王國(guó)玲　李艷紅　蘇志珠　李想　馬義娟

摘要：旨在了解人類(lèi)活動(dòng)對(duì)晉北地區(qū)土地利用/覆被變化（LUCC）的影響，為研究區(qū)合理利用土地資源、優(yōu)化土地利用格局以及促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。利用晉北地區(qū)2008-2013年的TM遙感影像數(shù)據(jù)，在ERDAS、ArcGIS等軟件的技術(shù)支持下，解譯影像處理數(shù)據(jù)并建立土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣，對(duì)研究區(qū)域近5年來(lái)土地利用/覆被變化進(jìn)行研究。結(jié)果表明：2008-2013年期間，晉北地區(qū)耕地面積減少62561.10 hm2，林地增加55774.23 hm2，居民工礦建設(shè)用地增加22895.49 hm2，草地減少15395.60 hm2，水域面積增加1090.24 hm2，未利用地面積減少1803.29 hm2。這與研究區(qū)域在研究時(shí)段內(nèi)大量退耕還林還草的生態(tài)建設(shè)、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展、經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)等人類(lèi)活動(dòng)相關(guān)。綜上，2008-2013年期間，晉北地區(qū)土地利用與覆被發(fā)生了較大變化。

關(guān)鍵詞：晉北地區(qū);農(nóng)牧交錯(cuò)帶;土地利用/覆被變化;土地利用動(dòng)態(tài)度;轉(zhuǎn)移矩陣;人機(jī)交互式目視解譯法;高分辨率遙感影像

中圖分類(lèi)號(hào)：K921/927

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

論文編號(hào)：cjas19010034

0引言

土地是人類(lèi)賴(lài)以生存與發(fā)展的重要自然資源和物質(zhì)基礎(chǔ)，土地利用方式作為人類(lèi)與自然界相互影響與交互作用的綜合反映，是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要因素[1]，土地覆被則是指地表自然形成的或者人為引起的覆蓋狀況[2]，土地利用/覆被變化（Land Use and LandCove Change，LUCC）是表征人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地球表層系統(tǒng)影響的最直接的表現(xiàn)形式，在全球環(huán)境變化過(guò)程中扮演著重要角色[3]，也是表征人類(lèi)活動(dòng)對(duì)全球變化響應(yīng)的重要因素之一，在模擬全球氣候效應(yīng)和生物地球化學(xué)效應(yīng)的參數(shù)輸入、時(shí)空過(guò)程的量測(cè)、動(dòng)力學(xué)機(jī)制的理解方面一直是目前學(xué)界關(guān)注的前沿內(nèi)容[4]。自1986年“國(guó)際地圈與生物圈計(jì)劃”（IGBP）和“全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃”（IHDP）共同發(fā)表《Land- Use and Land- CoverChange Science/Research Plan》以來(lái)，LUCC成為當(dāng)前國(guó)際全球變化研究的前沿領(lǐng)域[5-8]，也是中國(guó)氣候與環(huán)境演化研究的核心領(lǐng)域和熱點(diǎn)問(wèn)題[4]。據(jù)IPCC第5次評(píng)估報(bào)告[9]，LUCC能夠直接反映人類(lèi)活動(dòng)通過(guò)土地利用及其造成的覆被變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成的影響，是導(dǎo)致全球變化的主導(dǎo)因素。為此，中國(guó)學(xué)者對(duì)土地利用/覆被變化研究給予高度關(guān)注，相繼開(kāi)展了大量的理論與實(shí)證研究，主要包括土地利用的空間格局[3-4]、LUCC與環(huán)境變化的關(guān)系[10]、土地利用的生態(tài)安全評(píng)價(jià)[11-12]以及土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)研究”[13]、LUCC驅(qū)動(dòng)力及模型模擬預(yù)測(cè)研究[14-15]、“3S”技術(shù)在土地利用變化中的應(yīng)用[16-17]等，研究范圍涉及農(nóng)牧交錯(cuò)帶[18-19]、生態(tài)脆弱區(qū)[20]、城鄉(xiāng)過(guò)渡帶[21]以及流域自然單元[22]等區(qū)域，數(shù)據(jù)主要源自國(guó)土部門(mén)的統(tǒng)計(jì)資料、遙感影像解譯、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等。顯而易見(jiàn)，近年來(lái)有關(guān)LUCC的研究?jī)?nèi)容、范圍、技術(shù)手段與研究程度等方面都取得了可喜的成果，并為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供了決策支撐。

