延河流域土地利用變化特征分析

劉 露，朱得勝，夏 帆，黃會平，徐艷杰

（1.華北水利水電大學 測繪與地理信息學院，河南 鄭州 450046；2.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046）

人類活動對自然環境的影響日趨激烈，生態平衡被破壞的現象頻繁出現，在土地利用方面人類活動對自然環境的改造更加突出。研究土地利用時空變化特征對促進區域生態經濟協調發展具有重要意義。人類活動影響地表自然生態系統的直接表現為土地利用的時空變化。土地利用時空變化是人類社會經濟活動行為與自然生態過程交互和鏈接的紐帶[1]，能直接影響地球外部圈層之間的相互關系以及自然資源環境的可持續發展。許多學者專家借助RS和GIS技術，通過獲得不同地區不同時期的遙感影像數據，采用空間疊加分析法、監督分類法、空間轉化矩陣法等多種分析方法對區域的土地利用情況進行了研究和調查，取得了重要成果[2-9]。由于不同區域的太陽輻射度、地面降水、地面氣溫、地形、土壤和植被等環境因素不同，其土地利用/覆蓋變化（LUCC）特征也具有各自的特殊性[10]。

延河流域地處黃土丘陵溝壑區，植被稀少、侵蝕強烈、水土流失嚴重，是我國重要的生態環境管制區。由于該地區生態環境形式嚴峻，國家發布了較多的修復政策（退耕還林還草等），因此研究延河流域的土地利用時空變化特征，對尋找最大改善環境的綜合治理方法具有重要的促進作用。本文利用1980－2015年7期遙感數據，結合2000－2015年的社會經濟數據，揭示了延河流域土地利用時間變化特征以及空間分布格局，分析探討了LUCC的驅動因素，解析了自然因素和人類活動在LUCC過程中的正負面效應，對研究未來流域生態系統建設過程中的有效措施具有實際意義。

1 研究區概況

延河位于黃河右岸、中游區上段的河口鎮至龍門段，是黃河一級支流，發源于靖邊縣天賜灣鄉周山，由西北向東南，流經志丹、安塞、延安，于延長縣南河溝涼水岸附近匯入黃河。延河全長286.9 km，流域面積為7 725 km2，平均比降為3.26‰，主要支流為西川、蟠龍川以及杏子河等。流域多年平均降水量為477.3 mm，年平均氣溫為9.2℃，年均水面蒸發量為1 681.5 mm，多年平均徑流總量約為1.96億m3。延河流域處于我國半濕潤氣候向半干旱氣候過渡帶，水土流失是該流域最主要的生態問題之一。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

本文采用的主要數據包括陜北地區不同時期的遙感影像和延安市相關統計資料，其中遙感影像為1980年、1985年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7個時期的多光譜數據（www.gscloud.cn），空間分辨率為30 m，坐標系為WGS_1984_UTM_Zone_48N，圖像獲取時間為4～10月，所選圖像含云量均小于10%，數據質量良好；流域內經濟社會發展相關統計數據來源于2000－2015年陜西省統計年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用/覆被類型分類

利用ArcGIS建立直接和間接的解譯標志進行監督分類，共分為水體、耕地、林地、草地、建筑用地和未利用地6個一級類以及中覆蓋度草地、有林地、灌木林、疏林地、其他林地、高覆蓋度草地、低覆蓋度草地、河渠、湖泊、水庫坑塘、灘地、城鎮用地、農村居民點、其他建筑用地、裸土地、旱地16個二級類[11]。

2.2.2 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是定量研究土地利用類型間相互轉化數量和方向的主要方法，能具體反映土地利用變化的結構特征和各類型面積減少的方向[12]，更好地反映其時空演變過程。其計算公式為：

式中，k為時間間隔；LCi為k時間間隔前第i類土地利用類型狀態；LCj為k時間間隔后轉為第j類土地利用類型狀態。

土地利用類型相互轉化的轉移矩陣數學表達式為：

式中，Sij為研究時段內第i類土地利用類型轉移為第j類土地利用類型的面積；i為兩個時期中前一時期的土地利用類型；j為兩個時期中后一時期的土地利用類型；n為一個時期土地利用類型的總數。

2.2.3 流域坡度與耕地疊置分析

坡度將直接影響農林牧用地分布、水土流失狀況、農田基本建設難易程度等，因此分析坡度與土地利用類型之間的關系，可為土地利用結構研究提供基礎信息[13]。利用GIS空間分析的疊置分析將同一地區兩個地理對象的圖層進行疊合，以產生空間區域的多重屬性特征[7]。

本文利用已有的延河流域DEM數據進行坡度分析，將坡度數據分為大于25°和小于25°兩類，作為疊置分析的第一個圖層。對流域內1980－2015年7期的土地利用類型圖進行重分類，分為耕地與非耕地兩類，作為疊置分析的第二個圖層。兩類圖層疊置后便可得到坡度大于25°且為耕地的圖層。

3 研究結果分析

3.1 土地利用結果

3.1.1 土地利用結構及其變化

流域內的耕地、林地、草地、水體、建筑用地、未利用地的土地利用結構和變化如表1所示，可以看出，2000年之前，耕地在所有土地利用類型中的占比穩定在44%，緩慢減少了3%，2010－2015年耕地面積減少了9%；林地和草地面積總體呈增加態勢，2000年之后林地由原先的10%增加到2015年的14%，2010－2015年草地面積迅速增加了8%；建筑用地的面積占比雖小但變化較大，由0.16%增加到0.54%；水體和未利用地面積小幅變化，總體較穩定。

