陜西省丹漢江流域土地利用時空變化動態分析

陳 磊，李占斌，，李 鵬，劉曉君，高海東

（1.西安理工大學 西北水資源與環境生態教育部重點實驗室，陜西 西安710048；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

土地利用/覆被變化可引起許多自然現象和生態過程及水資源環境的變化。土地利用/覆被變化反應了不同時期人類出于各種目的對土地利用方式的改變。由于不同時期人們對土地利用方式的差異，導致了土地利用時空模式的變化。這種變化既包括土地資源數量、質量隨時間的變化，也包括土地利用空間格局的變化及土地利用類型組合方式的變化［1－2］。

南水北調中線工程水源區位于丹江流域和漢江流域。近年來對丹漢江流域的水質監測和中小尺度景觀動態研究較多，但針對丹漢江整個流域尺度土地利用與覆蓋變化的研究相對較少。本文利用1985，1995和2000年3期土地利用數據，分析了丹漢江流域15 a土地利用/覆被變化的幅度、速率、轉化類型和空間變化模式，并參考相關文獻和資料，分析了該流域土地利用變化的原因。為南水北調中線工程水源區水土保持和進一步的流域環境治理提供一定科學支撐。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

漢江地處我國南北過渡、東西交替的秦巴山區，是長江較大的一級支流，發源于陜西省寧強縣的蟠冢山，全長1 577 k m，干流在陜西省內河長656 k m，在陜西省內流域面積為54 783 k m2（不包括丹江水系），占漢江全流域面積的37.1%。漢江流域屬亞熱帶濕潤氣候區，山區年平均氣溫13～16℃，最高35～41℃，最低－5～10℃，盆地年平均氣溫為11.4～15℃，最高38～40℃，最低－6～－10℃。年降水量平均800 mm以上。流域內秦嶺巴山植被條件獨特，構成暖溫帶含常綠闊葉成分的落葉闊葉林棕壤景色，且垂直分布明顯，秦嶺南坡由下而上分別為：常綠闊葉混交林帶、樺木林帶、冷杉林帶、落葉松林帶等。大巴山地植物區系成分繁多，北坡垂直帶譜明顯，山勢陡峭，多巖溶地貌，構成北亞熱常綠闊葉混交林景觀。

丹江發源于商洛市商州區秦嶺東南鳳凰山，有兩個源頭，北源出于秦嶺南坡的東峽，經鐵爐子至黑龍口與西源匯合。西源出于牧護關以東秦嶺南麓的七盤河，向東南和北源相會。黑龍口以下大致成東南流向，經商州、丹鳳、商南于商南縣汪家店鄉月亮灣出境。流經河南、湖北注入丹江口水庫。全長443 k m，總流域面積16 812 k m2，在陜西省境內全長249.6 k m，流域面積7 510 k m2，占總流域面積的44.5%，年平均徑流量1.71×109m3。區域內森林覆蓋率為23.15%，許多山區綠峰林立，但分布不均；野生植被以落葉、闊葉、針葉混交林為主，主要樹種為櫟樹、松樹、柏樹、楊樹和刺槐等［3］。

1.2 數據來源及處理方法

1.2.1 數據來源 1985年，1995年和2000年的1∶10萬土地利用數據來源于中國西部環境與生態科學數據中心。該數據基于Landsat MSS，T M 和ET M遙感圖像，主要通過全國各地的相關專家根據對圖像光譜、紋理、色調等的認識結合地形圖目視解譯而成。該數據庫經過了野外實地考察驗證，其精度達可以到95%，是目前我國精度最高的土地利用數據產品，已經在國家土地資源調查、水文、生態研究中發揮著重要作用。

1.2.2 處理方法 基于3期土地利用圖，利用GIS空間分析功能，首先對不同時期土地利用面積進行統計，分析其面積增減情況；其次對3期土地利用圖求轉移矩陣，分析土地利用類型之間的轉換關系；然后針對單個和綜合土地利用情況，計算分析其變化率；最后，針對區域影響水土流失和土地利用的主要地形特征，分析土地利用與坡度的關系。

土地利用變化率分析包括區域單一土地利用變化率和區域綜合土地利用變化率。區域單一土地利用變化率用以說明單一土地利用動態度可表達區域一定時間范圍內某種土地利用類型的數據變化情況。表達式為：

式中：Ua，Ub——研究初期和研究末期某種土地利用類型的數據；T——研究時段長，當其設定為年時；K——研究時段內某種土地利用類型的年變化率。利用式（1）計算研究區2個時段內土地利用類型的年變化率。

區域綜合土地利用變化率用以說明區域綜合土地利用動態度可描述區域土地利用變化的速度。表達式為：

式中：L Ui——監測起始時間第i類土地利用類型面積；△L Ui－j——監測時間段內第i類土地利用類型轉為第j類土地利用類型面積的絕對值；T——監測時段長度。當T的時段設定為年時，LC的值就是該研究區土地利用年變化率［1，4］。

