近40年來貴陽市“兩湖一庫”地區土地利用／覆被變化

趙衛權，蘇維詞，周文龍，張 凡

土地利用／覆被變化對區域生態環境產生重要影響，并以累積的方式影響全球環境變化［1］，土地利用／覆被變化是當今國際全球變化研究中最為活躍的領域之一，IGBP和IHDP等［2］國際全球變化研究計劃都極其重視這一領域的研究。

順應世界科學發展潮流，我國從20世紀90年代中期起也開始進行這方面的研究，而且在相關理論、研究方法以及區域或城市等個案分析上都取得了研究成果。余新曉等［3］分析了位于我國西北黃土高原的甘肅省天水市羅玉溝流域20a來土地利用變化情況及驅動力；王鵬等［4］以秭歸縣為試驗區，分析了三峽水庫的土地利用變化情況；周文佐［5］研究了黃河三角洲1995—2004年間土地利用／覆被的時空變化特征，并對區域土地利用／覆被變化的驅動因子進行了探討。

本研究對貴陽市飲用水源“兩湖一庫”地區近40a來的土地利用／覆被時空演變特征進行分析，為水源地生態環境保護管理提供科學依據和基礎信息。

1 材料及方法

1.1 研究區概況

貴陽市紅楓湖、百花湖和阿哈水庫是貴陽市主城區的重要飲用水水源地，簡稱“兩湖一庫”。為了對飲用水源進行保護，貴陽市2007年成立專門的管理機構——兩湖一庫管理局。本研究以鄉鎮行政區劃為基礎，結合“兩湖一庫”飲用水源保護區范圍確定研究區域，總面積為1 703.82km2。該區域地處貴陽市西南部，分屬安順市的平壩縣和貴陽市的清鎮市、花溪區、南明區、云巖區和白云區。

1.2 數據來源及處理

研究數據主要由研究區域1973年的MSS影像，1993的TM影像，2001年的TM影像和2010的ALOS影像解譯后獲得。土地利用分類采用中國科學院資源環境數據庫中的全國1∶100 000制圖比例尺的土地利用分類系統。該系統根據土地資源經營特點、利用方式和覆蓋特征采用3級分類：一級主要根據土地的資源屬性和利用屬性分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6個類型；二級主要根據土地自然屬性分為25個類型；三級主要根據土地的地貌再分為8個類型［6－7］。在分級的基礎上，結合水源地生態環境研究的需要，將研究區的土地利用類型進行歸并處理，主要對旱地、水田、林地、建設用地、荒草地和水域6個類型進行統計分析。

運用ERDAS 9.2軟件對4期遙感影像相應波段組合后，進行人機交互解譯。在判讀解譯過程中，采用監督分類和人工目視解譯，充分結合土地利用現狀圖及野外考察結果來建立分類標準，并借助地形圖等相關輔助資料進行校準。然后利用ArcGIS 9.3地理信息系統軟件形成4期土地利用類型數據庫，利用該軟件的空間疊置分析功能，獲取土地利用的動態變化信息。由于4期遙感影像的時間分辨率相差較大，故在解譯過程中參考了研究區域1∶200 000土地利用現狀資料和1∶50 000地形圖資料。

1.3 研究方法

1.3.1 單一土地利用／覆被類型動態度 單一土地利用／覆被類型動態度［8－9］反映了研究期內不同土地利用／覆被在數量上的變化，通過分析土地利用／覆被面積變化，可以了解土地利用／覆被變化總的態勢及其結構變化，其特點在于可以直觀地反映土地利用／覆被變化的幅度和速度。其計算公式為：

式中：K——研究時段內某一類型土地利用／覆被的動態度；Ua，Ub— —研究初期和末期某一類型的土地利用／覆被面積；T——研究時段，若T為年時，K值即為該研究區此土地利用／覆被類型的年變化率。

1.3.2 單一土地利用／覆被類型綜合動態度 單一土地利用／覆被類型綜合動態度，又稱空間動態度［10－11］。它同時考慮了從研究初期到研究末期土地利用／覆被類型的轉出部分和轉入部分，從整體上度量了其動態變化程度，相對于單一土地利用／覆被類型，動態度值越大，表明該類面積擴張趨勢越明顯。其計算公式為：

