丹江口水库核心水源区土地利用变化特征研究

李明蔚 马方正

摘要 丹江口市是南水北調中线工程核心区，其土地利用变化对丹江口水库水质有重要影响。基于丹江口市2007、2012、2017年遥感影像，人机交互解译获取3期土地利用数据，构建0～1 km、>1～13 km、>13～36 km缓冲区，定量和定性方法相结合，综合分析2007—2017年丹江口市土地利用时空变化特征。结果表明：①研究区土地利用类型以林地和农地为主，土地利用变化速度2012—2017年大于2007—2012年;土地利用变化速度由大到小依次是>1～13 km缓冲区、0～1 km缓冲区、>13～36 km缓冲区;农地面积持续减少，建设用地面积持续增长。②土地利用类型转移面积由大到小依次是>1～13 km缓冲区、0～1 km缓冲区、>13～36 km缓冲区，0～1 km缓冲区内，主要是农地转变为林地、草地和水域;>1～13 km缓冲区内，农地、林地和草地相互转变，建设用地持续增加;>13～36 km缓冲区内，主要是农地、林地和草地的转变。③研究区土地利用程度由大到小依次是>1～13 km缓冲区、0～1 km缓冲区、>13～36 km缓冲区;0～1 km缓冲区土地利用程度降低，土地开发利用减弱;>1～13 km缓冲区处于土地利用发展期，土地开发利用逐渐增大;>13～36 km缓冲区土地利用程度变化很小。

关键词 土地利用;变化特征;丹江口市

中图分类号 F 301.24  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）23-0092-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.23.025

Spatio-temporal Variability Characteristics of Land Use in Key Water Source Area of Danjiangkou Reservoir

LI Ming-wei， MA Fang-zheng

（College of Resources and Environmental Science，Hubei University / Hubei Key Laboratory of Region Development and Environment Response， Wuhan，Hubei 430062）

Abstract Danjiangkou City is the central water source area of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion in China， the land use change has a significant impact on the water quality of Danjiangkou Reservoir. In order to analyze spatio-temporal LUCC in Danjiangkou City from 2007 to 2017，the authors took the remote sensing images of the year in 2007， 2012 and 2017 as the main data sources，acquired the LUCC information of Danjiangkou City by using man computer interactive image processing methods，constructed 0-1 km， >1-13 km and 13-36 km buffer zones ，and combined method of qualitative and quantitative analysis. The results showed that： ①The main type of land use in the study area is woodland and farmland. The rate of land use change is 2012-2017>2007-2012;the rate of land use change in descending order is >1-13 km buffer zone， 0-1 km buffer zone， >13-36 km buffer zone.In the past 10 years， construction land increased significantly， while the farmland showed a trend of decrease.②The transfer area of land use types in descending order is >1-13 km buffer zone， 0-1 km buffer zone， >13-36 km buffer zone. Within the area of 1-13 km，it is mainly exchanges between farmland， woodland and grassland. Within the range of 13-36km， it is mainly the mutual transformation of farmland， woodland and grassland.③ The degree of land use in the study area in descending order is >1-13 km buffer zone， 0-1 km buffer zone， >13-36 km buffer zone.It is the decline phase of land use in the range of 0-1km，and the land development intensity gradually weakened. It is the development period of land use， and the land development intensity gradually increased.

Key words Land use;Change characteristics;Danjiangkou City

基金项目 国家自然科学基金项目（41471227）。

作者简介 李明蔚（1995—），女，山东日照人，硕士研究生，研究方向：水土资源利用。

收稿日期 2021-03-16

土地利用变化是全球变化中最普遍活跃的地球景观现象之一[1]，因而是全球變化研究的热点问题之一。相关研究主要集中在土地利用变化与环境变化之间的联系[2-3]，土地利用模型模拟及变化预测[4-5]和驱动因素研究[6-7]等方面。国内对于土地利用变化的研究主要是3S技术，对土地利用过程、空间差异等方面发生的变化以及驱动力进行分析[8-9]。土地利用变化过程主要利用土地利用转移矩阵、动态度、土地利用程度等方法，对土地利用转变方向、变化速度和程度变化等方面进行分析[10-11];土地利用空间变化主要通过景观格局指数和土地利用重心模型等方法进行研究[12-13];土地利用变化驱动力方面主要研究社会因素对土地利用变化的影响，一般通过定量分析方法对人口、经济等因素进行分析[14]。上述研究多集中在经济发展迅速的地区或城市周边，而对水环境有重要影响的水源地土地利用变化的研究尚较少。

