陜西黃土臺塬區土地系統變化特征分析

馬彩虹， 任志遠

(1.陜西師范大學 旅游與環境學院， 陜西 西安 710062； 2.陜西師范大學 西北國土資源研究中心，陜西 西安 710062； 3.陜西理工學院 歷史文化與旅游學院， 陜西 漢中 723001)

土地系統的復雜性問題是土地變化科學的難點之一，關于這一問題的理論研究仍需繼續強化[1]。描述、理解及解釋土地利用的時空格局及其動態變化過程[2]仍然是當今地理科學、全球變化、資源環境、城市化、糧食安全等領域的熱點[3]。土地系統是一個“耦合的人類—自然系統”(coupled human and natural systems)[4]，除了復雜系統的一般特性外，土地系統還表現出時空異質性[5]。對人類活動和全球變化反應敏感的區域一直是土地變化科學研究的熱點區域[6]。中國黃土臺塬主要分布于陜西、山西、河南等省[7]，其中，陜西省黃土臺塬是中國黃土臺塬的主體。黃土高原臺塬區是黃土高原重要的糧食生產基地和經濟發展區，土地相對平坦遼闊，開發潛力大。本區也是黃土高原未來的重要產業與人口聚集和建設開發區，但生態環境比較脆弱，為社會經濟發展和生態建設的復合區域，人口的聚集和經濟的快速發展給土地資源和生態環境將帶來巨大的壓力。近年來，一些學者開始關注黃土臺塬區的水土資源開發利用及生態環境保護問題，如詹曉紅等[8]對寶雞市川道臺塬區土地利用景觀格局動態進行了分析，劉夢云等[9]對黃土臺塬不同土地利用土壤有機碳與顆粒有機碳做了研究，周自翔[10]對西安黃土臺塬土壤微形態特征與土地利用關系進行了研究，李會[11]對渭北黃土臺塬區水土資源優化配置與潛力開發進行了探討。截至目前，對陜西黃土臺塬土地系統長時段、多階段時空變異特征研究仍然顯得十分薄弱，需要開展進一步的研究。本研究對陜西黃土臺塬區土地利用時空動態特征進行分析，探究這一特殊土地類型區的土地利用變化時空分異性，以期為該區域土地利用的效應、時空動態模擬以及臺塬區糧食安全、生態安全的研究提供基礎。

1 研究區概況

黃土臺塬是一個特殊的地貌單元，是黃土所覆蓋的呈階梯狀傾斜的臺狀地，沿河谷成長條狀分布，具有明顯的臺坎和平緩的臺面，間有河谷切割并發育有一定的溝壑，隸屬于侵蝕剝蝕堆積地貌類型中的臺地類型。

陜西黃土臺塬區總體位于34°08′—35°52′N，106°20′—110°36′E，呈帶狀、東西走向展布于渭河谷底南北兩側，總面積1 263 773 hm2，為溫帶干旱半干旱氣候，多年均溫11.3 ℃，年降水量500～900 mm。農作物生長期內(4—10月)降水量約占全年85%～88%，利于農作物生長發育，為臺塬區成為黃土高原主要糧食基地提供了較好氣候條件。但蒸發量較大，年均蒸發量約為年均降水量的兩倍多，水資源呈現貧乏狀態。2010年陜西黃土高原臺塬區人口1 011.63萬人，非農人口比重占24.8%，達到250.87萬人，GDP為1 827.11億元。

2 數據與方法

2.1 數據來源及預處理

本研究以1985，1990，1995，2000，2005，2010年陸地資源衛星Landsat遙感圖像作為主要信息數據源，利用ERDAS 9.2進行遙感影像校正，最佳波段組合，投影轉換，圖像增強處理[12]；利用ArcGIS 9.3進行分類后處理以及柵格轉矢量、投影設置與變換、疊加分析、鄰斑同碼融合，完成土地利用圖和土地利用變化圖可視化處理。

