烏裕爾河流域土地利用變化及驅動力分析

郭 敏，方海燕，李致穎(.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室，北京000；2. 中國科學院大學，北京00049)

土地利用變化通過改變地表徑流以及土壤水分對人類和自然環境有著深遠的影響。隨著人類活動范圍的擴大和程度的加劇，土地利用變化對流域內水文循環過程、土壤侵蝕以及生物多樣性的影響十分顯著，不合理的土地利用則可能威脅到流域的生態環境安全，因而成為區域土地利用研究的熱點問題之一[1]。東北黑土區是世界三大黑土區之一，黑土土壤肥力高、理化性狀好，黑土區為我國重要的商品糧生產基地[2,3]。然而改革開放以來，人口的增加增加了糧食需求，盲目開發使當地原有的森林、草甸和沼澤等天然植被遭到嚴重破壞[4]，許多流域土地利用發生劇烈的變化，坡耕地土壤侵蝕面積越來越大，嚴重影響我國的糧食安全和當地社會經濟的可持續發展[5-7]。而研究土地資源的變化趨勢與驅動機制，對我國黑土區土地資源的可持續發展具有重大的意義。

目前，許多學者已經對黑土區土地利用變化進行了分析探討。李曉燕等人分析了東北黑土區1986-2000年耕地資源的變化特征與空間格局及其驅動因素[8]。劉彥隨等人通過東北1990-2000年土地利用轉換的時空特征及生態效應，揭示了水田與旱地轉換的成因及驅動機制[9]。謝葉偉等人則以海倫市為研究對象，分析了20年來該區土地利用空間格局與變化[10]。一些學者還對土地利用變化的影響進行了研究。崔海山等人利用吉林省松原市土地利用變化特征，分析了松原市土地利用變化對土地沙化的影響[11]。岳書平等人根據中國東北樣帶不同土地利用組合類型，選取典型市、縣區，分析了近 30 年來不同類型區土地利用變化對生態系統服務價值的影響[12]。孫麗娜和宋戈則分析了18年來松嫩高平原黑土區巴彥縣土地利用變化對景觀生態風險的影響[13]。

以上表明，黑土區土地利用研究多從區域的角度[10-13]，但從流域的角度研究不足，而流域是水循環的基本單元。本文利用烏裕爾河流域1985、1995、2000年的土地利用TM遙感數據，從土地利用轉移方向和變化速度方面，采用單一、綜合土地利用動態度和土地利用轉移矩陣等指標，利用 ArcGIS分析流域土地利用變化規律，探討土地利用變化的影響方向和速度，揭示流域土地利用變化的驅動機制。

1 研究區概況及數據資料

1.1 研究區概況

烏裕爾河屬嫩江水系一級支流，是黑龍江省唯一的一條內陸河。河流流經富裕縣之后，尾閭逐漸消失在齊齊哈爾以東、林甸縣西北煙筒屯的大片葦甸、濕地之中，形成廣闊的沼澤地。烏裕爾河依安水文站控制流域面積為8 224 km2，行政區劃涉及北安市、依安市、克東縣、克山縣、德都縣和拜泉縣等。流域地勢東北高，西南低，水系順應地勢自東北流向西南，流域內丘陵漫崗起伏，坡度較緩。流域屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季氣候變化明顯，多年平均氣溫2.1 ℃，多年平均降水量為496.7 mm。烏裕爾河年徑流量雖呈現逐年減少的趨勢，但由于人類活動強度的增加以及對植被的破壞，泥沙量和徑流含沙量總體上呈現逐年增加的趨勢[14]。流域內土壤侵蝕嚴重，1986年土壤侵蝕遙感調查顯示，土壤侵蝕面積占流域總面積的63.7%，而其中耕地侵蝕面積占耕地總面積的74.2%[15]。

1.2 數據來源與處理

本文1985、1995和2000年土地利用數據來自于“中國科學院地理科學與資源研究所數據中心”的 TM遙感解譯數據(比例尺為1∶10萬；圖1)；數據內容包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6個一級類型和17個二級類型。在ArcGIS中對土地利用類型進行重分類，讀取各種土地利用類型的面積，并通過不同時期數據疊置分析輸出轉移屬性表，采用Excel 數據透視表生成轉移矩陣二維表，獲得土地利用類型轉移矩陣，最終對比分析不同類型土地的轉移數量和方向。

