宋維念，占車(chē)生，李景玉，徐宗學(xué)，王會(huì)肖

（1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣東深圳518036；2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京100101；3.中國(guó)土地勘測(cè)規(guī)劃院，北京100035；4.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京100875）

1 引言

土地利用/覆被變化對(duì)區(qū)域生態(tài)、水文過(guò)程有著極其顯著的影響，可引起土壤狀況、地表產(chǎn)水量、土壤侵蝕量及生物多樣性等許多自然和生態(tài)過(guò)程的變化[1]。土地利用正在改變地球表面土地覆被格局，不僅改變了陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而且改變其功能[2]，能直接反映當(dāng)今全球環(huán)境變化的主導(dǎo)因子——人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響。

渭河是黃河的最大支流，也是陜西省的第一大河，聚集了陜西省64%的人口、56%的耕地、72%的灌溉面積、82%的工業(yè)總產(chǎn)值和81%的國(guó)民生產(chǎn)總值，是關(guān)中地區(qū)的“母親河”。渭河流經(jīng)的關(guān)中盆地，東西長(zhǎng)約360 km，南北寬30—80 km，總面積約2—3萬(wàn)km2。平原區(qū)由于悠久的農(nóng)墾歷史，自然植被已被人工種植代替，農(nóng)業(yè)種植多以小麥、棉花、玉米等為主。南部秦嶺氣候溫濕，地勢(shì)崎嶇，由于數(shù)千年的人類(lèi)活動(dòng)，原生的天然植被已被破壞，栽植有大面積的林果樹(shù)，表現(xiàn)出稀疏低矮、植物種類(lèi)單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特征。近年來(lái)，渭河流域的土地利用變化及其引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)受到越來(lái)越多學(xué)者的重視。張海龍等[3]基于1988年和2003年兩期渭河土地利用類(lèi)型圖，研究了渭河盆地景觀動(dòng)態(tài)變化特征以及由此所引起的一系列生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。李景宜等[4]基于1989年和2000年兩期渭河土地利用類(lèi)型圖，研究渭河下游洪泛區(qū)土地景觀格局變化及其驅(qū)動(dòng)力。胡宏昌等[5]基于1986年和2000年兩期渭河土地利用類(lèi)型圖，研究了渭河流域土地利用及覆被變化對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)程度。程磊等[6]基于1980年、1990年和2000年3期渭河流域土地利用類(lèi)型圖，研究了渭河流域1980—2000年間土地利用變化規(guī)律。

為了探討2000年以后研究區(qū)土地利用的新變化，本文采用1980、1990、2000、2005和2007年5個(gè)時(shí)相的Landsat MSSTMETM影像數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史資料和野外定點(diǎn)采樣驗(yàn)證，對(duì)渭河關(guān)中地區(qū)土地利用變化進(jìn)行遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從土地利用/覆被變化幅度、變化速度和變化趨勢(shì)等方面，分析渭河關(guān)中地區(qū)近30年來(lái)的土地利用/覆被變化格局的時(shí)空變化。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

選用的遙感影像資料為美國(guó)陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)，5期數(shù)據(jù)包括20世紀(jì)80年代初（1977年、1978年、1979年）和90年代初（1988年、1990年）、2000年、2005年、2007年5個(gè)典型時(shí)期數(shù)據(jù)，成像時(shí)間均為每年的生長(zhǎng)季。

以2000年Landsat TM圖像為控制影像，選取20—25個(gè)大地控制點(diǎn)，應(yīng)用雙線性插值法對(duì)圖像進(jìn)行幾何糾正，重采樣后，誤差在半個(gè)像元內(nèi)，再進(jìn)行拼接裁減等數(shù)據(jù)預(yù)處理。經(jīng)過(guò)輻射校正和幾何校正的影像，攜帶有豐富的地物信息，為了能全面的利用這些信息，對(duì)影像進(jìn)行波段組合、圖像融合、直方圖拉伸等處理。MSS選用3、2、1波段，TM選擇4、3、2波段，ETM選擇4、3、2波段并與PAN波段進(jìn)行融合，合成假彩色影像。

