楊 倩，劉登峰，劉 慧，欒金凱，黃 強(qiáng)，林 木

(1. 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3. 中央財經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計與數(shù)學(xué)學(xué)院，北京 100081)

土地系統(tǒng)是一個復(fù)雜的自然系統(tǒng)，土地利用方式的變化，改變了地球上很大一部分地表，通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能而對環(huán)境產(chǎn)生重大影響[1]。人類活動、自然因素、經(jīng)濟(jì)因素和國家政策因素等共同驅(qū)動土地利用類型發(fā)生變化[2-3]，分析這些因素引起的區(qū)域土地利用類型變化，可以揭示其生態(tài)環(huán)境的變化。

漢江上游流域，是南水北調(diào)中線工程重要的水源區(qū)，承擔(dān)著北方缺水地區(qū)水資源調(diào)配的重任，其生態(tài)環(huán)境決定著南水北調(diào)中線工程的長期效益[4-5]。南水北調(diào)中線工程實(shí)施后，在緩解受水地區(qū)的水資源短缺危機(jī)、促進(jìn)受水區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也使水源區(qū)的土地利用格局發(fā)生了劇烈變化，引發(fā)了一系列生態(tài)問題[6]。使用遙感數(shù)據(jù)分析土地利用特別是植被覆蓋的變化，可以有效掌握區(qū)域整體特征和變化規(guī)律，為流域的管理提供有效的參數(shù)[7-8]。土地利用類型變化一般從時間和空間角度進(jìn)行分析。典型的研究方法是使用遙感數(shù)據(jù)通過建立動態(tài)度、類型轉(zhuǎn)移、利用程度等數(shù)學(xué)模型來分析土地覆蓋變化[9-11]。

在漢江上游土地利用類型變化的相關(guān)研究中，申懷飛等[12]基于遙感影像利用土地利用動態(tài)度指數(shù)和馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣對南水北調(diào)中線水源區(qū)1990、2002、2010年的土地利用進(jìn)行了時空分析。李小燕等[13]使用土地利用動態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局指數(shù)等對漢江上游陜南段2000、2006、2012年的土地利用變化狀況進(jìn)行了定量評估。但是，這些研究均是以漢江上游整體作為研究對象，未對漢江上游每個縣的土地利用類型數(shù)量和程度變化進(jìn)行時空分析。對流域上每個縣的各類土地利用類型的面積變化及利用程度變化進(jìn)行研究，即可從空間上得到人類活動對每個縣土地利用程度的影響，同時一定程度上也能反映出每個縣的生態(tài)保護(hù)力度大小，為未來每個縣(區(qū))的土地利用政策制定提供指引。

漢江上游的土地利用及其變化關(guān)系著水源區(qū)及受水區(qū)的用水安全及生態(tài)環(huán)境，對漢江上游近年來的土地利用變化規(guī)律及驅(qū)動力進(jìn)行研究具有重要意義。因此，本研究選取漢江上游區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，采?001、2005、2009和2013年的MODIS遙感數(shù)據(jù)，從土地利用變化速率、類型轉(zhuǎn)移、利用程度這三個方面對漢江上游整個區(qū)域和各縣(區(qū))的土地覆蓋變化進(jìn)行定量分析和時空分析，并對土地利用變化驅(qū)動力進(jìn)行了簡要分析，為南水北調(diào)水源區(qū)的土地利用政策制定和生態(tài)環(huán)境保護(hù)治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域?yàn)闈h江上游流域，流域概況見圖1。丹江口水庫以上為漢江上游流域，包括陜西省漢中市、安康市、商洛市、湖北省十堰市的大部分地區(qū)，還包括甘肅省和河南省的小部分地區(qū)，年降水量為700～900 mm， 集中在7—9月[14]研究區(qū)西部屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，東部為北亞熱帶與暖溫帶過渡氣候，氣候溫和，熱量相對充分，四季分明。

