1990－2018年黃河流域（河南段）土地利用格局時(shí)空演變

肖東洋，牛海鵬,2，閆弘軒，樊良新,2，趙素霞,2

1990－2018年黃河流域（河南段）土地利用格局時(shí)空演變

肖東洋1，牛海鵬1,2※，閆弘軒3,4，樊良新1,2，趙素霞1,2

（1. 河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，焦作 454000；2. 河南理工大學(xué)黃河生態(tài)文明與高質(zhì)量發(fā)展研究院，焦作 454000；3. 中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京 100190；4. 中國科學(xué)院預(yù)測科學(xué)研究中心，北京 100190）

研究長時(shí)間序列的土地利用時(shí)空演變規(guī)律，對科學(xué)推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。該研究基于1990、2000、2010和2018年土地利用遙感數(shù)據(jù)，以具有中游和下游雙重屬性的黃河流域（河南段）為研究對象，利用土地利用變化指數(shù)、弦圖（Chord Diagram）可視化模型及重心遷移模型，探討了近30年黃河流域（河南段）土地覆被變化的流量、流向、多樣性程度及政策啟示。結(jié)果表明：1）糧食保障用地（約55%）和生產(chǎn)生活用地（約10%）主要分布在平原地帶，生態(tài)保育用地（約35%）主要集中在海拔較高的山地。2）1990－2018年間旱地的流出和流入行為均體現(xiàn)出顯著的主導(dǎo)性，水田、水域和草地以流出行為為主導(dǎo)，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地以流入行為為主導(dǎo)。3）中心城市的土地利用變化在整個時(shí)期內(nèi)具有明顯的區(qū)域帶動效應(yīng)。4）糧食保障用地和生態(tài)保育用地的重心均向西遷移且面積呈減少趨勢，說明下游平原地帶的優(yōu)質(zhì)耕地減少且生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在逐步減弱；生產(chǎn)生活用地面積逐年增加，城鎮(zhèn)用地重心向東遷移表明下游各城鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸活躍，農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地重心向西遷移表明中游的人口規(guī)模逐漸增大。

土地利用；遙感；黃河流域；土地利用/土地覆被變化；時(shí)空格局；弦圖；重心遷移模型

0 引 言

土地利用/土地覆被變化（Land Use/Land Cover Change, LUCC）是近年來受到學(xué)術(shù)界密切關(guān)注的全球環(huán)境變化研究的重要問題之一[1]。LUCC對生物多樣性[2]、水文[3]、碳平衡[4]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[5]等人類和自然系統(tǒng)具有重要的影響，正在推動地方、區(qū)域和全球范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生著顯著的改變[6]。同時(shí)，人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然環(huán)境演變等因素也深刻地影響著LUCC的方向、速度、程度和強(qiáng)度[7]。因此，研究LUCC是理解人類活動與自然環(huán)境的關(guān)系及相互作用的關(guān)鍵[8]。

了解LUCC的歷史變化軌跡有助于分析人類活動干擾和自然環(huán)境變化下的土地利用趨勢[9]，從而有助于決策者最大程度上消除不合理的土地利用方式所帶來的負(fù)面影響。遙感和GIS技術(shù)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地獲取不同時(shí)空尺度下的LUCC變化信息[10]，并使長時(shí)期的LUCC監(jiān)測成為可能。通常，兩期或多期遙感影像被用于評估由于人類活動和環(huán)境變化所造成的不同時(shí)期下LUCC的差異[11]。從研究時(shí)序的長度來看，現(xiàn)有研究成果的時(shí)間跨度已經(jīng)跨越了10年[12]、20年[13]、30年[14]、40年[15]或更長時(shí)間[16]。基于系統(tǒng)變遷的空間顯式統(tǒng)計(jì)分析模型在測度LUCC時(shí)空格局演變模式方面得到了較為廣泛的應(yīng)用[17]。其中，軌跡分析是一種基于追蹤土地利用/土地覆被在像元或圖斑等微觀尺度上的變化信息從而識別某一區(qū)域整體上的LUCC時(shí)空格局演變規(guī)律的方法，它能夠有效地描述長時(shí)間序列LUCC的演變歷程及趨勢[18]。目前，基于軌跡分析的LUCC時(shí)空格局演變已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用[19]，并在監(jiān)測和識別長時(shí)間序列下LUCC的空間遷移和數(shù)量遷移軌跡等方面取得了較好的效果[20]。此外，LUCC時(shí)空變化格局的驅(qū)動機(jī)制一直以來備受學(xué)者的關(guān)注。劉紀(jì)遠(yuǎn)等[21]從“東北振興”、“西部大開發(fā)”和“退耕還林”等國家宏觀政策層面以及氣候變暖、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面探討了21世紀(jì)初期中國土地利用變化格局的驅(qū)動力。李煜東等[22]通過主成分分析法評價(jià)了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人口數(shù)量變化對城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、旱地和水域變化的驅(qū)動作用。張佰發(fā)等[23]認(rèn)為人口和經(jīng)濟(jì)水平是土地利用格局演變的核心要素，且城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張隨著經(jīng)濟(jì)水平提升到一定程度后的邊際效應(yīng)遞減。馮小燕等[24]和劉軍會等[25]分別從地形和氣候等因素分析了土地利用格局時(shí)空分異的驅(qū)動力?？偠灾?，環(huán)境因素（如地形、氣溫等）、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素（如人口、GDP、產(chǎn)業(yè)等）和宏觀政策調(diào)控對土地利用時(shí)空格局演變具有重要的驅(qū)動作用。

