張 華，張宇飛，黃一恒，圣 振，高潤禧，楊 柳

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

1 引言

土地利用變化是改變生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因素，也是人類活動對自然環(huán)境施加影響的顯著表現(xiàn)形式[1]。在快速城市化及經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、人口急劇增長的背景下，土地利用方式不斷變化，同時也引發(fā)了一系列自然生態(tài)相關(guān)問題。為了對有限的土地進(jìn)行更加合理地規(guī)劃及使用，減少因土地不合理規(guī)劃造成的自然及社會問題，對土地利用變化特征及其驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行研究是必要的。

目前針對五臺縣的研究大多集中在佛教文化[2]、生態(tài)旅游[3]、地理環(huán)境[4]等方面，而對其土地利用情況及生態(tài)結(jié)構(gòu)方面的研究則少之又少。近年來，隨著該地區(qū)旅游活動的增多、過度放牧及不合理的礦山開采等人為因素的影響，五臺縣地區(qū)水土流失嚴(yán)重，人地矛盾問題突出[5]。本文以五臺縣為研究區(qū)域，采用研究區(qū)域2013～2021年遙感影像數(shù)據(jù)以及其他有關(guān)數(shù)據(jù)提取土地利用特征，并在分析土地利用變化的基礎(chǔ)上探究其變化原因，為五臺縣土地利用規(guī)劃提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

五臺縣位于山西省境東北部。由于五臺縣位置偏北，地勢又高，氣候寒冷，素有“華北小興安嶺”之稱。年平均降雨量500 mm，無霜期90～150 d。五臺縣屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年內(nèi)氣候變化受大氣環(huán)流的影響明顯[6]。五臺縣境內(nèi)的五臺山，山巒重疊，地形復(fù)雜，旅游資源豐富。五臺縣轄區(qū)面積為2865 km2，耕地面積為51萬畝，占全縣面積的12.1%，常住人口約21.62萬人，人口密度為75人/ km2。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)主要為遙感影像數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http：//www.gscloud.cn),對其進(jìn)行圖像處理，解譯各個時期各種類型的五臺山地區(qū)土地面積和分布，根據(jù)研究需要，將土地分為耕地、林地、草地及未利用土地、水域和建設(shè)用地；氣象數(shù)據(jù)主要來源于《山西省統(tǒng)計年鑒》(http://www.shanxi.gov.cn/sj/tjnj/)及天氣網(wǎng)(https://www.tianqi.com)。

3 研究方法

3.1 土地利用變化量

各土地利用類型在數(shù)量上的變化是土地利用變化最顯著的特征，在時序上的變化可以通過不同土地利用類型面積的變化量來反映[7]。

ΔU=Ub-Ua

(1)

式(1)中，ΔU為某種土地利用類型面積變化量；Ua、Ub為研究期初與研究期末土地利用類型的面積。

3.2 土地利用信息熵

信息熵是能反映某一區(qū)域在某個階段土地利用類型綜合性變化以及有序程度[8]。計算公式為：

(2)

式(2)中，Pi為第i類土地面積占區(qū)域總面積的百分比；i為土地利用類型[9]。

理論上當(dāng)P1=P2=…=PN=1/N時，H達(dá)到最大值。計算得到的熵值越大，土地利用類型多樣性越高，土地利用程度越高、結(jié)構(gòu)越均衡[10]，土地功能越完善。

本文為了增加信息熵的可比性，引入了均衡度公式：

(3)

當(dāng)J趨近于0時，土地利用結(jié)構(gòu)趨近于最不平衡的狀態(tài)，而當(dāng)J=1時，土地利用結(jié)構(gòu)處于理想化的最平衡狀態(tài)[11]，土地構(gòu)成差別越小。優(yōu)勢度與多樣性的變化相反，反映區(qū)域內(nèi)土地利用類型受支配程度，其公式如下：

I=1-J

(4)

3.3 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度可以表達(dá)在一定時間范圍內(nèi)，研究區(qū)的某種土地利用類型在數(shù)量上是如何變化的[12]。計算不同土地利用類型的動態(tài)度可以對研究區(qū)土地利用類型的變化程度進(jìn)行表達(dá)，其計算公式為：

(5)

式(5)中，Ua、Ub為研究期初和研究期末某種土地利用類型的面積；Ta、Tb為對應(yīng)研究期初和期末的時間，Ta和Tb以年為單位計算；K為研究區(qū)域某種土地利用類型的年變化率。

3.4 土地利用類型轉(zhuǎn)移分析

土地利用類型的轉(zhuǎn)換包括轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出，可以借助土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來定量分析研究期內(nèi)某一地類轉(zhuǎn)出及轉(zhuǎn)入的變化情況[13]。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣對區(qū)域內(nèi)土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征以及各類用地變化的方向有著良好的刻畫效果[14]。具體計算公式[15]：

(6)

式(6)中，S為面積；i為基期年土地利用類型，i∈ [1，n]；j為期末年土地利用類型，j∈ [1，n]；Sij為研究期內(nèi)第i類土地轉(zhuǎn)移為第j類土地的面積總和。