圖1 漢江上游流域概況

2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用美國NASA提供的土地覆蓋類型遙感數(shù)(https://search.earthdata.nasa.gov/)。數(shù)據(jù)集全稱為MODIS/Land Cover Type Yearly L3 Global 500 m SIN Grid，簡稱MCD12Q1。MCD12Q1數(shù)據(jù)是根據(jù)1 a的Terra和Aqua觀測所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，描述土地覆蓋的類型，空間分辨率為500 m。采用IGBP的全球植被分類方案，結(jié)合中國2017年頒發(fā)的GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》和土地的用途和覆蓋特征對研究區(qū)的土地利用類型進(jìn)行分類歸并(表1)。由于監(jiān)測到研究區(qū)域雪和冰所占比例幾乎為0，所以本文主要討論其余5種土地類型的利用變化。本文使用了h26v5和h27v5兩個圖幅的影像，對下載的影像應(yīng)用MRT(MODIS Reprojection Tool)軟件進(jìn)行批量重投影操作，由SIN投影轉(zhuǎn)換為Albers投影。用ArcGIS對影像進(jìn)行拼接、裁剪操作，對2001、2005、2009、2013四期土地利用類型影像進(jìn)行分析。

表1 土地利用分類

3 研究方法

3.1 土地利用動態(tài)度模型

土地利用動態(tài)度模型是表征土地資源變化速率的重要模型，一般采用單一或綜合土地利用動態(tài)度對變化速率進(jìn)行分析[13]。

單一土地利用動態(tài)度描述的是一定時間范圍內(nèi)某一研究區(qū)內(nèi)每種土地利用類型所占面積大小的變化速度[11]。綜合土地利用動態(tài)度描述的是某一研究區(qū)一定時段內(nèi)所有土地利用類型變化的總體快慢，它可以剔除不同類型土地之間不可融合的缺陷，反映研究區(qū)在一定時期的整體變化情況[15]。

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移方向

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠從時間角度揭示出研究區(qū)不同種土地利用類型的數(shù)量轉(zhuǎn)移變化方向，反映某類土地在一定時間間隔下，從t時刻向t+1時刻狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過程[10,16]。

3.3 土地利用程度

土地利用程度主要反映土地系統(tǒng)中人為因素作用的影響程度，常利用土地利用程度綜合指數(shù)模型來刻畫土地利用程度大小[17]。綜合指數(shù)的大小可以反映研究區(qū)土地利用程度的大小。在漢江上游區(qū)域基礎(chǔ)上以縣為單元，先計算各縣土地利用程度綜合指數(shù)，再計算利用程度變化指數(shù)，可以反映出各縣人類活動對土地利用變化的影響水平和變化趨勢[18]，其表達(dá)式分別為：

(1)

(2)

式中I——土地利用程度綜合指數(shù)；Ai——第i種土地利用程度的分級指數(shù)；Ci——第i種土地利用程度的百分比；ΔIb-a——土地利用程度綜合變化指數(shù)；Cia、Cib——時間a、時間b第i種土地利用程度的百分比。

Ai取值參考王思遠(yuǎn)等[19]提出的土地利用程度分級方法，再結(jié)合漢江上游土地利用實(shí)際情況，將土地劃分為4個等級，見表2。分級指數(shù)越大，代表人類活動越強(qiáng)。

表2 土地利用類型分級

4 結(jié)果分析

4.1 土地利用變化速率

漢江上游2001、2005、2009、2013年4期的土地利用變化統(tǒng)計表和單一土地利用動態(tài)度變化分別見表3、4，對應(yīng)的土地利用空間分布分別見圖2—5。由表3、4可以看出，從2001—2013年，漢江上游林地土地利用動態(tài)度為正值，說明這類土地面積呈增加趨勢，草地為負(fù)值，說明草地面積呈減少趨勢，其余兩類有負(fù)有正，表明這兩類面積有增加有減少。在研究區(qū)92 271.44 km2的范圍內(nèi)，2013年的林地面積相對于2001年增加了14.14%，年均增加速度為1.88 km2/a。草地面積減少了7.7%，平均每年減少592.14 km2，其中2005—2009年減少速度最快，達(dá)到11.76%。耕地面積也呈減少趨勢，在2001—2005年減少速度最快，為5.80%。水域面積在2001—2005年顯著增加，增加速度為27.82%，之后幾年，水域面積基本維持穩(wěn)定。12 a期間城市建設(shè)用地面積沒明顯變化，減少速度為0.15%。對比圖2—5，也可以形象地看出2001—2013年研究區(qū)的林地面積顯著增加，而耕地面積顯著減少，這正是國家自2003年起實(shí)行“退耕還林”的顯著成效。

