1990-2015年紅堿淖地區土地利用/土地覆蓋與景觀格局的時空演變

劉 英, 岳 輝, 王騰龍

(西安科技大學 測繪科學與技術學院, 陜西 西安 710054)

1990-2015年紅堿淖地區土地利用/土地覆蓋與景觀格局的時空演變

劉 英, 岳 輝, 王騰龍

(西安科技大學 測繪科學與技術學院, 陜西 西安 710054)

[目的] 研究近25 a紅堿淖地區的土地利用景觀格局演變，為西北礦區生態環境保護、煤炭的綠色開采以及沙漠湖泊的環境管理和決策提供基礎數據和科學依據。[方法] 選取1990，2000，2005，2010和2015年5期Landsat TM/ETM+/OLI影像，利用遙感、地理信息系統技術和地理數學統計方法定量分析紅堿淖地區土地利用/土地覆蓋的動態變化和景觀格局的演變特征。[結果] 1990—2015年，紅堿淖地區的耕地和沙地面積分別增加了3.56%和21.87%，林草地和水體的面積分別減少了23.85%和2.25%，區域內水體和林草地退化嚴重，林草地主要轉化為沙地和耕地；景觀指數中，平均斑塊面積減少，斑塊總數、形狀指數和多樣性指數增加，景觀破碎化程度加大，景觀類型增加。[結論] 上游修建水庫和開采地表水使湖泊面積減少，退耕還林工程使得林草地面積增加等人為因素是影響紅堿地區域景觀格局變化的主要驅動因素。

紅堿淖地區; 土地利用/土地覆蓋; 景觀格局; 動態變化與演變特征; Landsat

人類對土地資源的利用首先影響的是地表的自然形態，進而影響物質循環和能量流動并最終作用于生物地球化學循環過程，導致區域性或全球環境變化[1]。土地利用/覆蓋變化(land use/cover change，LUCC)正是研究地球表層覆蓋的重要手段，同時作為研究全球變化的重要內容，對全球生態環境產生了巨大的影響[2-3]。近年來，國內外學者對于土地利用/覆蓋變化的研究主要集中在土地資源的動態變化監測，影響變化的驅動因素，以及將土地利用/覆蓋變化與景觀格局相結合分析地球表層覆蓋的內在聯系和作用機制[4-5]。研究景觀在時間和空間上的結構與量上的動態變化趨勢，是研究區域土地利用變化的內部驅動機制，是預測未來地表覆被變化方向的參考[6]。景觀格局的演變直接反映出區域環境時空動態特征。因此，分析景觀格局的變化對了解區域生態環境變化十分重要[7]。

湖泊及周邊地區不僅對區域氣候變化有很好的指示作用，而且在調節當地氣候、水資源平衡及保持生物多樣性方面也發揮了重要作用。紅堿淖位于西北干旱半干旱地區，是中國最大的沙漠淡水湖，被稱為毛烏素沙地中的“大漠明珠”，是陜西省省級風景名勝區，也是目前全球最大的國家Ⅰ級保護動物——遺鷗繁殖地，在當地的生態、經濟、社會發展中起到了重要作用。由于紅堿淖地區地處毛烏素沙地的東緣風沙區的相對低洼處，同時紅堿淖距離神東礦區核心開采區(屬典型的荒漠化礦區，包括大柳塔、活雞兔、上灣等13個礦井)和錦界礦井約20 km，榆家梁礦井約40 km。近年來，相關研究報道指出，紅堿淖湖面面積不斷萎縮蓄水量不斷下降，使得原本就十分脆弱的生態環境進一步惡化[8-10]。近年來國內學者譚良璽等[11]利用Landsat影像分析了紅堿淖地區1986—2002年土地利用現狀，結果表明流域內湖泊退化嚴重,沙丘稀灌和耕地主要向密灌和林草地景觀轉化；張會英等[8]利用1989，2000，2007年3期遙感影像分析了紅堿淖周邊1989—2007年土地利用動態變化，結果表明區域內湖泊、其他水域和沙地面積減少，耕地、林地、草地面積增加，但以上學者僅分析了紅堿淖地區典型的土地利用類型，在驅動力分析上缺少礦區煤炭開采對土地利用類型的影響分析。因此，本文擬以紅堿淖地區為研究對象，在參考中國土地利用類型分類體系的基礎上，結合紅堿淖地處荒漠礦區特點，利用遙感、地理信息系統技術和地理數學統計方法對土地利用/覆蓋的動態變化過程和景觀格局演變特征進行定量分析，并嘗試探討景觀格局演變的驅動因素，為西北礦區生態環境保護，煤炭的綠色開采以及沙漠湖泊的環境管理和決策提供基礎數據和科學依據。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