流域是自然環(huán)境與人類活動交互作用強(qiáng)烈的地區(qū)[26]，流域生態(tài)系統(tǒng)平衡受到土地利用變化的顯著影響[27]。黃河是中國第二、世界第五大長河，然而自20世紀(jì)八九十年代以來，由于受到人口快速增長和城市擴(kuò)張等因素的影響，黃河流域生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，已經(jīng)成為中國乃至世界水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[28]。面對土地不合理利用所帶來的環(huán)境影響，政府通常采用宏觀調(diào)控手段來保護(hù)和恢復(fù)土地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[29]。2019年，中國國家主席習(xí)近平提出“推動黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”。隨后，中國政府將黃河流域的綜合治理上升為國家戰(zhàn)略。目前，黃河流域土地利用/土地覆被變化已經(jīng)引起了學(xué)者層面的關(guān)注[23,30-31]。但是，現(xiàn)有文獻(xiàn)多是以省級行政邊界為研究單元，基于流域邊界開展的LUCC研究較少，而黃河流域在某些省份覆蓋范圍較?。ㄈ缢拇ㄊ『蜕綎|?。?，基于行政區(qū)邊界的研究易導(dǎo)致信息上的不對稱，從而使得研究結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況有所偏差。此外，黃河流域上中下游生態(tài)系統(tǒng)的差異性較為明顯，尚缺乏對黃河流域重點(diǎn)區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型的針對性研究。黃河流域（河南段）具有中游、下游雙重屬性，面臨著水土流失嚴(yán)重（中游）和生態(tài)流量偏低（下游）的雙重壓力。因此，以黃河流域（河南段）為研究區(qū)域，基于遙感和GIS技術(shù)，反演長時(shí)序土地利用/土地覆被變化的歷史軌跡并分析其成因，對科學(xué)理解黃河流域人與自然環(huán)境相互作用下的生態(tài)保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

基于此，本文以黃河流域（河南段）為研究區(qū)域，基于1990、2000、2010和2018年的土地利用遙感數(shù)據(jù)，在土地利用變化指數(shù)和重心遷移模型的基礎(chǔ)上引入近年來在生物學(xué)和信息學(xué)中得到應(yīng)用的弦圖（Chord Diagram）可視化模型，利用ArcGIS 10.2軟件和R語言從流域視角分析1990－2018年黃河流域（河南段）土地利用/土地覆被在數(shù)量和空間上的變化軌跡，探討地形、氣候和人口規(guī)模及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素對LUCC的驅(qū)動作用，并進(jìn)一步為黃河流域（河南段）生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供政策建議。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域是中國重要的生態(tài)屏障[32]，同時(shí)還是中國重要的農(nóng)業(yè)和能源原材料工業(yè)基地[33]。位于32°N～42°N、96°E～119°E（圖1），流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個省級行政區(qū)[33]，流域面積約79.5萬km2（含內(nèi)流區(qū)面積）。內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)以上為黃河上游，干流河道長3 472 km，流域面積42.8萬km2；河口鎮(zhèn)至河南鄭州桃花峪為黃河中游，干流河道長1 206 km，流域面積34.4萬km2；桃花峪以下至入?？跒辄S河下游，干流河道長786 km，流域面積2.3萬km2。黃河流域?qū)贉貛Ш透咴瓪夂騾^(qū)；全年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 000～3 300 h；年降雨量分布不均，平均約200～650 mm；無霜期較短，上中下游平均無霜期為20～200 d。

圖1 研究區(qū)示意圖

黃河流域（河南段）位于33°N～37°N和110°E～116°E之間（圖1），西起靈寶東至臺前，流經(jīng)三門峽、洛陽、濟(jì)源、焦作、鄭州、新鄉(xiāng)、開封、濮陽8市26縣（市、區(qū)）。河道長711 km，流域面積3.67萬km2，具有黃河中游、下游雙重屬性。地勢西高東低，依次形成山地-丘陵-平原，屬溫帶氣候區(qū)，年均降雨量500～900 mm，年平均氣溫12～15 ℃。依據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心公布的GDP和人口密度公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)，黃河流域（河南段）2015年總?cè)丝诩s為1 768.39萬人，最大人口密度約為10 785人/km2，平均人口密度約為482人/km2；2015年GDP總量約為8 734.63億元，人均GDP約為49 393.10元/人。由于黃河流域（河南段）是中下游流域中唯一同時(shí)具有中游、下游雙重屬性的流域段，面臨著水土流失嚴(yán)重（中游）和生態(tài)流量偏低（下游）的雙重壓力。因此，本文以黃河流域（河南段）為研究對象，探討黃河流域重點(diǎn)區(qū)域人類活動干擾和自然環(huán)境變化下的土地利用時(shí)空演變規(guī)律。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要包括土地利用數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)。其中，1:10萬比例尺土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/），1990、2000、2010年各期數(shù)據(jù)主要使用Landsat-TM/ETM遙感影像，2018年土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)使用Landsat 8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集的總體精度為88.95%。為便于揭示研究區(qū)土地利用形態(tài)空間異質(zhì)性規(guī)律，本文在原始遙感數(shù)據(jù)分類的基礎(chǔ)上將土地利用類型按功能分為生態(tài)保育用地、糧食保障用地和生產(chǎn)生活用地3種用地類型[23]。其中生態(tài)保育用地包括林地、草地、水域和未利用土地等具備生態(tài)服務(wù)功能的地類；糧食保障用地包括旱地和水田2種地類；生產(chǎn)生活用地包括城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地。

