1985—2014年大清河山区土地利用结构变化及其驱动力分析

2020-03-03祝冰洁王刚何晓燕周旷翁白莎付晓娣

江苏农业科学 2020年22期

祝冰洁王刚何晓燕周旷翁白莎付晓娣

摘要：基于1985年、2000年、2014年3期土地利用数据，对大清河山区长期土地利用的时空格局变化特征进行分析，并讨论土地利用变化的自然背景及经济社会因素。结果表明，大清河山区各土地利用类型在1985—2000年总体保持稳定，而在2000—2014年变化较快;耕地面积持续减少，城乡、工矿及居民用地面积持续增加，尤其2000年以来快速增长;林地规模总体不变，但其构成在2000—2014年间发生明显变化，灌木林地大量转化为有林地，高覆盖草地面积比例也有所增加，林草地生态系统的稳定性增强;人类活动在大清河山区土地利用变化中起主导作用，在区域人口、经济持续增长背景下，林草地的变化在一定程度上反映了相关政策在生态建设方面取得的积极成效。

关键词：土地利用结构;时空格局变化;驱动力;大清河山区

中图分类号：F323.21文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2020）22-0283-08

作者简介：祝冰洁（1995—），女，河南固始人，硕士研究生，主要从事水文预报研究。E-mail：563146168@qq.com。

通信作者：王刚，博士，高级工程师，主要从事生态水文模拟与调控、水资源及水环境综合管理等研究。E-mail：wanggang@iwhr.com。

土地利用/覆被变化（LUCC）是人类活动对地球表层系统影响的最直接表征[1]，其变化必然会引起自然水循环及其伴生的水化学过程、水生态过程和水沙过程发生变化，因而研究土地利用/覆被变化对水文系统、生态系统、洪水的影响具有重要意义，是全球环境变化与可持续发展研究的重要内容[2-8]。1992年联合国制定的《21世纪议程》标志着国际上关于土地利用变化的研究正式开启。1995年国际地圈生物圈计划（IGBP）、国际全球环境变化人文因素计划（IHDP）联合提出“土地利用/覆被变化”研究计划，进一步提出将土地利用过程、土地利用/覆被变化的自然及人文响应、全球和区域的综合模型作为研究主题，至此土地利用/覆被变化研究成为众多国际组织及国家全球变化研究的核心领域[9]。目前对土地利用/覆被变化研究主要集中在流域尺度，主要分析流域内土地利用/覆被的变化对区域水文循环、生态环境安全、洪水风险管理的影响[10-16];对于土地利用变化的评估一般采用动态变化度、趋势度、土地利用综合程度指数等指标进行评价以及利用因子分析法对其驱动力进行分析[17-20]。

生态建设等人类活动可快速改变土地利用/覆被变化的空间分布格局，或改变各类土地利用类型的转换速度与平衡状态[21]。20世纪80年代中期以来，太行山区开展了大规模的绿化工程，而大清河山区是太行山的重要组成部分，通过土地利用变化分析，尤其是关注林草地规模、结构、布局的变化，可以评估山丘区生态建设成效。同时，充分挖掘和发挥林草地天然生态系统等绿色基础设施对水循环的调节作用，是最大限度减缓水患灾害，系统解决流域水问题的有效途径[22]。在大清河流域下游白洋淀地区有雄安新区，立足雄安新区的防洪安全，遵循水循环多过程在时间和空间上的水力联系，从流域尺度、全过程洪水风险防控角度，选取大清河山区作为研究区具有典型性，可作为进一步开展生态海绵流域建设、坡面-河道系统自然调节能力评估等研究的基础。