在土地利用變化的研究中，土地利用分類是基礎性和關鍵性環節[13]。根據黃土高原臺塬區土地利用特點，依據中國科學院和農業部劃分的土地利用分類系統[14]，采用耕地、林地、草地、水體、建設用地、未利用地6大地類對遙感影像數據進行解譯。采用計算機隨機采樣的方式，在影像上隨機采樣300個點左右，并根據野外GPS采樣點信息，對臺塬區的影像進行精度評價。從分類精度表1中可以看出，解譯精度基本上符合研究的需要，可以作為下一步研究的土地利用基礎數據，

表1 1990年臺塬區分類精度評價

2.2 土地利用計量模型

2.2.1 土地利用動態度 土地利用動態度用來表達區域一定時間內某種土地利用類型數量的速度變化[15]。綜合土地利用動態度用來表征整個區域土地利用變化的速度[15]。公式如下：

(1)

(2)

式中：K——當T設定為年時，研究時段內某一種土地利用類型的年變化率；Ua，Ub——研究初期和末期某一種土地利用類型的面積；Uai，Ubi——研究初期和末期i種土地利用類型的面積；T——研究時段；n——土地利用類型數； LC——土地利用變化的綜合年變化率。

2.2.2 土地利用轉移流 引入動態物質變化中“流”的概念，把由一種土地利用類型轉為另外一種土地利用類型的情況稱作“土地利用轉移流”[16]，用來表達土地利用變化的矢量屬性。對任何土地利用類型而言，由該地類轉為其他地類的變化量稱為“轉出流”，由其他類型轉為該類型的變化量稱為“轉入流”，轉出流與轉入流之和就是該地類在特定時間段的“土地利用轉移流”，表征該土地利用類型中所有參與土地利用變化的總量。轉入流與轉出流之差為土地轉移流凈值。當其值為正時，表示凈流入；反之，當其值為負時，表示凈流出。公式如下：

Lf=Lout+Lin

(3)

Lnf=Lin-Lout

(4)

式中：Lf——土地利用轉移流；Lout——轉出流；Lin——轉入流；Lnf——土地轉移凈值。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態特征

3.1.1 土地利用結構變化 從數量結構分析，主要土地利用類型是耕地、草地、建設用地。2010年這3大地類占總土地面積的97.59%，其中耕地984 337.30 hm2，占77.89%，充分體現了臺塬區糧食主產區土地利用類型的獨特性。草地143 030.47 hm2，占11.32%；建設用地105 871.35 hm2，占8.38%(表2)。

表2 1985-2010年陜西黃土臺塬區土地利用轉移矩陣 hm2

3.1.2 土地利用數量變化 1985—2010年耕地、草地、林地、水域、未利用地均表現為減少，依次減少20 866.61，11 065.22，1 186.44，748.9577和35.5476 hm2，分別占1985年相應地類面積的2.08%，7.18%，4.60%，11.64%和11.24%；建設用地增加，共增加了33 902.8，增加比例為1985年的47.11%。從變化絕對值而言，耕地的值最大，但從變化率上來說，建設用地變化的幅度最大；從占總面積比例上來說，建設用占總面積百分比由6.33%增長為8.38%，年遞增率達到1.30%；草地比例大幅下降，林地、水域面積比例很低且持續降低，占全區面積比重由1985年的0.51%降低為2010年的0.45%，臺塬區生態安全存在一定風險；未利用地僅占0.02%，耕地后備資源嚴重不足(圖1)。

3.1.3 土地利用轉移流動態 對于同一種土地利用類型而言既有轉入也有轉出。研究時段關鍵土地利用轉移地類為耕地、草地、建設用地。其中，耕地轉建設用地26 668.8 hm2， 占耕地轉出流量59.753%，占建設用地轉入流的96.26%，可見建設用地是耕地的主要流失方向；草地轉耕地18 923.9 hm2，占草地轉出流93.2407%，可見草地是耕地補充的主要來源。

圖1 陜西黃土臺塬區1985-2010年土地利用數量結構

3.1.4 系統穩定性動態 1985—1990年綜合動態度為0.52，表明土地利用變化幅度很低,但1990—1995年綜合動態度達到3.60，表明土地利用變化活躍；其后逐漸降低，到2005—2010年降低為1.16，土地系統趨于穩定(圖2)。

