2008-2013年晉北地區土地利用／覆被變化研究

王國玲　李艷紅　蘇志珠　李想　馬義娟

摘要：旨在了解人類活動對晉北地區土地利用/覆被變化（LUCC）的影響，為研究區合理利用土地資源、優化土地利用格局以及促進區域經濟社會協調發展提供科學依據。利用晉北地區2008-2013年的TM遙感影像數據，在ERDAS、ArcGIS等軟件的技術支持下，解譯影像處理數據并建立土地利用變化轉移矩陣，對研究區域近5年來土地利用/覆被變化進行研究。結果表明：2008-2013年期間，晉北地區耕地面積減少62561.10 hm2，林地增加55774.23 hm2，居民工礦建設用地增加22895.49 hm2，草地減少15395.60 hm2，水域面積增加1090.24 hm2，未利用地面積減少1803.29 hm2。這與研究區域在研究時段內大量退耕還林還草的生態建設、城鎮化快速發展、經濟持續增長等人類活動相關。綜上，2008-2013年期間，晉北地區土地利用與覆被發生了較大變化。

關鍵詞：晉北地區;農牧交錯帶;土地利用/覆被變化;土地利用動態度;轉移矩陣;人機交互式目視解譯法;高分辨率遙感影像

中圖分類號：K921/927

文獻標志碼：A

論文編號：cjas19010034

0引言

土地是人類賴以生存與發展的重要自然資源和物質基礎，土地利用方式作為人類與自然界相互影響與交互作用的綜合反映，是影響陸地生態系統的主要因素[1]，土地覆被則是指地表自然形成的或者人為引起的覆蓋狀況[2]，土地利用/覆被變化（Land Use and LandCove Change，LUCC）是表征人類活動對地球表層系統影響的最直接的表現形式，在全球環境變化過程中扮演著重要角色[3]，也是表征人類活動對全球變化響應的重要因素之一，在模擬全球氣候效應和生物地球化學效應的參數輸入、時空過程的量測、動力學機制的理解方面一直是目前學界關注的前沿內容[4]。自1986年“國際地圈與生物圈計劃”（IGBP）和“全球環境變化人文因素計劃”（IHDP）共同發表《Land- Use and Land- CoverChange Science/Research Plan》以來，LUCC成為當前國際全球變化研究的前沿領域[5-8]，也是中國氣候與環境演化研究的核心領域和熱點問題[4]。據IPCC第5次評估報告[9]，LUCC能夠直接反映人類活動通過土地利用及其造成的覆被變化對區域生態環境造成的影響，是導致全球變化的主導因素。為此，中國學者對土地利用/覆被變化研究給予高度關注，相繼開展了大量的理論與實證研究，主要包括土地利用的空間格局[3-4]、LUCC與環境變化的關系[10]、土地利用的生態安全評價[11-12]以及土地利用變化的生態效應研究”[13]、LUCC驅動力及模型模擬預測研究[14-15]、“3S”技術在土地利用變化中的應用[16-17]等，研究范圍涉及農牧交錯帶[18-19]、生態脆弱區[20]、城鄉過渡帶[21]以及流域自然單元[22]等區域，數據主要源自國土部門的統計資料、遙感影像解譯、基礎地理數據等。顯而易見，近年來有關LUCC的研究內容、范圍、技術手段與研究程度等方面都取得了可喜的成果，并為可持續發展戰略提供了決策支撐。

晉北地處山西省北部，是中國北方農牧交錯帶的重要組成部分，也是京津冀風沙源治理及荒漠化監測與防治的重點區域之一。長期以來，受自然因素和人類活動的綜合影響，生態環境脆弱易變，制約著區域經濟可持續發展及其周邊地區的生態安全。近年來，隨著“三北防護林工程”、“天然林保護工程”、“退耕還林還草工程”等生態建設項目的實施，以及產業結構的調整和城鎮化的快速發展，區域土地利用/土地覆被、景觀格局及其生態效應都發生了明顯變化，成為區域LUCC研究的理想之地。為此，本項研究選取晉北地區21個縣市區，開展土地利用/覆被變化研究，旨在揭示人類活動對土地利用/覆被變化以及生態效應的影響，為合理利用土地資源、優化土地利用格局、保護生態環境、促進區域經濟社會協調發展提供科學依據。