式中：Vt——某一土地利用／覆被類型綜合動態度；Δouti——研究時段內某一土地利用／覆被類型轉化為其它土地利用／覆被類型的面積總和；Δini——研究時段內其它土地利用／覆被類型轉化為某一土地利用／覆被類型的面積總和。

1.3.3 區域綜合土地利用／覆被類型動態度 綜合土地利用／覆被動態度［12－13］反映在研究時段T 內某區域土地利用／覆被變化的劇烈程度，其計算公式為：

式中：S——綜合土地利用／覆被動態度；Uai——研究時段T初期第i類土地利用／覆被類型的面積。

2 結果與分析

2.1 區域土地利用／覆被變化轉移過程分析

由表1可知，研究區域主要以旱地、水田、林地和建設用地為主，其面積之和比例在各個時期都占93%左右，說明近40a“兩湖一庫”地區的土地利用／覆被類型的變化主要在林地、耕地和建設用地之間發生轉換。1973—1993年研究區旱地面積增加，水田面積減少，耕地總量變化不大，荒草地減少約1／2，說明在這一期間未利用地的利用效率有所提高，建設用地面積增加了44.16%，林地面積略有減少，水域面積增加了27.09%；在1993—2001年研究區荒草地面積繼續減少，旱地略有減少，建設用地面積增加了30%，林地面積變化不大，水田面積減少了20.39%，水域面積繼續增加了19.16%；在2001—2010年研究區荒草地面積繼續被利用，其面積減少了16.86%，旱地面積銳減了20.38%，建設用地面積急增了64.20%，林地面積增加了19.03%，水田面積增加了14.14%，水域減少了6.19%。近40a來，“兩湖一庫”地區土地利用／覆被變化總體呈現出建設用地面積大幅度增加，林地面積增加、耕地面積減少，水域面積增加和荒草地被大量利用的態勢。

表1 “兩湖一庫”地區4期不同土地利用／覆被類型變化

分析表2和1973—1993研究區土地利用變化圖（圖略）可知，1973—1993年研究區旱地、水田主要轉向林地和建設用地，轉換率在18%～26%；林地則主要變為旱地，轉換率為30.83%；部分建設用地轉為耕地和林地，轉換率達55.93%，水域主要轉為耕地和林地，轉換率達22.4%，荒草地主要利用為耕地和林地，利用率高達90.79%。在20a間，土地利用類型演變主要發生在“兩湖”主要所在地的清鎮市和貴陽主城區（南明區和云巖區），主要體現了20世紀70—80年代土地資源利用的粗狂性和盲目性，大量的林地轉為耕地，耕地變轉為建設用地。

表2 “兩湖一庫”地區1973－1993年土地利用／覆被變化轉移矩陣 %

從表3和1993—2001土地利用變化圖（圖略）可知，1993—2001年研究區旱地主要轉換成林地和水田，轉換率達27.33%；水田主要轉向旱地、建設用地和水域，其轉換率高達89.95%；林地主要轉換為耕地，其轉換率為32.02%；建設用主要轉為耕地和林地，其轉換率為39.59%；水域主要轉換為耕地和林地，其轉換率為11.23%；荒草地主要轉換為耕地和林地，其轉換率高達96.51%。8a內土地利用／覆被類型的空間轉換明顯，主要體現在耕地和其它用地類型之間的相互轉換。從空間上看，清鎮市“兩湖”周邊區域的土地利用類型之間相互轉化較為均勻，只有云巖區和白云區的建設地面積增加明顯，清鎮市紅楓湖周邊出現較大面積的建設用地。

