嚴(yán)登明，翁白莎，于志磊，王俊峰，曹 引(.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 國家環(huán)境保護(hù)紡織污染防治工程技術(shù)中心, 上海 060;.中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 00038)

0 引 言

在眾多生態(tài)環(huán)境變化的問題中，土地利用/土地覆蓋變化研究顯得尤為重要[1-3]。長期以來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對土地利用/土地覆蓋變化從不同角度進(jìn)行了研究。IGBPII指出土地變化科學(xué)中，土地利用/土地覆蓋變化在生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)中具有重要的戰(zhàn)略地位，是認(rèn)識人類-陸地-環(huán)境系統(tǒng)的關(guān)鍵[4]；于興修等[5]就中國的土地利用/覆被變化的現(xiàn)狀及存在問題進(jìn)行了充分的闡述；邵景安等[6]對引起土地利用變化的驅(qū)動因子及驅(qū)動力進(jìn)行了明確分析；許月卿、李鵬杰等[7,8]從流域尺度上，對土地利用/覆被變化進(jìn)行了研究。王秀蘭、張靖等[9]對研究土地利用/覆被變化的相關(guān)方法進(jìn)行了整理分析。目前，利用植被指數(shù)對土地利用進(jìn)行評價的研究很少，因此，本文基于土地利用數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS平臺，結(jié)合傳統(tǒng)研究方法對淮河流域土地利用時空動態(tài)進(jìn)行分析，提取歸一化植被指數(shù)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)為植被覆蓋度，利用對應(yīng)的植被覆蓋度對其進(jìn)行評價分析，旨在辨識淮河流域土地利用的新情勢，為更合理地調(diào)整淮河土地利用結(jié)構(gòu)、提高土地利用效率和改善生態(tài)環(huán)境提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)淮河流域涉及安徽、河南、江蘇、山東、湖北五個省，于三江營匯入長江。其地理坐標(biāo)為111°56′E～109°15′E、30°57′N ～ 37°50′N，地處我國南北氣候的交界區(qū)，屬于氣候過渡地帶，北部地區(qū)為暖溫帶，南部地區(qū)為北亞熱帶。該流域面積約33萬km2，地形地貌主要以山丘和平原為主。參考我國國土資源局頒布執(zhí)行的《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合該流域當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，將研究區(qū)內(nèi)的土地分為耕地、林地、草地、水域、居民及城鄉(xiāng)建設(shè)用(簡稱居工地)、裸地(即未利用土地)6個一級類。

2 數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

以2000年、2005年以及2013年3期1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的3期MODIS遙感影像數(shù)據(jù)、淮河流域相關(guān)的矢量文件(源自國家基礎(chǔ)地理信息網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù))為主要備用數(shù)據(jù)。輔助數(shù)據(jù)包括淮河流域的DEM、行政區(qū)劃等其他國家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等。

2.2 研究方法

本研究利用土地利用動態(tài)度[1](單一動態(tài)度、綜合動態(tài)度)以及轉(zhuǎn)移矩陣分析研究淮河流域內(nèi)土地利用時空格局動態(tài)變化，通過定量描述區(qū)域土地利用動態(tài)變化速率，把握土地利用變化的趨勢。

(1)單一土地利用類型動態(tài)度[1]。

(1)

式中：Ki為該研究區(qū)某種土地利用類型年動態(tài)變化率；Ua和Ub分別代表研究期初和期末某種類型土地?cái)?shù)量；T為研究時間段。當(dāng)T的時段設(shè)定為年時，Ki值為該研究區(qū)某種土地利用類型年動態(tài)變化率。

(2)綜合土地利用動態(tài)。

(2)

式中：LC為研究區(qū)內(nèi)綜合土地利用動態(tài)度；LUi為監(jiān)測起始時間第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監(jiān)測時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非j類土地利用類型面積的絕對值；T為監(jiān)測時段長度。當(dāng)T的時段設(shè)定為年時，LC值為該研究區(qū)土地利用年動態(tài)變化率。

