五臺縣土地利用變化研究

張 華，張宇飛，黃一恒，圣 振，高潤禧，楊 柳

(中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

1 引言

土地利用變化是改變生態環境質量的重要因素，也是人類活動對自然環境施加影響的顯著表現形式[1]。在快速城市化及經濟高速發展、人口急劇增長的背景下，土地利用方式不斷變化，同時也引發了一系列自然生態相關問題。為了對有限的土地進行更加合理地規劃及使用，減少因土地不合理規劃造成的自然及社會問題，對土地利用變化特征及其驅動機制進行研究是必要的。

目前針對五臺縣的研究大多集中在佛教文化[2]、生態旅游[3]、地理環境[4]等方面，而對其土地利用情況及生態結構方面的研究則少之又少。近年來，隨著該地區旅游活動的增多、過度放牧及不合理的礦山開采等人為因素的影響，五臺縣地區水土流失嚴重，人地矛盾問題突出[5]。本文以五臺縣為研究區域，采用研究區域2013～2021年遙感影像數據以及其他有關數據提取土地利用特征，并在分析土地利用變化的基礎上探究其變化原因，為五臺縣土地利用規劃提供依據。

2 研究區概況及數據來源

2.1 研究區概況

五臺縣位于山西省境東北部。由于五臺縣位置偏北，地勢又高，氣候寒冷，素有“華北小興安嶺”之稱。年平均降雨量500 mm，無霜期90～150 d。五臺縣屬于溫帶大陸性季風氣候，年內氣候變化受大氣環流的影響明顯[6]。五臺縣境內的五臺山，山巒重疊，地形復雜，旅游資源豐富。五臺縣轄區面積為2865 km2，耕地面積為51萬畝，占全縣面積的12.1%，常住人口約21.62萬人，人口密度為75人/ km2。

2.2 數據來源

本文所用數據主要為遙感影像數據和氣象數據。衛星遙感影像數據來源于地理空間數據云(http：//www.gscloud.cn),對其進行圖像處理，解譯各個時期各種類型的五臺山地區土地面積和分布，根據研究需要，將土地分為耕地、林地、草地及未利用土地、水域和建設用地；氣象數據主要來源于《山西省統計年鑒》(http://www.shanxi.gov.cn/sj/tjnj/)及天氣網(https://www.tianqi.com)。

3 研究方法

3.1 土地利用變化量

各土地利用類型在數量上的變化是土地利用變化最顯著的特征，在時序上的變化可以通過不同土地利用類型面積的變化量來反映[7]。

ΔU=Ub-Ua

(1)

式(1)中，ΔU為某種土地利用類型面積變化量；Ua、Ub為研究期初與研究期末土地利用類型的面積。

3.2 土地利用信息熵

信息熵是能反映某一區域在某個階段土地利用類型綜合性變化以及有序程度[8]。計算公式為：

(2)

式(2)中，Pi為第i類土地面積占區域總面積的百分比；i為土地利用類型[9]。

理論上當P1=P2=…=PN=1/N時，H達到最大值。計算得到的熵值越大，土地利用類型多樣性越高，土地利用程度越高、結構越均衡[10]，土地功能越完善。

本文為了增加信息熵的可比性，引入了均衡度公式：

(3)

當J趨近于0時，土地利用結構趨近于最不平衡的狀態，而當J=1時，土地利用結構處于理想化的最平衡狀態[11]，土地構成差別越小。優勢度與多樣性的變化相反，反映區域內土地利用類型受支配程度，其公式如下：

I=1-J

(4)

3.3 單一土地利用動態度

單一土地利用動態度可以表達在一定時間范圍內，研究區的某種土地利用類型在數量上是如何變化的[12]。計算不同土地利用類型的動態度可以對研究區土地利用類型的變化程度進行表達，其計算公式為：

(5)

式(5)中，Ua、Ub為研究期初和研究期末某種土地利用類型的面積；Ta、Tb為對應研究期初和期末的時間，Ta和Tb以年為單位計算；K為研究區域某種土地利用類型的年變化率。

3.4 土地利用類型轉移分析

土地利用類型的轉換包括轉入和轉出，可以借助土地利用轉移矩陣來定量分析研究期內某一地類轉出及轉入的變化情況[13]。土地利用轉移矩陣對區域內土地利用變化的結構特征以及各類用地變化的方向有著良好的刻畫效果[14]。具體計算公式[15]：

(6)

