馬彩虹， 任志遠(yuǎn)

(1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710062； 2.陜西師范大學(xué) 西北國(guó)土資源研究中心，陜西 西安 710062； 3.陜西理工學(xué)院 歷史文化與旅游學(xué)院， 陜西 漢中 723001)

土地系統(tǒng)的復(fù)雜性問(wèn)題是土地變化科學(xué)的難點(diǎn)之一，關(guān)于這一問(wèn)題的理論研究仍需繼續(xù)強(qiáng)化[1]。描述、理解及解釋土地利用的時(shí)空格局及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[2]仍然是當(dāng)今地理科學(xué)、全球變化、資源環(huán)境、城市化、糧食安全等領(lǐng)域的熱點(diǎn)[3]。土地系統(tǒng)是一個(gè)“耦合的人類(lèi)—自然系統(tǒng)”(coupled human and natural systems)[4]，除了復(fù)雜系統(tǒng)的一般特性外，土地系統(tǒng)還表現(xiàn)出時(shí)空異質(zhì)性[5]。對(duì)人類(lèi)活動(dòng)和全球變化反應(yīng)敏感的區(qū)域一直是土地變化科學(xué)研究的熱點(diǎn)區(qū)域[6]。中國(guó)黃土臺(tái)塬主要分布于陜西、山西、河南等省[7]，其中，陜西省黃土臺(tái)塬是中國(guó)黃土臺(tái)塬的主體。黃土高原臺(tái)塬區(qū)是黃土高原重要的糧食生產(chǎn)基地和經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)，土地相對(duì)平坦遼闊，開(kāi)發(fā)潛力大。本區(qū)也是黃土高原未來(lái)的重要產(chǎn)業(yè)與人口聚集和建設(shè)開(kāi)發(fā)區(qū)，但生態(tài)環(huán)境比較脆弱，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)的復(fù)合區(qū)域，人口的聚集和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展給土地資源和生態(tài)環(huán)境將帶來(lái)巨大的壓力。近年來(lái)，一些學(xué)者開(kāi)始關(guān)注黃土臺(tái)塬區(qū)的水土資源開(kāi)發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，如詹曉紅等[8]對(duì)寶雞市川道臺(tái)塬區(qū)土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析，劉夢(mèng)云等[9]對(duì)黃土臺(tái)塬不同土地利用土壤有機(jī)碳與顆粒有機(jī)碳做了研究，周自翔[10]對(duì)西安黃土臺(tái)塬土壤微形態(tài)特征與土地利用關(guān)系進(jìn)行了研究，李會(huì)[11]對(duì)渭北黃土臺(tái)塬區(qū)水土資源優(yōu)化配置與潛力開(kāi)發(fā)進(jìn)行了探討。截至目前，對(duì)陜西黃土臺(tái)塬土地系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)段、多階段時(shí)空變異特征研究仍然顯得十分薄弱，需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究。本研究對(duì)陜西黃土臺(tái)塬區(qū)土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行分析，探究這一特殊土地類(lèi)型區(qū)的土地利用變化時(shí)空分異性，以期為該區(qū)域土地利用的效應(yīng)、時(shí)空動(dòng)態(tài)模擬以及臺(tái)塬區(qū)糧食安全、生態(tài)安全的研究提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

黃土臺(tái)塬是一個(gè)特殊的地貌單元，是黃土所覆蓋的呈階梯狀傾斜的臺(tái)狀地，沿河谷成長(zhǎng)條狀分布，具有明顯的臺(tái)坎和平緩的臺(tái)面，間有河谷切割并發(fā)育有一定的溝壑，隸屬于侵蝕剝蝕堆積地貌類(lèi)型中的臺(tái)地類(lèi)型。