晉北地處山西省北部，是中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的重要組成部分，也是京津冀風(fēng)沙源治理及荒漠化監(jiān)測(cè)與防治的重點(diǎn)區(qū)域之一。長(zhǎng)期以來(lái)，受自然因素和人類(lèi)活動(dòng)的綜合影響，生態(tài)環(huán)境脆弱易變，制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展及其周邊地區(qū)的生態(tài)安全。近年來(lái)，隨著“三北防護(hù)林工程”、“天然林保護(hù)工程”、“退耕還林還草工程”等生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，區(qū)域土地利用/土地覆被、景觀(guān)格局及其生態(tài)效應(yīng)都發(fā)生了明顯變化，成為區(qū)域LUCC研究的理想之地。為此，本項(xiàng)研究選取晉北地區(qū)21個(gè)縣市區(qū)，開(kāi)展土地利用/覆被變化研究，旨在揭示人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地利用/覆被變化以及生態(tài)效應(yīng)的影響，為合理利用土地資源、優(yōu)化土地利用格局、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1研究區(qū)概況

晉北地區(qū)位于山西省北部，地理坐標(biāo)38029'-40°40‘N、110057L一114033‘E，行政區(qū)劃上包括大同、朔州、忻州3個(gè)地級(jí)市的21個(gè)縣市區(qū)（圖1），區(qū)域土地總面積約375.5 Xl04 hm2。研究區(qū)地處黃土高原東北緣，地貌上包括大同盆地及周?chē)降厍鹆旰蜁x西北緩坡黃土丘陵，地表物質(zhì)以覆沙黃土為主，在流水和風(fēng)力作用下，地表物質(zhì)易遭受侵蝕。研究區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)沙，夏季雨熱同期，秋季涼爽短促，冬季寒冷干燥，年平均氣溫在3.6—7.50C之間，年平均降水量380—440 mm，且主要集中在夏秋季（6-9月份）。土壤類(lèi)型以褐土為主，地帶性植被為溫帶半干旱草原和半濕潤(rùn)森林草原[23-24]。受農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)歷史久遠(yuǎn)和自然資源特別是礦產(chǎn)資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，生態(tài)破壞嚴(yán)重，加之地表植被稀少、土壤含砂量大，水土流失和風(fēng)蝕沙化現(xiàn)象嚴(yán)重，成為中國(guó)水土流失治理和荒漠化防治的12個(gè)重點(diǎn)地區(qū)之一，也是京津冀風(fēng)沙源沙化土地治理關(guān)鍵技術(shù)研究與示范地區(qū)。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源于各個(gè)縣市區(qū)國(guó)土部門(mén)2008-2013年的土地利用變更數(shù)據(jù)和《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》、遙感影像及DEM數(shù)據(jù)。其中，遙感影像及DEM數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2008年6月和2013年6-9月2個(gè)時(shí)段，2008年影像為T(mén)M遙感影像，2013年影像為L(zhǎng)andsat-80LI遙感影像。矢量數(shù)據(jù)源于對(duì)遙感影像的解譯和1：50000的數(shù)字高程模型。利用ERDAS軟件對(duì)上述時(shí)段的遙感影像進(jìn)行影像矯正（空間誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)）、配準(zhǔn)、多波段融合、影像分幅裁剪拼接、確定解譯標(biāo)志及精度等處理，所有影像基本上無(wú)云覆被，成像質(zhì)量良好，采用人機(jī)交互式目視解譯法及邏輯推理法進(jìn)行解譯，同時(shí)參考區(qū)域地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖，并結(jié)合野外實(shí)地核校，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和數(shù)據(jù)提取的可操作性，圖像解譯后對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，其Kappa指數(shù)基本符合精度要求。據(jù)遙感解譯生成晉北地區(qū)2008年、2013年的土地利用現(xiàn)狀圖，通過(guò)ArcGIS軟件將2個(gè)時(shí)期的土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行空間疊加分析，得到研究時(shí)段內(nèi)土地利用變化情況，并對(duì)變化的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立2008-2013年土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為開(kāi)展土地利用/覆被變化及其景觀(guān)格局研究提供完整、準(zhǔn)確、科學(xué)的數(shù)據(jù)資料。土地利用類(lèi)型的劃分參照《土地利用現(xiàn)狀》分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[25]，依據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀和特點(diǎn)，將其劃分為耕地、林地、草地、水域、居民工礦建設(shè)用地和未利用地6類(lèi)。