丹江口市是南水北调中线工程的核心水源区，其土地利用变化对丹江口库区生态环境及水源地水质有重要影响。该研究以2007、2012、2017年3期遥感影像为基础，利用RS和GIS技术对丹江口市土地利用变化进行分析，以期为保护丹江口水源地和生态建设提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

丹江口市隶属湖北省十堰市，东临老河口市，西连十堰市城区，南接房县，东南与谷城县接壤，西北倚郧县，东北与河南省淅川县交界。土地总面积3 121 km2，东西长73 km，南北长81 km。

丹江口市地处汉江中上游，汉江自西向东穿过境内，也是我国南水北调中线工程的核心水源区，素有“中国水都，亚洲天池之称”。地势悬殊，南北高，中间低，平均海拔400 m。属亚热带季风气候，四季分明，年均降水量为750～900 mm。土壤类型主要有水稻土、紫色土、棕壤、黄棕壤和潮土。植被以落叶阔叶林、常绿针叶林、针阔混交林为主。

丹江口市下辖4个街道，12个镇及武当山旅游经济特区（即湖北省武当山风景区）。常住人口46.38万，2017年地区生产总值225.14亿元。

1.2 数据来源 该研究以丹江口市2007、2012、2017年3期Landsat系列遥感影像为数据源，空间分辨率为30 m，来源于美国地质调查局USGS（United States Geological Survey，https：earthexplorer.usgs.gov）。DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（www.gscloud.cn）。在ENVI 5.1和ArcGIS 10.2平台支持下，人机交互相结合获取3期丹江口市土地利用数据，并利用Google Earth高分辨率影像进行精度检验，满足研究需求。土地利用分类根据《全国土地分类（试行）》和丹江口市实际情况划分为6类：农地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地。

1.3 研究方法

1.3.1 缓冲区划分。以丹江口水库平水位为基础划分0～1 km、>1～13 km、>13～36 km缓冲区，并以此为统计单元分别计算丹江口市2007、2012、2017年土地利用变化速度、转变方向和程度方面相关指数，综合分析丹江口市土地利用变化特征因水源区内距水体距离不同而产生的地域差异。

1.3.2 土地利用动态度。

（1）土地利用单一动态度。土地利用单一动态度是指研究区某一土地利用类型单位时间内变化速度的情况。其表达式如下：

Q=Kb-KaKa×1T×100%

式中，Q表示研究区土地利用单一动态度;Ka、Kb表示研究时段内期初和期末某一土地利用类型的面积;T表示研究时段。

（2）土地利用综合动态度。土地利用综合动态度能够反映研究区所有土地利用类型在整个监测时段内的整体变化速率及剧烈程度。其表达式如下：

G=mn=1（ΔSi-j/Si）×1t×100%

式中，G表示研究区土地利用综合动态度;ΔSi-j表示监测时段内第i类土地利用类型转化为非i类面积总和;t为研究时间段。

1.3.3 土地利用转移矩阵。土地利用转移矩阵能够表征各土地利用类型流入与流出面积的大小、结构特征及各土地利用类型变化方向，反映土地利用类型动态变化的过程。其表达式如下：

Aij=A11…A1n

An1…Ann

式中，Aij为研究区某一土地利用类型i转移到j类的面积;n为土地利用类型数目。

1.3.4 土地利用程度。土地利用程度可反映研究区土地利用的综合水平，包括广度和深度。根据刘纪远等提出的土地利用程度分级，将土地利用划分为4级（表1）[15]。土地利用程度以其综合指数表示，其表达式如下：

