南水北調(diào)中線水源區(qū)土地利用時空變化分析

申懷飛, 田慶久, 吳國璽

(1.南京大學(xué) 中國南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心,南京210023; 2.許昌學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院,河南 許昌 461000; 3.南京大學(xué) 國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,南京210023)

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南水北調(diào)中線水源區(qū)土地利用時空變化分析

申懷飛1,2,3, 田慶久1,3, 吳國璽2

(1.南京大學(xué) 中國南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心,南京210023; 2.許昌學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院,河南 許昌 461000; 3.南京大學(xué) 國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,南京210023)

在RS和GIS技術(shù)支持下，利用馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用動態(tài)度指數(shù)對南水北調(diào)中線水源區(qū)1990—2010年土地利用空間格局特征及其時空變化進行了分析。結(jié)果表明：1) 南水北調(diào)中線水源區(qū)土地利用類型以林地、耕地、草地為主，其中林地面積占水源區(qū)土地總面積的76.00%左右，占有絕對優(yōu)勢。2) 1990—2010年水源區(qū)土地利用變化主要發(fā)生在林地、耕地、草地三者之間，耕地、草地、水域和未利用地均呈現(xiàn)波動變化趨勢，林地則呈現(xiàn)先大幅增長后趨穩(wěn)定，建設(shè)用地不斷增長，且增長速度不斷加快。而這些發(fā)生變化的土地利用類型在空間上多分布于人類活動較多的低海拔、低坡度的河谷地區(qū)。3) 水源區(qū)土地利用變化綜合動態(tài)度為1.20%左右，整體上水源區(qū)土地利用變化速度不大，水源區(qū)土地利用穩(wěn)定性整體上較好。

土地利用變化; 土地利用動態(tài)度; 南水北調(diào)中線工程

土地利用是自然基礎(chǔ)上人類活動的直接反映，是人類有目的地開發(fā)利用土地資源的一切活動[1-3]。土地利用/土地覆被變化(Land Use and Land Cover Change :LUCC)客觀記錄了人類改變地球表面特征的空間格局，因此受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。區(qū)域LUCC 問題的綜合研究已經(jīng)成為全球環(huán)境變化和地球系統(tǒng)科學(xué)新的研究熱點和前沿課題[4-6]，利用遙感與GIS 技術(shù)研究LUCC變化,揭示其時空變化規(guī)律與驅(qū)動機制,已成為當(dāng)前研究的最新趨勢。國內(nèi)外專家對LUCC進行了廣泛而深入的研究:高志強、劉紀(jì)遠等利用土地利用程度指數(shù)和植被指數(shù)等指標(biāo)，借助GIS和相關(guān)數(shù)學(xué)模型，對中國土地利用/土地覆被的現(xiàn)狀進行了分析[7]；王思遠、劉紀(jì)遠等在RS與GIS 技術(shù)的支持下，對中國1996—2000年土地利用的時空變化特征進行了定量研究[8]；王根緒等借助于1986年與2000年兩期TM遙感影像與景觀空間格局分析方法,對江河源區(qū)1986—2000年土地生態(tài)系統(tǒng)的空間分布變化進行了探討[9]。另外，建立LUCC模型是深入了解LUCC成因、過程,預(yù)測未來發(fā)展變化趨勢的重要手段,也是LUCC及全球變化研究的主要方法[10]。馬爾科夫鏈模型是景觀生態(tài)學(xué)家用來模擬植被動態(tài)和LUCC最普遍的模型，它是基于空間統(tǒng)計相關(guān)模擬的模型，免去了復(fù)雜建模和多重輸入?yún)?shù)的繁瑣與難以預(yù)計性，已經(jīng)取得了較好的結(jié)果[11-13]。

