張杰 張麗 王道蕓

摘要：基于延安市1990、2000、2010和2015年土地利用覆被數(shù)據，采用土地利用轉移矩陣、土地利用變化速度、土地利用程度分析方法，研究1990—2015年土地利用覆被格局變化特征。結果表明，2000—2010年土地利用類型變化最明顯，耕地面積明顯減少，林地大幅度增加，建設用地面積明顯增加，其原因是退耕還林政策的實施及城市化的發(fā)展;1990—2000年和2010—2015年，土地利用變化較小，是因為這兩個階段分別處在退耕還林實施的初期和后期;在1990—2015年整個階段，土地利用處在調整時期，但土地利用覆被的總體格局沒有發(fā)生變化。

關鍵詞：延安市;土地利用/覆被變化;轉移矩陣;土地利用變化

中圖分類號：F301.2? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）08-0035-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.008? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on land use and land cover data of Yan'an city in 1990， 2000， 2010 and 2015， the land-use cover change characteristic in different period was analyzed by using the methods of the land-use transition matrix， land-use change rate and land-use degree. The results showed that the land-use types had significantly changed from 2000 to 2010. The farmland area had significantly reduction， but the forestland area had increased greatly and the construction land area had increased significantly. The reason was the implementation of Grain for Green Program and the development of urbanization. In 1990—2000 and 2010—2015， the land-use change was relatively small， because these two periods were in the early and late stages of Grain for Green Program. During the whole period of 1990—2015， land use was in the time of adjustment， but the overall situation remained unchanged.

Key words： Yan'an city; land use and cover change; transition matrix; land use change

土地利用/覆被變化一直是全球生態(tài)環(huán)境研究的熱點問題，是自然、社會經濟及社會等諸多方面共同綜合作用的結果[1-3]。土地利用/覆被變化能夠揭示人類活動對環(huán)境的影響[4]，對于改善人與自然的和諧關系具有重要的意義。延安市是黃土高原水土流失的重點區(qū)域，是人地關系極為尖銳的區(qū)域之一，惡劣的自然環(huán)境和不合理的土地利用使得該區(qū)域生態(tài)環(huán)境非常脆弱[5]。自1999年退耕還林工程實施以來，延安市各土地利用結構發(fā)生了巨大變化，因此，研究延安市的土地利用變化可為其土地資源可持續(xù)利用、土地整治規(guī)劃、經濟社會可持續(xù)發(fā)展提供參考依據。

目前，對于黃土高原地區(qū)土地利用/覆被變化已有許多學者進行研究[6-15]，而對于延安市中尺度區(qū)域的研究相對較少，無論是大尺度還是中尺度的研究，其研究的時間范圍都相對比較早，因此本研究以1990—2015年4期土地利用數(shù)據分析近25年來土地利用覆被變化特征。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

延安市位于陜北南部，介于東經107°41′—110°31′，北緯35°21′—37°31′，西鄰甘肅省慶陽市，東與山西省臨汾市、呂梁市隔黃河相望，北接榆林市，南與咸陽市、銅川市、渭南市接壤。下轄2個區(qū)11個縣，包括寶塔區(qū)、安塞區(qū)、吳起縣、志丹縣、子長縣、延川縣、延長縣、甘泉縣、富縣、宜川縣、黃陵縣、洛川縣、黃龍縣。屬高原大陸性季風氣候，年降水量500 mm左右，溫差較大，年平均氣溫7.7～10.6 ℃。地勢西北高東南低，平均海拔1 200 m左右，地貌以黃土高原、丘陵為主，是典型的黃土塬梁峁溝壑區(qū)。

1.2? 數(shù)據來源

分別采用1990、2000、2010、2015年4個時期的30 m空間分辨率土地利用覆被數(shù)據（來源于中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所）。由于該4期數(shù)據都是二級分類土地利用數(shù)據，土地利用類型眾多，所以參照土地利用現(xiàn)狀分類國家標準（GB/T 21010-2017），將其合并為一級，分類并重新編碼，分別為1林地、2草地、3耕地、4水體、5建設用地和6未利用地6個土地利用類型。

1.3? 研究方法

1.3.1? 土地利用轉移矩陣? 利用ArcGIS軟件統(tǒng)計4個時期的土地利用數(shù)據，應用柵格計算器工具，對1990—2000、2000—2010、2010—2015、1990—2015年4個時間段的前后兩期土地利用數(shù)據進行空間運算獲得4期土地利用變化圖，并進行統(tǒng)計得到土地利用轉移矩陣，其計算公式如下：

式中，Codea為研究時段內初期土地利用類型編碼;Codeb是研究時段內末期土地利用編碼;Code為兩期土地利用類型變化編碼[16]。

1.3.2? 土地利用變化速度? 在區(qū)域土地利用變化中，單一土地利用動態(tài)度可以反映某一種土地利用類型的變化幅度和速度，綜合土地利用動態(tài)度可定量描述整體土地利用變化的速度[17]。其公式表達如下：