1.3研究方法

土地利用動(dòng)態(tài)度表示土地利用的變化速率，定量描述區(qū)域土地利用變化的速度，能夠反映研究時(shí)段內(nèi)各土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化情況，也可反映區(qū)域土地利用動(dòng)態(tài)變化狀況及其區(qū)域分異特征[26]，對(duì)比較土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化趨勢(shì)具有積極作用。表達(dá)式見(jiàn)公式（1）。 式中，K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度;Ua、Ub分別為研究初期及研究末期某一種土地利用類(lèi)型的數(shù)量;T為研究時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K的值就是該研究區(qū)某種土地利用類(lèi)型年變化率。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以反映土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換的數(shù)量、去向及來(lái)源，包括一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)靜態(tài)時(shí)間點(diǎn)的所有土地類(lèi)型數(shù)據(jù)，是體系與體系狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，表征區(qū)域土地利用變化的特征與不同類(lèi)型土地年際動(dòng)態(tài)變化方向與數(shù)量。通用形式見(jiàn)公式（2）。

式中：S代表面積，n代表轉(zhuǎn)移前后的土地利用類(lèi)型數(shù)，i、j（ij=1，2，…n）分別代表轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類(lèi)型，Sij代表轉(zhuǎn)移前的i地類(lèi)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)以后的，地類(lèi)的面積。

2結(jié)果與分析

2.1土地利用結(jié)構(gòu)變化

根據(jù)影像解譯得到研究區(qū)2008年和2013年的土地利用現(xiàn)狀圖（圖2），對(duì)研究時(shí)段土地利用變化的統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)土地利用變化的面積及其所占的比例（表1）。

不同土地利用類(lèi)型面積總量變化，可以反映該區(qū)域土地利用變化的幅度和總體態(tài)勢(shì)。從表l中可以看出，研究區(qū)土地總面積為3755038.16 hm2，2008年和2013年間各用地類(lèi)型中，耕地、草地和林地皆為主要土地利用類(lèi)型，三者面積之和占研究區(qū)總面積的90.00%以上，其余用地類(lèi)型依次為居民工礦用地、水域和未利用地。

對(duì)不同土地利用類(lèi)型分布區(qū)域及所占面積變化情況而言，耕地主要分布在大同盆地等地勢(shì)平緩的區(qū)域。其中，2008年和2013年不同時(shí)期的耕地面積分別占土地總面積的35.64%和33.98%，面積呈減少趨勢(shì)，耕地面積減少最明顯的在大同市市轄區(qū)、右玉縣和左云縣等地。

草地主要分布在緩坡丘陵和低山丘陵地區(qū)，在研究區(qū)的河曲、保德、偏關(guān)、神池、岢嵐、五寨縣及其右玉縣、朔城區(qū)以西等地分布較多，2008年和2013年草地分別占土地總面積的34.80%和34.39%，面積呈小幅度減少，但研究區(qū)的東部區(qū)域草地面積略有增加。

