC)科学研究计划”和“全球土地计划(GLP)”，并作为全球变化及人地关系研究领域的前沿问题。从现有成果看，有影响力的研究主要从全球和其他较大尺度上展开[4-5]，涉及土地利用变化的驱动力因子、区域土地利用的现状分析及土地利用/覆被变化引起的景观和生态环境效应等响应机制[6-8]，并且有在全球研究的框架之下逐步向中小尺度过渡的趋势，其中，以典型流域和西北黄土丘陵等生态脆弱区为研究单元较多[9-10]，且多以定性分析和指标计算方法为主，农林牧交错区是多种产业相互发展又深具干扰性的交错地带，尺度适中，也因其重要及特殊的生态区位而引起关注，并且取得了相关成果[11-12]。而结合地统计学的理论方法，在小单元内研究土地利用空间格局演变可以更好地解释其数量和空间变化特征，通过对其长时间序列土地利用变化的可视化演变分析，逐步推演其格局的演变过程和成因机制，并进行未来情景演变的模拟预测，是未来研究的重点和发展方向。

黑龙江省穆棱市是东北地区典型的农林交错带，在21世纪初开始实施退耕还林工程，土地利用/覆被变化剧烈，农林用地呈现新的空间演变特征，选取该区域为研究范围，采用遥感影像及相关统计数据，借助于3S技术，建立1991—2013年间土地利用数据库，以1 km × 1 km栅格为单元，建立土地利用总体变化指数和土地利用类型面积变化指数，将不同时间点的土地利用数据及相关指数进行空间展布，定量精确地获取不同单元内人类活动和社会发展对土地利用变化的影响强度及空间差异性，分析热点区域变化特征，同时，结合研究区气象及社会等要素对土地利用变化的驱动力进行探讨，为穆棱市区域发展的决策与管理提供理论依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

穆棱市地处黑龙江省东南部，位于129°45′19″～130°58′07″E 、43°49′55″～45°07′16″N，南与吉林省接壤，东西部分别有老爷岭和太平岭南北走向分布，全境海拔232～1 111 m，平均海拔600 m，多为低山丘陵，属温带大陆性季风气候。全市下辖六镇两乡，市区在八面通镇，总面积6 673 km2，总人口30万，生产总值超过100亿元，是黑龙江省近些年发展速度较快的县市之一。境内河流众多，穆棱河从南向北贯穿全境，林地在土地利用中占比较大，森林覆盖率达60%以上，年均降水量530 mm，主要集中于6—8月份，占全年降水量的60%以上，耕地土层较薄，大部分为暗棕壤，是黑龙江省典型的农林交错区和生态敏感区。20世纪末，穆棱市人口快速增长，生活需求扩大，以农为纲思想影响广泛，从而造成毁林开荒、超破耕作、水土流失、植被破坏等现象严重，林地、草地大面积减少，耕地骤增，土地资源遭到不合理开发和利用，水土流失情况严重，生态环境脆弱[13-14]。

1.2 数据来源

采用1991，2001年的Landsat5 TM影像和2013年的Landsat8 OLI影像，为了便于影像特征识别与处理，分别选取研究区9，10月份影像，空间分辨率为30 m，在ENVI 4.5中进行波段融合、影像的配准校正，在ArcGIS 10.0平台以穆棱市所在的129°E经线为中央经线进行投影转换，建立解译标志，进行人工目视解译得到穆棱市不同时间点的土地利用类型分布图，之后进行研究区样点选取和精度验证，通过专家咨询和野外调研选取验证样点，在野外通过手持GPS实现研究区土地利用类型的定点验证，结果表明，土地利用类型判别准确度在90%以上，满足研究要求。同时，参照国家土地利用划分标准并结合研究区实际状况和本研究的目的，将研究区土地类型划分为旱地、水田、林地、草地、水域和建设用地6种类型，以穆棱市地形图、水系图及行政区划图为辅助图件数据，建立土地利用数据库。相关社会经济统计数据主要来源于牡丹江地区统计年鉴和相关部门网站，气象数据来源于中国气象科学数据共享平台。

2 研究方法

在时间尺度上，以退耕还林工程的实施为理论分割依据，以2001年为时间尺度分割点，划分前后两个时间段，即对退耕还林前后两个时期展开研究。

2.1 土地利用转移矩阵

运用1991—2001年和2001—2013年两个时间段、3个时间点的穆棱市土地利用数据，通过ArcGIS 10.0中的 Intersect功能和在Excel中添加透视表对解译得到的3期土地利用数据进行空间叠加分析和统计，获得穆棱市1991—2001年、2001—2013年前后两个时间段的土地利用类型转移矩阵。对比在研究区受到外部强烈干扰情况下，即退耕还林前后的土地利用/覆被变化的数量和结构特征，并做进一步分析。

