1990—2015年延安市土地利用/覆被变化研究

2019-07-03张杰张丽王道芸

湖北农业科学 2019年8期

张杰张丽王道芸

摘要：基于延安市1990、2000、2010和2015年土地利用覆被数据，采用土地利用转移矩阵、土地利用变化速度、土地利用程度分析方法，研究1990—2015年土地利用覆被格局变化特征。结果表明，2000—2010年土地利用类型变化最明显，耕地面积明显减少，林地大幅度增加，建设用地面积明显增加，其原因是退耕还林政策的实施及城市化的发展;1990—2000年和2010—2015年，土地利用变化较小，是因为这两个阶段分别处在退耕还林实施的初期和后期;在1990—2015年整个阶段，土地利用处在调整时期，但土地利用覆被的总体格局没有发生变化。

关键词：延安市;土地利用/覆被变化;转移矩阵;土地利用变化

中图分类号：F301.2 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）08-0035-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.008 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Based on land use and land cover data of Yan'an city in 1990， 2000， 2010 and 2015， the land-use cover change characteristic in different period was analyzed by using the methods of the land-use transition matrix， land-use change rate and land-use degree. The results showed that the land-use types had significantly changed from 2000 to 2010. The farmland area had significantly reduction， but the forestland area had increased greatly and the construction land area had increased significantly. The reason was the implementation of Grain for Green Program and the development of urbanization. In 1990—2000 and 2010—2015， the land-use change was relatively small， because these two periods were in the early and late stages of Grain for Green Program. During the whole period of 1990—2015， land use was in the time of adjustment， but the overall situation remained unchanged.

Key words： Yan'an city; land use and cover change; transition matrix; land use change

土地利用/覆被变化一直是全球生态环境研究的热点问题，是自然、社会经济及社会等诸多方面共同综合作用的结果[1-3]。土地利用/覆被变化能够揭示人类活动对环境的影响[4]，对于改善人与自然的和谐关系具有重要的意义。延安市是黄土高原水土流失的重点区域，是人地关系极为尖锐的区域之一，恶劣的自然环境和不合理的土地利用使得该区域生态环境非常脆弱[5]。自1999年退耕还林工程实施以来，延安市各土地利用结构发生了巨大变化，因此，研究延安市的土地利用變化可为其土地资源可持续利用、土地整治规划、经济社会可持续发展提供参考依据。

目前，对于黄土高原地区土地利用/覆被变化已有许多学者进行研究[6-15]，而对于延安市中尺度区域的研究相对较少，无论是大尺度还是中尺度的研究，其研究的时间范围都相对比较早，因此本研究以1990—2015年4期土地利用数据分析近25年来土地利用覆被变化特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

延安市位于陕北南部，介于东经107°41′—110°31′，北纬35°21′—37°31′，西邻甘肃省庆阳市，东与山西省临汾市、吕梁市隔黄河相望，北接榆林市，南与咸阳市、铜川市、渭南市接壤。下辖2个区11个县，包括宝塔区、安塞区、吴起县、志丹县、子长县、延川县、延长县、甘泉县、富县、宜川县、黄陵县、洛川县、黄龙县。属高原大陆性季风气候，年降水量500 mm左右，温差较大，年平均气温7.7～10.6 ℃。地势西北高东南低，平均海拔1 200 m左右，地貌以黄土高原、丘陵为主，是典型的黄土塬梁峁沟壑区。

1.2 数据来源

分别采用1990、2000、2010、2015年4个时期的30 m空间分辨率土地利用覆被数据（来源于中国科学院遥感与数字地球研究所）。由于该4期数据都是二级分类土地利用数据，土地利用类型众多，所以参照土地利用现状分类国家标准（GB/T 21010-2017），将其合并为一级，分类并重新编码，分别为1林地、2草地、3耕地、4水体、5建设用地和6未利用地6个土地利用类型。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移矩阵利用ArcGIS软件统计4个时期的土地利用数据，应用栅格计算器工具，对1990—2000、2000—2010、2010—2015、1990—2015年4个时间段的前后两期土地利用数据进行空间运算获得4期土地利用变化图，并进行统计得到土地利用转移矩阵，其计算公式如下：

式中，Codea为研究时段内初期土地利用类型编码;Codeb是研究时段内末期土地利用编码;Code为两期土地利用类型变化编码[16]。

1.3.2 土地利用变化速度在区域土地利用变化中，单一土地利用动态度可以反映某一种土地利用类型的变化幅度和速度，综合土地利用动态度可定量描述整体土地利用变化的速度[17]。其公式表达如下：