(3)轉(zhuǎn)移矩陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是表征土地利用類型之間在一定時段內(nèi)相互轉(zhuǎn)移的一種有效的工具，從而總體上把握土地利用的轉(zhuǎn)移態(tài)勢。在ArcGIS10.0平臺下，對2000年、2005年以及2013年3期的土地利用數(shù)據(jù)兩兩進(jìn)行疊加分析，對所得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別獲得2000-2005年以及2005-2013年的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，以分析該流域土地利用時空格局動態(tài)。

(4)基于MODIS遙感影像，通過GIS平臺提取該流域?qū)?yīng)年份植被長勢最好時(8月份)的歸一化植被指數(shù)(NDVI)及植被覆蓋度，將其與土地利用疊加分析，通過植被覆蓋度大小對土地利用的合理化進(jìn)行評價分析。

NDVI是反映土地覆蓋植被生長狀態(tài)的一種遙感指標(biāo)，限定在[-1,1]范圍內(nèi)，在有植被的地方NDVI>0，且隨植被覆蓋度的增大而增大。計(jì)算公式如下：

(3)

式中：NIR為位于近紅外波段的遙感通道所得到的反射率；VIS為位于可見光波段的通道得到的反射率。

植被覆蓋度(Fc)[10]指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積之比，即植土比。

(4)

式中：NDVImax為研究區(qū)內(nèi)的NDVI最大值；NDVImin為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最小值。

(5)

式中：Fcl是植被覆蓋度等級。

上述公式把NDVI整體歸一到區(qū)間0～255之間，根據(jù)表1像元灰度值分段將0～255之間的NDVI像元灰度值分級[10]。

表1 像元灰度值與植被覆蓋等級對應(yīng)分布表Tab.1 The corresponding distribution table of gray-scale value and vegetation coverage

3 結(jié)果分析

3.1 淮河流域土地利用空間演變

淮河流域內(nèi)各土地利用類型在數(shù)量組成及空間構(gòu)成上存在顯著分異特征。3期土地利用中，從數(shù)量上(如圖1)，主要以耕地(旱地和水田)與居工地為主，其面積之和所占比例均達(dá)到82%以上。林地、草地和水域分布地面積相對較少，對應(yīng)百分比依次為7%、3%和4%左右，整體植被覆蓋相對較低；裸地，即未利用土地面積極少，占比均在0.2%及以下。

圖1 淮河流域各土地利用類型面積分布圖Fig.1 Land-use area distribution map of the Huai River Basin

從空間上(如圖2)，各土地利用類型同樣呈現(xiàn)出明顯的地帶性分布。淮河流域內(nèi)耕地分為旱地與水田兩大類，大致以淮河為分界線，淮河以北是旱地，淮河以南為水田；另外，在山東省、江蘇省和安徽省的交界處有一定面積的水田分布。草地主要分布在淮河流域東北部(山東境內(nèi))地區(qū)；而林地則相對集中分布在流域東南邊界處。居工地相對均勻散布在整個流域內(nèi)，呈增加趨勢；且相對流域內(nèi)部地區(qū)，沿海地區(qū)居民及城鄉(xiāng)建設(shè)用地的密度較大。水域分布相對集中于東南地區(qū)。

圖2 淮河流域土地利用現(xiàn)狀空間分布圖Fig.2 Land-use spatial distribution map of the Huai River Basin

3.2 淮河流域土地利用時間演變

從年變化(如圖3)上，13年(2000-2013)間，淮河流域土地利用類型整體上的變化為：水田、水域和居工地面積增加，其中水田增加面積約2 190 km2，水域約增加約2 271 km2，居工地增加約11 106 km2；旱地、林地、草地及裸地減少，耕地減少約9 417 km2，草地減少4 577 km2，裸地減少285 km2；增加與減少的土地利用面積基本上保持一致。

圖3 淮河流域2000-2013年土地利用面積變化圖Fig.3 Area Change of land-use of the Huai River Basin in 2000 to 2013

2000-2005年，水田增加-旱地增加-林地增加-草地減少-水域減少-居工地減少-裸地減少，且水田、旱地、草地和居工地變幅較大。而2005-2013年，各土地利用類型變動起伏顯著，變化趨勢為：水田減少、旱地減少、林地減少、草地減少、水域增加、居工地增加、裸地減少。

