南四湖流域土地利用/覆被变化的时空特征

初翠翠,廉丽姝,2*,于淼,于凤硕



南四湖流域土地利用/覆被变化的时空特征

初翠翠1,廉丽姝1,2*,于淼1,于凤硕1

1. 曲阜师范大学地理与旅游学院, 山东 日照 276826 2. 南四湖湿地生态与环境保护山东省高校重点实验室, 山东 日照 276826

基于土地利用空间分析指标和图谱方法，利用五期土地利用数据，结合GIS和RS技术，得出南四湖流域1990~2010年土地利用/覆被变化的时空特征：①1990~2010年南四湖流域土地利用方式以耕地、城乡建设用地和水域为主，流域土地利用类型的分布与流域内地形密切相关。②近20年流域综合土地利用动态度为0.39%，总体变化速度较缓慢。其中，南四湖流域未利用地的减少速度最快，是该流域土地利用变化最独特的特征。③流域内各土地类型存在着不同程度的相互转换，城乡建设用地占用耕地是各阶段土地利用类型转换的主要特点，集中分布在流域内的各个县域；82.39%的未利用地在1990~1995年转化为人工水域，主要分布在南四湖湿地自然保护区；耕地与林地和草地之间的相互转换主要发生在流域东部的多山地丘陵地带。

土地利用/覆被变化; 时空特征; 南四湖

土地利用/覆被变化(LUCC)作为生物物理-社会经济系统的中心组成成分，与气候、生态过程、生物地球化学循环、生物多样性以及人类活动之间存在非常重要的相互作用关系[1]。这一过程通过改变下垫面属性，影响陆面和大气之间的热量、动量和水分交换[2,3]，发生在流域到全球的多种尺度上[4]。而作为自然区域小尺度的流域，具有独特的水文循环和能量交换的特点，因此它的土地利用变化将对自身乃至更大尺度的自然生态系统产生深远的影响[5]，认识流域土地利用变化特征及空间格局已成为土地变化科学研究的热点问题。

近年来，我国不同流域土地变化的研究受到了众多学者的高度重视。许多学者选用土地利用空间分析指标，如动态度指数、土地利用转移矩阵、土地利用程度综合指数等，从土地利用数量变化、变化速度、类型转换等方面对土地利用变化进行深入研究[6-9]；在此基础上，有学者深入探讨流域土地利用变化的驱动因子[10]。部分学者选用地学信息图谱[11]和重心坐标法[12]对不同流域土地利用类型空间变化和空间分布规律进行分析，深化了流域土地利用变化的研究，使信息的表达更加多维化，弥补了基于非空间属性数据库的数据挖掘方法在形象思维和空间位置方面的不足[13]。结果表明在城市化进程下，城乡建设用地侵占耕地是各流域土地利用变化普遍存在的趋势，但在国家或地区的规划调整下，其侵占速度呈现逐渐减缓趋势；部分流域因自然环境的改变和土地利用方式的变化，土地呈现沙漠化，盐碱地和裸地不断增加。由此可见，对不同流域土地利用的时空变化研究越来越丰富也越来越有必要，但是关于南四湖流域土地利用变化的研究比较薄弱，主要利用信息熵[14]和土地利用转移矩阵[15]等方法对南四湖流域数量和类型转换进行分析，未见有学者利用地学信息图谱对南四湖流域土地利用空间分布规律进行深入研究。

南四湖流域是华北地区重要的流域之一，其土地利用变化将对更大的自然生态系统的气候、生态过程、生物多样性产生深刻影响。本文选取南四湖流域作为研究区，根据中国1:10万比例尺土地利用现状遥感监测数据库数据集，包括1980年代末期（1990）、1995年、2000年、2005年、2010年五个时期，利用综合土地利用动态度、单一土地利用动态度等指标全面分析1990年-2010年南四湖流域土地利用变化特征和规律；借助地学信息图谱模型，用土地利用图谱单元来记录流域内土地利用变化的格局和过程，实现对土地利用变化“空间格局”与“时间过程”特征的集成研究，为进一步研究南四湖流域土地利用变化的环境效应奠定基础。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

