劉 露，朱得勝，夏 帆，黃會(huì)平，徐艷杰

（1.華北水利水電大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046）

人類活動(dòng)對自然環(huán)境的影響日趨激烈，生態(tài)平衡被破壞的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，在土地利用方面人類活動(dòng)對自然環(huán)境的改造更加突出。研究土地利用時(shí)空變化特征對促進(jìn)區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。人類活動(dòng)影響地表自然生態(tài)系統(tǒng)的直接表現(xiàn)為土地利用的時(shí)空變化。土地利用時(shí)空變化是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)行為與自然生態(tài)過程交互和鏈接的紐帶[1]，能直接影響地球外部圈層之間的相互關(guān)系以及自然資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。許多學(xué)者專家借助RS和GIS技術(shù)，通過獲得不同地區(qū)不同時(shí)期的遙感影像數(shù)據(jù)，采用空間疊加分析法、監(jiān)督分類法、空間轉(zhuǎn)化矩陣法等多種分析方法對區(qū)域的土地利用情況進(jìn)行了研究和調(diào)查，取得了重要成果[2-9]。由于不同區(qū)域的太陽輻射度、地面降水、地面氣溫、地形、土壤和植被等環(huán)境因素不同，其土地利用/覆蓋變化（LUCC）特征也具有各自的特殊性[10]。

延河流域地處黃土丘陵溝壑區(qū)，植被稀少、侵蝕強(qiáng)烈、水土流失嚴(yán)重，是我國重要的生態(tài)環(huán)境管制區(qū)。由于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境形式嚴(yán)峻，國家發(fā)布了較多的修復(fù)政策（退耕還林還草等），因此研究延河流域的土地利用時(shí)空變化特征，對尋找最大改善環(huán)境的綜合治理方法具有重要的促進(jìn)作用。本文利用1980－2015年7期遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合2000－2015年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，揭示了延河流域土地利用時(shí)間變化特征以及空間分布格局，分析探討了LUCC的驅(qū)動(dòng)因素，解析了自然因素和人類活動(dòng)在LUCC過程中的正負(fù)面效應(yīng)，對研究未來流域生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)過程中的有效措施具有實(shí)際意義。

1 研究區(qū)概況

延河位于黃河右岸、中游區(qū)上段的河口鎮(zhèn)至龍門段，是黃河一級(jí)支流，發(fā)源于靖邊縣天賜灣鄉(xiāng)周山，由西北向東南，流經(jīng)志丹、安塞、延安，于延長縣南河溝涼水岸附近匯入黃河。延河全長286.9 km，流域面積為7 725 km2，平均比降為3.26‰，主要支流為西川、蟠龍川以及杏子河等。流域多年平均降水量為477.3 mm，年平均氣溫為9.2℃，年均水面蒸發(fā)量為1 681.5 mm，多年平均徑流總量約為1.96億m3。延河流域處于我國半濕潤氣候向半干旱氣候過渡帶，水土流失是該流域最主要的生態(tài)問題之一。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的主要數(shù)據(jù)包括陜北地區(qū)不同時(shí)期的遙感影像和延安市相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，其中遙感影像為1980年、1985年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7個(gè)時(shí)期的多光譜數(shù)據(jù)（www.gscloud.cn），空間分辨率為30 m，坐標(biāo)系為WGS_1984_UTM_Zone_48N，圖像獲取時(shí)間為4～10月，所選圖像含云量均小于10%，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好；流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于2000－2015年陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用/覆被類型分類

利用ArcGIS建立直接和間接的解譯標(biāo)志進(jìn)行監(jiān)督分類，共分為水體、耕地、林地、草地、建筑用地和未利用地6個(gè)一級(jí)類以及中覆蓋度草地、有林地、灌木林、疏林地、其他林地、高覆蓋度草地、低覆蓋度草地、河渠、湖泊、水庫坑塘、灘地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建筑用地、裸土地、旱地16個(gè)二級(jí)類[11]。

2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是定量研究土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化數(shù)量和方向的主要方法，能具體反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類型面積減少的方向[12]，更好地反映其時(shí)空演變過程。其計(jì)算公式為：