3.1.2 土地利用類型面積轉移矩陣特征

根據2005－2010年土地利用類型轉移情況，本文建立了土地利用類型轉移矩陣，如表2所示，可以看出，轉移變化主要體現在耕地、林地和草地之間，特點為由林地、草地向耕地轉移，再由耕地向林地、草地轉移；林地與草地之間頻繁地相互轉移，最終林地更多地轉移為草地，使得草地的面積大幅增長；建筑用地的增長面積主要來源于耕地和草地；水體、未利用地的轉移不夠明顯。

表1 1980－2015年延河流域土地利用結構及其變化情況表/hm2

表2 1980年和2015年延河流域土地利用類型轉移矩陣/hm2

3.1.3 土地利用類型空間變化特征

本文通過對比1980－1995年和2000－2015年的延河流域土地利用類型空間位置變化發現（圖1），1980－1995年流域內土地利用類型發生密集變化的區域主要為延安市區，2000－2015年流域內土地利用類型變化主要集中在北部和中部地區。

圖1 延河流域土地利用類型空間變化圖

3.1.4 坡度大于25°的耕地變化

我國《水土保持法》規定，禁止在25°以上的坡地開墾耕作，坡耕地開墾極易引發水土流失。1980－2015年延河流域坡度大于25°的耕地面積變化情況如表3所示。

延河流域經常發生由降雨引發的不同范圍滑坡，影響當地工農業生產。自1991年《水土保持法》頒布、1999年底實施“退耕還林（草）”生態修復政策以來，陡坡耕地不斷轉移為其他主要用地。25°以上的陡坡退耕，極大地降低了延河流域水土流失的幾率，對流域耕地土壤有良好的保護和維持作用，是流域生態建設所必需的舉措，因地制宜規劃流域土地利用更是至關重要的。

表3 1980－2015年陡坡耕地面積變化

3.2 驅動因素分析

3.2.1 “退耕還林（草）”政策

1999年黃土高原實行“退耕還林（草）”政策，對延河流域土地利用變化具有重大影響[14]。通過土地利用變化研究發現，2000年、2005年、2010年和2015年延河流域的耕地面積占比分別為44%、41%、41%和32%，林地面積占比由最初的10%增加到14%，表明在“退耕還林（草）”政策的影響下，流域的耕地面積顯著減少，常用耕地面積由2000年的7.82萬hm2逐漸下降至7.62萬hm2，人均耕地面積由2000年的0.124 hm2下降至2015年的0.097 hm2（圖2），該政策對流域土地利用類型變化驅動力明顯。

圖2 延河流域耕地面積和人均耕地面積變化圖

3.2.2 人口增長

人口增長對于延河流域土地利用及其時空變化的影響主要體現在延河流域建筑用地的增加，以及延河流域人口從2000年63.33萬人增加到2015年的78.49萬人。2000－2015年在“退耕還林（草）”政策實施的影響下，流域內耕地面積逐步減少，但人口數量仍以低增長率不斷上升，人均耕地面積隨之減少，使得龐大的農村人口向城鎮轉移，大量農業勞動力轉化為非農業勞動力，從而促使延河流域建筑用地的增長，2000－2015年建筑用地增加了48.6%。

3.2.3 經濟發展

隨著社會的不斷發展，延河流域所屬城市在城市規劃、土地應用、重大建設等方面出臺了一系列決策，促進了延河流域建筑用地的增長。2000－2015年延河流域的人均生產總值增長速度較快，由1.88萬元增長至14.62萬元。人均生產總值的提升標志著流域內耕地、草地、林地向建筑用地轉移。2000－2015年延河流域的社會經濟發展態勢持續良好，第三產業發展迅猛，第二產業前期發展快速，隨后生產總值較穩定地維持在200億元左右（圖3）。通過對比2000年和2015年的三大產業占比情況發現（圖4），第一產業所占生產總值比重降低，第二、三產業所占比重已十分接近；而第二、三產業所對應的區域多為城鎮地區，因此可以很好地說明建筑用地面積隨著人均生產總值的提升而大幅增加。

圖3 延河流域三大產業生產總值圖

圖4 延河流域三大產業生產總值占比圖

4 結 語

針對延河流域特殊的自然環境及其長時間跨度、多背景驅動下土地利用格局的時空變化情況，基于RS和GIS技術，本文利用遙感解譯、GIS空間疊加分析、土地利用轉移矩陣、和弦圖等方法，對延河流域近35 a的土地利用類型結構特征以及時空轉移狀況進行了分析。

從土地利用結構來看，近35 a延河流域的主要土地利用類型為草地和耕地，草地面積較耕地面積更多，二者總面積超過流域總面積的80%，其次為林地、水體、建筑用地和未利用地。隨著時間推移，尤其是2000年之后，耕地面積顯著減少，林地、草地面積顯著增加，水體、未利用地面積變化不大，建筑用地面積變化較大，但比例很小。耕地主要轉移為草地和林地，未利用地轉移為建筑用地?！巴烁€林（草）”生態修復政策的實施、產業經濟生產總值的不斷上升、人口數量的穩定增長、城鎮化發展迅速均對流域土地利用結構變化有驅動作用，是土地利用時空變化特征的主要影響因素。