南四湖（34°27′-35°20′，116°34′-117°21′）位于山东省西南部，自北向南由微山湖、昭阳湖、独山湖、南阳湖串联在一起，既是华北地区的第一大淡水湖，又是淮河流域的第二大淡水湖，其流域面积达3.17万km2。南四湖流域（34°24′-35°59′N，114°52′-117°42′E）属于夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥的暖温带大陆性季风气候区，平均气温约为14 °C，年均降水量700 mm。全流域跨山东省、江苏省、河南省、安徽省四个省份，东部、西部的地势高于中部，流域东部由北向南地势降低，南四湖湖区地势最低。流域内河流众多，达53条，从四面八方呈放射状汇入南四湖，构成强大的河流水系，其中包括大沙河、十字河、白沙河、白马河、赵王河、洙赵新河、东鱼河等(图1)。

图1 研究区位置及范围

1.2 数据与方法

1.2.1 数据来源与预处理本研究使用的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，包括1980年代末期（1990）、1995年、2000年、2005年、2010年五期。该数据集在国家科技支撑计划、中国科学院知识创新工程重要方向项目等多项重大科技项目的支持下，经过多年的积累而建立的覆盖全国陆地区域的中国1:10万比例尺土地利用现状遥感监测数据库数据集，是目前我国精度最高的土地利用遥感监测数据产品。土地利用一级类型综合评价精度达到94.3%以上，二级类型分类综合精度达91.2%以上[16]。数据生产制作是以各期Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，为了规避不同时期对水域面积的影响，均选用平水期时的遥感影像。通过人工目视解译生成。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型。研究区矢量数据依据济宁市南四湖水利管理局（http://www.sdjnnsh.com）提供的最新南四湖流域图和山东南四湖省级自然保护区（http://sdnshnr.forestry.gov.cn）的南四湖湿地自然保护区绘制。

运用ArcGIS10.2对数据进行预处理，结合南四湖流域实际情况和研究目的，简化处理数据的过程，方便空间数据间的叠加分析和地图代数运算，使用reclassify工具对五期数据进行重编码，把25类二级土地利用类型重编码为6类一级土地利用类型：耕地、林地、草地、水域、城乡建设用地、未利用地。

1.2.2 研究方法利用GIS和RS技术，提取南四湖流域不同时期的土地利用类型及其面积，采用综合土地利用动态度和单一土地利用动态度两个指标分析1990~2010年土地利用变化速度。通过地图代数运算，得到南四湖流域土地利用变化图谱，分析土地利用变化的空间位置和空间行为。

1.2.2.1 土地利用动态度综合土地利用动态度是表征研究区内整个土地利用类型在一定时间段内的变化速度，是刻画土地利用类型变化速度区域差异的指标，反映人类活动对流域土地利用类型变化的综合影响[17,18]，其数学模型为：

式中，为与时段对应的研究区土地利用综合动态度，△S为监测开始至监测结束时段内第类土地利用类型转换为其他类土地利用类型面积总和，S为监测开始时间第类土地利用类型总面积，为土地利用变化时间段。

