南水北調中線水源區(qū)土地利用／覆被空間格局特征分析

申懷飛，侯 剛，魏慶偉，李麗慧

（許昌學院 城市與環(huán)境學院，河南 許昌461000）

當前全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國政府和學術界所關注的問題，土地利用／覆被變化（以下簡稱“LUCC”）所帶來的生態(tài)環(huán)境影響也自然成為人們關心的熱點。全球環(huán)境變化影響局部和區(qū)域尺度的人居環(huán)境，而人類又通過土地利用活動，改變局部土地覆被及土地利用變化過程，進一步促進全球環(huán)境變化。因此，對LUCC的研究有助于研究全球尺度環(huán)境變化。土地利用是自然基礎上人類活動的直接反映，是人類有目的地開發(fā)利用土地資源的一切活動。土地利用／覆被是由不同土地類型的斑塊組成的，具有顯著的空間特點和時間特點。通過對其空間格局進行分析可以把土地利用／土地覆蓋的空間特征與時間過程緊密聯(lián)系起來，從而更好地分析土地利用／土地覆被的時空演變規(guī)律，同時也有助于了解各土地類型要素的形狀、大小、數(shù)量和空間組合；分析影響物種分布、動物遷徙、河流徑流和土壤侵蝕等生態(tài)過程和邊緣效應，探討土地利用覆被空間格局與地理生態(tài)過程的關系［1－9］。土地利用覆被空間格局受自然環(huán)境的限制與人類活動的干預而發(fā)生變化，開展土地利用覆被空間格局研究，了解其成因機制，是理解人類社會與自然環(huán)境相互關系的重要途徑，對于大尺度區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀評價及發(fā)展趨勢分析也是十分有效的手段［10－13］。

南水北調工程由于其規(guī)模巨大，將產生巨大的社會、經濟和環(huán)境效益。其對區(qū)域環(huán)境和生態(tài)的潛在影響非常復雜。對其水源區(qū)，一方面，流域LUCC決定了流域未來生態(tài)環(huán)境的變化以及流域未來可供水量、水質及其動態(tài)；另一方面，因調水帶來的水位變化也將對水源區(qū)的土地利用格局產生一定的沖擊，并對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能產生深遠的影響。因此，研究南水北調中線水源區(qū)土地利用空間格局，對水源區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護治理以及受水區(qū)（華北平原）的用水安全有著極為重要的意義，可為南水北調中線水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)調控，水資源保護與管理，區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展以及南水北調中線工程調水安全提供科學依據。

1 實驗材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

南水北調中線工程水源區(qū)，具體范圍包括丹江口水庫大壩以上的整個集水區(qū)即漢江中上游流域，包括匯入丹江口水庫的漢江、丹江兩大流域（31°20′—34°10′N，106°—112°E）。研究區(qū)內行政單元包括陜、鄂、豫、川、渝、甘6?。ㄊ校?5個地級市、48個縣（市、區(qū)）（圖1），土地總面積9．54×104km2。人口以農業(yè)人口為主，83．3%的縣農村人口占總人口的比例超過80%；總體上山大人稀，除漢中和十堰兩市，其余縣市的人口密度均小于300人／km2。其高程范圍從13m到3 566m，主要地貌單元包括流域西北方向的秦嶺南坡、東北方向的伏牛山南坡、西南方向的米倉山北坡、南部的大巴山北坡、神農架北坡及東部的南陽盆地，以及其間的盆地、低山丘陵、周邊山地。水源區(qū)的氣候屬于北亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為15～16℃，年平均降水量為800～1 000mm。該區(qū)域山地植被垂直分異性顯著，具有明顯的亞熱帶與暖溫帶過渡性特征［14］。水源區(qū)內土地利用類型主要有林地、草地、耕地、建設用地、水域和未利用地。

圖1 南水北調中線水源區(qū)范圍示意圖

1．2 研究數(shù)據

論文以研究區(qū)2010年前后的Landsat TM影像和1∶10萬土地利用數(shù)據、野外實測調查數(shù)據和DEM數(shù)據為主要基礎數(shù)據，其中遙感影像因區(qū)域范圍大，無法完全統(tǒng)一時相?？紤]到研究區(qū)域的地域特點，盡量選擇植被外貌差別較大的春、秋時相，以便于影像的識別和解譯。影像數(shù)據軌道號和獲取時間見表1。

表1 遙感影像數(shù)據信息

以ArcGIS 9．3作為數(shù)據處理分析平臺，參考1∶10萬土地利用數(shù)據的中國土地資源分類系統(tǒng)，根據研究區(qū)土地利用特征，將土地利用類型劃分6類：耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。

1．3 研究方法

地形是土地利用空間分異的重要影響因子之一，因此土地利用／覆被空間格局及其變化往往在地形梯度上表現(xiàn)出一定的分布規(guī)律［8］。為了定量分析土地覆被空間格局與地形梯度之間的關系，對研究區(qū)2010年土地利用空間格局特征進行分析，利用ArcGIS軟件對研究區(qū)土地利用類型圖按照高程和坡度這兩個地形因素梯度進行疊加分析，并統(tǒng)計各土地利用類型隨地形因子的梯度變化特征。