陜西黃土臺(tái)塬區(qū)總體位于34°08′—35°52′N(xiāo)，106°20′—110°36′E，呈帶狀、東西走向展布于渭河谷底南北兩側(cè)，總面積1 263 773 hm2，為溫帶干旱半干旱氣候，多年均溫11.3 ℃，年降水量500～900 mm。農(nóng)作物生長(zhǎng)期內(nèi)(4—10月)降水量約占全年85%～88%，利于農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育，為臺(tái)塬區(qū)成為黃土高原主要糧食基地提供了較好氣候條件。但蒸發(fā)量較大，年均蒸發(fā)量約為年均降水量的兩倍多，水資源呈現(xiàn)貧乏狀態(tài)。2010年陜西黃土高原臺(tái)塬區(qū)人口1 011.63萬(wàn)人，非農(nóng)人口比重占24.8%，達(dá)到250.87萬(wàn)人，GDP為1 827.11億元。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究以1985，1990，1995，2000，2005，2010年陸地資源衛(wèi)星Landsat遙感圖像作為主要信息數(shù)據(jù)源，利用ERDAS 9.2進(jìn)行遙感影像校正，最佳波段組合，投影轉(zhuǎn)換，圖像增強(qiáng)處理[12]；利用ArcGIS 9.3進(jìn)行分類(lèi)后處理以及柵格轉(zhuǎn)矢量、投影設(shè)置與變換、疊加分析、鄰斑同碼融合，完成土地利用圖和土地利用變化圖可視化處理。

在土地利用變化的研究中，土地利用分類(lèi)是基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性環(huán)節(jié)[13]。根據(jù)黃土高原臺(tái)塬區(qū)土地利用特點(diǎn)，依據(jù)中國(guó)科學(xué)院和農(nóng)業(yè)部劃分的土地利用分類(lèi)系統(tǒng)[14]，采用耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地、未利用地6大地類(lèi)對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯。采用計(jì)算機(jī)隨機(jī)采樣的方式，在影像上隨機(jī)采樣300個(gè)點(diǎn)左右，并根據(jù)野外GPS采樣點(diǎn)信息，對(duì)臺(tái)塬區(qū)的影像進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。從分類(lèi)精度表1中可以看出，解譯精度基本上符合研究的需要，可以作為下一步研究的土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，

表1 1990年臺(tái)塬區(qū)分類(lèi)精度評(píng)價(jià)

2.2 土地利用計(jì)量模型

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用動(dòng)態(tài)度用來(lái)表達(dá)區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)某種土地利用類(lèi)型數(shù)量的速度變化[15]。綜合土地利用動(dòng)態(tài)度用來(lái)表征整個(gè)區(qū)域土地利用變化的速度[15]。公式如下：

(1)

(2)

式中：K——當(dāng)T設(shè)定為年時(shí)，研究時(shí)段內(nèi)某一種土地利用類(lèi)型的年變化率；Ua，Ub——研究初期和末期某一種土地利用類(lèi)型的面積；Uai，Ubi——研究初期和末期i種土地利用類(lèi)型的面積；T——研究時(shí)段；n——土地利用類(lèi)型數(shù)； LC——土地利用變化的綜合年變化率。

2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移流 引入動(dòng)態(tài)物質(zhì)變化中“流”的概念，把由一種土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)為另外一種土地利用類(lèi)型的情況稱(chēng)作“土地利用轉(zhuǎn)移流”[16]，用來(lái)表達(dá)土地利用變化的矢量屬性。對(duì)任何土地利用類(lèi)型而言，由該地類(lèi)轉(zhuǎn)為其他地類(lèi)的變化量稱(chēng)為“轉(zhuǎn)出流”，由其他類(lèi)型轉(zhuǎn)為該類(lèi)型的變化量稱(chēng)為“轉(zhuǎn)入流”，轉(zhuǎn)出流與轉(zhuǎn)入流之和就是該地類(lèi)在特定時(shí)間段的“土地利用轉(zhuǎn)移流”，表征該土地利用類(lèi)型中所有參與土地利用變化的總量。轉(zhuǎn)入流與轉(zhuǎn)出流之差為土地轉(zhuǎn)移流凈值。當(dāng)其值為正時(shí)，表示凈流入；反之，當(dāng)其值為負(fù)時(shí)，表示凈流出。公式如下：

Lf=Lout+Lin

(3)

Lnf=Lin-Lout

(4)

式中：Lf——土地利用轉(zhuǎn)移流；Lout——轉(zhuǎn)出流；Lin——轉(zhuǎn)入流；Lnf——土地轉(zhuǎn)移凈值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動(dòng)態(tài)特征

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化 從數(shù)量結(jié)構(gòu)分析，主要土地利用類(lèi)型是耕地、草地、建設(shè)用地。2010年這3大地類(lèi)占總土地面積的97.59%，其中耕地984 337.30 hm2，占77.89%，充分體現(xiàn)了臺(tái)塬區(qū)糧食主產(chǎn)區(qū)土地利用類(lèi)型的獨(dú)特性。草地143 030.47 hm2，占11.32%；建設(shè)用地105 871.35 hm2，占8.38%(表2)。

