丹江口水庫核心水源區(qū)土地利用變化特征研究

李明蔚 馬方正

摘要 丹江口市是南水北調中線工程核心區(qū)，其土地利用變化對丹江口水庫水質有重要影響。基于丹江口市2007、2012、2017年遙感影像，人機交互解譯獲取3期土地利用數(shù)據(jù)，構建0～1 km、>1～13 km、>13～36 km緩沖區(qū)，定量和定性方法相結合，綜合分析2007—2017年丹江口市土地利用時空變化特征。結果表明：①研究區(qū)土地利用類型以林地和農地為主，土地利用變化速度2012—2017年大于2007—2012年;土地利用變化速度由大到小依次是>1～13 km緩沖區(qū)、0～1 km緩沖區(qū)、>13～36 km緩沖區(qū);農地面積持續(xù)減少，建設用地面積持續(xù)增長。②土地利用類型轉移面積由大到小依次是>1～13 km緩沖區(qū)、0～1 km緩沖區(qū)、>13～36 km緩沖區(qū)，0～1 km緩沖區(qū)內，主要是農地轉變?yōu)榱值亍⒉莸睾退?>1～13 km緩沖區(qū)內，農地、林地和草地相互轉變，建設用地持續(xù)增加;>13～36 km緩沖區(qū)內，主要是農地、林地和草地的轉變。③研究區(qū)土地利用程度由大到小依次是>1～13 km緩沖區(qū)、0～1 km緩沖區(qū)、>13～36 km緩沖區(qū);0～1 km緩沖區(qū)土地利用程度降低，土地開發(fā)利用減弱;>1～13 km緩沖區(qū)處于土地利用發(fā)展期，土地開發(fā)利用逐漸增大;>13～36 km緩沖區(qū)土地利用程度變化很小。

關鍵詞 土地利用;變化特征;丹江口市

中圖分類號 F 301.24? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）23-0092-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.23.025

Spatio-temporal Variability Characteristics of Land Use in Key Water Source Area of Danjiangkou Reservoir

LI Ming-wei， MA Fang-zheng

（College of Resources and Environmental Science，Hubei University / Hubei Key Laboratory of Region Development and Environment Response， Wuhan，Hubei 430062）

Abstract Danjiangkou City is the central water source area of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion in China， the land use change has a significant impact on the water quality of Danjiangkou Reservoir. In order to analyze spatio-temporal LUCC in Danjiangkou City from 2007 to 2017，the authors took the remote sensing images of the year in 2007， 2012 and 2017 as the main data sources，acquired the LUCC information of Danjiangkou City by using man computer interactive image processing methods，constructed 0-1 km， >1-13 km and 13-36 km buffer zones ，and combined method of qualitative and quantitative analysis. The results showed that： ①The main type of land use in the study area is woodland and farmland. The rate of land use change is 2012-2017>2007-2012;the rate of land use change in descending order is >1-13 km buffer zone， 0-1 km buffer zone， >13-36 km buffer zone.In the past 10 years， construction land increased significantly， while the farmland showed a trend of decrease.②The transfer area of land use types in descending order is >1-13 km buffer zone， 0-1 km buffer zone， >13-36 km buffer zone. Within the area of 1-13 km，it is mainly exchanges between farmland， woodland and grassland. Within the range of 13-36km， it is mainly the mutual transformation of farmland， woodland and grassland.③ The degree of land use in the study area in descending order is >1-13 km buffer zone， 0-1 km buffer zone， >13-36 km buffer zone.It is the decline phase of land use in the range of 0-1km，and the land development intensity gradually weakened. It is the development period of land use， and the land development intensity gradually increased.

Key words Land use;Change characteristics;Danjiangkou City

基金項目 國家自然科學基金項目（41471227）。

作者簡介 李明蔚（1995—），女，山東日照人，碩士研究生，研究方向：水土資源利用。

收稿日期 2021-03-16

土地利用變化是全球變化中最普遍活躍的地球景觀現(xiàn)象之一[1]，因而是全球變化研究的熱點問題之一。相關研究主要集中在土地利用變化與環(huán)境變化之間的聯(lián)系[2-3]，土地利用模型模擬及變化預測[4-5]和驅動因素研究[6-7]等方面。國內對于土地利用變化的研究主要是3S技術，對土地利用過程、空間差異等方面發(fā)生的變化以及驅動力進行分析[8-9]。土地利用變化過程主要利用土地利用轉移矩陣、動態(tài)度、土地利用程度等方法，對土地利用轉變方向、變化速度和程度變化等方面進行分析[10-11];土地利用空間變化主要通過景觀格局指數(shù)和土地利用重心模型等方法進行研究[12-13];土地利用變化驅動力方面主要研究社會因素對土地利用變化的影響，一般通過定量分析方法對人口、經(jīng)濟等因素進行分析[14]。上述研究多集中在經(jīng)濟發(fā)展迅速的地區(qū)或城市周邊，而對水環(huán)境有重要影響的水源地土地利用變化的研究尚較少。

