馬歡，馮朝陽(yáng)，宋婷，計(jì)偉，楊嬌，李付杰

國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過(guò)程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

土地資源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，土地利用/覆被變化(land use/cover change，LUCC)與地表物質(zhì)循環(huán)和生命維持過(guò)程[1-3]密切相關(guān)，是人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)作用的直接反映。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)土地資源的需求不斷擴(kuò)大。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，全球環(huán)境變化研究領(lǐng)域逐漸加強(qiáng)了對(duì)LUCC的研究，國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)和全球變化人文因素計(jì)劃(IHDP)發(fā)布和推廣了一系列科學(xué)研究計(jì)劃，對(duì)LUCC的研究成為全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)之一[4-5]。許多學(xué)者以省、市、縣以及流域、重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)等為研究尺度，開展不同時(shí)段區(qū)域土地利用變化研究，以了解區(qū)域在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)土地利用的演化過(guò)程及其變化方向[6-10]。如Liu等[11]對(duì)全國(guó)土地利用空間格局和時(shí)空特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明中國(guó)自20世紀(jì)80年代以來(lái)，土地利用變化呈現(xiàn)分階段的地域差異規(guī)律，林地面積先減后增，草地面積持續(xù)減少；李威等[12]分析了1980—2015年長(zhǎng)江流域土地利用時(shí)空變化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江流域耕地和草地面積也呈持續(xù)減少趨勢(shì)；伍星等[13-14]對(duì)長(zhǎng)江上游土地利用的研究表明，2000年前林地、草地面積減少，2000年后建設(shè)用地等人工地表的面積明顯增加。

赤水河是長(zhǎng)江上游重要的一級(jí)支流，隨著沿赤水河谷兩岸酒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，土地利用發(fā)生明顯的變化。為了落實(shí)長(zhǎng)江大保護(hù)的國(guó)家戰(zhàn)略，促進(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的良性發(fā)展[15]，對(duì)赤水河流域的土地利用變化進(jìn)行分析，掌握其變化趨勢(shì)，有助于了解流域生態(tài)環(huán)境變化狀況。但目前對(duì)于赤水河全流域、長(zhǎng)時(shí)間序列土地利用的研究較少。筆者獲取1990—2018年共7期LUCC數(shù)據(jù)，基于地理信息系統(tǒng)(GIS)和空間統(tǒng)計(jì)分析方法，分析赤水河流域土地利用空間分布特征及動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，旨在揭示近30年該區(qū)域人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，以期為赤水河流域生態(tài)保護(hù)與修復(fù)、自然資源管理等提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

赤水河是長(zhǎng)江上游近50條主要支流中最重要的支流之一，也是生物多樣性豐富、自然景觀優(yōu)美、革命歷史悠久的河流。流域位于云南、貴州、四川三省接壤地區(qū)，涉及云南省的鎮(zhèn)雄、威信，貴州省的遵義、七星關(guān)、大方、金沙、仁懷、習(xí)水、赤水、桐梓，以及四川省的敘永、古藺、合江13個(gè)縣(區(qū)、市)(圖1)。流域全長(zhǎng)444.5 km，面積約為1.64萬(wàn)km2。氣候類型為中亞熱帶-南亞熱帶濕潤(rùn)氣候，溫暖濕潤(rùn)、無(wú)霜期長(zhǎng)、降水量大，年平均氣溫為13.1～17.6 ℃，多年平均蒸發(fā)量為456 mm，年平均降水量為749～1 286 mm，多年平均徑流量為97億m3。

圖1 赤水河流域行政區(qū)劃Fig.1 Administrative division of Chishui River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

各期土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，1990年、1995年、2000年的土地利用數(shù)據(jù)分辨率為1 000 m，2006年、2010年、2015年、2018年的分辨率為30 m。2006年、2018年土地利用數(shù)據(jù)分別是在2000年、2015年土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于Landsat 8遙感影像，通過(guò)人工目視解譯生成。中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的數(shù)據(jù)是以美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)作為主要信息源，利用人機(jī)交換的方法進(jìn)行目視解譯，建成的多時(shí)期土地利用/土地覆蓋專題數(shù)據(jù)庫(kù)[16]。該數(shù)據(jù)庫(kù)在LUCC研究中應(yīng)用廣泛[17-18]，精度達(dá)到90%，可信度較高。由于分辨率不同，本研究主要針對(duì)赤水河流域土地利用大類開展分階段研究。其他經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于各縣(區(qū)、市)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展公報(bào)(http://www.tjcn.org/tjgb/)。