单一土地利用动态度是用来定量分析研究区内某种土地利用类型在一定时间段内的数量的变化情况的指标，用来比较不同土地利用类型的变化速度[19]，其数学模型为：

式中，K为1到2时段内类土地利用类型动态度；S1、S2分别表示1、2时间类土地利用类型面积。

式中，表征研究阶段土地利用演替变化的土地利用图谱单元；表征前一时刻栅格单元土地利用类型编码值；表征后一时刻栅格单元土地利用类型编码值。

图谱单元空间分离度是用来描述图谱单元在空间分布上的分散程度的统计指标，分离度越大，图谱单元在空间上分布越离散，其数学模型[22,23]为：

式中，F为图谱单元空间分离度，N、A分别为初期的种土地利用类型转变为末期的种土地利用类型的图谱单元数和面积，为土地利用类型个数。

2 结果与分析

2.1 土地利用结构变化

由1990~2010年南四湖流域土地利用类型比率图（图2）、1990年和2010年南四湖流域土地利用现状图（图3）可以看出，1990~2010年南四湖流域土地利用结构以耕地、城乡建设用地、水域为主，其余用地类型占比总和不足10%，其中耕地面积最多，未利用地面积最少。各阶段各用地类型占总用地面积的比例发生显著变化，耕地面积占比由76.60%下降至74.69%，未利用地面积占比由2.11%下降至0.37%，城乡建设用地由10.70%增加至12.67%，水域面积占比由3.67%增加至5.51%。由图3可以看出南四湖流域土地利用类型空间上变化最为显著的是南四湖湿地自然保护区未利用地的减少和城乡建设用地的扩张，且各用地类型的分布与流域内地形密切相关。耕地和城乡建设用地分布在地势较平坦的平原地区，而草地和林地较多的分布在流域东部的多山地丘陵地带，少部分分布在流域西南部沛县、铜山县与微山县交界处。未利用地分布在南四湖湿地，水域分布在南四湖湿地及河流流经地区。

图 2 1990~2010年南四湖流域土地利用类型比率图

图 3 1990年和2010年南四湖流域土地利用类型

2.2 土地利用动态度分析

2.2.1 综合土地利用动态度利用综合土地利用动态度计算公式，得到1990~1995年、1995~2000年、2000~2005年、2005~2010年及1990~2010年研究区域综合土地利用动态度分别为0.21%、0.07%、0.09%、0.07%和0.39%，表明近20年南四湖流域土地利用变化速度较为缓慢，且总体上呈现减缓趋势。但在流域不同县市，土地利用变化速度存在一定的差异。

2.2.2 单一土地利用动态度表1为研究区内不同阶段单一土地利用类型的动态度。由表1可见，耕地面积总体表现为减少趋势，变化速度较为缓慢，但由于耕地面积基数较大，其变化绝对量较大。其中1990~2005年耕地减少速度逐步变快，并在2000~2005年减少速度达到最大，此后耕地面积的减少速度有所放缓。近20年南四湖湿地地区未利用地的变化速度最快，面积减少极为迅速，其中1990~1995年间超过50%的未利用地转出减少，是同期水域面积增速的1.83倍，1995~2010年未利用地的变化速度不断减小且逐渐趋于稳定。水域面积在1990~1995年增加迅速，速度最大达4.60%，后期速度明显减慢。城乡建设用地变化速度随经济的发展保持在0.5%以上。林地和草地面积由于基数少且变化绝对量较小，其变化速度较为缓慢。

表 1 1990~2010年南四湖流域单一土地利用变化速度

2.3 土地利用类型转移分析

结合1990~2010年土地利用变化图谱（图4）和图谱单元空间分离度（图5）可见南四湖流域各土地利用类型在四个时期（1990~1995年，1995~2000年、2000~2005年、2005~2010年）发生了较为复杂的转化，各阶段土地利用时空变化过程既存在相同之处又有其各个时期独特的变化特征。

图4 1990~2010年土地利用变化图谱

0未变化 No change；1耕地 Arable land；2林地 Forest land；3草地 Grassland；4水域 Water body；5城乡建设用地 Urban-rural construction land；6未利用地 Unused land

图5 1990~2010年土地利用变化图谱单元的空间分离度

0未变化 No change；1耕地 Arable land；2林地 Forest land；3草地 Grassland；4水域 Water body；5城乡建设用地 Urban-rural construction land；6未利用地 Unused land

