石漠化地區現代煙草農業基地單元工程配置對土地利用的影響

王瑾　周忠發　胡九超　賈龍浩

摘要：為研究人為干預下工程建設對土地利用類型變化的影響，在RS、GIS技術的支持下，以2008年AlOS影像及2011年環境衛星影像為數據源，提取現代煙草農業基地單元土地利用變化信息，以土地利用轉移矩陣為基礎，構建了土地利用凈變化量、交換變化量、總變化量的計算方法。通過定量分析可知，研究區灌木林地具有最大的總變化量；有林地凈變化量大于交換量；水田、旱地、草地的交換變化量相對較大；湖泊新增量與流失量相等；居民用地、煙田以凈變化為主，與新增量幾乎相等。人為干預、宏觀政策對土地利用的影響較為顯著，因此，科學合理規劃流域建設及管理才能優化土地利用結構。

關鍵詞：石漠化；土地利用變化；轉移矩陣；現代煙草農業基地

中圖分類號： S157文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0381-03

收稿日期：2014-01-27

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃（編號：2012CB723202）；貴州省國際科技合作計劃（編號：黔科合外G字[2012]7022號）；貴州省科技計劃（編號：黔科合GY字[2013]3062）。

作者簡介：王瑾（1990—），女，新疆哈密人，碩士研究生，從事地理信息系統與遙感研究。E-mail：411372381@qq.com。

通信作者：周忠發，教授，博士生導師，從事地理信息系統與遙感研究。E-mail：fa6897@163.com。土地是人類賴以生存與發展的基礎，土地利用變化是巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈相互影響的結果。中國南方地表石灰巖大量出露，形成了不同類型的地貌景觀格局。貴州省是中國南方喀斯特分布的中心，全省喀斯特地貌面積約13萬km2，占全省總面積的73.79%[1]，喀斯特構成了整個自然景觀中最醒目的主體[2]。在自然因素、人為作用的相互影響下，人地矛盾日益尖銳，成為社會經濟發展的重大阻礙。研究表明，土地利用變化、覆被變化是導致喀斯特山區石漠化的直接因素[3-5]。土地利用變化是一個復雜過程，在空間上呈現出不同土地類型的變化，在時間上服從于人類利用土地方式的改變速度，兩者都涉及變化的內容、幅度問題。遙感技術具有高技術性、新信息源、動態變化等特點，是獲取空間信息、時間序列信息的重要手段。現代煙草農業基地單元的建設工程與石漠化綜合治理的若干工程措施不謀而合。本研究利用遙感手段，根據基地單元土地利用類型變化的參數，分析研究區在人為干預下土地利用空間變化過程，旨在為研究人為干預下工程建設對土地利用類型變化的影響提供依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

以貴州省清鎮市流長鄉現代煙草農業基地單元為研究區域，主要研究馬場片區、流長片區、犁倭片區。該研究區位于106°07′00″～106°20′30″E、26°30′00″～26°45′30″N，總面積為 300 km2，研究區為喀斯特高原地貌，地層主要以三疊系下統茅草鋪組為主，灰巖與白云巖大量出露，區內受烏江支流三岔河切割的影響，導致地貌組合形態以峰叢洼地、谷地為主，落水洞與地下暗河發育；土壤以黃沙壤、黃壤為主，pH值為 5.5～6.5，呈微酸性，有機質含量豐富；屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫14 ℃，年平均降水量1 150.4 mm。研究區總人口85 441人，耕地總面積9 072.1 hm2。煙草是研究區主要的經濟作物，2011年當地政府投入大量資金進行煙水配套工程、大型密集烤房等項目建設。

1.2數據來源

研究采用2個不同拍攝參數、時期的遙感影像，分別是2008年ALOS及2011年編號為HJ-1-B-CCD2-10-84-20110528的影像（表1）。利用3S技術對流長鄉國家現代煙草基地單元的土地利用現狀與變化進行分析研究。首先在1 ∶10 000的流長鄉國家現代煙草農業基地單元地形圖上選取20個具有典型特征的地面控制點（GCP）對2008年、2011年的遙感影像進行幾何精校正（誤差控制在0.5個像元以內），然后以校正過的2期影像為基準（圖1）。運用ArcGis 10、ENVI 4.8、ERDAS軟件分別對2008年、2011年的數據進行配準，考慮到季節因素，2期影像的拍攝時間大致選擇在同一時期。參照《土地利用現狀分類》國家標準，結合近年來土地利用變化特征及野外考察結果，將研究區域各類用地分為水田、旱地、有林地、灌木林、湖泊、草地、煙田、居民用地等8類用地。采用目視判讀方法，建立解譯訓練區，制作土地利用圖，再進一步根據野外驗證數據進行修正[6]（圖2）。

1.3研究方法

1.3.1土地利用類型轉移矩陣土地利用轉移矩陣來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述[7]，較全面刻畫了區域內不同時間段土地類型、結構、特征的變化，其數學形式為[8]：表1ALOS與HJ-1系統星參數比較

式中：s代表面積；n代表土地利用的類型數；i、j分別代表研究初期與末期的土地利用類型。土地利用轉移矩陣可全面反映區域土地利用變化的數量結構特征與各用地類型變化的方向，因而在土地利用變化和模擬分析中具有重要意義。目前對土地利用轉移矩陣的應用主要集中在直接分析土地利用類型面積的變化上，其中又以各土地利用類型面積的凈變化分析為主[9]。

