近年来汉江上游土地利用类型变化分析
杨 倩1，刘登峰1，刘 慧2，栾金凯1，黄 强1，林 木3
(1. 西安理工大学水利水电学院省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038；3. 中央财经大学统计与数学学院，北京 100081)
摘 要 ：分析汉江上游近年来土地利用类型变化，可以揭示其生态环境的变化，为南水北调水源区各县的土地利用制定政策和生态环境保护提供参考依据。基于MODIS的MCD12Q1数据2001、2005、2009、2013年共4期遥感影像，从土地利用变化速率、类型转移、利用程度3个方面对汉江上游整个区域和各县区土地利用进行时空分析。结果表明，在汉江上游92 271.44 km2的范围内，2001—2013年，林地面积增加了13 075.4 km2，水域增加了183.66 km2，草地减少了7 105.69 km2，耕地减少了6 150.45 km2，城市建设用地变化不显著。在这3个时期，面积增加最多的是林地。草地、耕地和水域主要转化为林地，另外草地和耕地之间还相互转移，城市建设用地主要转移为耕地。各县(区)林地面积均在增加。2001—2005年土地利用的变化量相对较大，表明该时期土地利用类型进行了较大幅度调整，2005—2013年变化量较小，表明该时期土地利用转移幅度相对较小。汉江上游区域近年来土地利用结构进行了较大调整，生态环境也在向好的方向发展，这是实施生态保护的积极效果。
关键词： 土地利用变化；土地利用动态度；类型转移；利用程度；汉江上游
土地系统是一个复杂的自然系统，土地利用方式的变化，改变了地球上很大一部分地表，通过改变生态系统的结构和功能而对环境产生重大影响[1]。人类活动、自然因素、经济因素和国家政策因素等共同驱动土地利用类型发生变化[2-3]，分析这些因素引起的区域土地利用类型变化，可以揭示其生态环境的变化。
汉江上游流域，是南水北调中线工程重要的水源区，承担着北方缺水地区水资源调配的重任，其生态环境决定着南水北调中线工程的长期效益[4-5]。南水北调中线工程实施后，在缓解受水地区的水资源短缺危机、促进受水区的社会经济发展的同时，也使水源区的土地利用格局发生了剧烈变化，引发了一系列生态问题[6]。使用遥感数据分析土地利用特别是植被覆盖的变化，可以有效掌握区域整体特征和变化规律，为流域的管理提供有效的参数[7-8]。土地利用类型变化一般从时间和空间角度进行分析。典型的研究方法是使用遥感数据通过建立动态度、类型转移、利用程度等数学模型来分析土地覆盖变化[9-11]。
在汉江上游土地利用类型变化的相关研究中，申怀飞等[12]基于遥感影像利用土地利用动态度指数和马尔科夫转移矩阵对南水北调中线水源区1990、2002、2010年的土地利用进行了时空分析。李小燕等[13]使用土地利用动态度、土地利用转移矩阵、景观格局指数等对汉江上游陕南段2000、2006、2012年的土地利用变化状况进行了定量评估。但是，这些研究均是以汉江上游整体作为研究对象，未对汉江上游每个县的土地利用类型数量和程度变化进行时空分析。对流域上每个县的各类土地利用类型的面积变化及利用程度变化进行研究，即可从空间上得到人类活动对每个县土地利用程度的影响，同时一定程度上也能反映出每个县的生态保护力度大小，为未来每个县(区)的土地利用政策制定提供指引。
汉江上游的土地利用及其变化关系着水源区及受水区的用水安全及生态环境，对汉江上游近年来的土地利用变化规律及驱动力进行研究具有重要意义。因此，本研究选取汉江上游区域为研究对象，采用2001、2005、2009和2013年的MODIS遥感数据，从土地利用变化速率、类型转移、利用程度这三个方面对汉江上游整个区域和各县(区)的土地覆盖变化进行定量分析和时空分析，并对土地利用变化驱动力进行了简要分析，为南水北调水源区的土地利用政策制定和生态环境保护治理提供参考。
“双一流”建设中行业特色型大学教师绩效考核刍议 …………………………………………… 马国顺（6．98）
1 研究区概况
结合图3来看，钛渣中添加苏打焙烧时,形成的焙烧产物主要是Na2TiO3,证实了苏打焙烧可破坏钛渣中的Me3O5型固溶体结构,而这种破坏作用随着苏打配比的增加而增强。当苏打配比增至0.7时,钛渣中的Me3O5型固溶体结构几乎都被破坏,再继续增加苏打用量及增加成本也没实际意义。因此, 在对钛渣焙烧处理时苏打配比控制在0.7即可。
土地利用动态度模型是表征土地资源变化速率的重要模型，一般采用单一或综合土地利用动态度对变化速率进行分析[13]。
图 1汉江上游流域概况
2 数据来源与处理
