淮河流域土地利用時空格局動態及其植被覆蓋變化分析

嚴登明，翁白莎，于志磊，王俊峰，曹 引(.東華大學 環境科學與工程學院 國家環境保護紡織污染防治工程技術中心, 上海 060;.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京 00038)

0 引 言

在眾多生態環境變化的問題中，土地利用/土地覆蓋變化研究顯得尤為重要[1-3]。長期以來，國內外相關學者對土地利用/土地覆蓋變化從不同角度進行了研究。IGBPII指出土地變化科學中，土地利用/土地覆蓋變化在生態系統功能和服務中具有重要的戰略地位，是認識人類-陸地-環境系統的關鍵[4]；于興修等[5]就中國的土地利用/覆被變化的現狀及存在問題進行了充分的闡述；邵景安等[6]對引起土地利用變化的驅動因子及驅動力進行了明確分析；許月卿、李鵬杰等[7,8]從流域尺度上，對土地利用/覆被變化進行了研究。王秀蘭、張靖等[9]對研究土地利用/覆被變化的相關方法進行了整理分析。目前，利用植被指數對土地利用進行評價的研究很少，因此，本文基于土地利用數據，應用ArcGIS平臺，結合傳統研究方法對淮河流域土地利用時空動態進行分析，提取歸一化植被指數，進一步轉為植被覆蓋度，利用對應的植被覆蓋度對其進行評價分析，旨在辨識淮河流域土地利用的新情勢，為更合理地調整淮河土地利用結構、提高土地利用效率和改善生態環境提供參考。

1 研究區概況

研究區淮河流域涉及安徽、河南、江蘇、山東、湖北五個省，于三江營匯入長江。其地理坐標為111°56′E～109°15′E、30°57′N ～ 37°50′N，地處我國南北氣候的交界區，屬于氣候過渡地帶，北部地區為暖溫帶，南部地區為北亞熱帶。該流域面積約33萬km2，地形地貌主要以山丘和平原為主。參考我國國土資源局頒布執行的《土地利用現狀分類》標準，結合該流域當地的實際情況，將研究區內的土地分為耕地、林地、草地、水域、居民及城鄉建設用(簡稱居工地)、裸地(即未利用土地)6個一級類。

2 數據及研究方法

2.1 數據來源

以2000年、2005年以及2013年3期1∶10萬土地利用數據以及對應的3期MODIS遙感影像數據、淮河流域相關的矢量文件(源自國家基礎地理信息網基礎數據)為主要備用數據。輔助數據包括淮河流域的DEM、行政區劃等其他國家基礎地理數據等。

2.2 研究方法

本研究利用土地利用動態度[1](單一動態度、綜合動態度)以及轉移矩陣分析研究淮河流域內土地利用時空格局動態變化，通過定量描述區域土地利用動態變化速率，把握土地利用變化的趨勢。

(1)單一土地利用類型動態度[1]。

(1)

式中：Ki為該研究區某種土地利用類型年動態變化率；Ua和Ub分別代表研究期初和期末某種類型土地數量；T為研究時間段。當T的時段設定為年時，Ki值為該研究區某種土地利用類型年動態變化率。

(2)綜合土地利用動態。

(2)

式中：LC為研究區內綜合土地利用動態度；LUi為監測起始時間第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監測時段內第i類土地利用類型轉為非j類土地利用類型面積的絕對值；T為監測時段長度。當T的時段設定為年時，LC值為該研究區土地利用年動態變化率。

(3)轉移矩陣。土地利用轉移矩陣是表征土地利用類型之間在一定時段內相互轉移的一種有效的工具，從而總體上把握土地利用的轉移態勢。在ArcGIS10.0平臺下，對2000年、2005年以及2013年3期的土地利用數據兩兩進行疊加分析，對所得的相關數據進行統計分析，分別獲得2000-2005年以及2005-2013年的土地利用類型轉移矩陣，以分析該流域土地利用時空格局動態。

(4)基于MODIS遙感影像，通過GIS平臺提取該流域對應年份植被長勢最好時(8月份)的歸一化植被指數(NDVI)及植被覆蓋度，將其與土地利用疊加分析，通過植被覆蓋度大小對土地利用的合理化進行評價分析。

NDVI是反映土地覆蓋植被生長狀態的一種遙感指標，限定在[-1,1]范圍內，在有植被的地方NDVI>0，且隨植被覆蓋度的增大而增大。計算公式如下：

(3)

