榆神府礦區(qū)土地利用變化及合理性分析

封建民，王 黎，文 琦

（1.咸陽師范學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院，陜西 咸陽712000；2.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，銀川750021）

土地資源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，土地利用／土地覆蓋狀態(tài)及變化趨勢是人類活動與自然環(huán)境相互作用的集中表現(xiàn)［1］，能在一定程度上反映生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣程度，同時土地利用變化也是全球變化的重要組成部分和驅(qū)動因子之一［2］。20世紀90年代“土地利用覆被變化研究計劃”的提出，使土地利用變化研究成為全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點課題［3］。在自然條件和人類活動的共同作用下，土地利用不斷地發(fā)生改變，而這種改變又造成地表景觀結(jié)構(gòu)的巨大變化，這不僅影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動，而且對區(qū)域生物多樣性和重要生態(tài)過程影響深刻［4］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在土地利用監(jiān)測技術(shù)、土地利用時空變化及驅(qū)動機制、土地利用變化及生態(tài)響應(yīng)等方面做了大量的工作，并取得了很大的進展［5－9］。在土地利用變化合理性評價方面，國內(nèi)學(xué)者已作了一些研究，例如文潔和劉學(xué)錄引用改進的TOPSIS方法對甘肅省1997—2007年各年度土地利用結(jié)構(gòu)的合理度進行了分析評價［10］，楊子生等利用土地詳查變更圖和第二次土地調(diào)查現(xiàn)狀圖，分析了2000—2008年退耕還林工程實施以來云南芒市土地利用的合理性［11］，這極大地豐富了相關(guān)研究內(nèi)容，也為本研究提供了很好的思路。

榆神府礦區(qū)位于毛烏素沙地南緣，沙丘廣布，地形破碎，處于我國東西部結(jié)合部位，是我國煤炭工業(yè)戰(zhàn)略西移的首選基地。特殊的地理位置和自然條件決定了其生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性、多樣性和脆弱性。近30a來隨著該區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和資源開發(fā)，使得地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，水土流失、土地退化等生態(tài)問題日益嚴重［12］；同時隨著城市化進程的加快和礦產(chǎn)開發(fā)力度的加大以及退耕還林政策的實施，耕地不斷減少，人地矛盾日益突出。因此對榆神府礦區(qū)土地利用／覆被變化的研究具有必要性和典型性。本文以TM／ETM數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，在對土地利用信息提取的基礎(chǔ)上，探討近16a來榆神府礦區(qū)LUCC的特征，結(jié)合地形數(shù)據(jù)分析評價兩個時段各個地類變化的合理度以及總體LUCC的合理程度。該研究不僅可以檢驗1999年以來退耕還林工程實施以來的成效，同時可以為該地區(qū)的土地利用規(guī)劃、環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展等提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

榆神府礦區(qū)位于陜西省北部，地處鄂爾多斯盆地東北部的黃土高原和毛烏素沙地過渡帶，礦區(qū)呈西北高、東南低的特點，海拔1 200～1 300m，地勢總體平坦，位于北緯37°02′—38°30′，東經(jīng)108°37′30″—111°05′，總面積約為840 000hm2，屬于北溫帶大陸性干旱﹑半干旱季風(fēng)季候。天氣多變，晝夜溫差懸殊，風(fēng)沙頻繁，干旱少雨，年均降水量為400～450mm，蒸發(fā)強烈。西部為風(fēng)沙草灘，地表為流動和半固定沙地，土地利用上以沙地、灌木林地和水澆地為主；東部和南部為黃土丘陵溝壑區(qū)，黃土垂直裂隙及孔洞較發(fā)育，潛水水量貧乏，以草地、林地、山旱地和裸地為主。總體上榆神府礦區(qū)氣候條件惡劣、地理地質(zhì)背景條件差、降水稀少、植被稀疏、生態(tài)環(huán)境十分脆弱、土地資源破壞嚴重，歷史上經(jīng)濟落后。礦區(qū)煤炭資源豐富，已探明儲量近千億噸，經(jīng)過近20a的開發(fā)已經(jīng)成為我國特大型煤田開發(fā)基地，且由于地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤質(zhì)優(yōu)良埋藏淺，易于開采，榆神府礦區(qū)的戰(zhàn)略地位越來越重要，是我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展的重要保障。近20a來歷屆政府立足煤炭資源優(yōu)勢，積極擴大開放，加快開發(fā)建設(shè)，社會經(jīng)濟取得了很大的進展。全區(qū)2007年有人口近120萬，實現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)總值326.42億元，人均27 836元，遠大于陜西省平均水平。但同時煤礦開采對該區(qū)的土地覆蓋破壞十分嚴重，尤其表現(xiàn)在露天開采、附屬設(shè)施修建、煤田塌陷和煤礦堆放、占壓等，這對該地區(qū)的生態(tài)平衡造成了很大影響。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及信息提取

