乌江北源流域土地利用变化模式图谱分析

2018-05-03魏晓霞

铜仁学院学报 2018年3期

魏晓霞

（贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州贵阳 550000）

0．引言

近年来，人类经济活动对环境的影响日益深刻，土地利用类型的变化会引发土地利用格局和景观结构(自然状态的土地覆被格局)发生变化[1]。研究土地利用空间格局变化能够更好地揭示地表生态过程，因而得到普遍开展[2-3]。国内外对土地利用变化“格局与过程”的集成研究日益重视，目前，研究主要通过不同时期的土地利用数据或遥感影像的空间叠加、转移矩阵等来获得土地利用在数量上的变化[4-5]，但非空间属性数据在空间位置方面的表达不足。地学信息图谱是借助于时空融合的图谱方法，把“表现空间单元特征的图”与“表示时间发展之起点与过程的谱”合二为一，弥补了基于非空间数据库的数据挖掘方法在形象思维和空间位置方面的不足[6]。具有既能以图谱单元来记录土地利用变化的时空复合信息，又能定量表示多时空条件下“空间格局”与“时序特征”的复合特点[5-9]。

乌江北源地区喀斯特地貌典型，生态脆弱，人地矛盾突出，该区域主要位于毕节市，毕节市是1988年建立的全国唯一一个以“开发扶贫、生态建设”为主题的试验区，也是国家西电东送的重要能源基地。为实现扶贫和生态建设目标，实施了交通、产业发展、退耕还林等一系列重要工程，对试验区土地利用/覆被变化无疑产生了显著影响。以乌江北源实施退耕还林工程以来2000、2005、2010年三期遥感影像和统计资料为基础数据[10]，运用地学信息图谱方法，建立2000—2005、2005—2010和2000—2010年土地利用变化信息图谱，定量分析其土地利用时空变化规律，以期为土地资源可持续利用及空间格局优化提供参考[11]。

1．研究区概况

乌江北源，又名六冲河流域，是流经乌江最大的一级支流，位于 E(104°19′17″～106°7′24″)，N（26°32′7″～27°33′19″）之间，流域的一小部分位于云南省镇雄县境内，大部分则流经贵州省西北部，受数据资料限制，本研究中的乌江北源范围仅指贵州省境内部分，主要流经毕节市的赫章、七星关区、纳雍、大方、织金、黔西和威宁等7个县共计128个乡镇，流域面积9 939 km2。

研究区地势西高东低，山地面积比例较大，河谷深切，属亚热带湿润高原季风气候。受地形限制，交通发展缓慢，人口多分布在狭窄的河谷或坡麓地带，人口分布不均，人地矛盾较为突出。全区经济发展基础薄弱，区域经济发展差异较大，各乡镇间经济发展不平衡。

2．数据与方法

2．1．数据来源

数字高程模型（DEM）数据来源于国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据共享服务平台(http://www.geodata.cn)，空间分辨率为30*30 m。通过ArcGIS 10.2水文分析模块提取生成乌江北源流域范围。2000、2005、2010年三期贵州省土地利用数据来源于LandSat影像解译，将研究区 3个时期的数据校正在同一空间坐标系下，并进行相应的增强处理[12]。依据全国生态系统土地覆被Ⅰ、Ⅱ级分类系统，针对乌江北源土地利用方式的主要转变特征，将土地利用现状分为耕地（旱地、水田）、林地（常绿阔叶灌木林、常绿阔叶林、常绿针叶林、灌木园地、落叶阔叶灌木林、落叶阔叶林、乔木绿地、乔木园地、稀疏灌木林、针阔混交林）、草地（草丛）、水域（河流、湖泊、水库/坑塘）、建设用地（采矿场、工业用地、交通用地、居住地）和未利用地（裸岩）6类。

2．2．图谱模型构建

（1）土地利用重编码和重采样。分别用代码1～6表示耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地，重采样后输出数据栅格大小为30 m*30 m。

（2）土地利用变化图谱建立。对土地利用空间数据进行地图代数运算，运用ArcGIS 10.2中的ArcToolbox，以时间顺序为轴，选取相邻两个时期栅格单元的土地利用类型编码值进行代数运算，即把前一时期的栅格单元属性值作为十位数，后一时期的栅格单元属性值作为个位数，生成一个两位数编码的新空间单元[8]，即土地利用图谱单元，由此得到研究区2000—2005年、2005—2010年和2000—2010年的土地利用变化图谱。

