西辽河干流两侧土地利用类型时空变化分析

2023-07-28孟凡傲吴计生邵文彬张宇

中国水土保持 2023年7期

孟凡傲　吴计生　邵文彬　张宇

［关键词］土地利用类型；动态度；时空变化；西辽河

［摘要］收集西辽河干流两侧（中泓线两侧5 km范围内）1980年、2000年、2020年土地利用类型Landsat-TM卫星影像等作为主要信息源，通过人机交互解译生成土地利用类型图层文件，采用数理统计、土地利用类型动态度及转移矩阵对1980—2020年西辽河干流两侧土地利用类型时空分布特征进行分析。结果表明：2020年西辽河干流两侧土地利用类型以耕地为主，林地和草地等面积较小；1980—2020年耕地和城乡、工矿、居民用地呈增加趋势，草地、水域和未利用土地呈减少趋势；1980—2020年部分草地、未利用土地、水域、林地转化为耕地，部分草地、耕地转化为城乡、工矿、居民用地，其原因与近年来河道断流、地下水埋深增加和人类活动加剧密切相关，因此实施“量水而行”方案对西辽河干流生态修复具有重要意义。

［中图分类号］ S157［文献标识码］ A［文章编号］ 1000－0941（2023）07－0046－05

土地资源是人类赖以生存和发展的物质基础，也是最基本的生产资料和环境条件[1]。土地利用类型受到多种因素的影响，人类活动和自然因素都会导致土地利用和覆盖类型的改变[2]。随着技术的发展，地理信息系统（GIS）和遥感（RS）技术的应用为土地利用类型研究提供了新的途径[3]。目前土地利用类型的研究方法主要有数理统计学方法[4]、地理探测器层次分析法[5]、地理加权回归[6]等。

西辽河流域位于干旱半干旱地区，年均降水量小于400 mm，年均蒸发量却达1 200 mm以上，流域水资源禀赋条件较差，人均水资源量较少，是我国水资源严重短缺的区域之一。近年来气候变化和过度开发导致流域内水资源越发短缺，产生了一系列生态环境问题[7]，如地下水超采、主要河段常年断流及生态系统退化等，对干流两侧一定范围内的土地利用/覆盖产生了一定影响。本研究基于1980年、2000年、2020年西辽河干流两侧土地利用数据，采用数理统计、土地利用类型动态度及转移矩阵分析土地利用动态变化，希望能为西辽河干流生态治理提供参考。

1 研究区概况

西辽河是辽河最大的支流，由南源老哈河HYPERLINK"https：//baike.so.com/doc/5701994-5914709.html"＼t"https：//baike.so.com/doc/_blank"与北源西拉沐沦河在内蒙古自治区翁牛特旗大兴乡海流图村汇合而成，流经河北、内蒙古、辽宁和吉林等省区，全长829 km。西辽河干流坐标为东经122°42′～123°36′、北纬42°56′～43°52′，主要位于通辽市，河道平均比降0.4‰，干流河长403 km，其中：通辽以上河段长188 km，平均宽1 km左右；通辽以下河段长215 km，宽500～1 000 m，河道向下游逐渐变窄，水深增加。

西辽河流域生态环境本底脆弱，近年来流域来水锐减、频繁断流，导致湖泊湿地萎缩、草地沙化问题突出，严重影响了流域生态环境。特别是随着干流两侧灌溉农业的迅速发展，大量的天然草原被改造为农田，需水量陡增导致地下水埋深增加，草原植被物种减少、长势变差，对草原生态系统的支撑能力减弱，平原区的生态格局已由天然草原为主转化为草原和农田交错分布。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据收集与处理

收集西辽河干流两侧（中泓线两侧5 km范围内）1980年、2000年、2020年土地利用类型数据。1980年、2000年西辽河干流两侧土地利用数据来源于中国科学院东北百年土地利用变化数字重建项目成果，其中：2000年土地利用数据选择Landsat-TM卫星影像作为主要信息源，通过人机交互解译生成，最小图斑控制为6个×6个像元，总体精度为93%，矢量数据库尺度为1∶10万；1980年土地利用数据采用Landsat-MSS作为遥感信息源，以2000年土地利用遥感解译数据为本底，通过动态变化人工目视解译生成。2020年土地利用数据是在2000年土地利用遥感监测数据的基础上，基于Landsat 8遥感影像，通过人工目视解译生成的。各年度土地利用分类均采用中国科学院数据中心的分类标准，结合研究区土地利用情况，采用二级分类系统，即一级类型分为耕地、林地、草地、水域、未利用土地，以及城乡、工矿、居民用地6类，二级类型在一级类型基础上进一步细分为22类。与1980年、2000年分类不同的是，2020年土地利用数据在建设用地的二级类型中增加了交通用地，用以反映高等级公路的建设情况。基于上述数据得到1980年、2000年、2020年西辽河干流两侧土地利用分类矢量图。

2.2 分析方法

1）土地利用類型动态度。土地利用类型动态度（K）反映了研究区一定时间范围内某种土地利用类型的面积变化情况。K值越高，表明该土地利用类型面积变化越剧烈、稳定性越低；反之，表明该土地利用类型面积变化越轻微、稳定性越高[8]。K值计算公式为