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)等柵格數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要為行政邊界與流域邊界。其中，流域邊界來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心劃分的中國三級流域邊界。該邊界是基于流域的自然邊界提取而來，黃河流域共包含29個三級流域（含1個內(nèi)流區(qū)）。黃河流域（河南段）邊界是通過將三級流域邊界與河南省省級行政區(qū)邊界進(jìn)行圖層疊加，從而獲得黃河流域位于河南省的流域范圍。氣象數(shù)據(jù)包括1990－2015年逐年年平均氣溫和年降水量觀測數(shù)據(jù)，空間分辨率為1km。社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)主要包含GDP空間分布公里網(wǎng)格（1995、2000、2005、2010和2015年）和人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集（1990、1995、2000、2005、2010和2015年），空間分辨率為1 km。目前獲取的氣象和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)為1990－2015年，與本文土地利用變化的研究時(shí)段（1990－2018年）沒有完全吻合，因此本文將氣象和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)，以期采用定性分析的方法在一定程度上探討土地利用變化的驅(qū)動因子。

數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），采用的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是于2015年正式發(fā)布的ASTER GDEM V2全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)集，空間分辨率為30 m。坡度數(shù)據(jù)基于DEM數(shù)據(jù)由ArcGIS空間分析計(jì)算而來。

2 研究方法

2.1 土地利用/土地覆被數(shù)量變化軌跡模型

參照現(xiàn)有研究成果[34]，本文選取土地利用/土地覆被凈變化量指數(shù)、土地利用/土地覆被交換變化量指數(shù)、土地利用/土地覆被總變化量指數(shù)以及土地利用/土地覆被變化率指數(shù)系統(tǒng)分析研究區(qū)土地利用類型在數(shù)量上的動態(tài)變化。然后，利用弦圖（Chord Diagram）模型的可視化功能，反映不同土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化的主導(dǎo)性和區(qū)域土地利用類型變化的多樣性。

1）土地利用/土地覆被凈變化量指數(shù)

土地利用/土地覆被凈變化量指數(shù)能夠有效反映不同土地利用類型某一時(shí)期內(nèi)在數(shù)量上的絕對變化量百分比，如公式（1）所示：

式中D表示特定時(shí)期內(nèi)某區(qū)域土地利用/土地覆被凈變化量百分比；+j表示特定時(shí)期內(nèi)期末第類土地利用類型面積百分比；P+表示特定時(shí)期內(nèi)期初第類土地利用類型面積百分比。

2）土地利用/土地覆被交換變化量指數(shù)

土地利用/土地覆被交換變化量指數(shù)即特定時(shí)期內(nèi)區(qū)域不同土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)換量百分比之和，能夠定量表達(dá)特定時(shí)期內(nèi)某一土地利用類型在空間位置上增加或減少的變化信息（某一地類在某個位置轉(zhuǎn)換為其他地類，同時(shí)在另一位置又有其他地類轉(zhuǎn)換為該地類）[35]，公式如下

式中S表示特定時(shí)期內(nèi)第類土地利用/土地覆被類型的交換量百分比，P表示特定時(shí)期內(nèi)第類土地利用類型未發(fā)生變化的面積百分比。

3）土地利用/土地覆被總變化量指數(shù)

土地利用/土地覆被總變化量指數(shù)即特定時(shí)期內(nèi)土地利用類型的凈變化量和交換變化量百分比之和，能夠綜合反映某一土地利用類型的絕對變化量與交換變化量，公式如下

C=D+S（3）

式中C表示特定時(shí)期內(nèi)第類土地利用/土地覆被類型的總變化量指數(shù)。

4）土地利用/土地覆被變化率指數(shù)

土地利用/土地覆被變化率指數(shù)反映了不同時(shí)期土地利用類的年變化率?；趶?fù)利法的土地利用/土地覆被年變化率有利于比較特定時(shí)期內(nèi)面積比例較小的土地利用/土地覆被類型變化間的比較[36]，如公式（4）所示：

式中R表示特定時(shí)期內(nèi)第類土地利用/土地覆被類型的年變化率；1和2分別表示特定時(shí)期的初始時(shí)間和期末時(shí)間；1和2分別表示1和2時(shí)期所對應(yīng)的第類土地利用/土地覆被類型的面積百分比。

5）土地利用/土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠有效地定量研究特定時(shí)期內(nèi)區(qū)域土地系統(tǒng)中不同土地利用/土地覆被類型間的相互轉(zhuǎn)化，有利于表達(dá)特定時(shí)期內(nèi)土地利用/土地覆被在數(shù)量上的結(jié)構(gòu)特征以及不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移方向[22]，如公式（5）所示：

式中S表示特定時(shí)期內(nèi)第種土地利用/土地覆被類型轉(zhuǎn)化為第種土地利用/土地覆被類型的面積百分比；為土地利用/土地覆被類型的數(shù)量。

