中國陸地區土地利用/覆被時空格局變化及驅動力分析

胡悅琴，馬燕飛，張偉科

（邯鄲學院地理系，河北邯鄲 056005）

0 引言

土地利用/覆被變化研究始終是全球變化研究的熱點之一，其研究框架是在1990年由美國全球變化委員會首次提出的，并第一次對該類研究給予研究名稱、提出研究方向，IGBP（全球地圈與生物圈計劃組織）和IHDP（全球變化中的人文領域計劃）組織于1995年共同對LUCC（土地利用/覆被變化）的可行性進行分析，制定核心項目計劃，將LUCC研究列入核心計劃[1]。持續10余年的LUCC計劃后，2005年又共同推出了全球土地計劃(GLP)，目前，GLP已成為土地系統變化研究的又一核心研究計劃[2]。隨著3S 技術的發展，土地利用/覆被變化的研究也取得了很多研究成果，通過對比分析不同時期的LUCC 信息，可以獲取土地利用變化的空間位置、數量和類型，研究土地利用類型變化的過程、特點和驅動因素等。如Brondizio 等[3]基于遙感數據，探究了巴西亞馬遜地區1971—2001年間熱帶雨林的時空變化規律及其區域分異的動因；Dang 等[4]基于系統動力學和地理信息系統(GIS)，并綜合考慮社會經濟和生物物理因素，構建了越南達喀爾省LUCC 驅動模型，結果顯示該模型有助于規劃者和決策者制定可持續的規劃和管理戰略。

隨著國際上對土地利用/覆被變化的研究，中國學者也緊密結合土地利用與全球變化進行了研究，并結合3S 理論和技術，在土地利用的數量變化研究、驅動力研究、土地利用變化模擬研究方面取得了豐碩的研究成果。土地利用變化包括土地利用類型的面積變化、空間變化和質量變化。目前，土地利用的數量變化的指標有土地利用變化的幅度、土地利用變化的速度和土地利用變化的區域差異，通過各地類之間的轉化，得出土地利用的轉化矩陣。一些學者提出了一些方法和模式，包括土地利用動態度的模型、土地利用程度的模型和土地利用變化方向的模型、土地利用空間變化的模型等[5]。如劉紀遠等[6]基于3S 技術綜合運用動態度、轉移矩陣等方法，探究了20世紀80年代至21世紀初期中國土地利用變化的時空特征；張海燕等[7]在3S的基礎上運用轉移矩陣、動態度的方法，定量分析了全國退牧還草工程區的土地利用變化情況等。

有關LUCC驅動力的研究在土地利用變化機制研究中一直占主導地位。驅動力一般分為自然驅動力和人為驅動力，其中自然驅動力相對較為穩定，發揮著累積性效應，人為驅動力則相較活躍[8]。所以，目前的研究更多集中在對土地利用變化人為驅動力的探討方面。

中國是轉型的發展中國家，人地關系高度緊張，環境問題突出[9]。因此，在流域尺度上，利用土地利用轉移矩陣、土地利用動態度模型等研究中國陸地區域LUCC 時空格局變化，并定性分析土地利用類型變化的驅動因素，這樣可以更好地了解其近年的現狀，以期為各流域的生態環境健康和資源的可持續發展提供科學依據，為政府制定相關管理政策提供理論依據[10]。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

中國陸地區位于亞洲東部，太平洋西岸，背陸面海，海陸兼備，領土面積約960萬km2，地勢西高東低呈現三級階梯分布，大部分地區屬于溫帶、副熱帶季風氣候，表層在季風與青藏高原共同影響下形成了三大區，即東部季風區、西北干旱區和青藏高寒區，早期的土地利用遵照這種規律。但隨著國內社會經濟的持續上漲和工業化、城鎮化進程的加速，人地矛盾問題越來越尖銳，資源環境與生態問題也越來越嚴重。