本研究選取1990年8月13日、2006年9月10日空間分辨率30m的Landsat TM和2000年8月30日空間分辨率28.5m的Landsat ETM影像（軌道號p127r033），影像質(zhì)量均良好。非遙感數(shù)據(jù)主要包括1∶5萬地形圖、地貌類型圖、30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)以及野外考察采集的各種資料和數(shù)據(jù)等。在ERDAS軟件支持下利用1∶5萬地形圖分別對三期影像進行幾何精校正、投影變換和增強處理后，根據(jù)2007年8月頒布的《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標準［13］、研究需要和研究區(qū)實際土地利用情況，將研究區(qū)土地利用類型歸納劃分為耕地（水澆地和旱地）、林地（有林地和灌木林地）、草地、水域、建設(shè)用地、工礦用地、未利用土地（沙地和裸地）7個類型。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，應(yīng)用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法，對三期遙感影像進行土地利用信息提取，用fill命令對明顯錯分的斑塊進行填充處理，最終得出各時期土地利用狀況。隨機在各地類中產(chǎn)生400個點進行精度檢驗，經(jīng)檢查準確率均在90%以上，滿足研究需要。最后將1990年和2000年，以及2000年和2006年的分類結(jié)果進行空間疊置，分別得出兩個時期地類變化數(shù)據(jù)。

2.2 土地利用動態(tài)變化特征分析

土地利用動態(tài)變化是當(dāng)?shù)刈匀粭l件和人為因素共同作用的結(jié)果，通過對土地利用結(jié)構(gòu)變化特征的研究可以為土地資源的規(guī)劃、可持續(xù)發(fā)展等提供參考依據(jù)［14］。本文選取土地利用變化量、動態(tài)度和土地利用程度［15］等代表性指標分析研究區(qū)近16a來土地利用變化的特征。

2.2.1 單一土地利用類型動態(tài)度 單一土地利用類型動態(tài)度表達的是某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達式為：

式中：K——研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度；Ua，Ub——研究期初和研究期末某土地利用類型的數(shù)量。

2.2.2 綜合土地利用類型動態(tài)度 綜合土地利用動態(tài)度可用來描述區(qū)域土地利用的變化率，公式可表示為：

式中：LUi——監(jiān)測起始時間第i類土地利用類型面積；ΔLUi－j——監(jiān)測時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對值。

2.2.3 土地利用程度及變化 土地利用程度綜合指數(shù)可表達為：

式中：Ai——研究區(qū)域內(nèi)第i級土地利用程度分級指數(shù)［16］；Ci——研究區(qū)域內(nèi)第i級土地利用程度分級面積百分比；n——土地利用程度分級數(shù)；Lj——某研究區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)（其值在100到400之間）。土地利用程度變化率可表達為：

式中：Ai——第i級的土地利用程度分級指數(shù)；Cib，Cia——某區(qū)域b時間和a時間第i級土地利用程度面積百分比。如R＞0，則該區(qū)域土地利用處于發(fā)展時期，否則處于調(diào)整期或衰退期。