丹江口市是南水北調中線工程的核心水源區(qū)，其土地利用變化對丹江口庫區(qū)生態(tài)環(huán)境及水源地水質有重要影響。該研究以2007、2012、2017年3期遙感影像為基礎，利用RS和GIS技術對丹江口市土地利用變化進行分析，以期為保護丹江口水源地和生態(tài)建設提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

丹江口市隸屬湖北省十堰市，東臨老河口市，西連十堰市城區(qū)，南接房縣，東南與谷城縣接壤，西北倚鄖縣，東北與河南省淅川縣交界。土地總面積3 121 km2，東西長73 km，南北長81 km。

丹江口市地處漢江中上游，漢江自西向東穿過境內，也是我國南水北調中線工程的核心水源區(qū)，素有“中國水都，亞洲天池之稱”。地勢懸殊，南北高，中間低，平均海拔400 m。屬亞熱帶季風氣候，四季分明，年均降水量為750～900 mm。土壤類型主要有水稻土、紫色土、棕壤、黃棕壤和潮土。植被以落葉闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林為主。

丹江口市下轄4個街道，12個鎮(zhèn)及武當山旅游經(jīng)濟特區(qū)（即湖北省武當山風景區(qū)）。常住人口46.38萬，2017年地區(qū)生產總值225.14億元。

1.2 數(shù)據(jù)來源 該研究以丹江口市2007、2012、2017年3期Landsat系列遙感影像為數(shù)據(jù)源，空間分辨率為30 m，來源于美國地質調查局USGS（United States Geological Survey，https：earthexplorer.usgs.gov）。DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺（www.gscloud.cn）。在ENVI 5.1和ArcGIS 10.2平臺支持下，人機交互相結合獲取3期丹江口市土地利用數(shù)據(jù)，并利用Google Earth高分辨率影像進行精度檢驗，滿足研究需求。土地利用分類根據(jù)《全國土地分類（試行）》和丹江口市實際情況劃分為6類：農地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地。

1.3 研究方法

1.3.1 緩沖區(qū)劃分。以丹江口水庫平水位為基礎劃分0～1 km、>1～13 km、>13～36 km緩沖區(qū)，并以此為統(tǒng)計單元分別計算丹江口市2007、2012、2017年土地利用變化速度、轉變方向和程度方面相關指數(shù)，綜合分析丹江口市土地利用變化特征因水源區(qū)內距水體距離不同而產生的地域差異。

1.3.2 土地利用動態(tài)度。

（1）土地利用單一動態(tài)度。土地利用單一動態(tài)度是指研究區(qū)某一土地利用類型單位時間內變化速度的情況。其表達式如下：

Q=Kb-KaKa×1T×100%

式中，Q表示研究區(qū)土地利用單一動態(tài)度;Ka、Kb表示研究時段內期初和期末某一土地利用類型的面積;T表示研究時段。

（2）土地利用綜合動態(tài)度。土地利用綜合動態(tài)度能夠反映研究區(qū)所有土地利用類型在整個監(jiān)測時段內的整體變化速率及劇烈程度。其表達式如下：

G=mn=1（ΔSi-j/Si）×1t×100%

式中，G表示研究區(qū)土地利用綜合動態(tài)度;ΔSi-j表示監(jiān)測時段內第i類土地利用類型轉化為非i類面積總和;t為研究時間段。

1.3.3 土地利用轉移矩陣。土地利用轉移矩陣能夠表征各土地利用類型流入與流出面積的大小、結構特征及各土地利用類型變化方向，反映土地利用類型動態(tài)變化的過程。其表達式如下：

Aij=A11…A1n

An1…Ann

式中，Aij為研究區(qū)某一土地利用類型i轉移到j類的面積;n為土地利用類型數(shù)目。

1.3.4 土地利用程度。土地利用程度可反映研究區(qū)土地利用的綜合水平，包括廣度和深度。根據(jù)劉紀遠等提出的土地利用程度分級，將土地利用劃分為4級（表1）[15]。土地利用程度以其綜合指數(shù)表示，其表達式如下：