1.2 數據來源與處理

本研究數據基礎來自于全球30 m 地表覆蓋遙感數據產品GlobeLand30 (http://www.globallandcover.com/GLC30Download/index.aspx)的2000 年和2010 年2 期的地表覆蓋數據，在流域尺度的研究上利用了全國流域矢量圖，參照了全國流域分區圖。利用ENVI軟件對下載的GlobeLand30 的2 期數據進行拼接，用ArcGIS 根據研究區邊界進行裁剪，得到2 期中國土地利用圖，統計各地類的類型并對統計結果進行分析（如圖1所示）。全球30 m地表覆蓋遙感數據產品將土地分成了耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪10 類土地利用類型[7]（具體見表1）。由于研究區域為中國陸地區域，研究海域的變化沒有意義，再者中國陸地區域沒有苔原類型，所以研究區有9 個土地利用類型（耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、人造地表、裸地、冰川和永久積雪）。

1.3 研究方法

本研究采用定性分析與定量分析相結合的方法，并結合ENVI、ArcGIS、Excel 等軟件對數據進行分析，利用土地利用轉移矩陣、土地利用動態度模型分析研究區2000—2010年土地利用時間與空間的變化特征，并定性的分析土地利用的驅動因素。用GIS軟件流域矢量圖和土地利用圖進行疊加統計，用Excel軟件對.dbf數據處理得到各流域土地利用類型的變化量，用ArcGIS 軟件的工具，選擇相應的數據區域，即可形成土地利用轉移矩陣。而單一土地利用動態度模型，又稱為地類變化率指數，該模型能夠反映某一特定時期不同地類的轉移速率和變動幅度[12-15]。計算見公式(1)。

表1 GlobeLand 30 m數據產品土地利用類型及定義[11]

式中，K為研究時段內某一土地利用類型的動態度指數，La、Lb分別為研究期初和研究期末某土地利用類型的面積，T為研究時段。

2 結果與分析

2.1 中國陸地區土地利用時空格局變化

2.1.1 土地利用類型面積變化 表2顯示了中國陸地區域2 個時期各土地利用類型的面積和變化情況數據，分析中國陸地區域2000—2010 年土地利用類型變化可知，2000年研究區內各土地利用類型面積從高到低依次為草地、森林、耕地、裸地、人造地表、水體、冰川和永久積雪、灌木地、濕地。2010 年與2000 年土地類型的面積由高到低的次序一樣，只是所占的比例發生了變化。從變化量（見圖2）來看，草地、耕地和濕地的面積呈下降趨勢，分別下降140413、20480、692 km2，其他土地利用類型的面積在同一時期呈增長趨勢，裸地和人造地表的變化達99645、26302 km2，其次為灌木地、冰川和永久積雪、森林、水體，變化面積分別為15241、8232、6879、5396 km2。

表2 2個時期土地利用類型面積和變化情況

2.1.2 土地利用類型空間變化 土地利用轉換矩陣能有效地說明研究區內土地利用類型轉變的過程和流向[16]。如表3 所示，研究區內主要是耕地、林地、草地和裸地之間的轉換。其中，草地的轉出量與轉入量都是最多的，并且，轉出量大于轉入量，這與近10年來草地面積大幅度減少的現象是一致的。從去向看，草地轉為裸地的面積最大，為206439 km2，其次是轉化為森林和耕地，分別是166135、103560 km2。而森林、耕地與裸地是草地增加的主要來源，面積轉化量分別是157559、105058、98646 km2。森林變化中，森林轉化為草地和耕地的量是最多的，但其轉入來源也主要是草地和耕地，分別為157559、140057 km2。總的來看，森林面積總量略有增加，這說明森林的變化主要是空間位置的變化。耕地變化中，轉出量與轉入量最多的都是森林和草地，且面積相當，究其耕地變化的主要原因就是耕地轉化為人造地表的面積為68770 km2，但人造地表轉化為耕地的面積為47137 km2，這與研究期內耕地面積減少的趨勢大致相同。綜合來看，研究區內耕地、森林和草地主導了這一時期內的交換變化。