式中，k為時(shí)間間隔；LCi為k時(shí)間間隔前第i類土地利用類型狀態(tài)；LCj為k時(shí)間間隔后轉(zhuǎn)為第j類土地利用類型狀態(tài)。

土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，Sij為研究時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)移為第j類土地利用類型的面積；i為兩個(gè)時(shí)期中前一時(shí)期的土地利用類型；j為兩個(gè)時(shí)期中后一時(shí)期的土地利用類型；n為一個(gè)時(shí)期土地利用類型的總數(shù)。

2.2.3 流域坡度與耕地疊置分析

坡度將直接影響農(nóng)林牧用地分布、水土流失狀況、農(nóng)田基本建設(shè)難易程度等，因此分析坡度與土地利用類型之間的關(guān)系，可為土地利用結(jié)構(gòu)研究提供基礎(chǔ)信息[13]。利用GIS空間分析的疊置分析將同一地區(qū)兩個(gè)地理對象的圖層進(jìn)行疊合，以產(chǎn)生空間區(qū)域的多重屬性特征[7]。

本文利用已有的延河流域DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析，將坡度數(shù)據(jù)分為大于25°和小于25°兩類，作為疊置分析的第一個(gè)圖層。對流域內(nèi)1980－2015年7期的土地利用類型圖進(jìn)行重分類，分為耕地與非耕地兩類，作為疊置分析的第二個(gè)圖層。兩類圖層疊置后便可得到坡度大于25°且為耕地的圖層。

3 研究結(jié)果分析

3.1 土地利用結(jié)果

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)及其變化

流域內(nèi)的耕地、林地、草地、水體、建筑用地、未利用地的土地利用結(jié)構(gòu)和變化如表1所示，可以看出，2000年之前，耕地在所有土地利用類型中的占比穩(wěn)定在44%，緩慢減少了3%，2010－2015年耕地面積減少了9%；林地和草地面積總體呈增加態(tài)勢，2000年之后林地由原先的10%增加到2015年的14%，2010－2015年草地面積迅速增加了8%；建筑用地的面積占比雖小但變化較大，由0.16%增加到0.54%；水體和未利用地面積小幅變化，總體較穩(wěn)定。

3.1.2 土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣特征

根據(jù)2005－2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移情況，本文建立了土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，如表2所示，可以看出，轉(zhuǎn)移變化主要體現(xiàn)在耕地、林地和草地之間，特點(diǎn)為由林地、草地向耕地轉(zhuǎn)移，再由耕地向林地、草地轉(zhuǎn)移；林地與草地之間頻繁地相互轉(zhuǎn)移，最終林地更多地轉(zhuǎn)移為草地，使得草地的面積大幅增長；建筑用地的增長面積主要來源于耕地和草地；水體、未利用地的轉(zhuǎn)移不夠明顯。

表1 1980－2015年延河流域土地利用結(jié)構(gòu)及其變化情況表/hm2

表2 1980年和2015年延河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣/hm2

3.1.3 土地利用類型空間變化特征

本文通過對比1980－1995年和2000－2015年的延河流域土地利用類型空間位置變化發(fā)現(xiàn)（圖1），1980－1995年流域內(nèi)土地利用類型發(fā)生密集變化的區(qū)域主要為延安市區(qū)，2000－2015年流域內(nèi)土地利用類型變化主要集中在北部和中部地區(qū)。

圖1 延河流域土地利用類型空間變化圖

3.1.4 坡度大于25°的耕地變化

我國《水土保持法》規(guī)定，禁止在25°以上的坡地開墾耕作，坡耕地開墾極易引發(fā)水土流失。1980－2015年延河流域坡度大于25°的耕地面積變化情況如表3所示。

延河流域經(jīng)常發(fā)生由降雨引發(fā)的不同范圍滑坡，影響當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)。自1991年《水土保持法》頒布、1999年底實(shí)施“退耕還林（草）”生態(tài)修復(fù)政策以來，陡坡耕地不斷轉(zhuǎn)移為其他主要用地。25°以上的陡坡退耕，極大地降低了延河流域水土流失的幾率，對流域耕地土壤有良好的保護(hù)和維持作用，是流域生態(tài)建設(shè)所必需的舉措，因地制宜規(guī)劃流域土地利用更是至關(guān)重要的。

