近年來漢江上游土地利用類型變化分析

楊 倩，劉登峰，劉 慧，欒金凱，黃 強，林 木

(1. 西安理工大學水利水電學院省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100038；3. 中央財經大學統計與數學學院，北京 100081)

土地系統是一個復雜的自然系統，土地利用方式的變化，改變了地球上很大一部分地表，通過改變生態系統的結構和功能而對環境產生重大影響[1]。人類活動、自然因素、經濟因素和國家政策因素等共同驅動土地利用類型發生變化[2-3]，分析這些因素引起的區域土地利用類型變化，可以揭示其生態環境的變化。

漢江上游流域，是南水北調中線工程重要的水源區，承擔著北方缺水地區水資源調配的重任，其生態環境決定著南水北調中線工程的長期效益[4-5]。南水北調中線工程實施后，在緩解受水地區的水資源短缺危機、促進受水區的社會經濟發展的同時，也使水源區的土地利用格局發生了劇烈變化，引發了一系列生態問題[6]。使用遙感數據分析土地利用特別是植被覆蓋的變化，可以有效掌握區域整體特征和變化規律，為流域的管理提供有效的參數[7-8]。土地利用類型變化一般從時間和空間角度進行分析。典型的研究方法是使用遙感數據通過建立動態度、類型轉移、利用程度等數學模型來分析土地覆蓋變化[9-11]。

在漢江上游土地利用類型變化的相關研究中，申懷飛等[12]基于遙感影像利用土地利用動態度指數和馬爾科夫轉移矩陣對南水北調中線水源區1990、2002、2010年的土地利用進行了時空分析。李小燕等[13]使用土地利用動態度、土地利用轉移矩陣、景觀格局指數等對漢江上游陜南段2000、2006、2012年的土地利用變化狀況進行了定量評估。但是，這些研究均是以漢江上游整體作為研究對象，未對漢江上游每個縣的土地利用類型數量和程度變化進行時空分析。對流域上每個縣的各類土地利用類型的面積變化及利用程度變化進行研究，即可從空間上得到人類活動對每個縣土地利用程度的影響，同時一定程度上也能反映出每個縣的生態保護力度大小，為未來每個縣(區)的土地利用政策制定提供指引。

漢江上游的土地利用及其變化關系著水源區及受水區的用水安全及生態環境，對漢江上游近年來的土地利用變化規律及驅動力進行研究具有重要意義。因此，本研究選取漢江上游區域為研究對象，采用2001、2005、2009和2013年的MODIS遙感數據，從土地利用變化速率、類型轉移、利用程度這三個方面對漢江上游整個區域和各縣(區)的土地覆蓋變化進行定量分析和時空分析，并對土地利用變化驅動力進行了簡要分析，為南水北調水源區的土地利用政策制定和生態環境保護治理提供參考。

1 研究區概況

本文研究區域為漢江上游流域，流域概況見圖1。丹江口水庫以上為漢江上游流域，包括陜西省漢中市、安康市、商洛市、湖北省十堰市的大部分地區，還包括甘肅省和河南省的小部分地區，年降水量為700～900 mm， 集中在7—9月[14]研究區西部屬于北亞熱帶季風氣候，東部為北亞熱帶與暖溫帶過渡氣候，氣候溫和，熱量相對充分，四季分明。

圖1 漢江上游流域概況

2 數據來源與處理

本文采用美國NASA提供的土地覆蓋類型遙感數(https://search.earthdata.nasa.gov/)。數據集全稱為MODIS/Land Cover Type Yearly L3 Global 500 m SIN Grid，簡稱MCD12Q1。MCD12Q1數據是根據1 a的Terra和Aqua觀測所得到的數據經過處理，描述土地覆蓋的類型，空間分辨率為500 m。采用IGBP的全球植被分類方案，結合中國2017年頒發的GB/T 21010—2017《土地利用現狀分類》和土地的用途和覆蓋特征對研究區的土地利用類型進行分類歸并(表1)。由于監測到研究區域雪和冰所占比例幾乎為0，所以本文主要討論其余5種土地類型的利用變化。本文使用了h26v5和h27v5兩個圖幅的影像，對下載的影像應用MRT(MODIS Reprojection Tool)軟件進行批量重投影操作，由SIN投影轉換為Albers投影。用ArcGIS對影像進行拼接、裁剪操作，對2001、2005、2009、2013四期土地利用類型影像進行分析。

