淮河流域土地利用时空格局动态及其植被覆盖变化分析

严登明，翁白莎，于志磊，王俊峰，曹 引(.东华大学 环境科学与工程学院 国家环境保护纺织污染防治工程技术中心, 上海 060;.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 00038)

0 引 言

在众多生态环境变化的问题中，土地利用/土地覆盖变化研究显得尤为重要[1-3]。长期以来，国内外相关学者对土地利用/土地覆盖变化从不同角度进行了研究。IGBPII指出土地变化科学中，土地利用/土地覆盖变化在生态系统功能和服务中具有重要的战略地位，是认识人类-陆地-环境系统的关键[4]；于兴修等[5]就中国的土地利用/覆被变化的现状及存在问题进行了充分的阐述；邵景安等[6]对引起土地利用变化的驱动因子及驱动力进行了明确分析；许月卿、李鹏杰等[7,8]从流域尺度上，对土地利用/覆被变化进行了研究。王秀兰、张靖等[9]对研究土地利用/覆被变化的相关方法进行了整理分析。目前，利用植被指数对土地利用进行评价的研究很少，因此，本文基于土地利用数据，应用ArcGIS平台，结合传统研究方法对淮河流域土地利用时空动态进行分析，提取归一化植被指数，进一步转为植被覆盖度，利用对应的植被覆盖度对其进行评价分析，旨在辨识淮河流域土地利用的新情势，为更合理地调整淮河土地利用结构、提高土地利用效率和改善生态环境提供参考。

1 研究区概况

研究区淮河流域涉及安徽、河南、江苏、山东、湖北五个省，于三江营汇入长江。其地理坐标为111°56′E～109°15′E、30°57′N ～ 37°50′N，地处我国南北气候的交界区，属于气候过渡地带，北部地区为暖温带，南部地区为北亚热带。该流域面积约33万km2，地形地貌主要以山丘和平原为主。参考我国国土资源局颁布执行的《土地利用现状分类》标准，结合该流域当地的实际情况，将研究区内的土地分为耕地、林地、草地、水域、居民及城乡建设用(简称居工地)、裸地(即未利用土地)6个一级类。

2 数据及研究方法

2.1 数据来源

以2000年、2005年以及2013年3期1∶10万土地利用数据以及对应的3期MODIS遥感影像数据、淮河流域相关的矢量文件(源自国家基础地理信息网基础数据)为主要备用数据。辅助数据包括淮河流域的DEM、行政区划等其他国家基础地理数据等。

2.2 研究方法

本研究利用土地利用动态度[1](单一动态度、综合动态度)以及转移矩阵分析研究淮河流域内土地利用时空格局动态变化，通过定量描述区域土地利用动态变化速率，把握土地利用变化的趋势。

(1)单一土地利用类型动态度[1]。

(1)

式中：Ki为该研究区某种土地利用类型年动态变化率；Ua和Ub分别代表研究期初和期末某种类型土地数量；T为研究时间段。当T的时段设定为年时，Ki值为该研究区某种土地利用类型年动态变化率。

(2)综合土地利用动态。

(2)

式中：LC为研究区内综合土地利用动态度；LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积；ΔLUi-j为监测时段内第i类土地利用类型转为非j类土地利用类型面积的绝对值；T为监测时段长度。当T的时段设定为年时，LC值为该研究区土地利用年动态变化率。

(3)转移矩阵。土地利用转移矩阵是表征土地利用类型之间在一定时段内相互转移的一种有效的工具，从而总体上把握土地利用的转移态势。在ArcGIS10.0平台下，对2000年、2005年以及2013年3期的土地利用数据两两进行叠加分析，对所得的相关数据进行统计分析，分别获得2000-2005年以及2005-2013年的土地利用类型转移矩阵，以分析该流域土地利用时空格局动态。

(4)基于MODIS遥感影像，通过GIS平台提取该流域对应年份植被长势最好时(8月份)的归一化植被指数(NDVI)及植被覆盖度，将其与土地利用叠加分析，通过植被覆盖度大小对土地利用的合理化进行评价分析。

NDVI是反映土地覆盖植被生长状态的一种遥感指标，限定在[-1,1]范围内，在有植被的地方NDVI>0，且随植被覆盖度的增大而增大。计算公式如下：

(3)

