汾河上游土地利用類型動態(tài)變化研究

馬曉勇，張國信，黨晉華，梁博，張峰

（1.山西省環(huán)境科學(xué)研究院，山西 太原 030027；2.山西大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基本條件，是社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)［1］.人類進入20世紀以來，社會經(jīng)濟不斷飛速發(fā)展，同時也造成環(huán)境污染、水土流失、植被退化等一系列生態(tài)問題.森林、濕地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)面積逐年減少，建設(shè)用地等生態(tài)系統(tǒng)面積逐年增加，生態(tài)系統(tǒng)的平衡已被打破.保護生態(tài)環(huán)境，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量已成為當今社會一項重要而緊迫的任務(wù).土地利用／覆被變化是生態(tài)環(huán)境變化的核心研究主題之一，土地利用及其變化信息已成為研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù).目前，國內(nèi)外學(xué)者研究主要集中在土地利用／覆被變化信息獲取、變化機制研究和對其他環(huán)境要素的影響等方面，主要問題包括數(shù)據(jù)的規(guī)范化、尺度轉(zhuǎn)換、跨學(xué)科和人類影響因素定量化等［2］，對于以行政界劃分的汾河上游地區(qū)，目前還未進行過大時間尺度的研究.

遙感技術(shù)具有宏觀、綜合、動態(tài)和快速的特點，在GIS平臺的支持下，已經(jīng)成為資源開采、環(huán)境變化等區(qū)域性和全球性問題的重要研究手段［3］.

汾河是黃河的第二大支流，也是三晉人民的母親河.汾河發(fā)源于晉西北寧武縣西南管涔山雷鳴寺上游，由北向南縱貫山西省.流域面積約為39471km2.從行政區(qū)域劃分，汾河上游是指寧武、靜樂、嵐縣和婁煩四縣，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的好壞直接關(guān)乎汾河的水量及水質(zhì)，可以為管理部門行政監(jiān)管汾河流域生態(tài)環(huán)境提供決策性依據(jù).1990-2010年是我國經(jīng)濟社會高速發(fā)展的時期，研究這一時期的汾河上游地區(qū)土地利用及其變化，建立該時期生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，對于加強汾河上游生態(tài)環(huán)境保護與建設(shè)，促進汾河流域及山西省社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

1 遙感監(jiān)測技術(shù)方法

1.1 數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)選取1990年Landsat TM數(shù)據(jù)和2010年Landsat TM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m.數(shù)據(jù)時相均為8月，影像時相一致.輔助數(shù)據(jù)選取研究區(qū)1∶50000地形圖、研究區(qū)行政矢量電子數(shù)據(jù)和相關(guān)年份統(tǒng)計資料.

1.2 遙感影像處理

應(yīng)用ENVI4.7影像處理軟件，將兩期TM數(shù)據(jù)4、3、2波段合成為假彩色影像，在研究區(qū)1∶50000地形圖基礎(chǔ)上，應(yīng)用雙線性內(nèi)插法對2010年研究區(qū)影像進行幾何糾正.再以2010年研究區(qū)影像為基礎(chǔ)，采用相同方法，對1990年研究區(qū)影像進行糾正，對兩期影像進行鑲嵌和影像裁切后見圖1.

圖1 研究區(qū)遙感影像圖Fig.1 Remote sensing image of research area

1.3 遙感影像解譯

借鑒土地利用遙感調(diào)查分類體系［4-7］，結(jié)合遙感影像的地面分辨率和汾河上游生態(tài)環(huán)境的實際狀況，將汾河上游的生態(tài)環(huán)境劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地等6類（表1）.根據(jù)生態(tài)環(huán)境類型的影像特征及其地理分布特點，應(yīng)用ENVI軟件非監(jiān)督分類模塊的屬性編輯器確定其類別屬性，進行人機交互解譯，即將非監(jiān)督分類后的分類屬性表經(jīng)光譜聚類處理轉(zhuǎn)化成適用于監(jiān)督分類的分類模板［8］，而后進行監(jiān)督分類.對于碎斑，采用聚類統(tǒng)計的方法按照統(tǒng)計結(jié)果將剔除的小圖斑合并到相鄰最大地類中，最后將各分類圖斑的屬性值恢復(fù)為原始分類編碼，完成分類后處理［9］.在研究區(qū)選取200個檢驗點，采用目視解譯的檢驗方法，對分類結(jié)果進行檢驗，經(jīng)驗證，1990年影像分類精度為78.34%，2010年影像分類精度為80.12%，滿足分類精度的要求，兩期土地利用圖如圖2（P310）.

