南水北調中線水源區土地利用時空變化分析

申懷飛, 田慶久, 吳國璽

(1.南京大學 中國南海研究協同創新中心,南京210023; 2.許昌學院 城鄉規劃與園林學院,河南 許昌 461000; 3.南京大學 國際地球系統科學研究所,南京210023)

?

南水北調中線水源區土地利用時空變化分析

申懷飛1,2,3, 田慶久1,3, 吳國璽2

(1.南京大學 中國南海研究協同創新中心,南京210023; 2.許昌學院 城鄉規劃與園林學院,河南 許昌 461000; 3.南京大學 國際地球系統科學研究所,南京210023)

在RS和GIS技術支持下，利用馬爾科夫轉移矩陣和土地利用動態度指數對南水北調中線水源區1990—2010年土地利用空間格局特征及其時空變化進行了分析。結果表明：1) 南水北調中線水源區土地利用類型以林地、耕地、草地為主，其中林地面積占水源區土地總面積的76.00%左右，占有絕對優勢。2) 1990—2010年水源區土地利用變化主要發生在林地、耕地、草地三者之間，耕地、草地、水域和未利用地均呈現波動變化趨勢，林地則呈現先大幅增長后趨穩定，建設用地不斷增長，且增長速度不斷加快。而這些發生變化的土地利用類型在空間上多分布于人類活動較多的低海拔、低坡度的河谷地區。3) 水源區土地利用變化綜合動態度為1.20%左右，整體上水源區土地利用變化速度不大，水源區土地利用穩定性整體上較好。

土地利用變化; 土地利用動態度; 南水北調中線工程

土地利用是自然基礎上人類活動的直接反映，是人類有目的地開發利用土地資源的一切活動[1-3]。土地利用/土地覆被變化(Land Use and Land Cover Change :LUCC)客觀記錄了人類改變地球表面特征的空間格局，因此受到國內外學者的廣泛重視。區域LUCC 問題的綜合研究已經成為全球環境變化和地球系統科學新的研究熱點和前沿課題[4-6]，利用遙感與GIS 技術研究LUCC變化,揭示其時空變化規律與驅動機制,已成為當前研究的最新趨勢。國內外專家對LUCC進行了廣泛而深入的研究:高志強、劉紀遠等利用土地利用程度指數和植被指數等指標，借助GIS和相關數學模型，對中國土地利用/土地覆被的現狀進行了分析[7]；王思遠、劉紀遠等在RS與GIS 技術的支持下，對中國1996—2000年土地利用的時空變化特征進行了定量研究[8]；王根緒等借助于1986年與2000年兩期TM遙感影像與景觀空間格局分析方法,對江河源區1986—2000年土地生態系統的空間分布變化進行了探討[9]。另外，建立LUCC模型是深入了解LUCC成因、過程,預測未來發展變化趨勢的重要手段,也是LUCC及全球變化研究的主要方法[10]。馬爾科夫鏈模型是景觀生態學家用來模擬植被動態和LUCC最普遍的模型，它是基于空間統計相關模擬的模型，免去了復雜建模和多重輸入參數的繁瑣與難以預計性，已經取得了較好的結果[11-13]。

南水北調中線工程目標旨在緩解京、津、華北地區水資源危機，同時大大改善水源區生態環境和投資環境，推動中國中部地區的經濟發展。由于工程規模巨大，必將產生巨大的社會、經濟和環境效益，其對區域環境和生態的潛在影響則非常復雜。因此，南水北調中線工程水源區土地利用時空變化的研究對水源區生態環境的保護治理以及受水區(華北平原)的用水安全有著極為重要的意義，本文以南水北調中線工程水源區(以下簡稱水源區)為研究區，選取3個時期的遙感影像，利用馬爾科夫鏈模型和土地利用動態度指數對區域土地利用變化的時空特征進行了分析，旨在為水源區生態系統調控，水資源保護與管理，確保該區域生態安全和可持續發展以及南水北調中線工程調水安全提供科學依據。