林地主要分布在中低山地區(qū)，如研究區(qū)西南部的岢嵐縣、西北部的右玉縣以及東部的渾源縣、廣靈縣、陽(yáng)高縣等，2008年和2013年的面積所占土地總面積的比例分別為24.44%和25.93%，林地面積略呈增加趨勢(shì)。

居民工礦用地在不同時(shí)期的面積所占土地總面積的比例均小于5%。區(qū)域分布上，以大同市市轄區(qū)、朔州市市轄區(qū)、懷仁縣、靈丘縣分布面積最大，且增加最明顯。

水域和未利用地的面積占土地總面積的比例最小，水域面積在2008-2013年間由1.29%增加至1.32%，面積略有增加;未利用地面積在2008-2013年間由0.35%減少至0.30%，面積略有減少。

2.2土地利用速度變化

依據(jù)單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算公式，結(jié)合研究區(qū)土地利用變化的面積（表1），得到晉北地區(qū)不同土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度指數(shù)（表2）。

從表2可以看出，2008-2013年期間，晉北土地利用類(lèi)型變化存在差異。耕地、草地和未利用地的單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度為負(fù)值，說(shuō)明這3種土地利用類(lèi)型呈減少趨勢(shì)，其面積減少量分別為6256110、15395.60和1803.29 hm2，動(dòng)態(tài)度值分別為- 0.93%、-0.24%和-2.76%。林地、居民工礦用地和水域的單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度為正值，表明這3種土地利用類(lèi)型呈增加趨勢(shì)，其面積增加量分別為55774.23 hm2、22895.49 hm2和1090.24 hm2，動(dòng)態(tài)度值分別為1.22%、3.51%和0.45%。其中，居民工礦用地動(dòng)態(tài)度值最大，變化幅度最大;草地動(dòng)態(tài)度值最小，變化幅度最小。

2.3土地利用變化分析

借助ArcGIS軟件對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊置分析，并運(yùn)用Excel軟件數(shù)據(jù)透視表功能，獲取2008-2013年時(shí)間內(nèi)土地利用變化的空間轉(zhuǎn)移矩陣，其結(jié)果見(jiàn)表3。

從轉(zhuǎn)移矩陣表3中可以看出，2008-2013年期間，晉北地區(qū)土地利用變化明顯，結(jié)合2008年和2013年土地利用現(xiàn)狀面積（見(jiàn)表1），研究區(qū)土地類(lèi)型的轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在耕地、草地、林地三者之間，其余3種土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換面積不大，分布不集中，效果不明顯。其中，耕地面積明顯減少，主要與草地和林地之間發(fā)生轉(zhuǎn)換;2008-2013年，耕地面積的轉(zhuǎn)出量為145709.00 hm2，轉(zhuǎn)入量為83147.92 hm2，凈減少62561.08 hm2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀?5074.28 hm2）、林地（35794.93 hm2）和居民工礦用地（21037.89 hm2）。 草地轉(zhuǎn)出的面積140794.45 hm2大于其轉(zhuǎn)入面積125398.85hm2，凈減少15395.60 hm2.主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀?5658.92 hm2）、耕地（53420.24 hm2）及居民工礦用地（7038.20 hm2）。林地面積的增加主要源于草地和耕地的轉(zhuǎn)變，分別為75658.92和35794.93 hm2。這些變化是國(guó)家生態(tài)退耕還林還草政策實(shí)施以及生態(tài)工程建設(shè)的結(jié)果。

2008-2013年期間，居民工礦建設(shè)用地面積凈增加22895.49 hm2，主要來(lái)源于耕地（21037.89 hm2）。未利用地面積減少，向其余各土地利用類(lèi)型均有轉(zhuǎn)出，最主要是草地（2774.52 hm2）。水域面積略有增加，主要源于原先河灘地作為耕地的轉(zhuǎn)化。這些變化體現(xiàn)了近年來(lái)研究區(qū)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展以及生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求。