2.3 土地利用變化的合理性分析

2.3.1 土地利用變化合理性劃分標準 為了對土地利用變化狀況進行科學(xué)的評價，定量分析其合理程度，首先就是要確定每個地塊的類型變化是否合理。合理就是既要合乎國家有關(guān)政策和相關(guān)學(xué)科原理，又要根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況兼顧生態(tài)環(huán)境保護、地區(qū)耕地保有量和經(jīng)濟發(fā)展的需要。例如，將＞25°坡耕地轉(zhuǎn)化為林地或草地，既符合國家退耕還林政策和水土保持原理，又有利于生態(tài)環(huán)境保護，意味著這種轉(zhuǎn)化是合理的，而如果＞25°退耕出的耕地轉(zhuǎn)化為未利用土地或者地形平坦、生產(chǎn)條件較好的宜耕地強行退耕而變?yōu)榱值睾筒莸兀瑒t既不符合國家退耕還林政策，又會對當(dāng)?shù)馗乇Ｓ辛慨a(chǎn)生影響，這種轉(zhuǎn)化就是不合理的。根據(jù)上述原則去研究自然與社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r，對各種土地利用類型轉(zhuǎn)化的合理性做出如下界定（表1）。

表1 土地利用變化合理性劃分標準

2.3.2 土地利用合理度的測算方法 根據(jù)楊子生等人的定義，土地利用變化合理度是指研究區(qū)域某一時限內(nèi)地類之間相互轉(zhuǎn)化的合理與否及其合理性的程度。其計算公式為：

式中：RD——土地利用變化合理度；TA——地類轉(zhuǎn)化總面積；RA——轉(zhuǎn)化合理的地類面積；IA——轉(zhuǎn)化不合理的地類面積。RD的值在0到100之間，其值越小表示地類轉(zhuǎn)化越不合理，反之其值越大表示地類轉(zhuǎn)化越合理。根據(jù)表1對土地利用變化合理性的界定，在對3期耕地適宜性評價基礎(chǔ)上，將土地利用數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)疊加，通過分析確定每個轉(zhuǎn)化地塊合理性并匯總得出每個地類轉(zhuǎn)化總量中以及研究區(qū)域總的轉(zhuǎn)化面積中轉(zhuǎn)化合理的土地面積和不合理的土地面積，即可應(yīng)用式（5）非常簡便地計算出各個地類及研究區(qū)總的RD值。為了分析方便，在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，進一步將RD值分為6個等級：0～15之間為高度不合理，15～30之間為中度不合理，30～50之間為低度不合理，50～70之間為低度合理，70～85之間為中度合理，85～100之間為高度合理。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用格局演變分析

3.1.1 不同類型用地動態(tài)變化差異明顯 表2列出3個時期土地利用狀況和地類轉(zhuǎn)化情況，可以看出，研究區(qū)的土地利用以耕地、林地、草地和未利用土地為主，這4種土地利用類型的面積之和占到研究區(qū)總面積的96%以上，而建設(shè)用地、水域和工礦用地所占的比例較小，三者面積之和基本在研究區(qū)總面積的4%以下，其中林地和未利用土地的總面積始終占研究區(qū)總面積的15%以上，是分布最廣泛的兩種地類。

表2 榆神府礦區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

土地利用動態(tài)度結(jié)果顯示（表3），研究區(qū)在近16a間，未利用土地的動態(tài)度始終為負，表明有減少的趨勢；林地、建設(shè)用地、工礦用地的動態(tài)度始終為正，表明這三種地類在逐漸增加；而水域和耕地面積先增后減，草地面積先減后增。其中工礦用地的動態(tài)度最大，這主要是因為工礦用地面積較小，而且80年代末期以來隨著礦業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，工礦用地面積增加迅速；三北防護林工程建設(shè)和退耕還林政策的實施，使得林地動態(tài)度較大，面積增加較快；作為退耕還林后的過渡性地類草地較不穩(wěn)定，年變化率達5%以上，耕地在2000年以前相對穩(wěn)定，2000年以后急劇減少，水域和未利用土地則相對穩(wěn)定，年均變化率在2%以下。