1 研究區概況

南水北調中線工程水源區，包括丹江口水庫大壩以上的整個集水區即漢江中上游流域，包括匯入丹江口水庫的漢江、丹江兩大流域，界于31°20′—34°10′N，106°—112°E。研究區內行政單元包括陜、鄂、豫、川、渝、甘6省(市)共計15個地級市、48個縣(市、區)，研究區土地總面積9.54萬km2。人口以農業人口為主，83.3%縣域的農村人口占總人口的比例超過80%；其海拔范圍從13 m到3 566 m。主要地貌單元包括流域西北方向的秦嶺南坡、東北方向的伏牛山南坡、西南方向的米倉山北坡、南部的大巴山北坡、神農架北坡及東部的南陽盆地，以及其間的盆地、低山丘陵、周邊山地。水源區的氣候屬于北亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為15～16℃，年平均降水量為800～1 000 mm。該區域山地植被垂直分異性顯著，具有明顯的亞熱帶與暖溫帶過渡性特征。水源區內土地利用類型主要有林地、草地、耕地、建設用地、水域和未利用地[14-15]。

2 研究數據及方法

2.1 研究數據及數據預處理

本研究利用主要數據包括：1990年，2002年，2010年的Landsat TM影像 (Landsat TM影像的空間分辨率30 m，因區域范圍大，無法完全統一時相。考慮到研究區域的地域特點，盡量選擇植被外貌差別較大的春、秋時相,以便于影像的識別和解譯)、1∶10萬土地利用數據和野外實測調查數據，以ArcGIS 10.0和ERDAS IMAGINE 9.2為數據處理分析平臺。根據水源區遙感影像的特征和野外實測調查數據，采用最大似然分類法，對三個時期的遙感影像進行非監督分類和監督分類相結合的分類方法(首先對影像進行非監督分類，然后結合野外實地調查數據，在非監督分類的類別中選取相對較為純凈的監督分類的訓練樣區，最后根據訓練樣區進行監督分類)，并對分類結果進行精度分析，總體分類精度84.7%，基本滿足本研究的要求。土地利用類型的劃分以中國土地資源分類系統為參考，根據水源區土地利用類型特征，將土地利用的景觀類型劃分6類：耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。

2.2 研究方法

2.2.1 馬爾科夫轉移矩陣 利用馬爾科夫模型可以描述土地利用類型轉移情況即每年各種變化的土地利用類型增加面積的來源、減少面積的去向[13]。其數學表達式一般為：

(1)

2.2.2 土地利用類型動態度指數 土地利用動態度可定量描述區域一定時段內某種土地利用類型的變化速度，顯示該區域該時段內某種土地利用類型的數量變化情況[16-17]。

單一土地利用類型動態度是研究區內某種土地利用類型在一定時間間隔內的變化速度。其計算公式可表示為：

(2)

式中：K——研究時段內某種土地利用類型動態度；Ua——研究期初某一種土地利用類型的面積；Ub——研究期末某一種土地利用類型的面積；T——研究初期與末期的時間間隔。

綜合土地利用類型動態度是描述研究區域內所有土地利用類型在一定時間間隔內的變化的速度。其計算公式可表示為：

(3)

式中：LUi——研究起始時間第i類土地類型的面積；ΔLUi-j——研究時間段第i類土地類型轉化為非i類土地類型面積的絕對值；T——研究初期與末期的時間間隔。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化統計分析

以水源區三個年份的土地利用現狀圖為基礎，對各種土地利用類型進行統計分析，得到水源區三個年份各種土地利用類型的面積及其所占的比例，分析結果見表1。

表1 1990-2010年水源區土地利用類型統計

由1990年、2002年、2010年三個年份水源區土地利用類型統計表可以看出，在水源區土地利用類型中以林地為主。其面積占水源區土地總面積的76.00%左右，在水源區中占有絕對優勢；耕地占水源區總面積的20.00%左右，在水源區中僅次于林地面積，是人類活動影響水源區的主要土地利用類型，其余4種類型合計占水源區面積的4.00%左右。耕地和建設用地主要分布在漢江、丹江水系兩岸，草地分布比較分散，未利用土地主要分布于水源區與其他流域分界處的高山地區。

