江學(xué)頂,梁釗雄,王兮之,張翼
(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程系,廣東佛山528000)
基于Landsa t8 TM的石漠化地區(qū)土地利用/覆蓋變化分析——以粵北連江流域?yàn)槔?/p>
江學(xué)頂,梁釗雄,王兮之,張翼
(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程系,廣東佛山528000)
在RS和GIS技術(shù)的支持下,利用粵北連江流域1988年和2013年2期Landsat8 TM數(shù)據(jù),對(duì)該地區(qū)土地利用/覆蓋進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化研究。結(jié)合連江流域的巖溶特性,在原有土地分類體系的基礎(chǔ)上,在石漠化地區(qū)增加重度石漠化、中度石漠化、輕度石漠化和潛在石漠化4種類型。結(jié)果表明:(1)林地的面積增加最多,其次是建設(shè)用地。而在石漠化區(qū),重度石漠化土地的面積減少最多,中度石漠化次之。輕度石漠化的面積則有所增加。(2)在非石漠化區(qū),轉(zhuǎn)出的類型主要是灌叢、林地和耕地。灌叢主要向林地轉(zhuǎn)出,林地和耕地主要向建設(shè)用地和潛在石漠化區(qū)轉(zhuǎn)出。而在石漠化區(qū),主要表現(xiàn)為重度、中度和輕度石漠化土地向潛在石漠化轉(zhuǎn)移。(3)石漠化區(qū)面積的減少主要在連州市南部和北部、連南的東北部以及陽(yáng)山縣的南部。灌叢向林地的轉(zhuǎn)移主要表現(xiàn)在流域的西部,耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移則主要發(fā)生在水域附近和下游地區(qū)。
土地利用/覆蓋;Landsat8 TM;石漠化;連江流域
隨著人口增長(zhǎng)、環(huán)境惡化、資源短缺、空氣污染等一系列全球性問(wèn)題的產(chǎn)生和激化,土地利用/覆蓋變化(LUCC)已成為全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究的重要內(nèi)容[1]。LUCC既是全球變化的重要組成部分,同時(shí)能夠反映出自然格局、過(guò)程與人類社會(huì)之間最直接的相互作用關(guān)系,因此成為人口-資源-環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基本問(wèn)題[2]。目前,LUCC的研究主要是通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期的歷史資料整理以及遙感與GIS技術(shù),國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展相應(yīng)的研究。美國(guó)全球變化研究委員會(huì)(USGCRP)于1996年開(kāi)展的北美洲土地覆被變化的研究項(xiàng)目,分析了北美(包括美洲大陸的赤道帶地區(qū))自1970年以來(lái)的土地覆被空間變化[3]。國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所于1995年啟動(dòng)了“歐洲和北亞土地利用/土地覆蓋變化模擬”的項(xiàng)目,旨在分析1900—1990年歐洲和北亞地區(qū)土地利用/土地覆蓋變化的空間特征、時(shí)間動(dòng)態(tài)和環(huán)境效應(yīng)[4]。在國(guó)內(nèi),杜國(guó)明等采用2005年基準(zhǔn)年的Landsat TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)提取1980—2005年巴西土地利用/覆蓋變化信息,分析其變化的時(shí)空格局及驅(qū)動(dòng)因素[5]。婁和震等利用Landsat TM影像和中國(guó)環(huán)境衛(wèi)星影像對(duì)延河流域2000—2010年土地利用/覆蓋變化及其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了研究[6]。石漠化是指在熱帶與亞熱帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)氣候條件和巖溶環(huán)境中,受人類不合理社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的干擾破壞、氣候變化等因素作用,造成地表植被退化、土壤侵蝕、地表水流失、基巖裸露、土地生產(chǎn)力嚴(yán)重下降,形成類似石質(zhì)荒漠景觀的土地退化過(guò)程。石漠化是一種脆弱的生態(tài)環(huán)境,其成土慢、土壤蓄水性差等特點(diǎn),對(duì)植被生長(zhǎng)極為不利。本文選取1988年和2013年2期的TM數(shù)據(jù),以粵北巖溶山區(qū)連江流域作為研究區(qū)域,研究石漠化地區(qū)LUCC的動(dòng)態(tài)變化特征及規(guī)律,為該流域的水土保持、生態(tài)恢復(fù)及石漠化治理提供決策支持。
