1985—2014年大清河山區土地利用結構變化及其驅動力分析

祝冰潔 王剛 何曉燕 周曠 翁白莎 付曉娣

摘要：基于1985年、2000年、2014年3期土地利用數據，對大清河山區長期土地利用的時空格局變化特征進行分析，并討論土地利用變化的自然背景及經濟社會因素。結果表明，大清河山區各土地利用類型在1985—2000年總體保持穩定，而在2000—2014年變化較快;耕地面積持續減少，城鄉、工礦及居民用地面積持續增加，尤其2000年以來快速增長;林地規模總體不變，但其構成在2000—2014年間發生明顯變化，灌木林地大量轉化為有林地，高覆蓋草地面積比例也有所增加，林草地生態系統的穩定性增強;人類活動在大清河山區土地利用變化中起主導作用，在區域人口、經濟持續增長背景下，林草地的變化在一定程度上反映了相關政策在生態建設方面取得的積極成效。

關鍵詞：土地利用結構;時空格局變化;驅動力;大清河山區

中圖分類號：F323.21文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2020）22-0283-08

作者簡介：祝冰潔（1995—），女，河南固始人，碩士研究生，主要從事水文預報研究。E-mail：563146168@qq.com。

通信作者：王剛，博士，高級工程師，主要從事生態水文模擬與調控、水資源及水環境綜合管理等研究。E-mail：wanggang@iwhr.com。

土地利用/覆被變化（LUCC）是人類活動對地球表層系統影響的最直接表征[1]，其變化必然會引起自然水循環及其伴生的水化學過程、水生態過程和水沙過程發生變化，因而研究土地利用/覆被變化對水文系統、生態系統、洪水的影響具有重要意義，是全球環境變化與可持續發展研究的重要內容[2-8]。1992年聯合國制定的《21世紀議程》標志著國際上關于土地利用變化的研究正式開啟。1995年國際地圈生物圈計劃（IGBP）、國際全球環境變化人文因素計劃（IHDP）聯合提出“土地利用/覆被變化”研究計劃，進一步提出將土地利用過程、土地利用/覆被變化的自然及人文響應、全球和區域的綜合模型作為研究主題，至此土地利用/覆被變化研究成為眾多國際組織及國家全球變化研究的核心領域[9]。目前對土地利用/覆被變化研究主要集中在流域尺度，主要分析流域內土地利用/覆被的變化對區域水文循環、生態環境安全、洪水風險管理的影響[10-16];對于土地利用變化的評估一般采用動態變化度、趨勢度、土地利用綜合程度指數等指標進行評價以及利用因子分析法對其驅動力進行分析[17-20]。

生態建設等人類活動可快速改變土地利用/覆被變化的空間分布格局，或改變各類土地利用類型的轉換速度與平衡狀態[21]。20世紀80年代中期以來，太行山區開展了大規模的綠化工程，而大清河山區是太行山的重要組成部分，通過土地利用變化分析，尤其是關注林草地規模、結構、布局的變化，可以評估山丘區生態建設成效。同時，充分挖掘和發揮林草地天然生態系統等綠色基礎設施對水循環的調節作用，是最大限度減緩水患災害，系統解決流域水問題的有效途徑[22]。在大清河流域下游白洋淀地區有雄安新區，立足雄安新區的防洪安全，遵循水循環多過程在時間和空間上的水力聯系，從流域尺度、全過程洪水風險防控角度，選取大清河山區作為研究區具有典型性，可作為進一步開展生態海綿流域建設、坡面-河道系統自然調節能力評估等研究的基礎。

