南四湖流域土地利用/覆被變化的時空特征

初翠翠,廉麗姝,2*,于淼,于鳳碩

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南四湖流域土地利用/覆被變化的時空特征

初翠翠1,廉麗姝1,2*,于淼1,于鳳碩1

1. 曲阜師范大學地理與旅游學院, 山東 日照 276826 2. 南四湖濕地生態與環境保護山東省高校重點實驗室, 山東 日照 276826

基于土地利用空間分析指標和圖譜方法，利用五期土地利用數據，結合GIS和RS技術，得出南四湖流域1990~2010年土地利用/覆被變化的時空特征：①1990~2010年南四湖流域土地利用方式以耕地、城鄉建設用地和水域為主，流域土地利用類型的分布與流域內地形密切相關。②近20年流域綜合土地利用動態度為0.39%，總體變化速度較緩慢。其中，南四湖流域未利用地的減少速度最快，是該流域土地利用變化最獨特的特征。③流域內各土地類型存在著不同程度的相互轉換，城鄉建設用地占用耕地是各階段土地利用類型轉換的主要特點，集中分布在流域內的各個縣域；82.39%的未利用地在1990~1995年轉化為人工水域，主要分布在南四湖濕地自然保護區；耕地與林地和草地之間的相互轉換主要發生在流域東部的多山地丘陵地帶。

土地利用/覆被變化; 時空特征; 南四湖

土地利用/覆被變化(LUCC)作為生物物理-社會經濟系統的中心組成成分，與氣候、生態過程、生物地球化學循環、生物多樣性以及人類活動之間存在非常重要的相互作用關系[1]。這一過程通過改變下墊面屬性，影響陸面和大氣之間的熱量、動量和水分交換[2,3]，發生在流域到全球的多種尺度上[4]。而作為自然區域小尺度的流域，具有獨特的水文循環和能量交換的特點，因此它的土地利用變化將對自身乃至更大尺度的自然生態系統產生深遠的影響[5]，認識流域土地利用變化特征及空間格局已成為土地變化科學研究的熱點問題。

近年來，我國不同流域土地變化的研究受到了眾多學者的高度重視。許多學者選用土地利用空間分析指標，如動態度指數、土地利用轉移矩陣、土地利用程度綜合指數等，從土地利用數量變化、變化速度、類型轉換等方面對土地利用變化進行深入研究[6-9]；在此基礎上，有學者深入探討流域土地利用變化的驅動因子[10]。部分學者選用地學信息圖譜[11]和重心坐標法[12]對不同流域土地利用類型空間變化和空間分布規律進行分析，深化了流域土地利用變化的研究，使信息的表達更加多維化，彌補了基于非空間屬性數據庫的數據挖掘方法在形象思維和空間位置方面的不足[13]。結果表明在城市化進程下，城鄉建設用地侵占耕地是各流域土地利用變化普遍存在的趨勢，但在國家或地區的規劃調整下，其侵占速度呈現逐漸減緩趨勢；部分流域因自然環境的改變和土地利用方式的變化，土地呈現沙漠化，鹽堿地和裸地不斷增加。由此可見，對不同流域土地利用的時空變化研究越來越豐富也越來越有必要，但是關于南四湖流域土地利用變化的研究比較薄弱，主要利用信息熵[14]和土地利用轉移矩陣[15]等方法對南四湖流域數量和類型轉換進行分析，未見有學者利用地學信息圖譜對南四湖流域土地利用空間分布規律進行深入研究。

南四湖流域是華北地區重要的流域之一，其土地利用變化將對更大的自然生態系統的氣候、生態過程、生物多樣性產生深刻影響。本文選取南四湖流域作為研究區，根據中國1:10萬比例尺土地利用現狀遙感監測數據庫數據集，包括1980年代末期（1990）、1995年、2000年、2005年、2010年五個時期，利用綜合土地利用動態度、單一土地利用動態度等指標全面分析1990年-2010年南四湖流域土地利用變化特征和規律；借助地學信息圖譜模型，用土地利用圖譜單元來記錄流域內土地利用變化的格局和過程，實現對土地利用變化“空間格局”與“時間過程”特征的集成研究，為進一步研究南四湖流域土地利用變化的環境效應奠定基礎。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