本文采用美国NASA提供的土地覆盖类型遥感数(https://search.earthdata.nasa.gov/)。数据集全称为MODIS/Land Cover Type Yearly L3 Global 500 m SIN Grid，简称MCD12Q1。MCD12Q1数据是根据1 a的Terra和Aqua观测所得到的数据经过处理，描述土地覆盖的类型，空间分辨率为500 m。采用IGBP的全球植被分类方案，结合中国2017年颁发的GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》和土地的用途和覆盖特征对研究区的土地利用类型进行分类归并(表1)。由于监测到研究区域雪和冰所占比例几乎为0，所以本文主要讨论其余5种土地类型的利用变化。本文使用了h26v5和h27v5两个图幅的影像，对下载的影像应用MRT(MODIS Reprojection Tool)软件进行批量重投影操作，由SIN投影转换为Albers投影。用ArcGIS对影像进行拼接、裁剪操作，对2001、2005、2009、2013四期土地利用类型影像进行分析。
表1 土地利用分类
3 研究方法
3 .1 土地利用动态度模型
本论文采集了8个男生,7个女生共15人进行的10种人体常见行为关节点数据,如打电话、鼓掌、喝水、跨越障碍物、抛物、伸懒腰、原地跳跃、坐下、站起、坐下-站起。每人每种行为依次在实验环境下各采集5～10次,所有动作都是站立时完成,喝水、打电话、抛物等动作根据被测者习惯随机使用左手或者右手进行。
单一土地利用动态度描述的是一定时间范围内某一研究区内每种土地利用类型所占面积大小的变化速度[11]。综合土地利用动态度描述的是某一研究区一定时段内所有土地利用类型变化的总体快慢，它可以剔除不同类型土地之间不可融合的缺陷，反映研究区在一定时期的整体变化情况[15]。
3 .2 土地利用转移方向
土地利用转移矩阵能够从时间角度揭示出研究区不同种土地利用类型的数量转移变化方向，反映某类土地在一定时间间隔下，从t 时刻向t +1时刻状态转移的过程[10,16]。
1.2.1.1 成立干预小组 干预小组由取得心理咨询师资格证的副主任护师2名和主管护师2名、工作2年以上的护师4名组成。研究开始前对小组成员进行研究内容、研究流程及研究方法等统一培训。
3 .3 土地利用程度
而翠姨的妹妹，忘记了她叫什么名字，反正是一个大说大笑的，不十分修边幅，和她的姐姐完全不同。花的绿的，红的紫的，只要是市上流行的，她就不大加以选择，做起一件衣服来赶快就穿在身上。穿上了而后，到亲戚家去串门，人家恭维她的衣料怎样漂亮的时候，她总是说，和这完全一样的，还有一件，她给了她的姐姐了。
(1)
(2)
式中I ——土地利用程度综合指数；A i ——第i 种土地利用程度的分级指数；C i ——第i 种土地利用程度的百分比；ΔI b-a ——土地利用程度综合变化指数；C ia 、C ib ——时间a 、时间b 第i 种土地利用程度的百分比。
道路因素实际上是目前车载导航主要考虑的方面。车载导航通过内置的地图匹配，即map matching功能，将实时定位的电动汽车位置与实际道路相匹配，便可获取车辆当前行驶道路的信息，从而完成实时路径规划[9]。事实上，在对电动汽车出行路径进行规划时，道路实时条件是出行时间的一大组成部分。
通过表8可以看出，汉江上游各县从2001年到2013年林地面积变化比例均是正值，表明各县林地面积均不同程度地在扩大，反映出南水北调中线工程实施以来，各县均采取了生态环境保护措施，变化范围最显著的是紫阳县，增加比例达到31.46%，南郑县、宁强县、汉阴县、石泉县、西乡县、白河县增加比例也较为明显。结合图1，可发现这些县均位于汉江干流附近，生态保护措施做的较好。而各县草地面积变化比例均为负值，表明各县草地不同程度地转移为其他类型土地，减少最显著的是宁强县，减少比例达到15.24%。除了镇安县，西峡县、留坝县和太白县耕地面积小幅度增加外，其余各县市耕地面积在减少，减少最显著的是宁强县，减少比例达到23.41%。各县城市建设用地面积和水域面积基本保持不变。总体上说明出2001—2013年期间人为因素对土地利用的影响主要体现在林地的增加。
土地利用程度主要反映土地系统中人为因素作用的影响程度，常利用土地利用程度综合指数模型来刻画土地利用程度大小[17]。综合指数的大小可以反映研究区土地利用程度的大小。在汉江上游区域基础上以县为单元，先计算各县土地利用程度综合指数，再计算利用程度变化指数，可以反映出各县人类活动对土地利用变化的影响水平和变化趋势[18]，其表达式分别为：
表2 土地利用类型分级
4 结果分析
4 .1 土地利用变化速率
汉江上游2001、2005、2009、2013年4期的土地利用变化统计表和单一土地利用动态度变化分别见表3、4，对应的土地利用空间分布分别见图2—5。由表3、4可以看出，从2001—2013年，汉江上游林地土地利用动态度为正值，说明这类土地面积呈增加趋势，草地为负值，说明草地面积呈减少趋势，其余两类有负有正，表明这两类面积有增加有减少。在研究区92 271.44 km2的范围内，2013年的林地面积相对于2001年增加了14.14%，年均增加速度为1.88 km2/a。草地面积减少了7.7%，平均每年减少592.14 km2，其中2005—2009年减少速度最快，达到11.76%。耕地面积也呈减少趋势，在2001—2005年减少速度最快，为5.80%。水域面积在2001—2005年显著增加，增加速度为27.82%，之后几年，水域面积基本维持稳定。12 a期间城市建设用地面积没明显变化，减少速度为0.15%。对比图2—5，也可以形象地看出2001—2013年研究区的林地面积显著增加，而耕地面积显著减少，这正是国家自2003年起实行“退耕还林”的显著成效。