由表1可知，水源區耕地、草地、水域和未利用地均呈現波動變化趨勢，其中耕地面積在1990—2010年呈現先大幅減少后小幅增加的變化過程，總體呈現減少趨勢；草地和未利用地面積均呈現先小幅度增加后大幅度減少的變化；水域面積呈現先減少后增加，總體呈現增長趨勢；林地則呈現先大幅增長后趨穩定；建設用地在1990—2010年不斷增長，而且增長速度不斷加快。

3.2 土地利用變化轉移量分析

通過土地利用轉移矩陣可以形象顯示出某一區域在一定時間段的不同土地利用類型之間在數量上的變化，是揭示研究區不同土地利用類型之間相互轉化的一種有效的表達方式[13]。據此求得水源區各時期的土地利用變化轉移矩陣(見表2，表3)，進而對水源區土地利用變化的時空特征進行分析。

表2 1990-2002年水源區土地利用類型轉移矩陣 km2

從表2，表3中可以發現水源區土地利用變化呈現出一定的動態性。1990—2002年，水源區有大量的耕地轉變為林地、草地、水域以及建設用地，致使耕地總面積下降幅度較大；由于有相當一部分的林地轉變為耕地，但轉變的絕對面積仍低于耕地轉為林地的面積，再加上大量的草地轉變為林地，因此林地面積有較大幅度的增加。由于有較大面積的水域轉變為耕地，因此水域面積有所減小。2002—2010年林地轉變為耕地的面積大于耕地轉變為林地的面積，同時林地轉變為草地的面積較多，致使林地的總面積稍有下降；由于大量草地、未利用地轉變為其他土地利用類型，而其他土地利用類型轉入草地、未利用地的面積較少，因此在2002—2010年草地和未利用地的面積均有大幅度的減少。整體上看，水源區在這兩個時期內，土地利用變化的類型主要發生在林地、耕地、草地三者之間。在此期間建設用地主要以其它土地利用類型轉入為主，面積增加明顯。1990—2002年增加39.68 km2，2002—2010年增加66.59 km2，雖然建設用地凈增長的面積相對其它土地類型較少。由于水源區地廣人稀，建設用地總面積在該區域所占比例僅為1.00%左右，因此在這兩個時間段內建設用地的增長幅度均較大，增長幅度分別為24.50%，33.10%。

表3 2002-2010年水源區土地利用類型轉移矩陣 km2

3.3 土地利用變化空間分布特征

土地利用變化空間分布圖可以直觀的展現出水源區在一定的時間間隔內土地利用類型發生變化所處的空間位置。將水源區1990年與2002年的土地利用現狀圖進行疊加，得到1990—2002年的土地利用變化空間分布圖；同時將2002年與2010年的土地利用現狀圖進行疊加運算，得到2002—2010年的土地利用類型變化空間分布圖(見附圖10)。

從圖附10中可以看到，1990—2002年水源區土地利用類型發生變化的區域大于2002—2010年土地利用類型發生變化的區域。1990—2002年水源區土地利用類型轉移主要以耕地和草地為主，轉移區域多分布在地勢較低的山谷，大多位于各土地類型的交錯地帶；水域的變化主要發生在丹江口水庫周邊，主要是因為周邊農民在水庫河灘上根據水庫水位的變化所進行農業耕作有關。2002—2010年土地利用類型轉移主要以林地轉移為主，多分布在海拔相對較低的山區。總的來說，水源區在兩個時間段內土地利用類型在時空變化上以林地、耕地和草地之間的相互轉變為主，而這些發生變化的位置均多位于人類活動頻繁的低海拔、低坡度區域以及漢江、丹江等河谷地帶，而在海拔較高的地區發生變化的土地利用類型較少。