紅堿淖地理位置109°31′—110°04′E，38°53′—39°20′N，海拔在987～1 449 m，地勢西北高、東南低。包括陜西省神木縣爾林兔鎮和中雞鎮，內蒙古自治區伊金霍洛旗新街鎮和臺格蘇木鎮，區域內居民約為4.5萬人。多年平均降水量400 mm，主要集中在7—9月，多年平均蒸發量1 200 mm，年平均溫度為9.5 ℃，年平均風速為2.3 m/s。紅堿淖是典型的內陸封閉流域湖泊，20世紀90年代末湖泊面積基本穩定在50 km2，水量約4.90×109m3，1999年后面積呈線性減少趨勢[9-10]。

1.2 數據來源及處理

土地利用/覆蓋的變化主要通過遙感影像的解譯獲取，本文選取紅堿淖地區1990,2000,2005,2010和2015年Landsat TM/ETM+/OLI影像(均集中在7—8月)進行輻射定標、大氣校正，建立圖像解譯標志。土地利用分類參照國際IGBP的LUCC分類系統，根據紅堿淖土地利用/覆蓋實際情況及景觀分類研究成果的基礎上，將土地利用類型分為水體、林草地、耕地、沙地、建筑用地和礦產用地6類。采用監督分類方法解譯圖像，利用ENVI軟件進行斑塊去除和聚合，同時利用Kappa指數評價解譯精度。5期遙感影像的總體分類精度和Kappa指數分別介于93%～96%和0.93～0.96，滿足土地利用動態分析和景觀格局分析要求。

1.3 土地利用/覆蓋研究方法

土地利用/覆蓋運用GIS支持下的疊置分析，借助動態度(Ldy)/綜合動態度(Lidy)、開發度(Lep)、耗減度(Lde)和馬爾科夫轉移矩陣(C)等指標來定量表達土地利用類型的變化幅度、速度和方向，揭示區域土地利用變化的時間過程及空間差異。所涉及的公式如下：

土地利用動態度(Ldy)表示單位時間內某種土地利用類型面積的變化程度，其計算公式為：

(1)

式中：Ua——區域某種土地利用類型a時刻的面積(hm2)；Ub——區域某種土地利用類型b時刻的面積(hm2)；T——a和b時刻的時間間隔(a)。

土地利用綜合動態度(Lidy)表示在一定時間段內土地利用變化的強度，其計算公式為：

(2)

式中：Uai，Ubi——研究期初和研究期末某土地利用類型的面積(hm2)。

土地利用開發度(Lep)表示單位時間內其他土地利用類型面積轉化為該類土地利用類型面積的總和，其計算公式為：

(3)

式中：Dab——從a時刻到b時刻新開發的某類型土地利用的面積(hm2)。

土地利用耗減度(Lde)表示單位時間內該類土地利用類型面積轉化為其他土地利用類型面積的總和，其計算公式為：

(4)

式中：Cab——指從a時刻到b時刻某種土地利用類型被消耗的面積(hm2)。

馬爾科夫轉移矩陣(C)表示不同時間段內同一區域的土地利用類型的相互轉換關系，其表達式為：

(5)

式中：Cij——區域內第i種和第j種土地類型之間相互轉換的數量(i≠j，j=1,2,…,n)。

1.4 景觀格局研究方法

景觀格局研究是基于景觀生態學、空間差異等理論，利用GIS支持下的景觀指數、分形維數等模型研究土地利用變化空間格局，是闡釋土地利用變化的重要方法。根據研究區特點并結合多角度反映景觀特征的需要，從各土地利用類型水平和整體景觀水平上選取不同的景觀指數進行分析。在各土地利用類型水平上選擇斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊比例(LPI)、景觀形狀指數(LSI)和面積周長分維數(PAFRAC)；在整體景觀水平上選擇斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊比例(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、面積周長分維數(PAFRAC)、Shannon多樣性指數(SHDI)和Shannon均勻度指數(SHEI)，景觀指數的計算方法如表1所示。

表1 景觀指數計算方法

2 結果與分析

2.1 土地利用/覆蓋動態變化分析

2.1.1 土地利用/覆蓋總體分析及轉移特征 GIS支持下通過轉移矩陣得到紅堿淖地區土地利用/覆蓋結構和類型間轉化數據。由表2—4可知，紅堿淖地區1990—2015年土地利用類型發生了復雜的相互轉化。由表1可知，1990—2000年，水體、沙地和建筑用地減少，林草地和耕地增加。林草地增加了18.27 km2，主要由116.36 km2的沙地、27.51 km2的耕地和26.83 km2的建筑用地轉換而來；耕地增加了94.70 km2，增加幅度為85.04%，主要由111.75 km2的林草地轉換而來；建筑用地減少43.31 km2，水體減少12.32 km2，沙地減少57.361 km2。