南四湖（34°27′-35°20′，116°34′-117°21′）位于山東省西南部，自北向南由微山湖、昭陽湖、獨山湖、南陽湖串聯在一起，既是華北地區的第一大淡水湖，又是淮河流域的第二大淡水湖，其流域面積達3.17萬km2。南四湖流域（34°24′-35°59′N，114°52′-117°42′E）屬于夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥的暖溫帶大陸性季風氣候區，平均氣溫約為14 °C，年均降水量700 mm。全流域跨山東省、江蘇省、河南省、安徽省四個省份，東部、西部的地勢高于中部，流域東部由北向南地勢降低，南四湖湖區地勢最低。流域內河流眾多，達53條，從四面八方呈放射狀匯入南四湖，構成強大的河流水系，其中包括大沙河、十字河、白沙河、白馬河、趙王河、洙趙新河、東魚河等(圖1)。

圖1 研究區位置及范圍

1.2 數據與方法

1.2.1 數據來源與預處理本研究使用的土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)，包括1980年代末期（1990）、1995年、2000年、2005年、2010年五期。該數據集在國家科技支撐計劃、中國科學院知識創新工程重要方向項目等多項重大科技項目的支持下，經過多年的積累而建立的覆蓋全國陸地區域的中國1:10萬比例尺土地利用現狀遙感監測數據庫數據集，是目前我國精度最高的土地利用遙感監測數據產品。土地利用一級類型綜合評價精度達到94.3%以上，二級類型分類綜合精度達91.2%以上[16]。數據生產制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源，為了規避不同時期對水域面積的影響，均選用平水期時的遙感影像。通過人工目視解譯生成。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型。研究區矢量數據依據濟寧市南四湖水利管理局（http://www.sdjnnsh.com）提供的最新南四湖流域圖和山東南四湖省級自然保護區（http://sdnshnr.forestry.gov.cn）的南四湖濕地自然保護區繪制。

運用ArcGIS10.2對數據進行預處理，結合南四湖流域實際情況和研究目的，簡化處理數據的過程，方便空間數據間的疊加分析和地圖代數運算，使用reclassify工具對五期數據進行重編碼，把25類二級土地利用類型重編碼為6類一級土地利用類型：耕地、林地、草地、水域、城鄉建設用地、未利用地。

1.2.2 研究方法利用GIS和RS技術，提取南四湖流域不同時期的土地利用類型及其面積，采用綜合土地利用動態度和單一土地利用動態度兩個指標分析1990~2010年土地利用變化速度。通過地圖代數運算，得到南四湖流域土地利用變化圖譜，分析土地利用變化的空間位置和空間行為。

1.2.2.1 土地利用動態度綜合土地利用動態度是表征研究區內整個土地利用類型在一定時間段內的變化速度，是刻畫土地利用類型變化速度區域差異的指標，反映人類活動對流域土地利用類型變化的綜合影響[17,18]，其數學模型為：

式中，為與時段對應的研究區土地利用綜合動態度，△S為監測開始至監測結束時段內第類土地利用類型轉換為其他類土地利用類型面積總和，S為監測開始時間第類土地利用類型總面積，為土地利用變化時間段。

單一土地利用動態度是用來定量分析研究區內某種土地利用類型在一定時間段內的數量的變化情況的指標，用來比較不同土地利用類型的變化速度[19]，其數學模型為：

式中，K為1到2時段內類土地利用類型動態度；S1、S2分別表示1、2時間類土地利用類型面積。

式中，表征研究階段土地利用演替變化的土地利用圖譜單元；表征前一時刻柵格單元土地利用類型編碼值；表征后一時刻柵格單元土地利用類型編碼值。

圖譜單元空間分離度是用來描述圖譜單元在空間分布上的分散程度的統計指標，分離度越大，圖譜單元在空間上分布越離散，其數學模型[22,23]為：

式中，F為圖譜單元空間分離度，N、A分別為初期的種土地利用類型轉變為末期的種土地利用類型的圖譜單元數和面積，為土地利用類型個數。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構變化