依據(jù)土地利用動態(tài)度(如表2)，分析淮河流域土地利用時間演變規(guī)律。從單一土地利用動態(tài)角度，2000-2005年中，草地、居工地以及裸地的動態(tài)度小于0，說明該土地利用類型面積減少，年減少率分別為4.94%、1.34%、0.97%；耕地(水田和旱地)、林地以及水域的動態(tài)度大于0，說明各土地利用類型面積總量增加，年增長率分別為1.57%、0.61%、0.85%。在一定程度上，土地利用動態(tài)度的絕對值大小直接反應(yīng)了各土地利用類型面積變化速度的大小。2000-2005年間，變速由快到慢依次為草地、耕地、居工地、裸地、水域和林地，可知，草地變速最快，而林地變速最慢。

2005-2013年間，草地、裸地繼續(xù)減少，水域持續(xù)增加，而耕地(水田和旱地)、林地和居工地反向變化(相對2000-2005年的變化動態(tài)而言)。裸地變速最大，其次為居工地、水域、耕地(水田和旱地)、林地和草地(具體動態(tài)變化度詳見表2)。

整體上2000-2013年期間，變速最大的是裸地，其次是草地、居工地、水域、耕地(水田和旱地)和林地(具體動態(tài)度變化詳見表2)。

表2 淮河流域2000-2013年土地利用動態(tài)變化 %Tab.2 Dynamic variation of land-use of the Huai River Basin in 1995 to 2013

從綜合土地利用動態(tài)度角度，2000-2005年、2005-2013年及2000-2013年的動態(tài)變化分別為0.43%、0.59%、0.36%。相對2000-2005年，2005-2013年內(nèi)人們對淮河流域土地利用方式的干擾程度加大。20世紀(jì)初期，該地區(qū)人口增長加速，人均土地資源占有量減少，人類與土地矛盾激化，加上城市化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)給土地利用也造成很大壓力，另外還有面源污染、生態(tài)環(huán)境脆弱、地貌復(fù)雜、水土流失以及地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，都在一定程度上影響土地利用[11]。2000-2013年綜合土地利用動態(tài)度為0.36%，說明這期間每年每100 km2中就有0.36 km2的土地利用方式發(fā)生了改變。

3.3 淮河流域土地利用時空轉(zhuǎn)移特征

淮河流域土地利用類型間的多維向轉(zhuǎn)化直接決定其面積與空間分布的特征。在2000-2005年間，淮河流域發(fā)生轉(zhuǎn)化的土地利用類型面積共7380.37 km2左右，約占整個流域面積的2.25%。從空間上，具體土地類型空間轉(zhuǎn)移格局分布如圖4(a)。由圖可知，土地利用類型轉(zhuǎn)移區(qū)呈斑塊離散狀分布相對均勻，較為顯著的土地利用類型轉(zhuǎn)移區(qū)集中在流域的邊界區(qū)、山東半島境內(nèi)以及江蘇境內(nèi)。2005-2013年間，土地利用類型轉(zhuǎn)移區(qū)集聚密度較大的多在流域北半?yún)^(qū)內(nèi)，較2000-2005年間的土地利用類型變化，該時期內(nèi)的轉(zhuǎn)移土地利用類型有所不同，且聚集現(xiàn)象較為顯著的除了山東半島之外，流域北部的河南境內(nèi)也出現(xiàn)大面積的土地利用類型轉(zhuǎn)移[圖4(b)]；轉(zhuǎn)移面積約為15 574.45 km2，約占研究區(qū)總面積的4.74%。