1.3 研究方法

1.3.1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)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，可以直觀地反映土地利用類型變化的轉(zhuǎn)化量、結(jié)構(gòu)特征及轉(zhuǎn)移方向[18]，其數(shù)學(xué)形式如下：

(1)

式中：Sij為研究時(shí)段初期i類土地利用類型到研究末期轉(zhuǎn)為j類土地利用類型的面積，km2；n為土地利用類型。轉(zhuǎn)移矩陣的每行數(shù)值總和表示研究初期該土地利用類型的總面積，代表該土地類型的轉(zhuǎn)移去向和面積；每列數(shù)值總和表示研究末期該土地類型的總面積，代表該土地類型的所有轉(zhuǎn)入類型及面積。

1.3.2土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度模型分為單一動(dòng)態(tài)度(K)和綜合動(dòng)態(tài)度(LC)，可定性和定量地描述土地利用的變化速率。本研究主要使用K來(lái)衡量某種具體土地利用類型在一定時(shí)間內(nèi)的變化速度和幅度[19]。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Uai、Ubi分別為研究初期和研究末期土地利用類型i的面積，km2；T為研究時(shí)長(zhǎng)。

1.3.3土地利用分類體系

由于土地利用數(shù)據(jù)出處、來(lái)源不同，考慮分析的準(zhǔn)確性，按照GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》，根據(jù)赤水河流域的地域特點(diǎn)，對(duì)原始數(shù)據(jù)中的土地利用類型進(jìn)行整合，最終獲得水田、旱地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用地七大類,包含若干亞類的土地利用類型數(shù)據(jù)(表1)。

表1 土地利用分類體系Table 1 Land use classification system

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用空間分布

1990—2018年赤水河流域土地利用分布如圖2所示。由圖2可知，林地是赤水河流域優(yōu)勢(shì)土地利用類型，分布范圍最廣，其中赤水河流域北部赤水市、習(xí)水縣分布最多；水田集中分布在赤水河流域下游，在赤水河河谷零星分布；旱地在赤水河上游分布廣泛，上游分布面積多于下游；草地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地多沿赤水河河谷分布，并且城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積在2015年后明顯增多，而草地面積明顯減少，在仁懷市周圍區(qū)域表現(xiàn)明顯。

2.2 土地利用面積分布

1990—2018年赤水河流域土地利用面積變化如表2所示。由表2可知，赤水河流域林地面積分布最廣，多年平均面積占比為54.65%；其次是旱地，多年平均面積占比為29.39%；水田多年平均面積占比為8.21%，草地多年平均面積占比為6.17%；城鄉(xiāng)建設(shè)用地、水域和未利用地多年平均面積占比較小，分別為0.83%、0.72%和0.03%。

表2 1990—2018年赤水河流域土地利用面積變化Table 2 Change of land use area from 1990 to 2018 in Chishui River Basin

1990—2018年，林地、旱地、水田始終是赤水河流域主要的土地利用類型，但流域內(nèi)各土地利用類型變化存在明顯差異。水田面積呈先減少后增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但整體較為穩(wěn)定，1990—2006年基本穩(wěn)定，2006—2015年出現(xiàn)較大幅度下降，而到2018年又增至2006年水平。旱地面積變化趨勢(shì)與水田正好相反，呈先增長(zhǎng)后減少的趨勢(shì)，在1990—2006年基本穩(wěn)定，但2006—2015年出現(xiàn)較大幅度增加，而2018年又降至2006年水平。林地面積呈小幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，2018年較1990年增長(zhǎng)8.92%；草地面積在2006年前較為穩(wěn)定，之后大幅度減少，2018年較1990年減少97.26%；水域面積呈大幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，2018年較1990年增長(zhǎng)105.69 km2，增長(zhǎng)了139.07%；城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積呈大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，2018年較1990年增長(zhǎng)576.55 km2，增長(zhǎng)了21.35倍；未利用地面積占比極小，基本保持穩(wěn)定。