式中：NIR为位于近红外波段的遥感通道所得到的反射率；VIS为位于可见光波段的通道得到的反射率。

植被覆盖度(Fc)[10]指植被冠层的垂直投影面积与土壤总面积之比，即植土比。

(4)

式中：NDVImax为研究区内的NDVI最大值；NDVImin为研究区内NDVI的最小值。

(5)

式中：Fcl是植被覆盖度等级。

上述公式把NDVI整体归一到区间0～255之间，根据表1像元灰度值分段将0～255之间的NDVI像元灰度值分级[10]。

表1 像元灰度值与植被覆盖等级对应分布表Tab.1 The corresponding distribution table of gray-scale value and vegetation coverage

3 结果分析

3.1 淮河流域土地利用空间演变

淮河流域内各土地利用类型在数量组成及空间构成上存在显著分异特征。3期土地利用中，从数量上(如图1)，主要以耕地(旱地和水田)与居工地为主，其面积之和所占比例均达到82%以上。林地、草地和水域分布地面积相对较少，对应百分比依次为7%、3%和4%左右，整体植被覆盖相对较低；裸地，即未利用土地面积极少，占比均在0.2%及以下。

图1 淮河流域各土地利用类型面积分布图Fig.1 Land-use area distribution map of the Huai River Basin

从空间上(如图2)，各土地利用类型同样呈现出明显的地带性分布。淮河流域内耕地分为旱地与水田两大类，大致以淮河为分界线，淮河以北是旱地，淮河以南为水田；另外，在山东省、江苏省和安徽省的交界处有一定面积的水田分布。草地主要分布在淮河流域东北部(山东境内)地区；而林地则相对集中分布在流域东南边界处。居工地相对均匀散布在整个流域内，呈增加趋势；且相对流域内部地区，沿海地区居民及城乡建设用地的密度较大。水域分布相对集中于东南地区。

图2 淮河流域土地利用现状空间分布图Fig.2 Land-use spatial distribution map of the Huai River Basin

3.2 淮河流域土地利用时间演变

从年变化(如图3)上，13年(2000-2013)间，淮河流域土地利用类型整体上的变化为：水田、水域和居工地面积增加，其中水田增加面积约2 190 km2，水域约增加约2 271 km2，居工地增加约11 106 km2；旱地、林地、草地及裸地减少，耕地减少约9 417 km2，草地减少4 577 km2，裸地减少285 km2；增加与减少的土地利用面积基本上保持一致。

图3 淮河流域2000-2013年土地利用面积变化图Fig.3 Area Change of land-use of the Huai River Basin in 2000 to 2013

2000-2005年，水田增加-旱地增加-林地增加-草地减少-水域减少-居工地减少-裸地减少，且水田、旱地、草地和居工地变幅较大。而2005-2013年，各土地利用类型变动起伏显著，变化趋势为：水田减少、旱地减少、林地减少、草地减少、水域增加、居工地增加、裸地减少。

依据土地利用动态度(如表2)，分析淮河流域土地利用时间演变规律。从单一土地利用动态角度，2000-2005年中，草地、居工地以及裸地的动态度小于0，说明该土地利用类型面积减少，年减少率分别为4.94%、1.34%、0.97%；耕地(水田和旱地)、林地以及水域的动态度大于0，说明各土地利用类型面积总量增加，年增长率分别为1.57%、0.61%、0.85%。在一定程度上，土地利用动态度的绝对值大小直接反应了各土地利用类型面积变化速度的大小。2000-2005年间，变速由快到慢依次为草地、耕地、居工地、裸地、水域和林地，可知，草地变速最快，而林地变速最慢。

2005-2013年间，草地、裸地继续减少，水域持续增加，而耕地(水田和旱地)、林地和居工地反向变化(相对2000-2005年的变化动态而言)。裸地变速最大，其次为居工地、水域、耕地(水田和旱地)、林地和草地(具体动态变化度详见表2)。

整体上2000-2013年期间，变速最大的是裸地，其次是草地、居工地、水域、耕地(水田和旱地)和林地(具体动态度变化详见表2)。

表2 淮河流域2000-2013年土地利用动态变化 %Tab.2 Dynamic variation of land-use of the Huai River Basin in 1995 to 2013