6）土地利用/土地覆被數(shù)量變化軌跡模型

弦圖（Chord Diagram）是一種對大量復(fù)雜數(shù)據(jù)之間相互關(guān)系的可視化表達(dá)的有效方法，已經(jīng)在生物學(xué)[37]和信息學(xué)[38]等學(xué)科中得到了應(yīng)用。因此，為了識別特定時(shí)期內(nèi)區(qū)域土地利用/土地覆被變化的流量、流向及多樣性，本文利用R語言中的Circlize package[39]將土地利用轉(zhuǎn)移矩陣在弦圖中可視化，從而構(gòu)建了土地利用/土地覆被數(shù)量變化軌跡模型。

2.2 土地利用/土地覆被空間變化軌跡模型

土地利用/土地覆被類型重心遷移模型能夠有效反映特定時(shí)期內(nèi)區(qū)域土地利用分布格局的空間變化軌跡[40]，如公式（6）和（7）所示[41]：

式中和分別表示特定時(shí)期內(nèi)區(qū)域土地利用/土地覆被類型的重心坐標(biāo)；和分別表示特定區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型的第個斑塊的面積和該土地利用類型的斑塊數(shù)量；和分別表示特定區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型的第個斑塊的重心坐標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/土地覆被結(jié)構(gòu)特征

1990－2018年黃河流域（河南段）的土地利用/土地覆被類型主要為水田、旱地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地。在空間上（圖2），林地和草地等生態(tài)保育用地主要分布在黃河流域（河南段）的中游部分，整體分布呈現(xiàn)集聚狀態(tài)。水域主要為黃河及其支流，呈東西流向。未利用土地所占比例較少。糧食保障用地和生產(chǎn)生活用地主要分布在黃河流域（河南段）的下游部分，城鎮(zhèn)用地和其他建設(shè)用地主要分布在中游；農(nóng)村居民點(diǎn)分布在黃河流域（河南段）中游和下游的平原地帶；耕地以旱地為主，主要分布在黃河流域（河南段）的平原地帶；水田主要分布在下游。

在數(shù)量上（表1），旱地面積所占比例呈現(xiàn)明顯的主導(dǎo)優(yōu)勢，為51.68%～53.05%，且在各個時(shí)期內(nèi)的波動性較為平穩(wěn)；其次為林地，所占比例為22.61%～22.80%，整體呈現(xiàn)逐年緩慢減少趨勢；草地所占比例為9.79%～11.15%，整體呈現(xiàn)緩慢減少趨勢；農(nóng)村居民點(diǎn)用地所占比例為6.16%～6.92%，整體呈現(xiàn)略微增加趨勢；水域所占比例為2.54%～3.75%，整體呈現(xiàn)波動性下降趨勢；水田所占比例為1.85%～3.20%，整體呈現(xiàn)逐年減少趨勢；城鎮(zhèn)用地從1990年的0.57%，上升到了2018年的2.44%，整體呈現(xiàn)逐年增加趨勢；1990－2018年其他建設(shè)用地所占比例從0.31%增加至1.05%，整體呈現(xiàn)逐年增加趨勢；未利用土地所占比例最少，所占比例為0.04%～0.38%，整體呈現(xiàn)下降趨勢。

圖2 1990年、2000年、2010年和2018年黃河流域（河南段）LUCC空間格局

整體而言，在1990－2018年的近30 a中，糧食保障用地（旱地和水田）主要分布在黃河流域（河南段）平原地帶，占土地利用總面積的比例最多（約為55%），但整體呈現(xiàn)減少趨勢。生態(tài)保育用地中的林地和草地主要分布在黃河流域（河南段）中游，占土地利用總面積的比例約為32%；水域比例約為3%，主要為黃河及其支流，呈東西流向；未利用土地所占比例相對較少；近30 a來生態(tài)保育用地整體呈現(xiàn)減少趨勢。生產(chǎn)生活用地（約占10%，包括城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地）均呈現(xiàn)出明顯增加趨勢，主要分布在中游和下游的平原地帶。

表1 1990－2018年黃河流域（河南段）LUCC面積及比例

3.2 土地利用/土地覆被時(shí)空變化

3.2.1 土地利用/土地覆被數(shù)量變化軌跡

1）土地利用/土地覆被變化指數(shù)

凈變化量指數(shù)、交換變化量指數(shù)和總變化量指數(shù)反映了1990－2018年不同時(shí)段黃河流域（河南段）土地利用/土地覆被在數(shù)量和空間上的變化（表2）。相比于生態(tài)保育用地和生產(chǎn)生活用地，糧食保障用地（主要為旱地）在各時(shí)段的總變化量均最大，且主要表現(xiàn)為空間位置上的變化（各時(shí)段內(nèi)交換變化量均大于凈變化量）。在生態(tài)保育用地中，1990－2018年草地的總變化量最大（2.67%），未利用土地的總變化量最?。?.41%）。同時(shí)，草地和未利用土地主要表現(xiàn)為數(shù)量上的變化（凈變化量均大于其交換變化量），林地和水域主要表現(xiàn)為空間位置上的變化（交換變化量大于其凈變化量）。在生產(chǎn)生活用地方面，農(nóng)村居民點(diǎn)用地的總變化量最大（4.13%）且主要表現(xiàn)為空間位置上的變化（交換變化量大于凈變化量）；城鎮(zhèn)用地和其他建設(shè)用地的凈變化量均大于其交換變化量，因此二者主要表現(xiàn)為數(shù)量上的增加?？傮w而言，2000－2010年間生態(tài)保育用地、生產(chǎn)生活用地和糧食保障用地的土地利用變化最為劇烈。

表2 1990-2018年黃河流域（河南段）LUCC總變化量、凈變化量及交換變化量

注：D為凈變化量百分比；S為交換變化量百分比；C為總變化量百分比。

Note: Ddenotes the percentage of net change;Sdenotes the percentage of swap;Cdenotes the percentage of total change.