2.2 圖像解譯

根據(jù)Landsat影像的實(shí)際可解譯力，充分考慮研究區(qū)域土地利用的基本特點(diǎn)和歷史土地調(diào)查資料情況，參考中國(guó)土地資源分類(lèi)系統(tǒng)，把渭河關(guān)中地區(qū)的土地利用/覆被類(lèi)型化分為6個(gè)一級(jí)類(lèi)型：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地；各大類(lèi)又進(jìn)一步劃分為有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆被草地、中覆被草地、低覆被草地、河渠、湖泊、水庫(kù)和坑塘、灘地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地、公交建設(shè)用地、沙地、鹽堿地、沼澤地、裸土、裸巖石礫地、山區(qū)水田、丘陵區(qū)水田、平原區(qū)水田、山區(qū)旱地、丘陵區(qū)旱地、平原區(qū)旱地、＞25°旱地共計(jì)26個(gè)二級(jí)類(lèi)型。然后在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)支持下，用線性拉伸和直方圖均衡化對(duì)影像進(jìn)行處理，提高可識(shí)別性，建立解譯標(biāo)志，進(jìn)行目視解譯，利用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和輔助資料驗(yàn)證，得到不同時(shí)期土地利用/覆被變化數(shù)據(jù)，并從中提取相關(guān)土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)建立轉(zhuǎn)移矩陣。

為提高解譯土地覆被類(lèi)型的精度，咨詢(xún)了當(dāng)?shù)氐木用窈土饔蚬芾砣藛T，對(duì)當(dāng)?shù)赝恋乩矛F(xiàn)狀及歷史作了比較全面的了解，并對(duì)渭河流域土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察和驗(yàn)證，修定原分類(lèi)圖。

2.3 數(shù)據(jù)分析

土地利用與土地覆被變化，可以通過(guò)土地覆被類(lèi)型的變化幅度、土地覆被類(lèi)型的動(dòng)態(tài)速度和土地覆被類(lèi)型的變化趨勢(shì)來(lái)反映。土地覆被類(lèi)型變化還包括不同類(lèi)型間的相互轉(zhuǎn)移過(guò)程，可用土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣描述。利用GIS軟件，將不同時(shí)期的土地覆被圖兩兩分別進(jìn)行疊加，獲得1980—2007年5個(gè)時(shí)段的土地覆被類(lèi)型轉(zhuǎn)移信息。

（1）土地利用與土地覆被變化幅度。土地利用與土地覆被變化的幅度是指土地利用與覆被類(lèi)型在面積方面的變化幅度，表達(dá)區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化情況。通過(guò)分析土地利用與覆被類(lèi)型的總量變化，可了解土地利用與覆被變化總的態(tài)勢(shì)和土地利用結(jié)構(gòu)的變化，計(jì)算公式為：

式 1 中，Ud 表示第 i類(lèi)土地覆被類(lèi)型在 t1—t2過(guò)程中的變化幅度，U（i，t1）、U（i，t2）表示研究初期 t1和末期 t2某一土地覆被類(lèi)型i的面積。

（2）土地利用/覆被變化速度。區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)某一土地利用與覆被類(lèi)型變化的速度，用單一土地利用/覆被類(lèi)型動(dòng)態(tài)度表達(dá)，包括轉(zhuǎn)出速度和轉(zhuǎn)入速度。計(jì)算公式為：

式2中，Vout、Vint分別代表第i類(lèi)土地覆被類(lèi)型在t1—t2過(guò)程中的轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入速度；△out、△int分別代表第i類(lèi)土地覆被類(lèi)型在t1—t2過(guò)程中的轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入面積。

（3）土地利用/覆被變化的趨勢(shì)。土地利用/覆被變化的趨勢(shì)用狀態(tài)指數(shù)來(lái)表達(dá)，計(jì)算公式為：

式3中，P代表第i類(lèi)土地覆被類(lèi)型在t1—t2過(guò)程期間的狀態(tài)指數(shù)；Vint、Vout分別代表第i類(lèi)土地覆被類(lèi)型在t1—t2過(guò)程中的轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入速度。