表1 土地利用分類

3 研究方法

3.1 土地利用動態度模型

土地利用動態度模型是表征土地資源變化速率的重要模型，一般采用單一或綜合土地利用動態度對變化速率進行分析[13]。

單一土地利用動態度描述的是一定時間范圍內某一研究區內每種土地利用類型所占面積大小的變化速度[11]。綜合土地利用動態度描述的是某一研究區一定時段內所有土地利用類型變化的總體快慢，它可以剔除不同類型土地之間不可融合的缺陷，反映研究區在一定時期的整體變化情況[15]。

3.2 土地利用轉移方向

土地利用轉移矩陣能夠從時間角度揭示出研究區不同種土地利用類型的數量轉移變化方向，反映某類土地在一定時間間隔下，從t時刻向t+1時刻狀態轉移的過程[10,16]。

3.3 土地利用程度

土地利用程度主要反映土地系統中人為因素作用的影響程度，常利用土地利用程度綜合指數模型來刻畫土地利用程度大小[17]。綜合指數的大小可以反映研究區土地利用程度的大小。在漢江上游區域基礎上以縣為單元，先計算各縣土地利用程度綜合指數，再計算利用程度變化指數，可以反映出各縣人類活動對土地利用變化的影響水平和變化趨勢[18]，其表達式分別為：

(1)

(2)

式中I——土地利用程度綜合指數；Ai——第i種土地利用程度的分級指數；Ci——第i種土地利用程度的百分比；ΔIb-a——土地利用程度綜合變化指數；Cia、Cib——時間a、時間b第i種土地利用程度的百分比。

Ai取值參考王思遠等[19]提出的土地利用程度分級方法，再結合漢江上游土地利用實際情況，將土地劃分為4個等級，見表2。分級指數越大，代表人類活動越強。

表2 土地利用類型分級

4 結果分析

4.1 土地利用變化速率

漢江上游2001、2005、2009、2013年4期的土地利用變化統計表和單一土地利用動態度變化分別見表3、4，對應的土地利用空間分布分別見圖2—5。由表3、4可以看出，從2001—2013年，漢江上游林地土地利用動態度為正值，說明這類土地面積呈增加趨勢，草地為負值，說明草地面積呈減少趨勢，其余兩類有負有正，表明這兩類面積有增加有減少。在研究區92 271.44 km2的范圍內，2013年的林地面積相對于2001年增加了14.14%，年均增加速度為1.88 km2/a。草地面積減少了7.7%，平均每年減少592.14 km2，其中2005—2009年減少速度最快，達到11.76%。耕地面積也呈減少趨勢，在2001—2005年減少速度最快，為5.80%。水域面積在2001—2005年顯著增加，增加速度為27.82%，之后幾年，水域面積基本維持穩定。12 a期間城市建設用地面積沒明顯變化，減少速度為0.15%。對比圖2—5，也可以形象地看出2001—2013年研究區的林地面積顯著增加，而耕地面積顯著減少，這正是國家自2003年起實行“退耕還林”的顯著成效。

計算綜合土地利用動態度，結果表明2001—2005年漢江上游土地利用年變化率為3.34%，2005—2009年為2.29%，2009—2013年為1.76%，變化速率呈減少趨勢，說明2001—2005年漢江上游土地利用變化較為明顯，2009—2013年變化較緩慢，一定程度反映出人類活動對土地利用的影響相對減少。

表3 漢江上游土地利用變化情況統計

表4 漢江上游單一土地利用動態度變化

圖2 2001年漢江上游土地利用空間分布

圖3 2005年漢江上游土地利用空間分布

4.2 土地利用轉移變化

2001—2005、2005—2009、2009—2013年漢江上游土地利用轉移矩陣分別見表5—7。從表中可以看出，2001—2009年草地主要轉化為林地，2001—2005年轉移比例為40.20%，2005—2009年轉移比例為45.73%。而在2009—2013年草地主要轉移為了耕地，轉移比例為34.34%。2001—2013年，耕地轉移比例在不斷降低，主要轉移成林地和草地，水域主要轉化為林地，城市建設用地轉出面積最少，主要轉化為耕地。2001—2005年轉入面積從大到小依次為：林地>草地>耕地>水域>城市建設用地，面積分別為11 605.51、 6 784.63、 5 962.14、315.37、10.01 km2。2005—2009和2009—2013年轉入面積從大到小依次均為：林地>耕地>草地>水域>城市建設用地。

