桐柏大别山区土地利用时空变化图谱分析

张荣华，刘霞，李欢，姚孝友，王友胜，张光灿

(1.山东农业大学林学院，山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室，国家林业局泰山森林生态站，271018，山东泰安;2.北京师范大学地理学与遥感科学学院，100875，北京;3.水利部淮河水利委员会水土保持处，233001，安徽蚌埠)

桐柏大别山区土地利用时空变化图谱分析

张荣华1，2，刘霞1†，李欢1，姚孝友3，王友胜1，张光灿1

(1.山东农业大学林学院，山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室，国家林业局泰山森林生态站，271018，山东泰安;2.北京师范大学地理学与遥感科学学院，100875，北京;3.水利部淮河水利委员会水土保持处，233001，安徽蚌埠)

运用地学信息图谱理论方法，基于地理信息系统时空分析模型，以桐柏大别山区20 a土地利用3期(1987、1997、2007)空间数据为基础，通过建立桐柏大别山区土地利用变化图谱和涨落势图谱，分析该区域土地利用变化的时空特征，预测未来土地利用变化的趋势。结果表明：1)1987—2007年，研究区土地利用发生了很大变化，耕地面积持续性减少，林地和建设用地面积持续性增加，草地和未利用地面积先增加后减少，水域面积先减少后增加;2)空间格局上，耕地与林地相互转化遍布整个研究区域，耕地和林地转为建设用地主要分布在各县市周边地区，水域转为耕地和林地主要位于水域与其他用地交接地带;3)涨落势图谱中，林地涨势最明显，增加了5 904.06 km2，占新增图谱单元61.31%，主要来源于耕地和水域转出，耕地落势最明显，减少了6 394.71 km2，占萎缩图谱单元66.41%，主要转为林地和建设用地;4)未来10年，桐柏大别山区土地利用类型仍将以耕地、林地为主。

地学信息图谱;时空变化;土地利用;桐柏大别山区

土地利用/土地覆被记录了人类改变地球表面特征空间格局的活动，再现了地球表面景观的时空动态过程，它既受自然因素的影响，又受社会、经济、政治等人文因素的制约。进入20世纪90年代以来，土地利用/土地覆被变化(LUCC)受到越来越多的关注，成为全球环境变化研究的核心领域［1-3］。近年来，国内外学者探索将地学信息图谱理论和方法应用于土地利用/覆被变化研究，以解决LUCC研究中时空复合分析的难题［4-9］。地学信息图谱是以地球空间信息认知理论为基础，以遥感、地理信息系统、虚拟现实、计算机制图技术为支撑发展起来的一种时空复合分析方法。其图谱单元既包含地理实体和地理现象的空间差异性信息，又包含地理过程的时序变化信息，将“表示空间单元特征的图”与“表示时间发展之起点与过程的谱”合为一体，解决了空间与过程集成研究的问题［10-11］。笔者运用地学信息图谱方法，通过对桐柏大别山区1987—2007以来的土地利用“空间格局”和“变化过程”进行定量化综合研究，分析土地利用动态变化特征，预测未来土地利用变化的趋势，以期为区域土地资源可持续利用和生态环境保护提供决策支持。

1 研究区概况

桐柏大别山区地处我国中部，属淮河流域，E 113°16'～116°45'，N 30°57'～32°43'，跨皖、豫、鄂3省交界处，涉及16个县(市、区)，总面积约2.72万km2(图1)。属北亚热带过渡性气候，年平均气温13.2～15.7℃，无霜期180～220 d，日照时间1 990～2 650 h，作物生长周期长，是我国重要的粮、油生产基地，在保证我国粮食安全和生态安全，促进国民经济建设及可持续发展中具有极为重要的地位。境内地形复杂，地貌类型以山地、丘陵为主，占总面积的59%，主要分布在南部，母质大部分以花岗片麻岩为主，易风化，抗蚀性差，土壤以黄棕壤、水稻土和粗骨土为主。地带性植被为落叶阔叶混交林型，年平均降水量1 200～1 500mm，6—8月超过全年60%，年际相差1～3倍，时空分布不均，易形成洪涝与干旱灾害。

图1 桐柏大别山区地理位置图Fig．1 Geographical position of Tongbai-Dabiemountainous area

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

以桐柏大别山区1987、1997、2007年4—5月份TM影像为数据源，空间分辨率为30m×30m。在遥感图像处理软件ERDAS 9.1中进行配准、镶嵌、匀色及增强处理。利用1∶10万地形图选择35个同名地面控制点(GCP)对影像进行校正，误差控制在0.5个像元以内，校正中，采用北京1954坐标系，高斯-克吕格投影。

