安冠霖,郭晉平
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山西 太谷 030801)
土地利用/覆被變化是陸地景觀格局變化的表現(xiàn)之一,也是造成全球景觀變化的重要原因[1]。21世紀(jì)以來(lái),區(qū)域土地利用情況明顯改變[2],已經(jīng)影響到區(qū)域的生態(tài)安全[3]。人類可以通過(guò)改變土地利用方式來(lái)逐步改善環(huán)境問題[4]。土地利用/覆被變化受到自然、經(jīng)濟(jì)、區(qū)位等因素的綜合影響,各因素以不同的方式驅(qū)動(dòng)各地域類型的轉(zhuǎn)變,對(duì)區(qū)域土地驅(qū)動(dòng)力的研究有助于更好地利用與開發(fā)土地資源[5-7]。文峪河流域是典型的中西部小流域,近18年來(lái)的土地利用/覆被變化變化明顯,由此造成的影響也日益顯著。而目前尚缺乏對(duì)中西部地區(qū)小流域整體土地利用/覆被變化過(guò)程和規(guī)律以及驅(qū)動(dòng)力因子與機(jī)制的全面深入探討。選取文峪河流域進(jìn)行土地利用/覆被變化及其驅(qū)動(dòng)力研究,其目的在于揭示中西部小流域土地利用/覆被變化過(guò)程特征及其驅(qū)動(dòng)力,為中西部小流域土地利用/覆被變化研究提供典型案例,同時(shí)也為中西部小流域土地資源開發(fā)與保護(hù)以及土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。
文峪河是黃河支流汾河的支流,發(fā)源于山西省交城縣關(guān)帝山,流經(jīng)交城縣、文水縣、汾陽(yáng)市、孝義市,在孝義市境內(nèi)匯入汾河。流域地處汾河中游,太原盆地西南緣。地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°21′06″~112°19′34″,北緯36°56′42″~37°53′38″。屬暖溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)。地形復(fù)雜、山體陡峭,各處氣溫、降水差異較大。全區(qū)年均氣溫3~7℃,高海拔區(qū)較寒冷,低山谷地溫和。7月均溫17.5℃,1 月均溫 -10.2℃,極端低溫可達(dá) -29.1℃;年均降水量450~700 mm,年蒸發(fā)量 1 600~1 800 mm,相對(duì)濕度70.9%;≥0℃積溫 2 100℃,無(wú)霜期100~130 d,日照時(shí)數(shù) 1 900~2 200 h。流域內(nèi)土壤、植被類型眾多[8]。
將2000-2018年的五期Landsa TM/OLI_TIRS遙感圖像在ENVI中進(jìn)行波段融合、輻射校正、鑲嵌、裁剪、監(jiān)督分類等操作,并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行聚類、過(guò)濾等分類后處理。經(jīng)手動(dòng)調(diào)整,修改混分、錯(cuò)分的分類結(jié)果,將研究區(qū)分類為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、其他用地六大類[9]。本研究使用的經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均來(lái)自流域各縣市的政府統(tǒng)計(jì)部門。部分自然驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心、中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心、OpenStreet Map、地理空間數(shù)據(jù)云、國(guó)家氣象數(shù)據(jù)中心、USGS及NASA。
1)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量和方向定量研究的主要方法[10]。基于土地利用數(shù)據(jù)使用GIS、ENVI等工具獲取土地結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。
2)單一土地利用動(dòng)態(tài)度:定量描述區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的面積變化速度。其計(jì)算公式為:
式中:K表示研究時(shí)段內(nèi)某地類的變化速度,Ua和Ub分別表示研究初期a和期末b某地類的面積[11]。
3)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度:定量描述研究區(qū)內(nèi)整體土地變化的速度[12]。其計(jì)算公式為:
式中:Ui表示各分期初期第i地類的面積,△Ui-j表示各分期的地類轉(zhuǎn)移面積,T為研究期長(zhǎng)度。
4)土地利用/覆被轉(zhuǎn)移狀態(tài)指數(shù):定量描述某土地利用類型的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出的狀態(tài)[13]。其計(jì)算公式如下:
式中:Vin、Vout—第i種地類在T1~T2期間的轉(zhuǎn)入速度和轉(zhuǎn)出速度。轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出速度是某分期某地類轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出面積與該分期該地類總面積之比。
5)土地利用程度指數(shù):反映土地利用的深度、廣度。將土地利用程度劃分為4級(jí);將未利用地賦值為1;林地、草地、水域賦值為2;農(nóng)業(yè)用地賦值為3;建設(shè)用地賦值為4[14]。其計(jì)算公式如下:
式中:Lj表示研究區(qū)域在j時(shí)間的土地利用程度,Ai表示研究區(qū)內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù),Ci表示研究區(qū)內(nèi)第i級(jí)土地利用面積占比。
6)土地利用信息熵和均衡度:分別反映土地利用系統(tǒng)的有序程度和均衡性。熵值越大,土地利用系統(tǒng)的有序性越低;均衡度值越大,土地利用的勻質(zhì)性越強(qiáng)[15]。二者的表達(dá)式分別為:
式中:Pi為研究區(qū)某一土地利用類型的面積比例,m為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型數(shù)。
7)基于馬爾柯夫模型對(duì)流域未來(lái)土地結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè):通過(guò)最近一期土地轉(zhuǎn)移矩陣求出土地轉(zhuǎn)移概率矩陣,并基于2015年的土地面積對(duì)2018-2023年的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè),使用2018年的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確度檢驗(yàn)。計(jì)算公式如下:
A(n)=A(0)×P(n)
式中:A(0)和A(n)分別為各地類的初始狀態(tài)和n時(shí)刻后的預(yù)測(cè)狀態(tài),P(n)為初始狀態(tài)土地利用概率矩陣經(jīng)過(guò)n步轉(zhuǎn)移后的概率矩陣。
P(n)=Pn
式中:n步轉(zhuǎn)移概率矩陣P(n)是保持轉(zhuǎn)移概率矩陣不變的情況下首步轉(zhuǎn)移概率矩陣P的n次方。
卡方檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式如下:
1)驅(qū)動(dòng)因子指標(biāo)體系
驅(qū)動(dòng)因子分為自然因子、區(qū)位因子、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子3個(gè)一級(jí)指標(biāo)。其中,自然因子包括地形、土壤、氣候、生態(tài)、植被5個(gè)二級(jí)指標(biāo),地形因子包括高程、坡度;土壤因子包括土壤類型、土壤有機(jī)質(zhì)含量;氣候因子包括平均溫度、平均降水、平均濕度、平均氣壓、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、0℃積溫、10℃積溫、濕潤(rùn)程度、干燥程度、LST(地表溫度)、ET(蒸散發(fā)量);生態(tài)因子包括總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù);植被因子包括植被類型、FPAR(光合有效輻射)、LAI(葉面積指數(shù))、NDVI(歸一化植被指數(shù))、EVI(增強(qiáng)型植被指數(shù))、GPP(總初級(jí)生產(chǎn)力)、NPP(凈初級(jí)生產(chǎn)力)。區(qū)位因子包括城鎮(zhèn)距離、道路距離、水域距離。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子包括經(jīng)濟(jì)、人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)科技3個(gè)二級(jí)指標(biāo),經(jīng)濟(jì)因子包括GDP、人均GDP、財(cái)政支出、存款余額、貸款余額、城市化指數(shù);人口因子包括人口總數(shù)、農(nóng)業(yè)人口、城鎮(zhèn)人口、人口密度、單位面積國(guó)土人口。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)科技因子包括一產(chǎn)產(chǎn)值、二產(chǎn)產(chǎn)值、三產(chǎn)產(chǎn)值、一產(chǎn)比重、二產(chǎn)比重、三產(chǎn)比重、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、規(guī)模企業(yè)數(shù)。
2)因變量獲取