1研究区概况

大清河山区位于海河流域中部、太行山区西北部，地跨晋、冀、京3省（市），地理坐标为113°34′～116°10′E，38°18′～40°03′N，总面积1.85万km2，其中在河北省保定市行政范围内的面积超过60%。大清河系均发源于太行山迎风坡，分南北2支，呈扇形分布。主要河流有南支的潴龙河、唐河、漕河、瀑河，以及北支的易水河、拒马河等。河道径流自西向东经王快、西大洋、横山岭、口头、龙门、安格庄等水库调节后下泄，进入大清河淀西平原区，由白洋淀、东淀等洼淀滞蓄后进入大清河流域淀东平原区。太行山迎风区为我国大暴雨集中地带，加之土石山区地形陡峻、植被土壤条件差，使得发源于此的大清河系洪水具有陡涨陡落、洪峰高、历时[JP3]短的特点，极易形成特大洪水。历史上曾发生“63·8”特大洪水，造成严重的洪涝灾害。从洪水发生链路、风险防控角度，上游山区生态建设在一定程度上关系到下游雄安新区的防洪安全。研究区位置、河流水系、行政区划等基本情况见图1。

2材料与方法

2.1数据来源

本研究使用的1985年、2000年、2014年3期1∶10万矢量土地利用数据来自中国科学院资源环境科学数据中心;用于流域气象背景分析的流域及周边地区11个气象站点1960—2013年的逐日气象数据，由国家气象中心提供;用于社会经济背景分析的保定市1985—2014年的人口、GDP等[JP3]资料，来自河北省统计局网站（http：//tjj.hebei.gov.cn/hetj/tjsj/）。

2.2研究方法

为了便于分析，按照我国现行土地利用分类标准，将研究区土地劃分为耕地、林地、草地、水域、居工地（城乡、工矿、居民用地）、未利用土地等六大类。采用土地利用综合程度指数、动态度、转移矩阵、土地利用趋势与状态指数等分析大清河山区近30年的土地利用空间格局动态变化，采用景观格局指数评价研究区景观破碎化状况及态势。

2.2.1土地利用变化

土地利用综合程度指数是一种将土地利用程度分级量化的分析方法，按土地类型赋予分级指数：未利用土地，分级指数为1;林地、草地、水域，分级指数为2;耕地、农工地分别为3、4，计算公式如下：

式中：La为土地利用综合程度指数;Ai为第i级土地利用程度的分级指数;Ci为第i级土地利用程度的分级面积百分比;n表示土地利用程度级数。La值越大，表示土地利用程度越高，受人类活动影响越大。

土地利用转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述[23]，是分析土壤类型在一定时段内相互转移的一种有效工具。通过ArcGIS平台对土地利用数据进行两两叠加分析，对所得的数据进行统计分析，获得了土地利用转移矩阵。进而可以按如下方法计算土地利用动态度和土地利用趋势状态指数。

土地利用动态变化是以各类土地利用面积在时间序列上的变化为基础建立的分析方法，反映了区域土地利用变化的剧烈程度，单一土地利用动态度计算公式如下：

2.2.2景观格局变化

景观格局指数是指能高度浓缩的景观格局信息，反映景观结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标[25]。景观格局分析分为3个水平的指数：斑块（Patch）、斑块类型（Class）、景观（landscape），本研究从景观水平上选择4个指数：景观分裂指数（Division）、分离度（SPLIT）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）作为评价指标。具体操作：先运用ArcGIS10.2导出土地利用类型栅格数据，然后借助Fragstats3.3软件计算不同时期各栅格数据的景观格局指数。

3结果与分析

3.1土地利用总体情况

由图2、表1可知，根据3期土地利用数据，草地、林地、耕地的面积在各类土地利用类型中均占据前3位，林地和草地共占比75.8%～77.6%，耕地占比17.6%～19.4%，土地利用格局总体上没有变化。1985—2000年，各类土地利用面积总体保持稳定，没有表现出明显的增加或减少趋势。2000—2014年各类土地利用面积变化明显，其中居工地增加604.28km2，面积占比由1.6%增加到4.8%;耕地、草地分别减少313.82、251.74km2，林地面积略有减少;水域面积增加，与1985年相当，未利用地面积约增加1倍。2014年大清河山区林草地总面积占比75.8%，耕地占比17.6%。