3.4 土地利用變化動態度分析

3.4.1 單一土地利用類型動態度分析 利用單一土地利用類型動態度指數，經過計算得到三個年份水源區土地利用變化的動態度結果(見表4)。

表4 研究區單一土地利用類型動態度分析

由表4可以看出1990—2002年水源區各種土地利用類型均有所變動，其中變化幅度較大的有耕地、水域和建設用地，其中耕地的動態度為-2.19%；建設用地的動態度為2.04%；水域的動態度為-1.68%。同時可以看出在該時期內耕地和水域減少幅度較大，建設用地增加幅度最大，林地、草地和未利用地面積均有小幅度增加。2002—2010年水源區林地的動態度幾乎沒有變化僅為-0.01%；其他土地利用類型則發生了較大幅度的變化，其中草地的動態度為-9.64%，減少速度較快，水域的動態度為7.59%，未利用地的動態度為-6.95%，建設用地的動態度為4.14%，均有較大變動。與1990—2002年相比，耕地動態度由負變為正；草地動態度由0.79%變為-9.64%，變化最為劇烈；建設用地由2.04%增加到4.14%，有一定幅度的增長。從整個時間段上來看，1990—2010年耕地略有減少，動態度為-0.59%；林地略有增加，動態度為0.41%；草地和建設用地的動態度較大，分別為-3.75%，3.29%。

3.4.2 綜合土地利用類型動態度分析 利用水源區土地利用類型轉移矩陣統計數據和綜合土地利用類型動態度指數，進行計算后得到1990—2002年南水北調中線水源區綜合土地利用類型動態度為1.13%；2002—2010年水源區綜合土地利用類型動態度為1.38%。由綜合土地利用類型動態度可以看出2002—2010年的綜合土地利用類型動態度高出1990—2002年0.25%，說明隨著經濟的發展，人類活動對土地利用變化的干擾力度不斷增強。

3.5 土地利用穩定性分析

土地利用穩定性可以體現出研究區域土地利用類型變化的活躍性。本文將水源區3個年份的土地利用類型圖進行疊加得到1990—2002—2010年的綜合土地利用變化圖。然后對綜合土地利用變化圖進行分級：3個年份均未發生變化的區域為穩定區，有兩個年份發生變化的區域為過渡區，3個年份均發生變化的區域為活躍區。在以上分級的基礎上得到水源區土地利用穩定性分布圖，如圖1所示。

圖1 研究區土地利用穩定性分布

由圖1可以看出水源區土地利用的穩定區多位于漢中盆地的水田、水源區內主要河流以及河流兩岸的耕地，同時還包括人類活動較少、海拔較高的林地。過渡區域主要分布在河流與林地的中間地帶，該區域以丘陵旱地、草地為主。而活躍區主要位于居民區附近。從水源區土地利用穩定性的面積統計來看，水源區以穩定區和過渡區為主，所占水源區的比例分別為62.70%和35.10%，活躍區相對較少，所占比例僅為2.20%。因此，水源區土地利用穩定性整體上較好，這主要是水源區地廣人稀的特點造成的。

4 結論與討論

本文以遙感數據為基礎，借助RS和GIS相關技術，對1990—2010年水源區土地利用/覆被時空變化特征進行了分析可以得出以下結論：

1) 水源區林地面積占水源區土地總面積的76.00%左右，成為水源區主導土地利用類型，優勢明顯；林地呈現先大幅增長后趨穩定的變化趨勢；耕地、草地、水域和未利用地則均呈現波動變化趨勢，建設用地不斷增長，且增長速度不斷加快。

2) 水源區在1990—2010年土地利用類型變化主要發生在林地、耕地、草地三者之間。而建設用地主要以其它土地利用類型轉入為主，面積增加明顯，增長幅度較大。水源區1990—2002年土地利用類型發生變化的區域大于2002—2010年土地利用類型發生變化的區域，土地利用類型變化上以林地、耕地和草地之間相互轉變為主。而這些發生變化的土地利用類型在空間上仍然多分布于人類活動較多的低海拔、低坡度的河谷地區。

3) 1990—2010年水源區土地利用類型變化綜合動態度為1.20%左右，整體上水源區各土地利用類型變化速度不大。水源區土地利用穩定性整體上較好。

[1] 陳佑啟,楊鵬.國際上土地利用/土地覆蓋變化研究的新進展[J].經濟地理,2001,21(1):95-100.

[2] 申懷飛,吳國璽,丁圣彥.豫西黃河流域土地利用空間格局地形梯度特征分析[J].地域研究與開發,2012,31(3):159-162.

[3] 張本昀,申懷飛,鄭敬剛,等.河南省土地利用景觀格局分析[J].資源科學,2009(2):317-323.