圖2 土地利用變化面積及綜合動態度

3.2 土地利用空間變化特征

3.2.1 土地利用空間格局特征 依據景觀生態學理論，耕地是構成黃土臺塬區景觀的基質類型；建設用地中，城鎮用地團塊狀分布，農村居民點散布于黃土臺塬區；林地和草地主要沿黃土臺塬上溝壑地帶展布，稀疏河流和水庫散布于耕地基質(附圖2)。

3.2.2 轉換地類的空間集聚特征 1985—2010年耕地轉建設用地、草地轉耕地、耕地轉草地、耕地轉林地、林地轉耕地、建設用地土地利用變化累計貢獻率可達89.9%，涵蓋了土地利用變化的大部分信息。采用上述土地轉移流制圖繪制出土地利用空間變化圖譜(圖3)。從圖3中可以看出，除了發現城鎮地域系統附近耕地轉建設用地具有明顯的識別性外，難以解讀出其他地類的空間分異特征。本文基于土地利用變化圖譜的幾何中心的密度制圖法，用以識別黃土臺塬區土地系統變化的空間分異特征。主要技術流程如下：對k期和k+1期遙感解譯數據進行疊置分析，計算出變化斑塊面積，生成變化圖斑密度數據。1985—2010年，耕地轉建設用地的集中連片高值區域見于寶雞臺塬西部、咸陽臺塬南部，點狀分布區域則主要集中在臺塬區城市地域系統附近(圖3a)；草地轉耕地高值區有秦嶺北麓的寶雞臺塬、咸陽臺塬西北部、渭南臺塬東部(圖3b)；就耕地集聚特征而言，表現為寶雞臺塬區中部、咸陽塬東南部、渭南塬中部及東部高值區集中連片分布(圖3c)。25 a來，總體表現為城市地域系統附近為變化高值區(圖3d)。

圖3 1985-2010年黃土臺塬區土地利用變化空間集聚特征

4 結 論

(1)陜西黃土臺塬區主要土地利用類型是耕地、草地、建設用地。2010年這3大地類占研究區土地面積的97.59%，其中耕地984 337.30 hm2，占77.89%，草地143 030.47 hm2，占11.32%，建設用地105 871.35 hm2，占8.38%。

(2)1985—2010年，耕地、草地、林地、水域、未利用地均表現為減少，依次減少1 285.01，11 065.22，1，186.44，748.96，35.5476 hm2，分別占1985年相應地類面積的1.29%，7.18%，4.60%，11.64%，11.24%；建設用地增加，共增加了33 902.8 hm2，增加比例為1985年的47.11%。

(3)建設占用耕地是耕地流失主要方向，耕地補充主要依靠草地重新墾殖為耕地。1985—2010年，建設占用耕地26 668.8 hm2，占建設用地轉入流的96.26%；草地到耕地的轉移流為18 923.9 hm2，占草地轉出流的93.2407%。

(4)1985—1990年土地系統較為穩定，綜合動態度為0.52；1990—1995年土地利用變化活躍，綜合動態度達到3.60，其后逐漸降低，到2005—2010年降低為1.16，土地系統又趨于穩定。

(5)空間上，1985—2010年耕地轉建設用地集中于城鎮地域系統，草地和耕地互轉主要在渭南臺塬東部、咸陽塬北部以及秦嶺北麓的寶雞臺塬上。

從本研究中可以看出，保護耕地資源的問題對糧食主產區來說比其他地區更為重要。針對臺塬區后備資源嚴重不足的實際情況，為了實現耕地占補平衡自然落到了生態功能性地類上。25 a來，在草地、林地、水域等在本來所占份額很小的情況下，均不同程度地受到侵占。由于土地系統的非線性特征，這些地類的微小變化可能導致土地系統生態安全格局的劇烈變化，使研究區存在一定的生態風險。臺塬區這種土地利用流向特征，顯然帶有糧食安全目標指向性，卻與區域生態安全目標相沖突。在全球生態安全問題日益突出的情況下，即使作為糧食主產區也不應該忽視生態安全問題。確保糧食安全的目標途徑一方面應著眼于提高土地利用集約度，另一方面要加強基本農田建設，提高單位面積耕地的產出效益，同時著眼于對有限水資源的科學利用，不宜過度侵占重要生態服務價值功能型地類。

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