烏江北源流域土地利用變化模式圖譜分析

魏曉霞

（ 貴州師范大學 地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550000）

0．引言

近年來，人類經濟活動對環境的影響日益深刻，土地利用類型的變化會引發土地利用格局和景觀結構(自然狀態的土地覆被格局)發生變化[1]。研究土地利用空間格局變化能夠更好地揭示地表生態過程，因而得到普遍開展[2-3]。國內外對土地利用變化“格局與過程”的集成研究日益重視，目前，研究主要通過不同時期的土地利用數據或遙感影像的空間疊加、轉移矩陣等來獲得土地利用在數量上的變化[4-5]，但非空間屬性數據在空間位置方面的表達不足。地學信息圖譜是借助于時空融合的圖譜方法，把“表現空間單元特征的圖”與“表示時間發展之起點與過程的譜”合二為一，彌補了基于非空間數據庫的數據挖掘方法在形象思維和空間位置方面的不足[6]。具有既能以圖譜單元來記錄土地利用變化的時空復合信息，又能定量表示多時空條件下“空間格局”與“時序特征”的復合特點[5-9]。

烏江北源地區喀斯特地貌典型，生態脆弱，人地矛盾突出，該區域主要位于畢節市，畢節市是1988年建立的全國唯一一個以“開發扶貧、生態建設”為主題的試驗區，也是國家西電東送的重要能源基地。為實現扶貧和生態建設目標，實施了交通、產業發展、退耕還林等一系列重要工程，對試驗區土地利用/覆被變化無疑產生了顯著影響。以烏江北源實施退耕還林工程以來2000、2005、2010年三期遙感影像和統計資料為基礎數據[10]，運用地學信息圖譜方法，建立2000—2005、2005—2010和2000—2010年土地利用變化信息圖譜，定量分析其土地利用時空變化規律，以期為土地資源可持續利用及空間格局優化提供參考[11]。

1．研究區概況

烏江北源，又名六沖河流域，是流經烏江最大的一級支流，位于 E(104°19′17″～106°7′24″)，N（26°32′7″～27°33′19″）之間，流域的一小部分位于云南省鎮雄縣境內，大部分則流經貴州省西北部，受數據資料限制，本研究中的烏江北源范圍僅指貴州省境內部分，主要流經畢節市的赫章、七星關區、納雍、大方、織金、黔西和威寧等7個縣共計128個鄉鎮，流域面積9 939 km2。

研究區地勢西高東低，山地面積比例較大，河谷深切，屬亞熱帶濕潤高原季風氣候。受地形限制，交通發展緩慢，人口多分布在狹窄的河谷或坡麓地帶，人口分布不均，人地矛盾較為突出。全區經濟發展基礎薄弱，區域經濟發展差異較大，各鄉鎮間經濟發展不平衡。

2．數據與方法

2．1．數據來源

數字高程模型（DEM）數據來源于國家科技基礎條件平臺——國家地球系統科學數據共享服務平臺(http://www.geodata.cn)，空間分辨率為30*30 m。通過ArcGIS 10.2水文分析模塊提取生成烏江北源流域范圍。2000、2005、2010年三期貴州省土地利用數據來源于LandSat影像解譯，將研究區 3個時期的數據校正在同一空間坐標系下，并進行相應的增強處理[12]。依據全國生態系統土地覆被Ⅰ、Ⅱ級分類系統，針對烏江北源土地利用方式的主要轉變特征，將土地利用現狀分為耕地（旱地、水田）、林地（常綠闊葉灌木林、常綠闊葉林、常綠針葉林、灌木園地、落葉闊葉灌木林、落葉闊葉林、喬木綠地、喬木園地、稀疏灌木林、針闊混交林）、草地（草叢）、水域（河流、湖泊、水庫/坑塘）、建設用地（采礦場、工業用地、交通用地、居住地）和未利用地（裸巖）6類。

2．2．圖譜模型構建

（1）土地利用重編碼和重采樣。分別用代碼1～6表示耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地，重采樣后輸出數據柵格大小為30 m*30 m。

（2）土地利用變化圖譜建立。對土地利用空間數據進行地圖代數運算，運用ArcGIS 10.2中的ArcToolbox，以時間順序為軸，選取相鄰兩個時期柵格單元的土地利用類型編碼值進行代數運算，即把前一時期的柵格單元屬性值作為十位數，后一時期的柵格單元屬性值作為個位數，生成一個兩位數編碼的新空間單元[8]，即土地利用圖譜單元，由此得到研究區2000—2005年、2005—2010年和2000—2010年的土地利用變化圖譜。