式中：NIR為位于近紅外波段的遙感通道所得到的反射率；VIS為位于可見光波段的通道得到的反射率。

植被覆蓋度(Fc)[10]指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積之比，即植土比。

(4)

式中：NDVImax為研究區內的NDVI最大值；NDVImin為研究區內NDVI的最小值。

(5)

式中：Fcl是植被覆蓋度等級。

上述公式把NDVI整體歸一到區間0～255之間，根據表1像元灰度值分段將0～255之間的NDVI像元灰度值分級[10]。

表1 像元灰度值與植被覆蓋等級對應分布表Tab.1 The corresponding distribution table of gray-scale value and vegetation coverage

3 結果分析

3.1 淮河流域土地利用空間演變

淮河流域內各土地利用類型在數量組成及空間構成上存在顯著分異特征。3期土地利用中，從數量上(如圖1)，主要以耕地(旱地和水田)與居工地為主，其面積之和所占比例均達到82%以上。林地、草地和水域分布地面積相對較少，對應百分比依次為7%、3%和4%左右，整體植被覆蓋相對較低；裸地，即未利用土地面積極少，占比均在0.2%及以下。

圖1 淮河流域各土地利用類型面積分布圖Fig.1 Land-use area distribution map of the Huai River Basin

從空間上(如圖2)，各土地利用類型同樣呈現出明顯的地帶性分布。淮河流域內耕地分為旱地與水田兩大類，大致以淮河為分界線，淮河以北是旱地，淮河以南為水田；另外，在山東省、江蘇省和安徽省的交界處有一定面積的水田分布。草地主要分布在淮河流域東北部(山東境內)地區；而林地則相對集中分布在流域東南邊界處。居工地相對均勻散布在整個流域內，呈增加趨勢；且相對流域內部地區，沿海地區居民及城鄉建設用地的密度較大。水域分布相對集中于東南地區。

圖2 淮河流域土地利用現狀空間分布圖Fig.2 Land-use spatial distribution map of the Huai River Basin

3.2 淮河流域土地利用時間演變

從年變化(如圖3)上，13年(2000-2013)間，淮河流域土地利用類型整體上的變化為：水田、水域和居工地面積增加，其中水田增加面積約2 190 km2，水域約增加約2 271 km2，居工地增加約11 106 km2；旱地、林地、草地及裸地減少，耕地減少約9 417 km2，草地減少4 577 km2，裸地減少285 km2；增加與減少的土地利用面積基本上保持一致。

圖3 淮河流域2000-2013年土地利用面積變化圖Fig.3 Area Change of land-use of the Huai River Basin in 2000 to 2013

2000-2005年，水田增加-旱地增加-林地增加-草地減少-水域減少-居工地減少-裸地減少，且水田、旱地、草地和居工地變幅較大。而2005-2013年，各土地利用類型變動起伏顯著，變化趨勢為：水田減少、旱地減少、林地減少、草地減少、水域增加、居工地增加、裸地減少。

依據土地利用動態度(如表2)，分析淮河流域土地利用時間演變規律。從單一土地利用動態角度，2000-2005年中，草地、居工地以及裸地的動態度小于0，說明該土地利用類型面積減少，年減少率分別為4.94%、1.34%、0.97%；耕地(水田和旱地)、林地以及水域的動態度大于0，說明各土地利用類型面積總量增加，年增長率分別為1.57%、0.61%、0.85%。在一定程度上，土地利用動態度的絕對值大小直接反應了各土地利用類型面積變化速度的大小。2000-2005年間，變速由快到慢依次為草地、耕地、居工地、裸地、水域和林地，可知，草地變速最快，而林地變速最慢。

2005-2013年間，草地、裸地繼續減少，水域持續增加，而耕地(水田和旱地)、林地和居工地反向變化(相對2000-2005年的變化動態而言)。裸地變速最大，其次為居工地、水域、耕地(水田和旱地)、林地和草地(具體動態變化度詳見表2)。

整體上2000-2013年期間，變速最大的是裸地，其次是草地、居工地、水域、耕地(水田和旱地)和林地(具體動態度變化詳見表2)。

表2 淮河流域2000-2013年土地利用動態變化 %Tab.2 Dynamic variation of land-use of the Huai River Basin in 1995 to 2013