2）土地利用类型转移矩阵。土地利用类型转移矩阵反映了不同土地利用类型之间的相互转换关系，即同一区域一定时间内转化为其他地类的面积[9]，其表达式为

将1980年、2000年、2020年土地利用分类矢量图导入ArcGIS，使用Tabulate Areas工具进行土地利用类型转移矩阵计算。

3 西辽河干流两侧土地利用类型时空分布特征

3.1 现状土地利用类型分布特征

2020年西辽河干流两侧各土地利用类型面积统计结果见表1。对于一级类型，按照面积大小排序分别为耕地，城乡、工矿、居民用地，林地，草地，水域，未利用土地，占土地总面积比例分别为78.05%、10.39%、6.15%、3.14%、1.83%、0.44%。进一步细分，耕地中旱地占绝对优势，占比为98.49%；草地以中覆盖草地为主，占比为49.60%；林地以疏林地为主，占比为49.85%；城乡、工矿、居民用地以农村居民地为主，占比为52.57%；未利用土地以沙地为主，占比为49.74%；水域以河滩地为主，占比为49.86%。各二级类型中，旱地面积最大，占土地总面积的76.873%，其他二级类型占比均在10%以下。从各土地利用类型空间分布来看，西辽河干流两侧土地利用类型中耕地分布面积最广；林地和草地面积较小，主要分布于西辽河干流下游；城乡、工矿、居民用地主要分布于通辽市区。

3.2 土地利用结构变化特征

1980年、2000年、2020年西辽河干流两侧各土地利用类型面积动态变化见表2。对于土地利用类型一级类型而言，1980—2020年耕地和城乡、工矿、居民用地面积呈增加趋势，其中城乡、工矿、居民用地增加幅度最大；草地、水域和未利用土地面积呈减少趋势，其中未利用土地减少幅度最大，水域和草地减少幅度也高于70%；还有林地呈先增加后减少、总体增加的变化趋势。

对于二级类型而言，1980—2020年面积呈增加趋势的有4个地类，增加幅度从大至小依次为工矿用地、城镇居民用地、旱地、农村居民用地，其中工矿用地、城镇居民用地增加幅度均在300%以上；呈减少趋势的有8个地类，减少幅度从大至小依次为其他林地、沼泽地、盐碱地、河滩地、中覆盖草地、沙地、高覆盖草地、低覆盖草地，其中其他林地、沼泽地、盐碱地减少幅度均在90%以上；呈先增加后减少的有2个地类，分别为水田、有林地；呈先平稳后增加的地类有2个，分别为河流、疏林地；呈先平稳后减少的地类有2个，分别为湖泊、灌木林；一直呈平稳变化的地类1个，为水库；另外，1980年、2000年未监测交通用地数据，而裸土地和裸岩监测数据均为0，因此未分析这3个地类1980—2000年比例变化幅度和变化趋势。

3.3 土地利用类型动态度和转移矩阵

1980—2000年、2000—2020年西辽河干流两侧不同土地利用类型面积变化及动态度见表3，土地利用类型转移矩阵见表4、表5。由上述结果知，1980—2020年耕地面积持续增加，且主要是由草地、未利用土地、水域和林地转化而来；1980—2000年林地面积增加较多，主要是由耕地和草地转化而来，2000—2020年面积减小，主要转化为耕地；草地面积持续减少，主要转化为耕地和林地，这与耕地开发和人工造林有关；水域面积一直处于减少状态，主要转化为耕地，这是因为旱化后的水域土壤肥沃，适于农业种植；城乡、工矿、居民用地一直处于增加的状态，尤其是2000—2020年增加幅度较大，主要是由耕地和草地转化而来；未利用土地一直处于减少状态，主要转化为耕地和草地。

4 结论与讨论

利用GIS和RS技术对1980年、2000年、2020年西辽河干流两侧土地利用结构、土地利用类型动态度和转移矩阵特征进行分析，得到以下结论：①西辽河干流两侧土地利用类型一级类型中以耕地为主，占土地总面积的78.05%；二级类型中以旱地为主，占土地总面积的76.873%，其他二级类型面积占比均在10%以下。②对于一级类型而言，1980—2020年耕地和城乡、工矿、居民用地面积呈增加趋势，草地、水域和未利用土地面积呈减少趋势；对于二级类型而言，工矿用地、城镇居民用地增加幅度均在300%以上，其他林地、沼泽地、盐碱地减少幅度均在90%以上。③1980—2020年部分草地、未利用土地、水域和林地等转化为耕地，部分草地和耕地转化为城乡、工矿、居民用地，未利用土地面积持续减小，主要转化为耕地和草地，这与当地实行“量水而行”和生态恢复的各种措施有关。

近年来西辽河干流流量较小，特别是2000—2020年经常处于断流状态，导致水域面积持续减小[10]。干涸的水域土壤肥沃且地下水埋深较浅，因此部分转化为耕地。随着经济发展和人口增多，耕地和城乡、工矿、居民用地面积持续增加，特别是在2000—2020年增加幅度较大，与当地经济发展现状相符[11]。草地面积持续减小，主要转化为耕地和林地，这主要与耕地开发和人工造林有关。2019年以来，为了解决西辽河流域水资源过度开发利用问题，水利部及内蒙古自治区制定了“量水而行”“以水定需”的治理方案，强化水量调度，实现生态流量下泄，已经初见成效，西辽河干流生态环境得到初步修复[12]。未来要树立流域可持续发展思想，合理布局产业规划，加强水资源监管，多部门协同参与“量水而行”方案，共同努力实现西辽河流域生态复苏。

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