圖1 1985、1995和2000年烏裕爾河流域土地利用特征Fig.1 The characteritics of spatial distribution of land uses in Wuyuer River Basin from1985 to 2000

2 研究方法

基于以上3期土地利用數據，本文選取土地利用轉移矩陣和動態度2種方法研究烏裕爾河流域土地利用時空變化特征。

2.1 土地利用轉移方向——土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣能夠反映土地利用類型轉化的數量、方向及土地利用變化結構，可揭示土地利用格局時空演化特征。轉移矩陣中每一個行列元素的值可通過實際數值計算得到，通過把不同時期土地利用圖做疊加分析，獲取不同時期土地利用類型、轉化面積和數量，其數學表達式為[16]：

(1)

式中：Sn為各土地利用類型面積；Sij為研究期內第i類土地利用類型轉化為第j類土地利用類型的面積。

2.2 土地利用變化速度——土地利用類型動態度

土地利用動態度能夠用來分析土地利用類型面積變化幅度、變化速率及差異等，進而反映土地利用變化的劇烈程度，可從單一和區域土地利用類型動態度兩方面來分析[17]。

單一土地利用類型動態度反映一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，表達式為：

(2)

式中：K為研究時段內某一土地利用類型的動態度；Ua、Ub分別為研究初期和研究末期某種土地利用類型的數量；T為研究時段，當T的時段設定為年時，K值即為某種土地利用類型的年變化率。

綜合土地利用動態度能夠反映研究區內土地利用動態的總體狀況及其差異，表達式為：

(3)

式中：LC為綜合土地利用動態度；LUi為研究初期第i類土地利用類型的面積；ΔLUi-j為研究時段內第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為研究時段；n為土地利用類型的數量；當T設定為年時，LC的值就是研究區綜合土地利用年變化率。

3 結果與分析

3.1 不同時期土地利用類型構成

烏裕爾河流域1985、1995和2000年土地利用類型面積有著相似的特點(見表1)，流域內主要有耕地，林地，草地，水域，建設用地和沼澤地6種土地利用類型，耕地、沼澤地和林地是土地利用的主要類型。3個時期流域內耕地、林地和沼澤地面積之和分別占流域總土地面積的90.57%、91.89%和91.45%。耕地為各時期主要的土地利用類型，3個時期耕地的平均面積和比例分別達到5 829.15 km2和68.31%；沼澤地主要分布在河道附近，所占比例為12%；林地面積也較多，主要分布在東北及西北部，占總面積的11.15%，三者面積之和高達91.46%。草地、水域和建設用地分別平均占流域總面積的為4.45%、0.75%和3.97%，其中水域以水庫居多，建設用地以農村居民點為主。

表1 1985-2000年烏裕爾河流域土地利用類型面積特征Tab.1 The areas of land uses in Wuyuer River Basin from1985 to 2000

3.2 土地利用面積變化特征

3個時期不同土地利用變化不大，但仍顯示出不同程度的變化。1985、1995和2000年耕地面積所占比例呈現上升趨勢；林地面積所占比例下降較為顯著；沼澤地面積也有下降趨勢。1985-2000年期間，林地、草地、水域及沼澤地面積都有一定程度的減少，林地減少了234.75 km2；草地減少81.01 km2，水域減少 0.34 km2，沼澤地減少46.07 km2。相比之下，16 年間農村建設用地面積由原來的338.35 km2增加到了344.30 km2。不同時期土地利用面積變化見表2，2000年耕地和建設用地分別比1985年增加了6.29%和1.76%；而林地和草地分別比1985年減少了21.09%和19.89%，尤其是草地面積在1985-1995年減少了27.57%，1995-2000年又有所增加，但仍呈下降趨勢；水域面積1985-1995年減少了12.94%，1995-2000年增加了14.29%，面積基本保持不變；沼澤地面積在1985-1995年增加了4.72%，而1995-2000年減少了8.79%，但整體仍呈減少趨勢。

表2 烏裕爾河流域不同土地利用類型面積變化率 %Tab.2 The changing rate of different land use types in Wuyuer River Basin