备注: 横坐标排列顺序依据图谱单元数大小顺序 The arrangement sequences of abscissa were according to sizes of units on atlas

首先，四个时期图谱单元类型中变化最显著的是“耕地→建设用地（编码15）”，该种变化单元数占各类变化单元总数的比例分别为31.42%、34.80%、49.32%、81.16%，同时也是各阶段所有用地类型转化中空间分离度最小的，分别为1.03、0.95、0.62、0.47。四个阶段耕地转化为其他土地利用类型面积分别为3.88×105hm2、3.43×105hm2、3.62×104hm2、2.53×104hm2，其中分别有69.16%、72.15%、65.11%、89.27%转移为城乡建设用地，说明耕地转出为建设用地在各个时期都很活跃，且空间上较集中。2004年《土地管理法》的修订和完善减缓了耕地转移为其他用地的数量和速度，2000~2010年发生范围较前十年大大缩小，但城镇化进程的发展使耕地转化为城乡建设用地的比例并未下降，且推动城乡建设用地面积不断增加。在排序上该类型在各个阶段均处于第1位（图5），可见耕地的减少在各阶段都成为主要趋势，城市建设用地占用耕地的现象一直存在。

其次，变化较为突出的图谱单元类型是“未利用地→水域（编码64）”，主要发生在1990~1995年，这一时期该类图谱单元数占总单元数的5.09%，空间分离度为2.02。由于人类对自然湿地的开发利用——围湖造田和养殖等，导致95.75%的未利用地在这一时期发生转化，其中82.39%转移为水田、鱼塘等人工水域，集中分布在微山县境内的南四湖湿地。其他时段该图谱单元数最少，空间分离度较大且最大达到36.39，说明在1995~2010年少有未利用地转化为水域用地，其图谱空间分布极为分散。其它地类中与水域发生转化最为明显的是耕地，“水域→耕地（编码41）”和“耕地→水域（编码14）”发生在各个阶段，这两类变化图谱单元总量较小，空间分离度不大，分布地区也较为特殊，主要集中分布在南四湖湿地及流域内河流流经之处。1995~2000年持续多年（1997、1999、2000年为干旱年）的干旱，导致水域面积的减少，由于生态补水活动的增加，水域面积在2000~2010年有所增加。

再次是林地和草地的变化，主要是其与耕地之间的相互转化（编码31及编码13、12、21），前十年受生态退耕和垦殖活动的影响，林地、草地主要由耕地转移而来，也主要转出为耕地。这四类图谱单元类型空间分离度相近，并与耕地和建设用地的相互转化（编码15和51）及耕地和水域的相互转化（编码14和41）空间分离度相差不大，说明这四类图谱单元在区域上分布也相对集中，主要分布在流域东部多山地丘陵的枣庄市、滕州市、邹城市、泗水县境内，这与林地、草地的区域分布相一致。后十年林地和草地与其它地类之间的转移作用较为微弱。

总体来看，随着时间的发展，图谱变化单元类型的总数逐渐减少，由1990年的31类图谱单元类型减少至2010年的10类，土地利用发生转换的空间进一步缩小，范围由密集分布在全流域逐渐变为分散在山东省境内。1990~2010年城市建设用地占用耕地的现象发生在各个时期，1990~1995年发生的南四湖湿地大面积转化为人工水域是该时段最独特的图谱特征。

3 讨论

本文利用统计方法和遥感技术，揭示了南四湖流域土地利用/覆被的结构变化特征，应用土地利用空间分析指标和地学信息图谱方法，综合分析南四湖流域土地利用/覆被的变化速度和时空变化轨迹，实现该流域土地利用变化“空间格局”与“时间过程”特征的耦合，完善该流域土地利用/覆被变化时空特征的研究。该研究使用的空间分离度在一定程度上可以较好地解释图谱单元在空间上的集散度。南四湖流域土地利用变化是多驱动因子共同作用下的结果，有必要对流域内土地利用变化过程的驱动机制进行深入研究，以便更好地探讨如何管理和利用土地资源，为土地资源的可持续利用奠定科学基础。