連江是珠江流域北江最大的一級(jí)支流,發(fā)源于廣東省連州市潭嶺鎮(zhèn)三姊妹峰,流經(jīng)連州、連南、連山、陽(yáng)山、英德,在英德連江口鎮(zhèn)匯入北江,河流全長(zhǎng)275 km。流域位于東經(jīng)112°40″~113°18″、北緯24°58″~24°02″之間,集水面積10 061 km2。流域形狀呈扇形,地勢(shì)西北高,東南低,主要由中、低山脈、局部山區(qū)丘陵、河谷或盆地組成,石灰?guī)r地形約占流域面積的40%,多為溶洞、裂隙發(fā)育的喀斯特地形。連江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),冬短夏長(zhǎng),氣候溫和,雨量充沛,年平均氣溫為19.5℃,多年平均年降水量為1 685.7mm,多年平均蒸發(fā)量為903.9mm。連江上游森林覆蓋率高[7-8],植被狀態(tài)相對(duì)良好,主要有針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、混交林、灌木林和管草叢,土壤類型以紅壤及由碳酸鹽溶蝕殘余物發(fā)育而成的石灰?guī)r土為主[9],石灰?guī)r地形顯著,約占流域面積的60%,巖溶地貌發(fā)育。石漠化的發(fā)展造成巖溶地區(qū)土地生產(chǎn)力下降、地表植被覆蓋率銳減、系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力削弱、地表水源枯竭而導(dǎo)致土地資源喪失、糧食減產(chǎn),使得該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展受到很大的制約。
圖1 連江流域位置示意
2.1數(shù)據(jù)處理
采用能夠覆蓋整個(gè)流域的1988年12月和2013年12月的4幅Landsat8 TM影像,空間分辨率均為30m。利用ENVI軟件對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、拼接以及裁剪等預(yù)處理。通過(guò)目視解譯建立土地利用/覆蓋及石漠化土地類型解譯標(biāo)志,以監(jiān)督分類的方法提取其不同時(shí)期的土地利用類型。利用GIS軟件,對(duì)2個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)以及研究區(qū)內(nèi)的巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理與統(tǒng)計(jì)對(duì)比,分析連江流域土地利用/覆蓋及石漠化土地類型動(dòng)態(tài)變化情況。
2.2分析方法
轉(zhuǎn)移矩陣是定量分析地類間相互轉(zhuǎn)移的常用方法。它能夠具體反映土地利用/覆蓋變化的結(jié)構(gòu)特征和各種類型之間的轉(zhuǎn)移方向[10]。該方法來(lái)源于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與轉(zhuǎn)移的定量描述[11]。其中,二維矩陣應(yīng)用最為廣泛,其數(shù)學(xué)形式為
其中,A表示面積,n表示土地利用類型數(shù),i與j分別表示研究初期與末期的土地利用類型,Aij為研究期內(nèi)第i類土地轉(zhuǎn)化為第j類土地的面積[12]。
本文中的轉(zhuǎn)移矩陣是利用ArcGIS工具箱中的相交(Intersect)工具計(jì)算生成。Intersect工具的作用是計(jì)算2個(gè)輸入圖層中的幾何對(duì)象的交集部分,并保留原來(lái)2個(gè)輸入圖層的屬性表,主要用來(lái)分析圖層之間的空間以及屬性的變化情況。
2.3石漠化土地分類體系
參照土地利用/覆蓋分類標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合連江流域的實(shí)際情況,將連江流域分為巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)。非巖溶區(qū)分為8種土地利用類型:耕地、園地、林地、灌叢、草地、建設(shè)用地、水域及未利用土地。巖溶區(qū)根據(jù)是否發(fā)生石漠化及發(fā)育程度分為非石漠化區(qū)和石漠化區(qū),其中非石漠化區(qū)分為6種土地利用類型,即耕地、園地、林地、建設(shè)用地、水域和潛在石漠化,石漠化區(qū)劃分為輕度、中度和重度3類分級(jí)方法。
遙感影像采用Landset8 TM的影像,波段5、4、3分別為近紅外波段、紅波段、綠波段,此波段組合顯示圖像為標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像,不同的植被呈深淺不同的紅色,水體呈深色,易于區(qū)分。熟悉各類地物在圖像中的顏色、形狀、分布特征,建立判讀流域土地類型和石漠化土地等級(jí)的解譯標(biāo)志,如表1所示。
表1 連江流域土地利用/覆蓋解譯標(biāo)志
3.1流域石漠化土地時(shí)間變化分析
1988—2013年,連江流域土地利用/覆蓋及石漠化土地變化明顯,如表2、圖2與3所示。從增加的數(shù)量來(lái)看,林地的面積增加最多,從1988年的3 294.2 km2增加到2013年的4 022.83 km2,所占比例從32.56%上升到39.78%,變化率為22.12%。其次是建設(shè)用地,從1.71%上升到3.29%,變化率為91.64%。園地、輕度石漠化、潛在石漠化、水域等面積都有不同程度的增加,增加的面積分別為112.09、64.7、45.67和12.86 km2;灌叢的面積減少最多,從1988年的1 829.36 km2減少到2013年的1 400.04 km2,所占比例從18.09%下降到13.84%,變化率為23.47%。再次是未利用地和耕地,從1988年的268.51和1 143.51 km2減少到2013年的13.63和925.52 km2,所占比例分別從2.66%和11.31%下降到0.13%和9.15%。
在石漠化區(qū),1988年重度石漠化占石漠化土地比例最高,為46.15%。而到2013年,輕度石漠化變?yōu)橥恋厥恋刂斜壤罡叩念愋?,面積占石漠化土地面積的41.02%。從1988—2013年,重度石漠化土地面積減少的面積最多,中度石漠化土地次之,減少的面積分別為114.08和45.64 km2,變化率分別為69.03%和30.51%。輕度石漠化面積有所增加,從1988年的43.20 km2增加到2013年的107.90 km2,變化率為149.77%。
