五台县土地利用变化研究

张 华，张宇飞，黄一恒，圣 振，高润禧，杨 柳

(中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

1 引言

土地利用变化是改变生态环境质量的重要因素，也是人类活动对自然环境施加影响的显著表现形式[1]。在快速城市化及经济高速发展、人口急剧增长的背景下，土地利用方式不断变化，同时也引发了一系列自然生态相关问题。为了对有限的土地进行更加合理地规划及使用，减少因土地不合理规划造成的自然及社会问题，对土地利用变化特征及其驱动机制进行研究是必要的。

目前针对五台县的研究大多集中在佛教文化[2]、生态旅游[3]、地理环境[4]等方面，而对其土地利用情况及生态结构方面的研究则少之又少。近年来，随着该地区旅游活动的增多、过度放牧及不合理的矿山开采等人为因素的影响，五台县地区水土流失严重，人地矛盾问题突出[5]。本文以五台县为研究区域，采用研究区域2013～2021年遥感影像数据以及其他有关数据提取土地利用特征，并在分析土地利用变化的基础上探究其变化原因，为五台县土地利用规划提供依据。

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区概况

五台县位于山西省境东北部。由于五台县位置偏北，地势又高，气候寒冷，素有“华北小兴安岭”之称。年平均降雨量500 mm，无霜期90～150 d。五台县属于温带大陆性季风气候，年内气候变化受大气环流的影响明显[6]。五台县境内的五台山，山峦重叠，地形复杂，旅游资源丰富。五台县辖区面积为2865 km2，耕地面积为51万亩，占全县面积的12.1%，常住人口约21.62万人，人口密度为75人/ km2。

2.2 数据来源

本文所用数据主要为遥感影像数据和气象数据。卫星遥感影像数据来源于地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn),对其进行图像处理，解译各个时期各种类型的五台山地区土地面积和分布，根据研究需要，将土地分为耕地、林地、草地及未利用土地、水域和建设用地；气象数据主要来源于《山西省统计年鉴》(http://www.shanxi.gov.cn/sj/tjnj/)及天气网(https://www.tianqi.com)。

3 研究方法

3.1 土地利用变化量

各土地利用类型在数量上的变化是土地利用变化最显著的特征，在时序上的变化可以通过不同土地利用类型面积的变化量来反映[7]。

ΔU=Ub-Ua

(1)

式(1)中，ΔU为某种土地利用类型面积变化量；Ua、Ub为研究期初与研究期末土地利用类型的面积。

3.2 土地利用信息熵

信息熵是能反映某一区域在某个阶段土地利用类型综合性变化以及有序程度[8]。计算公式为：

(2)

式(2)中，Pi为第i类土地面积占区域总面积的百分比；i为土地利用类型[9]。

理论上当P1=P2=…=PN=1/N时，H达到最大值。计算得到的熵值越大，土地利用类型多样性越高，土地利用程度越高、结构越均衡[10]，土地功能越完善。

本文为了增加信息熵的可比性，引入了均衡度公式：

(3)

当J趋近于0时，土地利用结构趋近于最不平衡的状态，而当J=1时，土地利用结构处于理想化的最平衡状态[11]，土地构成差别越小。优势度与多样性的变化相反，反映区域内土地利用类型受支配程度，其公式如下：

I=1-J

(4)

3.3 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度可以表达在一定时间范围内，研究区的某种土地利用类型在数量上是如何变化的[12]。计算不同土地利用类型的动态度可以对研究区土地利用类型的变化程度进行表达，其计算公式为：

(5)

式(5)中，Ua、Ub为研究期初和研究期末某种土地利用类型的面积；Ta、Tb为对应研究期初和期末的时间，Ta和Tb以年为单位计算；K为研究区域某种土地利用类型的年变化率。

3.4 土地利用类型转移分析

土地利用类型的转换包括转入和转出，可以借助土地利用转移矩阵来定量分析研究期内某一地类转出及转入的变化情况[13]。土地利用转移矩阵对区域内土地利用变化的结构特征以及各类用地变化的方向有着良好的刻画效果[14]。具体计算公式[15]：

(6)