3.3 土地利用轉移特征

1985-1995年烏裕爾河流域土地利用轉移矩陣及轉移分布圖(表3，圖2)表明，耕地面積增加，草地面積銳減，轉換的草地面積中有76.5%轉換成耕地。增加的耕地主要源于林地、草地及沼澤地，特別是草地向耕地轉化數量較大。盡管耕地面積增加，仍有耕地轉化為其他土地利用類型，流失的耕地中主要轉化為林地、草地和沼澤地，但源于林地和沼澤地的面積與耕地轉化為林地和沼澤地的面積相差不大，1985-1995年變化的耕地面積有45%是從草地轉化而來。減少的林地主要轉化為草地和沼澤地，以沼澤地為主。1985-1995年水域也大量減少，一部分水域轉換為耕地，很大部分轉換成沼澤地，水體沼澤化現象顯著。

表3 1985-1995年烏裕爾河流域土地利用類型轉移矩陣Tab.3 Transition matrix of the land use types in Wuyuer River Basin from 1985 to 1995

注:表3中行表示1985年某種土地利用類型轉換成1995年其他土地利用類型的面積;列表示1995年某種土地利用類型的來源及其面積。

與1985-1995年相比，1995-2000年間烏裕爾河流域土地利用轉化有所不同(表4，圖2)。林地和沼澤地大面積減少，且都轉化為耕地，增加的耕地面積中有84.32%是從林地和沼澤地轉化而來的，轉換的沼澤地面積有78.1% 轉換成耕地。特別是林地，林地轉化為耕地的面積是耕地轉換為林地面積的10.78 倍，是該期林地面積大幅減少的直接原因。該時期草地面積逐漸增多，耕地和沼澤地轉換為草地的面積是草地轉化為耕地和沼澤地面積的1.66倍。此外，有11.7 km2的沼澤地轉換成水域，使得1995-2000年水域面積增多，而建設用地面積幾乎沒有發生變化。

表4 1995-2000年烏裕爾河流域土地利用類型轉移矩陣 km2Tab.4 Transition matrix of the land uses types in Wuyuer River Basin from 1995 to 2000

注:表4中行表示1995年某種土地利用類型轉換成2000年其他土地利用類型的面積;列表示2000年某種土地利用類型的來源及其面積。

圖2 不同時期土地利用轉移分布圖Fig.2 The spatial distribution of land use changes in different periods

兩個研究時段土地利用間隔年限不同，單純面積變化不足以說明土地利用變化的速度。流域土地利用類型動態度圖(圖3)表明，1995-2000年6年間土地利用變化速度快于1985-1995年11年間的土地利用變化速度；在1985-2000年6年間，林地和草地變化速度非常快，耕地和沼澤地變化速度也較快，而其他土地利用類型變化速度緩慢。1985-1995和1995-2000年間流域土地利用綜合動態度分別為0.34%和 0.35%，不同時期土地利用變化速度相差較小。不同土地利用類型中耕地面積持續增長，1985-1995年11年間，耕地面積增加比例為2.36%，年均增加速度為0.21%；而1995-2000年6年間增加比例為3.84%，年均增加速度為0.64%，增加速度超過該地的綜合土地利用動態度，耕地增加速度不斷增大。在不同土地利用類型中，林地面積持續減少，1985-1995年間林地的減少速度為6.19%，年均減少速度為0.56%；而1995-2000年，林地的減少速度增加到15.89%，年均減少速度為2.65%，減少速度越來越快，兩個時期的林地土地利用動態度均大于綜合土地利用動態度。與其他土地利用類型不同，草地和水域面積在1985-1995年間大幅度減少，減少比例分別為 27.57%、12.94%，年均減少速度為2.51%和1.18%；而在1995-2000年，兩者面積都相繼增加，增加比例為10.61%與14.29%，年均增長速度分別為1.77%和2.38%。不同時期內建設用地土地利用變化速度都小于該流域的綜合土地利用動態度，雖然1995-2000年面積有所減少，但仍呈增加趨勢，總體來說變化不大。1985-1995年出現水體沼澤化、林地沼澤化和草地沼澤化現象，沼澤地面積增多；但1995-2000年大面積沼澤地轉化為耕地，使得沼澤地面積大量減少，且減少速度越來越快。

圖3 不同時期烏裕爾河流域土地利用類型動態度Fig.3 The rate of land-use change at various stages in Wuyuer River Basin

3.4 土地利用變化驅動力分析

土地利用覆被變化是自然因素和人文因素綜合作用的結果。人口增加、經濟增長、區域發展政策的變化等人為因素疊加在自然差異之上是烏裕爾河流域土地利用變化及區域差異產生的主要原因[14]。