计算综合土地利用动态度，结果表明2001—2005年汉江上游土地利用年变化率为3.34%，2005—2009年为2.29%，2009—2013年为1.76%，变化速率呈减少趋势，说明2001—2005年汉江上游土地利用变化较为明显，2009—2013年变化较缓慢，一定程度反映出人类活动对土地利用的影响相对减少。
本文研究区域为汉江上游流域，流域概况见图1。丹江口水库以上为汉江上游流域，包括陕西省汉中市、安康市、商洛市、湖北省十堰市的大部分地区，还包括甘肃省和河南省的小部分地区，年降水量为700～900 mm， 集中在7—9月[14]研究区西部属于北亚热带季风气候，东部为北亚热带与暖温带过渡气候，气候温和，热量相对充分，四季分明。
表3 汉江上游土地利用变化情况统计
表4 汉江上游单一土地利用动态度变化
图 2 2001年汉江上游土地利用空间分布
图 3 2005年汉江上游土地利用空间分布
4 .2 土地利用转移变化
2001—2005、2005—2009、2009—2013年汉江上游土地利用转移矩阵分别见表5—7。从表中可以看出，2001—2009年草地主要转化为林地，2001—2005年转移比例为40.20%，2005—2009年转移比例为45.73%。而在2009—2013年草地主要转移为了耕地，转移比例为34.34%。2001—2013年，耕地转移比例在不断降低，主要转移成林地和草地，水域主要转化为林地，城市建设用地转出面积最少，主要转化为耕地。2001—2005年转入面积从大到小依次为：林地>草地>耕地>水域>城市建设用地，面积分别为11 605.51、 6 784.63、 5 962.14、315.37、10.01 km2。2005—2009和2009—2013年转入面积从大到小依次均为：林地>耕地>草地>水域>城市建设用地。
图 4 2009年汉江上游土地利用空间分布
图 5 2013年汉江上游土地利用空间分布
2001年和2013年每个县(区)的土地利用综合指数和土地利用程度综合变化指数计算结果见图6和表9。土地利用综合指数在镇安县、西峡县、留坝县、太白县略有增加，其余县都不同程度地减少，且宁强县、紫阳县、南郑县、西乡县、石泉县、镇巴县和竹山县土地利用程度减少幅度较大，宁强县减少的最显著。结合图6可知，这些土地利用程度综合指数减少的县(竹山县除外)都位于汉江干流附近，竹山县位于汉江上游支流上，一定程度上说明近年来汉江上游干流上的这些县生态环境在向好的方向发展，为南水北调水源区的水资源质量提供了一定的保障。
表5 汉江上游2001—2005年土地利用转移矩阵 km2
表6 汉江上游2005—2009年土地利用转移矩阵 km2
表7 汉江上游2009—2013年土地利用转移矩阵 km2
4 .3 土地利用程度变化
2001、2005、2009、2013年的综合土地利用综合指数分别为224.34、218.77、217.67、217.36，可见2001—2013年汉江上游土地利用程度综合指数未发生大幅度变化。2001—2005、2005—2009、2009—2013年土地利用综合指数变化量都为负数，说明2001—2013年汉江上游土地利用方式处于调整期，人类活动对土地利用类型影响变现为负趋势，2001—2005年变化量相对较大，表明该时期土地利用类型进行了较大幅度调整，2005—2013年变化量较小，表明人类活动对土地利用的影响比较小且较稳定，没有大幅度变化。
在汉江上游区域基础上，分别分析2001年和2013年每个县的土地利用类型面积变化，能反映出这两个时段人类活动对每个县的土地利用变化影响。本文在汉江上游选取了表8中的35个区县，2001—2013年汉江上游各县各类土地利用类型面积变化比例见表8。
A i 取值参考王思远等[19]提出的土地利用程度分级方法，再结合汉江上游土地利用实际情况，将土地划分为4个等级，见表2。分级指数越大，代表人类活动越强。
分析以上3个时段的土地利用转移情况，转入面积最大的均是林地，草地、耕地和水域主要转化为林地，草地和耕地除了转移为林地外，两者之间还相互转移，城市建设用地主要转移为耕地。虽然城市建设用地的总面积变化不大，但是需要注意到，其他类型用地转移为城市建设用地，城市建设用地转移为其他用地。一方面，这种变化体现了为了保护耕地采取的占补平衡的政策；另一方面，高质量耕地转为建设用地，而城市建设用地恢复为耕地后可能耕地质量不高。
国外，人们在上个世纪就开始认识到汽车车内空气污染问题的严重性，各国纷纷制定相关政策法规加以约束。德国是最早关注车内污染并颁布相关法规政策的国家。美国在上世纪八九十年代曾连续出现多起因车内空气污染致人死伤事件，因此美国把室内和车内空气污染作为人类健康的五大危害之一。中国室内装饰协会空气监测中心曾经对200多辆汽车进行了车内空气检测实验，其中90%的汽车都存在甲醛或者苯含量超标，多数超标都在五六倍，实验显示越是新车车内空气污染超标越多。