2.2 土地利用数据与图谱合成

根据研究区土地利用现状和土地资源特点，结合GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》，将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地6类。针对遥感影像特征，结合野外实地调查，建立解译判读标志，采用监督分类和目视解译相结合的方法对影像进行分类，提取土地利用信息，建立土地利用数据库，并对分类结果运用Kappa指数进行精度评价，精度达88.36%。

将ERDAS解译获得的“.img”格式的土地利用数据，转为“.grid”格式(栅格大小设为30m)，作为基本图谱单元。以基本图谱单元为基础，采用Arc-GIS 9.2软件中的空间分析模块，利用地图代数运算方法，对时间相邻的土地利用数据进行合成，将不同采样时刻上的地理单元的空间—属性—过程一体化数据进行匹配、融合，建立土地利用变化图谱。

2.3 土地利用涨落势图谱构建

土地利用变化包括2方面：一是转入，即由其他用地类型转移到本土地类型的部分;二是转出，即原土地类型除不变区外，转移到其他土地类型的部分。为了更直接把握土地利用变化的走向和趋势，通过设定分类原则、重影射方法，弱化冗余信息、消除噪声，将图谱单元重新分类、综合、组合、提取有效信息、重构图谱，建立由转入图谱单元构建的涨势系列图谱，由转出图谱单元构建落势系列图谱。

2.4 土地利用动态度分析

土地利用动态度反映一定时间和范围内某种土地利用类型的数量变化情况［12］，其数学表达式为

式中：Ri为研究时段内第i类土地利用类型面积的年变化，即土地利用动态度;Uai、Ubi分别为研究初期和末期第i类土地利用类型的面积，km2;T为研究时段，a。

2.5 马尔柯夫预测模型

马尔柯夫过程［5］是一个特殊的随机过程，最大特点是t+1时刻的状态只与t时刻的状态有关，而与以前的状态无关，这一特点决定了其适用于土地利用变化预测。关键在于确定各土地利用类型转移概率矩阵P(式2)。根据柯尔可夫过程的性质和条件概率的定义，运用马尔柯夫过程的基本方程(式3)，可模拟出任意一年的土地利用类型所占比例的变化情况。

式中：为第n期马尔柯夫过程土地利用类型i转化为土地利用类型j的转移概率，转移矩阵的每一项元素需满足以下条件：0≤Pij≤1(i，j=1，2，…，N)，即各元素为非负值，且，即每行元素之和为1;k为中间变量;N为转移概率矩阵的行列数。

3 结果与分析

3.1 土地利用时间序列变化图谱分析

随着人们对土地资源的开发利用，20年桐柏大别山区土地利用结构发生了很大变化(表1)。在面积减少的地类中，耕地减少最大，达4 175.22 km2，水域减少59.66 km2;同时，林地、草地、建设用地和未利用地不同程度增加，其中林地和建设用地增加最为显著，分别增加了3 351.50和659.64 km2。从土地利用动态度来看，变化较大的是建设用地、耕地和林地，动态度分别为 +4.42%、-1.68%和+1.38%。对比2个时段(1987—1997年和1997—2007年)，耕地持续减少(后一时段动态度稍小)，林地持续增加(前一时段动态度较大)，这与该区20世纪90年代初实施林业二次创业、大力发展经济林政策，90年代末国家颁布保护耕地资源的土地管理法规、退耕还林政策有关。建设用地持续增加，且后一时段增长较快，这与社会经济发展、城市化、工业化进程加快密切相关。未利用地动态度最大，其原因可能为前一时段局部大规模进行坡地经济林开发、毁林开荒、撂荒、弃耕等，导致土壤侵蚀、土地沙化加剧，进而导致未利用地增加，后一时段由于技术水平的提高和政府投入的增加，为未利用地的开垦提供了可能，土地开发利用率势必提高。发展经济林、退耕还林(草)等政策导向，使得研究区耕地面积大幅减少，林地和草地面积增加。

表1 1987—2007年桐柏大别山区土地利用变化情况Tab．1 Land use changes of Tongbai-Dabiemountainous area during 1987—2007

3.2 土地利用空间序列变化图谱分析

桐柏大别山区土地利用变化图谱共计36类图谱单元(图2)。从表2矩阵可以看出，1987—1997年，73.60%的图谱单元土地利用方式没有发生变化，而变化的图谱单元中耕地和林地转移最明显，水域和建设用地次之，草地和未利用地转移较少。耕地是受人类活动影响最大的土地利用类型，其变化特征与发展动态已成为土地利用研究的重要内容。20世纪90年代农业结构调整、发展经济林、比较利益驱动及城市发展对建设用地的需求，使得大量耕地被占用，其面积大幅减少。耕地中分别有3 889.27和283.75 km2转为林地和建设用地，占耕地转出面积85.79%、6.26%，主要分布在光山县、潢川县、固始县北部，信阳市辖区北部，桐柏县东北部，霍山县东部，六安市辖区西北部。同时，由于该区作为我国重要的粮食生产基地，为保证一定的粮食产量和质量，加之人们比较利益的驱动，耕地中1 898.58 km2因其他土地利用类型转入而增加，其增加来源主要为林地、水域，分别占转入面积的79.63%、12.95%，主要分布在金寨县北部、霍山县西部、新县南部及西部、罗山县中部、桐柏县西部。