圖4 2009年漢江上游土地利用空間分布

圖5 2013年漢江上游土地利用空間分布

分析以上3個時段的土地利用轉移情況，轉入面積最大的均是林地，草地、耕地和水域主要轉化為林地，草地和耕地除了轉移為林地外，兩者之間還相互轉移，城市建設用地主要轉移為耕地。雖然城市建設用地的總面積變化不大，但是需要注意到，其他類型用地轉移為城市建設用地，城市建設用地轉移為其他用地。一方面，這種變化體現了為了保護耕地采取的占補平衡的政策；另一方面，高質量耕地轉為建設用地，而城市建設用地恢復為耕地后可能耕地質量不高。

表5 漢江上游2001—2005年土地利用轉移矩陣 km2

表6 漢江上游2005—2009年土地利用轉移矩陣 km2

表7 漢江上游2009—2013年土地利用轉移矩陣 km2

4.3 土地利用程度變化

2001、2005、2009、2013年的綜合土地利用綜合指數分別為224.34、218.77、217.67、217.36，可見2001—2013年漢江上游土地利用程度綜合指數未發生大幅度變化。2001—2005、2005—2009、2009—2013年土地利用綜合指數變化量都為負數，說明2001—2013年漢江上游土地利用方式處于調整期，人類活動對土地利用類型影響變現為負趨勢，2001—2005年變化量相對較大，表明該時期土地利用類型進行了較大幅度調整，2005—2013年變化量較小，表明人類活動對土地利用的影響比較小且較穩定，沒有大幅度變化。

在漢江上游區域基礎上，分別分析2001年和2013年每個縣的土地利用類型面積變化，能反映出這兩個時段人類活動對每個縣的土地利用變化影響。本文在漢江上游選取了表8中的35個區縣，2001—2013年漢江上游各縣各類土地利用類型面積變化比例見表8。

通過表8可以看出，漢江上游各縣從2001年到2013年林地面積變化比例均是正值，表明各縣林地面積均不同程度地在擴大，反映出南水北調中線工程實施以來，各縣均采取了生態環境保護措施，變化范圍最顯著的是紫陽縣，增加比例達到31.46%，南鄭縣、寧強縣、漢陰縣、石泉縣、西鄉縣、白河縣增加比例也較為明顯。結合圖1，可發現這些縣均位于漢江干流附近，生態保護措施做的較好。而各縣草地面積變化比例均為負值，表明各縣草地不同程度地轉移為其他類型土地，減少最顯著的是寧強縣，減少比例達到15.24%。除了鎮安縣，西峽縣、留壩縣和太白縣耕地面積小幅度增加外，其余各縣市耕地面積在減少，減少最顯著的是寧強縣，減少比例達到23.41%。各縣城市建設用地面積和水域面積基本保持不變。總體上說明出2001—2013年期間人為因素對土地利用的影響主要體現在林地的增加。

2001年和2013年每個縣(區)的土地利用綜合指數和土地利用程度綜合變化指數計算結果見圖6和表9。土地利用綜合指數在鎮安縣、西峽縣、留壩縣、太白縣略有增加，其余縣都不同程度地減少，且寧強縣、紫陽縣、南鄭縣、西鄉縣、石泉縣、鎮巴縣和竹山縣土地利用程度減少幅度較大，寧強縣減少的最顯著。結合圖6可知，這些土地利用程度綜合指數減少的縣(竹山縣除外)都位于漢江干流附近，竹山縣位于漢江上游支流上，一定程度上說明近年來漢江上游干流上的這些縣生態環境在向好的方向發展，為南水北調水源區的水資源質量提供了一定的保障。