按照GB/T 21010—2007，土地利用類型一級(jí)分類中，耕地包含水田、旱地2種類型，對(duì)赤水河流域耕地面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，1990—2018年，水田和旱地面積變化趨勢(shì)相反，使得流域內(nèi)耕地面積總體變幅較小，其中1995年耕地面積最小(6 572 km2)；2015年最大(6 880 km2)，各年平均值為6 707 km2，占流域總面積的37.61%，僅次于流域內(nèi)林地面積分布。2000—2010年耕地面積呈先減少后增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是由于2000年以來(lái)地方實(shí)施退耕還林政策，并且后期農(nóng)民為了滿足糧食生產(chǎn)需要增加耕地面積，導(dǎo)致耕地面積波動(dòng)。

圖3 1990—2018年赤水河流域耕地面積變化Fig.3 Variation of cultivated land area from 1990 to 2018 in Chishui River Basin

2.3 土地利用變化

2.3.1動(dòng)態(tài)度分析

赤水河流域土地利用類型動(dòng)態(tài)度如表3所示。由表3可知，林地的動(dòng)態(tài)度一直處于較低水平，變化速率緩慢；水田、旱地的動(dòng)態(tài)度變化較為復(fù)雜，但2000年后水田、旱地動(dòng)態(tài)度呈反向變化，說(shuō)明赤水河流域耕地整體動(dòng)態(tài)平衡；草地的動(dòng)態(tài)度自2006年后持續(xù)為負(fù)值，且縮減速率逐漸擴(kuò)大，2015—2018年達(dá)到-31.66；水域的動(dòng)態(tài)度呈先增后降趨勢(shì)，2000—2006年達(dá)到峰值；城鄉(xiāng)建設(shè)用地自1995年后動(dòng)態(tài)度持續(xù)大幅增加，始終保持較高水平，2015—2018年達(dá)到74.02；未利用地由于基數(shù)較小，動(dòng)態(tài)度變化規(guī)律不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表3 赤水河流域土地利用類型動(dòng)態(tài)度Table 3 Dynamic degree of various land use types in Chishui River Basin

2.3.2土地利用轉(zhuǎn)移分析

根據(jù)各土地利用類型的動(dòng)態(tài)度分析，將赤水河流域1990—2018年的土地利用變化劃分為1990—2000年、2006—2015年、2015—2018年3個(gè)階段，基于ArcGIS進(jìn)行3個(gè)階段土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣分析，結(jié)果如圖4及表4～表6所示。由圖4可知，總體上，赤水河流域土地利用發(fā)生轉(zhuǎn)化的面積較大，且流域上游區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)化的面積大于下游區(qū)域，其中，2006—2015年發(fā)生轉(zhuǎn)化的面積相對(duì)少于其他2個(gè)階段，而2015—2018年赤水河南岸金沙縣、仁懷市、習(xí)水縣的土地利用發(fā)生轉(zhuǎn)化的面積增多。未發(fā)生轉(zhuǎn)化的土地利用類型在空間上具有明顯的聚集性，主要集中在赤水市、習(xí)水縣、古藺縣交界區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆诟呱綅{谷地形，石質(zhì)山體的土壤層很薄，不適合開墾耕作以及人類其他活動(dòng)，自然植被覆蓋率高，不易被改變。

圖4 不同時(shí)段赤水河流域土地利用變化空間分布Fig.4 Spatial distribution of land use change in Chishui River Basin in different periods

由表4可見，1990—2000年水田主要轉(zhuǎn)化為旱地、林地，轉(zhuǎn)化比例分別為46.30%、44.06%；旱地主要轉(zhuǎn)化為林地，轉(zhuǎn)化比例為67.35%；林地面積變化最大，主要轉(zhuǎn)化為旱地，轉(zhuǎn)化比例為65.47%；草地主要轉(zhuǎn)化為林地和旱地，轉(zhuǎn)化比例分別為48.89%、42.64%；水域和城鄉(xiāng)建設(shè)用地多轉(zhuǎn)化為旱地，轉(zhuǎn)化比例分別為49.78%、39.41%。各土地利用類型間轉(zhuǎn)化較多，但基本保持動(dòng)態(tài)平衡，總量變化不大。

由表5可見，2006—2015年旱地和林地直接的轉(zhuǎn)化幅度加大，旱地轉(zhuǎn)化為林地比例為74.83%，林地轉(zhuǎn)化為旱地比例為80.26%，這主要是由于退耕還林政策的實(shí)施[20-22]，導(dǎo)致林地面積增加，水田面積減少，為了維持耕地平衡，增加旱地面積；草地與其他土地利用類型的轉(zhuǎn)化減少，城鄉(xiāng)建設(shè)用地與其他土地利用類型的轉(zhuǎn)化明顯增多，共有157.59 km2土地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)建設(shè)用地，這是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)建設(shè)用地需求增加導(dǎo)致的。