由1990~2010年南四湖流域土地利用類型比率圖（圖2）、1990年和2010年南四湖流域土地利用現狀圖（圖3）可以看出，1990~2010年南四湖流域土地利用結構以耕地、城鄉建設用地、水域為主，其余用地類型占比總和不足10%，其中耕地面積最多，未利用地面積最少。各階段各用地類型占總用地面積的比例發生顯著變化，耕地面積占比由76.60%下降至74.69%，未利用地面積占比由2.11%下降至0.37%，城鄉建設用地由10.70%增加至12.67%，水域面積占比由3.67%增加至5.51%。由圖3可以看出南四湖流域土地利用類型空間上變化最為顯著的是南四湖濕地自然保護區未利用地的減少和城鄉建設用地的擴張，且各用地類型的分布與流域內地形密切相關。耕地和城鄉建設用地分布在地勢較平坦的平原地區，而草地和林地較多的分布在流域東部的多山地丘陵地帶，少部分分布在流域西南部沛縣、銅山縣與微山縣交界處。未利用地分布在南四湖濕地，水域分布在南四湖濕地及河流流經地區。

圖 2 1990~2010年南四湖流域土地利用類型比率圖

圖 3 1990年和2010年南四湖流域土地利用類型

2.2 土地利用動態度分析

2.2.1 綜合土地利用動態度利用綜合土地利用動態度計算公式，得到1990~1995年、1995~2000年、2000~2005年、2005~2010年及1990~2010年研究區域綜合土地利用動態度分別為0.21%、0.07%、0.09%、0.07%和0.39%，表明近20年南四湖流域土地利用變化速度較為緩慢，且總體上呈現減緩趨勢。但在流域不同縣市，土地利用變化速度存在一定的差異。

2.2.2 單一土地利用動態度表1為研究區內不同階段單一土地利用類型的動態度。由表1可見，耕地面積總體表現為減少趨勢，變化速度較為緩慢，但由于耕地面積基數較大，其變化絕對量較大。其中1990~2005年耕地減少速度逐步變快，并在2000~2005年減少速度達到最大，此后耕地面積的減少速度有所放緩。近20年南四湖濕地地區未利用地的變化速度最快，面積減少極為迅速，其中1990~1995年間超過50%的未利用地轉出減少，是同期水域面積增速的1.83倍，1995~2010年未利用地的變化速度不斷減小且逐漸趨于穩定。水域面積在1990~1995年增加迅速，速度最大達4.60%，后期速度明顯減慢。城鄉建設用地變化速度隨經濟的發展保持在0.5%以上。林地和草地面積由于基數少且變化絕對量較小，其變化速度較為緩慢。

表 1 1990~2010年南四湖流域單一土地利用變化速度

2.3 土地利用類型轉移分析

結合1990~2010年土地利用變化圖譜（圖4）和圖譜單元空間分離度（圖5）可見南四湖流域各土地利用類型在四個時期（1990~1995年，1995~2000年、2000~2005年、2005~2010年）發生了較為復雜的轉化，各階段土地利用時空變化過程既存在相同之處又有其各個時期獨特的變化特征。

圖4 1990~2010年土地利用變化圖譜

0未變化 No change；1耕地 Arable land；2林地 Forest land；3草地 Grassland；4水域 Water body；5城鄉建設用地 Urban-rural construction land；6未利用地 Unused land

圖5 1990~2010年土地利用變化圖譜單元的空間分離度

0未變化 No change；1耕地 Arable land；2林地 Forest land；3草地 Grassland；4水域 Water body；5城鄉建設用地 Urban-rural construction land；6未利用地 Unused land