表8 2001—2013年汉江上游各县各类土地利用类型面积变化比例 %
图 6 2001— 2013年汉江上游各县土地利用程度变化空间分布
表9 汉江上游各县土地利用综合指数及其变化值
4 .4 土地利用驱动力分析
通过对汉江上游土地利用变化速率、转移矩阵和利用程度分析可知，近年来汉江上游土地利用结构发生了显著性变化，主要是由于自然因素(降水、气温等)和社会因素(人口、经济、政策)引起的。土地利用变化主要表现为：2001—2013年，林地面积一直在增加，草地一直在减少，耕地先呈减少趋势，在2009年后呈缓慢增加趋势。发生这种变化的主要原因是汉江在2003年开始实行的退耕还林政策，大面积的草地和耕地转化为林地，而随着时间的推移，人口的不断增长加大了粮食需求，大面积的草地又开垦为耕地，导致耕地面积有所增加。草地面积在2005年后大幅度下降的原因一方面是转化为了林地和耕地，另一方面是牲畜数量的增多，畜牧业的不断发展威胁了草地的生长。水域面积先增大后略微减少，一方面是由于草地和林地的转移，另一方面是水利工程的建设对降水量产生了影响，降水量的增加又会进一步影响水域面积的扩大，2005年后水域面积略微减少是因为在2007年实施了丹江流域综合治理工程，采取了植树造林的措施治理水土流失，再加上近年来气温升高，蒸发量增大导致水域面积的减少。
5 结论
本文利用MODIS的MCD12Q1数据，从变化速度、转移方向、利用程度3个方面分析了2001—2013年汉江上游土地利用类型变化趋势。在分析汉江上游整个区域的基础上，分别对各县土地利用类型面积变化和土地利用程度空间变化进行了分析，主要有以下结论。
a ) 2001—2013年汉江上游土地利用变化速率呈减少趋势，在汉江上游92 271.44 km2的范围内，林地增加了13 075.4 km2，水域增加了183.66 km2，草地和耕地面积分别减少了7 105.69、6 150.45 km2。
b ) 土地转入面积最大的是林地，草地、耕地和水域主要转化为林地，草地和耕地两者之间还相互转移，城市建设用地主要转移为耕地。
c ) 土地利用综合指数在不断减少，说明2001—2013年汉江上游土地利用方式处于调整期，人类活动对土地利用类型影响为负趋势，2001—2005年变化量相对较大，表明该时期土地利用类型进行了较大幅度调整，2005—2013年变化量较小，表明人类活动对土地利用的影响比较小且较稳定，变化幅度较小。
（33）吾聞渠家其貧，猒多子欲殺，吾難復人身矣。（《太上說玄天大聖真武本傳神呪妙經註》卷四，《中华道藏》30/560）
d ) 2001—2013年各县林地面积均增加，土地利用程度变化在镇安县、西峡县、留坝县、太白县为正值，其余县都为负值，不同程度地减少。宁强县、紫阳县、南郑县、西乡县、石泉县、镇巴县和竹山县土地利用程度减少幅度较大，宁强县减少的最显著。
e ) 汉江上游土地利用变化的主要原因是退耕还林政策的实施、水利工程的建设、流域的综合治理以及气候变化的影响。
本文使用的数据是MCD12Q1数据，城市建设用地的识别结果可能存在误差，该数据集在分析城市建设用地变化方面存在局限性。因此，后续研究可以使用高分辨率的遥感数据对研究区的城市建设用地变化进行对比分析。
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Analysis for the Changes of Land Use Types in the Upper Reach of Hanjiang River in Recent Years
YANG Qian 1,LIU Dengfeng 1,LIU Hui 2,LUAN Jinkai 1,HUANG Qiang 1,LIN Mu 3
(1. State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, School of Water Resources and Hydropower, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China;2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038, China;3. School of Statistics and Mathematics, Central University of Finance and Economics, Beijing 100081, China)
