黃 宇，李心平，趙 娜，牛曉麗，尹冬雪，秦 龍

河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003

引 言

土地是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源，土地利用/覆被變化(LUCC)一直是全球環(huán)境變化關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1-3]。土地利用類型變化對(duì)所在區(qū)域水文過(guò)程、碳循環(huán)、生態(tài)服務(wù)功能等均有重要的影響。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)不同尺度的土地利用類型時(shí)空變化進(jìn)行了研究[4-7]。焦春萌等[8]對(duì)1990年—2020年延安市土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)空偏移及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化進(jìn)行了分析；梁明等[9]以時(shí)空柵格為建模手段，對(duì)淮南市土地利用變化過(guò)程的時(shí)空模式進(jìn)行了分析；Alma Mendoza-Ponce等[10]探究了墨西哥的土地利用變化以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)和氣候變化對(duì)其的影響；皮泓漪等[11]分析了黃河流域?qū)幭亩?985年—2010年間的土地利用時(shí)空變化特征。

在研究方法上，較多學(xué)者利用土地利用/覆被動(dòng)態(tài)度模型，而缺乏對(duì)土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)移方向的分析；或只關(guān)注影響因子對(duì)整體土地利用變化的分析，缺乏對(duì)影響各個(gè)土地利用方式轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力分析[12]。在研究區(qū)域上，已有研究主要集中在黃河干流，或者以行政邊界為研究單元，以黃河具體支流為研究對(duì)象開(kāi)展的針對(duì)性研究較少，探尋引發(fā)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)研究相對(duì)有限。伊洛河是黃河三門峽大壩以下的最大支流，是黃河下游防洪體系、水資源配置以及水沙調(diào)控體系中的重要一環(huán)[13]，該流域土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力的研究，有助于貫徹“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”，“因地制宜、分類施策”的黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展指導(dǎo)原則，對(duì)構(gòu)建合理的流域土地利用方式、提高黃河流域生態(tài)服務(wù)功能具有重要意義。

陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以為土地變化建模和監(jiān)測(cè)土地規(guī)劃效果提供有價(jià)值的信息[14]。以伊洛河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，基于1990年—2020年的土地利用遙感數(shù)據(jù)，使用信息學(xué)中弦圖可視化模型呈現(xiàn)該流域土地利用類型變化軌跡，旨在分析該流域近30年土地利用類型的時(shí)空轉(zhuǎn)變特征。使用生物學(xué)里冗余分析(RDA分析)，將不同土地利用類型視為不同物種，以量化的方式揭示該流域土地利用類型變化的驅(qū)動(dòng)因素。最終以三序圖展示樣方、物種及環(huán)境變量三者關(guān)系。本研究將為黃河流域生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域

伊洛河(33°34′—35°4′N，111°7′—112°58′E)主要流經(jīng)河南省境內(nèi)，是黃河十大支流之一，由伊河和洛河組成，全長(zhǎng)約447 km，流域面積約1.86萬(wàn)km2[15](圖1)。該流域地處暖溫帶向北亞熱帶的過(guò)渡區(qū)域，年平均氣溫約為14.6 ℃，年平均降水約為600 mm。伊洛河流域海拔57～2 655 m，呈西高東低特征，生態(tài)與環(huán)境過(guò)渡性明顯，其上游為丘陵山區(qū)，以森林、草地為主，而下游主要為黃土沖積平原，是重要的糧食生產(chǎn)基地。受其地形地貌特征和人類活動(dòng)影響，伊洛河流域的生態(tài)環(huán)境復(fù)雜且脆弱。

圖1 研究區(qū)域示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。其中，遙感影像數(shù)據(jù)涉及1990年—2020年期間伊洛河流域的Landsat系列圖像，數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括伊洛河流域邊界，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)。氣象數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括人口，GDP，第一、二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值等數(shù)據(jù)，主要來(lái)源于伊洛河流域縣區(qū)人民政府官網(wǎng)與歷年統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.3 方法

(1)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)源于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[16]。通常的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中，行表示T1時(shí)點(diǎn)土地利用類型，列表示T2時(shí)點(diǎn)土地利用類型。PMN表示土地利用類型N轉(zhuǎn)化為土地利用類型M的面積。

(1)

(2)土地利用變化量模型

土地利用/土地覆被數(shù)量變化模型參照現(xiàn)有研究成果[17]，選取土地利用/土地覆被凈變化量指數(shù)、土地利用/土地覆被交換變化量指數(shù)、土地利用/土地覆被總變化量指數(shù)系統(tǒng)分析研究區(qū)土地利用類型在數(shù)量上的動(dòng)態(tài)變化。

Dj=|P+j-Pj+|

(2)