大清河山区土地利用程度总体处于中等水平，1985年、2000年、2014年土地利用程度综合指数分别为222.05、222.29、227.10，表明尽管流域土地利用格局总体没有太大变化，但流域土地开发活动始终处于增长期，1985—2000年呈现缓慢增长，而2000—2014年增长较快。

3.2土地利用动态变化分析

3.2.1土地利用转移矩阵

利用ArcGIS10.2软件对大清河山区1985年、2000年、2014年3期土地利用数据进行叠置，获得土地利用变化数据，结果如表2、表3所示。1985—2000年和2000—2014年参与转化土地类型总面积分别为153.87、985.05km2，分别占流域总面积的0.8%、5.3%，表明2000—2014年土地变化更为剧烈，各土地利用类型均参与转化。1985—2000年，耕地、林地、草地均参与到向居工地的转化当中，其中耕地转化面积最大，为25.13km2;林地、草地间相互转化的面积最大，且规模相当;水域主要转化为耕地;居工地、未利用土地没有向其他类型土地转化。2000—2014年，耕地、林地、草地转化为其他类型的土地中，均以居工地面积最大，其中耕地转化为居工地的面积最多，达到294.38km2，是1985—2000年转化面积的11倍以上。水域转化的土地利用类型主要有未利用土地、耕地、居工地。居工地、未利用土地均发生向其他土地利用类型的转化，且分别以向耕地和草地转化面积最大。

3.2.2土地利用变化动态度及趋势

根据土地利用转移矩阵按式（4）、式（5）计算，得到大清河山区不同时期土地利用变化动态度及趋势，如表4所示。1985—2000年、2000—2014年土地利用综合动态变化度分别为0.0015%、0.1769%，土地类型变化状态与趋势指数分别为0.2049、0.3264，2个时段大清河山区土地利用变化态势存在明显差异。土地类型变化状态与趋势指数均未超过0.5，表明近30年来土地利用类型呈双向转换趋势，总体变化接近平衡。1985—2000年的综合动态变化度很小，耕地、林地、草地、水域面积变化呈微弱落势状态，其中林地和草地变化速率较小，转入和转出面积相差不大。居工地呈涨势状态，且变化速率相对较快，以单向转化为主，转入大于转出趋势。2000—2014年耕地、林地、草地面积变化仍呈落势状态，水域、居工地、未利用土地则呈涨势状態，尤以居工地面积变化速度最快，呈现出明显的单向转化为主的特点，转入面积远大于转出面积。

3.3景观格局变化分析

如表5所示，1985—2000年大清河山区整体的景观格局指数变化不明显，表明这一时期大清河山区总体的景观格局变化不大。2000—2014年大清河山区斑块数量、景观分裂指数、分离度、香农多样性指数及香农均匀度指数均增加且幅度较大，这表明该时段整体景观正向小斑块发展，景观空间更加分散、各斑块类型在景观中呈均衡化趋势。

1985—2014年林地总面积变化不大，但斑块数量、景观分裂指数减少，香农多样性指数、香农均匀度指数整体增加，这说明林地由小斑快向大斑块发展，空间分布趋于集中，各林地类型分布更加均匀。1985—2000年草地面积总体稳定，各景观指数变化不明显，2000—2014年草地面积减少较大，斑块数量减少，但景观分裂指数、香农多样性指数及香农均匀度指数均增加，说明草地斑块数量减少是由面积减少导致的，草地朝小斑块发展，空间分布更加分散。