在ENVI及GIS中,部分自然驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)主要基于USGS DEM數(shù)據(jù)以及NASA MODIS數(shù)據(jù)獲取。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值獲取。區(qū)位建設(shè)因子基于相關(guān)矢量圖層制作。所有驅(qū)動(dòng)因子都經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的正規(guī)標(biāo)準(zhǔn)化處理[17]?;谕恋乩脭?shù)據(jù)獲取因變量圖層。將因變量制作為二分類數(shù)據(jù),其中0表示某一地類沒有發(fā)生變化的部分,1表示某一地類發(fā)生了轉(zhuǎn)變的部分[18];將因變量圖層與驅(qū)動(dòng)因子隨機(jī)抽樣并提取值至SPSS,使用向后:LR的方法分析[19]。
3)驅(qū)動(dòng)力分析模型構(gòu)建
選取Logsitic模型分析土地覆被驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)Logistic回歸的建模要求,記某一類型土地發(fā)生變化的概率為P,則沒有發(fā)生的概率為1-P,相應(yīng)的回歸模型為[20]:
ln[P/(1-P)]=α+β1x1+β2x2+,…,+βnxn
式中,x1、x2,…,xn表示對(duì)結(jié)果Y的n個(gè)影響因素;α為常數(shù)項(xiàng);β1β2…βn為L(zhǎng)ogistic回歸的偏回歸系數(shù)。事件發(fā)生的概率是一個(gè)由解釋變量xn構(gòu)成的非線性函數(shù),表達(dá)式為[21]:
Logistic回歸模型擬合結(jié)果通過(guò)經(jīng)最大似然估計(jì)法計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量表格表示,主要包括回歸系數(shù)、效應(yīng)系數(shù)。比較回歸系數(shù)的絕對(duì)值可判斷驅(qū)動(dòng)作用的大小,通過(guò)回歸系數(shù)的符號(hào)與效應(yīng)系數(shù)可看出驅(qū)動(dòng)因子的作用方式。如H-L檢驗(yàn)值大于0.05,可認(rèn)為模型擬合程度較好;如ROC曲線AUC值大于0.5,可認(rèn)為模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較高;如顯著性值小于0.05,可認(rèn)為該因子對(duì)土地變化的驅(qū)動(dòng)作用顯著[22]。
2000—2018年,耕地面積下降350.06 km2,占總面積比重減少6.93%,自身面積減少17.03%;林地面積下降37.86 km2,占總面積比重減少0.76%,自身面積減少了1.67%;草地面積下降21.59 km2,占總面積比重下降0.43%,自身面積減少了4.68%;水域面積增加10.81 km2,占總面積比重增加0.22%,自身面積增加了303.65%;建設(shè)用地面積增加382.85 km2,總面積占比增加7.61%,其自身面積增加了179.32%;其他用地面積增加15.85 km2,總面積占比增加0.32%,自身面積增加了450.28%(表1)。耕地面積減少總量較大,比重下降明顯;林地面積減少總量較小,比重下降很??;草地面積減少總量較小,比重下降較??;水域面積增加總量較小,比重增加較大;建設(shè)用地面積增加總量較大,比重增加明顯;其他用地面積增加總量較小,比重增加較大。
表1 文峪河流域2000—2018年土地利用結(jié)構(gòu)
相較于2000年,之后耕地、林地的面積呈減少趨勢(shì),水域、建設(shè)用地、其他用地的面積呈增加趨勢(shì)(表2)。整體而言,水域、建設(shè)用地、其他用地的變化速度較耕地、林地、草地快。林地的平均變化速度最慢,其他用地的平均變化速度最快。近年來(lái)水域的變化速度趨緩,而建設(shè)用地、其他用地的變化速度仍然較快。在林地、耕地、草地中,草地的變化速度波動(dòng)較大,耕地、林地的變化速度較為穩(wěn)定。2000-2018年流域整體土地利用/覆被變化速度較快。整體來(lái)看,耕地的狀態(tài)指數(shù)接近-1,其轉(zhuǎn)出的速度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入的速度,面積減??;林地的狀態(tài)指數(shù)都為負(fù)數(shù),其轉(zhuǎn)出速度大于轉(zhuǎn)入速度,面積呈現(xiàn)減小趨勢(shì);草地的狀態(tài)指數(shù)趨向0,可認(rèn)為草地的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出處于雙向轉(zhuǎn)換下的平衡狀態(tài);水域的狀態(tài)指數(shù)都為正,其轉(zhuǎn)入的速度大于轉(zhuǎn)出的速度,面積呈現(xiàn)增加的趨勢(shì);建設(shè)用地的狀態(tài)指數(shù)接近1,其轉(zhuǎn)入的速度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出的速度,面積呈現(xiàn)增加的趨勢(shì);其他用地的狀態(tài)指數(shù)都為正,其轉(zhuǎn)入的速度大于轉(zhuǎn)出的速度,面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。
表2 文峪河流域各分期各地類速度狀態(tài)指標(biāo)
