2008-2013年晋北地区土地利用／覆被变化研究

2019-07-10王国玲李艳红苏志珠李想马义娟

农学学报 2019年5期

王国玲　李艳红　苏志珠　李想　马义娟

摘要：旨在了解人类活动对晋北地区土地利用/覆被变化（LUCC）的影响，为研究区合理利用土地资源、优化土地利用格局以及促进区域经济社会协调发展提供科学依据。利用晋北地区2008-2013年的TM遥感影像数据，在ERDAS、ArcGIS等软件的技术支持下，解译影像处理数据并建立土地利用变化转移矩阵，对研究区域近5年来土地利用/覆被变化进行研究。结果表明：2008-2013年期间，晋北地区耕地面积减少62561.10 hm2，林地增加55774.23 hm2，居民工矿建设用地增加22895.49 hm2，草地减少15395.60 hm2，水域面积增加1090.24 hm2，未利用地面积减少1803.29 hm2。这与研究区域在研究时段内大量退耕还林还草的生态建设、城镇化快速发展、经济持续增长等人类活动相关。综上，2008-2013年期间，晋北地区土地利用与覆被发生了较大变化。

关键词：晋北地区;农牧交错带;土地利用/覆被变化;土地利用动态度;转移矩阵;人机交互式目视解译法;高分辨率遥感影像

中图分类号：K921/927

文献标志码：A

论文编号：cjas19010034

0引言

土地是人类赖以生存与发展的重要自然资源和物质基础，土地利用方式作为人类与自然界相互影响与交互作用的综合反映，是影响陆地生态系统的主要因素[1]，土地覆被则是指地表自然形成的或者人为引起的覆盖状况[2]，土地利用/覆被变化（Land Use and LandCove Change，LUCC）是表征人类活动对地球表层系统影响的最直接的表现形式，在全球环境变化过程中扮演着重要角色[3]，也是表征人类活动对全球变化响应的重要因素之一，在模拟全球气候效应和生物地球化学效应的参数输入、时空过程的量测、动力学机制的理解方面一直是目前学界关注的前沿内容[4]。自1986年“国际地圈与生物圈计划”（IGBP）和“全球环境变化人文因素计划”（IHDP）共同发表《Land- Use and Land- CoverChange Science/Research Plan》以来，LUCC成为当前国际全球变化研究的前沿领域[5-8]，也是中国气候与环境演化研究的核心领域和热点问题[4]。据IPCC第5次评估报告[9]，LUCC能够直接反映人类活动通过土地利用及其造成的覆被变化对区域生态环境造成的影响，是导致全球变化的主导因素。为此，中国学者对土地利用/覆被变化研究给予高度关注，相继开展了大量的理论与实证研究，主要包括土地利用的空间格局[3-4]、LUCC与环境变化的关系[10]、土地利用的生态安全评价[11-12]以及土地利用变化的生态效应研究”[13]、LUCC驱动力及模型模拟预测研究[14-15]、“3S”技术在土地利用变化中的应用[16-17]等，研究范围涉及农牧交错带[18-19]、生态脆弱区[20]、城乡过渡带[21]以及流域自然单元[22]等区域，数据主要源自国土部门的统计资料、遥感影像解译、基础地理数据等。显而易见，近年来有关LUCC的研究内容、范围、技术手段与研究程度等方面都取得了可喜的成果，并为可持续发展战略提供了决策支撑。

晋北地处山西省北部，是中国北方农牧交错带的重要组成部分，也是京津冀风沙源治理及荒漠化监测与防治的重点区域之一。长期以来，受自然因素和人类活动的综合影响，生态环境脆弱易变，制约着区域经济可持续发展及其周边地区的生态安全。近年来，随着“三北防护林工程”、“天然林保护工程”、“退耕还林还草工程”等生态建设项目的实施，以及产业结构的调整和城镇化的快速发展，区域土地利用/土地覆被、景观格局及其生态效应都发生了明显变化，成为区域LUCC研究的理想之地。为此，本项研究选取晋北地区21个县市区，开展土地利用/覆被变化研究，旨在揭示人类活动对土地利用/覆被变化以及生态效应的影响，为合理利用土地资源、优化土地利用格局、保护生态环境、促进区域经济社会协调发展提供科学依据。

1数据来源与研究方法

1.1研究区概况

晋北地区位于山西省北部，地理坐标38029'-40°40‘N、110057L一114033‘E，行政区划上包括大同、朔州、忻州3个地级市的21个县市区（图1），区域土地总面积约375.5 Xl04 hm2。研究区地处黄土高原东北缘，地貌上包括大同盆地及周围山地丘陵和晋西北缓坡黄土丘陵，地表物质以覆沙黄土为主，在流水和风力作用下，地表物质易遭受侵蚀。研究区为温带大陆性季风气候，四季分明，春季干旱多风沙，夏季雨热同期，秋季凉爽短促，冬季寒冷干燥，年平均氣温在3.6—7.50C之间，年平均降水量380—440 mm，且主要集中在夏秋季（6-9月份）。土壤类型以褐土为主，地带性植被为温带半干旱草原和半湿润森林草原[23-24]。受农业开发历史久远和自然资源特别是矿产资源的过度开发利用，生态破坏严重，加之地表植被稀少、土壤含砂量大，水土流失和风蚀沙化现象严重，成为中国水土流失治理和荒漠化防治的12个重点地区之一，也是京津冀风沙源沙化土地治理关键技术研究与示范地区。