對(duì)于P，一般認(rèn)為，當(dāng)0＜P＜1時(shí)，則該土地利用與覆被類(lèi)型朝著規(guī)模增大的方向發(fā)展，該類(lèi)型處于“漲勢(shì)”狀態(tài)。P越接近0，表明該土地利用與覆被類(lèi)型的規(guī)模增長(zhǎng)緩慢，且雙向轉(zhuǎn)換頻繁，呈現(xiàn)平衡勢(shì)，但轉(zhuǎn)換為其他類(lèi)型的面積略小于其他類(lèi)型轉(zhuǎn)為該類(lèi)型的面積；P越接近于1說(shuō)明土地類(lèi)型的轉(zhuǎn)換方向主要為其他類(lèi)型轉(zhuǎn)換為該類(lèi)型，呈現(xiàn)極端非平衡趨勢(shì)，致使該類(lèi)面積穩(wěn)定增加。當(dāng)-1＜P＜0時(shí)，則土地利用與覆被類(lèi)型朝著規(guī)模減小的方向發(fā)展，該類(lèi)型處于“落勢(shì)”狀態(tài)。越接近0表明該土地利用與覆被類(lèi)型的規(guī)模處于緩慢減少的態(tài)勢(shì)，呈現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換均衡趨勢(shì)，但轉(zhuǎn)換為其他類(lèi)型的面積略大于其他類(lèi)型轉(zhuǎn)換為該類(lèi)型的面積；P越接近于-1，說(shuō)明土地類(lèi)型的轉(zhuǎn)換方向主要為該類(lèi)型轉(zhuǎn)換為其他類(lèi)型，呈現(xiàn)極端非平衡趨勢(shì)，致使該類(lèi)型規(guī)模逐步萎縮。

（4）土地利用/覆被變化的方向。土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣可以有效地描述土地利用/覆被變化的方向及在不同方向上的分量。利用GIS軟件，將不同時(shí)期的土地覆被類(lèi)型圖兩兩分別進(jìn)行疊加運(yùn)算，可獲得1980—2007年5個(gè)時(shí)段的土地覆被類(lèi)型轉(zhuǎn)移信息。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用/覆被特征

通過(guò)遙感解譯，得出不同時(shí)期渭河關(guān)中地區(qū)土地利用/土地覆被類(lèi)型圖（圖1，封二）。渭河關(guān)中地區(qū)主要土地覆被類(lèi)型是耕地，占地面積接近50%，其次是林地和草地，建設(shè)用地、水域、未利用地土地面積比重不大。不同年份不同土地覆被類(lèi)型面積有一定變化。從1980—2007年間，建設(shè)用地面積持續(xù)增長(zhǎng)，這是城市化發(fā)展的表現(xiàn)。1980—1990年時(shí)期，林地、草地、水域有所增加，耕地面積減小。1990—2000年時(shí)期，林地、草地、水域面積大幅度減小，耕地面積增加，土地利用程度提高。2000—2005年、2005—2007年兩個(gè)時(shí)期，林地、草地面積增加，水域面積仍保持較低的狀態(tài)，耕地面積減小。

圖1 不同時(shí)期渭河關(guān)中地區(qū)土地利用/土地覆被類(lèi)型圖Fig.1 LUCC maps in different periods in Guanzhong plain of Weihe river basin

3.2 土地利用變化幅度分析

如表1所示，不同土地利用/覆被類(lèi)型比較，耕地、草地、建設(shè)用地變化幅度均是在1980—1990年期間、1990—2000年期間大于2000—2005年期間、2005—2007年期間，體現(xiàn)了不同時(shí)期，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地利用變化影響強(qiáng)度的差異。

表1 不同土地利用/覆被類(lèi)型的變化幅度 單位：%Tab.1 The land use/cover change amplitude from 1976 to 1990 unit:%

3.3 土地利用/覆被變化速度和趨勢(shì)分析

如表2所示，1990—2000年之間水體狀態(tài)指數(shù)為-0.43，水域轉(zhuǎn)入速度小于轉(zhuǎn)出速度，在該段時(shí)間大幅轉(zhuǎn)移為其他類(lèi)型。而后兩個(gè)時(shí)期，水域面積基本保持不變。建設(shè)用地近30年間面積逐漸增大，并且增長(zhǎng)的速度越來(lái)越快，處于增長(zhǎng)趨勢(shì)。耕地在1990—2000年之間規(guī)模增大，而后呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。近30年間，林地、草地狀態(tài)指數(shù)有正有負(fù)，在1990—2000年呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，隨后規(guī)模增大。