計算綜合土地利用動態(tài)度，結(jié)果表明2001—2005年漢江上游土地利用年變化率為3.34%，2005—2009年為2.29%，2009—2013年為1.76%，變化速率呈減少趨勢，說明2001—2005年漢江上游土地利用變化較為明顯，2009—2013年變化較緩慢，一定程度反映出人類活動對土地利用的影響相對減少。

表3 漢江上游土地利用變化情況統(tǒng)計

表4 漢江上游單一土地利用動態(tài)度變化

圖2 2001年漢江上游土地利用空間分布

圖3 2005年漢江上游土地利用空間分布

4.2 土地利用轉(zhuǎn)移變化

2001—2005、2005—2009、2009—2013年漢江上游土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分別見表5—7。從表中可以看出，2001—2009年草地主要轉(zhuǎn)化為林地，2001—2005年轉(zhuǎn)移比例為40.20%，2005—2009年轉(zhuǎn)移比例為45.73%。而在2009—2013年草地主要轉(zhuǎn)移為了耕地，轉(zhuǎn)移比例為34.34%。2001—2013年，耕地轉(zhuǎn)移比例在不斷降低，主要轉(zhuǎn)移成林地和草地，水域主要轉(zhuǎn)化為林地，城市建設(shè)用地轉(zhuǎn)出面積最少，主要轉(zhuǎn)化為耕地。2001—2005年轉(zhuǎn)入面積從大到小依次為：林地>草地>耕地>水域>城市建設(shè)用地，面積分別為11 605.51、 6 784.63、 5 962.14、315.37、10.01 km2。2005—2009和2009—2013年轉(zhuǎn)入面積從大到小依次均為：林地>耕地>草地>水域>城市建設(shè)用地。

圖4 2009年漢江上游土地利用空間分布

圖5 2013年漢江上游土地利用空間分布

分析以上3個時段的土地利用轉(zhuǎn)移情況，轉(zhuǎn)入面積最大的均是林地，草地、耕地和水域主要轉(zhuǎn)化為林地，草地和耕地除了轉(zhuǎn)移為林地外，兩者之間還相互轉(zhuǎn)移，城市建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)移為耕地。雖然城市建設(shè)用地的總面積變化不大，但是需要注意到，其他類型用地轉(zhuǎn)移為城市建設(shè)用地，城市建設(shè)用地轉(zhuǎn)移為其他用地。一方面，這種變化體現(xiàn)了為了保護(hù)耕地采取的占補(bǔ)平衡的政策；另一方面，高質(zhì)量耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，而城市建設(shè)用地恢復(fù)為耕地后可能耕地質(zhì)量不高。

表5 漢江上游2001—2005年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表6 漢江上游2005—2009年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表7 漢江上游2009—2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

4.3 土地利用程度變化

2001、2005、2009、2013年的綜合土地利用綜合指數(shù)分別為224.34、218.77、217.67、217.36，可見2001—2013年漢江上游土地利用程度綜合指數(shù)未發(fā)生大幅度變化。2001—2005、2005—2009、2009—2013年土地利用綜合指數(shù)變化量都為負(fù)數(shù)，說明2001—2013年漢江上游土地利用方式處于調(diào)整期，人類活動對土地利用類型影響變現(xiàn)為負(fù)趨勢，2001—2005年變化量相對較大，表明該時期土地利用類型進(jìn)行了較大幅度調(diào)整，2005—2013年變化量較小，表明人類活動對土地利用的影響比較小且較穩(wěn)定，沒有大幅度變化。