式(6)中，S为面积；i为基期年土地利用类型，i∈ [1，n]；j为期末年土地利用类型，j∈ [1，n]；Sij为研究期内第i类土地转移为第j类土地的面积总和。

4 结果分析

4.1 土地利用类型面积变化

对五台县土地利用数据进行处理分析得到2013～2021年五台县的土地利用类型变化情况，如表1。从表1可以看出，2021年与2013年相比，耕地、林地面积有所下降，草地及未利用地、水域、建设用地面积有所增加。林地减少面积最大，减少了527.58 km2，草地及未利用地增加面积最大，增加了615.33 km2。2013～2021年五台县各土地利用类型占比如图1，通过图1可以更直观地看到各土地利用类型地变化情况。

4.2 土地利用信息熵

根据公式(2)、(3)、(4)计算得到五台县2013～2021年土地利用结构信息，如表2。由表2可知，研究期间，土地利用结构信息熵和均衡度有所上升而优势度相反。区域内各种土地利用类型面积发生了显著变动，土地利用类型多样性增加，土地利用结构趋于均衡状态，导致五台县土地利用结构的均衡度和信息熵增大。

表1 2013～2021年五台县土地利用类型变化情况

图1 2013～2021年五台县各土地利用类型占比

表2 五台县2013～2021年土地利用结构信息

4.3 土地利用动态度

由式(5)计算得到耕地、林地、草地及未利用地、水域、建设用地的动态度如表3。由表3可知，2013～2021年，耕地、林地、草地及未利用地、水域和建设用地的土地利用动态度分别为：-3.09%、-4.53%、10.24%、10.8%和7.49%。耕地、林地的单一土地利用动态度为负值，说明耕地、林地面积有所减少，呈现负增长状态；草地及未利用地、水域、建设用地面积在增加，呈现正增长状态。其中，水域的单一利用动态度最高，说明水域的年面积变化速率最快，略大于草地及未利用地的动态度，这是由于当地政府近年来积极开展水资源开发工作，解决了当地缺水问题。

表3 土地利用类型动态变化

4.4 土地利用转移分析

土地利用转移矩阵能够反映土地利用类型的面积变化，更加直观地对土地利用变化方向及转化面积进行表达，2013～2017年五台县土地利用转移矩阵如表4所示。由表4可以看出，研究期间，土地利用转移变化主要表现为耕地、林地转出为其他土地利用类型，大部分林地转化为草地，而草地及未利用地、建设用地则有较多转入。耕地、林地都主要向草地及未利用地转移。

表4 2013～2021年五台县土地利用转移矩阵面积 km2

5 结果与讨论

5.1 结果分析

结合土地利用面积变化及土地利用动态度，2013～2021年间，五台县林地面积大幅下降，草地及未利用地面积大幅增加，水域的年面积变化速率最快，略大于草地及未利用地的动态度。区域内各种土地利用类型面积发生了较大变动，土地利用结构趋于均衡状态，导致土地利用结构的均衡度和信息熵增大。从土地利用转移矩阵看，土地利用转移变化主要表现在耕地、林地转出为其他土地利用类型，而草地及未利用地、建设用地则有较多转入。耕地、林地都主要向草地及未利用地转移。

经查阅历年相关资料，2013～2021年间，年平均气温为7.08～8.13 ℃，年降水量也保持在480～540 mm 左右，研究期间气候波动较小。土地利用变化受气候影响程度不明显。

本文认为人为因素是导致五台县土地利用变化的主要原因。为解决汛期供水及排沙矛盾等问题，建设湿地公园满足旅游需求，五台县兴修水库导致水域面积在原有面积上大幅增加。由于其佛教文化及其优越的气候条件，五台县大力发展旅游文化，开发旅游景点，使得一部分林地转化为草地及建设用地，而退耕还林还草政策的有效实施也使一部分耕地转化为林地和草地。此外，相关资料显示，五台县在研究期间发生过由于人类缺乏防火意识及不合理行为导致的几次大面积森林火灾，成为林地面积大幅减少的原因之一。

5.2 讨论

本文以山西省忻州市五台县为研究区域，对2013年及2021年的遥感影像进行解译，将土地利用类型分为耕地、林地、草地及未利用地、水域和建设用地五类，分析五台县土地利用变化的基本特征及变化去向等特征规律，并结合相关资料对变化原因进行分析。五台县2021年较2013年相比，土地利用结构更加复杂，各利用类型面积差别更小，各土地类型在整体上趋于均衡。结合相关资料进行分析，导致五台县土地利用变化的原因主要是人类活动，如旅游区开发、水源地开发和人类引发的森林火灾等，但影响五台县土地利用变化的具体驱动因子还需结合经济社会数据进一步研究。