據(jù)表3可知，在土地利用面積呈減少趨勢的地類中，未利用土地近30 a來的年平均變化率最大（?4.49%），主要是由于前20 a的減少速度較快，說明1990－2010年未利用土地受到外界的干擾強(qiáng)度較大。水田在2000－2010年間減少的速度（?4.54%/a）明顯高于其他時(shí)段，說明這一時(shí)期水田轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的情況比較嚴(yán)重。在土地利用面積呈增加趨勢的地類中，城鎮(zhèn)用地的年平均增加速度最大（1990－2018年間3.81%），且在2000－2010年間的變化速度最大（7.64%）。其他建設(shè)用地的年平均增加率為3.21%，且在2010－2018年的年平均增加率達(dá)到17.64%。總體來講，近30 a來黃河流域（河南段）未利用土地、城鎮(zhèn)用地、其他建設(shè)用地和水田易受到外界因素的干擾，其變化具有較強(qiáng)的敏感性。

表3 1990－2018年黃河流域（河南段）LUCC變化量和變化率

注：C表示各土地利用類型面積變化量；C表示各土地利用類型面積年變化率，基于復(fù)利法計(jì)算；表示各土地利用類型面積百分比的年變化率。

Note:Cdenotes the area change of each land use type; Cdenotes the annual change rate of the area of each land use type, which calculated with compound interest method;denotes the annual change rate of the percentage of each land use type.

2）土地利用/土地覆被數(shù)量轉(zhuǎn)移軌跡

從黃河流域（河南段）土地利用/土地覆被數(shù)量變化軌跡來看（圖3），1990－2000年間，水域向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)變較為明顯，主要流向?yàn)楹档?。草地也表現(xiàn)出較為明顯的流出行為，主要流向?yàn)楹档睾土值?。旱地的流出和流入行為均較為明顯，流入的土地利用類型主要為水域，流出的土地利用類型主要為城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)。此外，從土地利用類型轉(zhuǎn)變的軌跡線來看，該時(shí)期土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化行為較為活躍，轉(zhuǎn)變類型呈現(xiàn)多樣化。2000－2010年間，土地利用類型的流出以旱地為主，主要流向水域、農(nóng)村居民點(diǎn)和城鎮(zhèn)用地。農(nóng)村居民點(diǎn)和水田的流出行為較上一時(shí)期有所增強(qiáng)，且二者均主要轉(zhuǎn)流向旱地。此外，該時(shí)期內(nèi)土地利用變化的多樣性更為豐富，且不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)變較上一時(shí)期更為均勻。2010－2018年間，土地利用類型的轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)為旱地向其他地類的轉(zhuǎn)變。其中，旱地的主要流向?yàn)樗?、城?zhèn)用地、其他建設(shè)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)。此外，水域向旱地的轉(zhuǎn)變有所增加。該時(shí)期內(nèi)軌跡線較為稠密，表明土地利用變化類型的多樣性較為豐富，土地利用變化行為較為活躍。

注：WL、GL、WR、UNL、PF、DL、UL、RS和OCL分別代表林地、草地、水域、未利用土地、水田、旱地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地。不同顏色的軌跡線表示在特定時(shí)期內(nèi)某一地類的流向，軌跡線的粗細(xì)代表轉(zhuǎn)化量，轉(zhuǎn)化量越大軌跡線越粗。

整體而言，1990－2018年間黃河流域（河南段）土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)化行為較為頻繁，且轉(zhuǎn)化軌跡呈現(xiàn)多樣化。其中，糧食保障用地的流入和流出行為均比較頻繁，流出行為主要表現(xiàn)為旱地向城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變，流入行為主要表現(xiàn)為草地、水域、水田和農(nóng)村居民點(diǎn)向旱地的轉(zhuǎn)變。水田、林地、草地、水域和未利用土地等生態(tài)保育用地的流出行為占主導(dǎo)，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地等生產(chǎn)生活用地的流入行為占主導(dǎo)。

