延河流域土地利用变化特征分析

刘 露，朱得胜，夏 帆，黄会平，徐艳杰

（1.华北水利水电大学 测绘与地理信息学院，河南 郑州 450046；2.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046）

人类活动对自然环境的影响日趋激烈，生态平衡被破坏的现象频繁出现，在土地利用方面人类活动对自然环境的改造更加突出。研究土地利用时空变化特征对促进区域生态经济协调发展具有重要意义。人类活动影响地表自然生态系统的直接表现为土地利用的时空变化。土地利用时空变化是人类社会经济活动行为与自然生态过程交互和链接的纽带[1]，能直接影响地球外部圈层之间的相互关系以及自然资源环境的可持续发展。许多学者专家借助RS和GIS技术，通过获得不同地区不同时期的遥感影像数据，采用空间叠加分析法、监督分类法、空间转化矩阵法等多种分析方法对区域的土地利用情况进行了研究和调查，取得了重要成果[2-9]。由于不同区域的太阳辐射度、地面降水、地面气温、地形、土壤和植被等环境因素不同，其土地利用/覆盖变化（LUCC）特征也具有各自的特殊性[10]。

延河流域地处黄土丘陵沟壑区，植被稀少、侵蚀强烈、水土流失严重，是我国重要的生态环境管制区。由于该地区生态环境形式严峻，国家发布了较多的修复政策（退耕还林还草等），因此研究延河流域的土地利用时空变化特征，对寻找最大改善环境的综合治理方法具有重要的促进作用。本文利用1980－2015年7期遥感数据，结合2000－2015年的社会经济数据，揭示了延河流域土地利用时间变化特征以及空间分布格局，分析探讨了LUCC的驱动因素，解析了自然因素和人类活动在LUCC过程中的正负面效应，对研究未来流域生态系统建设过程中的有效措施具有实际意义。

1 研究区概况

延河位于黄河右岸、中游区上段的河口镇至龙门段，是黄河一级支流，发源于靖边县天赐湾乡周山，由西北向东南，流经志丹、安塞、延安，于延长县南河沟凉水岸附近汇入黄河。延河全长286.9 km，流域面积为7 725 km2，平均比降为3.26‰，主要支流为西川、蟠龙川以及杏子河等。流域多年平均降水量为477.3 mm，年平均气温为9.2℃，年均水面蒸发量为1 681.5 mm，多年平均径流总量约为1.96亿m3。延河流域处于我国半湿润气候向半干旱气候过渡带，水土流失是该流域最主要的生态问题之一。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本文采用的主要数据包括陕北地区不同时期的遥感影像和延安市相关统计资料，其中遥感影像为1980年、1985年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7个时期的多光谱数据（www.gscloud.cn），空间分辨率为30 m，坐标系为WGS_1984_UTM_Zone_48N，图像获取时间为4～10月，所选图像含云量均小于10%，数据质量良好；流域内经济社会发展相关统计数据来源于2000－2015年陕西省统计年鉴。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用/覆被类型分类

利用ArcGIS建立直接和间接的解译标志进行监督分类，共分为水体、耕地、林地、草地、建筑用地和未利用地6个一级类以及中覆盖度草地、有林地、灌木林、疏林地、其他林地、高覆盖度草地、低覆盖度草地、河渠、湖泊、水库坑塘、滩地、城镇用地、农村居民点、其他建筑用地、裸土地、旱地16个二级类[11]。

2.2.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是定量研究土地利用类型间相互转化数量和方向的主要方法，能具体反映土地利用变化的结构特征和各类型面积减少的方向[12]，更好地反映其时空演变过程。其计算公式为：

式中，k为时间间隔；LCi为k时间间隔前第i类土地利用类型状态；LCj为k时间间隔后转为第j类土地利用类型状态。

土地利用类型相互转化的转移矩阵数学表达式为：

式中，Sij为研究时段内第i类土地利用类型转移为第j类土地利用类型的面积；i为两个时期中前一时期的土地利用类型；j为两个时期中后一时期的土地利用类型；n为一个时期土地利用类型的总数。

2.2.3 流域坡度与耕地叠置分析

坡度将直接影响农林牧用地分布、水土流失状况、农田基本建设难易程度等，因此分析坡度与土地利用类型之间的关系，可为土地利用结构研究提供基础信息[13]。利用GIS空间分析的叠置分析将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征[7]。

本文利用已有的延河流域DEM数据进行坡度分析，将坡度数据分为大于25°和小于25°两类，作为叠置分析的第一个图层。对流域内1980－2015年7期的土地利用类型图进行重分类，分为耕地与非耕地两类，作为叠置分析的第二个图层。两类图层叠置后便可得到坡度大于25°且为耕地的图层。

3 研究结果分析

3.1 土地利用结果

3.1.1 土地利用结构及其变化

流域内的耕地、林地、草地、水体、建筑用地、未利用地的土地利用结构和变化如表1所示，可以看出，2000年之前，耕地在所有土地利用类型中的占比稳定在44%，缓慢减少了3%，2010－2015年耕地面积减少了9%；林地和草地面积总体呈增加态势，2000年之后林地由原先的10%增加到2015年的14%，2010－2015年草地面积迅速增加了8%；建筑用地的面积占比虽小但变化较大，由0.16%增加到0.54%；水体和未利用地面积小幅变化，总体较稳定。

