基于GIS的丹江口水库土地利用/覆被动态变化特征分析

李小根， 段小芳， 付景保， 李思瑶， 邓梦莹， 张子政

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046； 2.河南工程学院，河南 郑州 451191)

土地利用/土地覆被变化(Land-Use and Land-Cover Change，LUCC)是反映人类活动对环境影响的最重要因素之一[1]。人类活动是土地利用变化的驱动因素，土地覆被变化则是土地利用变化的必然结果。随着全球气候的加速变化以及城镇化建设的不断推进，土地利用/土地覆被发生了巨大变化，随之而来的生态环境变化以及社会经济发展问题引起了人们的广泛关注。LUCC作为影响全球环境变化的主要驱动力，已成为关于全球环境和气候变化的研究热点[2]。国内外不少学者已在研究土地利用/土地覆被变化方面取得了不少成果[3-10]。结合现有的LUCC数据和分析成果，能够得到研究区域土地利用和土地覆被的空间变化过程、变化特征以及影响LUCC的驱动因素。因此，开展土地覆被类型变化研究，可为土地规划、城市建设、水土资源保护等提供决策依据[11]。

丹江口水库是南水北调中线工程的取水地，库区主要分布在湖北省的丹江口市和河南省的南阳市淅川县。自2014年起，向北京、天津、河南、河北4个省市提供生产生活和工农业用水。因此，对丹江口水库及南水北调中线工程沿线地区的水生态环境、水资源以及水利工程的保护尤为重要，必须保障南水北调中线工程的供水安全。不少学者[12-15]对南水北调中线工程水源区做了研究，主要集中在土地利用格局、水土流失效应、土壤侵蚀变化趋势等方面。丹江口水库作为南水北调中线工程的核心水源区，对湖北省丹江口市和河南省淅川县进行土地利用和土地覆被变化研究，有助于掌握丹江口水库的土地利用现状以及土地覆被的动态变化特征，对其提高生态环境质量和促进社会经济可持续发展具有指导意义。

1 研究区概况与数据来源

研究区域为丹江口水库库区的主要分布区域——湖北省丹江口市和河南省淅川县，地理坐标为东经110°47′53″～ 111°52′29″、北纬32°14′10″～ 33°23′02″，地势由西北向东倾斜。丹江口水库的水源主要来自于汉江，占比为90%，其余来自丹江；2012年大坝加高后，水库水域面积达到1 022.75 km2。研究区气候属于亚热带季风气候，冬季温和少雨，1月份多年平均气温普遍在0 ℃以上；夏季高温多雨，7、8月份多年平均气温一般为25～35 ℃，年降水量一般在800～1 000 mm，水量较为丰沛。研究区域如图1所示。

图1 研究区地理位置

研究区2000年、2010年、2020年的地表覆盖数据来源于国家基础地理信息中心的全球地表覆盖数据产品服务网站(DOI：10.11769)，分辨率为30 m。

2 研究方法

2.1 土地利用/覆被变化分析

在ArcGIS中，依据丹江口市和淅川县的行政区划矢量文件分别对2000年、2010年、2020年的地表覆盖数据按掩膜提取，得到研究区域，并按照国家基础地理信息中心提供的表示土地覆被类型的代码进行标注(表1)。制作土地利用/覆被变化图，在此基础上进行栅格矢量化、叠加分析、建立面积属性并计算，将得到的数据转入到Excel表中，经透视分析后，得到不同年份之间的各土地覆被类型相互转换的面积转移矩阵；进而根据数据结果对研究区域进行土地利用/覆被变化分析。技术流程如图2所示。

表1 土地覆被类型分类代码

图2 技术流程图

2.2 数学模型法

除了引用土地利用动态度、土地利用变化强度、土地利用开发度和土地利用耗减度这4项基本指数外，同时为了更好地分析研究区域内的土地利用/覆被变化特征，引入了土地利用程度综合指数和土地利用变化率这2个指数来研究区域内土地利用程度变化，引入了土地利用相对变化率这个指数来研究丹江口市和淅川县的土地利用/覆被变化的区域差异。