表1 汾河流域土地利用類型分類系統(tǒng)表Table 1 Land use classification systems in Fenhe River Basin

2 生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查及動態(tài)變化分析

通過遙感影像處理及解譯，汾河上游地區(qū)兩期土地利用數(shù)據(jù)見表2（P310）.應(yīng)用ARCGIS軟件進行土地利用類型及其動態(tài)變化判讀、矢量數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，建立土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫.采用ARCGIS空間分析TabulateAreas模塊對土地利用類型分類圖進行分析，得到1990-2010年轉(zhuǎn)移矩陣.汾河上游地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見表3（P310）.

圖2 研究區(qū)土地利用圖Fig.2 Land use map of research area

表2 汾河上游土地利用面積遙感調(diào)查結(jié)果Table 2 Area of upper reaches the Fenhe river land use by remote sensing

表3 汾河上游地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Land use transfer matrix of the area of upper reaches the Fenhe river

2.1 汾河上游土地利用現(xiàn)狀

由表2可以看出，2010年汾河上游土地利用現(xiàn)狀具有以下特點.

（1）汾河上游生態(tài)環(huán)境類型以林地和草地為主，耕地、未利用地、建設(shè)用地和水域面積較少.林地和草地面積分別占研究區(qū)土地總面積的24.48%和42.88%，植被覆蓋度高，耕地、未利用地、建設(shè)用地和水域面積之和僅占研究區(qū)土地總面積的33.14%，尤其可以看出，汾河上游生態(tài)環(huán)境受人類活動影響較小.

（2）汾河上游耕地主要分布于嵐縣，占全部耕地面積的89.65%，其地勢平坦，適合谷物的種植，其余耕地基本上沿汾河河道兩側(cè)均勻分布，類型為山區(qū)旱地.

（3）汾河上游林地主要分布于汾河河道西北一側(cè)的蘆芽山自然保護區(qū)內(nèi)的森林生態(tài)系統(tǒng)，是汾河源頭的主要水源涵養(yǎng)地.

（4）汾河上游草地占研究區(qū)總面積的42.88%，是面積最大的地類，主要分布于汾河河道兩側(cè)的山地，分布較均勻.

（5）汾河上游水域特點是水庫水域面積較大，占研究區(qū)水域總面積的86.24%，主要是汾河水庫.河流水域面積較小，占研究區(qū)水域總面積的13.76%.

（6）建設(shè)用地主要以城鎮(zhèn)建設(shè)用地為主，農(nóng)村居民用地面積較少，建設(shè)用地多集中于研究區(qū)的各縣城所在地周圍.

（7）汾河上游未利用土地主要分布于汾河河道兩側(cè)的山地，多為裸巖地.

2.2 汾河上游土地利用動態(tài)變化分析

通過對兩期遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較可以看出，汾河上游土地利用動態(tài)變化具有以下特點.

（1）耕地面積明顯減少.與1990年相比，2010年汾河上游耕地面積減少了75.28km2.耕地面積的1.97%、3.31%、4.04%分別轉(zhuǎn)化為林地、草地和建設(shè)用地.造成耕地面積減少的主要原因是城鎮(zhèn)化建設(shè)和退耕還林還草，建設(shè)用地占用主要為平原地區(qū)耕地，林草占用主要為坡耕地.在嵐縣等平原區(qū)要堅守耕地紅線，在保證耕地數(shù)量的同時提高耕地質(zhì)量，合理控制建設(shè)用地對基本農(nóng)田的侵占；在坡度較大等不適宜耕種的地區(qū)要繼續(xù)堅持退耕還林還草政策，加強土地水土保持能力.