Sj=2min(Pj+-Pjj,P+j-Pjj)

(3)

Cj=Dj+Sj

(4)

式中，Dj為特定時(shí)期內(nèi)某區(qū)域土地利用類型凈變化量百分比；P+j為特定時(shí)期內(nèi)期末第j類土地利用類型面積百分比；Pj+為特定時(shí)期內(nèi)期初第i類土地利用類型面積百分比；Sj為特定時(shí)期內(nèi)第j類土地利用/土地覆被類型的交換量百分比；Pjj為特定時(shí)期內(nèi)第i類土地利用類型未發(fā)生變化的面積百分比；Cj為特定時(shí)期內(nèi)第j類土地利用/土地覆被類型的總變化量指數(shù)。

(3)土地利用變化程度

選取土地利用變化面積比重D來(lái)評(píng)估研究區(qū)域內(nèi)土地利用變化的劇烈程度，土地利用變化面積比重D指各土地變化面積之和占區(qū)域總面積的比例，見(jiàn)式(5)[11]

(5)

式(5)中：A為區(qū)域內(nèi)各土地變化面積之和；S為研究區(qū)面積。

(4)弦圖可視化分析

弦圖(Chord diagram)是使用圓形坐標(biāo)系展現(xiàn)多組數(shù)據(jù)間相互關(guān)系的可視化形式[18]。為呈現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型的轉(zhuǎn)變過(guò)程，利用R語(yǔ)言中的Circlize package將土地利用轉(zhuǎn)移矩陣在弦圖中可視化，構(gòu)建土地利用類型變化的軌跡模型。

(5)冗余分析

冗余分析(RDA)是響應(yīng)變量矩陣與解釋變量之間多元多重線性回歸的擬合值矩陣的PCA分析，是基于對(duì)應(yīng)分析發(fā)展而來(lái)的一種排序方法[17]。此分析常用于研究群落與環(huán)境因子之間關(guān)系，本工作將不同的土地利用類型視為群落，采用Canoco 5軟件對(duì)土地利用類型和環(huán)境因子進(jìn)行RDA分析，對(duì)RDA分析后的數(shù)據(jù)采用土地利用類型、樣本與環(huán)境因子變量的三序圖呈現(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 伊洛河流域土地利用結(jié)構(gòu)特征

圖2給出了伊洛河流域1990年—2020年不同土地利用類型的時(shí)空分布及各類土地利用類型占比。由圖可知，1990年—2020年伊洛河流域的土地利用類型主要為林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水域和未利用土地。在空間上，林地和草地主要分布在伊洛河上游地區(qū)和洛河中游南岸，整體分布呈現(xiàn)聚集狀態(tài)。耕地主要分布在伊洛河中下游兩岸地區(qū)。建設(shè)用地主要聚集在下游靠近水域的平坦地帶，在中上游平坦地帶也有少量聚集。水域主要為伊洛河及其支流和水庫(kù)。未利用土地占比較少，主要分布在建設(shè)用地周圍。

圖2 伊洛河流域1990年—2020年土地利用類型變化圖

在數(shù)量上，林地占主導(dǎo)地位，占比為48.4%～70.7%，整體呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)；其次為耕地，占比為20.8%～49.1%，整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；而建設(shè)用地所占比例較小，為1.8%～7.0%，整體呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)；水域所占比例為0.4%～1.1%，整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；草地和未利用土地所占比例很低，分別為0.0%～1.6%和0.0%～0.6%。

2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)變特征

2.2.1 土地利用變化量

圖3給出了伊洛河流域每10年間各種土地利用類型的凈變化量指數(shù)Dj、交換變化量指數(shù)Sj以及總變化量指數(shù)Cj，3個(gè)指數(shù)從變化量的角度表現(xiàn)了各種土地利用類型的變化情況。1990年—2020年耕地、林地的總變化量最大，各貢獻(xiàn)了該流域土地變化量的40.45%和41.51%以上，占絕對(duì)的主導(dǎo)地位。建設(shè)用地次之，其他類型土地變化量較少。1990年—2020年各時(shí)段林地和耕地總變化量不斷增加，林地從14.52%上升到19.72%，耕地從14.15%上升到19.73%；建設(shè)用地在1990年—2020年各時(shí)段變化量處于2.03%～4.81%。

圖3 伊洛河流域每10年間各種土地利用類型的變化量指數(shù)