1.2数据来源与处理

研究区基础数据源于各个县市区国土部门2008-2013年的土地利用变更数据和《山西省统计年鉴》、遥感影像及DEM数据。其中，遥感影像及DEM数据主要来源于2008年6月和2013年6-9月2个时段，2008年影像为TM遥感影像，2013年影像为Landsat-80LI遥感影像。矢量数据源于对遥感影像的解译和1：50000的数字高程模型。利用ERDAS软件对上述时段的遥感影像进行影像矫正（空间误差控制在0.5个像元内）、配准、多波段融合、影像分幅裁剪拼接、确定解译标志及精度等处理，所有影像基本上无云覆被，成像质量良好，采用人机交互式目视解译法及逻辑推理法进行解译，同时参考区域地形图、土地利用现状图，并结合野外实地核校，以保证数据的可靠性和数据提取的可操作性，图像解译后对分类结果进行精度检验，其Kappa指数基本符合精度要求。据遥感解译生成晋北地区2008年、2013年的土地利用现状图，通过ArcGIS软件将2个时期的土地利用现状图进行空间叠加分析，得到研究时段内土地利用变化情况，并对变化的属性数据进行统计分析，建立2008-2013年土地利用基础数据库，为开展土地利用/覆被变化及其景观格局研究提供完整、准确、科学的数据资料。土地利用类型的划分参照《土地利用现状》分类标准[25]，依据研究区土地利用现状和特点，将其划分为耕地、林地、草地、水域、居民工矿建设用地和未利用地6类。

1.3研究方法

土地利用动态度表示土地利用的变化速率，定量描述区域土地利用变化的速度，能够反映研究时段内各土地利用类型的数量变化情况，也可反映区域土地利用动态变化状况及其区域分异特征[26]，对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势具有积极作用。表达式见公式（1）。式中，K为研究时段内某一土地利用类型动态度;Ua、Ub分别为研究初期及研究末期某一种土地利用类型的数量;T为研究时长，当T的时段设定为年时，K的值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。

土地利用转移矩阵可以反映土地利用类型转换的数量、去向及来源，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。通用形式见公式（2）。

式中：S代表面积，n代表转移前后的土地利用类型数，i、j（ij=1，2，…n）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地类转换成转以后的，地类的面积。

2结果与分析

2.1土地利用结构变化

根据影像解译得到研究区2008年和2013年的土地利用现状图（图2），对研究时段土地利用变化的统计分析，得到研究区土地利用变化的面积及其所占的比例（表1）。

不同土地利用类型面积总量变化，可以反映该区域土地利用变化的幅度和总体态势。从表l中可以看出，研究区土地总面积为3755038.16 hm2，2008年和2013年间各用地类型中，耕地、草地和林地皆为主要土地利用类型，三者面积之和占研究区总面积的90.00%以上，其余用地类型依次为居民工矿用地、水域和未利用地。

对不同土地利用类型分布区域及所占面积变化情况而言，耕地主要分布在大同盆地等地势平缓的区域。其中，2008年和2013年不同时期的耕地面积分别占土地总面积的35.64%和33.98%，面积呈减少趋势，耕地面积减少最明显的在大同市市辖区、右玉县和左云县等地。

草地主要分布在缓坡丘陵和低山丘陵地区，在研究区的河曲、保德、偏关、神池、岢岚、五寨县及其右玉县、朔城区以西等地分布较多，2008年和2013年草地分别占土地总面积的34.80%和34.39%，面积呈小幅度减少，但研究区的东部区域草地面积略有增加。

林地主要分布在中低山地区，如研究区西南部的岢岚县、西北部的右玉县以及东部的浑源县、广灵县、阳高县等，2008年和2013年的面积所占土地总面积的比例分别为24.44%和25.93%，林地面积略呈增加趋势。

居民工矿用地在不同时期的面积所占土地总面积的比例均小于5%。区域分布上，以大同市市辖区、朔州市市辖区、怀仁县、灵丘县分布面积最大，且增加最明显。

水域和未利用地的面积占土地总面积的比例最小，水域面积在2008-2013年间由1.29%增加至1.32%，面积略有增加;未利用地面积在2008-2013年间由0.35%减少至0.30%，面积略有减少。

2.2土地利用速度变化

依据单一土地利用动态度和综合土地利用动态度计算公式，结合研究区土地利用变化的面积（表1），得到晋北地区不同土地利用类型动态度指数（表2）。

从表2可以看出，2008-2013年期间，晋北土地利用类型变化存在差异。耕地、草地和未利用地的单一土地利用类型动态度为负值，说明这3种土地利用类型呈减少趋势，其面积减少量分别为6256110、15395.60和1803.29 hm2，动态度值分别为- 0.93%、-0.24%和-2.76%。林地、居民工矿用地和水域的单一土地利用类型动态度为正值，表明这3种土地利用类型呈增加趋势，其面积增加量分别为55774.23 hm2、22895.49 hm2和1090.24 hm2，动态度值分别为1.22%、3.51%和0.45%。其中，居民工矿用地动态度值最大，变化幅度最大;草地动态度值最小，变化幅度最小。