1研究區概況

大清河山區位于海河流域中部、太行山區西北部，地跨晉、冀、京3省（市），地理坐標為113°34′～116°10′E，38°18′～40°03′N，總面積1.85萬km2，其中在河北省保定市行政范圍內的面積超過60%。大清河系均發源于太行山迎風坡，分南北2支，呈扇形分布。主要河流有南支的潴龍河、唐河、漕河、瀑河，以及北支的易水河、拒馬河等。河道徑流自西向東經王快、西大洋、橫山嶺、口頭、龍門、安格莊等水庫調節后下泄，進入大清河淀西平原區，由白洋淀、東淀等洼淀滯蓄后進入大清河流域淀東平原區。太行山迎風區為我國大暴雨集中地帶，加之土石山區地形陡峻、植被土壤條件差，使得發源于此的大清河系洪水具有陡漲陡落、洪峰高、歷時[JP3]短的特點，極易形成特大洪水。歷史上曾發生“63·8”特大洪水，造成嚴重的洪澇災害。從洪水發生鏈路、風險防控角度，上游山區生態建設在一定程度上關系到下游雄安新區的防洪安全。研究區位置、河流水系、行政區劃等基本情況見圖1。

2材料與方法

2.1數據來源

本研究使用的1985年、2000年、2014年3期1∶10萬矢量土地利用數據來自中國科學院資源環境科學數據中心;用于流域氣象背景分析的流域及周邊地區11個氣象站點1960—2013年的逐日氣象數據，由國家氣象中心提供;用于社會經濟背景分析的保定市1985—2014年的人口、GDP等[JP3]資料，來自河北省統計局網站（http：//tjj.hebei.gov.cn/hetj/tjsj/）。

2.2研究方法

為了便于分析，按照我國現行土地利用分類標準，將研究區土地劃分為耕地、林地、草地、水域、居工地（城鄉、工礦、居民用地）、未利用土地等六大類。采用土地利用綜合程度指數、動態度、轉移矩陣、土地利用趨勢與狀態指數等分析大清河山區近30年的土地利用空間格局動態變化，采用景觀格局指數評價研究區景觀破碎化狀況及態勢。

2.2.1土地利用變化

土地利用綜合程度指數是一種將土地利用程度分級量化的分析方法，按土地類型賦予分級指數：未利用土地，分級指數為1;林地、草地、水域，分級指數為2;耕地、農工地分別為3、4，計算公式如下：

式中：La為土地利用綜合程度指數;Ai為第i級土地利用程度的分級指數;Ci為第i級土地利用程度的分級面積百分比;n表示土地利用程度級數。La值越大，表示土地利用程度越高，受人類活動影響越大。

土地利用轉移矩陣來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述[23]，是分析土壤類型在一定時段內相互轉移的一種有效工具。通過ArcGIS平臺對土地利用數據進行兩兩疊加分析，對所得的數據進行統計分析，獲得了土地利用轉移矩陣。進而可以按如下方法計算土地利用動態度和土地利用趨勢狀態指數。

土地利用動態變化是以各類土地利用面積在時間序列上的變化為基礎建立的分析方法，反映了區域土地利用變化的劇烈程度，單一土地利用動態度計算公式如下：

2.2.2景觀格局變化

景觀格局指數是指能高度濃縮的景觀格局信息，反映景觀結構組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標[25]。景觀格局分析分為3個水平的指數：斑塊（Patch）、斑塊類型（Class）、景觀（landscape），本研究從景觀水平上選擇4個指數：景觀分裂指數（Division）、分離度（SPLIT）、香農多樣性指數（SHDI）、香農均勻度指數（SHEI）作為評價指標。具體操作：先運用ArcGIS10.2導出土地利用類型柵格數據，然后借助Fragstats3.3軟件計算不同時期各柵格數據的景觀格局指數。

3結果與分析

3.1土地利用總體情況

由圖2、表1可知，根據3期土地利用數據，草地、林地、耕地的面積在各類土地利用類型中均占據前3位，林地和草地共占比75.8%～77.6%，耕地占比17.6%～19.4%，土地利用格局總體上沒有變化。1985—2000年，各類土地利用面積總體保持穩定，沒有表現出明顯的增加或減少趨勢。2000—2014年各類土地利用面積變化明顯，其中居工地增加604.28km2，面積占比由1.6%增加到4.8%;耕地、草地分別減少313.82、251.74km2，林地面積略有減少;水域面積增加，與1985年相當，未利用地面積約增加1倍。2014年大清河山區林草地總面積占比75.8%，耕地占比17.6%。