式(6)中，S為面積；i為基期年土地利用類型，i∈ [1，n]；j為期末年土地利用類型，j∈ [1，n]；Sij為研究期內第i類土地轉移為第j類土地的面積總和。

4 結果分析

4.1 土地利用類型面積變化

對五臺縣土地利用數據進行處理分析得到2013～2021年五臺縣的土地利用類型變化情況，如表1。從表1可以看出，2021年與2013年相比，耕地、林地面積有所下降，草地及未利用地、水域、建設用地面積有所增加。林地減少面積最大，減少了527.58 km2，草地及未利用地增加面積最大，增加了615.33 km2。2013～2021年五臺縣各土地利用類型占比如圖1，通過圖1可以更直觀地看到各土地利用類型地變化情況。

4.2 土地利用信息熵

根據公式(2)、(3)、(4)計算得到五臺縣2013～2021年土地利用結構信息，如表2。由表2可知，研究期間，土地利用結構信息熵和均衡度有所上升而優勢度相反。區域內各種土地利用類型面積發生了顯著變動，土地利用類型多樣性增加，土地利用結構趨于均衡狀態，導致五臺縣土地利用結構的均衡度和信息熵增大。

表1 2013～2021年五臺縣土地利用類型變化情況

圖1 2013～2021年五臺縣各土地利用類型占比

表2 五臺縣2013～2021年土地利用結構信息

4.3 土地利用動態度

由式(5)計算得到耕地、林地、草地及未利用地、水域、建設用地的動態度如表3。由表3可知，2013～2021年，耕地、林地、草地及未利用地、水域和建設用地的土地利用動態度分別為：-3.09%、-4.53%、10.24%、10.8%和7.49%。耕地、林地的單一土地利用動態度為負值，說明耕地、林地面積有所減少，呈現負增長狀態；草地及未利用地、水域、建設用地面積在增加，呈現正增長狀態。其中，水域的單一利用動態度最高，說明水域的年面積變化速率最快，略大于草地及未利用地的動態度，這是由于當地政府近年來積極開展水資源開發工作，解決了當地缺水問題。

表3 土地利用類型動態變化

4.4 土地利用轉移分析

土地利用轉移矩陣能夠反映土地利用類型的面積變化，更加直觀地對土地利用變化方向及轉化面積進行表達，2013～2017年五臺縣土地利用轉移矩陣如表4所示。由表4可以看出，研究期間，土地利用轉移變化主要表現為耕地、林地轉出為其他土地利用類型，大部分林地轉化為草地，而草地及未利用地、建設用地則有較多轉入。耕地、林地都主要向草地及未利用地轉移。

表4 2013～2021年五臺縣土地利用轉移矩陣面積 km2

5 結果與討論

5.1 結果分析

結合土地利用面積變化及土地利用動態度，2013～2021年間，五臺縣林地面積大幅下降，草地及未利用地面積大幅增加，水域的年面積變化速率最快，略大于草地及未利用地的動態度。區域內各種土地利用類型面積發生了較大變動，土地利用結構趨于均衡狀態，導致土地利用結構的均衡度和信息熵增大。從土地利用轉移矩陣看，土地利用轉移變化主要表現在耕地、林地轉出為其他土地利用類型，而草地及未利用地、建設用地則有較多轉入。耕地、林地都主要向草地及未利用地轉移。

經查閱歷年相關資料，2013～2021年間，年平均氣溫為7.08～8.13 ℃，年降水量也保持在480～540 mm 左右，研究期間氣候波動較小。土地利用變化受氣候影響程度不明顯。

本文認為人為因素是導致五臺縣土地利用變化的主要原因。為解決汛期供水及排沙矛盾等問題，建設濕地公園滿足旅游需求，五臺縣興修水庫導致水域面積在原有面積上大幅增加。由于其佛教文化及其優越的氣候條件，五臺縣大力發展旅游文化，開發旅游景點，使得一部分林地轉化為草地及建設用地，而退耕還林還草政策的有效實施也使一部分耕地轉化為林地和草地。此外，相關資料顯示，五臺縣在研究期間發生過由于人類缺乏防火意識及不合理行為導致的幾次大面積森林火災，成為林地面積大幅減少的原因之一。

5.2 討論

本文以山西省忻州市五臺縣為研究區域，對2013年及2021年的遙感影像進行解譯，將土地利用類型分為耕地、林地、草地及未利用地、水域和建設用地五類，分析五臺縣土地利用變化的基本特征及變化去向等特征規律，并結合相關資料對變化原因進行分析。五臺縣2021年較2013年相比，土地利用結構更加復雜，各利用類型面積差別更小，各土地類型在整體上趨于均衡。結合相關資料進行分析，導致五臺縣土地利用變化的原因主要是人類活動，如旅游區開發、水源地開發和人類引發的森林火災等，但影響五臺縣土地利用變化的具體驅動因子還需結合經濟社會數據進一步研究。