L=100×ni=1Ai×Ci

土地利用程度变化指数可反映研究区土地利用程度的变化，其表达式[22]为

ΔLb-a=Lb-La=100×∑ni=1（Ai×Cib）-ni=1（Ai×Cia）

式中，L为研究区土地利用综合程度指数;i为土地利用分级数;Ai为等i级土地利用程度分级指数;Ci为i等级土地利用程度面积所占百分比;ΔLb-a为土地利用程度变化指数;La和分别为a时期和b时期研究区土地利用程度综合指数;Cia和Cib分别为i等级土地利用程度a时期和b时期面积所占百分比。

2 结果与分析

2.1 土地利用现状 丹江口市土地利用类型差异明显。从空间上来看，丹江口市林地分布广泛，草地主要分布在南部和北部，农地主要在中部和北部，建设用地集中分布在东部和中西部。从面积上来看，土地利用类型以林地为主，2017年占总面积的65.75%，耕地面积次之，占总面积的15.82%，水域占总面积的10.16%，草地占5.62%，建设用地和未利用地占区域面积的2.64%。

2.2 土地利用变化

2.2.1 土地利用速度变化。在图1中，0～1 km缓冲区内，2007—2012年土地利用绝对变化量表现为农地>林地>建设用地>未利用地>水域>草地。林地和建设用地呈上升趋势，增长速度分别为0.13%和1.67%;农地减少量最大，达3.07 km2，草地、水域和未利用地变化很小。2012—2017年，土地利用绝对变化量表现为农地>水域>林地>建设用地>草地>未利用地。林地、建设用地和水域面积都有不同程度的增加，增加速度分别为0.37%、3.54%和0.84%，水域的增加量最大，达11.77 km2;农地和草地呈减少趋势，其中农地面积急剧减少，减少了17.20 km2。研究期间农地持续减少，且减少速度不断加快，水域不断增加，且增加速度不断增大，主要是由于此期间丹江口水库大坝加高，水库蓄水，淹没大量农地。

>1～13 km缓冲区内，2007—2012年土地利用绝对变化量表现为农地>草地>建设用地>林地>水域>未利用地。农地面积减少量最大，为25.06 km2;林地、草地和建设用地面积增加，建设用地的增长速度最快，达3.96%，林地的增长速度最为缓慢，为0.12%，水域和未利用地面积变化较小。2012—2017年土地利用绝对变化量表现为农地>林地>建设用地>草地>水域>未利用地。农地和草地呈减少趋势，分别减少12.53和8.71 km2，草地的减少速度最大，达1.69%;林地、建设用地和水域呈增长趋势，分别增长9.97、8.92和2.86 km2，建设用地的增长速度最大，达3.92%，其次是水域，为3.48%。研究期间，农地不断减少，但减少速度逐渐放缓，受库区生态建设和城镇化的影响，林地、建设用地和水域不断增加，其中水域的增长速度迅速上升。

>13～36 km缓冲区内土地利用变化量较少，主要是2012—2017年农地和林地的减少，以及草地和建设用地的增加。

总体来看，2012—2017年土地利用变化速度远大于2007—2012年，分别为12.16%和29.34%。2007—2012年综合土地利用动态度由大到小的区域依次是0～1 km、>1～13 km、>13～36 km缓冲区。0～1 km缓冲区内土地利用变化速度最快，>13～36 km缓冲区内土地利用变化很小;2012—2017年综合土地利用动态度由大到小的区域依次是>1～13 km、0～1 km、13～36 km缓冲区。>1～13 km缓冲区内土地利用变化最频繁，>13～36 km缓冲区内相对变化速度较慢。

2.2.2 土地利用方向变化。基于2007、2012和2017年3期土地利用数据，利用ArcGIS进行叠加分析，构建2007—2012年、2012—2017年丹江口市土地利用类型变化分布图（图2）和土地利用转移矩阵（表2、3），分析各土地利用类型转移方向。