1112-水田轉(zhuǎn)旱地；112-水田轉(zhuǎn)林地；113-水田轉(zhuǎn)草地；114-水田轉(zhuǎn)水域；115-水田轉(zhuǎn)居工地；116-水田轉(zhuǎn)裸地；1211-旱地轉(zhuǎn)水田；122-旱地轉(zhuǎn)林地；123-旱地轉(zhuǎn)草地；124-旱地轉(zhuǎn)水域；125-旱地轉(zhuǎn)居工地；126-旱地轉(zhuǎn)裸地；211-林地轉(zhuǎn)水田；212-林地轉(zhuǎn)旱地；23-林地轉(zhuǎn)草地；24-林地轉(zhuǎn)水域；25-林地轉(zhuǎn)居工地；26-林地轉(zhuǎn)裸地；311-草地轉(zhuǎn)水田；312-草地轉(zhuǎn)旱地；34-草地轉(zhuǎn)水域；35-草地轉(zhuǎn)居工地；36-草地轉(zhuǎn)裸地；411-水域轉(zhuǎn)水田；412-水域轉(zhuǎn)旱地；42-水域轉(zhuǎn)林地；43-水域轉(zhuǎn)草地；45-水域轉(zhuǎn)居工地；46-水域轉(zhuǎn)裸地；511-居工地轉(zhuǎn)水田；512-居工地轉(zhuǎn)旱地；52-居工地轉(zhuǎn)林地；53-居工地轉(zhuǎn)草地；54-居工地轉(zhuǎn)水域；56-居工地轉(zhuǎn)裸地；611-裸地轉(zhuǎn)水田；612-裸地轉(zhuǎn)旱地；62-裸地轉(zhuǎn)林地；63-裸地轉(zhuǎn)草地；64-裸地轉(zhuǎn)水域；65-裸地轉(zhuǎn)水域圖4 淮河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移變化空間分布圖Fig.4 Spatial transformation variation map of land-use type of the Huai River Basin

從時間角度，在土地利用類型轉(zhuǎn)移數(shù)量上，各單一土地利用類型空間轉(zhuǎn)移變化(如表3，表4)主要以耕地(包括旱地和水田)、居工地及水域?yàn)橹?，具體表現(xiàn)為：

表3 淮河流域2000-2005年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 %Tab.3 Land-use transformation matrix of the Huai River Basin from 2000 to 2005

(1)2000-2005年間，整體上，多數(shù)土地利用類型主要轉(zhuǎn)為旱地、水田和林地，約有0.94%的土地轉(zhuǎn)為水田，0.59%左右的土地轉(zhuǎn)為旱地，0.56%左右的土地轉(zhuǎn)為林地，少量土地轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型；草地、居工地和裸地則處于減少態(tài)勢；裸地利用率高達(dá)54%。具體而言，各土地類型以轉(zhuǎn)為旱地為主，其面積變化百分比分別是水田約1.87%、林地約3.52%、草地18.61%、水域3.12%、居工地11.94%、裸地為30.29%。

表4 淮河流域2005-2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 %Tab.4 Land-use Transformation Matrix of the Huai River Basin from 2005 to 2013

(2)2005-2013年間，土地利用類型轉(zhuǎn)移變化以轉(zhuǎn)為旱地和居工地為主；其中，居工地面積的增加多源自水田和旱地面積的減少，另外草地和水域也有一定的貢獻(xiàn)。裸地的利用率高達(dá)70%以上。具體各土地利用類型間的轉(zhuǎn)移變化如表4所示。

綜上，不同時期，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展、人口的激增、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，對土地利用提出越來越多不同的要求。整體上，淮河流域在2000-2013年期間土地利用類型轉(zhuǎn)移變化趨勢相對平穩(wěn)。

3.4 淮河流域土地利用覆被變化

如圖5，2000-2013年間隨土地利用變化對應(yīng)植被指數(shù)NDVI也呈現(xiàn)出一定的演變規(guī)律。整體上植被指數(shù)處于中等偏上水平，植被覆蓋良好。2000年，NDVI>0.7的土地利用類型面積約占淮河流域土地面積的24.80%，主要集中在淮河流域中的皖北和蘇北地區(qū)，以及流域的東南邊界地區(qū)；0.50.7的土地利用類型面積約占淮河流域土地面積的50.74%，大面積分布于淮河流域的西北部與東南部地區(qū)；0.50.7的土地利用類型面積約淮河流域土地面積的49.45%，在2005年的基礎(chǔ)上，西南地區(qū)與山東半島境內(nèi)植被覆蓋提高；0.5