表2 1990-2000年紅堿淖地區土地利用類型面積轉移矩陣 km2

由表3可知，2001—2005年，水體、林草地和耕地減少，沙地和建筑用地增加，由于紅堿淖周邊煤炭大規模開采始于2000年前后，所以在2000年后土地利用類型增加了礦產用地。沙地增加了156.81 km2，主要由193.29 km2的林草地轉化而來；建筑用地增加了46.11 km2，主要由36.82 km2的林草地、18.74 km2的耕地和18.46 km2的沙地轉化而來；水體繼續減少，減少量為3.83 km2；耕地減少71.9 km2，減小幅度為34.89%；林草地減少131.15 km2，減少幅度為16.66%。

表3 2001-2005年紅堿淖地區土地利用類型面積轉移矩陣 km2

由表4可知，2006—2010年，水體和沙地減少，耕地變化不大，其他土地利用類型增加。

林草地增加112.21 km2，主要由222.24 km2的沙地和80.13 km2的耕地轉化而來；建筑用地增加85.65 km2，主要由83.24 km2的林草地和33.04 km2的沙地轉化而來；礦產用地增加1.85 km2，主要由3.08 km2的林草地轉化而來。

沙地減少190.46 km2，減少幅度為46.86%；水體減少7.35 km2，主要原因是紅堿淖湖泊面積的持續減少。

表4 2006-2010年紅堿淖地區土地利用類型面積轉移矩陣 km2

由表5可知，2011—2015年，耕地和沙地增加，其他土地利用類型減少。耕地增加25.71 km2，主要由86.97 km2的林草地轉化而來；沙地增加377.78 km2，主要由253.77 km2的林草地和45.96 km2的耕地轉化而來；水體減少6.02 km2；林草地減少312.13 km2；建筑用地減少83.34 km2；礦產用地減少2.05 km2。

表5 2011-2015年紅堿淖地區土地利用類型面積轉移矩陣 km2

2.1.2 土地利用/覆蓋變化速度分析 土地利用/覆蓋單一土地利用類型的變化速度用動態度、開發度和耗減度表示，年土地利用變化速度用綜合動態度表示，見表6—7。由表6可知，1990—2000年土地利用動態度最大的是耕地，為8.5%，其開發度也最大，為11.02%；其次為建筑用地，為-7.17%，其耗減度為最大，為9.01%；2000—2005年土地利用動態度最大的為建筑用地，為53.9%，其開發度和耗減度也為最大，分別為69.85%和9.01%；2006—2010年土地利用動態度最大的是建筑用地，為27.1%，其開發度和耗減度也為最大，分別為44.4%和17.3%；2011—2015年土地利用動態度最大的是沙地，為22.25%，其發開度也最大為31.97%，耗減度最大的是建筑用地，為18.78%。

由表7可知，1990—2015年土地利用類型綜合動態度呈增加的趨勢，由1990—2000年的1.46逐漸增加至2011—2015年的5.84，根據劉紀遠[12]研究成果，土地利用類型綜合動態度在0%～3%為極緩慢變化型，4%～12%為慢速變化型，這說明各土地利用類型相互轉化的綜合年變化率有增大的趨勢，表明人類活動強度逐漸增強對區域內土地覆被的影響逐漸加大。

表6 1990-2015年紅堿淖地區土地利用變化速度指數

表7 1990-2015年紅堿淖地區土地利用類型綜合動態度

2.2 景觀格局分析

2.2.1 整體景觀格局分析 1990—2015年紅堿淖地區整體景觀見表8。紅堿淖地區從1990—2015年間，景觀格局指數發生了急劇的變化，其中，斑塊數逐漸上升，從1990年3 439不斷上升到2015年5 605；斑塊密度也在不斷上升，從2.62增加到4.27，說明區域內破碎化程度加大，集聚度下降；面積周長分維數也在不斷變大，說明自然因素及人類活動的干擾使區域內景觀格局不斷變化，且變化較大。景觀多樣性指數從1990年1.14不斷上升到2015年1.23，均勻度指數與多樣性指數呈現相反的變化，從0.71下降到0.69，這說明從1990—2015年，紅堿淖研究區景觀類型從較為單一變得比較豐富，景觀種類增多，斑塊類型在景觀中趨于均衡化；從1990—2015年，最大斑塊比例的值逐步減少的，從57.80下降到32.27，說明最大斑塊在區域內所占的百分比減小，斑塊尺度趨于均勻，最大斑塊比例值的大小變化由干擾的強度和頻率來決定，該值直接反映了人類活動的方向和強弱，從表中可分析得出，人類活動的影響改變了區域內最大斑塊比例，同時也是在改變各景觀類型的數量及大小、對區域內景觀格局的變化起很大作用。