从综合土地利用动态度角度，2000-2005年、2005-2013年及2000-2013年的动态变化分别为0.43%、0.59%、0.36%。相对2000-2005年，2005-2013年内人们对淮河流域土地利用方式的干扰程度加大。20世纪初期，该地区人口增长加速，人均土地资源占有量减少，人类与土地矛盾激化，加上城市化、城镇化进程的推进给土地利用也造成很大压力，另外还有面源污染、生态环境脆弱、地貌复杂、水土流失以及地质灾害的发生，都在一定程度上影响土地利用[11]。2000-2013年综合土地利用动态度为0.36%，说明这期间每年每100 km2中就有0.36 km2的土地利用方式发生了改变。

3.3 淮河流域土地利用时空转移特征

淮河流域土地利用类型间的多维向转化直接决定其面积与空间分布的特征。在2000-2005年间，淮河流域发生转化的土地利用类型面积共7380.37 km2左右，约占整个流域面积的2.25%。从空间上，具体土地类型空间转移格局分布如图4(a)。由图可知，土地利用类型转移区呈斑块离散状分布相对均匀，较为显著的土地利用类型转移区集中在流域的边界区、山东半岛境内以及江苏境内。2005-2013年间，土地利用类型转移区集聚密度较大的多在流域北半区内，较2000-2005年间的土地利用类型变化，该时期内的转移土地利用类型有所不同，且聚集现象较为显著的除了山东半岛之外，流域北部的河南境内也出现大面积的土地利用类型转移[图4(b)]；转移面积约为15 574.45 km2，约占研究区总面积的4.74%。

1112-水田转旱地；112-水田转林地；113-水田转草地；114-水田转水域；115-水田转居工地；116-水田转裸地；1211-旱地转水田；122-旱地转林地；123-旱地转草地；124-旱地转水域；125-旱地转居工地；126-旱地转裸地；211-林地转水田；212-林地转旱地；23-林地转草地；24-林地转水域；25-林地转居工地；26-林地转裸地；311-草地转水田；312-草地转旱地；34-草地转水域；35-草地转居工地；36-草地转裸地；411-水域转水田；412-水域转旱地；42-水域转林地；43-水域转草地；45-水域转居工地；46-水域转裸地；511-居工地转水田；512-居工地转旱地；52-居工地转林地；53-居工地转草地；54-居工地转水域；56-居工地转裸地；611-裸地转水田；612-裸地转旱地；62-裸地转林地；63-裸地转草地；64-裸地转水域；65-裸地转水域图4 淮河流域土地利用类型转移变化空间分布图Fig.4 Spatial transformation variation map of land-use type of the Huai River Basin

从时间角度，在土地利用类型转移数量上，各单一土地利用类型空间转移变化(如表3，表4)主要以耕地(包括旱地和水田)、居工地及水域为主，具体表现为：

表3 淮河流域2000-2005年土地利用转移矩阵 %Tab.3 Land-use transformation matrix of the Huai River Basin from 2000 to 2005

(1)2000-2005年间，整体上，多数土地利用类型主要转为旱地、水田和林地，约有0.94%的土地转为水田，0.59%左右的土地转为旱地，0.56%左右的土地转为林地，少量土地转化为其他土地利用类型；草地、居工地和裸地则处于减少态势；裸地利用率高达54%。具体而言，各土地类型以转为旱地为主，其面积变化百分比分别是水田约1.87%、林地约3.52%、草地18.61%、水域3.12%、居工地11.94%、裸地为30.29%。

表4 淮河流域2005-2013年土地利用转移矩阵 %Tab.4 Land-use Transformation Matrix of the Huai River Basin from 2005 to 2013

(2)2005-2013年间，土地利用类型转移变化以转为旱地和居工地为主；其中，居工地面积的增加多源自水田和旱地面积的减少，另外草地和水域也有一定的贡献。裸地的利用率高达70%以上。具体各土地利用类型间的转移变化如表4所示。

综上，不同时期，随着区域经济社会的发展、人口的激增、城镇化进程的推进，对土地利用提出越来越多不同的要求。整体上，淮河流域在2000-2013年期间土地利用类型转移变化趋势相对平稳。