表2 1985-2010年陜西黃土臺(tái)塬區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

3.1.2 土地利用數(shù)量變化 1985—2010年耕地、草地、林地、水域、未利用地均表現(xiàn)為減少，依次減少20 866.61，11 065.22，1 186.44，748.9577和35.5476 hm2，分別占1985年相應(yīng)地類(lèi)面積的2.08%，7.18%，4.60%，11.64%和11.24%；建設(shè)用地增加，共增加了33 902.8，增加比例為1985年的47.11%。從變化絕對(duì)值而言，耕地的值最大，但從變化率上來(lái)說(shuō)，建設(shè)用地變化的幅度最大；從占總面積比例上來(lái)說(shuō)，建設(shè)用占總面積百分比由6.33%增長(zhǎng)為8.38%，年遞增率達(dá)到1.30%；草地比例大幅下降，林地、水域面積比例很低且持續(xù)降低，占全區(qū)面積比重由1985年的0.51%降低為2010年的0.45%，臺(tái)塬區(qū)生態(tài)安全存在一定風(fēng)險(xiǎn)；未利用地僅占0.02%，耕地后備資源嚴(yán)重不足(圖1)。

3.1.3 土地利用轉(zhuǎn)移流動(dòng)態(tài) 對(duì)于同一種土地利用類(lèi)型而言既有轉(zhuǎn)入也有轉(zhuǎn)出。研究時(shí)段關(guān)鍵土地利用轉(zhuǎn)移地類(lèi)為耕地、草地、建設(shè)用地。其中，耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地26 668.8 hm2， 占耕地轉(zhuǎn)出流量59.753%，占建設(shè)用地轉(zhuǎn)入流的96.26%，可見(jiàn)建設(shè)用地是耕地的主要流失方向；草地轉(zhuǎn)耕地18 923.9 hm2，占草地轉(zhuǎn)出流93.2407%，可見(jiàn)草地是耕地補(bǔ)充的主要來(lái)源。

圖1 陜西黃土臺(tái)塬區(qū)1985-2010年土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)

3.1.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài) 1985—1990年綜合動(dòng)態(tài)度為0.52，表明土地利用變化幅度很低,但1990—1995年綜合動(dòng)態(tài)度達(dá)到3.60，表明土地利用變化活躍；其后逐漸降低，到2005—2010年降低為1.16，土地系統(tǒng)趨于穩(wěn)定(圖2)。

圖2 土地利用變化面積及綜合動(dòng)態(tài)度

3.2 土地利用空間變化特征

3.2.1 土地利用空間格局特征 依據(jù)景觀生態(tài)學(xué)理論，耕地是構(gòu)成黃土臺(tái)塬區(qū)景觀的基質(zhì)類(lèi)型；建設(shè)用地中，城鎮(zhèn)用地團(tuán)塊狀分布，農(nóng)村居民點(diǎn)散布于黃土臺(tái)塬區(qū)；林地和草地主要沿黃土臺(tái)塬上溝壑地帶展布，稀疏河流和水庫(kù)散布于耕地基質(zhì)(附圖2)。

3.2.2 轉(zhuǎn)換地類(lèi)的空間集聚特征 1985—2010年耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地、草地轉(zhuǎn)耕地、耕地轉(zhuǎn)草地、耕地轉(zhuǎn)林地、林地轉(zhuǎn)耕地、建設(shè)用地土地利用變化累計(jì)貢獻(xiàn)率可達(dá)89.9%，涵蓋了土地利用變化的大部分信息。采用上述土地轉(zhuǎn)移流制圖繪制出土地利用空間變化圖譜(圖3)。從圖3中可以看出，除了發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)地域系統(tǒng)附近耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地具有明顯的識(shí)別性外，難以解讀出其他地類(lèi)的空間分異特征。本文基于土地利用變化圖譜的幾何中心的密度制圖法，用以識(shí)別黃土臺(tái)塬區(qū)土地系統(tǒng)變化的空間分異特征。主要技術(shù)流程如下：對(duì)k期和k+1期遙感解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析，計(jì)算出變化斑塊面積，生成變化圖斑密度數(shù)據(jù)。1985—2010年，耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地的集中連片高值區(qū)域見(jiàn)于寶雞臺(tái)塬西部、咸陽(yáng)臺(tái)塬南部，點(diǎn)狀分布區(qū)域則主要集中在臺(tái)塬區(qū)城市地域系統(tǒng)附近(圖3a)；草地轉(zhuǎn)耕地高值區(qū)有秦嶺北麓的寶雞臺(tái)塬、咸陽(yáng)臺(tái)塬西北部、渭南臺(tái)塬東部(圖3b)；就耕地集聚特征而言，表現(xiàn)為寶雞臺(tái)塬區(qū)中部、咸陽(yáng)塬東南部、渭南塬中部及東部高值區(qū)集中連片分布(圖3c)。25 a來(lái)，總體表現(xiàn)為城市地域系統(tǒng)附近為變化高值區(qū)(圖3d)。