備注: 橫坐標排列順序依據圖譜單元數大小順序 The arrangement sequences of abscissa were according to sizes of units on atlas

首先，四個時期圖譜單元類型中變化最顯著的是“耕地→建設用地（編碼15）”，該種變化單元數占各類變化單元總數的比例分別為31.42%、34.80%、49.32%、81.16%，同時也是各階段所有用地類型轉化中空間分離度最小的，分別為1.03、0.95、0.62、0.47。四個階段耕地轉化為其他土地利用類型面積分別為3.88×105hm2、3.43×105hm2、3.62×104hm2、2.53×104hm2，其中分別有69.16%、72.15%、65.11%、89.27%轉移為城鄉建設用地，說明耕地轉出為建設用地在各個時期都很活躍，且空間上較集中。2004年《土地管理法》的修訂和完善減緩了耕地轉移為其他用地的數量和速度，2000~2010年發生范圍較前十年大大縮小，但城鎮化進程的發展使耕地轉化為城鄉建設用地的比例并未下降，且推動城鄉建設用地面積不斷增加。在排序上該類型在各個階段均處于第1位（圖5），可見耕地的減少在各階段都成為主要趨勢，城市建設用地占用耕地的現象一直存在。

其次，變化較為突出的圖譜單元類型是“未利用地→水域（編碼64）”，主要發生在1990~1995年，這一時期該類圖譜單元數占總單元數的5.09%，空間分離度為2.02。由于人類對自然濕地的開發利用——圍湖造田和養殖等，導致95.75%的未利用地在這一時期發生轉化，其中82.39%轉移為水田、魚塘等人工水域，集中分布在微山縣境內的南四湖濕地。其他時段該圖譜單元數最少，空間分離度較大且最大達到36.39，說明在1995~2010年少有未利用地轉化為水域用地，其圖譜空間分布極為分散。其它地類中與水域發生轉化最為明顯的是耕地，“水域→耕地（編碼41）”和“耕地→水域（編碼14）”發生在各個階段，這兩類變化圖譜單元總量較小，空間分離度不大，分布地區也較為特殊，主要集中分布在南四湖濕地及流域內河流流經之處。1995~2000年持續多年（1997、1999、2000年為干旱年）的干旱，導致水域面積的減少，由于生態補水活動的增加，水域面積在2000~2010年有所增加。

再次是林地和草地的變化，主要是其與耕地之間的相互轉化（編碼31及編碼13、12、21），前十年受生態退耕和墾殖活動的影響，林地、草地主要由耕地轉移而來，也主要轉出為耕地。這四類圖譜單元類型空間分離度相近，并與耕地和建設用地的相互轉化（編碼15和51）及耕地和水域的相互轉化（編碼14和41）空間分離度相差不大，說明這四類圖譜單元在區域上分布也相對集中，主要分布在流域東部多山地丘陵的棗莊市、滕州市、鄒城市、泗水縣境內，這與林地、草地的區域分布相一致。后十年林地和草地與其它地類之間的轉移作用較為微弱。

總體來看，隨著時間的發展，圖譜變化單元類型的總數逐漸減少，由1990年的31類圖譜單元類型減少至2010年的10類，土地利用發生轉換的空間進一步縮小，范圍由密集分布在全流域逐漸變為分散在山東省境內。1990~2010年城市建設用地占用耕地的現象發生在各個時期，1990~1995年發生的南四湖濕地大面積轉化為人工水域是該時段最獨特的圖譜特征。

3 討論

本文利用統計方法和遙感技術，揭示了南四湖流域土地利用/覆被的結構變化特征，應用土地利用空間分析指標和地學信息圖譜方法，綜合分析南四湖流域土地利用/覆被的變化速度和時空變化軌跡，實現該流域土地利用變化“空間格局”與“時間過程”特征的耦合，完善該流域土地利用/覆被變化時空特征的研究。該研究使用的空間分離度在一定程度上可以較好地解釋圖譜單元在空間上的集散度。南四湖流域土地利用變化是多驅動因子共同作用下的結果，有必要對流域內土地利用變化過程的驅動機制進行深入研究，以便更好地探討如何管理和利用土地資源，為土地資源的可持續利用奠定科學基礎。