圖5 NDVI指數(shù)空間分布圖Fig.5 The spatial distribution map of the NDVI

從表5～表7中可以看出，各土地利用類型的植被覆蓋度各不相同。2000-2013年間，整體上良等以下植被覆蓋面積大致呈現(xiàn)減少趨勢，良等和優(yōu)等植被覆蓋度呈增加趨勢，這主要與土地利用類型間的轉(zhuǎn)變有著主要關(guān)系。從單一土地利用類型來看，植被覆蓋度高的土地利用類型主要為旱地、水田和居工地，旱地的植被覆蓋度幾乎維持在50%左右，水田的植被覆蓋度則維持在15%左右，居工地的植被覆蓋度在10%以上；而林地、草地、水域及裸地的植被覆蓋相對偏低。在未來的發(fā)展建設(shè)中應(yīng)該著重提高林地、草地、水域及裸地的植被覆蓋度，從而整體上更加合理化該地區(qū)的土地利用。

表5 2000年各土地利用類型不同植被覆蓋度的面積百分比 %Tab.5 The area percentage of different vegetation coverage every land use type in 2000

表6 2005年各土地利用類型不同植被覆蓋度的面積百分比 %Tab.6 The area percentage of different vegetation coverage every land use type in 2005

表7 2013年各土地利用類型不同植被覆蓋度的面積百分比 %Tab.7 The area percentage of different vegetation coverage every land use type in 2013

4 結(jié) 語

以2000年、2005年以及2013年3期的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于ArcGIS技術(shù)平臺分析淮河流域土地利用時空格局的動態(tài)變化，利用對應(yīng)3期的MODIS遙感數(shù)據(jù)對其進(jìn)行評價分析，具體結(jié)論如下。

(1)整體上，該流域內(nèi)的土地利用類型在數(shù)量、空間結(jié)構(gòu)上都存在明顯的分異特征。在數(shù)量上，該區(qū)域內(nèi)土地利用以耕地與居工地為主，其次是林地?？臻g上，耕地分布最為集中，林地、草地也存在聚集分布的特點(diǎn)，而居工地多呈斑塊狀分布。

(2)從年變化上看，2000-2005年，水田增加、旱地增加、林地增加、草地減少、水域減少、居工地減少、裸地減少，且水田、旱地、草地和居工地變幅較大。而2005-2013年，各土地利用類型的變動起伏顯著，變化趨勢為水田減少、旱地減少、林地減少、草地減少、水域增加、居工地增加、裸地減少。

(3)利用單一土地利用動態(tài)反映對應(yīng)土地利用類型面積的變化速度。2000-2005年間，變速由快到慢依次為草地、耕地、居工地、裸地、水域和林地，可知，草地變速最快，而林地變速最小。利用綜合土地利用動態(tài)度反映人類活動對土地利用方式的干擾程度，2000-2013年綜合土地利用動態(tài)度0.36%，說明這期間每年每100 km2中就有0.36km2的土地利用方式發(fā)生了改變。

(4)土地利用類型之間的多維向轉(zhuǎn)化是引起土地利用時間與空間分布變化的直接表現(xiàn)形式。從空間變化上，在2000-2005年，土地利用轉(zhuǎn)移趨勢不顯著，整體轉(zhuǎn)移變化量約為流域總面積的2.25%。而2005-2013年土地利用轉(zhuǎn)移也不顯著，轉(zhuǎn)移面積約為15 574.45 km2，約占研究區(qū)總面積的4.74%。單一土地利用類型的空間轉(zhuǎn)移變化主要以耕地、林地及居工地的轉(zhuǎn)移變化為主。整體上，淮河流域在2000-2013年期間土地利用類型轉(zhuǎn)移變化趨勢相對平穩(wěn)。

(5)淮河流域內(nèi)植被指數(shù)的變化，表明近13年來淮河流域土地利用變化呈良好發(fā)展態(tài)勢。但從單一土地利用類型來看，植被覆蓋度高的土地利用類型主要為旱地、水田及居工地，而草地、林地、水域及裸地的植被覆蓋相對偏低。由于其地理位置的特殊性，在未來的發(fā)展建設(shè)中仍需要進(jìn)一步提高水域、林地及裸地的植被覆蓋度，加強(qiáng)植被保護(hù)以提高該地區(qū)土地利用的適宜度，從而整體上更加合理化該地區(qū)的土地利用。

□

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