升金湖湿地土地利用变化及其驱动力

2018-04-18叶小康陈凌娜

福建农林大学学报（自然科学版） 2018年2期

叶小康, 董　斌, 陈凌娜, 黄　慧, 王　成, 巫　婧

(安徽农业大学理学院，安徽合肥 230036)

湿地是地球上多功能、富有生物多样性的生态系统，是人类最重要的生存环境之一.它不仅为人类提供了大量珍贵的自然资源，而且在维持生态平衡、保持生物多样性和珍稀物种资源以及涵养水源、蓄洪防旱、降解污染、调节气候、补充地下水、控制土壤侵蚀等方面均具有不可替代的综合功能[1].研究[2-5]表明，湿地土地利用变化与生态环境效应密切相关，而要分析土地利用及覆盖变化，则必须对其变化过程及驱动力进行研究[6].当前，土地利用及覆盖变化已成为国内外学者研究土地利用变化领域中的一个重要课题[7-15].

升金湖湿地是以保护淡水湖泊生态系统以及珍稀和濒危鸟类为主体的湿地类型保护区[16]，近年来由于经济发展、人口快速增长和生产开发活动不断升级，升金湖湿地生态系统面临着巨大的压力.本研究旨在为升金湖湿地土地利用格局优化、生态环境保护及恢复提供参考.

1　研究区概况

升金湖湿地位于安徽省池州市境内，濒临长江，位于116°55′—117°15′E ，30°15′—30°30′N，横跨池州市贵池区和东至县，总面积3 3340 hm2.保护区以升金湖为主体，由升金湖及周围的滩地组成，即保护区境内沿湖四周 2.5 km以内的陆地部分.全区分为核心区、缓冲区和实验区，核心区即升金湖，位于保护区的中心区域，由湖面和湖滩组成.其中湖面分为三部分，即上湖、中湖和下湖.

2　方法

2.1　数据来源与预处理

考虑影像质量及时段等要求，本文综合选取升金湖湿地1986年2月13日、1990年2月8日、1995年12月7日、2000年1月8日、2004年1月15日、2008年12月10日、2011年1月1日、2015年1月13日的Landsat TM影像(影像均来源于地理空间数据云)，运用ERDAS 9.3软件对影像进行波段融合、几何校正、图像裁剪、图像增强及监督分类等数据预处理.结合升金湖湿地实际情况及相关土地利用分类文献，将升金湖湿地土地利用分为8类，即草地、旱地、林地、水域、水田、芦苇沼泽、滩涂及其他用地(考虑影像限制，将建设用地、空闲地等统一并入其他用地)；并利用ArcGIS 10.3对各地类面积进行计算，统计各地类面积.分类后结合外业调绘对8期影像分类结果进行检验，kappa系数均大于0.85，表明分类结果的精度较高.

2.2　土地利用变化幅度分析

采用土地利用变化幅度方法计算研究区各类土地利用类型在某时间段内面积的变化.土地利用变化幅度的数学表达式为：

(1)

式中，Rl为研究时段内某一类型土地利用的变化幅度，Ub、Ua分别为研究初期和末期某一类型用地的面积.

2.3　土地利用程度变化分析

土地利用程度主要体现在土地利用的广度和深度，它不仅反映了土地利用过程中土地本身的自然属性，同时也反映了人类因素和自然环境因素的综合效应.根据樊玉山等[17]提出的土地利用程度综合分析方法，将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分成若干等级，并赋予分级指数，滩涂、芦苇沼泽，林地、草地、水域，水田、旱地，居住用地、交通用地的分级指数分别为1、2、3、4，并据此计算土地利用程度综合指数.

(2)

式中，La为研究区域内的土地利用程度综合指数；Ai为研究区域内的第i级土地利用程度分级指数；Ci为研究区域内的第i级土地利用类型面积百分比.

2.4　灰色关联分析

灰色关联分析是由邓聚龙[18]首创的灰色系统理论中的一种分析方法，它能够根据各因素变化曲线几何形状的相似程度，判断因素之间的关联程度.关联度系数越高，则因子间相关程度越高.

