汾河流域土地利用土地覆被变化分析

张亚琼 蔺彬彬

(1.山西漳河水务有限公司，山西 太原 030000；2.太原理工大学，山西 太原 030000)

汾河是山西省最大的河流，是山西的母亲河，黄河的一级支流及第二大支流。流域地跨山西省忻州、太原、晋中、吕梁、临汾、运城6个地级市，包括40个县市区[1-2]。根据《山西省2018年水资源公报》[3]，流域内总人口为1445万，占全省总人口的39.0%；GDP为7157亿元，占全省GDP的42.5%；流域内粮食产量为530万t，占全省总产量的38.4%；流域内灌溉面积为1671万亩，占全省总耕地面积的29.3%。由此可以看出，汾河流域在山西省社会经济发展中有着举足轻重的地位。

土地利用土地覆被变化是地球系统科学核心研究主题之一，其对生态系统、物质循环以及地气耦合系统等具有重要的影响[4-6]。同时，作为生态环境的重要表征，是进行生态环境评价、开展生态环境修复及土地资源科学管理的重要基础数据。另外，作为水文循环重要的下垫面条件，影响着降雨径流产汇流过程[7]。在人类活动增强和自然环境不断变化的背景下，全球的土地利用土地覆被都在不断地发生着变化，汾河流域也不例外。在国家“绿水青山”发展战略的背景下，研究汾河流域土地利用土地覆被在时空上的动态变化过程具有重要的意义。

土地利用转移矩阵可以具体而全面地分析不同土地利用类型之间的转化量和转化方向[8]。本文采用该方法分析了汾河流域1980—2015年的土地利用土地覆被的动态转化过程，并对驱动因素进行了探析，以期为汾河流域大力开展的生态环境修复和清水复流工程提供数据支撑。

1 研究区概况

汾河干流全长716km，流域面积39826km2，占山西省总面积的25.5%。地处半干旱区，1978—2018年多年平均降水量为476mm，多年平均气温为8.65℃。汾河按河流特征分为上、中、下游3段：其中太原兰村以上为上游，河道长217.6km，为山区性河流，绕行于峡谷之中，平均纵坡为4.4‰；兰村至洪洞石滩为中游，河长266.9km，流域面积为20509km2，穿行于太原盆地(面积5000余km2)，地势平坦，平均纵坡约1.7‰；洪洞至黄河口为下游，河长231.5km，流域面积为11257km2，临汾盆地(面积近5000km2)横贯其间，平均纵坡为1.3‰[9]。

2 数据与方法

采用汾河流域1980年、2000年、2015年三期土地利用数据，来源于中科院地理所资源环境科学与数据中心，数据的分辨率为1km×1km网格。采用3级分类系统：一级主要根据土地资源及其利用属性，分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6个类型；二级主要根据土地资源的自然属性，分为25个类型；三级根据耕地的地貌部位，将耕地分为8个类型。

土地利用转移矩阵是马尔科夫模型在土地利用方面的具体应用，可以具体且全面地分析土地利用类型的转化方向和转化数量[10-11]，它的一般形式见表1。

表1 转移矩阵通用形式

一般采用土地利用的净变化与交换变化来反映土地利用变化的特征。其中土地利用的净变化反映了两个不同时期区域土地利用类型的绝对变化量，是进行土地利用分析研究中最常用的一个特征参数，它的值为Si和Sj之差的绝对值。但是该参数并不能反映土地利用变化的动态演变过程，如当净变化量为0时，并不代表土地利用类型未发生转变，很可能是土地利用类型的空间位置发生了改变。如在一段时期内，一片废弃的工业用地重新被整理为耕地，而在另外一个地方为了新建工厂而占用了相同面积的耕地。像这样的土地利用变化，在净变化分析中并未反映出来，因为某一土地利用类型的增量和减量相互抵消了。因此，仅用净变化量很可能会低估土地利用的真实变化情况，因此引入了交换变化来克服这一缺陷。土地利用的交换变化定量反映了在某一区域内，某一地类在一个地方转化为另一种地类，而在另外的一些地方其他的一些地类又转化为这一地类，它可以真实反映土地利用变化过程中一些隐含的动态转化信息，其值为Si和Sj中最小值的2倍。

3 结果与分析

在1980年、2000年、2015年土地利用土地覆被数据的基础上，按照汾河流域范围进行裁剪分类后，得到汾河流域土地利用土地覆被分布图，见图1。按照一级的6个分类进行统计分析，分析结果见表2。由表2可以看出，汾河流域内耕地的面积最大，约占41%；其次是林地，约占28%；第三是草地，约占25%；第四是建设用地，约占4.5%；水域面积不到1%；未利用土地可以忽略不计。从空间位置上进行分析(见图1)，耕地主要分布在中游的太原盆地和下游的临运盆地；林地主要集中在流域边缘的山区；草地主要集中在从盆地向山区的过渡带上。

图1 土地利用分布

表2 汾河流域土地利用类型统计

基于1980年、2015年两期土地利用类型，进行1980—2015年的汾河流域土地利用土地覆被转移矩阵分析和变化特征分析，结果见表3和表4。由表3可以看出，到2015年由其他地类转为建设用地的面积最大，转入面积为496km2，主要由耕地转入(占总转入面积的82%)；其次是转为耕地的面积，转入面积为155km2，主要由草地转入(占总转入面积的60%)。对于从1980年转出的地类，耕地的转出面积最大，为512km2，主要转向了建设用地(占总转出面积的80%)；

表3 汾河流域1980—2015年土地利用转移矩阵 单位:km2

表4 汾河流域1980—2015年土地利用变化信息 单位:km2

其次是草地，面积为195km2，主要转向了耕地和建设用地。

由表4可以看出，1980—2015年流域内有1674km2的地类发生了改变，占总面积的4%左右，其中耕地的变化量最大，为667km2，占总变化量的39.8%；其次是建设用地，为497km2，占29.7%；第三是草地，占16.8%；之后是水域和林地，占比合为13.3%。另外从变化结构上来看，耕地净变化占总变化的比重约为54%，净减少了512km2，其他的155km2表现为空间位置上的转移；建设用地的变化基本是净变化，面积净增加了496km2；林地、草地及水域主要由交换变化主导，净变化占总变化量的比例分别为19%、39%和9%，说明三者的变化主要表现在空间位置的转移上。

4 结 语

针对土地利用土地覆被的空间区位的固定性和独特性，采用转移矩阵分析方法，定量分析了山西省汾河流域1980—2015年土地利用的动态演化过程，包括了空间转移和数量的变化过程。结果表明：汾河流域内占比最大的土地利用类型为耕地，我国改革开放后，随着经济的发展和城市的不断扩张，驱动了建设用地面积的增加，1980—2015年汾河流域建设用地面积增加了495km2，主要由耕地转化而来，贡献率为82%。鉴于此，在以后的土地资源管理过程中，尤其要重点关注建设用地对耕地的侵占，严守耕地面积红线，保障粮食安全。另外，当前汾河流域正大力开展的生态修复工程要从整个流域出发，坚持山水林田湖草系统治理，优化土地利用方式，调整土地利用结构，实现土地资源的节约、集约、高效利用。