3.4林草地规模及构成变化

如表6、表7、表8所示，大清河山区林地主要以有林地和灌木林地为主，占全部林地面积的88.6%～89.3%，草地主要以高覆盖度草地和中覆盖度草地为主，占全部草地面积的83.2%～84.3%。1985—2000年各类林、草地面积变化较小，总体结构变化不明显。2000—2014年尽管林地总面积变化不大，但其构成变化明显，有林地面积增加了442.64km2，其中99.3%是由灌木林地面积转化而来。2000—2014年草地总面积减少，高覆盖度草地和低覆盖度草地面积增加，其变化的面积均来自中覆盖度草地的转化。从林草地的规模、构成看，林地中有林地的比重及草地中高覆盖度草地的比重均有增加，尤其是大量灌木林转化为有林地，林草地生态系统的稳定性及其生态服务功能增强，太行山区生态建设取得积极成效。

3.5大清河山区土地利用变化影响因素分析

3.5.1自然因素

天然状态下，流域土地利用变化能在一定程度上反映其自然本底状况的变化。选取降雨、蒸发2个对林草地等雨养型生态系统影响最直接的指标进行分析。考虑自然因素有累积效应，在短时间内相对稳定，利用1960—2013年大清河流域气象数据，采用Penman-Monteith公式计算日潜在蒸散量，经统计得到大清河流域1960—2013年年均降水量和潜在蒸散量（图3）。年均降水量呈波动变化，整体变化趋势相对稳定，其中在1985—2000年间及2000年后分别呈现一定的减少和增加趋势。年均潜在蒸散量波动较大，整体呈现上升趋势，尤其是从20世纪80年代中后期以来呈现明显的增加趋势。2000年我国北方地区持续高温少雨发生大面积严重干旱[26]，这是2000年水域面积减少的主要原因。在1985—2000年期间降水量总体呈现下降趋势，潜在蒸散量呈现反相位变化的情况下，林草地总体规模基本没有变化，表明自然因素并不是影响大清河山区土地利用变化的主要原因。

3.5.2社会经济因素

大清河山区60%的面积位于保定市内，本研究采用保定市1985—2014年的年末总人口数和地区生产总值（GDP）分析大清河山区社会经济发展状况。由图4可知，1985—2014年人口数量和GDP持续增长，尤其是GDP在2000年以来增长速率大幅增加，这也是这一时期城乡、工矿、居民用地面积爆发式增长的主要原因。人口、GDP的快速增长反映了流域人类活动的剧烈强度在增加，但在30年间大清河山区林草地面积、土地利用总体格局没有发生大的变化，而且林草地生态系统有趋于稳定的态势，充分说明太行山绿化工程等生态建设的努力实现了绿色资产的保值和增值。

4结论

本研究基于大清河山区1985、2000、2014年3期同一分辨率土地覆盖数据，在ArcGIS10.2、Fragstats3.3平台上进行土地利用转移矩阵、景观格局指数计算分析，并采用动态变化指数、趋势指数等分析了1985—2000年、2000—2014年大清河流域土地变化情况。同时，对研究区长序列气象资料和人口、经济数据进行分析，得到以下结论：

（1）大清河山区土地利用类型主要以草地、林地、耕地为主，占流域总面积的90%以上，流域内土地开发活动始终处于增长期，1985—2000年呈现缓慢式增长，2000—2014年呈现爆发式增长。

（2）1985—2000年，草地、林地、耕地等各主要土地利用类型面积总体保持稳定，2000—2014年各类土地利用面积变化明显，耕地、林地、草地面积变化的落势较为明显。1985—2014年，城乡、工矿、居民用地呈涨势状态持续增长，尤以2000—2014年间的增长变化明显，居工地增长面积是前一时段的19倍多。

（3）1985—2014年，林地总体规模基本不变，但2000年以来林地构成有明显变化，大量的灌木林地转化为有林地，并且林地斑块数量、景观分裂指数减少，而香农多样性指数及香农均匀度指数增加;高覆盖草地面积比例也有一定增加。林草地生态系统的稳定性呈增强趋势。

（4）相对自然因素，人类活动是大清河山区土地利用变化的主导因素：一方面人口经济增长促使城乡、工矿、居民用地在一定范围内急剧扩张;另一方面在山丘区开展的生态建设活动对林草地生态系统稳定起到了一定的积极作用。

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