关联系数计算公式为：

(3)

式中，ρ为分辨系数，ρ的一般取值区间为(0,1)，通常取值0.5.

关联度计算公式为：

(4)

3　结果与分析

3.1　土地利用变化趋势

基于升金湖保护区8期TM影像，对升金湖湿地1986年、1990年、1995年、2000年、2004年、2008年、2011年、2015年共8期数据进行统计分析(图1)，得到该区域各地类面积(表1)，并据此分析各时间段内各地类面积的变化趋势(图2).

图1　升金湖湿地土地利用类型分类图Fig.1　Classification map of land use types in Shengjin Lake wetland

hm2

从图1、2可以看出，研究区各类土地利用类型面积在1986—2015年虽有波动，但林地、旱地、水域及芦苇沼泽的面积总体上仍呈减小趋势；而草地、水田、滩涂及其他用地的面积总体上呈增大趋势.林地面积在1986—2008年大幅减小，原分布于升金湖南部的大片林地转变为草地、旱地及其他用地；2008—2015年林地面积逐渐增大，增大的部分主要来源于退耕还林及人工造林.旱地面积在1986—2015年呈先减后增再减的趋势.2008—2011年旱地面积虽有小幅增大，但总体仍在减小，减小的部分主要转变为水田、其他用地及草地.水域面积在1986—2000年逐渐增大，增大的部分主要由滩涂及芦苇沼泽转化而来;而2000年以后水域面积持续减小，减小的部分主要转变为滩涂及部分旱地和水田.芦苇沼泽面积在1986—2015年总体呈减小趋势，变化较为平缓.草地面积在1986—2015年持续增大，增大的部分主要来源于林地及旱地.水田面积在1986—1990年增速较快，1990年之后水田面积虽有波动，但变化较为平缓.总体来看1986—2015年水田面积呈增长趋势，增加的部分主要来源于旱地及部分其他用地.滩涂面积在1986—2000年逐渐减小，减小的部分主要转变为水田.2000—2015年滩涂面积呈先增后减再增的趋势，较1986年而言滩涂面积总体仍呈增长趋势.其他用地面积在1986—2004年持续减小，主要是其他用地中的空闲地转变为水田、旱地；2004—2008年其他用地面积大幅增大，增大的部分主要为建设用地，并且主要来源于旱地；2008年以后其他用地面积略有减小，空闲地已大部分转变为建设用地.

图2　1986—2015年土地利用类型面积的变化趋势Fig.2　Change trend for area of different land use types from 1986 to 2015

3.2　土地利用变化幅度

基于1986—2015年研究区各类土地利用类型的总面积，利用式(1)计算出研究区1986—2015年各地类面积变化量及变化幅度，结果如表2及图3所示.

表2　1986—2015年升金湖土地利用类型面积的变化幅度Table 2　Change range of land use area in Shengjin Lake from 1986 to 2015

从表2及图3可以看出，1986—2015年升金湖湿地土地利用类型中，面积变化最大的是旱地，减小了3 912.84 hm2，减幅为38.38%；其余面积变化从大到小依次为滩涂、草地、水田、林地、水域、芦苇沼泽、其他用地.滩涂面积增加2 416.53 hm2，草地面积增加1 841.29 hm2，水田面积增加1 666.98 hm2，林地面积减少1 230.5 hm2，水域面积减少661.72 hm2，芦苇沼泽面积减少587.2 hm2，其他用地面积增加467.46 hm2.

1986—2015年升金湖湿地土地利用类型中，土地利用变化幅度最大的是水田，变化幅度达到109.74%；其余依次为草地、滩涂、芦苇沼泽、旱地、其他用地、林地、水域，其中草地变化幅度为92.82%，滩涂变化幅度为90.54%，芦苇沼泽变化幅度为-39.09%，旱地变化幅度为-38.38%，其他用地变化幅度为18.39%，林地变化幅度为-18.04%，水域变化幅度为-10.83%.