（3）土地利用变化模式图谱建立。为了更好地分析研究区土地利用的时空演变规律，将图谱变化模式概况为以下五种模式。

以时间轴为顺序，运用ArcGIS 10.2中的ArcToolbox将2000年土地利用栅格属性值赋值为百位数，2005年土地利用栅格属性值赋值为十位数，2 010年土地利用栅格属性值赋值为个位数，由此生成2000年、2005年、2010年属性值的三位数编码的栅格图，再根据图谱变化模式类型，对新生成的栅格图进行重分类，进而得到2000年—2010年乌江北源流域土地利用变化模式图谱（表1）。

2．3．图谱变化特征分析

为了更加清晰地表征土地利用图谱单元在空间上的变化特征，引入土地利用变化比率和土地利用变化空间分离度两项指标，来体现土地利用类型在空间上的变化特征。计算公式分别如（1）和（2）式所示：

Bij表示土地利用变化比率，表示已经转变的土地利用变化图谱单元类型占乌江北源流域内所有已经转变的土地利用变化图谱单元类型总面积的比率。Mij表示从初期的第i种土地利用类型转变为末期第j种土地利用类型的图谱单元的面积。n为土地利用类型个数。

Fij表示土地利用变化空间分离度，分离度越大，其在土地利用图谱上的分布越分散。Cij表示从初期的第i种土地利用类型转变为末期第j种土地利用类型的图谱单元数。n为土地利用类型个数。

表1 图谱变化模式分类Tab.1 Classification of profiles change pattern

3．结果与分析

3．1．2000—2005年土地利用变化图谱特征

3．1．1．土地利用图谱数量变化

2000年—2005年乌江北源土地利用变化图谱中，只有6种土地利用变化图谱发生变化。土地利用类型发生变化（表2）的总面积为11 540.43 hm2，其中，耕地转化为林地的面积高达3 814.83 hm2，变化比率为33.06%；耕地转化为草地的面积达3 462.48 hm2；，变化比率为30.00%；耕地转化为水域的面积有2 604.15 hm2，变化比率为22.57%；耕地转化为建设用地的面积共82.98 hm2，变化比率为0.72%；另外，林地转化为水域以及草地转化为水域的面积总共只有1 575.99 hm2，变化比率总共为13.66%。

2000—2005年土地利用变化比率和空间分离度的分布如图1所示。其中，土地利用变化比率较高的“耕地→林地”（编码12）空间分离度为26.90、“耕地→草地”（编码13）的空间分离度为28.24、“耕地→水域”（编码14）的空间分离度为32.56、“林地→水域”（编码24）的空间分离度为42.74。这几种土地利用类型变化的空间分离度相近且空间分离度值较小，由此可见，这几种土地利用类型在研究区的土地利用转出转入较量较大，且空间分布较为集中。“草地→水域”（编码34）的变化率在这个阶段较低，但是空间分离度值在所有转变类型中高达207.14，可见，草地在此阶段内转出不活跃，且空间较为分散。

3．1．2．图谱的空间差异

图谱的空间差异如图2所示，可知图谱单元变化最显著的是“耕地→林地”（编码12），在空间上主要分布在织金县南部，大方县、赫章县以及黔西县中部沿河地区，其中，由于织金县产业转型升级步伐加快，县产业园区新型产业项目正在崛起，新型经济支柱产业培育实现重大突破，对于退耕还林政策的推广有了雄厚的经济支持。其次，图谱单元变化比较明显的是“耕地→草地”（编码13），主要分布在乌江北源下游的南岸地区。另外“耕地→水域”（编码14）图谱单元类型变化也比较显著，空间上主要分布在织金县，且分布比较均匀。这个阶段图谱单元类型变化相对分散，从空间格局上来看，仅在乌江北源流经的织金县、黔西县分布比较集中，毕节市、纳雍县、水城县、威宁县等几个地区图谱单元分布较少。另外，在空间上分布最分散的图谱单元变化类型“草地→水域”（编码34）变化率最低，阶段变化最为稳定。

3．2．2005年—2010年土地利用变化图谱特征

3．2．1．土地利用图谱数量变化特征

2005年—2010年期间，共有15种土地利用变化图谱发生变化（表3）。土地利用类型发生变化的总面积为15 566.7 hm2,其中变化最大的依旧是耕地的转出面积，耕地转换为林地的面积为10 543.41 hm2，变化比率为67.73%；耕地转化为草地的面积共1 415.97 hm2，变化比率为9.10%；耕地转化为水域的面积为396.09 hm2，变化比率为2.54%；耕地转化为建设用地面积为414.631 hm2，变化比率为2.66%。建设用地的转入面积主要来自于耕地、林地和草地，共计455.13 hm2，仅占变化总面积的2.92%。