（2）林地面積總體呈增長趨勢.與1990年相比，2010年汾河上游地區(qū)林地面積增加了124.36km2，林地面積的5.66%、1.13%、1.85%分別來自草地、耕地和未利用地，可以看出林地增加的原因是植樹造林和退耕還林.在蘆芽山自然保護區(qū)內(nèi)林地面積無明顯增減，森林生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定.林地增加部分主要為汾河河道東南側(cè)的山地人工林，有效提高了該區(qū)域的水源涵養(yǎng)能力，在該區(qū)域應(yīng)進一步加強人工林的種植.

（3）草地面積總體呈增長趨勢.與1990年相比，2010年汾河上游地區(qū)草地面積增加了33.91km2，草地面積的1.03%、1.17%、2.45%分別來自林地、耕地和未利用地，可以看出草地增加的原因是自然演替、退耕還草和人工播種.草地面積新增地區(qū)主要是位于嵐縣、靜樂和婁煩三縣交界汾河河道兩側(cè)的山地地區(qū)，主要由未利用地變化而來.由此可見，草地面積的總體增長使得汾河上游地區(qū)植被覆蓋度和水源涵養(yǎng)功能都得到了提高.

（4）水域面積增加.與1990年相比，2010年汾河上游地區(qū)水域面積增加38.10km2，汾河河流水域面積在20a間無明顯增減變化，水域面積的20.41%來自于未利用地，增加部分主要來自于汾河水庫清淤、加強堤壩及沿岸生態(tài)建設(shè)，汾河水庫已成為調(diào)節(jié)汾河水量，保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要保證，因此應(yīng)加強水庫周邊未利用地的綠化力度，增加水庫蓄水量.

（5）建設(shè)用地動態(tài)變化幅度較大.與1990年相比，2010年建設(shè)用地面積增加了42.05km2，增幅為40.26%，是變化幅度最大的地類，增加區(qū)域主要為縣城周邊區(qū)域，反映出了研究區(qū)域20a來的城市化進程，增加原因是隨著研究區(qū)20a間經(jīng)濟的增長和人口的增加對建設(shè)用地的剛性需求.建設(shè)用地面積的41.37%由耕地轉(zhuǎn)化而來，多為平原地區(qū)耕地資源，使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受到進一步的擠壓，不利于各系統(tǒng)間的平衡發(fā)展，應(yīng)當加強對建設(shè)用地擴張的控制，協(xié)調(diào)好經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護之間的關(guān)系.

（6）未利用土地面積大幅度減少.與1990年相比，2010年未利用地面積減少了163.14km2，未利用地減少的原因主要是自然演替和植樹造林.從未利用地的現(xiàn)有面積來看，汾河上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護能力還有進一步提高的潛能.

3 結(jié)論

1.汾河上游生態(tài)環(huán)境類型以草地和林地為主，占研究區(qū)總面積的66.86%，耕地、未利用地、建設(shè)用地和水域面積僅占研究區(qū)土地總面積的33.14%，汾河上游生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀受人類活動影響較小.

2.汾河上游土地利用動態(tài)變化的主要特點是耕地面積明顯減少，建設(shè)用地顯著增加，增幅最大；林地面積和草地面積增加但增幅不大；水域面積增加，未利用地大幅度減少.

3.汾河上游土地利用流向的主要特點是耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地及林地和草地，分別占原耕地面積的4.04%、1.97%和3.31%；建設(shè)用地主要由耕地轉(zhuǎn)化而來，建設(shè)用地面積的41.37%來自耕地，林地和草地增加的面積主要來自于耕地和未利用地；水域增加面積主要為未利用地，未利用地轉(zhuǎn)化為其他各類.

4.應(yīng)用遙感和GIS技術(shù)，對汾河上游地區(qū)土地利用現(xiàn)狀及其20a來的動態(tài)變化進行了監(jiān)測分析，揭示汾河上游生態(tài)環(huán)境時空分布特征，可以看出，汾河上游生態(tài)環(huán)境20a間呈好轉(zhuǎn)態(tài)勢.

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