2.1.3 土地利用類型動態度分析 土地利用的動態度研究是國內外學者進行LUCC 研究的重要手段，能客觀地表示土地利用變化的強度與深度，該模型能夠反映某一特定時期不同地類的轉移速率和變動幅度[17]。根據公式得出研究區土地利用動態度圖（如圖3 所示），2000—2010 年灌木地和人造地表表現出明顯的變化速率，變化速率都達到了1.80%，森林和耕地的變化速率較小，分別為0.03%、0.10%。另外，除了耕地、草地和濕地動態變化為負(K<0)外，其余地類動態變化均為正(K>0)。總的來說，土地利用類型的動態度變化緩慢。

2.2 流域尺度土地利用時空格局分析

中國陸地區域分成了10個流域區，分別為松花江區(A)、遼河區(B)、海河區(C)、黃河區(D)、淮河區(E)、長江區(F)、東南諸河(G)、珠江區(H)、西南諸河(J)、西北諸河(K)。各流域土地利用類型圖如圖4所示。

表3 2000、2010年土地利用類型轉換矩陣 km2

分析各流域區土地利用類型的面積及變化（見表4）可知，2010 年淮河區土地利用類型以耕地、人造地表和森林為主，西南諸河流域主要的3 種土地利用類型由高到低依次是草地、森林和裸地，西北諸河流域則以裸地、草地和耕地類型為主，其他流域都以草地、森林和耕地類型為主，但土地利用類型的組成具有顯著差異。此外，西北諸河流域的水體、冰川和永久積雪、灌木地的面積在所有流域中是最大的，松花江流域濕地類型的面積是最多的。

對比這10 個流域區的土地利用類型面積的變化可知，西北諸河和西南諸河流域的耕地類型呈增長趨勢，分別增加了2874、1561 km2，其他流域均呈減少的趨勢，但淮河流域的耕地類型減少的最多，減少了4905 km2；黃河區森林類型的增加與草地類型的減少較為明顯，分別變化了7124、9614 km2；西北諸河和西南諸河的草地減少得最為明顯，分別減少了111451、17632 km2，但同時裸地增長也明顯，分別增加了92562、7224 km2；各流域人造地表的面積都呈增長的趨勢，淮河區與長江區增長的最多，分別增長了6848、5497 km2。西南諸河冰川和永久積雪的面積增長的最多，增長了9707 km2，其他位于研究區內東南部的流域區沒有此土地利用類型。

2.3 典型流域土地利用時空格局變化——以黃河流域為例

黃河是中國的母親河，黃河流域西起青藏高原，北鄰戈壁沙漠，流經黃淮海平原，跨越三大階梯，流域面積遼闊，且黃河流域的各土地利用類型變化很明顯，在此把黃河流域單獨拿出來作為典型流域分析其土地利用時空格局變化[18]。土地利用類型如圖5所示。

表4 流域尺度土地利用類型面積與變化情況 km2

2.3.1 黃河流域土地利用類型面積變化 分析黃河流域2000年和2010年土地利用類型的面積和變化（見圖6）可以得出，研究區內的土地類型以草地、耕地和森林為主，其次是裸地和人造地表，濕地、水體和灌木地類型的面積相對較小，冰川和永久積雪的面積最少。分析研究區內各地類的變化可知，草地、耕地和裸地的面積在減少，分別減少了9551、3756、276 km2，其他類型的面積呈增長趨勢，其中草地的面積減少的最多，森林的面積增加的最多。

觀察組1例感染，發生率為1.89%，而對照組3例感染、2例壓瘡、1例肺炎，發生率為11.32%，組間比較差異有統計學意義（P<0.05）。同時，與對照組比較，觀察組的護理滿意度評分高，且切口愈合和術后血糖控制時間均較短，組間對比差異有統計學意義（P<0.05），見表1。