從綜合土地利用動態度角度，2000-2005年、2005-2013年及2000-2013年的動態變化分別為0.43%、0.59%、0.36%。相對2000-2005年，2005-2013年內人們對淮河流域土地利用方式的干擾程度加大。20世紀初期，該地區人口增長加速，人均土地資源占有量減少，人類與土地矛盾激化，加上城市化、城鎮化進程的推進給土地利用也造成很大壓力，另外還有面源污染、生態環境脆弱、地貌復雜、水土流失以及地質災害的發生，都在一定程度上影響土地利用[11]。2000-2013年綜合土地利用動態度為0.36%，說明這期間每年每100 km2中就有0.36 km2的土地利用方式發生了改變。

3.3 淮河流域土地利用時空轉移特征

淮河流域土地利用類型間的多維向轉化直接決定其面積與空間分布的特征。在2000-2005年間，淮河流域發生轉化的土地利用類型面積共7380.37 km2左右，約占整個流域面積的2.25%。從空間上，具體土地類型空間轉移格局分布如圖4(a)。由圖可知，土地利用類型轉移區呈斑塊離散狀分布相對均勻，較為顯著的土地利用類型轉移區集中在流域的邊界區、山東半島境內以及江蘇境內。2005-2013年間，土地利用類型轉移區集聚密度較大的多在流域北半區內，較2000-2005年間的土地利用類型變化，該時期內的轉移土地利用類型有所不同，且聚集現象較為顯著的除了山東半島之外，流域北部的河南境內也出現大面積的土地利用類型轉移[圖4(b)]；轉移面積約為15 574.45 km2，約占研究區總面積的4.74%。

1112-水田轉旱地；112-水田轉林地；113-水田轉草地；114-水田轉水域；115-水田轉居工地；116-水田轉裸地；1211-旱地轉水田；122-旱地轉林地；123-旱地轉草地；124-旱地轉水域；125-旱地轉居工地；126-旱地轉裸地；211-林地轉水田；212-林地轉旱地；23-林地轉草地；24-林地轉水域；25-林地轉居工地；26-林地轉裸地；311-草地轉水田；312-草地轉旱地；34-草地轉水域；35-草地轉居工地；36-草地轉裸地；411-水域轉水田；412-水域轉旱地；42-水域轉林地；43-水域轉草地；45-水域轉居工地；46-水域轉裸地；511-居工地轉水田；512-居工地轉旱地；52-居工地轉林地；53-居工地轉草地；54-居工地轉水域；56-居工地轉裸地；611-裸地轉水田；612-裸地轉旱地；62-裸地轉林地；63-裸地轉草地；64-裸地轉水域；65-裸地轉水域圖4 淮河流域土地利用類型轉移變化空間分布圖Fig.4 Spatial transformation variation map of land-use type of the Huai River Basin

從時間角度，在土地利用類型轉移數量上，各單一土地利用類型空間轉移變化(如表3，表4)主要以耕地(包括旱地和水田)、居工地及水域為主，具體表現為：

表3 淮河流域2000-2005年土地利用轉移矩陣 %Tab.3 Land-use transformation matrix of the Huai River Basin from 2000 to 2005

(1)2000-2005年間，整體上，多數土地利用類型主要轉為旱地、水田和林地，約有0.94%的土地轉為水田，0.59%左右的土地轉為旱地，0.56%左右的土地轉為林地，少量土地轉化為其他土地利用類型；草地、居工地和裸地則處于減少態勢；裸地利用率高達54%。具體而言，各土地類型以轉為旱地為主，其面積變化百分比分別是水田約1.87%、林地約3.52%、草地18.61%、水域3.12%、居工地11.94%、裸地為30.29%。

表4 淮河流域2005-2013年土地利用轉移矩陣 %Tab.4 Land-use Transformation Matrix of the Huai River Basin from 2005 to 2013

(2)2005-2013年間，土地利用類型轉移變化以轉為旱地和居工地為主；其中，居工地面積的增加多源自水田和旱地面積的減少，另外草地和水域也有一定的貢獻。裸地的利用率高達70%以上。具體各土地利用類型間的轉移變化如表4所示。

綜上，不同時期，隨著區域經濟社會的發展、人口的激增、城鎮化進程的推進，對土地利用提出越來越多不同的要求。整體上，淮河流域在2000-2013年期間土地利用類型轉移變化趨勢相對平穩。