1數據來源與研究方法

1.1研究區概況

晉北地區位于山西省北部，地理坐標38029'-40°40‘N、110057L一114033‘E，行政區劃上包括大同、朔州、忻州3個地級市的21個縣市區（圖1），區域土地總面積約375.5 Xl04 hm2。研究區地處黃土高原東北緣，地貌上包括大同盆地及周圍山地丘陵和晉西北緩坡黃土丘陵，地表物質以覆沙黃土為主，在流水和風力作用下，地表物質易遭受侵蝕。研究區為溫帶大陸性季風氣候，四季分明，春季干旱多風沙，夏季雨熱同期，秋季涼爽短促，冬季寒冷干燥，年平均氣溫在3.6—7.50C之間，年平均降水量380—440 mm，且主要集中在夏秋季（6-9月份）。土壤類型以褐土為主，地帶性植被為溫帶半干旱草原和半濕潤森林草原[23-24]。受農業開發歷史久遠和自然資源特別是礦產資源的過度開發利用，生態破壞嚴重，加之地表植被稀少、土壤含砂量大，水土流失和風蝕沙化現象嚴重，成為中國水土流失治理和荒漠化防治的12個重點地區之一，也是京津冀風沙源沙化土地治理關鍵技術研究與示范地區。

1.2數據來源與處理

研究區基礎數據源于各個縣市區國土部門2008-2013年的土地利用變更數據和《山西省統計年鑒》、遙感影像及DEM數據。其中，遙感影像及DEM數據主要來源于2008年6月和2013年6-9月2個時段，2008年影像為TM遙感影像，2013年影像為Landsat-80LI遙感影像。矢量數據源于對遙感影像的解譯和1：50000的數字高程模型。利用ERDAS軟件對上述時段的遙感影像進行影像矯正（空間誤差控制在0.5個像元內）、配準、多波段融合、影像分幅裁剪拼接、確定解譯標志及精度等處理，所有影像基本上無云覆被，成像質量良好，采用人機交互式目視解譯法及邏輯推理法進行解譯，同時參考區域地形圖、土地利用現狀圖，并結合野外實地核校，以保證數據的可靠性和數據提取的可操作性，圖像解譯后對分類結果進行精度檢驗，其Kappa指數基本符合精度要求。據遙感解譯生成晉北地區2008年、2013年的土地利用現狀圖，通過ArcGIS軟件將2個時期的土地利用現狀圖進行空間疊加分析，得到研究時段內土地利用變化情況，并對變化的屬性數據進行統計分析，建立2008-2013年土地利用基礎數據庫，為開展土地利用/覆被變化及其景觀格局研究提供完整、準確、科學的數據資料。土地利用類型的劃分參照《土地利用現狀》分類標準[25]，依據研究區土地利用現狀和特點，將其劃分為耕地、林地、草地、水域、居民工礦建設用地和未利用地6類。

1.3研究方法

土地利用動態度表示土地利用的變化速率，定量描述區域土地利用變化的速度，能夠反映研究時段內各土地利用類型的數量變化情況，也可反映區域土地利用動態變化狀況及其區域分異特征[26]，對比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢具有積極作用。表達式見公式（1）。 式中，K為研究時段內某一土地利用類型動態度;Ua、Ub分別為研究初期及研究末期某一種土地利用類型的數量;T為研究時長，當T的時段設定為年時，K的值就是該研究區某種土地利用類型年變化率。

土地利用轉移矩陣可以反映土地利用類型轉換的數量、去向及來源，包括一個特定區域內靜態時間點的所有土地類型數據，是體系與體系狀態轉移的定量描述，表征區域土地利用變化的特征與不同類型土地年際動態變化方向與數量。通用形式見公式（2）。

