1990—2018年赤水河流域土地利用變化分析

馬歡，馮朝陽，宋婷，計偉，楊嬌，李付杰

國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室，中國環境科學研究院

土地資源是人類賴以生存的物質基礎，土地利用/覆被變化(land use/cover change，LUCC)與地表物質循環和生命維持過程[1-3]密切相關，是人類經濟活動作用的直接反映。隨著經濟的發展，人類對土地資源的需求不斷擴大。進入20世紀90年代后，全球環境變化研究領域逐漸加強了對LUCC的研究，國際地圈生物圈計劃(IGBP)和全球變化人文因素計劃(IHDP)發布和推廣了一系列科學研究計劃，對LUCC的研究成為全球環境變化研究的熱點之一[4-5]。許多學者以省、市、縣以及流域、重點生態功能區等為研究尺度，開展不同時段區域土地利用變化研究，以了解區域在某個時間段內土地利用的演化過程及其變化方向[6-10]。如Liu等[11]對全國土地利用空間格局和時空特征進行研究，結果表明中國自20世紀80年代以來，土地利用變化呈現分階段的地域差異規律，林地面積先減后增，草地面積持續減少；李威等[12]分析了1980—2015年長江流域土地利用時空變化過程，發現長江流域耕地和草地面積也呈持續減少趨勢；伍星等[13-14]對長江上游土地利用的研究表明，2000年前林地、草地面積減少，2000年后建設用地等人工地表的面積明顯增加。

赤水河是長江上游重要的一級支流，隨著沿赤水河谷兩岸酒產業的發展，土地利用發生明顯的變化。為了落實長江大保護的國家戰略，促進長江經濟帶的良性發展[15]，對赤水河流域的土地利用變化進行分析，掌握其變化趨勢，有助于了解流域生態環境變化狀況。但目前對于赤水河全流域、長時間序列土地利用的研究較少。筆者獲取1990—2018年共7期LUCC數據，基于地理信息系統(GIS)和空間統計分析方法，分析赤水河流域土地利用空間分布特征及動態變化過程，旨在揭示近30年該區域人類活動對生態系統的影響，以期為赤水河流域生態保護與修復、自然資源管理等提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

赤水河是長江上游近50條主要支流中最重要的支流之一，也是生物多樣性豐富、自然景觀優美、革命歷史悠久的河流。流域位于云南、貴州、四川三省接壤地區，涉及云南省的鎮雄、威信，貴州省的遵義、七星關、大方、金沙、仁懷、習水、赤水、桐梓，以及四川省的敘永、古藺、合江13個縣(區、市)(圖1)。流域全長444.5 km，面積約為1.64萬km2。氣候類型為中亞熱帶-南亞熱帶濕潤氣候，溫暖濕潤、無霜期長、降水量大，年平均氣溫為13.1～17.6 ℃，多年平均蒸發量為456 mm，年平均降水量為749～1 286 mm，多年平均徑流量為97億m3。

圖1 赤水河流域行政區劃Fig.1 Administrative division of Chishui River Basin

1.2 數據來源

各期土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)，1990年、1995年、2000年的土地利用數據分辨率為1 000 m，2006年、2010年、2015年、2018年的分辨率為30 m。2006年、2018年土地利用數據分別是在2000年、2015年土地利用遙感監測數據的基礎上，基于Landsat 8遙感影像，通過人工目視解譯生成。中國科學院資源環境科學數據中心發布的數據是以美國陸地衛星Landsat TM/ETM遙感影像數據作為主要信息源，利用人機交換的方法進行目視解譯，建成的多時期土地利用/土地覆蓋專題數據庫[16]。該數據庫在LUCC研究中應用廣泛[17-18]，精度達到90%，可信度較高。由于分辨率不同，本研究主要針對赤水河流域土地利用大類開展分階段研究。其他經濟數據來源于各縣(區、市)國民經濟與社會發展公報(http://www.tjcn.org/tjgb/)。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣來源于系統狀態與狀態轉移的定量描述，可以直觀地反映土地利用類型變化的轉化量、結構特征及轉移方向[18]，其數學形式如下：

(1)

式中：Sij為研究時段初期i類土地利用類型到研究末期轉為j類土地利用類型的面積，km2；n為土地利用類型。轉移矩陣的每行數值總和表示研究初期該土地利用類型的總面積，代表該土地類型的轉移去向和面積；每列數值總和表示研究末期該土地類型的總面積，代表該土地類型的所有轉入類型及面積。

1.3.2土地利用動態度

土地利用動態度模型分為單一動態度(K)和綜合動態度(LC)，可定性和定量地描述土地利用的變化速率。本研究主要使用K來衡量某種具體土地利用類型在一定時間內的變化速度和幅度[19]。計算公式如下：

(2)