表3 研究區(qū)各土地利用動態(tài)度 %

3.1.2 土地利用變化速度加快，程度降低 研究區(qū)綜合土地利用動態(tài)度1990—2000年為2.63%，即每年約有3.0%的土地利用類型發(fā)生了改變，2000—2006年為4.19%，即每年約有4.2%的土地利用類型發(fā)生了改變，由此可以看出該研究區(qū)的綜合土地利用動態(tài)度比陜西省關(guān)中地區(qū)要高一倍以上［17］，并且2000年以來，土地利用類型轉(zhuǎn)換更為劇烈。而1990年，2000年和2006年土地利用程度綜合指數(shù)分別為192.95，196.55和186.31。由于研究區(qū)處于風(fēng)沙區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)，三個時期土地利用程度均低于全國平均水平的231.92，而且隨著農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，20世紀末期土地利用程度在加深，而2000年以來，隨著退耕還林政策的實施，土地利用程度明顯減弱。1990—2000年10a間的土地利用程度變化率為0.019＞0，說明研究區(qū)土地利用階段處于發(fā)展期，2000—2006年6a間的土地利用程度變化率為－0.052＜0，說明研究區(qū)土地利用階段處于衰退期。

3.2 土地利用變化合理性分析

3.2.1 總體土地利用變化合理性分析 按照土地利用合理性劃分標準，將1990—2000年及2000—2006年土地利用類型轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)與DEM疊加，并統(tǒng)計得到兩個時期各個地類和總體類型轉(zhuǎn)化的合理度及等級（表4）。

結(jié)果顯示：1990—2000年土地利用類型發(fā)生變化的總面積為441 561.68hm2，其中轉(zhuǎn)化合理的為274 601.06hm2，不合理的為166 960.61hm2，合理性程度為62.19%；而2000—2006年土地利用類型發(fā)生變化的總面積為422 485.58hm2，其中轉(zhuǎn)化合理的為250 707.64hm2，不合理的為171 777.45hm2，合理性程度為59.34%，兩個時期均處于低度合理水平，且2000年后比前一時期有所降低。從轉(zhuǎn)化類型來看，1990—2000年轉(zhuǎn)化不合理的主要是草地→未利用土地，坡度≤25°的林草植被→不適宜耕地，坡度≤25°宜耕地→林草植被，耕地→未利用土地以及林地→未利用土地，分別占到轉(zhuǎn)化不合理面積的29.86%，24.30%，19.54%，10.61% 和 6.65%；而2000—2006年轉(zhuǎn)化不合理的主要是坡度≤25°的宜耕地→林草植被，林地→未利用土地，耕地→未利用土地，草地→未利用土地，坡度≤25°林草植被→不適宜耕地，分別占到轉(zhuǎn)化不合理總面積的51.00%，32.00%，5.46%，5.31% 和 3.62%。可 以 看 出，1990—2000年土地利用變化合理性程度較低的主要因素是過度放牧等原因造成的草地沙化和過度開荒，而2000—2006年主要因素是過度退耕以及經(jīng)濟發(fā)展對林地特別是灌木林地的破壞以及大量坡耕地退耕后植被未及時恢復(fù)而轉(zhuǎn)為未利用土地。

表4 土地利用變化合理性分析評價

3.2.2 不同地類土地利用變化合理性分析 嚴酷的自然條件和粗放的利用方式，造成研究區(qū)耕地撂荒現(xiàn)象普遍存在，并且撂荒后植被難于自然恢復(fù)，使得耕地變化的合理性程度較低。特別是2000年以后，退耕還林（草）規(guī)模過大，約有87 601.11hm2坡度≤25°的宜耕地轉(zhuǎn)化為林草植被，而在1990—2000年僅有32 627.41hm2，使得耕地變化的合理性較前一時期有所降低，由低度不合理變?yōu)橹卸炔缓侠恚▓D1）。