2.2.1 土地利用动态度

土地利用动态度可以定量地表示土地利用的变化速度，能够预测未来的土地利用变化趋势，它分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[16]。

1)单一土地利用动态度(K)，表示某一土地覆被类型的面积在单位时间内的数量变化情况；K值表示土地覆被类型变化的剧烈程度，K值越小，变化越微弱，相反则越剧烈。其计算公式为：

(1)

式中：Ua为在时刻a某土地覆被类型的面积；Ub为在时刻b某土地覆被类型的面积；T为研究时长。

2)综合土地利用动态度[17](LC)，可以反映出研究区的整体土地利用变化的速度和情况。其计算公式为：

(2)

式中：LUi为研究时段内初期的i类土地覆被类型的面积；ΔLUi-j为研究时段内i类土地覆被类型转换为j类(j类，非i类)土地覆被类型的面积；n为土地覆被类型分级数；T为研究时长。

2.2.2 土地利用变化强度

土地利用变化强度[18](Q)能够定量地描述人类活动对土地利用变化的影响情况和各土地覆被类型面积在一定时间范围内的变化情况。Q值表示土地覆被类型变化的剧烈程度，Q值越小，土地覆被类型的变化越微弱，相反则越剧烈。其计算公式为：

(3)

式中U为研究区域的总面积。

2.2.3 土地利用开发度

土地利用开发度(LUD)，表示一定时间范围内某土地覆被类型面积的增加情况，以单位时间内某土地覆被类型新增加的面积与研究初期该土地覆被类型面积的比值来表达。其计算公式为：

(4)

式中Xab为从时刻a到时刻b的研究时段内其他土地覆被类型转变为该土地覆被类型的面积之和。

2.2.4 土地利用耗减度

土地利用耗减度(LUC)反映一定时间范围内某土地覆被类型面积的减少情况，以单位时间内某土地覆被类型新减少的面积与研究初期该土地覆被类型面积的比值来表示。其计算公式为：

(5)

式中Jab为从时刻a到时刻b的研究时段内由该土地覆被类型的面积转换为其他土地覆被类型的面积之和。

2.2.5 土地利用程度变化

1)土地利用程度综合指数[16](Z)能够反映出研究区土地利用程度的变化情况和集约程度，可用于土地利用程度的综合评价。其计算公式为：

(6)

式中：Ai为研究区第i级土地利用/覆被类型的分级指数；Ci为研究区第i级土地利用/覆被类型的分级面积百分比；n为某土地利用/覆被类型的分级数。

根据文献[19]，对土地利用/覆被类型进行分级，分别为未利用土地级、林草水用地级、农业用地级和城镇聚落用地级4级，分级指数分别设定为1、2、3、4，见表2。

表2 土地利用程度分级表

2)土地利用变化率[20](ΔLb-a)可以反映出区域土地利用的整体水平和变化方向。若ΔLb-a的值大于0，则表示该区域处于发展期，反之则处于衰退期。其计算公式为：

ΔLb-a=Lb-La；

(7)

(8)

式中：Ai为研究区域第i级土地利用/覆被类型的分级指数；Cia为区域内第i级土地利用/覆被类型在a时刻的面积百分比；Cib为研究区域第i级土地利用/覆被类型在b时刻的面积百分比。

2.2.6 土地利用区域差异

土地利用变化存在着显著的地区差异，可以用各区域某种土地利用类型相对变化率来反映土地利用变化的区域差异[14]。土地利用相对变化率(R)可以体现出各区域土地利用/覆被变化的差异。若R值大于1，表示该区域土地利用变化高于整个研究区的。其计算公式为：

(9)

式中：Ka、Kb分别为某个区域内的某一土地覆被类型在时刻a、时刻b的面积；Ca、Cb分别为整个研究区某一土地覆被类型在时刻a、时刻b的面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用动态变化分析

土地利用变化主要是数量和空间分布的变化[21]。数量即为各土地覆被类型面积的增减情况，空间分布则为各土地覆被类型的分布位置。研究土地利用动态变化最直接的方式是比较各土地覆被类型的面积。

