30年间昕水河流域土地利用变化分析

朱金凤 宋克鹏 张 浩

（华北电力大学环境科学与工程学院 北京 102206）

引言

土地资源是人类生活赖以生存的基础资源，土地资源和人类的生存环境密切相关，可直接反映人类经济活动的程度，土地资源对于人类发展和全球气候变化具有重要意义[1][2]。随着经济的快速发展，土地利用变化已成为全球气候变化下研究重点[3][4]。土地利用类型的变化对流域内水文循环、水土流失以及生物多样性具有重要影响，合理的土地利用以及水土资源配置是土地可持续发展的前提，否则将有可能影响到流域的生态环境安全[5]。目前，已有较多学者对不同区域土地进行土地利用变化研究，如刘纪元[6]对全国土地利用的时空格局进行了分析研究，呈现了1980 年以来土地利用的变化趋势。黄河流域的生态保护和高质量发展是国家的重大战略之一，分析流域土地利用变化的趋势及其驱动力，对治理流域泥沙冲击、水土保持具有重大意义，不仅能够加强流域生态环境保护，推动流域高质量发展，更有利于推动我国生态文明的建设[7]。昕水河是黄河12 大支流之一，近几十年来昕水河流域实施了多项治理措施如退耕还林还草、三北防护林工程，经济发展迅速，城市化进程加快，流域内土地利用类型也对应的产生了变化。目前，对昕水河流域土地利用类型变化方面的研究较少，对昕水河流域进行土地利用变化分析，探寻驱动机制，有助于了解昕水河流域的环境变化状况，对改善生态环境以及合理配置资源具有重要意义。本文以1986 年和2015 年土地利用数据为基础，分析昕水河流域30 年间土地利用变化的时空特征以及驱动力分析研究，为昕水河流域生态环境的保护与修复以及自然资源管理提供理论支撑和依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

为了获得昕水河流域不同时期的土地利用类型图，利用USGS 下载Landsat TM 遥感影像，数据分别是1986 年和2015 年，空间分辨率为30m 的遥感影像，选取原则是：选取7 月中旬或者8 月下旬植被生长季的无云或者少云的影像数据。对于下载的遥感影像数据，首先运用ArcGIS10.2 以及ENVI5.0 对四期影像进行预处理，然后再运用监督识别分类和目视识别解译结合的技术方法，对预处理后的遥感图像数据进行解译。参照国内外已有的土地利用的分类体系，根据昕水河流域的实际情况并考虑本研究的研究内容与目的，对昕水河流域的土地利用进行分类，主要分为水域、建设用地、林地、草地、和耕地5 类。

1.2 土地利用变化转移矩阵

土地利用变化转移矩阵能够直观地反映两个时期不同土地利用类型的时空变化状况，包括土地利用类型的转化来源、转移方向及转移的数量大小，对各类土地利用类型的转换有较为清晰且定量的认识[8]。具体的数学形式如下：

式中：A 为各种土地利用类型的总面积，km2；n为研究区土地利用类型的种类；Aij代表初期i 类土地利用到末期转换为j 类土地利用类型的面积，km2。转移矩阵中每一行数据的总和代表的是研究时段的初期某种土地利用类型的面积总和，每一行值代表的是该土地利用类型的转移去向和面积大小；每一列数据的总和代表的是研究时段的末期某种土地利用类型的面积总和，每一列的值是该土地利用类型的各项来源和面积大小。

本研究土地利用转移矩阵的计算是运用ArcGIS软件，对不同时期（1986 年和2015 年）昕水河流域的土地利用类型图先进行融合、相交，计算各土地利用类型所转换的面积，然后导出属性表，进行表转EXCEL，最终完成土地利用转移矩阵的数据提取。

1.3 土地利用动态度

土地利用的动态度一般可以划分为单一动态度和综合动态度，主要是用于对土地利用的变化速度进行定量的描述。本研究采用单一土地利用动态度作为对土地利用种类的变化进行量化的依据。通过计算昕水河流域每种不同的土地使用类型在某个研究阶段前后的总体数量，了解研究区土地利用状态随着时间发生的整体变化情况，具体计算公式如下：

