成武縣土地利用時空變化與水系因子的關系研究

徐增江

(成武縣國土資源局，山東 成武 274200)

0 引言

土地是人類賴以生存和活動的重要基礎，是經濟社會發(fā)展的物質載體[1-2]。土地利用是人類按經濟社會目的，根據(jù)土地的自然、社會和經濟特征，對土地進行的經營活動，是土地綜合質量和土地社會需求協(xié)調作用的動態(tài)過程[3-4]。

土地利用變化研究主要是對不同土地利用類型的時間變化和空間分布特征的分析[1-2]。土地利用的空間結構布局反映了土地利用類型在地域上的配置，通過研究土地利用布局的區(qū)域差異性與合理性，可以進一步優(yōu)化用地結構。地理信息技術的發(fā)展為分析土地利用時空變化提供了強大的技術支撐[5-6]。目前關于土地利用對水系自然環(huán)境(如水系水質，水系生態(tài)安全)的影響研究較多，土地利用變化驅動力分析的技術方法，理論體系較為完善，針對縣域尺度土地利用變化與水系因子(河流、湖泊、水庫)的關系研究較少。魯西南平原區(qū)是山東重要糧食產地，地表水資源豐富。研究該區(qū)域土地利用格局與水系因子的關系，分析水系對于區(qū)域土地利用的影響，有利于促進土地資源利用和保護，優(yōu)化區(qū)域土地利用空間布局，促進區(qū)域可持續(xù)性發(fā)展[7-8]。

1 研究地區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

成武縣位于山東省西南部，屬于黃河沖積平原，溫帶大陸性季風氣侯，雨熱同期，四季分明。多年極端最高氣溫為40.4℃，極端最低氣溫為-16.7℃，平均氣溫為13.9℃。多年平均日照為1767.1h，年最大降雨量935.7mm，30年平均降雨量627.3mm，降水多集中在春夏秋季，長年平均蒸發(fā)量620.1mm，平均相對濕度為78%。成武縣地表水資源豐富，境內有東漁河、萬福河、大沙河3條黃河支流，境內河流全長為77km，縣境最大流域為東漁河，河流境內全長36km，流域面積為539km2，正常水位寬100～130m，多年平均流量為10m3/s，多年來平均年過境水量為33億m3。

1.2 研究方法

通過解譯成武地區(qū)1987年、1992年、1997年、2003年、2015年5個年份的遙感影像，得到土地利用現(xiàn)狀圖，對土地利用結構及土地利用時空變化與水系因子的相互關系進行分析。具體方法如下：依據(jù)成武縣5個時期遙感影像資料，結合地籍變更調查資料，解譯得到成武縣5個時期的土地利用現(xiàn)狀圖；利用DEM模型，進行地表水文分析，提取成武縣河網，運用ArcGIS軟件建立不同距離緩沖區(qū)[9]，與不同時期的土地利用現(xiàn)狀圖疊加，提取不同距離緩沖區(qū)不同時段的土地利用信息，統(tǒng)計不同距離緩沖區(qū)內土地利用結構時空動態(tài)變化，并與全域土地利用結構對比，分析水系因子對土地利用變化的影響[10-11]。

1.2.1 TM影像數(shù)據(jù)處理

對成武縣1987年、1992年、1997年、2003年、2015年TM數(shù)據(jù)，通過遙感影像幾何校正，圖像配準、增強等方法，結合實地調查，利用遙感軟件，參照國家土地利用分類標準，編制土地利用現(xiàn)狀圖，統(tǒng)計得到成武縣不同時期的土地利用結構表[12，13]。

1.2.2 DEM數(shù)據(jù)處理

數(shù)字高程模型(DEM)是描述地面高程值空間分布的一組有序數(shù)組，能夠直觀表現(xiàn)區(qū)域地表特征。用ArcGIS軟件，匹配遙感影像與DEM，結合實地情況，提取地區(qū)水系分布圖[14-15]。

1.2.3 河網提取

運用DEM地表水文分析提取河流匯流累積量、水流長度、河流網絡等，根據(jù)流量選取了河網。該研究提取成武縣總長度77km，其中東漁河、萬福河、大沙河3條河流全長62km，其他河流為長度15km。

