河北太行山低山丘陵区土地利用时空变化研究

李爱民,郭宏,赵娱,张冬梅,许中旗

(1 秦皇岛市林业局，河北 秦皇岛 066000； 2 河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；3 河北省木兰围场林管局，河北 围场 068450)

土地是人类社会赖以生存的载体，人类为满足发展需要，按照土地的自然属性和用途分类加以利用。土地利用发生改变会对物质能量流动、生态系统的稳定产生影响，因此对土地利用变化因素的研究就十分重要。随着经济的飞速发展以及对土地资源利用的增加，人类活动对于土地利用变化的影响日益受到关注。近些年来，随着3S技术的发展，使用遥感影像对土地利用变化的分析已经成为一种重要的分析方法。2008年，刘金萍等借助3S技术和重庆市的五期土地利用数据，通过建立数学模型(人为影响指数、土地利用动态度)进行动态分析，结果显示人类干扰活动影响指数较高[1]。2015年，向英奇等对辽宁省沿海地区2000-2010年间景观格局变化进行了研究，发现人为因素是主要的驱动力，同时也不能忽视自然因素[2]。2020年，孙晨等基于RS和GIS技术对塔里木河上有典型绿洲的土地利用进行研究，发现1990-2017年中，阿克苏绿洲的建设用地和耕地面积呈现增加趋势，且耕地面积增幅最大，其他利用类型面积呈现相反趋势[3]。以上结果均表明，人类活动对于区域的土地利用变化有影响，且为主动驱动力，所以深入研究土地利用变化对有限的土地资源优化配置，人类社会的生存发展具有重要的现实意义。河北省邢台市内丘县侯家庄乡是具有代表性的低山丘陵地区，近年来当地以苹果为主的经济林得到迅速发展，对当地的土地利用变化进行研究，旨在为当地的土地利用模式及林果业的发展提供数据支持。

1 研究区概况

研究区位于河北省邢台市内丘县侯家庄乡，地跨东经114°03′～114°09′，北纬37°19′～37°24′，海拔高518～1 134 m，温带亚湿润季风气候区，年均降水量523 mm，年均气温11.6 ℃，无霜期180 d，土壤类型主要为壤土或砂壤土，pH值为6.9。主要的植被类型有栓皮栎林、侧柏林、油松林，以及以苹果、板栗为主的经济林。

2 研究方法

2.1 材料数据来源

主要借助谷歌地球卫星图像数据完成，卫星图像采用2009年10月、2013年11月和2016年9月3期影像数据(像素分辨率为0.47 m)，其中2009年和2013年2期影像质量良好，2016年的影像数据有少量云雾，但云雾覆盖面积小于5%，对整个研究影响很小，所以本研究采用了替代法除云雾。

2.2 数据处理

根据实地考察，参考土地利用现状图、地形图等资料，利用ArcGIS采用人工判读的方法对卫星图像进行处理。通过野外实地考察对土地景观特征进行检验，正确率在90%以上。然后将处理过的3期土地利用图像，结合统计资料等数据建立数据库，为后续研究提供科学、完整、准确的数据资料。

根据研究区土地利用实际情况，将研究区景观类型分为7类，分别为：天然次生植被、农田、山地经济林、水域、建筑用地、滩道经济林、河道，详见表1。

表1 土地利用/土地覆盖类型分类体系Table 1 Classification system of land use/land coverage types

2.2.1 土地利用变化速率 利用ArcGIS对2009年、2013年、2016年3期卫星图像进行处理，得到研究区3个时期的土地利用类型图，从而得出研究区的土地利用变化情况(包括不同土地利用类型的面积、所占比例以及转入转出去向)。

单一土地利用类型动态度指的是某一土地利用类型的变化速率，其表达式(1)为

(1)

式中：v表示即单位时间内某一景观类型面积的变化速率；Ma表示研究初期某景观类型的面积；Mb表示研究末期某景观类型的面积；T表示研究初期和末期的时间段；综合土地利用类型动态度是指研究区不同土地利用类型的综合变化程度，其表达式为：

(2)

式中：LC为T时间内研究区土地利用类型的年变化率，LUi为研究期间第i地类的面积，ΔLUi-j为某种土地类型转换成另一种土地类型的面积，T代表时间间隔[4]。

2.2.2 土地利用类型之间的变化 建立转移矩阵可以分析不同土地利用类型之间的内部转化过程，这种方法在景观格局分析中被广泛应用[5-11]。转移矩阵的模型为：

(3)

式中S为土地利用类型面积；n代表土地利用类型的数量；i、j分别代表研究初期初与期末的土地利用类型。

3 结果与分析

3.1 土地利用的结构变化

土地利用结构变化见图1和表2。

图1 研究区2009-2016年土地利用变化Figure 1 Land-use change in the study area from 2009 to 2016

表2 研究区各年份土地利用类型面积及所占比例Table 2 Land-use type and proportion of each year in the study area