L=100×ni=1Ai×Ci

土地利用程度變化指數(shù)可反映研究區(qū)土地利用程度的變化，其表達式[22]為

ΔLb-a=Lb-La=100×∑ni=1（Ai×Cib）-ni=1（Ai×Cia）

式中，L為研究區(qū)土地利用綜合程度指數(shù);i為土地利用分級數(shù);Ai為等i級土地利用程度分級指數(shù);Ci為i等級土地利用程度面積所占百分比;ΔLb-a為土地利用程度變化指數(shù);La和分別為a時期和b時期研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù);Cia和Cib分別為i等級土地利用程度a時期和b時期面積所占百分比。

2 結果與分析

2.1 土地利用現(xiàn)狀 丹江口市土地利用類型差異明顯。從空間上來看，丹江口市林地分布廣泛，草地主要分布在南部和北部，農地主要在中部和北部，建設用地集中分布在東部和中西部。從面積上來看，土地利用類型以林地為主，2017年占總面積的65.75%，耕地面積次之，占總面積的15.82%，水域占總面積的10.16%，草地占5.62%，建設用地和未利用地占區(qū)域面積的2.64%。

2.2 土地利用變化

2.2.1 土地利用速度變化。在圖1中，0～1 km緩沖區(qū)內，2007—2012年土地利用絕對變化量表現(xiàn)為農地>林地>建設用地>未利用地>水域>草地。林地和建設用地呈上升趨勢，增長速度分別為0.13%和1.67%;農地減少量最大，達3.07 km2，草地、水域和未利用地變化很小。2012—2017年，土地利用絕對變化量表現(xiàn)為農地>水域>林地>建設用地>草地>未利用地。林地、建設用地和水域面積都有不同程度的增加，增加速度分別為0.37%、3.54%和0.84%，水域的增加量最大，達11.77 km2;農地和草地呈減少趨勢，其中農地面積急劇減少，減少了17.20 km2。研究期間農地持續(xù)減少，且減少速度不斷加快，水域不斷增加，且增加速度不斷增大，主要是由于此期間丹江口水庫大壩加高，水庫蓄水，淹沒大量農地。

>1～13 km緩沖區(qū)內，2007—2012年土地利用絕對變化量表現(xiàn)為農地>草地>建設用地>林地>水域>未利用地。農地面積減少量最大，為25.06 km2;林地、草地和建設用地面積增加，建設用地的增長速度最快，達3.96%，林地的增長速度最為緩慢，為0.12%，水域和未利用地面積變化較小。2012—2017年土地利用絕對變化量表現(xiàn)為農地>林地>建設用地>草地>水域>未利用地。農地和草地呈減少趨勢，分別減少12.53和8.71 km2，草地的減少速度最大，達1.69%;林地、建設用地和水域呈增長趨勢，分別增長9.97、8.92和2.86 km2，建設用地的增長速度最大，達3.92%，其次是水域，為3.48%。研究期間，農地不斷減少，但減少速度逐漸放緩，受庫區(qū)生態(tài)建設和城鎮(zhèn)化的影響，林地、建設用地和水域不斷增加，其中水域的增長速度迅速上升。

>13～36 km緩沖區(qū)內土地利用變化量較少，主要是2012—2017年農地和林地的減少，以及草地和建設用地的增加。

總體來看，2012—2017年土地利用變化速度遠大于2007—2012年，分別為12.16%和29.34%。2007—2012年綜合土地利用動態(tài)度由大到小的區(qū)域依次是0～1 km、>1～13 km、>13～36 km緩沖區(qū)。0～1 km緩沖區(qū)內土地利用變化速度最快，>13～36 km緩沖區(qū)內土地利用變化很小;2012—2017年綜合土地利用動態(tài)度由大到小的區(qū)域依次是>1～13 km、0～1 km、13～36 km緩沖區(qū)。>1～13 km緩沖區(qū)內土地利用變化最頻繁，>13～36 km緩沖區(qū)內相對變化速度較慢。

2.2.2 土地利用方向變化。基于2007、2012和2017年3期土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS進行疊加分析，構建2007—2012年、2012—2017年丹江口市土地利用類型變化分布圖（圖2）和土地利用轉移矩陣（表2、3），分析各土地利用類型轉移方向。

2007—2012年，土地利用類型轉變面積由大到小的區(qū)域依次是>1～13 km、0～1 km、>13～36 km緩沖區(qū)。0～1 km緩沖區(qū)主要是農地轉變?yōu)榱值兀@表明生態(tài)環(huán)境逐漸改善，其他土地利用類型轉變較小。>1～13 km緩沖區(qū)主要是農地、林地、草地的轉出和林地、草地、建設用地的轉入。農地轉出面積最大，主要轉變?yōu)椴莸亍⒘值睾徒ㄔO用地，分別轉出16.13、5.31和3.04 km2。草地是面積變化的第二的地類，主要轉變?yōu)榱值睾徒ㄔO用地，農地是其面積增加的主要來源。建設用地面積逐漸增加，轉入7.53 km2，主要是由農地、林地和草地轉變而來。>13～36 km緩沖區(qū)土地利用變化較小。