表3 1980－2015年陡坡耕地面積變化

3.2 驅(qū)動(dòng)因素分析

3.2.1 “退耕還林（草）”政策

1999年黃土高原實(shí)行“退耕還林（草）”政策，對延河流域土地利用變化具有重大影響[14]。通過土地利用變化研究發(fā)現(xiàn)，2000年、2005年、2010年和2015年延河流域的耕地面積占比分別為44%、41%、41%和32%，林地面積占比由最初的10%增加到14%，表明在“退耕還林（草）”政策的影響下，流域的耕地面積顯著減少，常用耕地面積由2000年的7.82萬hm2逐漸下降至7.62萬hm2，人均耕地面積由2000年的0.124 hm2下降至2015年的0.097 hm2（圖2），該政策對流域土地利用類型變化驅(qū)動(dòng)力明顯。

圖2 延河流域耕地面積和人均耕地面積變化圖

3.2.2 人口增長

人口增長對于延河流域土地利用及其時(shí)空變化的影響主要體現(xiàn)在延河流域建筑用地的增加，以及延河流域人口從2000年63.33萬人增加到2015年的78.49萬人。2000－2015年在“退耕還林（草）”政策實(shí)施的影響下，流域內(nèi)耕地面積逐步減少，但人口數(shù)量仍以低增長率不斷上升，人均耕地面積隨之減少，使得龐大的農(nóng)村人口向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，大量農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力轉(zhuǎn)化為非農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力，從而促使延河流域建筑用地的增長，2000－2015年建筑用地增加了48.6%。

3.2.3 經(jīng)濟(jì)發(fā)展

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，延河流域所屬城市在城市規(guī)劃、土地應(yīng)用、重大建設(shè)等方面出臺(tái)了一系列決策，促進(jìn)了延河流域建筑用地的增長。2000－2015年延河流域的人均生產(chǎn)總值增長速度較快，由1.88萬元增長至14.62萬元。人均生產(chǎn)總值的提升標(biāo)志著流域內(nèi)耕地、草地、林地向建筑用地轉(zhuǎn)移。2000－2015年延河流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢持續(xù)良好，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，第二產(chǎn)業(yè)前期發(fā)展快速，隨后生產(chǎn)總值較穩(wěn)定地維持在200億元左右（圖3）。通過對比2000年和2015年的三大產(chǎn)業(yè)占比情況發(fā)現(xiàn)（圖4），第一產(chǎn)業(yè)所占生產(chǎn)總值比重降低，第二、三產(chǎn)業(yè)所占比重已十分接近；而第二、三產(chǎn)業(yè)所對應(yīng)的區(qū)域多為城鎮(zhèn)地區(qū)，因此可以很好地說明建筑用地面積隨著人均生產(chǎn)總值的提升而大幅增加。

圖3 延河流域三大產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值圖

圖4 延河流域三大產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占比圖

4 結(jié) 語

針對延河流域特殊的自然環(huán)境及其長時(shí)間跨度、多背景驅(qū)動(dòng)下土地利用格局的時(shí)空變化情況，基于RS和GIS技術(shù)，本文利用遙感解譯、GIS空間疊加分析、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、和弦圖等方法，對延河流域近35 a的土地利用類型結(jié)構(gòu)特征以及時(shí)空轉(zhuǎn)移狀況進(jìn)行了分析。

從土地利用結(jié)構(gòu)來看，近35 a延河流域的主要土地利用類型為草地和耕地，草地面積較耕地面積更多，二者總面積超過流域總面積的80%，其次為林地、水體、建筑用地和未利用地。隨著時(shí)間推移，尤其是2000年之后，耕地面積顯著減少，林地、草地面積顯著增加，水體、未利用地面積變化不大，建筑用地面積變化較大，但比例很小。耕地主要轉(zhuǎn)移為草地和林地，未利用地轉(zhuǎn)移為建筑用地。“退耕還林（草）”生態(tài)修復(fù)政策的實(shí)施、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的不斷上升、人口數(shù)量的穩(wěn)定增長、城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速均對流域土地利用結(jié)構(gòu)變化有驅(qū)動(dòng)作用，是土地利用時(shí)空變化特征的主要影響因素。