（3）土地利用變化模式圖譜建立。為了更好地分析研究區土地利用的時空演變規律，將圖譜變化模式概況為以下五種模式。

以時間軸為順序，運用ArcGIS 10.2中的ArcToolbox將2000年土地利用柵格屬性值賦值為百位數，2005年土地利用柵格屬性值賦值為十位數，2 010年土地利用柵格屬性值賦值為個位數，由此生成2000年、2005年、2010年屬性值的三位數編碼的柵格圖，再根據圖譜變化模式類型，對新生成的柵格圖進行重分類，進而得到2000年—2010年烏江北源流域土地利用變化模式圖譜（表1）。

2．3．圖譜變化特征分析

為了更加清晰地表征土地利用圖譜單元在空間上的變化特征，引入土地利用變化比率和土地利用變化空間分離度兩項指標，來體現土地利用類型在空間上的變化特征。計算公式分別如（1）和（2）式所示：

Bij表示土地利用變化比率，表示已經轉變的土地利用變化圖譜單元類型占烏江北源流域內所有已經轉變的土地利用變化圖譜單元類型總面積的比率。Mij表示從初期的第i種土地利用類型轉變為末期第j種土地利用類型的圖譜單元的面積。n為土地利用類型個數。

Fij表示土地利用變化空間分離度，分離度越大，其在土地利用圖譜上的分布越分散。Cij表示從初期的第i種土地利用類型轉變為末期第j種土地利用類型的圖譜單元數。n為土地利用類型個數。

表1 圖譜變化模式分類Tab.1 Classification of profiles change pattern

3．結果與分析

3．1．2000—2005年土地利用變化圖譜特征

3．1．1．土地利用圖譜數量變化

2000年—2005年烏江北源土地利用變化圖譜中，只有6種土地利用變化圖譜發生變化。土地利用類型發生變化（表2）的總面積為11 540.43 hm2，其中，耕地轉化為林地的面積高達3 814.83 hm2，變化比率為33.06%；耕地轉化為草地的面積達3 462.48 hm2；，變化比率為30.00%；耕地轉化為水域的面積有2 604.15 hm2，變化比率為22.57%；耕地轉化為建設用地的面積共82.98 hm2，變化比率為0.72%；另外，林地轉化為水域以及草地轉化為水域的面積總共只有1 575.99 hm2，變化比率總共為13.66%。

2000—2005年土地利用變化比率和空間分離度的分布如圖1所示。其中，土地利用變化比率較高的“耕地→林地”（編碼12）空間分離度為26.90、“耕地→草地”（編碼13）的空間分離度為28.24、“耕地→水域”（編碼14）的空間分離度為32.56、“林地→水域”（編碼24）的空間分離度為42.74。這幾種土地利用類型變化的空間分離度相近且空間分離度值較小，由此可見，這幾種土地利用類型在研究區的土地利用轉出轉入較量較大，且空間分布較為集中。“草地→水域”（編碼34）的變化率在這個階段較低，但是空間分離度值在所有轉變類型中高達207.14，可見，草地在此階段內轉出不活躍，且空間較為分散。

3．1．2．圖譜的空間差異

圖譜的空間差異如圖2所示，可知圖譜單元變化最顯著的是“耕地→林地”（編碼12），在空間上主要分布在織金縣南部，大方縣、赫章縣以及黔西縣中部沿河地區，其中，由于織金縣產業轉型升級步伐加快，縣產業園區新型產業項目正在崛起，新型經濟支柱產業培育實現重大突破，對于退耕還林政策的推廣有了雄厚的經濟支持。其次，圖譜單元變化比較明顯的是“耕地→草地”（編碼13），主要分布在烏江北源下游的南岸地區。另外“耕地→水域”（編碼14）圖譜單元類型變化也比較顯著，空間上主要分布在織金縣，且分布比較均勻。這個階段圖譜單元類型變化相對分散，從空間格局上來看，僅在烏江北源流經的織金縣、黔西縣分布比較集中，畢節市、納雍縣、水城縣、威寧縣等幾個地區圖譜單元分布較少。另外，在空間上分布最分散的圖譜單元變化類型“草地→水域”（編碼34）變化率最低，階段變化最為穩定。

3．2．2005年—2010年土地利用變化圖譜特征

3．2．1．土地利用圖譜數量變化特征

2005年—2010年期間，共有15種土地利用變化圖譜發生變化（表3）。土地利用類型發生變化的總面積為15 566.7 hm2,其中變化最大的依舊是耕地的轉出面積，耕地轉換為林地的面積為10 543.41 hm2，變化比率為67.73%；耕地轉化為草地的面積共1 415.97 hm2，變化比率為9.10%；耕地轉化為水域的面積為396.09 hm2，變化比率為2.54%；耕地轉化為建設用地面積為414.631 hm2，變化比率為2.66%。建設用地的轉入面積主要來自于耕地、林地和草地，共計455.13 hm2，僅占變化總面積的2.92%。