(1)自然因素。自然因素包括氣候、地形、地質地貌和土壤等。自然環境是區域內土地利用覆被變化的物質基礎和客觀條件，其變化過程緩慢，因此在宏觀上決定了該地土地資源條件和土地利用的空間格局。該流域地形較為平坦，黑土土壤團粒結構好，植物營養元素含量高，交換量大，蓄水量大，pH值適中，土壤性狀好[15]，適合耕作，流域土地利用以農耕地為主；草地零星分布在耕地之中；流域內西北處地勢較高，林地居多；而河道兩岸以沼澤地為主。

(2)政策及人口因素。短期內流域自然因素很難發生顯著變化，土地政策的變化及人口增加引起的下墊面環境變化是土地利用變化的主要原因[18]。該流域農村居民用地占建設用地的很大一部分，經濟發展以農業為主。1978年黨的十一屆三中全會以來，普遍推行以“家庭聯產承包責任制”為主要形式的多層次、多樣化的農村所有制結構，使得農戶在屬于自己的土地上有了經營自主權，一些林地或草地被開墾為耕地。20世紀90年代初，計劃經濟轉向市場經濟，逐步完善的統分結合雙層經營體制進一步加快了農業資源的開發力度。以研究區內北安、克山和克東三縣的人口發展為例，3個縣的人口數量增加迅速(圖4)，1985-1999年僅14 a時間里，人口分別增加了4.5%、2.6%和5.3%。人口增加致使開發大量土地資源，使許多林草地和沼澤地轉化為耕地(表1和表2)。此外，20世紀80年代中期以來，糧食價格受國家政策的保護，開荒種地經濟效益好，區內耕地面積連年增加。1985-1995年大面積森林轉化為沼澤。森林沼澤化過程往往是由森林的自然演替、采伐和火燒后形成的，然而在一般情況下，森林是不易發育成沼澤，只有在森林采伐跡地或火燒跡地才能看到沼澤化現象[19]；1985-1995年草甸植被逐漸為沼澤植被所代替，草甸轉化為沼澤與人類活動密不可分。1995-2000年大面積沼澤開墾為耕地，打破原有的生態平衡，原本脆弱的生態環境進一步惡化，區域土地退化、水土流失等問題越發嚴重[15]。

圖4 1985 - 2000年烏裕爾河流域北安、克山和克東三縣人口變化情況Fig.4 Population changes of the Beian, Keshan and Kedong counties in Wuyuer River Basin during 1985-2000

4 結 語

本文借助地理信息系統空間分析，從土地利用轉移方向和變化速度方面分析了土地利用變化對人類活動響應速度和轉移方向的空間差異性，得出了以下結論。

(1)土地利用類型變化轉換特征。烏裕爾河流域耕地面積占絕對優勢，多年平均比例達68.31%，耕地面積不斷擴大且速度越來越快。耕地占用是該流域林地、草地與沼澤地流失的重要原因。20世紀80年代草地面積急劇減少，變化的耕地面積有45%是從草地轉化而來；90年代以后草地面積有所增加。沼澤地在80年代有所增加，一部分林地和草地轉換為沼澤地；90年代數量明顯下降，轉換為耕地；大面積林地轉換成耕地，林地轉化為耕地的面積是耕地轉換為林地面積的10.78倍。

(2)土地利用類型變化速度。烏裕爾河流域1995-2000相對劇烈。1985-2000年16年間，林地和草地變化速度較快，耕地和沼澤地變化速度也較明顯，而其他土地利用類型變化速度緩慢。耕地增加速度和林地減少的速度，1985-1995年耕地和林地的年均變化速度分別為0.21%、-0.56%，而1995-2000年年均變化速度為0.64%、-2.65%，變化速度越來越快。

(3)土地利用類型變化驅動力因素。自然因素宏觀上決定了流域的土地利用空間格局，土地利用變化主要受人類活動的影響。政策變化伴隨農業人口的增多，耕地需求越來越大，大面積毀林、毀草、開荒，土地利用類型變化速度加快。今后經濟發展中需加強對現有林地的保護，減少耕地的開發速度；而以流域為單元對資源開發和濕地保護很可能是防止水土流失和達到農業可持續發展的重要途徑。

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