2.2 土地利用变化指数

2.2.1 土地利用总体变化指数。土地利用总体变化指数反映区域土地利用变化的程度，本研究以公里网格为独立单元，精确反映研究区不同地理单元内部土地利用变化部分所占比例及土地利用变化的速率，整体上也可以反映人类活动对土地利用的干扰强度。公式为：

(1)

式中：Iluc为土地利用总体变化指数；uai,ubi分别为研究时段初年和末年第i类土地利用类型面积；D为栅格单元面积，除研究区边缘外，其他均为1 km2。

2.2.2 土地利用类型面积变化指数。土地利用类型面积变化指数可以作为进一步深入分析土地利用变化的状况指标，具体是指在单元格内土地利用总体变化指数的基础上进一步得出每一单元内发生变化的土地中各土地类型之间的转化情况及其占单元格内所有土地利用变化面积的比重。土地利用变化指数是局部中的整体反映，而土地利用类型面积变化指数是对前者的进一步量化与解释，使得区域土地利用变化更加明细化，公式如下[15-16]：

(2)

式中：Ilua为土地利用类型面积变化指数；uai,ubi分别为研究时段初年和末年第i类土地利用类型面积。

2.3 分级热点探测

分级热点探测是全局聚集性检验方法之一，用于确定在整个研究区域内是否存在聚集性，通过定义一个“聚集单元”的“极限距离或阈值”，将其与每一个空间点对的距离进行比较，距离小于极限距离时，该点被计入聚集单元[17]，在本研究中，采用定义极限距离进行分析，同时也可以通过指定聚集单元点的数目来强化地理要素的聚集规则，以此类推得到研究区土地利用/覆被变化的热点区域在空间上的转移过程，是一种从整体上把握土地利用格局变化的直观方法[18]。

3 结果与分析

3.1 土地利用现状及转移特征分析

结合表1、表2及土地利用现状可以得出：在1991，2001，2013年中，林地一直是穆棱市主要的土地利用类型，分别占到72.22%，68.04%和71.27%，且主要分布于穆棱市南部和东部海拔较高的山区、半山区和丘陵地带，集中连片分布，破碎度小。耕地面积在不同时期均占研究区总面积20%以上，集中分布在中部地势平坦、水源丰富、居民点聚集的地区。

1991—2001年和2001—2013年土地利用转移矩阵表明：1991—2001年，林地的面积不断减少，共减少290.35 km2，其中主要转化为耕地、草地和建设用地，转化为耕地的面积占总比例的90%以上，同时也有少量的草地转化为林业用地，建设用地面积小幅度增加，水域基本不变，这与同时期人类对研究区土地资源的不合理开发利用密切相关，在20世纪末，为提高粮食产量，研究区出现毁林开荒，乱砍滥伐现象，森林覆盖面积急剧下降，也导致水土流失、土壤污染等灾害频发，生态环境遭到破坏。2001年开始实施国家退耕还林工程，土地利用的格局和数量发生剧烈变化，呈现出新特点。2001年之后，由于国家政策干预，大量坡度在15°以上的、耕作条件差的耕地被还林还草，其中，旱地还林还草面积为171.51 km2，在研究区占主要地位。在此背景下，林地面积持续增加，截至2013年共增加171.45 km2，同时一些未利用地逐步演变为草地，草地面积略有增加，水域面积在该时期增加约2 km2，由于农村居民点的整治，建设用地的规范使用，使其利用率得到提高，腾出的空闲建设用地通过土地整治工程转为其他用地，建设用地总面积有所下降，其开发使用更加科学合理。

表1 1991—2001年土地利用类型转移矩阵 km2

表2 2001—2013年土地利用类型转移矩阵 km2

3.2 土地利用变化特征分析

通过公式(1)和公式(2)，得出研究区1991—2013年间的土地利用总体变化指数和土地利用类型面积变化指数，并以区域内交通、城镇分布等信息为基础，全面而准确地反映了穆棱市土地利用/覆被变化特征。

根据土地利用总体变化指数计算结果，结合区域基础信息可以看出，1991—2001年间土地利用的高变化区域主要集中在以穆棱市为中心、其西北部临近鸡西市区和沿铁路公路交通干道向西南方向延伸的地带，该地区地势平坦，交通便利，人口聚集，耕地大面积连片分布，同时也是农业与林业交错地带；2001—2013年间，土地利用变化中心明显发生偏移，相比2001年前较分散的土地利用变化，2001年之后的土地利用变化情况呈现出中心聚集特征，城市已不是土地利用变化的最大区域，重心开始集中于距离城市比较近的中心乡镇，下城子镇、马桥河镇和市区三者所围成的区域内，该区域是社会、经济和区域行政中心，多种优势要素聚集，未来发展空间大，同时也是铁路、公路和水系交错发达的地区，说明该区域的土地利用仍受交通的影响。