3.2.2 土地利用/土地覆被空間變化軌跡

從黃河流域（河南段）土地利用/土地覆被變化圖斑在空間上的分布來看（圖4），1990－2000年，發(fā)生變化的圖斑主要集中在黃河流域（河南段）中游和黃河河道沿岸。其中，河南省洛陽市主城區(qū)的土地利用變化具有明顯的帶動效應(yīng)。從用地功能的轉(zhuǎn)化來看，該時(shí)期主要為生態(tài)保育用地向糧食生產(chǎn)用地的轉(zhuǎn)變以及糧食保障用地向生產(chǎn)生活用地的轉(zhuǎn)變。其中，黃河河道轉(zhuǎn)為旱地的情況比較突出。2000－2010年，黃河流域（河南段）中游和下游土地利用/土地覆被變化均較為劇烈，黃河沿岸的糧食保障用地向生態(tài)保育用地的轉(zhuǎn)變明顯增強(qiáng)。同時(shí)，糧食保障用地向生產(chǎn)生活用地的轉(zhuǎn)變主要集中在洛陽周邊地區(qū)。此外，面積較小且分布分散的生產(chǎn)生活用地向糧食保障用地的轉(zhuǎn)變有所增強(qiáng)。2010－2018年，黃河流域（河南段）土地利用/土地覆被變化主要集中在洛陽市及黃河沿岸，主要體現(xiàn)為生態(tài)保育用地轉(zhuǎn)向糧食保障用地和糧食保障用地轉(zhuǎn)向生產(chǎn)生活用地。整體上，1990－2018年黃河流域（河南段）LUCC主要集中在中游和下游的平原地帶。其中，2000－2010年黃河流域（河南段）LUCC變化程度明顯高于其他時(shí)段。同時(shí)，土地利用功能的轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)為生態(tài)保育用地流向糧食保障用地和糧食保障用地流向生產(chǎn)生活用地。

圖4 1990－2018年黃河流域（河南段）土地利用/覆被變化的空間分布

黃河流域（河南段）土地利用/土地覆被重心遷移軌跡（圖5）表明，1990－2000年間旱地重心向東北方向偏移，2000年以后逐漸向西南偏移；水田的重心向東北遷移，尤其以2000－2010年的遷移幅度最大；林地重心先向東北遷移后向西南遷移；草地重心總體上向西南遷移；1990－2018年水域重心呈“Z”型遷移特征，1990－2000年水域重心向西南遷移幅度較大，2000－2010年水域重心向東北遷移，2010年后重心繼續(xù)向西南遷移；城鎮(zhèn)用地重心整體表現(xiàn)為向東北方向遷移，其中2000－2010年重心向東南遷移；農(nóng)村居民點(diǎn)重心遷移軌跡與城鎮(zhèn)用地相反，整體表現(xiàn)出向西南方向遷移，其中2000－2010年重心向西南遷移幅度最大；其他建設(shè)用地重心整體表現(xiàn)出向西南方向遷移趨勢，其中1990－2000年重心向西南遷移幅度最大；未利用土地重心整體表現(xiàn)為向西南遷移趨勢，其中2010－2018年重心向西南遷移幅度最大。

從土地功能類型來看，糧食保障用地的重心向西遷移，說明黃河流域（河南段）平原地帶的優(yōu)質(zhì)耕地減少。由于草地、水域和未利用土地的重心整體上均向西遷移，因此生態(tài)保育用地的重心表現(xiàn)為向西遷移，這表明黃河流域（河南段）下游的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在逐步減弱。城鎮(zhèn)用地重心向東遷移表明近年來黃河流域（河南段）下游各城鎮(zhèn)的發(fā)展逐漸活躍，農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地的重心向西遷移表明黃河流域（河南段）中游的人口規(guī)模逐漸增大。

圖5 1990－2018年黃河流域（河南段）土地利用/覆被重心遷移軌跡

3.3 驅(qū)動因素分析

3.3.1 地形因素對黃河流域（河南段）LUCC的影響

地形是土地利用/土地覆被格局形成的最基本的地理要素[24]。由圖6可知，黃河流域（河南段）中游的海拔和坡度整體較高，多為林地和草地；黃河流域（河南段）下游的海拔和坡度較低，適宜于人類活動，糧食保障用地（旱地和水田）、生產(chǎn)生活用地（城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地）多分布于此。因此，黃河流域（河南段）西高東低的地形態(tài)勢決定了該地區(qū)基本的土地利用格局，即生態(tài)保育用地多分布在中游山地地區(qū)，而糧食保障用地和生產(chǎn)生活用地多分布在中游和下游的平原地帶。

3.3.2 氣候因素對LUCC的影響

降水和氣溫等氣候因素對土地利用/土地覆被變化的影響主要體現(xiàn)在2個方面：長期的氣候變化將導(dǎo)致區(qū)域土地覆被格局的改變；年際或季節(jié)性的氣候變化將導(dǎo)致局部土地覆被的變化。本文收集了1990－2015年逐年平均降雨量，從整體變化趨勢來看（圖7a），在1990－2000年呈下降趨勢，2000－2010年降雨量較多，2010年以后降雨量減少。從平均降雨量的空間格局來看（圖7b），黃河流域（河南段）下游降雨量明顯低于中游，因此中游多為生態(tài)保育用地（林地和草地）。近30 a來年平均氣溫的變化趨勢表明（圖7c），黃河流域（河南段）的氣溫呈逐漸升高趨勢，1990－2000年間，氣溫升高趨勢比較明顯，2000－2010年間變化相對平緩，2010年后繼續(xù)表現(xiàn)升高趨勢。1990－2015年平均氣溫的空間格局表明（圖7d），黃河流域（河南段）下游年平均氣溫高、中游年平均氣溫低。因此，整體而言，1990－2015年黃河流域（河南段）的氣候變化表現(xiàn)為年均降雨量減少、年平均氣溫升高。