Abstract :Analyzing the changes of land use types in the upper reach of Hanjiang River in recent years can reveal the changes of the ecological environment, and provide references for land use policy formulation and ecological environment protection in counties at the South-to-North Water Diversion areas. Based on the MCD12Q1 of MODIS remote sensing image data (in 2001, 2005, 2009 and 2013), this paper conducts the spatial-temporal analysis for land use in the entire basin and each county in the upper reach of Hanjiang River in three aspects, including the rate of land use change, the transfer of type and the degree of utilization. The results show that within the area of 92 271.44 km2 in the upper reach of Hanjiang River, from 2001 to 2013, the area of forest land increased by 13 075.4 km2, the water area increased by 183.66 km2, the grassland decreased by 7 105.69 km2, the cultivated land decreased by 6 150.45 km2, and the urban construction land changed insignificantly. In these three periods, forest land area increased most; grassland, cultivated land and water area were mainly transferred into forest land, among which, grassland and cultivated land were also transferred to each other; urban construction land was mainly transferred to cultivated land; and the area of forest land in all counties (or districts) in the upper reach of Hanjiang River was on the increase. The changes of land use were relatively large from 2001 to 2005, which indicates that the types of land use in this period were greatly adjusted; and the changes from 2005 to 2013 is small, indicating that the extent of land use transfer during this period was relatively small. In the upper reach of Hanjiang River and in recent years, the land use structure is greatly adjusted, and the ecological environment develops for the better. which is a positive effect brought by the implementation of ecological protection.
Keywords :land use change; land use dynamics; transfer of type; degree of utilization; the upper reach of Hanjiang River
中图分类号： P964
文献标志码： A
文章编号： 1001- 9235( 2019) 10- 0129- 08
杨倩，刘登峰，刘慧，等.近年来汉江上游土地利用类型变化分析[J].人民珠江,2019,40(10):129-136.
基金项目: 国家重点研发计划(2017YFC0405900)；国家自然科学基金(51779203、51609270)；陕西省自然科学基础研究计划(2016JQ5105)；榆林市科技计划项目(2016-21)
收稿日期： 2019-02-15
作者简介： 杨倩，女，主要从事生态水文模拟等工作。E-mail:3036665226@qq.com
通讯作者: 刘登峰，男，主要从事流域生态水文演化过程的分析和模拟等工作。E-mail：liudf@xaut.edu.cn
(责任编辑：程 茜)
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