2.3土地利用变化分析

借助ArcGIS軟件对土地利用数据进行空间叠置分析，并运用Excel软件数据透视表功能，获取2008-2013年时间内土地利用变化的空间转移矩阵，其结果见表3。

从转移矩阵表3中可以看出，2008-2013年期间，晋北地区土地利用变化明显，结合2008年和2013年土地利用现状面积（见表1），研究区土地类型的转换主要发生在耕地、草地、林地三者之间，其余3种土地利用类型转换面积不大，分布不集中，效果不明显。其中，耕地面积明显减少，主要与草地和林地之间发生转换;2008-2013年，耕地面积的转出量为145709.00 hm2，转入量为83147.92 hm2，净减少62561.08 hm2，主要转变为草地（85074.28 hm2）、林地（35794.93 hm2）和居民工矿用地（21037.89 hm2）。草地转出的面积140794.45 hm2大于其转入面积125398.85hm2，净减少15395.60 hm2.主要转变为林地（75658.92 hm2）、耕地（53420.24 hm2）及居民工矿用地（7038.20 hm2）。林地面积的增加主要源于草地和耕地的转变，分别为75658.92和35794.93 hm2。这些变化是国家生态退耕还林还草政策实施以及生态工程建设的结果。

2008-2013年期间，居民工矿建设用地面积净增加22895.49 hm2，主要来源于耕地（21037.89 hm2）。未利用地面积减少，向其余各土地利用类型均有转出，最主要是草地（2774.52 hm2）。水域面积略有增加，主要源于原先河滩地作为耕地的转化。这些变化体现了近年来研究区城镇化的快速发展以及生态经济建设的需求。

3讨论与结论

土地利用/覆被变化是自然因素与人类活动综合作用的结果，特别是人类活动的影响，使自然环境与土地生态系统发生扰动，引起土地利用类型及其景观的变化[1，4]。晋北地区位于中国农牧交错带和生态脆弱区，2008-2013年间区域LUCC变化对人类活动响应敏感。以晋北地区2008年和2013年遥感影像资料为数据源，在ERDAS、ArcGIS等软件技术支持下，开展了土地利用/覆被变化的研究。

2008-2013年间，研究区耕地面积减少明显，主要转入林地、草地和居民工矿用地;林地面积呈明显增加趋势，主要由耕地、草地转入;草地面积总体上有所减少，主要原因是除耕地转入草地外，大部分草地转入林地，使林地面积增多;居民工矿建设用地面积也呈增加趋势，主要由耕地和草地转入;未利用地面积有减少趋势，主要转变为草地和林地;水域面积略有增加，主要由原先河滩地的耕地转入。

研究区2008-2013年间与2003-2008年间[27]林地、耕地和居民工矿用地的变化情况一致，草地、水域及未利用地的变化情况略有差异，究其原因，2008-2013年间，土地利用结构的转变过程中，耕地的减少主要在于2009年以来国家“退耕还林还草”政策的实施，以及“天然林保护工程”、“三北防护林工程”、小流域治理等林业生态工程的建设，使得林地面积增加。居民工矿建设用地呈增加趋势，一方面是基础设施建设大幅度增强，此期间为交通、能源等基础设施建设的高峰时期;另一方面，城镇化进程的加快，耕地和未利用地向建设用地转化，结果导致耕地面积呈减少趋势，这与李秀芬等[28]、崔振洋等[29]的研究结果一致。此期间，草地面积的减少，一是由于交通、能源基础设施和工矿建设占用，二是由于植树造林的生态工程建设占用。未利用地在研究时段内总体上处于减少的趋势，主要转向生态用地。

本文采用人机交互式目视解译法对高分辨率遥感影像进行解译，具有可视化分析、方便快捷、所见即所得等特点，同时又易于受到人的经验性、主观性影响，且目前这种解译方法尚未形成一种标准、规范的应用框架[30-31]。文章中选取的遥感影像数据虽进行矫正后分辨率提升，但小尺度的土地利用类型相关的遥感影像的判读解译仍存在困难。在今后对其进一步的研究中，应当尽量选用一些多时相、分辨率高的遥感影像。晋北地区作为中国北方农牧交错带的重要组成部分，生态环境脆弱，其土地利用方式的变化对山西省生态规划建设举足轻重，且土地利用与区域生态过程的耦合关系及相关驱动力因素的研究，与今后研究区调整产业结构、转变经济发展模式、制定合理相关政策等密切关联，这方面的研究仍需努力。

综上所述，2008-2013年期间，晋北地区土地利用与覆被发生了较大变化。其中，耕地面积减少625 61.10 hm2，林地增加55774.23 hm2，居民工矿建设用地增加22895.49 hm2，草地减少15395.60 hm2，水域面积增加1090.24 hm2，未利用地面积减少1803.29 hm2。

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