圖6 黃河流域（河南段）海拔和坡度

圖7 1990－2015年黃河流域（河南段）年均降雨量、年平均氣溫及其空間格局

現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，植被覆蓋變化與年均降雨量變化正相關(guān)，而與年平均氣溫變化負(fù)相關(guān)[25]。依據(jù)表1和圖3可知，近30 a來黃河流域（河南段）林地和草地等高植被覆蓋型用地的面積整體上均表現(xiàn)為減少趨勢，且均主要流向耕地。雖然水稻適于高溫，但水田的面積在各個時(shí)期均減少且主要流向旱地，說明水田面積變化更易受到年均降雨量減少的影響。此外，年均降雨量和年均氣溫變化對地表徑流具有重要影響[42]，3個時(shí)段內(nèi)黃河河道面積變化趨勢與年均降雨量和年均氣溫變化相吻合。在1990－2000年和2010－2015年，研究區(qū)年平均降雨量下降、年平均氣溫升高，易導(dǎo)致黃河水位下降，從而使得黃河灘裸露灘地增加，沿岸農(nóng)民通常在黃河灘種植一年生作物（如玉米等），因此該時(shí)段內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)化表現(xiàn)為生態(tài)保育用地流向糧食保障用地。在2000－2010年間，年平均降雨量平穩(wěn)保持在較高水平且氣溫變化相對平緩，因此該時(shí)段內(nèi)黃河水位上升、易發(fā)生洪澇災(zāi)害，裸露灘地減少，故該時(shí)段內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)化表現(xiàn)為糧食保障用地流向生態(tài)保育用地。

3.3.3 人口和社會經(jīng)濟(jì)因素對LUCC的影響

人類活動顯著地影響著區(qū)域LUCC特征，人口的增長和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成了建設(shè)用地的日益擴(kuò)張。洛陽是國家區(qū)域中心城市，自中國改革開放以來的人口規(guī)模擴(kuò)張和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。特別是促進(jìn)中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略、中原經(jīng)濟(jì)區(qū)戰(zhàn)略等國家級戰(zhàn)略的實(shí)施，為洛陽的經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入了新的活力。依據(jù)已獲取的人口（1990－2015年）和GDP（1995－2015年）空間分布數(shù)據(jù)（圖8）可知，洛陽市的平均人口密度和平均單位面積內(nèi)GDP總產(chǎn)值較大。從1990－2018年LUCC空間變化軌跡（圖4）來看，發(fā)生變化的地類主要以洛陽市主城區(qū)為中心。因此，人口和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展較好反映了相應(yīng)時(shí)期內(nèi)的土地利用變化特征。

圖8 黃河流域（河南段）1 km網(wǎng)格的人口密度（1990－2015年）和GDP（1995－2015年）的空間分布

4 結(jié)論與政策建議

4.1 結(jié) 論

1）黃河流域（河南段）土地利用/土地覆被結(jié)構(gòu)具有顯著的集聚性。黃河流域（河南段）西高東低的地形態(tài)勢決定了糧食保障用地和生產(chǎn)生活用地集中分布在黃河流域（河南段）中游及下游的平原地帶，生態(tài)保育用地集中分布在黃河流域（河南段）中游海拔較高地區(qū)。此外，在年均降雨量減少和年均氣溫升高的氣候變化趨勢下生態(tài)保育用地和糧食保障用地逐漸減少。人口密度增大和GDP增長的綜合作用使得生產(chǎn)生活用地快速擴(kuò)張，且明顯帶動著區(qū)域中心城市土地利用變化的強(qiáng)度和方向。

2）黃河流域（河南段）LUCC空間變化軌跡具有顯著的時(shí)空分異性。1990－2000年發(fā)生變化的面積主要分布在黃河河道沿岸；2000－2010年的土地利用變化最為劇烈。整體上，1990－2018年黃河流域（河南段）土地利用/土地覆被變化行為較為活躍，洛陽市的土地利用變化具有明顯的區(qū)域帶動效應(yīng)。

3）黃河流域（河南段）LUCC數(shù)量變化軌跡具有顯著的主導(dǎo)性。1990－2018年間黃河流域（河南段）旱地的流出和流入行為均體現(xiàn)出顯著的主導(dǎo)性，水田、水域和草地以流出行為為主導(dǎo)，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地以流入行為為主導(dǎo)。

4）黃河流域（河南段）LUCC重心遷移軌跡具有顯著的方向性。東部平原地帶優(yōu)質(zhì)耕地的面積減少，空間分布重心向西遷移。生態(tài)保育用地的重心整體上均向西遷移且面積呈減少趨勢，表明下游的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在逐步減弱。城鎮(zhèn)用地重心向東遷移表明近年來下游地區(qū)各城鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸活躍，農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地的重心向西遷移表明中游的人口規(guī)模逐漸增大。

4.2 政策建議

基于黃河流域生態(tài)保護(hù)與社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略所帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，依據(jù)黃河流域（河南段）的地形態(tài)勢和近30 a來的人類活動和自然環(huán)境變化特征，未來可從以下4個方面推進(jìn)黃河流域（河南段）高質(zhì)量發(fā)展的提質(zhì)升級：

1）依據(jù)黃河流域（河南段）土地利用/土地覆被結(jié)構(gòu)的集聚性，有效發(fā)揮國土空間規(guī)劃的引領(lǐng)作用，科學(xué)規(guī)劃生態(tài)保育用地、糧食保障用地和生產(chǎn)生活用地的空間布局，充分發(fā)揮本底自然資源分布的集聚效應(yīng)。