4 结论

本文利用土地利用变化空间分析指标和地学信息图谱方法，从土地利用变化的速度和土地利用变化的空间差异等方面对南四湖流域20年来的土地利用动态变化进行定量分析，得出如下结论：

（1）1990~2010年研究区内土地利用类型以耕地、城乡建设用地、水域为主，其中耕地面积最大。耕地占总用地面积的比例呈不断减少的趋势，而城乡建设用地面积占比逐年增加，未利用地面积占比逐年减少。流域内土地利用类型分布与地形密切相关，耕地和建设用地多分布在平原地区，林地和草地较多分布在多山地丘陵地区，未利用地分布在南四湖湿地。

（2）不同阶段的土地利用变化速度相对较为缓慢，土地利用变化速度有减缓趋势。从各时期不同土地利用类型变化速度来看，耕地的减少速度和城乡建设用地的增加速度不断增大，未利用地和水域的变化速度不断减少，逐渐趋于平缓。由1990~2010年不同土地利用类型的动态度可知，近20年南四湖流域未利用地减少最快，这是流域内土地利用变化最为独特的特征。

（3）从土地利用类型时空变化轨迹来看，1990~2010年不同时期南四湖流域土地利用类型转换存在较大差异，图谱变化单元类型的空间分布与各地类的空间分布具有较大相关性，具有明显的区域分布特征。前十年和后十年相比，土地利用变化更为剧烈。耕地转换为城乡建设用地是各个阶段研究区土地利用类型转化的主要特点，并且这种转换主要分布在除微山县之外的各个县域。未利用地主要转化为水域，主要发生在1990~1995年，表现为南四湖自然湿地的快速缩减和人工水域大面积快速扩张，而在其它时段变化均不显著。总体来看，城乡建设用地占用耕地是南四湖流域各阶段土地利用变化主要的特征，1990~1995年由于人类的围湖造田和养殖等活动导致的南四湖湿地的大面积快速缩减是该流域土地利用变化最独特的特征。

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Spatial and Temporal Characteristics of Land Use/Cover Changes in Nansi Lake Basin

CHU Cui-cui1, LIAN Li-shu1,2*, YU Miao1, YU Feng-shuo1

1.276826,2.276826,

Based on the land use spatial analysis index and map method, the spatial and temporal characteristics of land use/cover change in the Nansi Lake Basin from 1990 to 2010 were obtained by using five periods of land use data and combining with GIS and RS technology. ①From 1990 to 2010, the pattern of land use in Nansi Basin was mainly cultivated land, urban and rural construction land and water area, and the distribution of land use types in the basin was closely related to the topography of the basin. ②The integrated dynamic degree of land use in this area was 0.39% in the last 20 years, and the overall change rate was slow. Among different kinds of land use changes, the unused land in Nansi Lake Basin decreased dramatically, which was the most unique characteristic of land use change in this basin. ③There were different degrees of conversion among different land types in the basin. Occupying cultivated land in urban and rural construction land was the main feature of the conversion of land use types in different stages, it was concentrated in every county in the basin. 82.39% of the unused land was converted into artificial water in 1990-1995, mainly distributed in the Nansi Lake wetland nature reserve. The conversion among cultivated land, woodland and grassland mainly occurred in the hilly region in the eastern part of the Nansi Lake Basin.

Land use/ cover change; spatial-temporal characteristics; Nansi Lake

S29

A

1000-2324(2018)03-0417-07

2016-09-02

2016-12-03

教育部人文社科项目(14YJCZH138);山东省自然科学基金(ZR2015DL001)

初翠翠(1993-),女,硕士研究生,研究方向:土地利用变化的气候效应. E-mail:Chucc9304@126.com

Author for correspondence. E-mail:llsh8210@163.com