2001-2013年中国西北地区土地利用变化 的时空格局分析

贾菊桃 吴彩燕 张建香 成春节

(1.西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010；2.陇东学院土木工程学院 甘肃庆阳 745000)

自20世纪以来，人类对土地资源的开发利用日益活跃，进入20世纪90年代之后，全球土地利用变化促进了土地利用的研究，改变了人们对于土地利用及其研究方式的认识，土地利用被赋予了新的含义[1]。

1922年在美国密执安州由索尔领导的土地调查，开创了区域土地综合利用的先例，而1950年之后土地分区已跨入实质阶段[2]。随后多个国家也陆续开展土地利用的研究 ，如Daniel 等1999年在芝加哥地区实施的土地功能分区，在一定程度上解决了土地混合使用带来的问题[3]，Christopher 2005年提出土地利用分区应体现实用性原则，并采用独立划分模型展开实证分析[4]。2014年以来，国外土地利用与规划研究集中于土地利用动态监测、土地利用变化、土地利用规划和土地利用管理4个方面，重视对公众利益、生态效益和经济效益的综合考虑[5]。

在国内，早期土地利用分区主要应用于大农业生产的需求[6]。研究区域气候、植被、农业生产特点及土地利用方向等指标，采用定性手段对区域土地利用进行分区[7]。赵其国在20世纪90年代详细论述了我国土地资源的数量及合理利用途径，并根据土地资源利用特点将我国分成8个土地利用区[3]。周生路2000 年采用遥感解译地域归类方法，研究桂林市土地利用地域分区，并就两种方法进行比较[4]。2014以后，在新型城镇化战略的引导下，国内土地利用与规划研究以“集约高效”、“生态文明”为主题，围绕土地利用调查与监测、土地利用变化、土地利用评价、土地利用规划及土地利用管理方面展开[5]。

目前，国内对土地利用的研究大多基于行政区划完整性和综合性原则，在进行土地利用分类研究时，分类精度一般选择11类或更少，而我国西北地区土地总面积占中国的31%，人口仅占全国的7%，是一个地广人稀的区域[8]，但由于自然、人文和政治等因素影响，自然灾害频繁发生，因此对西北地区土地利用变化进行研究，总结土地利用变化特点及趋势，从而合理调整土地利用结构，促进产业结构转型与调整，对该区域经济的快速发展及生态环境建设具有重要意义[9]。本文选取西北地区作为研究区，采用IGBP(国际地圈-生物圈计划)定义的17类土地利用，以更精确的分类方法研究13年内不同土地类型间的变化。

1 研究区域概况

1.1 研究区地理位置

我国西北地区有着悠久的文化和历史。 其大致处于大兴安岭以西，长城和昆龙山—阿尔金山以北，包含新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区、宁夏回族自治区、甘肃省北部和青海北部。深居内陆，距海遥远。位于73°33′E至123°E，37°S至50°S之间，总面积约306.99万km2[10](图1)。

图1 中国西北地区区位图Fig. 1 Location map of northwest China

1.2 自然条件及社会经济条件

我国西北地区幅员辽阔,土地面积达306.99万km2,占全国土地总面积的31.39%。地跨亚热带、暖温带、温带和寒温带。由于本区南北跨度大,地理环境复杂,生态条件多样,故野生动植物种类繁多,其中有许多是我国稀有珍贵的品种[9-11]。

西北地区是中国的内陆省份，自然环境和资源与沿海地区存在巨大悬殊，在社会经济发展中, 与其它区域的发展不平衡, 不仅空间差异明显, 发展阶段有别, 而且经济结构、社会历史和文化背景各异, 并呈现拉大的趋势[12]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

(1) MODIS土地覆盖类型产品包括每年从Terra星数据中提取的不同分类方案的土地覆盖特征数据的分类产品。基本的土地覆盖分为IGBP定义的17类土地利用，包括11类自然植被分类，3类土地利用和土地镶嵌以及3类无植生土地分类[13]。