式中：K 为变化幅度值，At1、At2分别代表研究初期、末期的某种土地利用的面积，km2，T 为研究时段。

2 结果与分析

2.1 土地利用的时间变化

利用ArcGIS 软件对昕水河流域的土地利用数据进行统计，结果如表1：草地是1986 年昕水河流域内面积最大的土地利用类型，占昕水河流域总面积的57.95%。随着三北防护林工程的实施，草地面积开始减少，1986-2015 年期间，草地面积由2278.35km2减少到776.79km2，减少了1501.56km2，年平均减少量为50.05km2；林地面积由 1025.89km2增长到2818.25km2，增长了1792.36km2，年平均增加量为59.75km2；耕地面积由499.72km2减少到159.79km2，减少量为339.93km2，年平均减少量为11.33km2；建设用地面积由62.65km2增加到96.44km2，增加了33.79km2，年平均增加量为1.13km2；水体面积由64.94km2增加到80.28km2，增加了15.34km2，年平均增加量为0.51km2。总体分析来看，30 年间，昕水河流域的土地利用类型发生了显著的变化，其中林地的变化幅度最大，较1986 年增长了174.71%；其次是耕地，相较于1986 年减少了68.02%；再之是草地，相比于1986 年减少了65.90%；最后是建设用地和水体，相较于1986 年分别增加了53.93%和23.62%。

表1 昕水河流域1986-2015年各土地利用面积和变化幅度表

2.2 土地利用空间分布

1986 年和2015 年昕水河流域的土地利用分布如图1 所示。1986 年，草地面积较大，主要分布在昕水河流域的西部、北部和中部地区，耕地与草地交相分布，林地主要分布在昕水河流域的东部和南部的吕梁山脉。2015 年，耕地和草地面积减小，草地分布在流域的西北部，耕地主要分布在流域西部的边角处，林地开始向中部扩张，面积迅速增大，原分布于西北部和中部的草地开始转变为林地。

图1 1986和2015年昕水河流域的土地利用空间分布

2.3 土地利用转移矩阵

研究时段内不同土地利用相互转化过程中的定量关系，可以由土地利用转移矩阵来表示。昕水河流域1986-2015 年的土地利用转移矩阵如表2 所示。1986-2015 年30 年间，草地主要向林地方向转换，转换的比例大约为74.95%，草地增加的主要来源是耕地；建设用地有34.09%的土地面积一直保持不变，其余的土地面积主要转变为草地和林地，转换的土地比例分别是29.05%和28.28%；耕地的土地面积变化较大，仅有6.41%的土地面积一直保持不变，其余的土地面积主要转变为草地和林地，转换的土地比例分别是53.71%和36.34%，耕地面积增加的主要是来自于草地的转化；林地有85.18%的土地面积保持不变，转换为其他土地利用的面积较少；水体仅有7.08%的土地面积保持不变，其余的土地面积主要转为了林地和草地，转换的比例分别是57.82%和24.08%，另水体面积的增加主要来自于草地和林地的转换，即水体和草地、林地相互转换。结果表明，草地主要向林地转换，耕地主要向草地和林地转换，建设用地和水体面积的增加主要来自草地和林地的转换。30 年间，草地、耕地呈下降趋势，林地、建设用地及水域均呈增长趋势。这主要是政策和经济的驱动，黄土高原的三北防护林工程、退耕还林政策及生态建设治理工程取得较好成效，生态防护林持续增长，抑制了流域产流产沙的过程。同时，在这30 年间，建设用地面积逐渐增加，体现了昕水河流域内城镇化发展迅速。分析流域土地利用的变化具有重大的意义，土地利用的变化对生态过程有着重要影响，植被的变化影响着生物多样性，可以反映着生态环境变化的过程。土地利用的变化必然会引起流域水环境的变化，例如建设用地的增加和城市化进程的快速发展，会使得城市河流的污染愈发严重，影响河流的水质。因此，研究流域的土地利用变化不仅可以反映流域生态环境的变化，为流域治理与修复提供理论支撑，同时为水环境的保护与治理提供科学的依据。

表2 1986-2015年昕水河土地利用转移矩阵

结语

昕水河流域1986-2015 年间土地利用变化较大，主要以草地、耕地向林地转换为主，30 年间昕水河流域的优势土地利用类型逐渐由草地变成林地。昕水河流域土地利用方式发生变化的主要驱动力以人为因素为主，生态恢复及治理政策因素是主要驱动力，退耕还林还草、三北防护林工程及小流域生态综合治理是植被恢复的主要原因，减少了流域水土流失，是昕水河流域土地利用方式转变的主要驱动力，另外，当地经济快速发展是该流域土地利用变化的又一驱动力。研究昕水河流域土地利用的变化不仅对流域泥沙治理有重大意义，同时为水环境保护及治理提供有力支撑，有利于推动我国生态文明建设。