4 結(jié)果分析

4.1 土地利用類型面積變化

對五臺縣土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析得到2013～2021年五臺縣的土地利用類型變化情況，如表1。從表1可以看出，2021年與2013年相比，耕地、林地面積有所下降，草地及未利用地、水域、建設(shè)用地面積有所增加。林地減少面積最大，減少了527.58 km2，草地及未利用地增加面積最大，增加了615.33 km2。2013～2021年五臺縣各土地利用類型占比如圖1，通過圖1可以更直觀地看到各土地利用類型地變化情況。

4.2 土地利用信息熵

根據(jù)公式(2)、(3)、(4)計算得到五臺縣2013～2021年土地利用結(jié)構(gòu)信息，如表2。由表2可知，研究期間，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度有所上升而優(yōu)勢度相反。區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型面積發(fā)生了顯著變動，土地利用類型多樣性增加，土地利用結(jié)構(gòu)趨于均衡狀態(tài)，導(dǎo)致五臺縣土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度和信息熵增大。

表1 2013～2021年五臺縣土地利用類型變化情況

圖1 2013～2021年五臺縣各土地利用類型占比

表2 五臺縣2013～2021年土地利用結(jié)構(gòu)信息

4.3 土地利用動態(tài)度

由式(5)計算得到耕地、林地、草地及未利用地、水域、建設(shè)用地的動態(tài)度如表3。由表3可知，2013～2021年，耕地、林地、草地及未利用地、水域和建設(shè)用地的土地利用動態(tài)度分別為：-3.09%、-4.53%、10.24%、10.8%和7.49%。耕地、林地的單一土地利用動態(tài)度為負(fù)值，說明耕地、林地面積有所減少，呈現(xiàn)負(fù)增長狀態(tài)；草地及未利用地、水域、建設(shè)用地面積在增加，呈現(xiàn)正增長狀態(tài)。其中，水域的單一利用動態(tài)度最高，說明水域的年面積變化速率最快，略大于草地及未利用地的動態(tài)度，這是由于當(dāng)?shù)卣陙矸e極開展水資源開發(fā)工作，解決了當(dāng)?shù)厝彼畣栴}。

表3 土地利用類型動態(tài)變化

4.4 土地利用轉(zhuǎn)移分析

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠反映土地利用類型的面積變化，更加直觀地對土地利用變化方向及轉(zhuǎn)化面積進(jìn)行表達(dá)，2013～2017年五臺縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表4所示。由表4可以看出，研究期間，土地利用轉(zhuǎn)移變化主要表現(xiàn)為耕地、林地轉(zhuǎn)出為其他土地利用類型，大部分林地轉(zhuǎn)化為草地，而草地及未利用地、建設(shè)用地則有較多轉(zhuǎn)入。耕地、林地都主要向草地及未利用地轉(zhuǎn)移。

表4 2013～2021年五臺縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣面積 km2

5 結(jié)果與討論

5.1 結(jié)果分析

結(jié)合土地利用面積變化及土地利用動態(tài)度，2013～2021年間，五臺縣林地面積大幅下降，草地及未利用地面積大幅增加，水域的年面積變化速率最快，略大于草地及未利用地的動態(tài)度。區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型面積發(fā)生了較大變動，土地利用結(jié)構(gòu)趨于均衡狀態(tài)，導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度和信息熵增大。從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣看，土地利用轉(zhuǎn)移變化主要表現(xiàn)在耕地、林地轉(zhuǎn)出為其他土地利用類型，而草地及未利用地、建設(shè)用地則有較多轉(zhuǎn)入。耕地、林地都主要向草地及未利用地轉(zhuǎn)移。

經(jīng)查閱歷年相關(guān)資料，2013～2021年間，年平均氣溫為7.08～8.13 ℃，年降水量也保持在480～540 mm 左右，研究期間氣候波動較小。土地利用變化受氣候影響程度不明顯。

本文認(rèn)為人為因素是導(dǎo)致五臺縣土地利用變化的主要原因。為解決汛期供水及排沙矛盾等問題，建設(shè)濕地公園滿足旅游需求，五臺縣興修水庫導(dǎo)致水域面積在原有面積上大幅增加。由于其佛教文化及其優(yōu)越的氣候條件，五臺縣大力發(fā)展旅游文化，開發(fā)旅游景點(diǎn)，使得一部分林地轉(zhuǎn)化為草地及建設(shè)用地，而退耕還林還草政策的有效實(shí)施也使一部分耕地轉(zhuǎn)化為林地和草地。此外，相關(guān)資料顯示，五臺縣在研究期間發(fā)生過由于人類缺乏防火意識及不合理行為導(dǎo)致的幾次大面積森林火災(zāi)，成為林地面積大幅減少的原因之一。

5.2 討論

本文以山西省忻州市五臺縣為研究區(qū)域，對2013年及2021年的遙感影像進(jìn)行解譯，將土地利用類型分為耕地、林地、草地及未利用地、水域和建設(shè)用地五類，分析五臺縣土地利用變化的基本特征及變化去向等特征規(guī)律，并結(jié)合相關(guān)資料對變化原因進(jìn)行分析。五臺縣2021年較2013年相比，土地利用結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，各利用類型面積差別更小，各土地類型在整體上趨于均衡。結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行分析，導(dǎo)致五臺縣土地利用變化的原因主要是人類活動，如旅游區(qū)開發(fā)、水源地開發(fā)和人類引發(fā)的森林火災(zāi)等，但影響五臺縣土地利用變化的具體驅(qū)動因子還需結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究。