从土地利用类型面积变化指数计算结果可以得到，1991—2001年间，所有地类之间均有不同程度的相互转化，其中林地转耕地占转化面积的50%以上，同时也有部分低覆盖度的草地被开垦为耕地；其次在太平岭和老爷岭边缘等难以开发利用地带存在大比例的耕地转为林草用地现象，但数量分布和所占比重小；这一时期在河流流域、水资源丰富地区旱地改水田的现象频繁发生；建设用地变化在土地利用整体变化中十分微小，只略见于城市和乡镇边缘区域。总之，该时期土地利用变化类型多种多样。2001—2013年间，主要是耕地转化为林草用地，且所占比重普遍很高；旱地改水田现象在数量和比重上均呈现增加趋势；在局部地区出现草地转为耕地和林地、建设用地增加等现象，但数量很少，且分布集中，主要分布于研究区中部地势平坦区域及其边缘的交错地带，这与该区域传统的土地利用和社会发展分不开。总之，这一时期土地利用变化现象呈现出耕地转为林草用地较多、其他地类间微小变动的特征。

3.3 热点区域分析

借助于CrimeStat空间分析软件，对穆棱市1991—2013年间两个时间段的土地利用变化指数在同一参数标准下进行分级热点探测，得出1991—2001年和2001—2013年两个时期土地利用变化的热点区域空间分布图(图1)。1991—2001年间，穆棱市土地利用/覆被变化的热点区域主要有3个，即“两大一小”的区域，其中北部以市区为中心沿铁路交通和穆棱河南北走向分布，同时也是研究区最大的热点区域，其次为中部受国道交通影响较大，形成第二大热点区域；穆棱市地处两省交界处，在南部穆棱河源头和吉林省交界地带土地利用变化也较为突出。整体来看，该阶段的土地利用变化并不受政策导向的影响，仍然是以肥沃的土地、丰富的水域和便利的交通等自然条件为先决要素，即自然要素决定土地资源的开发利用过程。2001—2013年间，穆棱市北部为土地利用/覆被变化的热点区域，包括八面通镇、马桥河镇和下城子镇所形成的椭圆形区域，该区域包括了穆棱市郊和研究区的中心城镇，同时是铁路、公路、水系和地形等资源条件非常丰富的区域，构成了研究区社会经济、交通发展的核心区域。可以看出，2001年之后的土地利用变化已经受到社会发展、城市化等政策的干预，特别是近十年的新农村建设、城镇化发展更是加速了城市边缘区、区域中心城镇土地资源利用的剧烈变化，自然要素在土地利用中的主导地位已逐渐弱化。总之，随着社会经济的发展，穆棱市土地资源的开发利用从乱开滥用转向受政策导向的重点开发利用，土地资源得到高效合理配置。

图1 1991—2013年穆棱市土地利用变化热点图

3.4 驱动力分析

3.4.1 气候因子。气候变化一般被认为是土地利用覆被变化的主要驱动因素之一[16,19]。选取穆棱市1991—2012年间的年降水量、≥0.1 mm降水日数、年平均气温和平均相对湿度作为研究区自然驱动力因子进行统计分析。从而得到穆棱市近22年间的降水量以600 mm线为中轴上下波动，在1999年和2011年出现较大波动点；≥0.1 mm降水日数和年平均气温在22年间均无较大的变化，相对稳定；22年间穆棱市年平均相对湿度发生十分微小的波动，其值始终在65%左右。综合几项气候因子在时间序列上的变化情况，穆棱市近22年间自然要素基本上没有发生变化，也没有气温骤降、降雨量突变等极端气候的出现。可以看出，相对于穆棱市近22年的土地利用/覆被变化特征，气温、降雨等自然驱动力对其的影响是十分微弱的。