由表6可見，2015—2018年林地與旱地間轉(zhuǎn)化仍很大；另外，草地面積大幅減少，其主要轉(zhuǎn)化為林地，轉(zhuǎn)化比例為59.48%；城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積較之前更快速上升，旱地、林地、草地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化明顯增多，共有504.80 km2土地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)建設(shè)用地，占城鄉(xiāng)建設(shè)用地總面積的83.64%，反映了城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，這與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況相吻合[23]。

2.4 流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展分析

由表4～表6可知，赤水河流域城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯，1990—2018年面積年增長(zhǎng)速率持續(xù)升高，尤其是在2006年之后增長(zhǎng)速率成倍增加，如2006—2010年為7.75 km2/a，2010—2015年為18.20 km2/a，2015—2018年為139.00 km2/a。經(jīng)濟(jì)發(fā)展是城市空間擴(kuò)張最直接的動(dòng)力，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，帶動(dòng)GDP和區(qū)域城市建設(shè)投資的增加，促進(jìn)城市空間擴(kuò)張，同時(shí)，城市空間的有序擴(kuò)張又將帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步增長(zhǎng)?；诔嗨恿饔?3個(gè)縣(區(qū)、市)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展公報(bào)，對(duì)2006—2018年GDP進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表7所示。由表7可知，赤水河流域GDP總量增長(zhǎng)速率逐年升高，2006—2010年為148.05億元/a，2010—2015年為251.36億元/a，2015—2018年為257.87億元/a。與城鄉(xiāng)建設(shè)用地增長(zhǎng)速率相比，2015—2018年GDP增長(zhǎng)速率有所減緩，表明建設(shè)用地單位面積經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出逐年降低，土地利用效率有待提高，土地資源緊缺問題凸顯。因此，在推進(jìn)城市化發(fā)展進(jìn)程的同時(shí)，要加強(qiáng)土地資源的保護(hù)與合理利用。

表4 1990—2000年赤水河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Land use transfer matrix in Chishui River Basin from 1990 to 2000 km2

表5 2006—2015年赤水河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Land use transfer matrix in Chishui River Basin from 2006 to 2015 km2

表7 2006—2018年赤水河流域各縣(區(qū)、市)GDPTable 7 GDP of each county in Chishui River Basin from 2006 to 2018 億元

3 結(jié)論

(1)1990—2018年赤水河流域最主要土地利用類型為林地，多年平均面積占比為54.65%，其次為旱地、水田、草地，多年平均面積占比分別為29.39%、8.21%、6.17%。林地分布廣泛，旱地多分布在赤水河上游，水田集中分布在赤水河下游的赤水市、合江縣，草地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地沿河谷分布，未利用地面積極少。

(2)從1990—2018年赤水河流域土地利用空間變化來(lái)看，水田、旱地、林地面積波動(dòng)變化，整體較為穩(wěn)定，其中草地面積變化最大，減少了97.26%；其次為水域面積，增加了139.07%；城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積自2010年后大幅擴(kuò)張，2018年是1990年的21.35倍。

(3)1990—2000年土地利用類型的轉(zhuǎn)化集中在林地與旱地之間，其中2006—2015年、2015—2018年，林地與旱地間的轉(zhuǎn)化幅度加大，這主要受退耕還林政策的影響，其他土地利用類型間的轉(zhuǎn)化也多于1990—2000年，尤其是城鄉(xiāng)建設(shè)用地；2006年之后旱地、林地、草地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化明顯增多，其中2015—2018年共有504.80 km2土地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)建設(shè)用地，占城鄉(xiāng)建設(shè)用地總面積的83.64%。

(4)2006—2018年，流域GDP以201.74億元/a的速度快速增長(zhǎng)，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積也快速增長(zhǎng)，反映了區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的城市擴(kuò)張，但經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度逐年減緩，土地資源利用效率有待提高。協(xié)調(diào)好保護(hù)和開發(fā)的關(guān)系對(duì)于推動(dòng)赤水河流域健康和可持續(xù)發(fā)展極為重要。