南水北調(diào)中線工程目標(biāo)旨在緩解京、津、華北地區(qū)水資源危機，同時大大改善水源區(qū)生態(tài)環(huán)境和投資環(huán)境，推動中國中部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。由于工程規(guī)模巨大，必將產(chǎn)生巨大的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益，其對區(qū)域環(huán)境和生態(tài)的潛在影響則非常復(fù)雜。因此，南水北調(diào)中線工程水源區(qū)土地利用時空變化的研究對水源區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護治理以及受水區(qū)(華北平原)的用水安全有著極為重要的意義，本文以南水北調(diào)中線工程水源區(qū)(以下簡稱水源區(qū))為研究區(qū)，選取3個時期的遙感影像，利用馬爾科夫鏈模型和土地利用動態(tài)度指數(shù)對區(qū)域土地利用變化的時空特征進行了分析，旨在為水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控，水資源保護與管理，確保該區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展以及南水北調(diào)中線工程調(diào)水安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南水北調(diào)中線工程水源區(qū)，包括丹江口水庫大壩以上的整個集水區(qū)即漢江中上游流域，包括匯入丹江口水庫的漢江、丹江兩大流域，界于31°20′—34°10′N，106°—112°E。研究區(qū)內(nèi)行政單元包括陜、鄂、豫、川、渝、甘6省(市)共計15個地級市、48個縣(市、區(qū))，研究區(qū)土地總面積9.54萬km2。人口以農(nóng)業(yè)人口為主，83.3%縣域的農(nóng)村人口占總?cè)丝诘谋壤^80%；其海拔范圍從13 m到3 566 m。主要地貌單元包括流域西北方向的秦嶺南坡、東北方向的伏牛山南坡、西南方向的米倉山北坡、南部的大巴山北坡、神農(nóng)架北坡及東部的南陽盆地，以及其間的盆地、低山丘陵、周邊山地。水源區(qū)的氣候?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為15～16℃，年平均降水量為800～1 000 mm。該區(qū)域山地植被垂直分異性顯著，具有明顯的亞熱帶與暖溫帶過渡性特征。水源區(qū)內(nèi)土地利用類型主要有林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水域和未利用地[14-15]。

2 研究數(shù)據(jù)及方法

2.1 研究數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究利用主要數(shù)據(jù)包括：1990年，2002年，2010年的Landsat TM影像 (Landsat TM影像的空間分辨率30 m，因區(qū)域范圍大，無法完全統(tǒng)一時相?？紤]到研究區(qū)域的地域特點，盡量選擇植被外貌差別較大的春、秋時相,以便于影像的識別和解譯)、1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)和野外實測調(diào)查數(shù)據(jù)，以ArcGIS 10.0和ERDAS IMAGINE 9.2為數(shù)據(jù)處理分析平臺。根據(jù)水源區(qū)遙感影像的特征和野外實測調(diào)查數(shù)據(jù)，采用最大似然分類法，對三個時期的遙感影像進行非監(jiān)督分類和監(jiān)督分類相結(jié)合的分類方法(首先對影像進行非監(jiān)督分類，然后結(jié)合野外實地調(diào)查數(shù)據(jù)，在非監(jiān)督分類的類別中選取相對較為純凈的監(jiān)督分類的訓(xùn)練樣區(qū)，最后根據(jù)訓(xùn)練樣區(qū)進行監(jiān)督分類)，并對分類結(jié)果進行精度分析，總體分類精度84.7%，基本滿足本研究的要求。土地利用類型的劃分以中國土地資源分類系統(tǒng)為參考，根據(jù)水源區(qū)土地利用類型特征，將土地利用的景觀類型劃分6類：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。

2.2 研究方法

2.2.1 馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣 利用馬爾科夫模型可以描述土地利用類型轉(zhuǎn)移情況即每年各種變化的土地利用類型增加面積的來源、減少面積的去向[13]。其數(shù)學(xué)表達式一般為：

(1)

2.2.2 土地利用類型動態(tài)度指數(shù) 土地利用動態(tài)度可定量描述區(qū)域一定時段內(nèi)某種土地利用類型的變化速度，顯示該區(qū)域該時段內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[16-17]。

單一土地利用類型動態(tài)度是研究區(qū)內(nèi)某種土地利用類型在一定時間間隔內(nèi)的變化速度。其計算公式可表示為：

(2)

式中：K——研究時段內(nèi)某種土地利用類型動態(tài)度；Ua——研究期初某一種土地利用類型的面積；Ub——研究期末某一種土地利用類型的面積；T——研究初期與末期的時間間隔。

綜合土地利用類型動態(tài)度是描述研究區(qū)域內(nèi)所有土地利用類型在一定時間間隔內(nèi)的變化的速度。其計算公式可表示為：

(3)