式中：Uai、Ubi分別為研究初期和研究末期土地利用類型i的面積，km2；T為研究時長。

1.3.3土地利用分類體系

由于土地利用數據出處、來源不同，考慮分析的準確性，按照GB/T 21010—2007《土地利用現狀分類》，根據赤水河流域的地域特點，對原始數據中的土地利用類型進行整合，最終獲得水田、旱地、林地、草地、水域、城鄉建設用地、未利用地七大類,包含若干亞類的土地利用類型數據(表1)。

表1 土地利用分類體系Table 1 Land use classification system

2 結果與分析

2.1 土地利用空間分布

1990—2018年赤水河流域土地利用分布如圖2所示。由圖2可知，林地是赤水河流域優勢土地利用類型，分布范圍最廣，其中赤水河流域北部赤水市、習水縣分布最多；水田集中分布在赤水河流域下游，在赤水河河谷零星分布；旱地在赤水河上游分布廣泛，上游分布面積多于下游；草地和城鄉建設用地多沿赤水河河谷分布，并且城鄉建設用地面積在2015年后明顯增多，而草地面積明顯減少，在仁懷市周圍區域表現明顯。

2.2 土地利用面積分布

1990—2018年赤水河流域土地利用面積變化如表2所示。由表2可知，赤水河流域林地面積分布最廣，多年平均面積占比為54.65%；其次是旱地，多年平均面積占比為29.39%；水田多年平均面積占比為8.21%，草地多年平均面積占比為6.17%；城鄉建設用地、水域和未利用地多年平均面積占比較小，分別為0.83%、0.72%和0.03%。

表2 1990—2018年赤水河流域土地利用面積變化Table 2 Change of land use area from 1990 to 2018 in Chishui River Basin

1990—2018年，林地、旱地、水田始終是赤水河流域主要的土地利用類型，但流域內各土地利用類型變化存在明顯差異。水田面積呈先減少后增長態勢，但整體較為穩定，1990—2006年基本穩定，2006—2015年出現較大幅度下降，而到2018年又增至2006年水平。旱地面積變化趨勢與水田正好相反，呈先增長后減少的趨勢，在1990—2006年基本穩定，但2006—2015年出現較大幅度增加，而2018年又降至2006年水平。林地面積呈小幅度增長趨勢，2018年較1990年增長8.92%；草地面積在2006年前較為穩定，之后大幅度減少，2018年較1990年減少97.26%；水域面積呈大幅增長趨勢，2018年較1990年增長105.69 km2，增長了139.07%；城鄉建設用地面積呈大幅度增長趨勢，2018年較1990年增長576.55 km2，增長了21.35倍；未利用地面積占比極小，基本保持穩定。

按照GB/T 21010—2007，土地利用類型一級分類中，耕地包含水田、旱地2種類型，對赤水河流域耕地面積進行統計，結果如圖3所示。由圖3可以看出，1990—2018年，水田和旱地面積變化趨勢相反，使得流域內耕地面積總體變幅較小，其中1995年耕地面積最小(6 572 km2)；2015年最大(6 880 km2)，各年平均值為6 707 km2，占流域總面積的37.61%，僅次于流域內林地面積分布。2000—2010年耕地面積呈先減少后增長趨勢，這是由于2000年以來地方實施退耕還林政策，并且后期農民為了滿足糧食生產需要增加耕地面積，導致耕地面積波動。

圖3 1990—2018年赤水河流域耕地面積變化Fig.3 Variation of cultivated land area from 1990 to 2018 in Chishui River Basin

2.3 土地利用變化

2.3.1動態度分析

赤水河流域土地利用類型動態度如表3所示。由表3可知，林地的動態度一直處于較低水平，變化速率緩慢；水田、旱地的動態度變化較為復雜，但2000年后水田、旱地動態度呈反向變化，說明赤水河流域耕地整體動態平衡；草地的動態度自2006年后持續為負值，且縮減速率逐漸擴大，2015—2018年達到-31.66；水域的動態度呈先增后降趨勢，2000—2006年達到峰值；城鄉建設用地自1995年后動態度持續大幅增加，始終保持較高水平，2015—2018年達到74.02；未利用地由于基數較小，動態度變化規律不具有統計學意義。

表3 赤水河流域土地利用類型動態度Table 3 Dynamic degree of various land use types in Chishui River Basin

2.3.2土地利用轉移分析

根據各土地利用類型的動態度分析，將赤水河流域1990—2018年的土地利用變化劃分為1990—2000年、2006—2015年、2015—2018年3個階段，基于ArcGIS進行3個階段土地利用類型的轉移矩陣分析，結果如圖4及表4～表6所示。由圖4可知，總體上，赤水河流域土地利用發生轉化的面積較大，且流域上游區域發生轉化的面積大于下游區域，其中，2006—2015年發生轉化的面積相對少于其他2個階段，而2015—2018年赤水河南岸金沙縣、仁懷市、習水縣的土地利用發生轉化的面積增多。未發生轉化的土地利用類型在空間上具有明顯的聚集性，主要集中在赤水市、習水縣、古藺縣交界區域，該區域屬于高山峽谷地形，石質山體的土壤層很薄，不適合開墾耕作以及人類其他活動，自然植被覆蓋率高，不易被改變。