1.3.2土地利用類型凈變化、交換變化 凈變化量表示t1至t2時期內各地類面積變化，計算公式如下[10]：

Cj=max（Pj+-pjj，p+j-pjj）-min（pj+-pjj，p+j-pjj=|p+j-pj+|。（2）

式中：Pi+表示t1時間j地類的總面積百分比。Pjj表示t1至t2時間內土地類型保持不變的百分比；p+j表示t2時間j種土地利用類型的總面積百分比；其中流失量（Pj+-Pjj）、新增量（p+j-pjj）可直接從矩陣中獲得，可同時從矩陣中獲取凈變化量、交換變化量、總變化量等統計量。當某一地類Cj=0時，并不一定說明無變化，可能該地類在某些地區流失土地，同時在另一區域可能獲得新增量。因此，要真實反映土地利用變化情況，就需要通過定量、定位空間分析方法，揭示凈變化量所隱含的信息，通過利用交換變化量（swap）來表示t1至t2期間各地類在位置上的變化，其表達式為：endprint

Sj=2min（Pj+-pjj，p+j-pjj）。（3）

式中：Sj表示地類j的交換變換量，交換變化量就是定量分析一個地類在一個地方轉換為其他地類，同時在另外的地方又有其他地類轉換為該地類的方法。總變化量（total change）（TCj）由土地利用凈變化量（Cj）與交換變化量（Sj）共同構成，計算公式如下：

TCj=Cj+Sj。（4）

整個區域土地利用景觀的總新增量與總減少量是相等的，整個區域土地利用景觀的總交換量、總凈變化量分別是各土地利用類型交換量與凈變化量之和的一半[11]。

2土地利用變化分析

2.1土地利用轉移矩陣

借助于地理信息系統軟件ArcGIS 10.0的相交功能對土地利用圖進行疊置分析，獲取了土地利用的轉移矩陣（表2）。根據表2計算出2008年、2011年各地類的變化情況（表3）。

從表3可以看出，研究區在2008—2011年灌木林地總變化量最大，占土地總面積的44.52%，其次是旱地、有林地、水田、草地，分別占31.21%、28.59%、19.72%、16.74%；煙田、湖泊、居民用地總變化量相對較小，分別占3.56%、0.74%、0.5%。此外各地類的變化構成也不相同，其中灌木林地、旱地、草地主導了交換變化，有林地、水田的主導變化為凈變化。其中灌木林地具有最大的總變化量，交換變化量為40.78%，但是其凈變化量只有3.74%，交換變化量幾乎等于總變化量，這表明灌木林地的變化主要表現出強烈的空間位置轉移。有林地不同于灌木林地，其總變化量為28.59%，但其凈變化量達17.09%，凈變化量大于交換量，表明有林地的變化主要表現為數量的增加。水田、旱地、草地的變化一方面表現為流失量的增加，另一方面也表現為一定數量的交換變化。湖泊總變化量與交換變化量都為0.74%，并且新增量與流失量相等，說明湖泊只是發生了空間位置的轉移。居民用地、煙田以凈變化為主，凈變化量與新增量幾乎相等，說明居民用地、煙田主要表現為數量的增多。

2.2工程配置下土地利用變化分析

現代煙草農業基地單元建設工程包含基本煙田土地整理、育苗大棚建設、煙水配套工程建設、機耕道建設等工程措施，也包括育苗、種植、采收、烘烤、收購等煙草生產產業化流程（表4）。

研究區在工程配置下土地利用類型轉化主要有以下特點：2008—2011年土地轉移總面積占研究區土地總面積的72.79%，說明研究區各地類的轉移明顯增加。貴州省土地資源具有類型復雜多樣、分布錯綜、山地多、坡度大等特點，土地資源較少，且難利用土地比重大，存在坡度大、土層薄、裸巖多、酸度大、土中礫石多、質地不良等問題。2008—2011年，灌木林地面積不斷減少，煙田轉出面積很少。基地單元內流長鄉、犁倭鄉氣候適宜、日照充足、雨量充沛、土地資源豐富，宜種煙土地 5 400 hm2，均為煙草種植適宜區、最適宜區，相應的煙田面積不斷增加。近幾年來，煙草種植規模逐年遞增，種植面積從2006年的746.5 hm2增加到2010年的 1 127.1 hm2，2011年種植面積達3 158.3 hm2，農民年平均收入也從5 000元增長為4萬元，因而人們越來越偏向于種植經濟類作物。旱地是研究區總量變化較大的土地類型，總面積逐年減少。2009年以后，為推進現代煙草農業的基礎設施建設，投入煙水配套工程覆蓋基本煙田面積2 552.2 hm2，占規劃基本煙田面積的76.56%，包括蓄水（引水）工程4個、提灌工程2個、自建小水池454口等；建設10 km，覆蓋基本煙田320 hm2的機耕道。2008—2011年土地利用類型發生了不同程度的轉變，因此，自然因素、工程建設以及產業結構調整占主要因素。

3結論與討論

在GIS技術平臺上，將不同時期的土地利用進行疊置分

析，運用各種模型，計算土地利用變化動態度及轉移矩陣的相關指標，可有效研究土地利用變化規律，結果表明，研究區以煙田、水田、旱地、有林地、灌木林地為主，其他居民用地、草地、湖泊比重較小，這種特征決定了該流域以農牧業為主。同時各種土地利用種類變化趨勢不同。貴州省土地類型復雜多樣，灌木林地、有林地面積不斷減少。農業結構調整，導致一些農業用地向具有更高經濟產出的農業用地轉換。煙水配套工程、機耕道、烤房群等配套工程建設導致更多耕地轉為工程建筑用地。復雜的自然條件是制約土地利用水平和結構的重要因素，人為干預、宏觀政策對土地利用的影響較為顯著。因此，科學合理規劃流域建設和管理，才能優化土地利用結構。

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