式中：LUi——研究起始時間第i類土地類型的面積；ΔLUi-j——研究時間段第i類土地類型轉(zhuǎn)化為非i類土地類型面積的絕對值；T——研究初期與末期的時間間隔。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化統(tǒng)計分析

以水源區(qū)三個年份的土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)，對各種土地利用類型進行統(tǒng)計分析，得到水源區(qū)三個年份各種土地利用類型的面積及其所占的比例，分析結(jié)果見表1。

表1 1990-2010年水源區(qū)土地利用類型統(tǒng)計

由1990年、2002年、2010年三個年份水源區(qū)土地利用類型統(tǒng)計表可以看出，在水源區(qū)土地利用類型中以林地為主。其面積占水源區(qū)土地總面積的76.00%左右，在水源區(qū)中占有絕對優(yōu)勢；耕地占水源區(qū)總面積的20.00%左右，在水源區(qū)中僅次于林地面積，是人類活動影響水源區(qū)的主要土地利用類型，其余4種類型合計占水源區(qū)面積的4.00%左右。耕地和建設(shè)用地主要分布在漢江、丹江水系兩岸，草地分布比較分散，未利用土地主要分布于水源區(qū)與其他流域分界處的高山地區(qū)。

由表1可知，水源區(qū)耕地、草地、水域和未利用地均呈現(xiàn)波動變化趨勢，其中耕地面積在1990—2010年呈現(xiàn)先大幅減少后小幅增加的變化過程，總體呈現(xiàn)減少趨勢；草地和未利用地面積均呈現(xiàn)先小幅度增加后大幅度減少的變化；水域面積呈現(xiàn)先減少后增加，總體呈現(xiàn)增長趨勢；林地則呈現(xiàn)先大幅增長后趨穩(wěn)定；建設(shè)用地在1990—2010年不斷增長，而且增長速度不斷加快。

3.2 土地利用變化轉(zhuǎn)移量分析

通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以形象顯示出某一區(qū)域在一定時間段的不同土地利用類型之間在數(shù)量上的變化，是揭示研究區(qū)不同土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化的一種有效的表達方式[13]。據(jù)此求得水源區(qū)各時期的土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣(見表2，表3)，進而對水源區(qū)土地利用變化的時空特征進行分析。

表2 1990-2002年水源區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

從表2，表3中可以發(fā)現(xiàn)水源區(qū)土地利用變化呈現(xiàn)出一定的動態(tài)性。1990—2002年，水源區(qū)有大量的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、草地、水域以及建設(shè)用地，致使耕地總面積下降幅度較大；由于有相當(dāng)一部分的林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，但轉(zhuǎn)變的絕對面積仍低于耕地轉(zhuǎn)為林地的面積，再加上大量的草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，因此林地面積有較大幅度的增加。由于有較大面積的水域轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，因此水域面積有所減小。2002—2010年林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐拿娣e大于耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值氐拿娣e，同時林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸氐拿娣e較多，致使林地的總面積稍有下降；由于大量草地、未利用地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋停渌恋乩妙愋娃D(zhuǎn)入草地、未利用地的面積較少，因此在2002—2010年草地和未利用地的面積均有大幅度的減少。整體上看，水源區(qū)在這兩個時期內(nèi)，土地利用變化的類型主要發(fā)生在林地、耕地、草地三者之間。在此期間建設(shè)用地主要以其它土地利用類型轉(zhuǎn)入為主，面積增加明顯。1990—2002年增加39.68 km2，2002—2010年增加66.59 km2，雖然建設(shè)用地凈增長的面積相對其它土地類型較少。由于水源區(qū)地廣人稀，建設(shè)用地總面積在該區(qū)域所占比例僅為1.00%左右，因此在這兩個時間段內(nèi)建設(shè)用地的增長幅度均較大，增長幅度分別為24.50%，33.10%。

表3 2002-2010年水源區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.3 土地利用變化空間分布特征

土地利用變化空間分布圖可以直觀的展現(xiàn)出水源區(qū)在一定的時間間隔內(nèi)土地利用類型發(fā)生變化所處的空間位置。將水源區(qū)1990年與2002年的土地利用現(xiàn)狀圖進行疊加，得到1990—2002年的土地利用變化空間分布圖；同時將2002年與2010年的土地利用現(xiàn)狀圖進行疊加運算，得到2002—2010年的土地利用類型變化空間分布圖(見附圖10)。