3.4.2 社会因子。人类活动和社会发展作为影响自然过程的主要要素受到广泛的关注[20-22]。人类活动对研究区土地利用/覆被变化的影响具有时间段、变化大的特点。穆棱市近些年人口总数突破30万，全市生产总值在2010年已超过100亿元，人口、社会经济增长迅速；在土地利用方面，2001年前，相关政策规范尚未形成，人类活动受政策影响较少，对土地资源的开发利用依自然条件的优劣而行。研究区经历多年随意性的混乱开发，2001年初，穆棱市作为试点市开始实施退耕还林工程，坡度>15°耕地坚决退耕还林还草，中低农业用地得到改善，不适宜农业用地退出农业用地，撂荒地进行生态林营造，严格限制耕地面积和建设用地占用，农民在这个过程中也得到国家经济补助，退耕还林，保护生态环境的热情空前高涨。政策的实施改变了以往的土地利用情形，土地利用结构在短期内得到优化调整，林业用地增加，耕地资源合理配置，建设用地限制性发展。由人类活动对土地利用产生的干扰随着社会经济的发展更加趋于规范性和方向性，经济的发展促使越来越多的人口从第一产业向二、三产业转移，土地利用的零碎状态与盲目性逐渐消失，促进了土地利用的规模化与规范性。同时，随着科学发展理念的广泛宣传，人们环保意识不断提高，河流湖泊等具有重要生态意义的土地类型和地表过程得到保护，经过这一时期的调整发展，穆棱市的土地资源利用在结构和数量上达到最佳状态。可以看出，人类生产活动和国家政策的实施是穆棱市过去几十年土地利用/覆被变化的主要驱动因子。

4 结论

1)1991—2013年，穆棱市土地利用/覆被变化呈现出不同的空间特征和演变过程。以2001年为研究分割点，在实施退耕还林前，由于缺乏相关政策和可持续发展的意识，穆棱市土地利用呈现摊子大、土地资源开发利用无规律的特点，耕地突增，林草用地骤减，生态环境遭到破坏并恶化。退耕还林后，通过坡耕地还林还草，严格建设用地占用耕地等政策，耕地与林地之间转化比例大，研究区森林覆盖率得到提高，土地资源利用的适宜性进一步提高，整体土地利用发生变化，但剧烈变化区域相对集中，多发生在城市和中心乡镇的周边区域，区域内中心乡镇的发展是新形势下城镇化发展的重点。

2)针对大时间尺度上的气候变化和人类活动对土地利用/覆被变化的影响，在全球范围、大流域尺度内对气候变化与土地利用/覆被变化的研究具有重大意义。从小空间尺度出发进行同类研究，结果表明气候等自然因素对小区域土地利用/覆被变化的影响十分有限，特别是气候变化相对平稳的区域范围。本研究从1991年到2013年近23年的时间尺度分析表明，人类活动是造成区域土地利用发生剧烈变化和重心转移的根本原因，特别是国家政策、人口增长和经济发展等人文因素。

3)研究表明，以公里网格为单元进行土地类型面积变化指数的计算分析并进行空间展布意义重大。在未来区域土地利用变化研究中，通过结合区域发展情况对小单元内土地类型面积变化指数拟合分析，由点及面对区域内土地利用变化做出模拟分析，以此为基础，能够进一步准确有效地补充和完善中小尺度的不同发展情景下土地利用/覆被变化的模拟预测及相关研究，也是土地科学领域未来研究的方向和重点。

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Land Use/Cover Change and Hot Spots Analysis in Muling City of Heilongjiang Province

Gao Fengjie , Ma Quanlai , Shan Peiming ,Liu Yang , Guo Xinxin , Yang Shuang , Zhang Zhimin

(SchoolofResourceandEnvironment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030，China)

Land Use/Cover Change(LUCC) and its process characteristics is an important and hot issue in global change research filed. This study focused on spatial-temporal evolution of land use and cover change from 1991 to 2013 in Muling City of Heilongjiang Province, using geo-statistics and 3S technology. From 1991 to 2001, the area of cropland increased 232.25 km2, the forest decreased 290.35 km2and the changes in cropland and forest accounted were the big parts in the land use and cover change, others also had a change in area, but small and scattered, the exploit chaos and low efficiency were the characteristic of land use from 1991 to 2001 in Muling. From 2001 to 2013, the area of cropland decreased 179.01 km2, the forest increased 171.45 km2, and the exit of slop land had a great contribution for the change and a wide distribution, the structure of land use optimized in the period. The hot spots of land use was a key region consisted of city and key towns during 2001—2013 from the pattern of two big and a small regions during 1991—2001. From 2001 to 2013, nature factor changed slightly in Muling, land use and cover change was drived by the policy of Grain for Green and other land use policies.

land use/land cover change; geo-statistics; 3S technology; Muling City of Heilongjiang Province

2015-03-31；

2016-05-27

黑龙江省教育厅科学技术面上研究项目(12541037)

高凤杰(1981-)，女，河北迁西县人，副教授，博士， 主要从事资源环境遥感研究，(E-mail)gaojiecumt@126.com。

郭欣欣(1982-)，女，黑龙江齐齐哈尔市人，讲师，博士，主要从事土地利用规划研究，(E-mail)xinxin8504021@163.com。

F301.24

A

1003-2363(2016)04-0126-05