(2)本文从NASA网(https://earthdat a nasa gov/)下载覆盖西北地区2001年、2007年和2013年MODIS MCD12Q1土地覆被数据， 使用MRT软件进行影像拼接、格式转换(hdf-tiff)，其次使用ArcGIS 9.3软件，利用西北地区DEM地图对西北土地利用影像进行掩膜提取研究区影像，随后转换为shp格式数据，并分别将每两期解译完的影像进行数据融合和叠置分析，在属性表中新建字段同时进行几何计算，最后在Excel中制作土地利用转移矩阵。

2.2 研究方法

(1)结构分析法

土地利用结构分析法是根据影像解译得到研究区2001年、2007年和2013年的土地利用现状图(图2-图4)，对研究时段土地利用变化进行统计分析，得到研究区土地利用变化的面积及其所占的比例[1]。

图2 西北地区2001年土地利用现状Fig.2 Status of land use in northwest China in 2001

图3 西北地区2007年土地利用现状Fig.3 Status of land use in northwest China in 2007

图4 西北地区2013年土地利用现状Fig.4 Status of land use in northwest China in 2013

(2)土地利用动态度

土地利用动态度，代表一定范围内土地利用的变化率，反映土地利用状况和区域分化特征的动态变化，定量描述土地利用的年变化，它对对比土地利用转变的地区差异和展望未来土地利用变化的趋向都具有重要意义[14]。

K=(Ub-Ua)/Ua/T×100%

式中，K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua,Ub分别为研究区初期及末期某一种土地利用类型的数量；T为研究时段的时间间隔，当T时段为年时，K即为土地利用类型的年变化率。

(3)转移矩阵法

土地利用转移矩阵反映一个区域开始结束期间土地转换动态过程，包括一个特定区域内静态时间点的所有土地类型数据，是体系与体系状态转移的定量描述，表征区域土地利用变化的特征与不同类型土地年际动态变化方向与数量。通用形式一般为[15]：

式中:S代表面积，n代表转移前后的土地利用类型数，i,j分别代表转移前与转移后的土地利用类型，Sij代表转移前的i地类转换成j地类后的面积[15]。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空变化

3.1.1 土地利用变化结构特征

土地利用结构分析法是在IGBP数据库分类的基础上，使用GIS和遥感软件，对研究时段的土地利用统计分析，得到研究区土地利用变化的面积及所占的比例(表1)。

3.1.2 土地利用/覆被变化速率

土地利用变化速率通常用土地利用类型的动态度来表示。按照上节所述公式，计算得到中国西北地区2000-2013年时段内土地利用的年变化率(表2)。

3.1.3 土地利用类型转移矩阵

在 Arc GIS 软件下，对西北地区2000，2007，2013 年土地利用现状图进行空间叠加分析，得出研究时段内土地利用类型的转移矩阵(表3-表5)，据此揭示不同土地利用类型之间的转化规律。

表1 研究区土地类型分布特征Table 1 The distribution characteristics of land types in the study area

表2 西北地区2001-2013年土地利用年变化率Table 2 Annual change rate of land use in northwest China from 2001 to 2013

表3 2001-2013年土地利用类型转移矩阵(单位：km2)Table 3 Land use type transfer matrix from 2001 to 2013(unit: km2)

注：①表中数据为地类间面积转移量；②表中地类代码：0水，1常绿针叶林，2常绿阔叶林，3落叶针叶林，4落叶阔叶林，5混交林，6郁闭灌丛，7开放灌丛，8多树的草原，9稀疏草原，10草原，11永久湿地，12作物，13城市和建成区，14作物和自然植被镶嵌体，15雪、冰，16裸地或低植被覆盖地。

表4 2001-2007年主要土地利用类型转移矩阵(单位：km2)Table 4 The main land use type transfer matrix from 2001 to 2007(unit: km2)

注：同表3。

表5 2007-2013年主要土地利用类型转移矩阵(单位：km2)Table 5 The main land use type transfer matrix from 2007 to 2013(unit: km2)

注：同表3。

3.2 土地利用变化分析

结合上述所得结果分析可知，西北地区2001-2013年间，土地利用变化表现出以下特点：

(1)分析表1可知，13年间，17种土地类型中，所占比例最大的五类土地面积都为裸地或低植被覆盖地镶嵌体、草原、作物、混交林和开放灌丛，且裸地或低植被覆盖地和草原是西北地区的主要利用类型，二者面积之和占比达到总土地利用面积的80%，而水域，阔叶林、城市和建成区、永久湿地等土地利用面积相对很少，其总面积之和占比不到总土地利用面积的2%。