從圖附10中可以看到，1990—2002年水源區(qū)土地利用類型發(fā)生變化的區(qū)域大于2002—2010年土地利用類型發(fā)生變化的區(qū)域。1990—2002年水源區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移主要以耕地和草地為主，轉(zhuǎn)移區(qū)域多分布在地勢較低的山谷，大多位于各土地類型的交錯地帶；水域的變化主要發(fā)生在丹江口水庫周邊，主要是因為周邊農(nóng)民在水庫河灘上根據(jù)水庫水位的變化所進行農(nóng)業(yè)耕作有關(guān)。2002—2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移主要以林地轉(zhuǎn)移為主，多分布在海拔相對較低的山區(qū)?？偟膩碚f，水源區(qū)在兩個時間段內(nèi)土地利用類型在時空變化上以林地、耕地和草地之間的相互轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，而這些發(fā)生變化的位置均多位于人類活動頻繁的低海拔、低坡度區(qū)域以及漢江、丹江等河谷地帶，而在海拔較高的地區(qū)發(fā)生變化的土地利用類型較少。

3.4 土地利用變化動態(tài)度分析

3.4.1 單一土地利用類型動態(tài)度分析 利用單一土地利用類型動態(tài)度指數(shù)，經(jīng)過計算得到三個年份水源區(qū)土地利用變化的動態(tài)度結(jié)果(見表4)。

表4 研究區(qū)單一土地利用類型動態(tài)度分析

由表4可以看出1990—2002年水源區(qū)各種土地利用類型均有所變動，其中變化幅度較大的有耕地、水域和建設(shè)用地，其中耕地的動態(tài)度為-2.19%；建設(shè)用地的動態(tài)度為2.04%；水域的動態(tài)度為-1.68%。同時可以看出在該時期內(nèi)耕地和水域減少幅度較大，建設(shè)用地增加幅度最大，林地、草地和未利用地面積均有小幅度增加。2002—2010年水源區(qū)林地的動態(tài)度幾乎沒有變化僅為-0.01%；其他土地利用類型則發(fā)生了較大幅度的變化，其中草地的動態(tài)度為-9.64%，減少速度較快，水域的動態(tài)度為7.59%，未利用地的動態(tài)度為-6.95%，建設(shè)用地的動態(tài)度為4.14%，均有較大變動。與1990—2002年相比，耕地動態(tài)度由負變?yōu)檎?；草地動態(tài)度由0.79%變?yōu)?9.64%，變化最為劇烈；建設(shè)用地由2.04%增加到4.14%，有一定幅度的增長。從整個時間段上來看，1990—2010年耕地略有減少，動態(tài)度為-0.59%；林地略有增加，動態(tài)度為0.41%；草地和建設(shè)用地的動態(tài)度較大，分別為-3.75%，3.29%。

3.4.2 綜合土地利用類型動態(tài)度分析 利用水源區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣統(tǒng)計數(shù)據(jù)和綜合土地利用類型動態(tài)度指數(shù)，進行計算后得到1990—2002年南水北調(diào)中線水源區(qū)綜合土地利用類型動態(tài)度為1.13%；2002—2010年水源區(qū)綜合土地利用類型動態(tài)度為1.38%。由綜合土地利用類型動態(tài)度可以看出2002—2010年的綜合土地利用類型動態(tài)度高出1990—2002年0.25%，說明隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類活動對土地利用變化的干擾力度不斷增強。

3.5 土地利用穩(wěn)定性分析

土地利用穩(wěn)定性可以體現(xiàn)出研究區(qū)域土地利用類型變化的活躍性。本文將水源區(qū)3個年份的土地利用類型圖進行疊加得到1990—2002—2010年的綜合土地利用變化圖。然后對綜合土地利用變化圖進行分級：3個年份均未發(fā)生變化的區(qū)域為穩(wěn)定區(qū)，有兩個年份發(fā)生變化的區(qū)域為過渡區(qū)，3個年份均發(fā)生變化的區(qū)域為活躍區(qū)。在以上分級的基礎(chǔ)上得到水源區(qū)土地利用穩(wěn)定性分布圖，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)土地利用穩(wěn)定性分布