2 結果與分析

土地利用空間格局是指某一區(qū)域內不同土地利用類型在該區(qū)域不同地形、地貌上的分布狀況。探究土地利用空間格局特征是掌握研究區(qū)域土地利用類型分布合理與否的有效途徑，也是土地利用時空變化特征分析的基礎。

2．1 土地利用空間分布特征分析

利用Erdas 9．2進行圖像解譯并進行精度分析，然后利用ArcGIS 9．3軟件進行空間分析處理，得到南水北調中線水源區(qū)2010年土地利用現(xiàn)狀分布圖（附圖5）。

以南水北調中線水源區(qū)2010年土地利用現(xiàn)狀圖為基礎，對各種土地利用類型進行統(tǒng)計分析，得到水源區(qū)2010年各土地利用類型的面積及其所占的比例（表2）。

表2 研究區(qū)2010年土地利用類型統(tǒng)計

由表2和圖2可以看出，水源區(qū)土地利用類型以林地、耕地、草地為主。其中林地面積占水源區(qū)土地總面積的76%左右，在水源區(qū)中占有絕對優(yōu)勢，這表明研究區(qū)內植被覆蓋良好，有利于水源區(qū)的水土涵養(yǎng)與保持。耕地面積占水源區(qū)總面積的20%以上，在水源區(qū)中僅次于林地，是人類活動對水源區(qū)影響最主要的土地利用類型，農田主要沿漢水水系兩岸分布，集中分布在南陽盆地西部、鄖縣盆地、漢陰—安康走廊、漢中盆地4大片。其余4種類型合計占水源區(qū)面積的2%左右，其中建設用地僅占0．28%，由于山地面積比例大，人口規(guī)模較小，工業(yè)和城市發(fā)展滯后。除十堰、漢中、丹江口、安康等少數(shù)城市外，區(qū)內縣、鄉(xiāng)級城鎮(zhèn)規(guī)模普遍較小。耕地和建筑用地主要分布在漢江、丹江水系兩岸，草地分布比較分散，未利用土地主要分布于水源區(qū)與其他流域分界處的高山地區(qū)。

2．2 土地利用程度綜合指數(shù)分析

土地利用程度綜合指數(shù)反映了一個地區(qū)的土地利用的深度和廣度，它可以很好地體現(xiàn)自然和人為因素對土地利用類型的影響。本文采用劉紀元等［15］提出的土地利用程度分級標準對研究區(qū)土地利用程度進行評價分析。

土地利用程度指數(shù)計算公式為：

式中：L——研究區(qū)土地利用綜合程度指數(shù)；Ai——研究區(qū)內第i級土地利用程度分級數(shù)；Ci——研究區(qū)域內第i類土地利用類型面積所占研究區(qū)總面積百分比；n——土地利用類別數(shù)，L的取值為［100，400］上的連續(xù)函數(shù)。利用公式計算得到各市土地利用程度綜合指數(shù)（表3）。

表3 研究區(qū)2010年土地利用程度綜合指數(shù)

2010年水源區(qū)整體土地利用程度綜合指數(shù)為221．19，與該指數(shù)的最高值400相比，水源區(qū)整體土地利用程度是比較低的。之所以出現(xiàn)這種情況因為該區(qū)域大部分地區(qū)屬于山區(qū)丘陵地形，林地面積達到了76%，地廣人稀，因此，人類活動對水源區(qū)的土地利用影響總體上較小。2010年水源區(qū)各市土地利用綜合指數(shù)從高到低依次為南陽市、漢中市、十堰市、襄陽市、達州市、洛陽市、三門峽市、安康市、商洛市、寶雞市、神農架、廣元市、重慶市、隴南市和西安市。其中最高值為南陽市的247．07，最低值為西安市的195．21，二者相差51．86。水源區(qū)中的南陽市、漢中市分別位于南陽盆地、漢中盆地，耕地面積所占比重較大，因此這兩個市的土地利用程度較高。而水源區(qū)中的西安市位于秦嶺的分水嶺附近，該區(qū)域以林地、草地和未利用地為主，耕地稀少，因此土地利用程度最低。

2．3 土地利用垂直梯度分析

高程是影響土地利用分布的一個重要因素，不同的土地利用類型在不同的高程等級分布上具有明顯的規(guī)律性［8］。根據水源區(qū)的實際情況將南水北調中線水源區(qū)高程分為0～500，500～1 000，1 000～1 500，1 500～2 000m 和大于2 000m 共5個等級。按照以上分級類型對水源區(qū)DEM數(shù)據進行分類并分析，得到2010年不同高程等級上的土地利用類型空間分布圖（附圖6a）。