3.4 淮河流域土地利用覆被变化

如图5，2000-2013年间随土地利用变化对应植被指数NDVI也呈现出一定的演变规律。整体上植被指数处于中等偏上水平，植被覆盖良好。2000年，NDVI>0.7的土地利用类型面积约占淮河流域土地面积的24.80%，主要集中在淮河流域中的皖北和苏北地区，以及流域的东南边界地区；0.50.7的土地利用类型面积约占淮河流域土地面积的50.74%，大面积分布于淮河流域的西北部与东南部地区；0.50.7的土地利用类型面积约淮河流域土地面积的49.45%，在2005年的基础上，西南地区与山东半岛境内植被覆盖提高；0.5

图5 NDVI指数空间分布图Fig.5 The spatial distribution map of the NDVI

从表5～表7中可以看出，各土地利用类型的植被覆盖度各不相同。2000-2013年间，整体上良等以下植被覆盖面积大致呈现减少趋势，良等和优等植被覆盖度呈增加趋势，这主要与土地利用类型间的转变有着主要关系。从单一土地利用类型来看，植被覆盖度高的土地利用类型主要为旱地、水田和居工地，旱地的植被覆盖度几乎维持在50%左右，水田的植被覆盖度则维持在15%左右，居工地的植被覆盖度在10%以上；而林地、草地、水域及裸地的植被覆盖相对偏低。在未来的发展建设中应该着重提高林地、草地、水域及裸地的植被覆盖度，从而整体上更加合理化该地区的土地利用。

表5 2000年各土地利用类型不同植被覆盖度的面积百分比 %Tab.5 The area percentage of different vegetation coverage every land use type in 2000

表6 2005年各土地利用类型不同植被覆盖度的面积百分比 %Tab.6 The area percentage of different vegetation coverage every land use type in 2005

表7 2013年各土地利用类型不同植被覆盖度的面积百分比 %Tab.7 The area percentage of different vegetation coverage every land use type in 2013

4 结 语

以2000年、2005年以及2013年3期的土地利用数据为基础，基于ArcGIS技术平台分析淮河流域土地利用时空格局的动态变化，利用对应3期的MODIS遥感数据对其进行评价分析，具体结论如下。

(1)整体上，该流域内的土地利用类型在数量、空间结构上都存在明显的分异特征。在数量上，该区域内土地利用以耕地与居工地为主，其次是林地。空间上，耕地分布最为集中，林地、草地也存在聚集分布的特点，而居工地多呈斑块状分布。

(2)从年变化上看，2000-2005年，水田增加、旱地增加、林地增加、草地减少、水域减少、居工地减少、裸地减少，且水田、旱地、草地和居工地变幅较大。而2005-2013年，各土地利用类型的变动起伏显著，变化趋势为水田减少、旱地减少、林地减少、草地减少、水域增加、居工地增加、裸地减少。

(3)利用单一土地利用动态反映对应土地利用类型面积的变化速度。2000-2005年间，变速由快到慢依次为草地、耕地、居工地、裸地、水域和林地，可知，草地变速最快，而林地变速最小。利用综合土地利用动态度反映人类活动对土地利用方式的干扰程度，2000-2013年综合土地利用动态度0.36%，说明这期间每年每100 km2中就有0.36km2的土地利用方式发生了改变。

(4)土地利用类型之间的多维向转化是引起土地利用时间与空间分布变化的直接表现形式。从空间变化上，在2000-2005年，土地利用转移趋势不显著，整体转移变化量约为流域总面积的2.25%。而2005-2013年土地利用转移也不显著，转移面积约为15 574.45 km2，约占研究区总面积的4.74%。单一土地利用类型的空间转移变化主要以耕地、林地及居工地的转移变化为主。整体上，淮河流域在2000-2013年期间土地利用类型转移变化趋势相对平稳。

(5)淮河流域内植被指数的变化，表明近13年来淮河流域土地利用变化呈良好发展态势。但从单一土地利用类型来看，植被覆盖度高的土地利用类型主要为旱地、水田及居工地，而草地、林地、水域及裸地的植被覆盖相对偏低。由于其地理位置的特殊性，在未来的发展建设中仍需要进一步提高水域、林地及裸地的植被覆盖度，加强植被保护以提高该地区土地利用的适宜度，从而整体上更加合理化该地区的土地利用。

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