1.2.4 緩沖區(qū)分析

該研究以區(qū)域河網為基礎，結合成武縣實際情況和專家經驗，生成不同距離的緩沖區(qū)，分別為100m,200m,300m,400m,500m,750m,1000m。

1.2.5 疊加分析

疊加分析是GIS中的一項非常重要的空間分析功能,通過多層數(shù)據(jù)的疊置分析，產生新的空間關系和新的屬性特征關系，能夠發(fā)現(xiàn)多層數(shù)據(jù)間的相互差異、聯(lián)系和變化等特征。該研究疊加成武縣土地利用現(xiàn)狀圖與緩沖區(qū),提取不同年份、不同緩沖距離的土地利用現(xiàn)狀信息，并與全域土地利用現(xiàn)狀對比，分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和變化規(guī)律[15-16]。

2 結果與分析

2.1 土地利用空間變化與水系

土地利用類型劃分按照國家土地利用現(xiàn)狀分類標準，結合研究區(qū)實際情況，將其中的商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、風景名勝設施用地、特殊用地、交通運輸用地、水利設施用地歸并為建設用地，河流水面、湖泊水面歸并為水域，設施農用地、農村道路等歸并為其他土地[17]。

利用提取的河網，以河流為中心向兩側作距離分別為100m,200m,300m,400m,500m,750m和1000m的緩沖區(qū)，建立格網，結合2015年遙感解譯的土地利用現(xiàn)狀圖，在ArcGIS9.3下進行空間分析，提取不同緩沖距離緩沖區(qū)內土地類型格網數(shù)并計算面積(表1、圖1)。

表1 不同緩沖區(qū)內各種土地利用類型面積(2015年) hm2

從表1、表2、表3中得出，耕地和建設用地所占比例隨著緩沖區(qū)距離的增加明顯增長，與緩沖區(qū)總面積呈正相關關系；林地面積所占百分比逐步提高，增長趨勢平緩。在不同距離緩沖區(qū)內耕地所占比例均為最高，建設用地所占比例次之；建設用地所占比例在100～300m距離內，變化不明顯，在400～1000m距離內，呈現(xiàn)逐步增加的特征；園地、其他土地在不同距離緩沖區(qū)內所占比例較為穩(wěn)定；林地所占比例隨著緩沖區(qū)的增加，呈現(xiàn)平緩下降的趨勢。

圖1 建設用地在不同緩沖區(qū)內面積及比例趨勢圖

緩沖區(qū)域100m200m300m400m500m750m1000m耕地4．6810．3015．7120．8925．8037．1547．67林地13．3817．0720．5124．3328．3238．3048．23園地3．457．6613．3818．9126．1442．5154．58建設用地6．5511．2415．8320．4025．1537．6248．84水域94．1094．1094．1094．1094．1094．1094．10其他土地1．341．512．543．965．489．3013．12合計6．5611．5516．4221．1625．7636．6946．81

表3 不同緩沖區(qū)內各種土地利用類型面積占比 %

2.2 水系因子對主要土地利用類型的影響

2.2.1 水系因子對建設用地的影響

結合表4、圖1，從100～1000m緩沖區(qū)范圍內，建設用地占緩沖區(qū)比例從11.38%逐步增長至18.24%，占全域建設用地比例從6.55%增長至48.84%，建設用地面積從1051.48hm2增長至7836.65hm2，建設用地占全域建設用地比例增長明顯，在距離水系1000m范圍之內建設用地所占比例僅次于耕地，建設用地占對應緩沖總面積區(qū)比例平穩(wěn)增加，在500m范圍內均低于全域建設用地比例16.23%，500～1000m范圍內均高于全域建設用地比例。