式中：S代表面積，n代表轉移前后的土地利用類型數，i、j（ij=1，2，…n）分別代表轉移前與轉移后的土地利用類型，Sij代表轉移前的i地類轉換成轉以后的，地類的面積。

2結果與分析

2.1土地利用結構變化

根據影像解譯得到研究區2008年和2013年的土地利用現狀圖（圖2），對研究時段土地利用變化的統計分析，得到研究區土地利用變化的面積及其所占的比例（表1）。

不同土地利用類型面積總量變化，可以反映該區域土地利用變化的幅度和總體態勢。從表l中可以看出，研究區土地總面積為3755038.16 hm2，2008年和2013年間各用地類型中，耕地、草地和林地皆為主要土地利用類型，三者面積之和占研究區總面積的90.00%以上，其余用地類型依次為居民工礦用地、水域和未利用地。

對不同土地利用類型分布區域及所占面積變化情況而言，耕地主要分布在大同盆地等地勢平緩的區域。其中，2008年和2013年不同時期的耕地面積分別占土地總面積的35.64%和33.98%，面積呈減少趨勢，耕地面積減少最明顯的在大同市市轄區、右玉縣和左云縣等地。

草地主要分布在緩坡丘陵和低山丘陵地區，在研究區的河曲、保德、偏關、神池、岢嵐、五寨縣及其右玉縣、朔城區以西等地分布較多，2008年和2013年草地分別占土地總面積的34.80%和34.39%，面積呈小幅度減少，但研究區的東部區域草地面積略有增加。

林地主要分布在中低山地區，如研究區西南部的岢嵐縣、西北部的右玉縣以及東部的渾源縣、廣靈縣、陽高縣等，2008年和2013年的面積所占土地總面積的比例分別為24.44%和25.93%，林地面積略呈增加趨勢。

居民工礦用地在不同時期的面積所占土地總面積的比例均小于5%。區域分布上，以大同市市轄區、朔州市市轄區、懷仁縣、靈丘縣分布面積最大，且增加最明顯。

水域和未利用地的面積占土地總面積的比例最小，水域面積在2008-2013年間由1.29%增加至1.32%，面積略有增加;未利用地面積在2008-2013年間由0.35%減少至0.30%，面積略有減少。

2.2土地利用速度變化

依據單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度計算公式，結合研究區土地利用變化的面積（表1），得到晉北地區不同土地利用類型動態度指數（表2）。

從表2可以看出，2008-2013年期間，晉北土地利用類型變化存在差異。耕地、草地和未利用地的單一土地利用類型動態度為負值，說明這3種土地利用類型呈減少趨勢，其面積減少量分別為6256110、15395.60和1803.29 hm2，動態度值分別為- 0.93%、-0.24%和-2.76%。林地、居民工礦用地和水域的單一土地利用類型動態度為正值，表明這3種土地利用類型呈增加趨勢，其面積增加量分別為55774.23 hm2、22895.49 hm2和1090.24 hm2，動態度值分別為1.22%、3.51%和0.45%。其中，居民工礦用地動態度值最大，變化幅度最大;草地動態度值最小，變化幅度最小。

2.3土地利用變化分析

借助ArcGIS軟件對土地利用數據進行空間疊置分析，并運用Excel軟件數據透視表功能，獲取2008-2013年時間內土地利用變化的空間轉移矩陣，其結果見表3。

從轉移矩陣表3中可以看出，2008-2013年期間，晉北地區土地利用變化明顯，結合2008年和2013年土地利用現狀面積（見表1），研究區土地類型的轉換主要發生在耕地、草地、林地三者之間，其余3種土地利用類型轉換面積不大，分布不集中，效果不明顯。其中，耕地面積明顯減少，主要與草地和林地之間發生轉換;2008-2013年，耕地面積的轉出量為145709.00 hm2，轉入量為83147.92 hm2，凈減少62561.08 hm2，主要轉變為草地（85074.28 hm2）、林地（35794.93 hm2）和居民工礦用地（21037.89 hm2）。 草地轉出的面積140794.45 hm2大于其轉入面積125398.85hm2，凈減少15395.60 hm2.主要轉變為林地（75658.92 hm2）、耕地（53420.24 hm2）及居民工礦用地（7038.20 hm2）。林地面積的增加主要源于草地和耕地的轉變，分別為75658.92和35794.93 hm2。這些變化是國家生態退耕還林還草政策實施以及生態工程建設的結果。