從附圖6a可以看出，南水北調中線水源區(qū)各土地利用類型在不同的高程等級上呈現(xiàn)出顯著的特征：高程在500m以下的耕地面積占耕地總面積的43．3%，高程在1 500m以下的耕地面積則占耕地總面積的96%左右，而高程大于1 500m的耕地面積僅占4%；同樣可以看出林地在每個高程等級均有較多分布，在1 500～2 500m的高程梯度上，林地面積占該梯度總面積的比例更是高達90%以上；草地面積在水源區(qū)的總面積中所占比重很小，在各高程梯度上均有小面積分布；而水源區(qū)的水域分布范圍則集中在高程500m以下，約占總水域面積的87%；建筑用地主要分布在高程1 000m以下的區(qū)域，約占98%；未利用地98%分布在高程2 500m以上的區(qū)域。

2．4 土地利用的坡度影響分析

根據實際情況將南水北調中線水源區(qū)坡度按0～10°，10°～20°，20°～30°，30°～40°以及大于40°分為5個等級。同時與2010年土地利用類型分布圖進行疊加得到2010年不同坡度等級上的土地利用類型空間分布圖（附圖6b）。

從附圖6b上可以看出，坡度小于10°的區(qū)域以耕地、林地、水域和建筑用地為主；坡度位于20°～30°的區(qū)域則以林地為首且占絕對優(yōu)勢，耕地、草地次之；在坡度大于30°的區(qū)域主要以林地、草地和未利用土地為主。從不同土地利用類型的分布上看，耕地主要分布在坡度小于30°的區(qū)域，且隨坡度的增大而逐步減少；建筑用地幾乎全分布在坡度小于10°的區(qū)域內，約占建筑總面積的98%；水域也大部分分布在坡度小于10°的范圍內；林地、草地則主要分布在坡度大于10°的區(qū)域；未利用地主要分布在坡度大于30°的區(qū)域。

3 結 論

本文借助RS和GIS相關技術，以相關數(shù)據為基礎，對南水北調中線水源區(qū)2010年土地覆被空間格局特征進行了分析，主要得到以下結論：

（1）研究區(qū)土地利用類型中以林地、耕地為主。其中林地面積在水源區(qū)中占有絕對優(yōu)勢，耕地約占20%，其余土地類型約占2%。

（2）2010年水源區(qū)整體土地利用程度綜合指數(shù)為221．19，研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)整體較小，土地利用程度較低，人類活動對水源區(qū)土地利用的影響總體上較小，耕地是影響該區(qū)域土地利用程度的主要因素。

（3）在水源區(qū)土地利用類型中，耕地、建筑用地和水域多分布在高程低于1 000m、坡度小于10°的區(qū)域，且多位于漢江、丹江等河流的河谷地帶；林地、草地多分布于高程在1 000～2 000m、坡度在10°～20°的區(qū)域；未利用地則主要分布在高程大于2 500m的區(qū)域。

［1］ 王思遠，張增祥，周全斌，等．中國土地利用格局及其影響因子分析［J］．生態(tài)學報，2003，23（4）：649－656．

［2］ 史培軍，江源，王靜愛，等．土地利用／覆蓋變化與生態(tài)安全響應機制［M］．北京：科學出版社，2004．

［3］ Eugenia Kalnay，Ming Cai．Impact of urbanization and land use change on climate［J］．Nature，2003，423：528－531．

［4］ 解修平，周杰，張海龍，等．基于景觀生態(tài)和馬爾科夫過程的西安地區(qū)土地利用變化分析［J］．資源科學，2006，28（6）：175－181．

［5］ 張海龍，蔣建軍，解修平，等．近25年來西安地區(qū)土地利用變化及驅動力研究［J］．資源科學，2006，28（4）：71－77．

［6］ 傅伯杰．黃土區(qū)農業(yè)景觀空間格局分析［J］．生態(tài)學報，1995，15（2）：113－120．

［7］ 郭麗英，劉彥隨，任志遠．生態(tài)脆弱區(qū)土地利用格局變化及其驅動機制分析［J］．資源科學，2005，27（2）：128－133．

［8］ 張本昀，申懷飛，鄭敬剛，等．河南省土地利用景觀格局分析［J］．資源科學，2009，31（2）：317－323．

［9］ 申懷飛，吳國璽，丁圣彥．豫西黃河流域土地利用空間格局地形梯度特征分析［J］．地域研究與開發(fā)，2012，31（3）：159－162．

［10］ Zhou Z．Landscape changes in a rural area in China［J］．Landscape and Urban Planning，2000，47（1）：33－38．

［11］ Burgi M，Russell E W B．Integrative methods to study landscape changes［J］．Land Use Policy，2001，18（1）：9－16．

［12］ 宋冬梅，肖篤寧，張志城，等．甘肅民勤綠洲的景觀格局變化及驅動力分析［J］．應用生態(tài)學報，2003，14（3）：535－539．

［13］ 丁圣彥，張明亮．1988—2002年開封市景觀動態(tài)變化［J］．地理研究．2005，24（1）：28－37．

［14］ 沈澤昊，岳超，張全發(fā)，等．南水北調中線水源區(qū)土地利用／土地覆被的空間格局［J］．地理學報，2006，61（6）：633－944．

［15］ 王思遠，劉紀遠，張增祥，等．中國土地利用時空特征分析［J］．地理學報，2001，56（6）：631－939．