表3 “兩湖一庫”地區1993－2001年土地利用／覆被變化轉移矩陣 %

由表4和附圖6可知，2001—2010年研究區旱地主要轉向水田、林地和建設用地，其轉換率達59.62%；水田則主要轉向旱地、林地和建設用地，其轉換率達67.85%；林帶主要轉向耕地和建設用地，其轉換率為29.45%；建設用地主要轉向耕地和林地，其轉換率為40.57%；水域則主要轉向耕地和林地，其轉換率為26.6%；荒草地則主要被利用為耕地和林地，利用率達94.98%。近10a間研究區域的土地利用／覆被類型除了在耕地、林地之間的相互轉換外，建設用地的急劇擴張和轉換明顯?？臻g變化主要體現在，紅楓湖周邊大量的耕地變為林地，阿哈水庫所在地花溪區出現大量林地，生態環境得到改善，主要得益于國家退耕還林政策、貴陽市環城林帶建設和飲用水源地保護等政策的實施；貴陽市城區的擴展使得白云區建設用地面積急增。

表4 “兩湖一庫”地區2001－2010年土地利用／覆被變化轉移矩陣 %

2.2 研究區域土地利用／覆被變化動態分析

由表5可知，從單一土地利用／覆被類型動態度來看，1973—1993年研究區林地的動態度最低，平均每年轉移率為0.19%；1993—2001年旱地的動態度最低，平均每年轉移率為0.04%；2001—2010年水域的動態度最低，平均每年轉移率為0.69%。土地利用／覆被類型在此時段內較其它類型的轉移量小，是較為穩定的土地利用類型。草地在1973—1993年期間動態度最高，說明該類型在該時段內最為活躍；水田在1993—2001年期間動態度最高，說明水田在此期間的變化最為強烈；建設用地在2001—2010年期間動態度最高，且動態度遠高于其它土地利用／覆被類型，體現出其在此期間的活動異常劇烈，這和貴陽市整個城市在近10a的急劇擴張有著密不可分的聯系，說明“兩湖一庫”地區也是貴陽市區擴張的一個方向。

從單一土地利用／覆被類型綜合動態度來看，“兩湖一庫”地區近40a來各土地利用／覆被類型的綜合動態度數指數都較大，表明在研究期內它們內部相互轉化劇烈，轉移幅度較大，因此整個土地利用／覆被類型空間結構變化較大。而在3個不同時段內，林地和耕地的綜合動態度值均大于其它土地利用／覆被類型。這主要是由于國家政策的貫徹實施，社會發展速度的提升，使得人類活動對其干擾程度加大。1973—1993年與1993—2001年相比，只有水域用地動態變化明顯愈加活躍于其它類型；1993—2001年與2010—2001年相比，也只有水域的動態變化趨于減弱。結合單一動態度分析，同一類型在不同時期以及同一時期不同的類的變化均不相同，表現出復雜的變化過程。

綜合對比分析3個時段的區域綜合土地利用／覆被類型動態度，除了1993—2001年的水域類型綜合動態度急增外，其它土地利用／覆被類型動態度的差異不是很明顯。表明近40a來，雖然研究區域土地利用／覆被類型內部結構變化非常復雜、頻繁，但是各類型之間相關轉換的相對活躍程度卻較為平緩。其主要原因是，由于20世紀70年代后期—80年代經濟發展剛剛起步，土地利用方式粗放，規劃性較差；90年代國家退耕還林、土地復墾等政策影響較大；新世紀以來，社會經濟發展空前迅速，在建設用地大規模擴張的同時，植樹造林等生態恢復工程也在同步實施。

表5 兩湖一庫地區3個時段土地利用／覆被動態度 %

2.3 土地利用／覆蓋變化的生態環境效應

采用生態系統的生態服務價值分析土地利用變化的生態環境效應。根據謝高地等［14－17］的研究，不同土地利用方式所具有的生態服務功能是不同的，即，水域＞林地＞耕地＞荒草地＞建設用地，參考相關學者對中國生態服務價值的計算和修正方法，對研究區域生態服務價值進行了估算（表6）。

根據表6，林地是研究區域生態服務價值的主要貢獻者，在1973—2001年呈現下降趨勢，但在2001年后的近10a內增加了近20%；耕地的生態服務功能在近40a間總體呈現下降趨勢，水域的生態服務價值呈現逐年增長趨勢?？傮w而言，在1973—1993年研究區域的生態服務價值總量僅增加了0.57%，變化很??；1993—2001年研究區域的生態服務價值總量增加了1.24%，約為是前20a的2倍；2001—2010年研究區域的生態服務價值總量增加了5.43%，變化幅度較大。“兩湖一庫”區域生態環境在近40a間總體呈現逐步優化態勢，尤其是近10a來，由于人們開始重視飲用水源地的生態環境保護，通過實施退耕還林政策，環保工程實施和涵養水源林地建設等措施使得區域生態環境狀況得到很大改善。