首先，从空间分布上来看，研究区2000年、2010年、2020年的土地覆被情况如图3所示。由图3可知：水体的覆盖面积变化呈递增趋势，主要在丹江口水库库区周围；总体来说，除水体和人造地表的面积有明显的增加外，其他类型的土地覆被面积变化并不显著。

图3 研究区各年份土地覆被情况

然后，从面积上来加以分析，不同年份各土地覆被类型的面积及其变化趋势见表3和如图4所示。

表3 不同年份各土地覆被类型的面积

图4 不同年份各土地覆被类型面积变化

结合表3和图4可知：丹江口水库所在的丹江口市和淅川县土地类型以林地为主，其次为耕地、草地、水体、人造地表、湿地、未利用地；2000—2020年这20年间，水体和人造地表的面积逐年增加，耕地和草地的面积逐年减少；其中，水体的面积变化幅度最大，从2000年的331.13 km2增长到2020年的759.69 km2，增加了428.56 km2，同比增长129.42%。这表明：随着南水北调中线工程的建设，丹江口水库的蓄水能力不断扩大，水位抬升，造成水体面积增加。

3.2 土地覆被类型转移变化分析

土地利用转移矩阵是马尔科夫模型在LUCC研究中的应用。利用马尔科夫模型可以定量地描述各土地覆被类型增加面积的来源和减少面积的去向[22]。土地利用转移矩阵可以清晰地表明研究区域内各土地覆被类型之间的转移情况以及速率。本研究分为两个时间阶段，以10年为一个间隔进行土地利用转移矩阵计算，不同阶段的土地利用转移矩阵分别见表4、表5。

表4 2000—2010年丹江口水库库区土地利用转移矩阵 km2

表5 2010—2020年丹江口水库库区土地利用转移矩阵 km2

第一个阶段(2000—2010年)：草地的面积增加主要为耕地面积的转入，面积转出为耕地、林地、水体，草地面积总体呈现递减趋势，共减少了154.65 km2，2010年相比于2000年减少了15.91%；耕地的面积也同样在减少，其中有142.12 km2的面积转出为水体，同比减少7.39%；林地的面积增加了104.42 km2，同比增加4.09%；人造地表的面积从2000年的101.31 km2增加到123.83 km2，同比增加22.23%，主要从耕地转化而来；湿地的面积只有极小的一部分，面积占比由0.34%变为0.19%，同比减少43.50%；水体的面积变化最大，这10年间，其他土地覆被类型的面积都在向水体转入，转入水体面积最大的为耕地，高达142.12 km2，水体面积共增加了179.71 km2，同比增加54.27%，说明南水北调中线工程使得丹江口水库的水面面积不断增加。

第二个阶段(2010—2020年)：草地、耕地、林地、湿地的面积都在减少，主要转移为水体，其中草地面积转出27.73 km2、耕地面积转出141.96 km2、林地面积转出75.58 km2、湿地面积转出4.70 km2，2020年相比2010年分别减少了3.95%、11.51%、3.71%、24.11%；水体和人造地表的面积呈递增趋势，从2010年到2020年，水体的面积增加了248.85 km2，同比增加48.71%，人造地表的面积增加了64.39 km2，同比增加52.00%。受人类活动的影响，研究区域出现了未利用地，是由草地、耕地、林地、湿地、人造地表的部分面积转出造成的。

3.3 土地利用/覆被空间变化分析

在ArcGIS中，可做出不同阶段各土地覆被类型两两之间相互转化的空间分布图，如图5所示。

由图5可知：2000—2010年，耕地图斑上有其他颜色的图斑出现，说明耕地的面积向其他土地覆被类型面积转出，其中面积比较大的图斑为耕地-水体。这说明在这10年间，丹江口水库周围的水体面积明显增加，土地覆被类型的变化主要由耕地、林地、草地、湿地转移为水体，表明丹江口水库的蓄水能力在扩大，库区面积在增加。2010—2020年不同土地覆被类型之间的转换，与2000—2010年的相似，其他土地覆被类型大部分转移变为水体。图5清晰地展示出了各土地覆被类型之间转换的空间分布情况，这些变化集中于丹江口水库周围，可以看出水库在逐渐扩大。水库的变化与南水北调中线工程的建设有难以分割的关系。此外，随着社会经济的发展，人造地表的面积也逐渐增加，有少量其他土地覆被类型的面积向人造地表面积转化。研究区域内各个土地覆被类型之间都有相互转化的情况。