圖4 不同時段赤水河流域土地利用變化空間分布Fig.4 Spatial distribution of land use change in Chishui River Basin in different periods

由表4可見，1990—2000年水田主要轉化為旱地、林地，轉化比例分別為46.30%、44.06%；旱地主要轉化為林地，轉化比例為67.35%；林地面積變化最大，主要轉化為旱地，轉化比例為65.47%；草地主要轉化為林地和旱地，轉化比例分別為48.89%、42.64%；水域和城鄉建設用地多轉化為旱地，轉化比例分別為49.78%、39.41%。各土地利用類型間轉化較多，但基本保持動態平衡，總量變化不大。

由表5可見，2006—2015年旱地和林地直接的轉化幅度加大，旱地轉化為林地比例為74.83%，林地轉化為旱地比例為80.26%，這主要是由于退耕還林政策的實施[20-22]，導致林地面積增加，水田面積減少，為了維持耕地平衡，增加旱地面積；草地與其他土地利用類型的轉化減少，城鄉建設用地與其他土地利用類型的轉化明顯增多，共有157.59 km2土地轉化為城鄉建設用地，這是由于經濟發展對建設用地需求增加導致的。

由表6可見，2015—2018年林地與旱地間轉化仍很大；另外，草地面積大幅減少，其主要轉化為林地，轉化比例為59.48%；城鄉建設用地面積較之前更快速上升，旱地、林地、草地向城鄉建設用地轉化明顯增多，共有504.80 km2土地轉化為城鄉建設用地，占城鄉建設用地總面積的83.64%，反映了城鎮化進程的加快，這與地區經濟發展情況相吻合[23]。

2.4 流域經濟發展分析

由表4～表6可知，赤水河流域城鄉建設用地擴張明顯，1990—2018年面積年增長速率持續升高，尤其是在2006年之后增長速率成倍增加，如2006—2010年為7.75 km2/a，2010—2015年為18.20 km2/a，2015—2018年為139.00 km2/a。經濟發展是城市空間擴張最直接的動力，經濟快速發展，帶動GDP和區域城市建設投資的增加，促進城市空間擴張，同時，城市空間的有序擴張又將帶動經濟進一步增長。基于赤水河流域13個縣(區、市)國民經濟與社會發展公報，對2006—2018年GDP進行統計，結果如表7所示。由表7可知，赤水河流域GDP總量增長速率逐年升高，2006—2010年為148.05億元/a，2010—2015年為251.36億元/a，2015—2018年為257.87億元/a。與城鄉建設用地增長速率相比，2015—2018年GDP增長速率有所減緩，表明建設用地單位面積經濟產出逐年降低，土地利用效率有待提高，土地資源緊缺問題凸顯。因此，在推進城市化發展進程的同時，要加強土地資源的保護與合理利用。

表4 1990—2000年赤水河流域土地利用轉移矩陣Table 4 Land use transfer matrix in Chishui River Basin from 1990 to 2000 km2

表5 2006—2015年赤水河流域土地利用轉移矩陣Table 5 Land use transfer matrix in Chishui River Basin from 2006 to 2015 km2

表7 2006—2018年赤水河流域各縣(區、市)GDPTable 7 GDP of each county in Chishui River Basin from 2006 to 2018 億元

3 結論

(1)1990—2018年赤水河流域最主要土地利用類型為林地，多年平均面積占比為54.65%，其次為旱地、水田、草地，多年平均面積占比分別為29.39%、8.21%、6.17%。林地分布廣泛，旱地多分布在赤水河上游，水田集中分布在赤水河下游的赤水市、合江縣，草地和城鄉建設用地沿河谷分布，未利用地面積極少。

(2)從1990—2018年赤水河流域土地利用空間變化來看，水田、旱地、林地面積波動變化，整體較為穩定，其中草地面積變化最大，減少了97.26%；其次為水域面積，增加了139.07%；城鄉建設用地面積自2010年后大幅擴張，2018年是1990年的21.35倍。

(3)1990—2000年土地利用類型的轉化集中在林地與旱地之間，其中2006—2015年、2015—2018年，林地與旱地間的轉化幅度加大，這主要受退耕還林政策的影響，其他土地利用類型間的轉化也多于1990—2000年，尤其是城鄉建設用地；2006年之后旱地、林地、草地向城鄉建設用地轉化明顯增多，其中2015—2018年共有504.80 km2土地轉化為城鄉建設用地，占城鄉建設用地總面積的83.64%。

(4)2006—2018年，流域GDP以201.74億元/a的速度快速增長，城鄉建設用地面積也快速增長，反映了區域內經濟發展帶來的城市擴張，但經濟增長速度逐年減緩，土地資源利用效率有待提高。協調好保護和開發的關系對于推動赤水河流域健康和可持續發展極為重要。