文峪河流域土地利用程度指數(shù)呈持續(xù)增加的趨勢(shì)(表3),表明隨著區(qū)域土地利用方式不斷調(diào)整,土地資源的利用向綜合程度較高的方向發(fā)展;流域的信息熵、均勻度指數(shù)持續(xù)增加,表明流域整體的土地利用有序度下降,流域土地利用的均勻度增加。
2000—2018年,耕地向草地、水域、建設(shè)用地、其他用地支出面積(表4)。林地向耕地、水域、建設(shè)用地、其他用地支出面積,草地向林地、水域、建設(shè)用地、其他用地支出面積。水域向建設(shè)用地、其他用地支出面積,其他用地對(duì)建設(shè)用地支出面積。
表3 文峪河流域各分期土地利用、信息熵、均勻度
耕地面積收入來(lái)自林地,林地面積收入來(lái)自草地,草地面積收入來(lái)自耕地。水域的面積收入主要來(lái)自耕地、林地、草地。建設(shè)用地的面積收入主要來(lái)自耕地、林地、草地、水域。其他用地的面積收入主要來(lái)自耕地、林地、草地。耕地、林地、草地面積為凈支出,水域、建設(shè)用地、其他用地面積為凈收入??傮w土地轉(zhuǎn)移面積由大到小依次為耕地、建設(shè)用地、草地、林地、其他用地、水域。
表4 文峪河流域2000—2018年土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣
利用估計(jì)的2018年各地類面積與實(shí)際面積進(jìn)行卡方統(tǒng)計(jì)值的計(jì)算,其結(jié)果為1.043,小于自由度為5上0.05分位點(diǎn)值1.145,故認(rèn)為本模型的預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。預(yù)測(cè)顯示,未來(lái)耕地、林地、草地、其他用地的面積呈下降趨勢(shì),水域與建設(shè)用地的面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(表5)。林地、草地、水域、其他用地的面積變化總量較小,耕地、建設(shè)用地的變化總量較大,表明應(yīng)加強(qiáng)對(duì)耕地的保護(hù),合理規(guī)劃建設(shè)用地。
表5 文峪河流域2018—2023年土地利用/覆被結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)
本模型H-L檢驗(yàn)的值為0.852,遠(yuǎn)大于0.05,模型擬合程度較好。ROC曲線中的AUC值為0.823>0.5,模型具有良好的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。所有因子的顯著性值都小于0.05,表明各因子對(duì)土地變化的驅(qū)動(dòng)作用顯著。
期間地形因子、區(qū)位建設(shè)因子、土壤因子、生態(tài)因子、氣候因子、植被因子、經(jīng)濟(jì)因子、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)科技因子、人口因子對(duì)土地變化有顯著的驅(qū)動(dòng)作用(表6)。以回歸系數(shù)絕對(duì)值大于1為標(biāo)準(zhǔn)比較可知,高程、平均降水、零度積溫、LAI、FPAR、GDP、二產(chǎn)產(chǎn)值對(duì)土地變化的驅(qū)動(dòng)作用尤其明顯?;貧w系數(shù)為負(fù)表示該因子增加一個(gè)單位,土地改變的概率減小,發(fā)生比縮小效應(yīng)系數(shù)倍;回歸系數(shù)為正表示該因子增加一個(gè)單位,土地改變的概率增加,發(fā)生比擴(kuò)大效應(yīng)系數(shù)倍。
地形因子區(qū)分了地表不同區(qū)域的高程、地貌,反映了當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造特征,與水熱條件組合、植被演替、建設(shè)難度、宜居程度、資源豐度、土壤形成、水土保持、土地利用速率等具有明顯的關(guān)系,是對(duì)土地變化長(zhǎng)時(shí)間影響的基礎(chǔ)性因子;土壤因子會(huì)對(duì)植被、作物生長(zhǎng)、建設(shè)難度、資源豐度、物質(zhì)循環(huán)等產(chǎn)生影響,對(duì)土地變化起到基礎(chǔ)、長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響;生態(tài)因子主要是通過(guò)計(jì)算綜合的生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值得出,其值較高的地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的供給能力、調(diào)節(jié)能力、支持能力、服務(wù)能力較強(qiáng),它是影響土地變化的基礎(chǔ)、長(zhǎng)遠(yuǎn)的重要因素;氣候因子的變化會(huì)顯著影響到當(dāng)?shù)氐闹脖谎萏?