4 結論

本文利用土地利用變化空間分析指標和地學信息圖譜方法，從土地利用變化的速度和土地利用變化的空間差異等方面對南四湖流域20年來的土地利用動態變化進行定量分析，得出如下結論：

（1）1990~2010年研究區內土地利用類型以耕地、城鄉建設用地、水域為主，其中耕地面積最大。耕地占總用地面積的比例呈不斷減少的趨勢，而城鄉建設用地面積占比逐年增加，未利用地面積占比逐年減少。流域內土地利用類型分布與地形密切相關，耕地和建設用地多分布在平原地區，林地和草地較多分布在多山地丘陵地區，未利用地分布在南四湖濕地。

（2）不同階段的土地利用變化速度相對較為緩慢，土地利用變化速度有減緩趨勢。從各時期不同土地利用類型變化速度來看，耕地的減少速度和城鄉建設用地的增加速度不斷增大，未利用地和水域的變化速度不斷減少，逐漸趨于平緩。由1990~2010年不同土地利用類型的動態度可知，近20年南四湖流域未利用地減少最快，這是流域內土地利用變化最為獨特的特征。

（3）從土地利用類型時空變化軌跡來看，1990~2010年不同時期南四湖流域土地利用類型轉換存在較大差異，圖譜變化單元類型的空間分布與各地類的空間分布具有較大相關性，具有明顯的區域分布特征。前十年和后十年相比，土地利用變化更為劇烈。耕地轉換為城鄉建設用地是各個階段研究區土地利用類型轉化的主要特點，并且這種轉換主要分布在除微山縣之外的各個縣域。未利用地主要轉化為水域，主要發生在1990~1995年，表現為南四湖自然濕地的快速縮減和人工水域大面積快速擴張，而在其它時段變化均不顯著。總體來看，城鄉建設用地占用耕地是南四湖流域各階段土地利用變化主要的特征，1990~1995年由于人類的圍湖造田和養殖等活動導致的南四湖濕地的大面積快速縮減是該流域土地利用變化最獨特的特征。

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Spatial and Temporal Characteristics of Land Use/Cover Changes in Nansi Lake Basin

CHU Cui-cui1, LIAN Li-shu1,2*, YU Miao1, YU Feng-shuo1

1.276826,2.276826,

Based on the land use spatial analysis index and map method, the spatial and temporal characteristics of land use/cover change in the Nansi Lake Basin from 1990 to 2010 were obtained by using five periods of land use data and combining with GIS and RS technology. ①From 1990 to 2010, the pattern of land use in Nansi Basin was mainly cultivated land, urban and rural construction land and water area, and the distribution of land use types in the basin was closely related to the topography of the basin. ②The integrated dynamic degree of land use in this area was 0.39% in the last 20 years, and the overall change rate was slow. Among different kinds of land use changes, the unused land in Nansi Lake Basin decreased dramatically, which was the most unique characteristic of land use change in this basin. ③There were different degrees of conversion among different land types in the basin. Occupying cultivated land in urban and rural construction land was the main feature of the conversion of land use types in different stages, it was concentrated in every county in the basin. 82.39% of the unused land was converted into artificial water in 1990-1995, mainly distributed in the Nansi Lake wetland nature reserve. The conversion among cultivated land, woodland and grassland mainly occurred in the hilly region in the eastern part of the Nansi Lake Basin.

Land use/ cover change; spatial-temporal characteristics; Nansi Lake

S29

A

1000-2324(2018)03-0417-07

2016-09-02

2016-12-03

教育部人文社科項目(14YJCZH138);山東省自然科學基金(ZR2015DL001)

初翠翠(1993-),女,碩士研究生,研究方向:土地利用變化的氣候效應. E-mail:Chucc9304@126.com

Author for correspondence. E-mail:llsh8210@163.com