作為退耕后的過渡性地類，林地極不穩(wěn)定，不加以適當(dāng)?shù)木S護極易發(fā)生退化，加之不合理的開墾，使得林地變化的合理性程度總體偏低，2000年以來礦業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展以及氣候干旱等原因，灌木林地大量破壞或死亡，這一時期林地轉(zhuǎn)化為未利用土地的面積為54 976.5hm2，而在1990—2000年僅有11 094.62hm2的林地轉(zhuǎn)化為未利用土地，使得林地變化的合理性程度降低，由低度合理變?yōu)榈投炔缓侠怼?/p>

草地總體上合理性程度較高，特別是禁牧休牧政策的實施對草地起到了很好的保護作用，草地向未利用土地轉(zhuǎn)化的面積由1990—2000年的49 852.29 hm2減少到2000—2006年的9 124.57hm2，而退耕還林政策的實施有效遏制了對草地的過度開墾，草地轉(zhuǎn)化為不適宜耕地的面積由1990—2000年的15 800.51hm2減少到2000—2006 年的 3 075.03 hm2，從而使草地變化的合理性大幅提高，由低度合理提升為中度合理。

2000年以來，水域，建設(shè)用地向林地、草地、工礦用地轉(zhuǎn)化的比例較前一時期有所增加，而向未利用土地轉(zhuǎn)化的比例明顯降低，從而使水域和建設(shè)用地變化的合理性大幅提高。

研究區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)對土地的破壞以煤礦開采造成的挖損、塌陷、壓占等方式為主，而這些方式造成的破壞在短期內(nèi)難于治理，兩個時期分別有364.68 hm2和1 101.24hm2的工礦用地由于上述原因而轉(zhuǎn)化為未利用土地，分別占到工礦用地轉(zhuǎn)化總面積的42.62%和41.75%，這些原因也造成工礦用地變化的合理性較低，而且兩個時期基本沒有變化。

研究結(jié)果顯示，未利用土地變化不合理的主要原因是≤25°的平地、緩坡地轉(zhuǎn)為不適宜耕地，而＞25°的未利用土地轉(zhuǎn)為耕地的面積極少，兩個時期未利用土地轉(zhuǎn)化為不適宜耕地的面積分別為12 464.36hm2和743.72hm2，分別占到未利用土地變化總面積的13.7%和0.81%，這說明退耕還林政策的實施很大程度上遏制了過度開荒，同時也使未利用土地變化的合理性明顯提高。

圖1 土地利用變化合理性程度分析評價

4 結(jié) 論

（1）榆神府礦區(qū)自然條件惡劣，沙地廣布，總體上難于直接開發(fā)利用，故土地利用程度較低，但同時生態(tài)環(huán)境脆弱，自我恢復(fù)能力差，土地利用類型轉(zhuǎn)化頻繁，土地利用類型動態(tài)度較大，特別是工礦用地動態(tài)度最大，16a間增加了近8倍。

（2）近16a來研究區(qū)土地利用變化合理度總體較低，處于低度合理水平，其中未利用土地和草地變化的合理度較高，而耕地和水域轉(zhuǎn)化的合理度最低，土地利用變化的結(jié)果能在一定程度上優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，提高土地總體質(zhì)量和改善生態(tài)環(huán)境，但對實現(xiàn)當(dāng)?shù)馗乇Ｓ辛磕繕藚s產(chǎn)生了不小的影響。

（3）生態(tài)退耕政策對土地利用變化過程產(chǎn)生了明顯的影響，表現(xiàn)在土地利用變化速度加快，土地利用程度降低，土地利用階段發(fā)生了由發(fā)展期到衰退期的轉(zhuǎn)變；退耕和禁牧政策的實施，使過度放牧和開荒造成的土地退化現(xiàn)象得到有效遏制，但同時伴隨經(jīng)濟的發(fā)展，又造成對天然灌木林的破壞和退耕后植被未及時恢復(fù)的問題，使得土地利用變化合理度降低。因而，在未來土地利用規(guī)劃和政策實施上，既要注重控制退耕的合理規(guī)模，更重要的是要加大對林草植被特別是灌木林的保護力度以及采取措施使退耕出的坡耕地及時恢復(fù)林草植被。

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