由圖1可以看出水源區(qū)土地利用的穩(wěn)定區(qū)多位于漢中盆地的水田、水源區(qū)內(nèi)主要河流以及河流兩岸的耕地，同時還包括人類活動較少、海拔較高的林地。過渡區(qū)域主要分布在河流與林地的中間地帶，該區(qū)域以丘陵旱地、草地為主。而活躍區(qū)主要位于居民區(qū)附近。從水源區(qū)土地利用穩(wěn)定性的面積統(tǒng)計來看，水源區(qū)以穩(wěn)定區(qū)和過渡區(qū)為主，所占水源區(qū)的比例分別為62.70%和35.10%，活躍區(qū)相對較少，所占比例僅為2.20%。因此，水源區(qū)土地利用穩(wěn)定性整體上較好，這主要是水源區(qū)地廣人稀的特點造成的。

4 結(jié)論與討論

本文以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助RS和GIS相關(guān)技術(shù)，對1990—2010年水源區(qū)土地利用/覆被時空變化特征進行了分析可以得出以下結(jié)論：

1) 水源區(qū)林地面積占水源區(qū)土地總面積的76.00%左右，成為水源區(qū)主導(dǎo)土地利用類型，優(yōu)勢明顯；林地呈現(xiàn)先大幅增長后趨穩(wěn)定的變化趨勢；耕地、草地、水域和未利用地則均呈現(xiàn)波動變化趨勢，建設(shè)用地不斷增長，且增長速度不斷加快。

2) 水源區(qū)在1990—2010年土地利用類型變化主要發(fā)生在林地、耕地、草地三者之間。而建設(shè)用地主要以其它土地利用類型轉(zhuǎn)入為主，面積增加明顯，增長幅度較大。水源區(qū)1990—2002年土地利用類型發(fā)生變化的區(qū)域大于2002—2010年土地利用類型發(fā)生變化的區(qū)域，土地利用類型變化上以林地、耕地和草地之間相互轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳌６@些發(fā)生變化的土地利用類型在空間上仍然多分布于人類活動較多的低海拔、低坡度的河谷地區(qū)。

3) 1990—2010年水源區(qū)土地利用類型變化綜合動態(tài)度為1.20%左右，整體上水源區(qū)各土地利用類型變化速度不大。水源區(qū)土地利用穩(wěn)定性整體上較好。

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Study on Land Use/Cover Change in the Water Supply Area of the Middle-Route of the South-to-North Water Diversion (MR-SNWD) Project

SHEN Huaifei1,2,3, TIAN Qingjiu1,3, WU Guoxi2

(1.CollaborativeInnovationCenterofSouthChinaSeaStudies,NanjingUniversity,Nanjing210023,China； 2.SchoolofUrban&RuralPlanningandLandscapeArchitecture,XuchangUniversity,Xuchang,He′nan461000,China; 3.InternationalInstituteforEarthSystemScience,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)

There was an obvious spatial difference in spatial patterns of land use/cover change in the water resource district of Middle-Route of the South-to-North Water Diversion Project. The spatial pattern of land use/cover change in the study area was quantitatively analyzed by using RS and GIS. The results showed that: 1) the land use types were mainly forestland, agricultural land and grassland, indicating that the matrix of landscape is forest; 2) the land use change mainly occurred in forestland, cultivated land, and grassland, the forestland had showed the first increasing and then the stability, the areas of construction land increased drastically, and the growth rate accelerated, land use changes mainly occurred in the gully regions with low altitude and gentle slope where human activity was active; 3) the land use dynamic degree was about 1.20%, the overall changes of land use were slight, and the structure of land was more stable.

land use/cover change; land use dynamic degree; Middle-Route of the South-to-North Water Diversion Project

2014-05-29

2014-07-15

河南省政府決策研究招標(biāo)課題(2013B299);許昌學(xué)院優(yōu)秀青年骨干教師項目; 許昌學(xué)院校級科研重點項目(2015107)；許昌市科技攻關(guān)計劃項目(140203026)

申懷飛(1979—),男,河南淅川人,講師,博士研究生,主要從事景觀格局與生態(tài)過程研究。E-mail:hfshen329@163.com

田慶久(1964—),男,山東濟寧人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事高光譜遙感與遙感信息定量化研究。E-mail:tianqj@nju.edu.cn

TV697.4+

A 文章編號：1005-3409(2015)02-0204-05