2 結果分析

2.1 土地利用的數量變化分析

2.1.1 各年土地利用面積分析 1985，1995和2000年3期土地利用圖及對應的面積統計（表1）表明：（1）耕地、林地和草地是研究區3種主要的土地利用類型，建筑用地和水體所占的比例很小，不足1%。1985—2000年，耕地、林地、建筑用地和水體均呈先減少后增加的趨勢，但草地相反。（2）1985—1995年的10 a間，只有草地面積增加，增加了322.56 k m2；耕地和林地減少面積較大，分別為135.86和161.81 k m2；建筑用地和水體減少面積分別為16.15和9.11 k m2。（3）1995—2000年5 a間，只有草地面積減少，減少了400.19 k m2；耕地和林地增加面積最大，分別為240.94和120.79 k m2；建筑用地和水體增加面積分別為31.00和7.83 k m2。（4）耕地、林地和草地的變化率分別是：以1985年為基數，到1995年和2000年耕地變化幅度分別為－0.2%和0.15%，林地變化幅度為－0.23%和－0.06%，草地變化幅度為0.46%和－0.11%。

2.1.2 土地利用變化率分析 為了更好地比較區域土地利用變化的差異并預測未來土地利用變化趨勢，利用土地利用動態度進行土地利用變化速度分析。土地利用動態度可定量描述區域土地利用變化的速度，包括區域單一土地利用變化分析和區域綜合土地利用變化分析。

表1 丹漢江流域土地利用類型的面積統計

（1）區域單一土地利用變化率分析。利用式（1）可以計算出單一土地利用變化率（圖1）。由圖1可知，1985—1995年，未利用地的變化最大，為0.52%，其次為建筑用地為－0.41%。1995—2000年間，建筑用地變化最大，為2.27%，其次是未利用地、水體、耕地、草地和林地。耕地、林地、草地的年變化率由1985—1995年的－0.07%，－0.07%，0.10%變為1995—2000年的0.34%，0.14%，－0.34%，表明耕地和林地的年變化速度由負轉正，草地的年變化速度由正轉負。建筑用地的年變化率較大，在1985—1995年期間的年變化率為－0.41%，1995—2000年變為2.27%。

圖1 1985－2000年單一土地利用類型年變化率

（2）區域綜合土地利用變化率分析。利用式（2）分別計算出1985—1995年和1995—2000年2個時期的土地利用年變化率，結果表明：1985—1995年丹漢江流域土地利用年變化率為0.05%，1995—2000年的年變化率為0.15%，比1985—1995年有較大的提高，說明1995—2000年土地利用變化類型間的相互轉化力強。

2.2 土地利用空間變化分析

2.2.1 土地利用類型轉換 單純從面積的變化來看，很難揭示土地利用的內部結構變化，為更好地揭示各種土地利用類型的內部變化特征，可以利用土地利用轉移矩陣定量說明土地利用類型之間的相互轉化狀況，表現區域土地利用變化特征［5］。基于研究區1985，1995，2000年的土地利用圖，利用Arc GIS軟件的空間疊加功能進行疊加分析，然后統計各種類型的土地利用面積及各種土地利用類型的變化面積，得到土地利用類型轉移矩陣（表2—3）。

表2 1985－1995丹漢江流域土地利用類型轉移矩陣 k m2

表3 1995－2000丹漢江流域土地利用類型轉移矩陣 k m2

由表2可以看出，從1985—1995年，耕地轉出面積為312.34 k m2，其中241.05 k m2的耕地轉化為草地；53.01 k m2的耕地轉化為林地；林地轉出面積為291.05 k m2，其中257.64 k m2的林地轉化為草地，30.97 k m2的林地轉化為耕地；草地轉出面積為178.93 k m2，其中101.95 k m2的草地轉化為耕地，75.43 k m2轉化為林地。3種主要土地利用類型轉出面積大小依次為耕地＞林地＞草地。由表3看出，從1995—2000年，耕地轉出面積為141.82 k m2，其中71.82 k m2耕地流入草地，36.02 k m2耕地流入建筑用地，23.29 k m2耕地流入林地；林地轉出面積為158.27 k m2，其中81.8 k m2的林地流入草地，75.46 k m2的林地轉化為耕地；草地轉出面積為555.33 k m2，其中298.24 k m2的草地轉化為耕地，254.32 k m2轉化為林地。3種主要土地利用類型轉出面積大小依次為草地＞林地＞耕地。