在漢江上游區(qū)域基礎(chǔ)上，分別分析2001年和2013年每個縣的土地利用類型面積變化，能反映出這兩個時段人類活動對每個縣的土地利用變化影響。本文在漢江上游選取了表8中的35個區(qū)縣，2001—2013年漢江上游各縣各類土地利用類型面積變化比例見表8。

通過表8可以看出，漢江上游各縣從2001年到2013年林地面積變化比例均是正值，表明各縣林地面積均不同程度地在擴(kuò)大，反映出南水北調(diào)中線工程實(shí)施以來，各縣均采取了生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施，變化范圍最顯著的是紫陽縣，增加比例達(dá)到31.46%，南鄭縣、寧強(qiáng)縣、漢陰縣、石泉縣、西鄉(xiāng)縣、白河縣增加比例也較為明顯。結(jié)合圖1，可發(fā)現(xiàn)這些縣均位于漢江干流附近，生態(tài)保護(hù)措施做的較好。而各縣草地面積變化比例均為負(fù)值，表明各縣草地不同程度地轉(zhuǎn)移為其他類型土地，減少最顯著的是寧強(qiáng)縣，減少比例達(dá)到15.24%。除了鎮(zhèn)安縣，西峽縣、留壩縣和太白縣耕地面積小幅度增加外，其余各縣市耕地面積在減少，減少最顯著的是寧強(qiáng)縣，減少比例達(dá)到23.41%。各縣城市建設(shè)用地面積和水域面積基本保持不變。總體上說明出2001—2013年期間人為因素對土地利用的影響主要體現(xiàn)在林地的增加。

2001年和2013年每個縣(區(qū))的土地利用綜合指數(shù)和土地利用程度綜合變化指數(shù)計算結(jié)果見圖6和表9。土地利用綜合指數(shù)在鎮(zhèn)安縣、西峽縣、留壩縣、太白縣略有增加，其余縣都不同程度地減少，且寧強(qiáng)縣、紫陽縣、南鄭縣、西鄉(xiāng)縣、石泉縣、鎮(zhèn)巴縣和竹山縣土地利用程度減少幅度較大，寧強(qiáng)縣減少的最顯著。結(jié)合圖6可知，這些土地利用程度綜合指數(shù)減少的縣(竹山縣除外)都位于漢江干流附近，竹山縣位于漢江上游支流上，一定程度上說明近年來漢江上游干流上的這些縣生態(tài)環(huán)境在向好的方向發(fā)展，為南水北調(diào)水源區(qū)的水資源質(zhì)量提供了一定的保障。

表8 2001—2013年漢江上游各縣各類土地利用類型面積變化比例 %

圖6 2001—2013年漢江上游各縣土地利用程度變化空間分布

縣市名稱2001年2013年變化值山陽縣225.05222.93-2.12鎮(zhèn)巴縣225.70209.10-16.60鎮(zhèn)安縣219.75223.093.34鎮(zhèn)坪縣203.99201.87-2.12西峽縣218.61221.152.54鄖縣229.18224.63-4.55鄖西縣232.03222.61-9.42紫陽縣241.74218.89-22.85西鄉(xiāng)縣235.76216.78-18.97竹山縣229.90214.33-15.56竹溪縣224.90213.49-11.40石泉縣225.98207.71-18.27百河縣221.99209.86-12.14洋縣228.47221.54-6.93留壩縣202.19202.970.78略陽縣209.39206.23-3.17漢陰縣237.49222.33-15.16漢濱區(qū)244.55230.33-14.22柞水縣217.39209.68-7.71漢臺區(qū)268.61267.93-0.68旬陽縣235.73229.92-5.81房縣218.20209.46-8.74平利縣216.57206.25-10.32嵐皋縣214.44210.07-4.37寧強(qiáng)縣232.78189.63-43.15寧陜縣204.12203.32-0.80太白縣203.83204.810.98城固縣239.54224.52-15.02商州區(qū)223.59218.35-5.24商南縣218.30217.81-0.49南鄭縣241.61222.41-19.19十堰市區(qū)212.54206.44-6.10勉縣229.17224.98-4.18佛坪縣205.38205.27-0.12丹鳳縣215.59214.27-1.31