2）充分發(fā)揮洛陽市中心城市的帶動效應(yīng)，積極培育新興產(chǎn)業(yè)，通過“拆遷并村”、“舊村改造”等工程開發(fā)“組團(tuán)式”的村莊發(fā)展模式，合理引導(dǎo)生產(chǎn)生活用地布局，科學(xué)提升黃河流域（河南段）在黃河流域全域范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)和人口承載能力。

3）依托河南省糧食主產(chǎn)區(qū)的優(yōu)勢，強(qiáng)化黃河流域（河南段）糧食安全保障地位，有序開展高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，建立耕地保護(hù)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償機(jī)制，加強(qiáng)對黃河流域（河南段）下游平原地區(qū)優(yōu)質(zhì)耕地資源的保護(hù)力度，發(fā)展優(yōu)勢農(nóng)業(yè)區(qū)，重點(diǎn)打造如新鄉(xiāng)市原陽縣和濮陽市范縣等傳統(tǒng)水稻種植區(qū)。

4）全面保護(hù)林地、草地、濕地等生態(tài)保育用地，通過與流域上游和下游的跨省份合作夯實(shí)黃河流域（河南段）在構(gòu)建生態(tài)保護(hù)屏障中的地位；積極探索具有示范意義的流域橫向生態(tài)補(bǔ)償模式，切實(shí)發(fā)揮黃河流域（河南段）在構(gòu)建黃河全流域生態(tài)保護(hù)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償機(jī)制中的作用；科學(xué)推進(jìn)黃河流域生態(tài)廊道建設(shè)，在海拔和坡度較高或耕地質(zhì)量較差的地區(qū)實(shí)施“退耕還林還草”政策；劃定黃河流域開發(fā)邊界，禁止以農(nóng)家樂和游樂場等建設(shè)用地違法占用生態(tài)保育用地；合理引導(dǎo)黃河流域水資源開發(fā)利用方式，推進(jìn)黃河水資源的節(jié)約集約利用。

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Spatiotemperal evolution of land use pattern in the Yellow River Basin (Henan section) from 1990 to 2018

Xiao Dongyang1, Niu Haipeng1,2※, Yan Hongxuan3,4, Fan Liangxin1,2, Zhao Suxia1,2

(1.454000,;2.,,454000,;3.,,100190,;4.,100190,)

Understanding the historical change trajectory of Land Use/Land Cover Change (LUCC) is helpful to analyze the land use trends under the interference of human activities and changes in the natural environment, thereby helping decision makers to eliminate the negative impact of unreasonable land use patterns to the greatest extent. Yellow River Basin is the fifth longest river in the world, its ecological environment continues to deteriorate due to the rapid population growth and urban expansion, which has become one of the regions with the most serious soil erosion in China. Aiming to promote the ecological quality and high-quality development of social economy under the human interference and natural environment change, we analyzed the spatiotemporal dynamic of the LUCC in the Yellow River Basin (Henan section) from the watershed scale and proposed policy recommendations. We introduced the chord diagram visualization model to intuitively show the flow, direction and diversity of land cover changes, which would enrich the visual research method system of the land cover quantity transfer trajectory. The land use change index, chord diagram model and gravity center transfer model were used in this paper to analyze the spatial-temporal evolution trajectory and policy implications of the land use pattern in the Yellow River Basin (Henan section) in the past 30 years based on the land use remote sensing data in 1990, 2000, 2010 and 2018. The results showed that: 1) Ecological conservation land (35%) was mainly concentrated in the mountainous areas with higher elevation in the middle reaches; food security land (55%) and production and living land (10%) were mainly distributed in the central and eastern plains. 2) The outflows and inflows of dry land from 1990 to 2018 showed significant dominance; paddy field, water and grassland were dominated by outflow; urban land, rural settlements and other construction land were dominated by inflow. 3) The land use change in central cities had significant regional driving effects throughout the period. 4) The gravity center of food security land and ecological conservation land moved to the West and the area showed a decreasing trend, which proved that the high-quality cultivated land in the plain area in the lower reaches decreased and the ecosystem service function gradually weakened; The shift of gravity center of urban land to the East indicated that the social and economic development in the lower reaches were gradually active. The shift of gravity center of rural residential and other construction land to the West indicated that the population scale in the middle reaches was gradually increasing.

land use; remote sensing; Yellow River Basin; land use/land cover change; spatial-temporal evolution; chord diagram; gravity center transfer model

肖東洋，牛海鵬，閆弘軒，等. 1990－2018年黃河流域（河南段）土地利用格局時(shí)空演變[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(15)：271-281.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.033 http://www.tcsae.org

Xiao Dongyang, Niu Haipeng, Yan Hongxuan, et al. Spatiotemperal evolution of land use pattern in the Yellow River Basin (Henan section) from 1990 to 2018[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 271-281. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.033 http://www.tcsae.org

2020-06-01

2020-07-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41371524)；河南省軟科學(xué)（192400410076）；河南理工大學(xué)創(chuàng)新型科研團(tuán)隊(duì)（T2018-4）

肖東洋，博士生，研究方向：土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。Email：xdyhpu@163.com

牛海鵬，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土地資源管理方面的教學(xué)與科研工作。Email：niuhaipeng@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.033

F301.24

A

1002-6819(2020)-15-0271-11