3.4 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣分析

如表3所示，不同時(shí)期，同一土地覆被類(lèi)型變化的方向大致相同。林地主要向草地和耕地轉(zhuǎn)移，草地、水域、居民地轉(zhuǎn)移的主要方向都是耕地。1980—1990年間，林地、草地、水域、居民地轉(zhuǎn)移的主要方向都是耕地，其中說(shuō)明這段時(shí)間農(nóng)業(yè)發(fā)展，砍伐森林、開(kāi)墾草地，使得農(nóng)田規(guī)模變大。耕地轉(zhuǎn)移的主要方向是草地和居民地，其中平原區(qū)旱地向高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地分別轉(zhuǎn)移了24.47 km2、79.87 km2、406.377 km2。這可能是汛期蓄洪滯洪作用以及渭河游蕩型河床特征的綜合作用的結(jié)果。而耕地向農(nóng)村居民點(diǎn)、城市用地、公交建設(shè)用地分別轉(zhuǎn)移了80.90 km2、344.16 km2、8.77 km2，其中城市用地占了大部分，說(shuō)明該時(shí)期城市擴(kuò)張迅速。1990—2000年，林地、草地、水域轉(zhuǎn)移的主要方向仍然是耕地，并且轉(zhuǎn)移的幅度有所增加，說(shuō)明農(nóng)業(yè)化程度加大。其中水域轉(zhuǎn)移的主要方向是平原區(qū)旱地32.35 km2，灘地14.37 km2，表現(xiàn)了游蕩型河流河邊耕地與水域之間明顯相互轉(zhuǎn)化，體現(xiàn)了渭河水量在此期間的銳減。在此期間，建設(shè)用地持續(xù)擴(kuò)大，是以耕地的減少為代價(jià)，有458.26 km2的耕地轉(zhuǎn)移為居民地及建設(shè)用地。其中有344.16 km2是由旱地農(nóng)田向農(nóng)村居民用地轉(zhuǎn)移的。說(shuō)明此時(shí)期，農(nóng)村發(fā)展迅速，大量開(kāi)挖建設(shè)，不透水用地面積增大，不利于地表水與地下水質(zhì)之間的交流。2000—2005年，林地、草地向耕地轉(zhuǎn)移的程度減小很多。2005—2007年，主要是林地和草地之間的轉(zhuǎn)移。耕地向林地轉(zhuǎn)移309.67 km2、向草地轉(zhuǎn)移223.28 km2。

4 結(jié)論和討論

渭河關(guān)中地區(qū)主要的土地覆被類(lèi)型是耕地，占地面積接近50%，耕地規(guī)模在1990—2000年之間大幅增加，而后呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，并在2005—2007年之間趨于平衡。建設(shè)用地面積持續(xù)增大，并且增大得越來(lái)越快，在2005—2007年仍表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)。水域面積在1990—2000年出現(xiàn)了大幅減小，其中以河渠面積減小最為強(qiáng)烈。林地與草地規(guī)模處于波動(dòng)中，變化趨勢(shì)在不同時(shí)期表現(xiàn)不同，在1990—2000年呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，隨后規(guī)模增大。

表2 不同土地覆被類(lèi)型的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)和狀態(tài)指數(shù)Tab.2 The change indexes of the single land-use/cover type

土地利用/覆被變化的幅度、方向表現(xiàn)了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演變的強(qiáng)度和方向。1980—1990年，河流水量豐富，河谷、河漫灘及附近地帶，由農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。同時(shí)城市向其邊緣的耕地迅速擴(kuò)張，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向城市生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，影響局地氣候、水文狀況、以及景觀格局。1990—2000年，河流水量銳減，河流附近林地、草地被開(kāi)墾，向物種單一的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，物種多樣性減少。在此期間，農(nóng)村發(fā)展迅速，建設(shè)用地繼續(xù)向耕地?cái)U(kuò)張，耕地向林地、草地?cái)U(kuò)張，林地、草地規(guī)模大量減小。2000—2005年，建設(shè)用地仍在擴(kuò)張，由于良好的生態(tài)環(huán)境建設(shè)政策，林地、草地保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。2005—2007年，建筑面積仍在擴(kuò)張中，人為不透水面仍在出現(xiàn)，隔斷了地上水和地下水的交流，對(duì)流域水文狀況不利。河流水量減小，耕地、林地、草地三者處于互相轉(zhuǎn)變中，體現(xiàn)了人類(lèi)活動(dòng)的活躍性[7]。

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表3 1980—2007年土地利用/覆被類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2Tab.3 The land-use/cover change matrix from 1980 to 2007unit:km2

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