表2 連江流域土地利用/覆蓋及石漠化土地的時(shí)間變化
圖2 1988年連江流域土地利用/覆蓋
圖3 2013年連江流域土地利用/覆蓋
3.2流域石漠化土地空間變化分析
在ArcGIS軟件中將研究區(qū)1988年和2013年2期土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行相交(Intersect)操作,得到其土地利用/覆蓋類型之間在空間上的轉(zhuǎn)移情況,如表3所示。
表3 1988—2013年連江流域土地利用/覆蓋及石漠化土地轉(zhuǎn)移矩陣
注:表3中,面積單位均為km2,轉(zhuǎn)出率、轉(zhuǎn)入率單位均為%。
在非石漠化區(qū),從1988—2013年土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)出的主要是灌叢、林地和耕地,轉(zhuǎn)出的面積分別是1 250.04、858.52、665.62 km2。其中,灌叢轉(zhuǎn)出的類型主要是林地,轉(zhuǎn)出的面積為987.97 km2;其次是耕地、草地和園地,轉(zhuǎn)出的面積分別為95.86、66.6和60.86 km2。林地轉(zhuǎn)出的類型主要是灌叢,轉(zhuǎn)出的面積為417.54 km2,其次是潛在石漠化,轉(zhuǎn)出的面積為242.79 km2。耕地轉(zhuǎn)出的類型主要是潛在石漠化,轉(zhuǎn)出的面積為223.22 km2,其次是灌叢和建設(shè)用地,轉(zhuǎn)出的面積分別為208.72和145.82 km2。
石漠化土地退化較嚴(yán)重的類型有向退化程度較輕的類型轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),各級(jí)石漠化土地向潛在石漠化轉(zhuǎn)移的比例均最高。潛在石漠化土地面積的增加在石漠化土地中主要來(lái)自重度、中度和輕度石漠化土地的逆轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)移到潛在石漠化土地的面積分別為106.39、99.23和31.16 km2,轉(zhuǎn)出率分別是64.54%、66.49%、72.41%。另外還有19.54%的耕地、16.38%的耕地和10.65%的建設(shè)用地退化為潛在石漠化。同時(shí),有6.34%的潛在石漠化土地發(fā)展成新的石漠化土地。
從表3可以看出,1988—2013年流域土地利用/覆蓋及石漠化土地總體變化面積達(dá)4 428.22 km2,占流域總面積的43.79%。其中變化較為明顯的地區(qū)分布在流域的西北部(即連州市的西南和東南部)、西南部(即連南瑤族自治縣南部和陽(yáng)山縣南部)及東南部(英德市西部);穩(wěn)定區(qū)主要分布在流域東北部邊緣地帶(連州市東部、陽(yáng)山縣東北部、乳源瑤族自治縣南部和英德市北部)。
3.3流域主要土地利用類型變化方向分析
在石漠化區(qū),經(jīng)過(guò)生態(tài)治理,近15年來(lái)石漠化土地面積明顯減少。減少的區(qū)域主要分布在連州市南部、連南瑤族自治縣東北部以及陽(yáng)山縣與英德市交界的南部。另外,連州市北部也有較為明顯的石漠化土地改善。潛在石漠化向林地的轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在巖溶區(qū)的東部和南部,林地向潛在石漠化的轉(zhuǎn)移在巖溶區(qū)的北部較多,原因可能是該區(qū)域地勢(shì)較高,更容易造成水土流失,而巖溶區(qū)東部和南部地勢(shì)較低較平坦,利于水土的涵養(yǎng)。潛在石漠化與耕地的相互轉(zhuǎn)移也表現(xiàn)出相似的特征。
而在非石漠化區(qū),灌叢向林地的轉(zhuǎn)移在整個(gè)區(qū)域都有不同程度的發(fā)生,主要表現(xiàn)在西部的轉(zhuǎn)移多于東部的轉(zhuǎn)移,在河流的上中游更容易連片發(fā)生。耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移則多數(shù)發(fā)生在水域的附近和下游地區(qū),這兩種轉(zhuǎn)移特征可能與城市化的進(jìn)程有關(guān)。隨著城市化的發(fā)展,越來(lái)越多城鎮(zhèn)建設(shè)用地占用了耕地,而耕地多分布在河流兩側(cè),并且下游地區(qū)地勢(shì)平坦更利于城市建成區(qū)的擴(kuò)張。另外,在連州市東部有一片未利用土地分別向耕地和灌叢大量轉(zhuǎn)出,說(shuō)明該地區(qū)的城市化進(jìn)程在逐步擴(kuò)大。
利用TM數(shù)據(jù)對(duì)巖溶流域進(jìn)行土地利用/植被覆蓋的時(shí)空變化分析,方法簡(jiǎn)單易行,具有較好的應(yīng)用前景。通過(guò)以上分析可以得出以下結(jié)論。
(1)連江流域土地利用/覆蓋空間分布特征表現(xiàn)為:巖溶區(qū)以潛在石漠化為主要類型,非巖溶區(qū)以林地為主要類型。時(shí)間變化特征表現(xiàn)為:1988—2013年,輕度石漠化、潛在石漠化、水域、林地、建設(shè)用地、林地總體面積增加,重度石漠化、中度石漠化、耕地、灌叢、草地和未利用土地總體面積減少。