式中，Ua、Ub分別為研究區(qū)域初期和末期的土地利用類型數(shù)量;T為研究時間段長度，當T單位為年時，其結果K表示該土地利用類型的年變化率。

式中，Lui為研究時間段初期第i類土地利用面積;ΔLui-j為研究時間段內第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型的面積;T為研究時間段長度，Lc為研究時間段內的綜合土地利用動態(tài)度。當T單位為年時，Lc表示該研究區(qū)域的土地利用年變化率。

1.3.3? 土地利用程度變化? 土地利用是人與自然相互作用的結果，土地利用程度主要反映了人類與自然環(huán)境的綜合效應，也揭示了土地利用類型的變化結果及綜合利用水平。土地利用綜合程度指數(shù)和土地利用程度變化率是反映土地利用程度的兩個重要指標[18]。土地利用程度綜合指數(shù)由劉紀元[19，20]提出，需要將不同土地利用類型進行土地利用分級（表1），再利用公式（4）計算得到。為了進一步研究土地利用程度變化的發(fā)展情況，用土地利用程度變化率來確定各土地利用類型的變化趨勢。

式中，Ai表示土地利用分級指數(shù);Si為第i類土地利用面積;S為土地利用總面積;i為土地利用級別;n為分級數(shù);L為研究區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)。

式中，Lb為研究區(qū)b時間的第i級土地利用程度綜合指數(shù);La為研究區(qū)a時間的第i級土地利用綜合程度指數(shù);R為土地利用程度變化率。當R>0時，該研究區(qū)土地利用處于發(fā)展期，否則處于調整期或衰減期。

2? 結果與分析

2.1? 土地利用結構及數(shù)量特征

從表2可以看出，延安市以林地占地面積最大，其次為草地、耕地、建設用地、水體和未利用地。1990—2015年林地總體呈增加趨勢，草地和水體保持相對穩(wěn)定，耕地呈遞減趨勢，建設用地和未利用地都呈增加趨勢。表3結果表明，25年間林地和耕地面積發(fā)生變化最明顯，林地經過了“增加-增加-略微減少（相對穩(wěn)定）”三個階段，共增加面積277 091.01 hm2，耕地面積一直在減少，減少面積為327 758.13 hm2，總體時間段上，林地和耕地面積變化比例分別為7.50%和-8.87%，以2000—2010年變化最大，分別達到7.45%和-7.63%;草地經過了先增加后減少再增加的階段，總體草地面積略有增加，增量為26 759.25 hm2，變化比例為0.73%;水體變化幅度較小，趨于穩(wěn)定;建設用地和未利用地都有所增加，并且發(fā)生最大變化的時間段在2000—2010年。

2.2? 土地利用類型轉移分析

表4至表7分別為4個時間段的土地利用類型面積轉移矩陣，其中每一行表示研究時段初期土地利用類型向末期土地利用類型轉化面積。由表4可知，耕地、水體和未利用地轉化比較明顯，耕地有32 682.78 hm2轉為其他土地利用類型，轉化率為3.942 7%，水體有3 354.84 hm2轉為其他土地利用類型，轉化率為29.647 9%，未利用地有69.75 hm2轉為其他土地利用類型，轉化率為8.306 5%。其中耕地主要轉化為草地和林地，轉化面積分別為24 728.40和5 665.14 hm2，轉化率分別為2.983 1%和0.683 4%;水體主要轉化為耕地和草地，轉化面積分別為1 960.38和998.37 hm2，對應轉化率分別為17.324 6%和8.822 9%;未利用土地主要轉化為耕地和水體，有47.79 hm2轉化為耕地，轉化率達5.691 3%，有15.03 hm2轉化為水體，其轉化率為1.789 9%。由此可知，耕地的減少成為草地和林地增加的主要來源，同時也是建設用地增加的主要來源。此外其他土地利用類型也有不同程度的相互轉化。1990—2000年，整體的土地利用類型變化不是很明顯，各土地利用類型保持相對穩(wěn)定。

從表5可以看出，耕地面積明顯減少（由? ? 804 563.01 hm2降到522 783.00 hm2），水體面積增加（由8 750.43 hm2增加到10 210.59 hm2），林 地面積大幅度增加（由1 482 519.60 hm2增加到1 757 696.94 hm2），草地面積略有減少（由1 376 830.53 hm2降到? 1 365 153.03 hm2），建設用地面積增加（從20 032.74 hm2增加到32 934.87 hm2），未利用地面積明顯增加（從848.97 hm2增加到4 766.85 hm2）。其中耕地轉為其他土地利用類型的面積達330 288.12 hm2，轉化率為41.051 9%，其中尤以轉化為林地和草地最為明顯，轉化率分別為9.758 6%和29.578 3%，所以林地和草地的增加主要來源是耕地的減少，然而由于林地轉出較少，草地轉出較多，使得總林地面積增加，草地面積減少。同理，雖然水體、建設用地和未利用地轉化率都較大，然而轉入的面積遠大于轉出的面積，因此三者的面積都有所增加。在2000—2010年，各土地利用類型面積變化較大，各土地利用類型之間的轉化率也較大，整體土地利用類型變化比較明顯。