2008-2013年期間，居民工礦建設用地面積凈增加22895.49 hm2，主要來源于耕地（21037.89 hm2）。未利用地面積減少，向其余各土地利用類型均有轉出，最主要是草地（2774.52 hm2）。水域面積略有增加，主要源于原先河灘地作為耕地的轉化。這些變化體現了近年來研究區城鎮化的快速發展以及生態經濟建設的需求。

3討論與結論

土地利用/覆被變化是自然因素與人類活動綜合作用的結果，特別是人類活動的影響，使自然環境與土地生態系統發生擾動，引起土地利用類型及其景觀的變化[1，4]。晉北地區位于中國農牧交錯帶和生態脆弱區，2008-2013年間區域LUCC變化對人類活動響應敏感。以晉北地區2008年和2013年遙感影像資料為數據源，在ERDAS、ArcGIS等軟件技術支持下，開展了土地利用/覆被變化的研究。

2008-2013年間，研究區耕地面積減少明顯，主要轉入林地、草地和居民工礦用地;林地面積呈明顯增加趨勢，主要由耕地、草地轉入;草地面積總體上有所減少，主要原因是除耕地轉入草地外，大部分草地轉入林地，使林地面積增多;居民工礦建設用地面積也呈增加趨勢，主要由耕地和草地轉入;未利用地面積有減少趨勢，主要轉變為草地和林地;水域面積略有增加，主要由原先河灘地的耕地轉入。

研究區2008-2013年間與2003-2008年間[27]林地、耕地和居民工礦用地的變化情況一致，草地、水域及未利用地的變化情況略有差異，究其原因，2008-2013年間，土地利用結構的轉變過程中，耕地的減少主要在于2009年以來國家“退耕還林還草”政策的實施，以及“天然林保護工程”、“三北防護林工程”、小流域治理等林業生態工程的建設，使得林地面積增加。居民工礦建設用地呈增加趨勢，一方面是基礎設施建設大幅度增強，此期間為交通、能源等基礎設施建設的高峰時期;另一方面，城鎮化進程的加快，耕地和未利用地向建設用地轉化，結果導致耕地面積呈減少趨勢，這與李秀芬等[28]、崔振洋等[29]的研究結果一致。此期間，草地面積的減少，一是由于交通、能源基礎設施和工礦建設占用，二是由于植樹造林的生態工程建設占用。未利用地在研究時段內總體上處于減少的趨勢，主要轉向生態用地。

本文采用人機交互式目視解譯法對高分辨率遙感影像進行解譯，具有可視化分析、方便快捷、所見即所得等特點，同時又易于受到人的經驗性、主觀性影響，且目前這種解譯方法尚未形成一種標準、規范的應用框架[30-31]。文章中選取的遙感影像數據雖進行矯正后分辨率提升，但小尺度的土地利用類型相關的遙感影像的判讀解譯仍存在困難。在今后對其進一步的研究中，應當盡量選用一些多時相、分辨率高的遙感影像。晉北地區作為中國北方農牧交錯帶的重要組成部分，生態環境脆弱，其土地利用方式的變化對山西省生態規劃建設舉足輕重，且土地利用與區域生態過程的耦合關系及相關驅動力因素的研究，與今后研究區調整產業結構、轉變經濟發展模式、制定合理相關政策等密切關聯，這方面的研究仍需努力。

綜上所述，2008-2013年期間，晉北地區土地利用與覆被發生了較大變化。其中，耕地面積減少625 61.10 hm2，林地增加55774.23 hm2，居民工礦建設用地增加22895.49 hm2，草地減少15395.60 hm2，水域面積增加1090.24 hm2，未利用地面積減少1803.29 hm2。

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