大清河山區土地利用程度總體處于中等水平，1985年、2000年、2014年土地利用程度綜合指數分別為222.05、222.29、227.10，表明盡管流域土地利用格局總體沒有太大變化，但流域土地開發活動始終處于增長期，1985—2000年呈現緩慢增長，而2000—2014年增長較快。

3.2土地利用動態變化分析

3.2.1土地利用轉移矩陣

利用ArcGIS10.2軟件對大清河山區1985年、2000年、2014年3期土地利用數據進行疊置，獲得土地利用變化數據，結果如表2、表3所示。1985—2000年和2000—2014年參與轉化土地類型總面積分別為153.87、985.05km2，分別占流域總面積的0.8%、5.3%，表明2000—2014年土地變化更為劇烈，各土地利用類型均參與轉化。1985—2000年，耕地、林地、草地均參與到向居工地的轉化當中，其中耕地轉化面積最大，為25.13km2;林地、草地間相互轉化的面積最大，且規模相當;水域主要轉化為耕地;居工地、未利用土地沒有向其他類型土地轉化。2000—2014年，耕地、林地、草地轉化為其他類型的土地中，均以居工地面積最大，其中耕地轉化為居工地的面積最多，達到294.38km2，是1985—2000年轉化面積的11倍以上。水域轉化的土地利用類型主要有未利用土地、耕地、居工地。居工地、未利用土地均發生向其他土地利用類型的轉化，且分別以向耕地和草地轉化面積最大。

3.2.2土地利用變化動態度及趨勢

根據土地利用轉移矩陣按式（4）、式（5）計算，得到大清河山區不同時期土地利用變化動態度及趨勢，如表4所示。1985—2000年、2000—2014年土地利用綜合動態變化度分別為0.0015%、0.1769%，土地類型變化狀態與趨勢指數分別為0.2049、0.3264，2個時段大清河山區土地利用變化態勢存在明顯差異。土地類型變化狀態與趨勢指數均未超過0.5，表明近30年來土地利用類型呈雙向轉換趨勢，總體變化接近平衡。1985—2000年的綜合動態變化度很小，耕地、林地、草地、水域面積變化呈微弱落勢狀態，其中林地和草地變化速率較小，轉入和轉出面積相差不大。居工地呈漲勢狀態，且變化速率相對較快，以單向轉化為主，轉入大于轉出趨勢。2000—2014年耕地、林地、草地面積變化仍呈落勢狀態，水域、居工地、未利用土地則呈漲勢狀態，尤以居工地面積變化速度最快，呈現出明顯的單向轉化為主的特點，轉入面積遠大于轉出面積。

3.3景觀格局變化分析

如表5所示，1985—2000年大清河山區整體的景觀格局指數變化不明顯，表明這一時期大清河山區總體的景觀格局變化不大。2000—2014年大清河山區斑塊數量、景觀分裂指數、分離度、香農多樣性指數及香農均勻度指數均增加且幅度較大，這表明該時段整體景觀正向小斑塊發展，景觀空間更加分散、各斑塊類型在景觀中呈均衡化趨勢。

1985—2014年林地總面積變化不大，但斑塊數量、景觀分裂指數減少，香農多樣性指數、香農均勻度指數整體增加，這說明林地由小斑快向大斑塊發展，空間分布趨于集中，各林地類型分布更加均勻。1985—2000年草地面積總體穩定，各景觀指數變化不明顯，2000—2014年草地面積減少較大，斑塊數量減少，但景觀分裂指數、香農多樣性指數及香農均勻度指數均增加，說明草地斑塊數量減少是由面積減少導致的，草地朝小斑塊發展，空間分布更加分散。