表2 1987—2007年土地利用动态变化转移矩阵Tab．2 Transitionmatrix of land use changes during 1987—2007 km2

1997—2007年土地利用方式没有发生变化的图谱单元占66.93%，低于前一时段，土地利用发生了较大规模的变化，但变化最大的仍是耕地与林地之间的转化。由于土地管理政策法规的颁布实施、城镇化水平和耕作技术水平的提高、退耕还林(草)的实行，使得耕地减少的趋势得到了有效的遏制，减少了1 540.08 km2，主要转为林地、建设用地，集中在桐柏县中东部、信阳市辖区北部、罗山县中北部、光山县中部、潢川县东北部、固始县中南部、金寨县东南部、霍山县西北部、六安市辖区西北部。同时，当地政府面对人口增长、粮食产量、国内生产总值(GDP)、财政收入的压力，以及人们比较利益的驱动，使得耕地中3 310.72 km2由其他土地利用类型转变增加，集中在桐柏县东北部、信阳市辖区西北部、罗山县西部、光山县南部、新县南部、固始县西北部、金寨县中部、霍山县西北部及东北部、六安市辖区东北部。耕地与林地之间的频繁转换，说明退耕还林与毁林开荒的现象同时存在，也说明土地利用结构不合理，人地关系紧张。

由表3排序表［7］可以看出：20 a耕地向林地转化5 523.37 km2，林地向耕地转化1 871.29 km2，二者之差即耕地向林地净转化3 652.08 km2，占总变化面积37.94%。耕地和林地转为建设用地分别占5.21%和2.68%，转为水域分别占3.01%和1.76%。水域转为耕地和林地分别占2.60%和2.23%。可以看出，桐柏大别山区土地利用结构变化表现为3个特征：一是耕地与林地相互转化是全局性的，遍及整个区域，相对而言，霍山、金寨、固始、潢川、光山、信阳市辖区、桐柏等更为明显;二是耕地和林地转为建设用地明显，主要在各县市区周边以及交通线两侧，是经济相对发达的地区，居民用地和工矿、交通用地快速扩展，大量蚕食耕地和林地;三是水域转为耕地和林地较为明显，大部分位于沿河或库区周围一些水域边缘地带，而其余土地利用类型的空间移动则成布朗运动态势。

表3 1987—2007年桐柏大别山区主要土地利用类型变化排序表Tab．3 Order ofmain land use conversion during 1987—2007

3.3 土地利用涨落势图谱分析

图3和表4涨落势图谱中，耕地、水域以落势为主，林地、建设用地以涨势为主，草地和未利用地相对稳定。涨势系列图谱记录了各土地利用类型的增长信息(图3(a))：新增图谱单元最多的是林地，3个时段分别占新增土地面积的56.82%、50.67%、61.31%，以耕地和水域减少为依托;其次为耕地，分别占31.55%、36.79%、23.05%，主要由砍伐森林和侵占水域导致;水域、建设用地次之，主要来源于对耕地、林地的侵占;其他用地新增较少。落势系列图谱记录了各土地利用类型的萎缩信息(图3(b))：耕地萎缩最明显，3个时段分别占萎缩土地面积的60.24%、53.90%、66.41%，主要转为林地和城镇建设用地;其次为林地，分别占30.24%、38.33%、24.43%，主要转为耕地和水域;水域萎缩次之，主要是被耕地、林地侵占;由于人类活动的强烈干预，建设用地萎缩较小;其他用地萎缩较少。

图2 桐柏大别山区土地利用变化图谱Fig．2 Land use changes atlas in Tongbai-Dabiemountainous area

图3 桐柏大别山区土地利用涨落势图谱Fig．3 Arising/declining atlas in Tongbai-Dabiemountainous area

表4 1987—2007年土地利用涨落势图谱结构Tab．4 Arising/declining atlas analysis of land use during 1987—2007 km2

4 土地利用结构预测

以1987年各土地利用类型所占面积比例表示初始状态矩阵A0。以1987—2007年2期土地利用类型转移概率矩阵为基础，求出多年加权平均转移概率矩阵，则该矩阵即为初始状态的转移概率矩阵P0。从初始状态经过n=20、21、22步转移到2007、2008、2009年转移概率矩阵，预测各土地利用类型所占的面积比例。在SPSS中对预测值和实测值进行方差分析，显著性(Sig.=1)大于0.05，表明用马尔柯夫预测数据与实测情况吻合较好，也说明利用马尔柯夫模型来预测土地利用变化是可行的。