表8 2001—2013年漢江上游各縣各類土地利用類型面積變化比例 %

圖6 2001—2013年漢江上游各縣土地利用程度變化空間分布

縣市名稱2001年2013年變化值山陽縣225.05222.93-2.12鎮巴縣225.70209.10-16.60鎮安縣219.75223.093.34鎮坪縣203.99201.87-2.12西峽縣218.61221.152.54鄖縣229.18224.63-4.55鄖西縣232.03222.61-9.42紫陽縣241.74218.89-22.85西鄉縣235.76216.78-18.97竹山縣229.90214.33-15.56竹溪縣224.90213.49-11.40石泉縣225.98207.71-18.27百河縣221.99209.86-12.14洋縣228.47221.54-6.93留壩縣202.19202.970.78略陽縣209.39206.23-3.17漢陰縣237.49222.33-15.16漢濱區244.55230.33-14.22柞水縣217.39209.68-7.71漢臺區268.61267.93-0.68旬陽縣235.73229.92-5.81房縣218.20209.46-8.74平利縣216.57206.25-10.32嵐皋縣214.44210.07-4.37寧強縣232.78189.63-43.15寧陜縣204.12203.32-0.80太白縣203.83204.810.98城固縣239.54224.52-15.02商州區223.59218.35-5.24商南縣218.30217.81-0.49南鄭縣241.61222.41-19.19十堰市區212.54206.44-6.10勉縣229.17224.98-4.18佛坪縣205.38205.27-0.12丹鳳縣215.59214.27-1.31

4.4 土地利用驅動力分析

通過對漢江上游土地利用變化速率、轉移矩陣和利用程度分析可知，近年來漢江上游土地利用結構發生了顯著性變化，主要是由于自然因素(降水、氣溫等)和社會因素(人口、經濟、政策)引起的。土地利用變化主要表現為：2001—2013年，林地面積一直在增加，草地一直在減少，耕地先呈減少趨勢，在2009年后呈緩慢增加趨勢。發生這種變化的主要原因是漢江在2003年開始實行的退耕還林政策，大面積的草地和耕地轉化為林地，而隨著時間的推移，人口的不斷增長加大了糧食需求，大面積的草地又開墾為耕地，導致耕地面積有所增加。草地面積在2005年后大幅度下降的原因一方面是轉化為了林地和耕地，另一方面是牲畜數量的增多，畜牧業的不斷發展威脅了草地的生長。水域面積先增大后略微減少，一方面是由于草地和林地的轉移，另一方面是水利工程的建設對降水量產生了影響，降水量的增加又會進一步影響水域面積的擴大，2005年后水域面積略微減少是因為在2007年實施了丹江流域綜合治理工程，采取了植樹造林的措施治理水土流失，再加上近年來氣溫升高，蒸發量增大導致水域面積的減少。

5 結論

本文利用MODIS的MCD12Q1數據，從變化速度、轉移方向、利用程度3個方面分析了2001—2013年漢江上游土地利用類型變化趨勢。在分析漢江上游整個區域的基礎上，分別對各縣土地利用類型面積變化和土地利用程度空間變化進行了分析，主要有以下結論。

a) 2001—2013年漢江上游土地利用變化速率呈減少趨勢，在漢江上游92 271.44 km2的范圍內，林地增加了13 075.4 km2，水域增加了183.66 km2，草地和耕地面積分別減少了7 105.69、6 150.45 km2。

b) 土地轉入面積最大的是林地，草地、耕地和水域主要轉化為林地，草地和耕地兩者之間還相互轉移，城市建設用地主要轉移為耕地。

c) 土地利用綜合指數在不斷減少，說明2001—2013年漢江上游土地利用方式處于調整期，人類活動對土地利用類型影響為負趨勢，2001—2005年變化量相對較大，表明該時期土地利用類型進行了較大幅度調整，2005—2013年變化量較小，表明人類活動對土地利用的影響比較小且較穩定，變化幅度較小。

d) 2001—2013年各縣林地面積均增加，土地利用程度變化在鎮安縣、西峽縣、留壩縣、太白縣為正值，其余縣都為負值，不同程度地減少。寧強縣、紫陽縣、南鄭縣、西鄉縣、石泉縣、鎮巴縣和竹山縣土地利用程度減少幅度較大，寧強縣減少的最顯著。

e) 漢江上游土地利用變化的主要原因是退耕還林政策的實施、水利工程的建設、流域的綜合治理以及氣候變化的影響。

本文使用的數據是MCD12Q1數據，城市建設用地的識別結果可能存在誤差，該數據集在分析城市建設用地變化方面存在局限性。因此，后續研究可以使用高分辨率的遙感數據對研究區的城市建設用地變化進行對比分析。