式中，Ua、Ub分别为研究区域初期和末期的土地利用类型数量;T为研究时间段长度，当T单位为年时，其结果K表示该土地利用类型的年变化率。

式中，Lui为研究时间段初期第i类土地利用面积;ΔLui-j为研究时间段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型的面积;T为研究时间段长度，Lc为研究时间段内的综合土地利用动态度。当T单位为年时，Lc表示该研究区域的土地利用年变化率。

1.3.3 土地利用程度变化土地利用是人与自然相互作用的结果，土地利用程度主要反映了人类与自然环境的综合效应，也揭示了土地利用类型的变化结果及综合利用水平。土地利用综合程度指数和土地利用程度变化率是反映土地利用程度的两个重要指标[18]。土地利用程度综合指数由刘纪元[19，20]提出，需要将不同土地利用类型进行土地利用分级（表1），再利用公式（4）计算得到。为了进一步研究土地利用程度变化的发展情况，用土地利用程度变化率来确定各土地利用类型的变化趋势。

式中，Ai表示土地利用分级指数;Si为第i类土地利用面积;S为土地利用总面积;i为土地利用级别;n为分级数;L为研究区域土地利用程度综合指数。

式中，Lb为研究区b时间的第i级土地利用程度综合指数;La为研究区a时间的第i级土地利用综合程度指数;R为土地利用程度变化率。当R>0时，该研究区土地利用处于发展期，否则处于调整期或衰减期。

2 结果与分析

2.1 土地利用结构及数量特征

从表2可以看出，延安市以林地占地面积最大，其次为草地、耕地、建设用地、水体和未利用地。1990—2015年林地总体呈增加趋势，草地和水体保持相对稳定，耕地呈递减趋势，建设用地和未利用地都呈增加趋势。表3结果表明，25年间林地和耕地面积发生变化最明显，林地经过了“增加-增加-略微减少（相对稳定）”三个阶段，共增加面积277 091.01 hm2，耕地面积一直在减少，减少面积为327 758.13 hm2，总体时间段上，林地和耕地面积变化比例分别为7.50%和-8.87%，以2000—2010年变化最大，分别达到7.45%和-7.63%;草地经过了先增加后减少再增加的阶段，总体草地面积略有增加，增量为26 759.25 hm2，变化比例为0.73%;水体变化幅度较小，趋于稳定;建设用地和未利用地都有所增加，并且发生最大变化的时间段在2000—2010年。

2.2 土地利用类型转移分析

表4至表7分别为4个时间段的土地利用类型面积转移矩阵，其中每一行表示研究时段初期土地利用类型向末期土地利用类型转化面积。由表4可知，耕地、水体和未利用地转化比较明显，耕地有32 682.78 hm2转为其他土地利用类型，转化率为3.942 7%，水体有3 354.84 hm2转为其他土地利用类型，转化率为29.647 9%，未利用地有69.75 hm2转为其他土地利用类型，转化率为8.306 5%。其中耕地主要转化为草地和林地，转化面积分别为24 728.40和5 665.14 hm2，转化率分别为2.983 1%和0.683 4%;水体主要转化为耕地和草地，转化面积分别为1 960.38和998.37 hm2，对应转化率分别为17.324 6%和8.822 9%;未利用土地主要转化为耕地和水体，有47.79 hm2转化为耕地，转化率达5.691 3%，有15.03 hm2转化为水体，其转化率为1.789 9%。由此可知，耕地的减少成为草地和林地增加的主要来源，同时也是建设用地增加的主要来源。此外其他土地利用类型也有不同程度的相互转化。1990—2000年，整体的土地利用类型变化不是很明显，各土地利用类型保持相对稳定。

从表5可以看出，耕地面积明显减少（由 804 563.01 hm2降到522 783.00 hm2），水体面积增加（由8 750.43 hm2增加到10 210.59 hm2），林地面积大幅度增加（由1 482 519.60 hm2增加到1 757 696.94 hm2），草地面积略有减少（由1 376 830.53 hm2降到 1 365 153.03 hm2），建设用地面积增加（从20 032.74 hm2增加到32 934.87 hm2），未利用地面積明显增加（从848.97 hm2增加到4 766.85 hm2）。其中耕地转为其他土地利用类型的面积达330 288.12 hm2，转化率为41.051 9%，其中尤以转化为林地和草地最为明显，转化率分别为9.758 6%和29.578 3%，所以林地和草地的增加主要来源是耕地的减少，然而由于林地转出较少，草地转出较多，使得总林地面积增加，草地面积减少。同理，虽然水体、建设用地和未利用地转化率都较大，然而转入的面积远大于转出的面积，因此三者的面积都有所增加。在2000—2010年，各土地利用类型面积变化较大，各土地利用类型之间的转化率也较大，整体土地利用类型变化比较明显。