圖3 1985-2010年黃土臺(tái)塬區(qū)土地利用變化空間集聚特征

4 結(jié) 論

(1)陜西黃土臺(tái)塬區(qū)主要土地利用類(lèi)型是耕地、草地、建設(shè)用地。2010年這3大地類(lèi)占研究區(qū)土地面積的97.59%，其中耕地984 337.30 hm2，占77.89%，草地143 030.47 hm2，占11.32%，建設(shè)用地105 871.35 hm2，占8.38%。

(2)1985—2010年，耕地、草地、林地、水域、未利用地均表現(xiàn)為減少，依次減少1 285.01，11 065.22，1，186.44，748.96，35.5476 hm2，分別占1985年相應(yīng)地類(lèi)面積的1.29%，7.18%，4.60%，11.64%，11.24%；建設(shè)用地增加，共增加了33 902.8 hm2，增加比例為1985年的47.11%。

(3)建設(shè)占用耕地是耕地流失主要方向，耕地補(bǔ)充主要依靠草地重新墾殖為耕地。1985—2010年，建設(shè)占用耕地26 668.8 hm2，占建設(shè)用地轉(zhuǎn)入流的96.26%；草地到耕地的轉(zhuǎn)移流為18 923.9 hm2，占草地轉(zhuǎn)出流的93.2407%。

(4)1985—1990年土地系統(tǒng)較為穩(wěn)定，綜合動(dòng)態(tài)度為0.52；1990—1995年土地利用變化活躍，綜合動(dòng)態(tài)度達(dá)到3.60，其后逐漸降低，到2005—2010年降低為1.16，土地系統(tǒng)又趨于穩(wěn)定。

(5)空間上，1985—2010年耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地集中于城鎮(zhèn)地域系統(tǒng)，草地和耕地互轉(zhuǎn)主要在渭南臺(tái)塬東部、咸陽(yáng)塬北部以及秦嶺北麓的寶雞臺(tái)塬上。

從本研究中可以看出，保護(hù)耕地資源的問(wèn)題對(duì)糧食主產(chǎn)區(qū)來(lái)說(shuō)比其他地區(qū)更為重要。針對(duì)臺(tái)塬區(qū)后備資源嚴(yán)重不足的實(shí)際情況，為了實(shí)現(xiàn)耕地占補(bǔ)平衡自然落到了生態(tài)功能性地類(lèi)上。25 a來(lái)，在草地、林地、水域等在本來(lái)所占份額很小的情況下，均不同程度地受到侵占。由于土地系統(tǒng)的非線性特征，這些地類(lèi)的微小變化可能導(dǎo)致土地系統(tǒng)生態(tài)安全格局的劇烈變化，使研究區(qū)存在一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。臺(tái)塬區(qū)這種土地利用流向特征，顯然帶有糧食安全目標(biāo)指向性，卻與區(qū)域生態(tài)安全目標(biāo)相沖突。在全球生態(tài)安全問(wèn)題日益突出的情況下，即使作為糧食主產(chǎn)區(qū)也不應(yīng)該忽視生態(tài)安全問(wèn)題。確保糧食安全的目標(biāo)途徑一方面應(yīng)著眼于提高土地利用集約度，另一方面要加強(qiáng)基本農(nóng)田建設(shè)，提高單位面積耕地的產(chǎn)出效益，同時(shí)著眼于對(duì)有限水資源的科學(xué)利用，不宜過(guò)度侵占重要生態(tài)服務(wù)價(jià)值功能型地類(lèi)。

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