3.3　土地利用程度指数

利用式(2)计算出1986—2015年升金湖湿地土地利用变化程度综合指数(图3)，结果表明，1986—2015年升金湖湿地的土地利用程度综合指数总体上为200～300.说明本地区土地利用程度总体上处于中等水平，土地利用处于发展时期，且受人类活动影响较大.

a.升金湖湿地1986—2015年地类变化趋势;b.升金湖湿地1986—2015年土地利用变化程度指数.图3　1986—2015年升金湖土地利用类型面积及土地利用程度指数的变化Fig.3　Area and land use composite index of different land use types for Shengjin Lake from 1986 to 2015

1986—1995年土地利用程度综合指数呈上升趋势，由1986年的237.87%上升到1995年的242.23%，变化量为4.36%，年均变化量为0.484%.说明这一时段内升金湖湿地土地利用程度逐步提高，土地利用处于发展期.1995—2004年土地利用程度综合指数呈下降趋势，由1995年的248.23%下降到2004年的230.08%，变化量为-12.15%，年均变化量为-1.35%.说明这一时段内升金湖湿地土地利用处于调整期.2004—2008年土地利用程度综合指数呈上升趋势，由2004年的230.08%提高到2008年的240.59%，变化量为10.51%，年均变化量为2.63%.这一时段内土地利用程度综合指数虽不及1995年的242.23%，但土地利用也处于发展期，土地利用程度正在稳步提升.2008—2015年土地利用程度指数逐渐下降，2015年土地利用程度指数降为228.46%，为历年最低水平.造成这一现象的主要原因是第1等级的滩涂面积大幅增大，而第2等级的水域面积大幅减小，导致计算结果偏低.

3.4　土地利用变化驱动力

土地利用变化驱动力是指对土地利用类型变化产生影响的各因子，主要包括社会经济因子及自然因子.一般而言，自然因子对土地利用类型起到一定的限制作用，对土地利用变化的总趋势影响较小；而社会经济因子往往对一个区域的土地利用类型起决定性作用，对土地利用变化的总趋势影响较大.就升金湖地区而言，自然因子起到一定的限制作用，而社会经济因子对土地利用类型变化的影响更显著.

3.4.1驱动因子定性自然因子包含以下三方面.(1)地形地貌：地形地貌对某一区域土地利用类型的影响较为直接，往往决定该区域能否作为某种用地类型.升金湖湿地东南岸为低山丘陵，该区域主要用地类型为林地，不适宜进行农业开发.但近年来由于诸多因素的交叉影响，南部大部分林区变为旱地、草地及其他用地.保护区西北部为平原圩畈，该区域地形平坦，适宜人类生存，主要被开发为旱地、水田及其他用地.(2)土壤：土壤的种类及肥沃程度对某一区域的利用类型具有较大影响.一般而言土壤越贫瘠越不适宜进行农业开垦种植.升金湖保护区境内的圩畈区分布有肥沃的水稻土，再加上该区域地形起伏较小，因此被大量开发为农田.(3)气候：气温、光照、水文等气候条件对某一区域的土地利用方式具有指导性作用.升金湖属亚热带季风气候，夏季炎热潮湿，光照充足，降水丰沛，适宜多种农作物生长.气候异常时，比如降雨量变化、气温变化等均会对升金湖湿地土地利用类型面积变化产生一定影响，尤其是水域面积及滩涂面积.

社会经济因子包含以下三方面.(1)人口数量变化：人口数量的增加不仅意味着对粮食等作物需求的增加，同时对土地的需求也相应增加.有研究表明，人口数量与粮食总产量及耕地面积呈正相关关系[19].就升金湖湿地而言，耕地(水田)面积增加的方式主要来源于开垦滩涂及旱地.(2)经济发展：经济发展对区域土地利用方式起重要的推动作用.当各类用地在开发利用的同时兼顾经济利益，则必然伴随着能够带来经济利益的土地利用类型面积的扩大.在这一阶段中，改变最为明显的就是建设用地面积的增加.在升金湖地区，农民为了提高收入，一方面会通过改善技术手段提高产量，另一方面则会通过扩大耕地面积来实现增收.(3)政策因素：政策因素能主导一个区域的土地利用方式.升金湖是国家级湿地保护区，因此各类土地利用类型应在“保护”这一原则前提下，进行合理开发利用，且不能对该片区域的生态环境产生较大影响.