表5为2010—2019年的预测结果。结果表明：在保持人为干扰强度不变的前提下，桐柏大别山区未来土地利用变化的趋势是耕地面积继续减少，至7 370 km2趋于稳定值;林地、建设用地逐年增加，这些变化都是比较剧烈的过程，草地、水域面积在不断减少，但变化速度相对缓慢。表明未来10年，桐柏大别山区仍将以耕地、林地为主要土地利用类型，其他地类基本没有明显变化。

表5 2010—2019年各土地利用类型面积预测值Tab．5 Predictions of land use types from 2010 to 2019

5 结论与讨论

1)20年间耕地持续性减少，林地和建设用地持续性增加。

2)耕地与林地之间的相互转化遍布整个区域，耕地、林地转为建设用地主要发生在各县市区周边经济相对发达的地区，水域转为耕地、林地大部分位于水域和其他用地交接地带。

3)涨势图谱单元最多的是林地，占新增面积61.31%，主要来源于耕地和水域;落势图谱单元最大的是耕地，占萎缩面积66.41%，主要转变为林地和建设用地。

4)未来10年，桐柏大别山区仍将以耕地、林地为主要土地利用类型。

在政策导向、经济发展、比较利益、人口增长等主要驱动因素的影响下，各种土地利用类型发生了不同程度的变化。随着社会经济发展，城市化进程加快，城市周边的优质耕地被扩建为居民区、开发区、交通运输等建设用地，部分山区应对人口压力和粮食短缺，通过毁林开荒来增加耕地面积。作为我国重要的粮、油生产基地，遏制耕地减少、保障粮食安全、生态安全、促进区域生态经济可持续发展是桐柏大别山区的首要任务。因此，结合区域实际情况，首要任务是改进农业生产技术，提高农业生产效率，同时加强耕地资源管理;其次，制定相应的法规政策，合理分配有限的土地资源，着重对当前已利用土地的深度和广度进行二次开发，正确引导土地利用发展方向;再次，统筹规划城市的发展，严格控制建设用地规模，加强土地资源保护和合理利用，达到土地利用和社会经济的协调发展。

6 参考文献

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Atlas analysis on spatial-temporal changes of land use in Tongbai-Dabiemountainous area

Zhang Ronghua1，2，Liu Xia1，Li Huan1，Yao Xiaoyou3，Wang Yousheng1，Zhang Guangcan1
(1.Forestry College of Shandong Agricultural University，Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration，Taishan Forest Ecosystem Research Station，271018，Tai’an，Shandong;2.School of Geography，Beijing Normal University，100875，Beijing;3.Soil and Water Conservation Division of Huaihe River Commission of Water Resourcesministry，233001，Bengbu，Anhui：China)

Based on GIS spatial and temporal analysismodel，geo-information atlas theory were used in this paper.Land use data were extracted from spatial data of three periods(1987，1997，2007)in Tongbai-Dabiemountainous area.Land use change atlas and arising/declining atlas from 1987 to 2007 were established.Land use changes characteristic were analyzed，and land use changes were predicted.Results indicate that land use changes significantly during the past 20 years.The area of farmland decreased，and forest land and construction land increased.Grassland and unused land increased firstly，then decreased，vice versewater land decreased firstly，then increased.From the spatial series，mutual transformation between farmland and forest land was obvious in the whole research area.Farmland and forest land transfered to construction land in the nearby of town.Waters transfered to farmland and forest land in the nearby of waters.In arising/declining atlas，the largest expanding atlas was forest land，with an increase of 5904.06 km2，accounting for 61.31%in expanding atlas，mainly from farmland and water land.And the largest shrinking atlas was farmland，with a decrese of 6 394.71 km2，accounting for 66.41%in shrinking atlas，mainly transforming into forest land and construction land.In the future，farmland and forest land will continue to be chief land use type.

geo-information atlas;spatio-temporal changes;land use;Tongbai-Dabiemountainous area

2011-02-18

2011-05-12

水利部淮河水利委员会“淮河流域生态修复机理和评价指标体系研究”(hwsbc-2007-001)、“淮河流域水土保持区划及分区防治模式研究”(SBJ-2010-002);林业公益性行业科研专项“生境胁迫立地植被恢复与重建技术研究”(201104002-6)

张荣华(1984—)，女，博士研究生。主要研究方向：水土保持信息技术。E-mail：zrhua5766@163.com

†责任作者简介：刘霞(1971—)，女，教授，博士。主要研究方向：土壤侵蚀与生态修复。E-mail：liuxia@sdau.edu.cn

(责任编辑：宋如华)