圖1 2000年—2005年土地利用變化圖譜元空間分離度和變化比率Fig.1 Spatial variability and change ratio ofprofiles land use change fromthe year 2000 to 2005

2005年—2010年土地利用變化比率和空間分離度的分布如圖3所示。其中，土地利用變化比率較高的是耕地→林地（編碼12），空間分離度為16.18；草地→林地（編碼32）空間分離度為32.03；耕地→草地（編碼13）空間分離度為44.16；耕地→建設用地（編碼15）空間分離度為81.60；耕地→水域（編碼14）空間分離度為83.49。這幾類轉換類型的空間分離度接近，且空間分離度值較小，說明這幾類土地利用類型在此階段內轉入轉出量較大，且在空間分布上較為穩定，在空間上的離散程度較小。土地利用變化比率較小的類型是水域→草地（編碼43）、建設用地→水域（編碼54），并且這幾類土地相互轉換的空間分離度值較大，說明這幾種土地利用類型在此階段內轉入轉出的數量較小，但在空間分布的離散程度較為分散。

3．2．2．圖譜的空間差異

在2005年—2010年烏江北源土地利用變化圖譜中（圖4）共有15種類型的土地利用圖譜單元發生變化。其中，圖譜單元變化最顯著的依然是“耕地→林地”（編碼12），從空間分布上來看，圖譜單元在織金縣呈“星點狀”均勻分布，大方縣、赫章縣沿河地區呈“條帶”狀分布，納雍縣東部地區呈塊狀分布。其次，圖譜單元變化較為顯著的是“草地→林地”（編碼32），主要分布在織金縣南部地區。另外，在空間上分布最分散的圖譜單元變化類型“水域→草地”（編碼43）變化率最低。

圖2 2000 年—2005 年烏江北源土地利用變化圖譜Profiles of earth usage change inBeiyuan, Wujiang from the year 2000 to 2005

3．3．2000—2010年土地利用變化圖譜特征

3．3．1．土地利用圖譜數量變化特征

2000年—2010年土地利用類型發生變化（表4）的總面積為24 411.69 hm2。其中，變化面積最大的依然是耕地的轉出面積，在此階段內，耕地轉變為林地的面積為17 048.88 hm2，變化率為69.84%；轉化為草地的面積為2 187.18 hm2，變化率為8.96%；轉化為水域的面積為2 999.52 hm2，變化率為12.29%；轉化為建設用地的面積為497.61 hm2，變化率為2.04%。其余土地利用類型轉出轉入不明顯，變化比較穩定。

2000年—2010年土地利用變化率和空間分離度的分布如圖5所示。其中，土地利用變化率較高的是耕地→林地（編碼12）但是其空間分離度值較低，只有12.73，說明在這個階段研究區內耕地轉出為林地的量較大，且空間分布較為集中。草地轉換為耕地的比率較小，但空間分離度較大，達到5 538.72，說明在這一階段內，草地轉出為耕地的量較小且空間分布較為分散。

3．3．2．圖譜的空間差異

在2000年—2010年烏江北源土地利用變化圖譜（圖6）中共有13種類型的土地利用圖譜單元發生變化。其中，圖譜單元變化最顯著的依然是“耕地→林地”（編碼12），從空間分布上來看除畢節市、威寧縣外，流域內各區縣均有大量分布。其次，圖譜單元變化較為顯著的是“耕地→水域”（編碼14），主要分布在大方縣、織金縣以及黔西縣的沿河交界地帶。另外，圖譜單元變化最小的是“草地→耕地”（編碼31），分布面積較少，僅在大方縣北部有星點分布。

圖3 2005—2010年土地利用變化圖譜單元空間分離度和變化率Fig.3 Spatial variability and change ratio of land use change TUPU units in 2005 to 2010

3．4．耕地變化模式圖譜特征分析

2000—2010年烏江北源土地利用變化圖譜分析結果表明，圖譜單元變化總量最大、圖譜轉移最顯著的是耕地的占用與補充過程，其次是林地的占用與補充過程。為進一步探索研究區耕地和林地利用變化模式，利用2000年、2005年和2010年三期土地利用現狀數據，構建耕地、林地利用變化模式圖譜（圖7）來探究耕地、林地在每一變化模式的圖譜變化特征（表5）及其原因。由圖7和表5得知，烏江北源流域內耕地林地利用變化模式除穩定型外，以后期變化型為主，其次是前期變化型，反復變化型和持續變化型所占比例較小。耕地林地利用變化模式出現了明顯的時間序列特征。