、土壤發(fā)育、建設(shè)難度、宜居程度、動(dòng)物種類與習(xí)性,若考慮人類聚居的因素,則氣候因素是對(duì)土地變化基礎(chǔ)的長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響因子;植被因子會(huì)對(duì)區(qū)域的食物供給、物質(zhì)供給、氣候調(diào)節(jié)、水資源保護(hù)、土壤形成、物質(zhì)循環(huán)、生物多樣性、景觀美學(xué)等產(chǎn)生顯著影響,是影響土地變化基礎(chǔ)、長(zhǎng)遠(yuǎn)的重要因子;區(qū)位建設(shè)因子對(duì)土地覆被變化的影響是復(fù)合、活躍的,它既受到自然因子的影響,也受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子如科技、政策等的影響,會(huì)通過(guò)集聚效應(yīng)或者吸引效應(yīng)對(duì)區(qū)域土地覆被產(chǎn)生影響。經(jīng)濟(jì)因子、人口因子、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)科技因子對(duì)土地變化的影響是活躍的。人口的增長(zhǎng)會(huì)增加對(duì)環(huán)境、資源的剛性需求,同時(shí)人口分布的不均衡也會(huì)對(duì)環(huán)境、資源產(chǎn)生壓力,經(jīng)濟(jì)的發(fā)展會(huì)帶來(lái)人們觀念的改變、技術(shù)的進(jìn)步,會(huì)對(duì)土地覆被產(chǎn)生影響;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)科技因子的變化會(huì)帶來(lái)資源利用方式、途徑、效率、重點(diǎn)的變化,會(huì)對(duì)土地覆被產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用;政策因子不易被量化分析,但其顯著地受到自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子等因素的影響,對(duì)研究區(qū)的土地利用/覆被變化具有強(qiáng)制性作用,它對(duì)于區(qū)域土地變化具有明顯、活躍的驅(qū)動(dòng)作用。
表6 文峪河流域整體土地變化驅(qū)動(dòng)力分析
短時(shí)間尺度內(nèi)土地變化的驅(qū)動(dòng)力量主要是區(qū)位建設(shè)因子及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子;自然因子對(duì)于土地變化具有基礎(chǔ)的長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。以上各因子對(duì)土地覆被的影響是綜合的,并且各因子之間是相互影響的,各因子具有補(bǔ)償性、不可替代性,對(duì)土地的驅(qū)動(dòng)具有階段性,對(duì)土地覆被的驅(qū)動(dòng)既有直接影響也有間接作用。
1)文峪河流域2000—2018年期間的土地利用/覆被經(jīng)歷了快速、復(fù)雜的變化:①耕地、林地、草地面積有所下降,水域、建設(shè)用地與其他用地的面積有所增加,耕地面積減少總量較多,比重減少明顯,建設(shè)用地面積增加總量較多,比重增加明顯;其余地類總量變化較??;水域、其他用地的比重變化較大。②水域、建設(shè)用地、其他用地的變化速度大于耕地、林地、草地。流域整體土地的變化速度較快。耕地、林地的轉(zhuǎn)出速度大于轉(zhuǎn)入速度,草地處于雙向轉(zhuǎn)換下的動(dòng)態(tài)平衡,建設(shè)用地、水域、其他用地的轉(zhuǎn)入速度大于轉(zhuǎn)出速度。③流域整體土地利用程度增加,有序度下降,均勻度上升。④流域的土地利用轉(zhuǎn)移類型為耕地向草地、水域、建設(shè)用地、其他用地支出面積,林地向耕地、水域、建設(shè)用地、其他用地支出面積,草地向林地、水域、建設(shè)用地、其他用地支出面積,水域向建設(shè)用地、其他用地支出面積,其他用地對(duì)建設(shè)用地支出面積。耕地、林地、草地面積為凈支出,水域、建設(shè)用地、其他用地面積為凈收入??傮w土地轉(zhuǎn)移面積由大到小依次為耕地、建設(shè)用地、草地、林地、其他用地、水域。⑤經(jīng)預(yù)測(cè)顯示,耕地、建設(shè)用地的面積變化較大,其余地類的面積變化較小,耕地、林地、草地、其他用地的面積下降,水域、建設(shè)用地的面積增加。
2)自然因子、區(qū)位建設(shè)因子與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)流域景觀都具有顯著的驅(qū)動(dòng)作用。影響土地利用的驅(qū)動(dòng)因子有地形、區(qū)位建設(shè)、土壤、生態(tài)、氣候、植被、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)科技、人口等因子。自然因子對(duì)土地變化具有基礎(chǔ)性、長(zhǎng)遠(yuǎn)性的影響,短時(shí)間尺度上區(qū)位建設(shè)因子與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子是影響土地變化的主要驅(qū)動(dòng)力量。各因子的驅(qū)動(dòng)方式不同,具有綜合性、補(bǔ)償性、不可替代性、階段性、直接作用和間接作用的特點(diǎn)。