2.2.2 土地利用遷移變化

表1給出了1990年—2020年的土地轉(zhuǎn)移矩陣。由表可知，各土地利用類型面積的相互轉(zhuǎn)移變化的總體表現(xiàn)為林地的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積最大，耕地次之，再則是建筑用地，水域、草地和未利用土地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積最小。林地1990年—2020年間向其他土地利用類型轉(zhuǎn)變量為876.8 km2，由其他土地利用類型向林地轉(zhuǎn)變量為4 009.9 km2，整體面積增長(zhǎng)較大。減少的林地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀黾拥牧值刂饕獊?lái)源于耕地，部分來(lái)源于草地、建設(shè)用地。耕地1990年—2020年向其他土地類型轉(zhuǎn)變量為4 859.1 km2，由其他土地利用類型向耕地轉(zhuǎn)變量為663.3 km2，整體面積減少較多，減少的耕地主要轉(zhuǎn)化為林地和水域，還有部分轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地，耕地面積增加主要由林地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)化而來(lái)。建設(shè)用地1990年—2020年向其他土地類型轉(zhuǎn)變量為166.0 km2，由其他土地利用類型向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變量為1 226.9 km2，整體面積增長(zhǎng)較大，減少的建設(shè)用地主要被耕地占用，還有部分轉(zhuǎn)化為林地和水域。建設(shè)用地面積的增加來(lái)源于林地轉(zhuǎn)化以及部分草地的開(kāi)墾，還有一部分是來(lái)源于耕地。水域、草地和未利用土地面積較小，在此不做討論。

表1 1990年—2020年土地轉(zhuǎn)移矩陣(km2)

圖4給出1990年—2020年每10年伊洛河流域土地利用類型數(shù)量的變化軌跡。從土地利用類型轉(zhuǎn)變的軌跡來(lái)看，1990年—2000年間土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化以林地的流出為主，主要流向?yàn)楦兀?000年—2010年以耕地的流出為主，主要流向?yàn)榱值兀?010年—2020年依然以耕地的流出為主，主要流向?yàn)榱值亍?/p>

圖4 1990年—2020年伊洛河流域土地利用變化軌跡

1990年—2000年、2000年—2010年、2010年—2020年的土地利用變化面積比重分別為7.11%，22.34%和23.61%，土地利用變化總面積分別為3 467.66，4 528.35與4 785.76 km2。3個(gè)10年的時(shí)間段里，土地利用變化的總面積在不斷增加，說(shuō)明土地利用變化劇烈程度隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)，在研究時(shí)間段內(nèi)2010年—2020年達(dá)到最高。

2.3 土地利用類型重心遷移

圖5給出了伊洛河流域林地、耕地以及建設(shè)用地的重心變化，從不同土地利用類型重心在空間上的分布來(lái)看，林地重心始終處于伊洛河流域的上游區(qū)域，伊洛河上游為丘陵地區(qū)，人類活動(dòng)較少適合樹(shù)木的生長(zhǎng)。耕地始終處于伊洛河流域的中游區(qū)域，該區(qū)域是沖積平原，海拔和坡度較低，適宜發(fā)展耕作，而建設(shè)用地的重心則始終圍繞洛陽(yáng)市主城區(qū)。1990年—2020年間林地重心整體是向東北方向偏移，結(jié)合圖2可以看出由于洛河北岸退耕還林效果顯著，林地由山區(qū)向平原擴(kuò)張，并且2010年—2020年間遷移幅度最大；耕地的重心總體向南遷移，由于林地的擴(kuò)張導(dǎo)致伊洛河流域平原地帶西部和東北部耕地減少。耕地重心呈“z”型遷移特征，尤其以2000年—2010年的遷移幅度最大；建設(shè)用地的重心在1990年—2020年間先向東北遷移，后向西南遷移，表明洛陽(yáng)市的城市發(fā)展先以洛陽(yáng)城區(qū)發(fā)展為主，1990年—2000年的遷移幅度最大，在2000年后，上游各城鎮(zhèn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸活躍。

圖5 伊洛河流域土地利用類型變化軌跡圖

2.4 土地利用驅(qū)動(dòng)力分析

表2給出伊洛河流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和氣候數(shù)據(jù)。由表2可知，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面，伊洛河流域的人口在1990年—2020年間整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，近年來(lái)趨向穩(wěn)定。而GDP在30年間發(fā)展迅速，呈現(xiàn)出指數(shù)式增長(zhǎng)。1990年—2020年間整體看第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比最大，其中第三產(chǎn)業(yè)增速最快，2020年已經(jīng)超過(guò)第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，表明伊洛河流域整體經(jīng)濟(jì)由中低收入水平向中上收入水平轉(zhuǎn)化，反映了工業(yè)化和城市化發(fā)展的程度較高。伊洛河流域的氣溫在過(guò)去30年間緩慢上升，由年平均14.0 ℃上升到15.4 ℃，年平均降水量變動(dòng)較大，但均值處在500～800 mm左右，沒(méi)有明顯的增加或減少趨勢(shì)。

表2 伊洛河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)及氣候參數(shù)