3.4林草地規模及構成變化

如表6、表7、表8所示，大清河山區林地主要以有林地和灌木林地為主，占全部林地面積的88.6%～89.3%，草地主要以高覆蓋度草地和中覆蓋度草地為主，占全部草地面積的83.2%～84.3%。1985—2000年各類林、草地面積變化較小，總體結構變化不明顯。2000—2014年盡管林地總面積變化不大，但其構成變化明顯，有林地面積增加了442.64km2，其中99.3%是由灌木林地面積轉化而來。2000—2014年草地總面積減少，高覆蓋度草地和低覆蓋度草地面積增加，其變化的面積均來自中覆蓋度草地的轉化。從林草地的規模、構成看，林地中有林地的比重及草地中高覆蓋度草地的比重均有增加，尤其是大量灌木林轉化為有林地，林草地生態系統的穩定性及其生態服務功能增強，太行山區生態建設取得積極成效。

3.5大清河山區土地利用變化影響因素分析

3.5.1自然因素

天然狀態下，流域土地利用變化能在一定程度上反映其自然本底狀況的變化。選取降雨、蒸發2個對林草地等雨養型生態系統影響最直接的指標進行分析。考慮自然因素有累積效應，在短時間內相對穩定，利用1960—2013年大清河流域氣象數據，采用Penman-Monteith公式計算日潛在蒸散量，經統計得到大清河流域1960—2013年年均降水量和潛在蒸散量（圖3）。年均降水量呈波動變化，整體變化趨勢相對穩定，其中在1985—2000年間及2000年后分別呈現一定的減少和增加趨勢。年均潛在蒸散量波動較大，整體呈現上升趨勢，尤其是從20世紀80年代中后期以來呈現明顯的增加趨勢。2000年我國北方地區持續高溫少雨發生大面積嚴重干旱[26]，這是2000年水域面積減少的主要原因。在1985—2000年期間降水量總體呈現下降趨勢，潛在蒸散量呈現反相位變化的情況下，林草地總體規模基本沒有變化，表明自然因素并不是影響大清河山區土地利用變化的主要原因。

3.5.2社會經濟因素

大清河山區60%的面積位于保定市內，本研究采用保定市1985—2014年的年末總人口數和地區生產總值（GDP）分析大清河山區社會經濟發展狀況。由圖4可知，1985—2014年人口數量和GDP持續增長，尤其是GDP在2000年以來增長速率大幅增加，這也是這一時期城鄉、工礦、居民用地面積爆發式增長的主要原因。人口、GDP的快速增長反映了流域人類活動的劇烈強度在增加，但在30年間大清河山區林草地面積、土地利用總體格局沒有發生大的變化，而且林草地生態系統有趨于穩定的態勢，充分說明太行山綠化工程等生態建設的努力實現了綠色資產的保值和增值。

4結論

本研究基于大清河山區1985、2000、2014年3期同一分辨率土地覆蓋數據，在ArcGIS10.2、Fragstats3.3平臺上進行土地利用轉移矩陣、景觀格局指數計算分析，并采用動態變化指數、趨勢指數等分析了1985—2000年、2000—2014年大清河流域土地變化情況。同時，對研究區長序列氣象資料和人口、經濟數據進行分析，得到以下結論：

（1）大清河山區土地利用類型主要以草地、林地、耕地為主，占流域總面積的90%以上，流域內土地開發活動始終處于增長期，1985—2000年呈現緩慢式增長，2000—2014年呈現爆發式增長。

（2）1985—2000年，草地、林地、耕地等各主要土地利用類型面積總體保持穩定，2000—2014年各類土地利用面積變化明顯，耕地、林地、草地面積變化的落勢較為明顯。1985—2014年，城鄉、工礦、居民用地呈漲勢狀態持續增長，尤以2000—2014年間的增長變化明顯，居工地增長面積是前一時段的19倍多。

（3）1985—2014年，林地總體規模基本不變，但2000年以來林地構成有明顯變化，大量的灌木林地轉化為有林地，并且林地斑塊數量、景觀分裂指數減少，而香農多樣性指數及香農均勻度指數增加;高覆蓋草地面積比例也有一定增加。林草地生態系統的穩定性呈增強趨勢。

（4）相對自然因素，人類活動是大清河山區土地利用變化的主導因素：一方面人口經濟增長促使城鄉、工礦、居民用地在一定范圍內急劇擴張;另一方面在山丘區開展的生態建設活動對林草地生態系統穩定起到了一定的積極作用。

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