图1 2000年—2005年土地利用变化图谱元空间分离度和变化比率Fig.1 Spatial variability and change ratio ofprofiles land use change fromthe year 2000 to 2005

2005年—2010年土地利用变化比率和空间分离度的分布如图3所示。其中，土地利用变化比率较高的是耕地→林地（编码12），空间分离度为16.18；草地→林地（编码32）空间分离度为32.03；耕地→草地（编码13）空间分离度为44.16；耕地→建设用地（编码15）空间分离度为81.60；耕地→水域（编码14）空间分离度为83.49。这几类转换类型的空间分离度接近，且空间分离度值较小，说明这几类土地利用类型在此阶段内转入转出量较大，且在空间分布上较为稳定，在空间上的离散程度较小。土地利用变化比率较小的类型是水域→草地（编码43）、建设用地→水域（编码54），并且这几类土地相互转换的空间分离度值较大，说明这几种土地利用类型在此阶段内转入转出的数量较小，但在空间分布的离散程度较为分散。

3．2．2．图谱的空间差异

在2005年—2010年乌江北源土地利用变化图谱中（图4）共有15种类型的土地利用图谱单元发生变化。其中，图谱单元变化最显著的依然是“耕地→林地”（编码12），从空间分布上来看，图谱单元在织金县呈“星点状”均匀分布，大方县、赫章县沿河地区呈“条带”状分布，纳雍县东部地区呈块状分布。其次，图谱单元变化较为显著的是“草地→林地”（编码32），主要分布在织金县南部地区。另外，在空间上分布最分散的图谱单元变化类型“水域→草地”（编码43）变化率最低。

图2 2000 年—2005 年乌江北源土地利用变化图谱Profiles of earth usage change inBeiyuan, Wujiang from the year 2000 to 2005

3．3．2000—2010年土地利用变化图谱特征

3．3．1．土地利用图谱数量变化特征

2000年—2010年土地利用类型发生变化（表4）的总面积为24 411.69 hm2。其中，变化面积最大的依然是耕地的转出面积，在此阶段内，耕地转变为林地的面积为17 048.88 hm2，变化率为69.84%；转化为草地的面积为2 187.18 hm2，变化率为8.96%；转化为水域的面积为2 999.52 hm2，变化率为12.29%；转化为建设用地的面积为497.61 hm2，变化率为2.04%。其余土地利用类型转出转入不明显，变化比较稳定。

2000年—2010年土地利用变化率和空间分离度的分布如图5所示。其中，土地利用变化率较高的是耕地→林地（编码12）但是其空间分离度值较低，只有12.73，说明在这个阶段研究区内耕地转出为林地的量较大，且空间分布较为集中。草地转换为耕地的比率较小，但空间分离度较大，达到5 538.72，说明在这一阶段内，草地转出为耕地的量较小且空间分布较为分散。

3．3．2．图谱的空间差异

在2000年—2010年乌江北源土地利用变化图谱（图6）中共有13种类型的土地利用图谱单元发生变化。其中，图谱单元变化最显著的依然是“耕地→林地”（编码12），从空间分布上来看除毕节市、威宁县外，流域内各区县均有大量分布。其次，图谱单元变化较为显著的是“耕地→水域”（编码14），主要分布在大方县、织金县以及黔西县的沿河交界地带。另外，图谱单元变化最小的是“草地→耕地”（编码31），分布面积较少，仅在大方县北部有星点分布。

图3 2005—2010年土地利用变化图谱单元空间分离度和变化率Fig.3 Spatial variability and change ratio of land use change TUPU units in 2005 to 2010

3．4．耕地变化模式图谱特征分析

2000—2010年乌江北源土地利用变化图谱分析结果表明，图谱单元变化总量最大、图谱转移最显著的是耕地的占用与补充过程，其次是林地的占用与补充过程。为进一步探索研究区耕地和林地利用变化模式，利用2000年、2005年和2010年三期土地利用现状数据，构建耕地、林地利用变化模式图谱（图7）来探究耕地、林地在每一变化模式的图谱变化特征（表5）及其原因。由图7和表5得知，乌江北源流域内耕地林地利用变化模式除稳定型外，以后期变化型为主，其次是前期变化型，反复变化型和持续变化型所占比例较小。耕地林地利用变化模式出现了明显的时间序列特征。