3.4 淮河流域土地利用覆被變化

如圖5，2000-2013年間隨土地利用變化對應植被指數NDVI也呈現出一定的演變規律。整體上植被指數處于中等偏上水平，植被覆蓋良好。2000年，NDVI>0.7的土地利用類型面積約占淮河流域土地面積的24.80%，主要集中在淮河流域中的皖北和蘇北地區，以及流域的東南邊界地區；0.50.7的土地利用類型面積約占淮河流域土地面積的50.74%，大面積分布于淮河流域的西北部與東南部地區；0.50.7的土地利用類型面積約淮河流域土地面積的49.45%，在2005年的基礎上，西南地區與山東半島境內植被覆蓋提高；0.5

圖5 NDVI指數空間分布圖Fig.5 The spatial distribution map of the NDVI

從表5～表7中可以看出，各土地利用類型的植被覆蓋度各不相同。2000-2013年間，整體上良等以下植被覆蓋面積大致呈現減少趨勢，良等和優等植被覆蓋度呈增加趨勢，這主要與土地利用類型間的轉變有著主要關系。從單一土地利用類型來看，植被覆蓋度高的土地利用類型主要為旱地、水田和居工地，旱地的植被覆蓋度幾乎維持在50%左右，水田的植被覆蓋度則維持在15%左右，居工地的植被覆蓋度在10%以上；而林地、草地、水域及裸地的植被覆蓋相對偏低。在未來的發展建設中應該著重提高林地、草地、水域及裸地的植被覆蓋度，從而整體上更加合理化該地區的土地利用。

表5 2000年各土地利用類型不同植被覆蓋度的面積百分比 %Tab.5 The area percentage of different vegetation coverage every land use type in 2000

表6 2005年各土地利用類型不同植被覆蓋度的面積百分比 %Tab.6 The area percentage of different vegetation coverage every land use type in 2005

表7 2013年各土地利用類型不同植被覆蓋度的面積百分比 %Tab.7 The area percentage of different vegetation coverage every land use type in 2013

4 結 語

以2000年、2005年以及2013年3期的土地利用數據為基礎，基于ArcGIS技術平臺分析淮河流域土地利用時空格局的動態變化，利用對應3期的MODIS遙感數據對其進行評價分析，具體結論如下。

(1)整體上，該流域內的土地利用類型在數量、空間結構上都存在明顯的分異特征。在數量上，該區域內土地利用以耕地與居工地為主，其次是林地。空間上，耕地分布最為集中，林地、草地也存在聚集分布的特點，而居工地多呈斑塊狀分布。

(2)從年變化上看，2000-2005年，水田增加、旱地增加、林地增加、草地減少、水域減少、居工地減少、裸地減少，且水田、旱地、草地和居工地變幅較大。而2005-2013年，各土地利用類型的變動起伏顯著，變化趨勢為水田減少、旱地減少、林地減少、草地減少、水域增加、居工地增加、裸地減少。

(3)利用單一土地利用動態反映對應土地利用類型面積的變化速度。2000-2005年間，變速由快到慢依次為草地、耕地、居工地、裸地、水域和林地，可知，草地變速最快，而林地變速最小。利用綜合土地利用動態度反映人類活動對土地利用方式的干擾程度，2000-2013年綜合土地利用動態度0.36%，說明這期間每年每100 km2中就有0.36km2的土地利用方式發生了改變。

(4)土地利用類型之間的多維向轉化是引起土地利用時間與空間分布變化的直接表現形式。從空間變化上，在2000-2005年，土地利用轉移趨勢不顯著，整體轉移變化量約為流域總面積的2.25%。而2005-2013年土地利用轉移也不顯著，轉移面積約為15 574.45 km2，約占研究區總面積的4.74%。單一土地利用類型的空間轉移變化主要以耕地、林地及居工地的轉移變化為主。整體上，淮河流域在2000-2013年期間土地利用類型轉移變化趨勢相對平穩。

(5)淮河流域內植被指數的變化，表明近13年來淮河流域土地利用變化呈良好發展態勢。但從單一土地利用類型來看，植被覆蓋度高的土地利用類型主要為旱地、水田及居工地，而草地、林地、水域及裸地的植被覆蓋相對偏低。由于其地理位置的特殊性，在未來的發展建設中仍需要進一步提高水域、林地及裸地的植被覆蓋度，加強植被保護以提高該地區土地利用的適宜度，從而整體上更加合理化該地區的土地利用。

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