2.3.2 黃河流域土地利用類型空間變化 黃河流域土地利用類型轉移矩陣如表5 所示，轉出量和轉入量最大的是草地類型，其次是耕地和森林，其中草地、耕地和裸地的轉出量大于轉入量，這與黃河流域各土地利用類型的變化是一致的。草地主要向耕地、森林、裸地轉化，分別轉化了22996、13918、6587 km2，但草地的轉入來源也是耕地、森林和裸地，其次除耕地向草地轉移外，耕地向森林和人造地表的轉化量也很大。總的來看，草地、耕地和森林主導了黃河流域這一時期的交換變化。

2.3.3 黃河流域土地利用動態度分析 根據土地利用動態度公式，得出黃河流域土地利用動態度圖（見圖7），分析可知，灌木地與冰川和永久積雪的變化率最為顯著，分別是9.15%、10.91%，冰川和永久積雪類型因為基數小，主要是草地向其轉移的面積，故而轉移面積雖不多，但變化率顯著，耕地、草地和濕地的變化速率較小，都小于0.5%，變化幅度較小。除了耕地、草地和裸地的動態度為負數外，其余各地類動態度都為正。總之，各土地利用類型的變化率差異顯著。

3 驅動因素分析

表5 黃河流域土地利用轉移矩陣 km2

影響區域土地利用類型時空格局變化的驅動因素通常可分為自然因素和人為因素[19]。這2種因素都促進了土地利用類型的變化，自然因素和人為因素在不同的空間和時間尺度上對土地等級的變化有不同的影響。

在長序列的時間維度內，自然因素主導了土地使用的空間格局，在歷史條件下，決定和影響土地使用變化的背景條件，但人為因素是區域土地使用變化的內在驅動因素，在很短的時間內和在較小的區域范圍內都是如此[20-21]。此外，在短期內，自然因素相對穩定，變化緩慢，對土地利用的影響相對有限，但對區域土地利用格局的影響是持續和穩定的。

3.1 自然因素

中國幅員遼闊，地勢西高東低，呈階梯狀分布，地形復雜多樣，有高原、山嶺、平原、丘陵和盆地等地形類型，河流大都自西向東流。但山區面積廣大，平原較少，使耕地資源不足。地形影響土地利用類型及其變化方向，對土地利用空間格局的形成具有重要影響[22]。地形因素在土地利用類型變化中表現在地表物質和能量再分配，并間接參與土壤和生態環境之間的物質和能量交換。海拔、坡度、坡向和地形對土地利用時空格局變化的影響表現為海拔、坡度和坡向的差異，這導致太陽輻射的吸收和地面輻射的地理分化的差異[23]。另一方面，由于化石燃料的大量使用，使全球氣候變暖，還有旱澇、火災、病蟲害、荒漠化等災害，使耕地、草地類型的面積減少，裸地面積增加[24]。不同尺度的流域區自然因素的影響力也是不同的，但是在研究期內，自然因素對土地利用的影響作用不太明顯。

3.2 人為因素

3.2.1 政策因素 土地利用是在一定的政策背景下進行的，土地利用的形式和方式是由政策的約束作用決定的，政府的政策通常促進或限制土地使用的變化，并在土地利用變化中發揮宏觀調控作用[25]。土地有償使用制度和產權制度對規范土地流轉具有重要意義。在具體區域，土地利用的類型也是在具體的經濟水平和政策背景下制定的。例如，減免農業稅調動了農民生產積極性，促進了耕地的保護，使耕地面積增長。退耕還林、還草、還濕等生態環保政策的實施，提高了土地利用率，森林和灌木地不斷擴大。

由于政策因素，各流域內土地利用類型時空格局的變化是不一樣的。比如黃河流域，由于黃土高原地區植被破壞和水土流失嚴重，生態環境脆弱，政府實施了三北防護林工程、天然林保護工程、退耕還林等政策，采取積極的土地利用和生態恢復政策，黃河流域耕地和裸地類型面積減少，森林和灌木地類型增加。