3.4.2驱动因子定量驱动因子定性分析无法判别研究区各类土地利用类型变化的主导驱动因子，在坚持科学性、主导性和数据可获取性等原则的基础上，根据吴泽宁等[20]、左其亭等[21]研究成果，并结合升金湖湿地实际情况，综合确定本文驱动因子.自然因子选取年降雨量(Y1)、年均温(Y2)、水资源总量(Y3)等，社会经济因子选取总人口(Y4)、农业人口(Y5)、粮食总产量(Y6)、农民人均纯收入(Y7)、生产总值(Y8)、农林牧渔总产值(Y9)等，对表3数据进行标准化处理后结合灰色关联分析法，具体分析升金湖湿地土地利用变化的驱动因子，应用DPS 7.55软件对数据进行处理，结果如表4所示.

表3　升金湖湿地8期驱动因子数据Table 3　Eight-phase driving factors of Shengjin Lake wetland

表4　升金湖湿地土地利用变化驱动因子关联系数Table 4　Correlation coefficient of driving factors of land use change for Shengjin Lake wetland

从表4、5可以看出，每种土地利用类型变化都有其主导驱动因子，其中林地与其他用地面积变化的主导驱动因子均为总人口，灰色关联系数分别为0.648 4和0.503 4；草地面积和滩涂面积变化的主导驱动因子均为年降雨量，灰色关联系数分别为0.581 6和0.456 5；旱地面积、水域面积及芦苇沼泽面积变化的主导驱动因子均为水资源总量，灰色关联系数分别为0.622 7、0.997 6和0.646 9；水田面积变化的主导驱动因子为农业人口，灰色关联系数为0.618 4.

各驱动因子并非单一作用于某一土地类型面积变化，而是多种驱动因子共同对某一土地类型面积变化产生影响.社会经济因子中尤以人口数量变化的影响最为显著.以林地面积变化为例，在自然状态下，林木的成型主要与气候因子有关，林地的变化也较为缓慢.而升金湖地区林地面积在1986—2008年持续减小，该时段内人口却呈逐渐增加.这种现象是由于早期升金湖地区保护意识较弱，毁林开荒、乱砍滥发现象比较严重，致使林地面积大幅减小.2008年以后，政府加大了对升金湖的保护力度，并且采用一些生态补偿措施，如人工造林、经济补偿等，对林地等的恢复起到了重要作用.另外，保护区人口增长一方面造成食物性资源需求越来越高，相应的生产性用地需求如对耕地等的需求也逐渐增加；另一方面人口增长使得人们对建设性用地的需求也越来越高.因此，为了改善生存条件，大片土地被开发为耕地、居住用地及交通用地.升金湖地区旱地、水田、滩涂、水域和其他用地面积等的变化趋势也能说明这一点.总体来看人口数量变化和气候因子是升金湖湿地土地利用变化的主导驱动因子，其中人口数量变化占重要地位.

4　小结

本文应用地理信息技术对升金湖8期影像数据进行解译分析，并结合灰色关联分析法对研究区土地利用变化的驱动力进行了研究，结果表明：1986—2015年，升金湖湿地土地利用结构发生较大变化，滩涂、草地、水田及其他用地面积总体在增加，且滩涂面积增加量最大，面积增大2 416.53 hm2，增幅达90.54%；而旱地、林地、水域及芦苇沼泽面积总体上在减小，其中旱地面积转移量最大，共转移3 912.84 hm2，并且主要转变为水田、其他用地及草地.

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