表6 “兩湖一庫”地區不同時期生態服務價值估算結果

3 結論

（1）近40a來，“兩湖一庫”地區水域面積從1973年的61.82km2，增加到2010年的87.82km2，最大值為2001年的93.61km2，由于近10a來的氣候變化，生態系統惡化等因素，水域面積比10a前有所減少。

（2）土地利用／覆被類型相互轉化主要發生在耕地和林地之間，其轉換率均在20%以上，建設用地總規模相對增加幅度較大，2010年面積是1973年面積的3倍，“兩湖一庫”地區已逐步納入貴陽城市發展范圍。

（3）3個時段的土地利用／覆被類型綜合動態度相對較為均勻，但是整體趨勢而言，2001—2010年期間明顯高于1973—1993年和1993—2001年這兩個時段，表明在最近10a研究區域的土地利用／覆被變化最為劇烈。

［1］ 倪紹祥.土地利用／覆被變化研究的幾個問題［J］.自然資源學報，2005，20（6）：932－937.

［2］ 劉紀遠，張增祥，徐新良，等.21世紀初中國土地利用變化的空間格局與驅動力分析［J］.地理學報，2009，64（12）：1411－1420.

［3］ 余新曉，張曉明，牛麗麗，等.黃土高原流域土地利用／覆被動態演變及驅動力分析［J］.農業工程學報，2009，25（7）：219－225.

［4］ 王鵬，吳炳方，張磊.三峽水庫建設期秭歸縣土地利用時空變化特征分析［J］.農業工程學報，2010，26（6）：302－309.

［5］ 周文佐.近10a黃河三角洲LUCC及其驅動因素分析［J］.農業工程學報，2010，26（1）：341－345.

［6］ 龔文峰，孔達，范文義，等.松花江流域哈爾濱段土地利用時空格局演變特征分析［J］.農業工程學報，2009，25（8）：249－255.

［7］ 郭宗鋒，馬友鑫，李紅梅，等.流沙河流域土地利用變化研究［J］.水土保持研究，2006，13（1）：144－147.

［8］ 周蘭萍，魏懷東，丁峰，等.1998—2005年石羊河流域土地利用／覆蓋變化及其分析［J］.水土保持通報，2009，29（1）：169－173.

［9］ 何春陽，史培軍，陳晉，等.北京地區土地利用／覆蓋變化研究［J］.地理研究，2001，20（6）：679－688.

［10］ 蒙吉軍，吳秀芹，李正國.黑河流域1988—2000年土地利用／覆被變化研究［J］.北京大學學報：自然科學版，2004，40（6）：922－929.

［11］ 張曉玲，關欣，文倩.市（縣）級土地利用變化驅動力分析：以醴陵市為例［J］.農機化研究，2007（3）：21－24.

［12］ 朱會義，李秀彬.關于區域土地利用變化指數模型方法的討論［J］.地理學報.2003，58（5）：643－650.

［13］ 王思遠，劉紀遠.中國土地利用時空特征分析［J］.地理學報，2001，56（6）：631－639.

［14］ 謝高地，肖玉，甄霖，等.我國糧食生產的生態服務價值研究［J］.中國生態農業學報，2005，13（3）：10－13.

［15］ 王飛，高建恩，邵輝，等.基于GIS的黃土高原生態系統服務價值對土地利用變化的響應及生態補償［J］.中國水土保持科學，2013，11（1）：26－31.

［16］ 蔣晶，田光進.1998—2005年北京生態服務價值對土地利用變化的響應［J］.資源科學，2010，32（7）：1407－1416.

［17］ 謝高地，甄霖，魯春霞，等.一個基于專家知識的生態系統服務價值化方法［J］.自然資源學報，2008，23（5）：911－918.