圖42005 年—2010年烏江北源土地利用變化圖譜Fig.4 Profiles of land use change in Beiyuan,Wujiang from the year 2005 to 2010

3．4．1．前期變化型

由圖7可知，烏江北源流域耕地前期變化圖譜類型分布比較廣泛，其中在大方縣、織金縣以及黔西縣的沿河交界處分布最為集中，其余部分則沿烏江北源兩岸呈星點狀分布?？臻g格局上表現為“西疏東密”特征。在這一變化模式中“耕地→林地→林地”（編碼122）為主要轉移類型，面積達到了3 814.56 hm2，占本階段轉移總面積的的43.43%（表5）。

林地的前期變化型圖譜模式主要發生在流經大方縣、織金縣以及黔西縣沿河兩岸交界地區，成線狀分布，在這一變化模式中，林地的轉移類型以“林地→水域→水域”（編碼244）為主，面積為1 510.74 hm2，占本階段土地轉移總面積的17.2%。由此可見，在整個2000—2005年階段，耕地轉換為林地是本階段最突出的轉換類型，進一步驗證了本階段內退耕還林的成果效用性。

3．4．2．后期變化型

研究區后期變化圖譜類型分布最廣泛，由圖7可知，除赫章縣、威寧縣分布較少外，其余地區皆有豐富分布。尤其是烏江北源流經的納雍縣、織金縣沿河兩岸分布最為密集?？臻g格局上表現出“大聚居與小聚居”同時存在的情況。

研究區內林地后期變化圖譜類型分布較少，但耕地、林地的后期變化模式圖譜總面積12 853.89 hm2，是前期變化模式圖譜8 782.65 hm2的1.5倍，其次，“林地→林地→水域”（編碼224）面積43.65 hm2，僅占本階段轉移總面積的0.34%。由此可見，在此階段內，耕地轉移為林地的圖譜單元仍然是最突出的轉移類型，驗證了在2005—2010年階段內退耕還林效用持續性。

3．4．3．反復變化型和持續變化型

這兩類圖譜單元在空間分布上很少且非常不集中。由圖7可知，耕地的持續變化型的面積只有2 691.18 hm2，反復變化型面積更是少之又少，僅有1.35 hm2。反復變化類型中變化最大圖譜單元類型為“耕地→水域→耕地”（編碼141），圖譜面積為0.99 hm2。持續變化類型中變化最大圖譜單元類型為“耕地→草地→林地”（編碼142），圖譜面積為2 690.91 hm2。

表3 2005年—2010年土地利用變化圖譜Tab.3 Profiles of land use change from the year 2005-2010

林地反復變化型的面積只有0.63 hm2，持續變化類型面積更是少之又少，僅有0.27 hm2。可見在此階段內林地的轉移類型非常不突出。

圖5 2000年—2010年土地利用變化圖譜單元空間分離度和變化比率Fig.5 Spatial variability and change ratio of land use change from the year 2000 to 2010

表4 2000年—2010年土地利用變化圖譜Tab.4 Profiles of land use change from the year 2000-2010

表5 農林地土地利用變化模式圖譜特征Tab.5 Characteristics of Land Use Change Patterns in Agroforestry Land

圖6 2000年—2010年烏江北源土地利用變化圖譜Fig.6 Profiles of land use change in Beiyuan,Wujiang from theyear 2000 to 2010

圖7 耕地、林地利用變化模式圖譜Fig.7 Profiles of usage change of cultivated

4．結論

運用GIS和RS技術，基于地學信息圖譜理論與方法，分析烏江北源2000年、2005年、2010年三期土地利用變化時空特征得到以下結論。

（1）在2000年—2010年10年當中烏江北源流域土地利用變化以耕地與林地、耕地與草地以及耕地與水域之間的轉換為主要特征?？臻g分布主要在經濟發展水平好，政策引導及時的赫章縣和織金縣，空間分離度小，說明在赫章縣和織金縣分布比較集中，離散程度較小。10年之中，耕地轉化為林地的面積成上升趨勢，說明在此期間內退耕還林政策持續發揮作用。

（2）2000年—2010年期間，烏江北源農林地利用變化模式除穩定型外，以前期變化型和后期變化型為主，其中，畢節市、納雍縣東部，大方縣、織金縣、黔西縣大部變化最為明顯，說明在退耕還林政策的指引下，這幾個區縣的成果最為明顯。研究區內農林地利用的轉換有明顯的時間階段性特征。

本文應用的土地利用變化圖譜模型能夠把表現農林地利用空間單元特征的圖與表示農林地利用變化發展之起點與過程的譜有效統一起來，對農林地利用變化格局與過程起到一定的耦合作用。研究結果與現實情況基本一致，研究結論符合退耕還林政策對當地土地利用變化情況的指導效用。

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