3.1.2 土地利用类型面积转移矩阵特征

根据2005－2010年土地利用类型转移情况，本文建立了土地利用类型转移矩阵，如表2所示，可以看出，转移变化主要体现在耕地、林地和草地之间，特点为由林地、草地向耕地转移，再由耕地向林地、草地转移；林地与草地之间频繁地相互转移，最终林地更多地转移为草地，使得草地的面积大幅增长；建筑用地的增长面积主要来源于耕地和草地；水体、未利用地的转移不够明显。

表1 1980－2015年延河流域土地利用结构及其变化情况表/hm2

表2 1980年和2015年延河流域土地利用类型转移矩阵/hm2

3.1.3 土地利用类型空间变化特征

本文通过对比1980－1995年和2000－2015年的延河流域土地利用类型空间位置变化发现（图1），1980－1995年流域内土地利用类型发生密集变化的区域主要为延安市区，2000－2015年流域内土地利用类型变化主要集中在北部和中部地区。

图1 延河流域土地利用类型空间变化图

3.1.4 坡度大于25°的耕地变化

我国《水土保持法》规定，禁止在25°以上的坡地开垦耕作，坡耕地开垦极易引发水土流失。1980－2015年延河流域坡度大于25°的耕地面积变化情况如表3所示。

延河流域经常发生由降雨引发的不同范围滑坡，影响当地工农业生产。自1991年《水土保持法》颁布、1999年底实施“退耕还林（草）”生态修复政策以来，陡坡耕地不断转移为其他主要用地。25°以上的陡坡退耕，极大地降低了延河流域水土流失的几率，对流域耕地土壤有良好的保护和维持作用，是流域生态建设所必需的举措，因地制宜规划流域土地利用更是至关重要的。

表3 1980－2015年陡坡耕地面积变化

3.2 驱动因素分析

3.2.1 “退耕还林（草）”政策

1999年黄土高原实行“退耕还林（草）”政策，对延河流域土地利用变化具有重大影响[14]。通过土地利用变化研究发现，2000年、2005年、2010年和2015年延河流域的耕地面积占比分别为44%、41%、41%和32%，林地面积占比由最初的10%增加到14%，表明在“退耕还林（草）”政策的影响下，流域的耕地面积显著减少，常用耕地面积由2000年的7.82万hm2逐渐下降至7.62万hm2，人均耕地面积由2000年的0.124 hm2下降至2015年的0.097 hm2（图2），该政策对流域土地利用类型变化驱动力明显。

图2 延河流域耕地面积和人均耕地面积变化图

3.2.2 人口增长

人口增长对于延河流域土地利用及其时空变化的影响主要体现在延河流域建筑用地的增加，以及延河流域人口从2000年63.33万人增加到2015年的78.49万人。2000－2015年在“退耕还林（草）”政策实施的影响下，流域内耕地面积逐步减少，但人口数量仍以低增长率不断上升，人均耕地面积随之减少，使得庞大的农村人口向城镇转移，大量农业劳动力转化为非农业劳动力，从而促使延河流域建筑用地的增长，2000－2015年建筑用地增加了48.6%。

3.2.3 经济发展

随着社会的不断发展，延河流域所属城市在城市规划、土地应用、重大建设等方面出台了一系列决策，促进了延河流域建筑用地的增长。2000－2015年延河流域的人均生产总值增长速度较快，由1.88万元增长至14.62万元。人均生产总值的提升标志着流域内耕地、草地、林地向建筑用地转移。2000－2015年延河流域的社会经济发展态势持续良好，第三产业发展迅猛，第二产业前期发展快速，随后生产总值较稳定地维持在200亿元左右（图3）。通过对比2000年和2015年的三大产业占比情况发现（图4），第一产业所占生产总值比重降低，第二、三产业所占比重已十分接近；而第二、三产业所对应的区域多为城镇地区，因此可以很好地说明建筑用地面积随着人均生产总值的提升而大幅增加。

图3 延河流域三大产业生产总值图

图4 延河流域三大产业生产总值占比图

4 结 语

针对延河流域特殊的自然环境及其长时间跨度、多背景驱动下土地利用格局的时空变化情况，基于RS和GIS技术，本文利用遥感解译、GIS空间叠加分析、土地利用转移矩阵、和弦图等方法，对延河流域近35 a的土地利用类型结构特征以及时空转移状况进行了分析。

从土地利用结构来看，近35 a延河流域的主要土地利用类型为草地和耕地，草地面积较耕地面积更多，二者总面积超过流域总面积的80%，其次为林地、水体、建筑用地和未利用地。随着时间推移，尤其是2000年之后，耕地面积显著减少，林地、草地面积显著增加，水体、未利用地面积变化不大，建筑用地面积变化较大，但比例很小。耕地主要转移为草地和林地，未利用地转移为建筑用地。“退耕还林（草）”生态修复政策的实施、产业经济生产总值的不断上升、人口数量的稳定增长、城镇化发展迅速均对流域土地利用结构变化有驱动作用，是土地利用时空变化特征的主要影响因素。