2.2.2 水系因子對耕地的影響

結合表1、表3、表5和圖1、圖2，在不同距離緩沖區(qū)內耕地所占比例均為最高，耕地面積占對應緩沖區(qū)總面積比例在400m范圍之內增長較快，400～1000m范圍內，比例趨于穩(wěn)定，接近全域耕地面積比例。園地占全域園地面積比例在不同距離緩沖區(qū)內較為穩(wěn)定，占對應緩沖區(qū)面積比例在400～1000m范圍內,隨著緩沖區(qū)的擴大，比例趨于穩(wěn)定，不同距離緩沖區(qū)園地比例均低于全縣園地比例。

表4 建設用地在不同距離緩沖區(qū)內面積及比例

表5 耕地在不同距離緩沖區(qū)內面積及比例

圖2 耕地在不同緩沖區(qū)內面積及比例趨勢圖

以上說明成武縣以耕地為本底的土地利用特征，耕地分布在距離河流300m之內受水系因素影響明顯，在300m之外分布趨于穩(wěn)定，并與全域耕地比例接近；林地在河流兩側分布較多，在距離河流750m之外，與全域林地比例一致；不同距離緩沖區(qū)內園地比例均低于全縣園地比例，說明成武縣園地主要分布在距離河流1000m范圍之外。

2.2.3 水系因子對林地的影響

由表6、圖3可得出，隨著緩沖區(qū)距離的增加，林地占對應緩沖區(qū)比例由100m的11.64逐步下降至1000m的5.63%，在距離河流500m范圍之內林地比例均高于全縣林地比例，在750～1000m范圍接近全縣林地比例的5.73%，林地在距離河流500m范圍之內分布與全域分布相比較為集中。

表6 林地在不同距離緩沖區(qū)內面積及比例

圖3 林地在不同緩沖區(qū)內面積及比例趨勢圖

2.3 土地利用時間變化

該次研究選取河流兩側1000m范圍之內區(qū)域分析土地利用時間變化。以河流為中心向兩側作距離1000m的緩沖區(qū)，分別與1987年、1992年、1997年、2003年、2015年遙感解譯的土地利用現(xiàn)狀圖用ArcGIS軟件進行空間分析，分析500m緩沖距離內的土地利用結構(表7、圖4)

表7 在1000m緩沖區(qū)域內各年份的網格數(shù)

圖4 各年份土地利用類型在1000m緩沖區(qū)內的網格數(shù)直方圖(個)

表7，圖4反映了各年在1000m緩沖區(qū)內的各用地類型的網格數(shù)，圖4表示了不同土地利用類型在不同時段的比例變化。在1987年、1992年、1997年、2003年、2015年5個時期中耕地面積增長平緩，而建設用地面積在2003年之前增長幅度穩(wěn)定，2003—2015年增長較快，林地規(guī)模逐漸減少，園地總體保持穩(wěn)定，其他土地隨著經濟社會發(fā)展不斷減少。

3 結論

(1)該文選取成武縣為研究對象，在廣泛收集研究區(qū)各種資料的基礎上，應用RS和GIS技術，對縣域土地利用時空變化進行深入研究分析。通過分析可知各種土地利用類型在水系因子的影響下，呈現(xiàn)不同的時空變化特征和空間分布規(guī)律。

(2)成武縣主要土地利用類型為耕地和建設用地，耕地作為重要的自然資源比例最高,是整個地區(qū)的景觀基質，在距離河流400m范圍內分布比例低于全域比例，400m范圍之外分布較為均勻；建設用地在距離水系300m范圍內分布較少，300m距離之外，逐步增加；林地是該區(qū)域重要的生態(tài)廊道，在河流兩側分布較多，成武縣總體形成了林地﹑耕地、水系﹑建設用地相互交錯的景觀格局。

(3)水系因子400m范圍內，耕地、建設用地比例逐步提高，林地比例逐漸降低，該區(qū)域范圍內呈現(xiàn)林地向耕地和建設用地轉移的特征；400～1000m范圍內，耕地和林地比例平緩下降，建設用地比例平緩上升，呈現(xiàn)耕地、林地向建設用地轉化的規(guī)律，人類生產活動在不同范圍內對土地利用結構轉化有不同程度的影響。

(4)1987—2015年，人類活動對土地利用結構的影響表現(xiàn)為耕地、建設用地面積不斷增加，林地面積逐年減少。

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