由表6可以看出，2010—2015年，耕地继续减少，由522 783.00 hm2降低到501 190.29 hm2，林地面积略有减少，其他土地利用类型面积略有增加，但各土地利用类型的变化面积和转化率都较小，总体土地利用变化不是很明显，逐渐趋于稳定。

由表7可知，1990—2015年，林地面积明显增加（由1 478 877.12 hm2增加到1 755 968.13 hm2），耕地面积减少（由828 948.42 hm2降低到501 190.29 hm2），建设用地面积增加（由17 952.21 hm2增加到35 859.78 hm2），未利用地面积增加（由839.70 hm2增加到7 323.75 hm2），草地和水体面积变化较小。其中草地、耕地、水体、未利用地向其他土地利用类型转化比例较大，分别为19.337 1%、45.234 1%、41.378 7%、45.991 4%。

2.3 土地利用动态变化分析

由表8可知，2000—2010年延安市各土地利用类型变化速度最快，其中耕地、建设用地和未利用地变化最明显，分别为-3.502 3%、1.668 7%和46.146 8%;1990—2000年和2010—2015年两个时间段土地利用变化速度相对较小;总时间段来看，耕地一直处于快速减少的状态，建设用地和未利用地处于急剧增加的状态。根据公式（3）计算各时段的综合土地利用动态度，得到延安市前（1990—2000年）、中（2000—2010年）、后（2010-2015年）3个时间段的土地利用年变化率，分别为0.064 3%、0.846 8%和0.086 9%。由此可知，1990—2000年土地利用变化较慢，2000—2010年土地利用变化较快，2010—2015年土地利用变化速度减慢，且2010—2015年变化速度略大于1990—2000年。

从土地利用程度综合指数看出，随着时间的变化，土地利用程度逐渐降低，且2000—2010年土地利用程度变化最大。由表9可知，第Ⅱ级面积比例增加，同时伴随第Ⅲ级面积比例逐渐减少，导致土地利用程度降低。根据公式（5）计算得到1990—2000、2000—2010、2010—2015、1990—2015年土地利用程度变化率分别为-0.250 7%、-3.159 2%、-0.227 1%和-3.621 3%，可知3个阶段都处于调整期，尤其以2000—2010年土地利用程度变化最明显，因此25年以来延安市土地利用一直处于调整期。

3 小结与讨论

25年来，延安市土地利用类型发生了较大的变化，尤其是2000—2010年，土地利用类型的转化速度、幅度和土地利用程度最为明显，是因为自1999年国家和政府大力实施退耕还林政策及更早些年的“三北防护林工程”，1990—2000年，耕地面积开始逐渐减少，林地面积慢慢增加，到2000—2010年，这一变化幅度进一步增大，而2010—2015年，各土地利用类型变化逐渐减小，这些政策的实施已经逐渐使土地利用接近达到一个相对稳定的状态，但仍处在一个小幅度调整的状态。总体来说，1990—2015年，土地利用处在一个调整的时期，耕地面积总趋势在减少，林地和草地面积在不断地增加，但土地利用覆被的总体格局没有发生变化，其格局为林地>草地>耕地>建设用地>水体>未利用地。另一方面，由于社会经济的高速发展，人口的增长和城市化的发展，导致对土地需求量增加，所以自1990年以来，建设用地面积一直在不断地增加，而对于未利用地面积的增加，原因主要是土地尚在开发中并未形成建设用地，也可能是人为的过度开垦土地造成的。

本研究虽然从土地利用类型的基本结构、转化幅度、转化速度、转化率和土地利用程度等方面揭示了1990—2015年土地利用覆被变化特征，但由于该研究区域土地利用类型破碎，对于面积较小的土地利用类型遥感影像解译结果并不理想，如未利用地、水体等的变化也可能是受分类精度的影响。而且延安市位于黄土高原腹地，是国家和政府高度重视生态建设的区域之一，其土地利用变化特点受国家政策影响较大，虽然在过去的25年，对土地利用进行了合理的整治规划，但随着社会的日益发展，未来可能会出现更多问题影响土地利用的变化趋势，因此应该进一步分析土地利用变化的驱动机制，对未来土地变化趋势进行预测，以应对可能出现的不同问题。

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