图5 不同阶段各土地覆被类型变化空间分布图

3.4 土地利用/覆被变化特征分析

3.4.1 土地利用/覆被描述指数

根据公式(1)—(5)，得到丹江口水库库区的土地利用/覆被变化描述指数值，见表6。分析表6得到如下结论：

1)在丹江口水库库区的单一土地利用动态度中，2000—2010年间水体的单一土地利用动态度最大，为5.43%；而2010—2020年间，人造地表的单一土地利用度最大，为5.20%；这两个阶段湿地的单一土地利用动态度都为最小，分别为-4.35%和-2.42%。在2000—2010年这一阶段，水体和湿地的变化幅度较大，而林地的变化幅度最小；在2010—2020年这一阶段，人造地表和水体的变化幅度较大，其次是湿地，说明主要是人造地表、水体和湿地间的转化。两个阶段的综合土地利用动态度指数分别为0.47%和0.35%，都大于0，表明丹江口水库库区的土地利用速度变化较快。

2)在这两个阶段中，草地、耕地的土地利用变化强度都为负数，而耕地的变化大于草地，即耕地的面积减少较快，表明其开发速度较快；与此相反，水体变化的强度在两个阶段中皆为正数，且数值最大，分别为0.30%和0.42%，说明水体的面积呈现递增趋势，这主要是因为随着南水北调中线工程的建设，必须扩大水源区来满足供水需求。

3)2000—2010年间，丹江口水库库区的土地利用开发度、耗减度表现为湿地和水体的增减互动关系。水体的土地利用开发度为所有土地覆被类型中的最高值，为5.59%，而耗减度仅为0.16%，也是所有土地覆被类型中的最低值，说明水体在这一阶段处于快速发展期，面积变化呈递增趋势。2005年，南水北调中线工程建设开始加高丹江口水库大坝，丹江口水库的蓄水容积达到290.5亿m3，导致淹没上游地区约144 km2的陆地面积，表现为草地、耕地、湿地面积的减少；紧随水体之后的土地利用开发度较高的为湿地、人造地表，分别为4.94%、2.84%；而草地和耕地则不断地被消耗，草地、耕地的开发度分别为0.38%、0.61%，耗减度分别为1.97%、1.35%；林地的开发度为0.71%，耗减度为0.30%，说明林地这一土地覆被类型的面积变化无较大波动，趋于稳定。

4)2010—2020年间，丹江口水库库区水体和人造地表处于快速发展期，水体的开发度为4.93%，耗减度为0.06%，依然呈现递增趋势，水体迅猛发展是这一时期最显著的土地利用变化特点；人造地表的开发度为7.12%，为同期所有土地覆被类型中最高值，耗减度为1.92%，前期水库扩容产生了库区移民问题，建立安置区致使占用大量耕地，其耗减度为1.35%；湿地消耗最大，耗减度高达4.21%；同时，林地的开发度为0.09%，耗减度为0.38%，出现负增长情况。其中，在2020年时的土地覆被类型图中，出现了未利用地，但是在2010年并没有出现，因此未得到未利用地的土地开发度和耗减度的计算结果。

5)2000年、2010年、2020年的土地利用程度综合指数分别为236.04、234.38和232.91。2000—2010年的变化值为-1.67，即土地利用变化率值为-1.67<0，表明丹江口水库库区的土地利用开发程度较低，土地利用处于衰退期。与2000—2010年的发展状态相同，2010—2020年的土地利用变化率值为-1.47<0，该区域的土地利用处于缓慢发展期。

表6 丹江口水库库区土地利用/覆被描述指数值 %

3.4.2 土地利用区域差异

为了更好地研究水库周边的土地利用/覆被变化特征，这里采用了土地利用相对变化率，分别对丹江口市和淅川县两地进行土地利用变化分析。丹江口市和淅川县的不同年份土地覆被类型面积见表7。根据公式(9)计算，得到丹江口水库库区土地覆被类型相对变化率，见表8。