表8 1990-2015年紅堿淖地區整體景觀水平景觀指數

2.2.2 各土地利用類型的景觀動態變化 各土地利用類型的景觀變化如表9所示。

表9 1990-2015年紅堿淖地區各土地利用類型景觀指數

1990—2015年紅堿淖地區景觀類型以林草地為主，隨著人類活動的加大以及自然因素的影響，林草地和水體面積逐漸減少，沙地、耕地和建筑用地面積都在增加。 ①水體面積在不斷減少，且分布范圍越來越小，水體的最大斑塊—紅堿淖面積在不斷減少，從面積周長分維數上看，水體的趨近于1，表明其形狀很規則，原因為研究區內水體主要為紅堿淖; ②耕地面積呈增加趨勢，期間有增有減和政府退耕還林等政策有關，其最大斑塊比例基本不變，說明耕地未出現大面積合并及承包，多是自由耕種。其面積周長分維數也是先減小，說明其受人類活動影響，形狀不斷變得規則。 ③沙地面積逐漸增加，有增有減也是受人類活動及景觀類型之間的互相影響，其最大斑塊比例和面積周長分維數逐漸增大，斑塊密度在變小，這表明沙地分布范圍變廣，形狀不規則，多數為零星分布。 ④林草地面積不斷減少，期間有增有減，其最大斑塊比例減小，而斑塊密度增大，這說明林草地分布范圍變的整體分散。 ⑤建筑用地面積在增加，其斑塊數量、密度都在增加，最大斑塊比例一直變化，面積周長分維數在1.6左右，說明人類活動頻繁，分布越來越廣且形狀不規則。

3 討 論

紅堿淖地區處于相對封閉的內陸區，紅堿淖四周有木獨石梨河、壕賴河、柒卜素河、營盤河、拖河、蟒蓋兔河和爾林兔河等7條季節性內陸小河注水，據報道從20世紀70—90年代初，紅堿淖的湖水量和蒸發量基本上是均衡的，水位變化基本上不大；20世紀90年代前，湖區面積有增有減，但總體變化不大，從1999年開始，湖區面積呈線性遞減趨勢，湖區面積平均萎縮速度為0.87 km2/a[9]。關于紅堿淖萎縮的原因，已有一些研究，大致有以下幾種觀點：氣候干旱導致，灌溉耗水導致和上游截流導致；以及采礦因素的影響[13-17]。特別是人類活動，比如在壕賴河上游修建人工水庫，以及周邊抽取湖邊地下水灌溉等導致入湖水量減少。人口增多、工農業發展、退耕還林政策、生態建設及一些水利工程等社會經濟因素在影響紅堿淖地區景觀格局變化方面起了大部分作用，是影響區域景觀格局變化的主要因素，隨著社會經濟活動對紅堿淖地區景觀格庫的驅動作用，沙地、耕地可能會不斷增加，如果不采取措施，人類各項開發等綜合活動將繼續加劇區域內水體、林草地等景觀類型的退化。

4 結 論

(1) 從土地利用類型上看，紅堿淖地區土地利用結構改變較快，從1990—2015年，水體面積減少了29.50 km2，耕地面積增加了46.63 km2，沙地面積增加了286.78 km2，林草地面積減少了312.80 km2，建筑用地面積變化不大，礦產地面積2005年出現后改變不多。

(2) 從土地利用變化速度來看，各土地利用類型相互轉化的綜合年變化率有增大的趨勢，表明人類活動強度逐漸增強對土地覆被的影響逐漸加大。

(3) 陜北紅堿淖研究區1990—2015年，景觀格局不斷發生變化，景觀整體分布趨向復雜化，景觀破碎化程度加大，景觀類型之間轉換頻繁，各景觀類型分布不均，形狀不規則(水體除外)。

[1] 孫睿,朱啟疆.中國陸地植被凈第一性生產力及季節變化研究[J].地理學報,2000,50(1):36-45.

[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] 唐華俊,吳文斌,楊鵬,等.土地利用/土地覆被變化(LUCC)模型研究進展[J].地理學報,2009,64(4):457-468.

[4] 田錫文,王新軍, 卡迪羅夫K G,等.近40 a凱拉庫姆庫區土地利用/覆蓋變化及景觀格局分析[J].農業工程學報,2014,30(6):232-241.