4.4 土地利用驅(qū)動力分析

通過對漢江上游土地利用變化速率、轉(zhuǎn)移矩陣和利用程度分析可知，近年來漢江上游土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著性變化，主要是由于自然因素(降水、氣溫等)和社會因素(人口、經(jīng)濟(jì)、政策)引起的。土地利用變化主要表現(xiàn)為：2001—2013年，林地面積一直在增加，草地一直在減少，耕地先呈減少趨勢，在2009年后呈緩慢增加趨勢。發(fā)生這種變化的主要原因是漢江在2003年開始實(shí)行的退耕還林政策，大面積的草地和耕地轉(zhuǎn)化為林地，而隨著時間的推移，人口的不斷增長加大了糧食需求，大面積的草地又開墾為耕地，導(dǎo)致耕地面積有所增加。草地面積在2005年后大幅度下降的原因一方面是轉(zhuǎn)化為了林地和耕地，另一方面是牲畜數(shù)量的增多，畜牧業(yè)的不斷發(fā)展威脅了草地的生長。水域面積先增大后略微減少，一方面是由于草地和林地的轉(zhuǎn)移，另一方面是水利工程的建設(shè)對降水量產(chǎn)生了影響，降水量的增加又會進(jìn)一步影響水域面積的擴(kuò)大，2005年后水域面積略微減少是因?yàn)樵?007年實(shí)施了丹江流域綜合治理工程，采取了植樹造林的措施治理水土流失，再加上近年來氣溫升高，蒸發(fā)量增大導(dǎo)致水域面積的減少。

5 結(jié)論

本文利用MODIS的MCD12Q1數(shù)據(jù)，從變化速度、轉(zhuǎn)移方向、利用程度3個方面分析了2001—2013年漢江上游土地利用類型變化趨勢。在分析漢江上游整個區(qū)域的基礎(chǔ)上，分別對各縣土地利用類型面積變化和土地利用程度空間變化進(jìn)行了分析，主要有以下結(jié)論。

a) 2001—2013年漢江上游土地利用變化速率呈減少趨勢，在漢江上游92 271.44 km2的范圍內(nèi)，林地增加了13 075.4 km2，水域增加了183.66 km2，草地和耕地面積分別減少了7 105.69、6 150.45 km2。

b) 土地轉(zhuǎn)入面積最大的是林地，草地、耕地和水域主要轉(zhuǎn)化為林地，草地和耕地兩者之間還相互轉(zhuǎn)移，城市建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)移為耕地。

c) 土地利用綜合指數(shù)在不斷減少，說明2001—2013年漢江上游土地利用方式處于調(diào)整期，人類活動對土地利用類型影響為負(fù)趨勢，2001—2005年變化量相對較大，表明該時期土地利用類型進(jìn)行了較大幅度調(diào)整，2005—2013年變化量較小，表明人類活動對土地利用的影響比較小且較穩(wěn)定，變化幅度較小。

d) 2001—2013年各縣林地面積均增加，土地利用程度變化在鎮(zhèn)安縣、西峽縣、留壩縣、太白縣為正值，其余縣都為負(fù)值，不同程度地減少。寧強(qiáng)縣、紫陽縣、南鄭縣、西鄉(xiāng)縣、石泉縣、鎮(zhèn)巴縣和竹山縣土地利用程度減少幅度較大，寧強(qiáng)縣減少的最顯著。

e) 漢江上游土地利用變化的主要原因是退耕還林政策的實(shí)施、水利工程的建設(shè)、流域的綜合治理以及氣候變化的影響。

本文使用的數(shù)據(jù)是MCD12Q1數(shù)據(jù)，城市建設(shè)用地的識別結(jié)果可能存在誤差，該數(shù)據(jù)集在分析城市建設(shè)用地變化方面存在局限性。因此，后續(xù)研究可以使用高分辨率的遙感數(shù)據(jù)對研究區(qū)的城市建設(shè)用地變化進(jìn)行對比分析。