第一个阶段，丹江口市的耕地、林地、人造地表的相对变化率分别为1.03、1.00和1.33，都大于1，表明丹江口市这几个土地覆被类型的相对变化率与丹江口水库库区的变化基本一致；而草地的相对变化率为0.87，水体的相对变化率为0.90，都小于1，表明草地和水体的变化幅度低于整个研究区的变化幅度。与丹江口市不同，淅川县水体的相对变化率为1.11>1，说明此阶段，丹江口水库水体增加的主要来源是淅川县的水体面积增加；耕地的相对变化率为0.98<1，说明淅川县耕地的变化幅度小于整个研究区的变化幅度；林地、草地和耕地的相对变化率情况和整个研究区的变化幅度基本相同。

第二个阶段，在水体这一土地覆被类型方面，丹江口市的相对变化率要大于淅川县的相对变化率，丹江口市的为1.02，淅川县的为0.99，这与2012年丹江口大坝加高密切相关，丹江口市的水体面积增加幅度大于淅川县的；丹江口市林地、草地的相对变化率分别为0.99、0.98，均小于1；而淅川县的林地、草地的相对变化率分别为1.02、1.01，均大于1，与丹江口市这两个土地覆被类型的变化幅度恰恰相反；除湿地外，丹江口市和淅川县的耕地、水体、人造地表的相对变化率呈现相反情况。

总的来说，丹江口市和淅川县的土地覆被变化情况与丹江口水库库区的变化幅度基本相似。综合两个阶段来看，整个研究区不同土地覆被类型的变化主要来源于淅川县。

表7 丹江口市和淅川县的不同年份土地覆被类型面积 km2

表8 丹江口水库库区土地覆被类型相对变化率

4 结语

本文系统地分析了研究区域的LUCC空间变化特征以及土地覆被类型的变化过程与机制。结论如下：

1)丹江口水库的水域面积随着南水北调中线工程建设的需要逐渐扩大。20年来，耕地、草地、湿地的面积变化单一，呈现递减趋势；而林地的面积变化有起伏，呈现先增加后减少的趋势，总体上呈现小幅度的增加。水体和人造地表的面积在逐渐增加，其中水体由开始的331.13 km2到2010年增加至510.84 km2，增加了54.27%，到2020年又增加至759.69 km2，同2010年相比增加48.71%，增加速度减慢。

2)两个阶段各土地覆被类型之间相互转换关系分别为：2000—2010年这10年以草地→林地，耕地→水体，林地→耕地，人造地表→耕地为主要的转化类型；而2010—2020年这10年是其他土地覆被类型的面积都主要向水体转入，只有水体的覆盖面积在大幅度增加，人造地表的面积少量增加，而其余类型的土地覆被面积均在减少。由此可知，丹江口水库扩容驱动着土地利用类型之间的相互转化，水体占用草地等土地覆被类型是丹江口水库扩容的必然结果。

3)丹江口水库库区的土地覆被类型变化较为单一，主要是其他土地覆被类型转化为水体；从土地利用程度、土地利用开发/耗减度、土地利用综合程度这些指数综合来看，水体处于快速发展期，而其他土地覆被类型处于衰退期。

4)丹江口水库库区的土地利用情况以耕地、林地、草地和水体为主。2000—2010年综合土地利用动态度为0.47%，2010—2020年的为0.35%，变化幅度没有明显的差异，但总体水平呈现下降趋势；丹江口水库的土地利用分布及变化的区域差异并不显著，丹江口市和淅川县的土地利用相对变化率都接近于1，各区域的土地覆被类型变化与研究区整体的变化基本一致。

南水北调中线工程的建设影响着丹江口水库库区的土地覆被类型变化。一方面，丹江口水库位于汉江中上游，水资源丰富；另一方面，随着南水北调中线工程的推进，为了满足供水需求，丹江口水库的蓄水能力不断扩大，水位持续抬高。水位的抬升，使得丹江口水库上游的水体面积逐渐增大。丹江口水库周边的土地覆被类型变化较为单一。