[5] 劉吉平,趙丹丹,田學智,等.1954—2010年三江平原土地利用景觀格局動態變化及驅動力[J].生態學報,2014,34(12):3234-3244.

[6] 高志強,劉紀遠,莊大方.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):134-139.

[7] 吳莉,侯西勇,徐新良,等.山東沿海地區土地利用和景觀格局變化[J].農業工程學報,2013,29(5):207-217.

[8] 張會英,劉萍萍,李旭祥.陜北紅堿淖流域土地利用動態變化研究[J].環境科學與技術,2011,34(3):180-183.

[9] 劉英,吳立新,岳輝.基于Landsat和HJ衛星影像的紅堿淖面積變化趨勢分析[J].地理與地理信息科學,2015,31(5):60-64.

[10] 劉英,岳輝.基于SMMI的紅堿淖湖區面積遙感分析[J].科學技術與工程,2016,16(16):125-130.

[11] 譚良璽,張會英,張瑞芳,等.陜北紅堿淖流域景觀格局變化研究[J].西安交通大學學報,2010,44(3):126-132.

[12] 劉紀遠.中國資源環境遙感宏觀調查與動態研究[M].北京:中國科學技術出版社,1996:158-188.

[13] 尹立河,張茂省,董佳秋.基于遙感的毛烏素沙地紅堿淖面積變化趨勢及其影響因素分析[J].地質通報,2008,27(8):1151-1156.

[14] 趙寧,馬超,楊亞莉.1973—2013年紅堿淖水域水質變化及驅動力分析[J].湖泊科學,2016,28(5):982-993.

[15] 楊立彬,黃強,武見,等.紅堿淖湖泊面積變化影響因素及預測分析[J].干旱區資源與環境,2014,28(3):74-78.

[16] 李登科,何慧娟,劉安麟.人類活動和氣候變化對紅堿淖植被覆蓋變化的影響[J].中國沙漠,2010,30(4):831-836.

[17] 馬雄德,范立民,張曉團,等.榆神府礦區水體濕地演化驅動力分析[J].煤炭學報,2015,40(5):1126-1133.

DynamicChangeofLandUse/CoverandSpatio-temporalEvolutionofLandscapePatterninHongjiannaoRegionDuring1990-2015

LIU Ying, YUE Hui, WANG Tenglong

(CollegeofGeomatics,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shaanxi710054,China)

[Objective] To analyze the land use and landscape pattern evolution of Hongjiannao region in the past 25 years and to provide basic data and scientific basis for the protection of ecological environment, green mining of Northwest China and environmental management of desert lake. [Methods] Remote sensing images, i. e., TM in 1990, ETM+in 2000, TM in 2005, TM in 2010 and OLI in 2015 were used as data source. Quantitative method of remote sensing and geographic information system technology and mathematical statistical analysis were used to illustrate the land use/land cover dynamic change and landscape pattern evolution characteristics. [Results] From 1990 to 2015, the cultivated land and sandy land area of Hongjiannao region increased by 3.56% and 21.87%; Grassland and water area were reduced by 23.85% and 2.25%, respectively. The water and vegetation shrank greatly, forest and grassland were mainly converted to sandy land and cultivated land. The landscape indexes like average patch area, total number of patch, patch shape index and diversity index all increased; Landscape fragmentation enlarged and landscape types increased. [Conclusion] In the upper reaches of lake, the construction of reservoirs and the exploitation of surface water, the application of returning farmland to forest and grassland, are the main driving influences of landscape pattern changes in Hongjiannao region.

Hongjiannaoregion;landuse/landcover;landscapepatterns;dynamicchangeevolutionanalysis;landsat

A

1000-288X(2017)05-0224-07

P901, Q149

文獻參數： 劉英, 岳輝, 王騰龍.1990—2015年紅堿淖地區土地利用/土地覆蓋與景觀格局的時空演變[J].水土保持通報，2017,37(5)：224-230.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.037； Liu Ying, Yue Hui, Wang Tenglong. Dynamic change of land use/cover and spatio-temporal evolution of landscape pattern in Hongjiannao region during 1990—2015[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：224-230.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.037

2017-03-07

2017-03-29

國家自然科學基金項目“荒漠化礦區土壤濕度多分辨率時空演變機理研究”(41401496)； 中國博士后科學基金“荒漠化礦區湖泊水量平衡遙感估算”(2016M592815)

劉英(1982—),女(漢族),山東省惠民縣人,博士,副教授,主要從事礦區環境遙感研究。E-mail:liuying712100@163.com。