2012—2017年，土地利用類型轉變面積遠大于2007—2012年，轉變面積由大到小的區(qū)域依次是>1～13 km、0～1 km、>13～36 km緩沖區(qū)。0～1 km緩沖區(qū)內，農地面積變化最大，轉出18.63 km2，轉入1.43 km2，主要轉變?yōu)榱值睾退颍@表明丹江口庫區(qū)退耕還林政策效果明顯，生態(tài)環(huán)境改善。林地主要轉變?yōu)樗颍计滢D出量的66.99%。受丹江口水庫蓄水的影響，水域面積增大，農地、林地和草地的轉入是其三大來源，分別占轉入量的46.90%、35.51%和16.14%。>1～13 km緩沖區(qū)內，主要是農地、林地和草地三者之間相互轉變，以及建設用地的轉入。農地面積持續(xù)減少，主要轉變?yōu)榱值睾徒ㄔO用地，分別轉出12.64和4.38 km2。林地面積增加9.96 km2，其主要原因是農地和草地的轉入量26.49 km2遠大于轉變?yōu)檗r地、草地和建設用的轉出量16.03 km2。建設用地面積增長8.92 km2，轉出量較少，主要是由農地、林地和草地轉變而來，此緩沖區(qū)范圍內建設用地轉入面積占其轉入總面積的68.34%，這表明此緩沖區(qū)范圍內隨著城鎮(zhèn)化速度的加快，社會經(jīng)濟快速發(fā)展。>13～36 km緩沖區(qū)內主要是農地、林地和草地之間的轉變，以及建設用地的增加，其轉變面積遠小于>1～13 km緩沖區(qū)。

2.2.3 土地利用程度變化。以丹江口市0～1 km、>1～13 km、>13～36 km緩沖區(qū)為統(tǒng)計單元，計算丹江口市2007年、2012年、2017年土地利用程度綜合指數(shù)，并在此基礎上得到丹江口市2007—2012年、2012—2017年土地利用程度變化指數(shù)（圖3）。研究期間，0～1 km緩沖區(qū)內，土地利用程度變化小于0，土地利用程度呈持續(xù)下降的趨勢。2012—2017年土地利用減小程度遠大于2007—2012年，表明2012—2017年土地利用程度降低加快，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善。>1～13 km緩沖區(qū)內，土地利用變化程度大于0，土地利用程度呈持續(xù)增長的趨勢，表明該區(qū)域處于土地利用發(fā)展期，土地開發(fā)加大，建設用地增加，經(jīng)濟發(fā)展較快。>13～36 km緩沖區(qū)內，2007—2012年土地利用程度變化大于0，土地利用程度呈上升趨勢，表明該區(qū)域開發(fā)利用逐漸加大。2012—2017年土地利用程度變化小于0，土地利用程度降低。

3 結論

該研究基于丹江口市2007、2012、2017年3期遙感影像，采用多種土地利用變化模型，綜合分析丹江口市土地利用變化特征。

丹江口市土地利用變化速度2012—2017年遠大于2007—2012年。2007—2012土地利用變化速度由大到小的區(qū)域依次是：0～1 km緩沖區(qū)、>1～13 km緩沖區(qū)、>13～36 km緩沖區(qū);2012—2017年土地利用變化速度由大到小的區(qū)域依次是>1～13 km緩沖區(qū)、>0～1 km緩沖區(qū)、>13～36 km，受退耕還林政策及城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，整個研究期間耕地面積不斷減少，建設用地不斷增加，其他土地利用類型面積互有增減。

丹江口市土地利用轉變方向主要是農地、林地和草地之間相互轉化，以及建設用地和水域的轉入。0～1 km緩沖區(qū)內，受丹江口大壩加高影響，主要是農地轉變?yōu)榱值亍⒉莸睾退颉?gt;1～13 km緩沖區(qū)內，農地、林地和草地相互轉化，建設用地的轉入主要集中在此范圍內，且增長速度不斷加快。>13～36 km緩沖區(qū)內，土地利用變化相對較少，2012—2017年土地利用轉變面積增加，主要是農地、林地和草地的轉變。

土地利用程度變化主要在0～1 km和>1～13 km緩沖區(qū)內。0～1 km緩沖區(qū)內土地利用程度持續(xù)降低，土地開發(fā)利用減弱;>1～13 km緩沖區(qū)內土地利用程度持續(xù)增長，土地開發(fā)利用逐漸增大。

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