3討論與結(jié)論

土地利用/覆被變化是自然因素與人類(lèi)活動(dòng)綜合作用的結(jié)果，特別是人類(lèi)活動(dòng)的影響，使自然環(huán)境與土地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)，引起土地利用類(lèi)型及其景觀(guān)的變化[1，4]。晉北地區(qū)位于中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶和生態(tài)脆弱區(qū)，2008-2013年間區(qū)域LUCC變化對(duì)人類(lèi)活動(dòng)響應(yīng)敏感。以晉北地區(qū)2008年和2013年遙感影像資料為數(shù)據(jù)源，在ERDAS、ArcGIS等軟件技術(shù)支持下，開(kāi)展了土地利用/覆被變化的研究。

2008-2013年間，研究區(qū)耕地面積減少明顯，主要轉(zhuǎn)入林地、草地和居民工礦用地;林地面積呈明顯增加趨勢(shì)，主要由耕地、草地轉(zhuǎn)入;草地面積總體上有所減少，主要原因是除耕地轉(zhuǎn)入草地外，大部分草地轉(zhuǎn)入林地，使林地面積增多;居民工礦建設(shè)用地面積也呈增加趨勢(shì)，主要由耕地和草地轉(zhuǎn)入;未利用地面積有減少趨勢(shì)，主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾土值?水域面積略有增加，主要由原先河灘地的耕地轉(zhuǎn)入。

研究區(qū)2008-2013年間與2003-2008年間[27]林地、耕地和居民工礦用地的變化情況一致，草地、水域及未利用地的變化情況略有差異，究其原因，2008-2013年間，土地利用結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，耕地的減少主要在于2009年以來(lái)國(guó)家“退耕還林還草”政策的實(shí)施，以及“天然林保護(hù)工程”、“三北防護(hù)林工程”、小流域治理等林業(yè)生態(tài)工程的建設(shè)，使得林地面積增加。居民工礦建設(shè)用地呈增加趨勢(shì)，一方面是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大幅度增強(qiáng)，此期間為交通、能源等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰時(shí)期;另一方面，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，耕地和未利用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，結(jié)果導(dǎo)致耕地面積呈減少趨勢(shì)，這與李秀芬等[28]、崔振洋等[29]的研究結(jié)果一致。此期間，草地面積的減少，一是由于交通、能源基礎(chǔ)設(shè)施和工礦建設(shè)占用，二是由于植樹(shù)造林的生態(tài)工程建設(shè)占用。未利用地在研究時(shí)段內(nèi)總體上處于減少的趨勢(shì)，主要轉(zhuǎn)向生態(tài)用地。

本文采用人機(jī)交互式目視解譯法對(duì)高分辨率遙感影像進(jìn)行解譯，具有可視化分析、方便快捷、所見(jiàn)即所得等特點(diǎn)，同時(shí)又易于受到人的經(jīng)驗(yàn)性、主觀(guān)性影響，且目前這種解譯方法尚未形成一種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的應(yīng)用框架[30-31]。文章中選取的遙感影像數(shù)據(jù)雖進(jìn)行矯正后分辨率提升，但小尺度的土地利用類(lèi)型相關(guān)的遙感影像的判讀解譯仍存在困難。在今后對(duì)其進(jìn)一步的研究中，應(yīng)當(dāng)盡量選用一些多時(shí)相、分辨率高的遙感影像。晉北地區(qū)作為中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的重要組成部分，生態(tài)環(huán)境脆弱，其土地利用方式的變化對(duì)山西省生態(tài)規(guī)劃建設(shè)舉足輕重，且土地利用與區(qū)域生態(tài)過(guò)程的耦合關(guān)系及相關(guān)驅(qū)動(dòng)力因素的研究，與今后研究區(qū)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式、制定合理相關(guān)政策等密切關(guān)聯(lián)，這方面的研究仍需努力。

綜上所述，2008-2013年期間，晉北地區(qū)土地利用與覆被發(fā)生了較大變化。其中，耕地面積減少625 61.10 hm2，林地增加55774.23 hm2，居民工礦建設(shè)用地增加22895.49 hm2，草地減少15395.60 hm2，水域面積增加1090.24 hm2，未利用地面積減少1803.29 hm2。

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