从2009年、2013年和2016年3期景观格局分布图来看，研究区的主要斑块类型为天然次生植被，其次为山地经济林，这与当地经济发展模式和自然地貌有很大关系。从表2可以看出，2009-2016年，天然次生植被面积所占比例从72.84%减少到63.81%，共减少9.03%；山地经济林植被面积所占比例从19.33%增加到28.09%，共增长8.76%。其他土地类型面积占比均在5%以下，其中，农田面积占比减少到0.01%，减少了3.93%；滩道经济林面积占比总体增加3.20%，在2013年面积占比达4.39%；水域面积占比在2013年达到最高值0.37%；建筑用地面积变化不大。

3.2 土地利用变化速率

土地利用变化速率见表3。

表3 不同时期研究区土地利用类型变化量及单一动态度指数Table 3 Land-use type variation and single dynamic index in the study area in different periods

由表3可知，研究区2009-2016年天然次生植被、农田、建筑用地及水域单一动态度为负值，呈减少趋势，其中农田变化速度较快，减少速度最快高达14.24%。水域的动态度值在2009-2013年为正，2013-2016年为负；山地经济林，滩道经济林单一动态度为正值，呈增加趋势，其面积变化速度呈变慢趋势，而河道的动态度值在2009-2013年为负，2013-2016年为正；建筑用地动态度整体无明显变化。

3.3 不同土地利用类型之间的转化

不同土地利用类型之间转化情况见表4、表5、表6。

表4 2009-2013年不同景观类型土地利用转移矩阵Table 4 Land-use transfer matrix for different landscape types during 2009-2013 hm2

表5 2013-2016年不同景观类型土地利用转移矩阵Table 5 Land-use transfer matrix for different landscape types during 2013-2016hm2

表6 2009-2016年不同景观类型土地利用转移矩阵Table 6 Land-use transfer matrix for different landscape types during 2009-2016hm2

土地利用转移矩阵能反映出景观类型之间的转换情况。由表4、表5和表6可以得出河道面积在2009-2013年间有20%左右的面积转出成滩道经济林，在2013-2016年间，河道面积增加了42.94 hm2，转入来源主要为天然次生植被和滩道经济林。整体来看，2009-2016年间，由于河道治理工作，河道面积增加为原来的3倍。农田在2009-2013年间面积减少了133.25 hm2，转出去向主要为滩道经济林，在2013-2016年间面积减少了8.80 hm2，转出去向主要为滩道经济林和山地经济林，从整体上看，2009-2016年间，农田大面积转变为滩道经济林，原因是当地的自然环境更适合种植苹果、板栗等经济林，其经济效益更高。滩道经济林在2009-2013年间面积变为原来的3倍，主要由农田和天然次生植被的大面积转入，2013-2016年，面积增加了8.21 hm2，转入来源主要为天然次生植被和河道，整体来看，2009-2016年间，农田和天然次生植被大面积转变为滩道经济林，滩道经济林大面积增加。2009-2013年，水域面积增加，主要来自天然次生植被的转入，2013-2016年，面积减少，转出为滩道经济林和河道，总体表现为少量增加。山地经济林在2009-2013，2013-2016年间均有大面积的天然次生植被转入，转入面积分别为150.35 hm2和157.92 hm2，总体上，2009-2016年间，天然次生植被大面积转变为山地经济林，转入了309.69 hm2。2009-2016年，天然次生植被向各种类型土地转出，其中绝大部分转出成山地经济林，2013-2016年间也有部分转出成河道。

4 结论与讨论

运用土地利用动态度、转移矩阵等方法分析了河北太行山低山丘陵地区的土地利用变化。研究区域所处的太行山低山丘陵区主要景观类型为天然次生植被，其次是山地经济林和滩道经济林，建筑用地、河道、水域和农田的面积较小。2009-2016年，天然次生植被占主导地位的空间格局未发生明显改变，但天然次生植被和农田的减少，以及经济林的增加是该地区土地利用变化的主要趋势。经济林的增加一方面来自于山地天然次生林，另一方面来自于河滩农田的转化。2009年以来经济林的快速发展是当地土地利用变化的主要驱动力。

对研究区3个时间段的土地利用变化分析结果说明，研究区在2009-2016年间，天然次生植被和农田的面积持续减少，而山地经济林和滩道经济林的面积持续增加，水域面积整体呈减小趋势。太行山地区总体自然条件差，土层瘠薄，水土流失严重[12,13]，种植农作物经济效益低，因此，近年来，根据当地土壤状况，结合生态经济沟建设，开始大力发展以苹果、板栗为主的经济林。同时，本研究结果也表明，虽然经济林发展迅速，但研究地区以天然次生林植被为本底的景观特征未发生明显变化，这有利于维持研究地区生态环境的稳定。该研究区景观面积的变化主要体现在由天然次生植被向山地经济林的转化。这种变化，实现了在不减少林地面积的情况下经济收入的增加[14]，对山区经济的发展起到了促进作用。农田面积主要向滩道经济林转变，滩道经济林起到了一定的水土保持的作用，但是同时滩道经济林对河道行洪可能会有阻碍作用[15]，因此需要建设河水疏导工程，防止由于经济林的建设导致洪水发生。