由表6可以看出，2010—2015年，耕地繼續(xù)減少，由522 783.00 hm2降低到501 190.29 hm2，林地面積略有減少，其他土地利用類型面積略有增加，但各土地利用類型的變化面積和轉化率都較小，總體土地利用變化不是很明顯，逐漸趨于穩(wěn)定。

由表7可知，1990—2015年，林地面積明顯增加（由1 478 877.12 hm2增加到1 755 968.13 hm2），耕地面積減少（由828 948.42 hm2降低到501 190.29 hm2），建設用地面積增加（由17 952.21 hm2增加到35 859.78 hm2），未利用地面積增加（由839.70 hm2增加到7 323.75 hm2），草地和水體面積變化較小。其中草地、耕地、水體、未利用地向其他土地利用類型轉化比例較大，分別為19.337 1%、45.234 1%、41.378 7%、45.991 4%。

2.3? 土地利用動態(tài)變化分析

由表8可知，2000—2010年延安市各土地利用類型變化速度最快，其中耕地、建設用地和未利用地變化最明顯，分別為-3.502 3%、1.668 7%和46.146 8%;1990—2000年和2010—2015年兩個時間段土地利用變化速度相對較小;總時間段來看，耕地一直處于快速減少的狀態(tài)，建設用地和未利用地處于急劇增加的狀態(tài)。根據公式（3）計算各時段的綜合土地利用動態(tài)度，得到延安市前（1990—2000年）、中（2000—2010年）、后（2010-2015年）3個時間段的土地利用年變化率，分別為0.064 3%、0.846 8%和0.086 9%。由此可知，1990—2000年土地利用變化較慢，2000—2010年土地利用變化較快，2010—2015年土地利用變化速度減慢，且2010—2015年變化速度略大于1990—2000年。

從土地利用程度綜合指數(shù)看出，隨著時間的變化，土地利用程度逐漸降低，且2000—2010年土地利用程度變化最大。由表9可知，第Ⅱ級面積比例增加，同時伴隨第Ⅲ級面積比例逐漸減少，導致土地利用程度降低。根據公式（5）計算得到1990—2000、2000—2010、2010—2015、1990—2015年土地利用程度變化率分別為-0.250 7%、-3.159 2%、-0.227 1%和-3.621 3%，可知3個階段都處于調整期，尤其以2000—2010年土地利用程度變化最明顯，因此25年以來延安市土地利用一直處于調整期。

3? 小結與討論

25年來，延安市土地利用類型發(fā)生了較大的變化，尤其是2000—2010年，土地利用類型的轉化速度、幅度和土地利用程度最為明顯，是因為自1999年國家和政府大力實施退耕還林政策及更早些年的“三北防護林工程”，1990—2000年，耕地面積開始逐漸減少，林地面積慢慢增加，到2000—2010年，這一變化幅度進一步增大，而2010—2015年，各土地利用類型變化逐漸減小，這些政策的實施已經逐漸使土地利用接近達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但仍處在一個小幅度調整的狀態(tài)?？傮w來說，1990—2015年，土地利用處在一個調整的時期，耕地面積總趨勢在減少，林地和草地面積在不斷地增加，但土地利用覆被的總體格局沒有發(fā)生變化，其格局為林地>草地>耕地>建設用地>水體>未利用地。另一方面，由于社會經濟的高速發(fā)展，人口的增長和城市化的發(fā)展，導致對土地需求量增加，所以自1990年以來，建設用地面積一直在不斷地增加，而對于未利用地面積的增加，原因主要是土地尚在開發(fā)中并未形成建設用地，也可能是人為的過度開墾土地造成的。

本研究雖然從土地利用類型的基本結構、轉化幅度、轉化速度、轉化率和土地利用程度等方面揭示了1990—2015年土地利用覆被變化特征，但由于該研究區(qū)域土地利用類型破碎，對于面積較小的土地利用類型遙感影像解譯結果并不理想，如未利用地、水體等的變化也可能是受分類精度的影響。而且延安市位于黃土高原腹地，是國家和政府高度重視生態(tài)建設的區(qū)域之一，其土地利用變化特點受國家政策影響較大，雖然在過去的25年，對土地利用進行了合理的整治規(guī)劃，但隨著社會的日益發(fā)展，未來可能會出現(xiàn)更多問題影響土地利用的變化趨勢，因此應該進一步分析土地利用變化的驅動機制，對未來土地變化趨勢進行預測，以應對可能出現(xiàn)的不同問題。

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收稿日期：2019-01-25

基金項目：山西省重點研發(fā)計劃項目（201703D211002-2-1）

作者簡介：張? 杰（1990-），男，山東濰坊人，在讀碩士研究生，研究方向為3S技術及應用，（電話）17600661648（電子信箱）gis112zj@163.com;通信作者，張? 麗，女，副教授，主要從事農業(yè)信息化研究，（電子信箱）2057461510@qq.com。