通過(guò)RDA分析繪制了樣方、土地利用類型和環(huán)境變量關(guān)系的RDA三序圖，如圖6所示。圖6中軸1、軸2的特征值分別為0.951和0.048。人口、第一、二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值和建設(shè)用地呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；退耕還林政策與林地呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與耕地呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，表明社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與退耕還林政策實(shí)施對(duì)土地利用類型的轉(zhuǎn)變有顯著影響。

圖6 RDA三序圖

由RDA三序圖還可看出，降水與土地利用類型變化相關(guān)性很低，而氣溫與林地變化則呈正相關(guān)。伊洛河流域氣溫在過(guò)去30年間呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，有研究[3, 10]表示氣溫對(duì)植被覆蓋有重要影響，這些影響可能會(huì)引起土地利用類型的變化，主要體現(xiàn)在植被面積的變化。所以，氣溫對(duì)林地變化起到了一定影響。

自中國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)，人口規(guī)模擴(kuò)張和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。幾乎所有城市都呈現(xiàn)出極快的擴(kuò)張趨勢(shì)，建設(shè)用地面積越來(lái)越多[19]。姜朋輝[20]等研究表明社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是導(dǎo)致黑河中游地區(qū)土地利用變化的根本原因。麥麗開(kāi)·艾麥提[21]等研究表明人口增長(zhǎng)是葉爾羌河中下游流域耕地、建設(shè)用地面積增加的直接原因。同時(shí)，城市的發(fā)展也對(duì)生活用水和生產(chǎn)用水產(chǎn)生了更高的需求，導(dǎo)致水域面積減少[20]。伊洛河流域人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展直接導(dǎo)致了建設(shè)用地需求日益增長(zhǎng)，使得建設(shè)用地的面積持續(xù)擴(kuò)大，并且向上中游平坦區(qū)域擴(kuò)張。

除了社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素外，政策因素往往在短期內(nèi)就能引起土地利用格局重大調(diào)整[22-23]。大量研究表明，農(nóng)業(yè)土地利用政策的實(shí)施能夠很大程度上影響區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和發(fā)展路徑，進(jìn)而影響土地利用格局的變化[24]。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的提高，政府對(duì)生態(tài)建設(shè)更加重視，2002年1月10日，國(guó)務(wù)院確定全面啟動(dòng)退耕還林工程。退耕還林政策的實(shí)施，直接導(dǎo)致了林地面積的增長(zhǎng)以及耕地面積的減少。政策和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合作用，使得經(jīng)濟(jì)效益較差的耕地逐漸轉(zhuǎn)為林地，在伊洛河流域的直接體現(xiàn)是中部的大量耕地轉(zhuǎn)為林地。

黃河流域發(fā)展要求統(tǒng)籌推進(jìn)山水林田湖草沙綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理，著力保障黃河長(zhǎng)治久安，著力改善黃河流域生態(tài)環(huán)境，著力優(yōu)化水資源配置，著力促進(jìn)全流域高質(zhì)量發(fā)展。伊洛河流域30年來(lái)生態(tài)向好，林地增加是生態(tài)環(huán)境改善的重要指標(biāo)，但是由于生活需水和生產(chǎn)生活需水增加，伊洛河流域水域面積在減少，未來(lái)要研究城鎮(zhèn)化/經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的影響，未來(lái)土地利用規(guī)劃要充分考慮水資源保護(hù)和調(diào)配。

3 結(jié) 論

(1)1990年—2020年間，伊洛河流域的土地利用類型變化呈現(xiàn)林地先減小后增加、耕地先增加后減小、建設(shè)用地整體增加、水域整體減小的變化趨勢(shì)。

(2)在數(shù)量上，1990年—2020年年間，耕地和林地的總變化量最大，建設(shè)用地次之，水域、草地和未利用土地的變化量很小。

(3)1990年—2000年、2000年—2010年、2010年—2020年的土地利用類型相互轉(zhuǎn)換主要以耕地和林地的相互轉(zhuǎn)化為主，土地利用變化程度呈上升趨勢(shì)，在2010年—2020年達(dá)到最高。

(4)1990年—2020年間，林地重心整體向東北方向偏移，耕地的重心整體向南遷移，林地和耕地重心的變化與退耕還林政策有關(guān)，建設(shè)用地總體圍繞洛陽(yáng)市主城區(qū)，這與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)發(fā)展方向有關(guān)。

(5)在驅(qū)動(dòng)力方面，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和退耕還林政策的實(shí)施與伊洛河流域土地利用面積變化顯著相關(guān)，其中，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展是建設(shè)用地面積變化的主要原因。退耕還林政策的實(shí)施是林地和耕地面積變化的主要原因。