(2)由表2分析得，研究时段内，17类土地利用类型中，除常绿阔叶林、落叶阔叶林、郁闭灌木、稀疏草原、多树的草原和裸地或低植被覆盖镶嵌地有所减少，其他11类土地面积均有所增加。其中面积减少速率最快的土地类型为常绿阔叶林，年变化率达到了-7.37%，面积增加速率最快的土地类型为常绿针叶林，其年变化率达到了30.43%，面积增量最大为草原，减少量最大是裸地或低植被覆盖镶嵌地。

(3)结合表3-表5可知，2001-2007年7年间，土地利用面积增加最为明显的是草原、作物和混交林，其中草原增加面积主要来源于裸地或低植被覆盖镶嵌地和作物；作物增加面积主要来源于草原、开放灌丛和自然植被镶嵌体；混交林增加面积主要来源于落叶阔叶林和作物。而2007-2013年间，土地利用数量增加最为明显的是作物、落叶阔叶林和开放灌丛，其中作物增加面积主要来源于草原、开放灌丛和裸地或自然植被覆盖体；落叶阔叶林增加面积主要来源于混交林和作物或自然植被镶嵌体；开放灌丛增加面积主要来源于草原和裸地或低植被覆盖镶嵌体。

2001-2007年间，土地数量减少最为明显的为裸地或低植被覆盖镶嵌体、落叶阔叶林和多树的草原，其中裸地或低植被覆盖镶嵌体的主要去向是开放灌丛和草原；落叶阔叶林主要去向是混交林；多树的草原主要去向是混交林和草原。而2007-2013年间，土地利用数量减少最为明显的是裸地或低植被覆盖镶嵌体、草原、和多树的草原，其中裸地或低植被覆盖镶嵌体的主要去向是开放灌丛、作物和雪、冰；草原主要去向是裸地或低植被覆盖镶嵌体、作物和开放灌丛；多树的草原主要去向是混交林和草原；

分析13年内土地变化，增加最为明显的是草原、作物和混交林，其中草原增加面积主要来源于裸地或低植被覆盖镶嵌体和作物；作物增加面积主要来源于裸地或低植被覆盖镶嵌体和草原；混交林增加面积主要来源于作物、草原和落叶阔叶林；减少最为明显的为郁闭灌丛、多树的草原和裸地或低植被覆盖镶嵌体，其中郁闭灌木的主要去向是混交林；多树的草原主要去向是混交林和草原；裸地或低植被覆盖地镶嵌体主要去向是开放灌木和草原。

4 结论与讨论

土地利用变化是自然环境和人类活动综合作用的结果，特别是人类活动对自然环境和土地生态系统引起的土地变化尤为明显。 西北地区存在着多种不同的生产和生活方式，在自然和人类活动的共同影响下，2001-2013年该区域土地利用类型发生了较为明显的变化。

在西北地区土地利用变化过程中草原、混交林和开放灌丛等土地面积增量明显，地表林草植被覆盖地显著增加，郁闭灌丛、多树的草原和裸地或低植被覆盖镶嵌体等土地数量减少明显，说明西北区域在研究时段内，国家实施“退耕还林(草)”、“三北防护林工程”、小流域治理和其他林业生态工程成就显著，显现出西北地区土地结构得到优化以及土地利用变化趋于合理。但是，2013的西北地区裸地或低植被覆盖体土地利用面积占比仍超过45%，所以有关部门应加大加快裸地和低植被覆盖体转化为林地等的整治措施，在一定程度上减少滑坡、泥石流、沙漠化等地质灾害的发生，希望通过一系列措施的实施，能够有效地防止水土流失、风蚀沙化，使区域生态环境得到明显改善，土地利用更为合理。

由于数据约束，本文只对西北地区2001-2013年13年的MODIS数据进行了研究，而土地利用受自然、人文与政治等多因素的影响，有必要对其进行长期研究，因此在未来的一段时间内，在数据已更新的条件下将会做进一步的研究。