研究區內，東部經濟發展水平高，人造地表的面積增長的較多，而西北部經濟發展水平比較低，耕地面積增長，但荒漠化比較嚴重，裸地面積增長，草地面積增加。

3.2.3 人口因素 人口因素與土地利用類型的變化有密切的關系，中國是人口大國，2000 年祖國大陸約12.7 億人，到了2010 年達到了13.7 億。人口不斷增長，土地是人類生產生活的場所，人們往往通過改變土地利用的類型和結構來滿足生產生活的需要[28]，從而增加對土地的干預程度，不斷促進土地利用方式的更替和演變[29-30]。因此人口密集的流域，耕地和草地的面積減少明顯，人造地表增長較多。

4 土地利用管理措施建議

4.1 土地利用存在的問題

研究區內，草地類型的面積不斷減少，10 年內面積減少了140413 km2，草地主要變為了裸地，裸地面積10年內增加了99645 km2，各子流域內，草地類型的面積雖然有增長的，但幅度較小，主要還是以減少為主，這說明研究區內草地荒漠化較嚴重，生態環境被破壞，造成生物棲息地也被破壞，生物多樣性減少。

人造地表的面積不斷增加，10年內增加了26302 km2，究其來源，主要來自于耕地，10 年來耕地的面積減少了20480 km2，各子流域內，大部分利于人造地表的面積是增加的，只有極少流域是減少的。人口增長，技術進步，耕地的單位產量增加，人類對于非農的需求增大，故而人造地表的面積增長。

4.2 土地利用管理措施建議

根據國家相關法律法規，保護草地、濕地等土地利用類型，嚴查非法擠占，保護生態環境，保護生物棲息地、魚類遷徙路線和重要濕地等生態空間[31]。加強森林資源保護和管理，落實林地利用條例，確保林地面積只增不減，擴大森林面積和草地面積。在河流沿線修建森林和草地來保護河岸，并加強土壤采掘、挖掘砂土和采石等活動的管理。控制人造地表面積用量，提高經濟技術，進而提高利用率，減少對其他土地利用類型的占用。各流域要因地制宜，制定適合本地生態發展的政策法規，合理利用土地。

5 結論

研究區內土地利用類型主要以草地、森林和耕地為主，其中草地、耕地和濕地面積不斷減少，分別減少了140413、20480、692 km2，裸地和人造地表的面積增長的比較明顯，增長了99645、26302 km2；草地—裸地、草地—森林之間的轉化較為劇烈，草地轉化為裸地的面積為206439 km2，草地轉化為森林面積是166135 km2，而森林轉化成草地的面積是157559 km2；灌木地和人造地表的變化速率最大，達到了1.80%，但總體土地利用類型的動態度變化緩慢。

各子流域內，土地利用類型時空格局變化不同，除淮河區、西南諸河與西北諸河外，大部分流域以草地、耕地和森林為主，西北諸河草地類型的減少與裸地類型的增加十分明顯，另外，淮河區與長江區更低的減少與人造地表的增加變化也很大。

黃河流域以草地、耕地和森林為主，草地的面積減少的最多，減少了9551 km2，主要轉化為了耕地、森林和裸地；森林和灌木地增長的最多，分別增加了7123、4007 km2，主要來源是草地；灌木地與冰川和永久積雪的變化率最為顯著，分別是9.15%和10.91%，耕地、草地和濕地的變化速率較小，都小于0.5%，各土地利用類型的變化率差異顯著。

土地利用時空格局發生變化，離不開自然因素和人為因素的影響，自然因素的影響作用是持續且穩定的，不斷累積才能產生結果；人為因素的影響是活躍且多方面的，不斷地對土地進行干預，不斷促進土地利用方式的更替和演變。