研究結果表明在2個階段研究區3種主要土地利用類型變化不同，主要表現為：（1）草地是最不穩定的土地利用類型，內部變化幅度相對于耕地和林地最大，這是由于陜南氣候濕潤，適合草本植物生長，且其是群落演替的早期植被，適應力強。林地的內部變化相對較少，主要是由于林地的生長周期長的特征決定的。（2）1995—2000年研究區草地轉出面積大幅度增加，表明該時期人為因素增加，主要表現為開墾耕地和植樹造林。

2.2.2 主要土地利用與坡度的關系 近年來，土地利用時空變化格局與環境因子的關系已成為土地利用/土地覆蓋變化研究的核心內容之一［6］。為討論不同地形條件下土地利用類型的分異程度，本研究利用研究區3期土地利用圖及數字化地形圖生成的DEM，研究該區主要土地利用類型變化（耕地、林地和草地）的地形分異程度，分析研究區主要土地利用類型的時空變化規律。

坡度對土地利用有著重要的影響：小于5°的坡地，可開發為旱地或牧草地；大于5°的坡地已開始產生明顯的土壤侵蝕，需修筑梯田或采用水保耕作法等水保措施；25°是退耕還林還草的界限；溝坡地的地面坡度大部分在35°以上，該類土地應以種草造林為主要利用方式，以保護邊坡的穩定性，防止崩塌、錯落等重力侵蝕發生；45°是植樹造林的上限［7］。本研究中坡度分成平坡（0°～5°）、緩坡（5°～15°）、斜坡（15°～25°）、陡坡（25°～35°）和急坡（＞35°）5個坡度級。

表4—5分別顯示了研究區在1985—1995年和1995—2000年耕地、林地和草地在不同坡度上的分布狀況及變化面積。在0°～5°坡度上，耕地在不同年份均占絕對優勢，草地次之，林地最少。在5°～15°之間，耕地比重開始下降，林地和草地占的比重開始增加，且草地已占最大比重。在15°～25°之間，耕地、林地和草地均達到最大面積。之后在25°～35°之間，三者面積又逐步下降，到35°以上，耕地面積銳減。在5°～35°坡度上，草地始終占最大比重。從表中可以看出，耕地、林地和草地的變化都主要發生在5°～35°之間的坡地上，最大變化也都出現在15°～25°，而在＜5°和＞35°的坡地上，變化幅度都較小。從以上兩表可以看出，不同坡度草地的減少和耕地、林地的增加具有很高的一致性，反之亦然。

表4 1985－1995年耕地、林地和草地在不同坡度上分布面積 k m2

表5 1995－2000年耕地、林地和草地在不同坡度上分布面積 k m2

2.3 土地利用驅動力分析

土地利用變化主要受自然因素和社會因素影響，但在短期內，人類活動是土地利用變化的最主要的驅動因素。在較短時間內，區域的氣候、地形地貌、土壤和水分等自然因素不可能發生很大變化，其對土地利用變化影響較小，而人口、經濟、技術以及國家和地方政府的政策等社會因素則會從根本上影響土地利用變化的方向［8－9］。

研究區土地利用類型發生較大變化，可以分為兩個階段：（1）從1985—1995年，草地面積增加，耕地和林地面積減少，分析原因是期間毀林開荒和濫砍亂伐，造成生態環境惡化，使林地減少及耕地棄耕。（2）從1995—2000年，草地面積明顯下降，耕地和林地面積增加，分析原因是政府作為及群眾環保意識增強，使樹木得到種植和一定的保護。耕地的增加一方面與生產的發展有關，另一方面可能與退耕還林項目實施前，群眾為獲得補貼，而開墾了一定面積的草地有關［10－11］。

3 結論

（1）耕地、林地和草地是研究區3種主要的土地利用類型。1985—2000年，耕地、林地、建筑用地和水體均呈先減少后增加的趨勢，但草地相反。15 a間，耕地和建筑用地分別增加了105.08和14.85 k m2，林地和草地分別減少了41.02，77.63 k m2。

（2）從1985—1995年，耕地轉出面積為312.34 k m2，其中241.05 k m2的耕地轉化為草地，53.01 k m2的耕地轉化為林地；從1995—2000年，耕地轉出面積為141.82 k m2，其中71.82 k m2耕地流入草地，36.02 k m2耕地流入建筑用地，23.29 k m2耕地流入林地；草地轉出面積為555.33 k m2，其中298.24 k m2的草地轉化為耕地，254.32 k m2轉化為林地。表明耕地趨于相對穩定，草地轉化活躍。

（3）研究區主要土地利用類型動態變化與坡度關系表明，耕地、林地和草地的變化都主要發生在5°～35°之間的坡地上，最大變化也都出現在15°～25°。不同坡度草地的減少和耕地、林地的增加具有很高的一致性，反之亦然。

（4）研究區土地利用變化，很大程度上是受人類活動的影響。政府行為對丹漢江流域土地利用變化有很大的影響。因此，國家的政策在很大程度上影響土地利用變化的方向。

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