(2)人類活動(dòng)干擾是巖溶地區(qū)石漠化發(fā)展的主導(dǎo)因素。人類活動(dòng)范圍遷移到水土條件較好的地區(qū),石漠化地區(qū)人類活動(dòng)的干擾強(qiáng)度降低,再經(jīng)過(guò)植樹(shù)造林等舉措,有效改善了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。1988—2013年,連江流域巖溶區(qū)以潛在石漠化為主要土地利用/覆蓋類型,石漠化土地面積總體上減少,退化程度高的石漠化土地有逐漸向退化程度低的石漠化土地轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),各級(jí)石漠化土地向潛在石漠化土地轉(zhuǎn)移的比例均為最高。重度石漠化土地大量減少,輕度石漠化土地有所增加,輕度石漠化土地取代了重度石漠化土地,成為研究區(qū)分布面積最廣的石漠化類型。石漠化土地中,在巖溶區(qū)非石漠化土地中,潛在石漠化與林地、耕地之間有大量的相互轉(zhuǎn)化,另外有少量林地和耕地轉(zhuǎn)移成退化程度更高的石漠化土地。水域、園地和建設(shè)用地面積都有少量增加。
(3)耕地面積大量減少,建設(shè)用地面積大量增加,主要來(lái)源于耕地的轉(zhuǎn)移,這是由于城市化過(guò)程中建設(shè)用地對(duì)耕地的占用造成的。另外,由于生態(tài)治理政策的推行,林地面積大量增加,主要來(lái)源于灌叢和草地的轉(zhuǎn)入。灌叢和草地面積減少,園地面積增加,總體植被覆蓋面積增加。
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【責(zé)任編輯:任小平renxp90@163.com】
Change analysis of land use/land cover in rocky desert area base on Landsat8 TM——in north Guangdong Lianjiang basin as an example
JIANG Xue-ding,LIANG Zhao-xiong,WANG Xi-zhi,ZHANG Yi
(Department of Environmental Engineering,F(xiàn)oshan University,F(xiàn)oshan 528000,China)
Research the dynamic change of the land use/land cover with two images of Landsat8 TM data of Lianjiang basin with the support of RS and GIS technology.Combining the karst features of Lianjiang basin,increase 4 types of severe rocky desertification,moderate rocky desertification,mild rocky desertification and potential rocky desertification on the basis of the existing land classification system.The results show that:(1)The forest area increases most,the second is construction land.In rocky desertification area,severe rocky desertification land area reduces most,the second is Moderate rocky desertification.Mild rocky desertification area increases.(2)In none rocky desertification area,the transfer type is brush,forest and farmland.Brush mainly transfer to forest land,forest land and farmland mainly transfer to construction land and potential rocky desertification area.In rocky desertification area,severe,moderate and mild rocky desertification land is mainly transfer to potential rocky desertification.(3)The decrease of rocky desertification area mainly in the south and north of Lianzhou city,northeast of the Liannan county,and the south of Yangshan country.Bush transfer to the forest land mainly show in the west of the river basin,and the transfer of farmland to construction land mainly occurred in the waters near and the downstream areas.
land use/land cover;Landsat8 TM;rocky desertification;Lianjiang basin
X143
A
1008-0171(2016)05-0011-08
2016-01-15
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41571091);佛山市科技發(fā)展專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2009031);佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士啟動(dòng)項(xiàng)目;佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(fsyq201413)
江學(xué)頂(1979-),男,湖北荊州人,佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師,博士。