2007—2012年，土地利用类型转变面积由大到小的区域依次是>1～13 km、0～1 km、>13～36 km缓冲区。0～1 km缓冲区主要是农地转变为林地，这表明生态环境逐渐改善，其他土地利用类型转变较小。>1～13 km缓冲区主要是农地、林地、草地的转出和林地、草地、建设用地的转入。农地转出面积最大，主要转变为草地、林地和建设用地，分别转出16.13、5.31和3.04 km2。草地是面积变化的第二的地类，主要转变为林地和建设用地，农地是其面积增加的主要来源。建设用地面积逐渐增加，转入7.53 km2，主要是由农地、林地和草地转变而来。>13～36 km缓冲区土地利用变化较小。

2012—2017年，土地利用类型转变面积远大于2007—2012年，转变面积由大到小的区域依次是>1～13 km、0～1 km、>13～36 km缓冲区。0～1 km缓冲区内，农地面积变化最大，转出18.63 km2，转入1.43 km2，主要转变为林地和水域，这表明丹江口库区退耕还林政策效果明显，生态环境改善。林地主要转变为水域，占其转出量的66.99%。受丹江口水库蓄水的影响，水域面积增大，农地、林地和草地的转入是其三大来源，分别占转入量的46.90%、35.51%和16.14%。>1～13 km緩冲区内，主要是农地、林地和草地三者之间相互转变，以及建设用地的转入。农地面积持续减少，主要转变为林地和建设用地，分别转出12.64和4.38 km2。林地面积增加9.96 km2，其主要原因是农地和草地的转入量26.49 km2远大于转变为农地、草地和建设用的转出量16.03 km2。建设用地面积增长8.92 km2，转出量较少，主要是由农地、林地和草地转变而来，此缓冲区范围内建设用地转入面积占其转入总面积的68.34%，这表明此缓冲区范围内随着城镇化速度的加快，社会经济快速发展。>13～36 km缓冲区内主要是农地、林地和草地之间的转变，以及建设用地的增加，其转变面积远小于>1～13 km缓冲区。

2.2.3 土地利用程度变化。以丹江口市0～1 km、>1～13 km、>13～36 km缓冲区为统计单元，计算丹江口市2007年、2012年、2017年土地利用程度综合指数，并在此基础上得到丹江口市2007—2012年、2012—2017年土地利用程度变化指数（图3）。研究期间，0～1 km缓冲区内，土地利用程度变化小于0，土地利用程度呈持续下降的趋势。2012—2017年土地利用减小程度远大于2007—2012年，表明2012—2017年土地利用程度降低加快，生态环境持续改善。>1～13 km缓冲区内，土地利用变化程度大于0，土地利用程度呈持续增长的趋势，表明该区域处于土地利用发展期，土地开发加大，建设用地增加，经济发展较快。>13～36 km缓冲区内，2007—2012年土地利用程度变化大于0，土地利用程度呈上升趋势，表明该区域开发利用逐渐加大。2012—2017年土地利用程度变化小于0，土地利用程度降低。

3 结论

该研究基于丹江口市2007、2012、2017年3期遥感影像，采用多种土地利用变化模型，综合分析丹江口市土地利用变化特征。

丹江口市土地利用变化速度2012—2017年远大于2007—2012年。2007—2012土地利用变化速度由大到小的区域依次是：0～1 km缓冲区、>1～13 km缓冲区、>13～36 km缓冲区;2012—2017年土地利用变化速度由大到小的区域依次是>1～13 km缓冲区、>0～1 km缓冲区、>13～36 km，受退耕还林政策及城镇化的迅速发展，整个研究期间耕地面积不断减少，建设用地不断增加，其他土地利用类型面积互有增减。

丹江口市土地利用转变方向主要是农地、林地和草地之间相互转化，以及建设用地和水域的转入。0～1 km缓冲区内，受丹江口大坝加高影响，主要是农地转变为林地、草地和水域。>1～13 km缓冲区内，农地、林地和草地相互转化，建设用地的转入主要集中在此范围内，且增长速度不断加快。>13～36 km缓冲区内，土地利用变化相对较少，2012—2017年土地利用转变面积增加，主要是农地、林地和草地的转变。

土地利用程度变化主要在0～1 km和>1～13 km缓冲区内。0～1 km缓冲区内土地利用程度持续降低，土地开发利用减弱;>1～13 km缓冲区内土地利用程度持续增长，土地开发利用逐渐增大。

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