图42005 年—2010年乌江北源土地利用变化图谱Fig.4 Profiles of land use change in Beiyuan,Wujiang from the year 2005 to 2010

3．4．1．前期变化型

由图7可知，乌江北源流域耕地前期变化图谱类型分布比较广泛，其中在大方县、织金县以及黔西县的沿河交界处分布最为集中，其余部分则沿乌江北源两岸呈星点状分布。空间格局上表现为“西疏东密”特征。在这一变化模式中“耕地→林地→林地”（编码122）为主要转移类型，面积达到了3 814.56 hm2，占本阶段转移总面积的的43.43%（表5）。

林地的前期变化型图谱模式主要发生在流经大方县、织金县以及黔西县沿河两岸交界地区，成线状分布，在这一变化模式中，林地的转移类型以“林地→水域→水域”（编码244）为主，面积为1 510.74 hm2，占本阶段土地转移总面积的17.2%。由此可见，在整个2000—2005年阶段，耕地转换为林地是本阶段最突出的转换类型，进一步验证了本阶段内退耕还林的成果效用性。

3．4．2．后期变化型

研究区后期变化图谱类型分布最广泛，由图7可知，除赫章县、威宁县分布较少外，其余地区皆有丰富分布。尤其是乌江北源流经的纳雍县、织金县沿河两岸分布最为密集。空间格局上表现出“大聚居与小聚居”同时存在的情况。

研究区内林地后期变化图谱类型分布较少，但耕地、林地的后期变化模式图谱总面积12 853.89 hm2，是前期变化模式图谱8 782.65 hm2的1.5倍，其次，“林地→林地→水域”（编码224）面积43.65 hm2，仅占本阶段转移总面积的0.34%。由此可见，在此阶段内，耕地转移为林地的图谱单元仍然是最突出的转移类型，验证了在2005—2010年阶段内退耕还林效用持续性。

3．4．3．反复变化型和持续变化型

这两类图谱单元在空间分布上很少且非常不集中。由图7可知，耕地的持续变化型的面积只有2 691.18 hm2，反复变化型面积更是少之又少，仅有1.35 hm2。反复变化类型中变化最大图谱单元类型为“耕地→水域→耕地”（编码141），图谱面积为0.99 hm2。持续变化类型中变化最大图谱单元类型为“耕地→草地→林地”（编码142），图谱面积为2 690.91 hm2。

表3 2005年—2010年土地利用变化图谱Tab.3 Profiles of land use change from the year 2005-2010

林地反复变化型的面积只有0.63 hm2，持续变化类型面积更是少之又少，仅有0.27 hm2。可见在此阶段内林地的转移类型非常不突出。

图5 2000年—2010年土地利用变化图谱单元空间分离度和变化比率Fig.5 Spatial variability and change ratio of land use change from the year 2000 to 2010

表4 2000年—2010年土地利用变化图谱Tab.4 Profiles of land use change from the year 2000-2010

表5 农林地土地利用变化模式图谱特征Tab.5 Characteristics of Land Use Change Patterns in Agroforestry Land

图6 2000年—2010年乌江北源土地利用变化图谱Fig.6 Profiles of land use change in Beiyuan,Wujiang from theyear 2000 to 2010

图7 耕地、林地利用变化模式图谱Fig.7 Profiles of usage change of cultivated

4．结论

运用GIS和RS技术，基于地学信息图谱理论与方法，分析乌江北源2000年、2005年、2010年三期土地利用变化时空特征得到以下结论。

（1）在2000年—2010年10年当中乌江北源流域土地利用变化以耕地与林地、耕地与草地以及耕地与水域之间的转换为主要特征。空间分布主要在经济发展水平好，政策引导及时的赫章县和织金县，空间分离度小，说明在赫章县和织金县分布比较集中，离散程度较小。10年之中，耕地转化为林地的面积成上升趋势，说明在此期间内退耕还林政策持续发挥作用。

（2）2000年—2010年期间，乌江北源农林地利用变化模式除稳定型外，以前期变化型和后期变化型为主，其中，毕节市、纳雍县东部，大方县、织金县、黔西县大部变化最为明显，说明在退耕还林政策的指引下，这几个区县的成果最为明显。研究区内农林地利用的转换有明显的时间阶段性特征。

本文应用的土地利用变化图谱模型能够把表现农林地利用空间单元特征的图与表示农林地利用变化发展之起点与过程的谱有效统一起来，对农林地利用变化格局与过程起到一定的耦合作用。研究结果与现实情况基本一致，研究结论符合退耕还林政策对当地土地利用变化情况的指导效用。

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