[4] 劉紀遠,張增祥.中國近期土地利用變化的空間格局分析[J].中國科學:D輯,2002,32(12):1031-1040.

[5] Geist H J, Lambin E F. What drives tropical deforestation[R]. LUCC Report Series,2001.

[6] Turner B L, Lambin E F, Reenberg A. The emergence of land change science for global environmental change and sustainability[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,2007,104(52):20666-20671.

[7] 高志強,劉紀遠.基于遙感和GIS的中國土地利用土地覆蓋的現狀研究[J].遙感學報,1999,3(2):134-138.

[8] 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.

[9] 王根緒,丁永建,王建,等.近15年來長江黃河源區的土地覆被變化[J].地理學報,2004,59(2):163-173.

[10] 王秀蘭,包玉海.土地利用動態變化研究方法探討[J].地理科學進展,1999,18(1):81-87.

[11] Luijten J C. A systematic method for generating land use patterns using stochastic rules and basic landscape characteristics: results for a Colombian hillside watershed[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment,2003,95(2):427-441.

[12] 孫丹峰,李紅,張鳳榮.基于動態統計規則和景觀格局特征的土地利用覆被空間模擬預測[J].農業工程學報,2005,21(3):121-125.

[13] 解修平,周杰,張海龍,等.基于景觀生態和馬爾可夫過程的西安地區土地利用變化分析[J].資源科學,2006,28(6):175-181.

[14] 沈澤昊,張全發,岳超,等.南水北調中線水源區土地利用/土地覆被的空間格局[J].地理學報,2006,61(6):633-644.

[15] 申懷飛,侯剛,翟書梅,等.南水北調中線水源區土地利用/覆被變化及其驅動因素分析[J].貴州農業科學,2013,41(6):167-171.

[16] 朱會義,李秀彬,何書金,等.環渤海地區土地利用的時空變化分析[J].地理學報,2001,56(3):253-260.

[17] 吳秀芹,蔡運龍.塔里木河下游典型區景觀生態質量評價[J].干旱區資源與環境,2003,17(2):12-17.

Study on Land Use/Cover Change in the Water Supply Area of the Middle-Route of the South-to-North Water Diversion (MR-SNWD) Project

SHEN Huaifei1,2,3, TIAN Qingjiu1,3, WU Guoxi2

(1.CollaborativeInnovationCenterofSouthChinaSeaStudies,NanjingUniversity,Nanjing210023,China； 2.SchoolofUrban&RuralPlanningandLandscapeArchitecture,XuchangUniversity,Xuchang,He′nan461000,China; 3.InternationalInstituteforEarthSystemScience,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)

There was an obvious spatial difference in spatial patterns of land use/cover change in the water resource district of Middle-Route of the South-to-North Water Diversion Project. The spatial pattern of land use/cover change in the study area was quantitatively analyzed by using RS and GIS. The results showed that: 1) the land use types were mainly forestland, agricultural land and grassland, indicating that the matrix of landscape is forest; 2) the land use change mainly occurred in forestland, cultivated land, and grassland, the forestland had showed the first increasing and then the stability, the areas of construction land increased drastically, and the growth rate accelerated, land use changes mainly occurred in the gully regions with low altitude and gentle slope where human activity was active; 3) the land use dynamic degree was about 1.20%, the overall changes of land use were slight, and the structure of land was more stable.

land use/cover change; land use dynamic degree; Middle-Route of the South-to-North Water Diversion Project

2014-05-29

2014-07-15

河南省政府決策研究招標課題(2013B299);許昌學院優秀青年骨干教師項目; 許昌學院校級科研重點項目(2015107)；許昌市科技攻關計劃項目(140203026)

申懷飛(1979—),男,河南淅川人,講師,博士研究生,主要從事景觀格局與生態過程研究。E-mail:hfshen329@163.com

田慶久(1964—),男,山東濟寧人,教授,博士,博士生導師,主要從事高光譜遙感與遙感信息定量化研究。E-mail:tianqj@nju.edu.cn

TV697.4+

A 文章編號：1005-3409(2015)02-0204-05