1986～2010年松嫩平原土地利用程度空间格局变化研究*

田 旸，那晓东，臧淑英

(黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室;哈尔滨师范大学)



1986～2010年松嫩平原土地利用程度空间格局变化研究*

田 旸，那晓东**，臧淑英

(黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室;哈尔滨师范大学)

在遥感与地理信息系统技术的支持下，分析松嫩平原1986～2010年土地利用变化的主要类型与转化方向.并采用5 km×5 km的网格对1986年、1995年、2000年、2010年 4期土地利用图进行等间距系统采样，分别计算每一个网格的土地利用程度指数，分析松嫩平原近24年来土地利用程度的空间格局及其变化过程.结果表明：(1)1986～2010年，松嫩平原土地利用总体状况发生了显著的变化，总体呈现“三增四减”趋势，即耕地，城镇用地，林地的增长，而草地，未利用地，湿地和水域减少.(2)1986～2010年松嫩平原土地利用主导变化趋势为其他土地类型转变为耕地，1986～2000年土地利用主导变化趋势为草地转为耕地，1995～2010年主导变化趋势为耕地转为林地.(3)松嫩平原西部地区土地利用程度要低于其他区域，高值则集中分布在中部地区呈现出条带状.松嫩平原土地利用程度在过去的24年一直增加，松嫩平原中部地区土地利用程度稳定，北部的土地利用程度增加，西部土地利用程度降低.本研究可为松嫩平原景观格局的优化与生态系统服务功能的维护.

土地利用程度；时空格局；松嫩平原；土地利用变化

0 引言

在“地圈与生物圈计划”(IGBP)和“全球环境变化人文计划”(HDP)的推动下，全球环境变化研究领域逐渐加强了对土地利用/土地覆被变化的研究[1].人类的生存依靠着生态系统[2]，但人类的活动和区域发展深深的影响着生态系统和土地利用模式[3].由于社会和工业的加速发展加剧了土地资源的高度需求和有限的土地储备不可逆转性之间的冲突，并且土地自然资源具有自然复杂性和典型的高度空间异质性[4]，全球或区域土地利用/土地覆盖变化(LUCC)的过程、模式、驱动机制，环境效应以及不同区域土地利用变化的比较成为国内外学者研究的热点.松嫩平原是中国商品粮生产基地，但是近24年，随着人口的增长，过度的放牧和开垦以及城镇的高速发展，使得松嫩平原生态环境发生了显著的变化，草原退化，湖泊干涸，湿地萎缩，土壤沙化和盐碱化日趋严重，严重的影响，制约地区的社会，经济和生态的协调发展.近年来有不少学者对土地利用变化进行研究，并对土地利用类型空间动态、土地利用空间格局变化进行了总结与归纳[5-7].土地利用程度主要反映土地利用的广度和深度, 它不仅反映了土地本身的自然属性, 同时也反映出人类活动因素与自然环境因素对土地利用覆盖的综合效应.刘纪远等人运用土地利用程度描述中国土地利用现代过程的基本规律[8]，宋开山等人运用土地利用程度反映了1954年以来三江平原自然因子和人类社会因子对土地利用/覆被变化现状的影响及其强度[9].程磊等人运用土地利用程度指数描述渭河流域1980～2000年经济发展结构和水平在时间上对土地利用/覆被变化的影响[10].

该文选取1986年、1995年、2000年、2010年的TM影像，并进行人机交互式解译，获得1986年、1995年、2000年、2010年土地利用数据，对其空间叠加，获取不同年代土地利用类型变化情况，得出1986～该2010年松嫩平原总体土地利用变化趋势.运用土地利用变化重要性指数，土地利用变化面积比重，进一步分析松嫩平原土地利用主导变化趋势.将松嫩平原以5 km×5 km的网格进行划分，并作为统计单元，计算土地利用程度综合度指数，分析松嫩平原近24年来土地利用程度的空间格局及其变化过程.

1 研究区概况

松嫩平原(如图1所示)是东北三大平原(三江平原、辽河平原、松嫩平原)之一.松嫩平原处于中纬度地带，位于北纬42°30′ ～ 51°20′，东经121°40′ ～ 128°30′，总面积为23.13×104km2.松嫩平原土地辽阔，资源丰富，土地利用类型以耕地，林地，草地，沼泽湿地，河流等为主.由于松嫩平原地质构造运动的不平衡升降以及河道的改动，使得湖泊湿地呈散布状态，主要分布在其中西部偏南.20世纪下半叶以来，该区的农业和牧业有了很大的发展，并逐渐发展成了商品粮，牧业生产，石油能源基地.由于水，土，生物资源被过度地开发，利用和气候日趋干旱化等原因，导致土地沙化，盐碱化和草地退化，荒漠化迅速发展，生态环境受到严重破坏.

图1 研究区的位置及所包含县级行政区

2 数据与方法

2.1 数据与预处理

该研究所使用的土地利用数据主要通过解译遥感影像获得，获取研究区2010年TM影像26景，时间选取为7～9月份.2010年Landsat TM数据来自于美国地质勘探局(USGS).

将2010年Landsat TM数据与1∶100000地形图进行配准，在ArcGIS 10.1中利用根据不同土地利用类型的纹理特征，影像色调等特征，建立相对应的遥感解译标志，进行判读，通过对图斑信息的查错修改，图斑空间分割和合并，将分类好的研究区的土地利用类型进行归并处理，共分为7类，分别为耕地，林地，草地，水域，沼泽湿地和未利用地.2010年对研究区进行2次野外验证，共采集348个GPS点对2010年分类影像进行验证，土地利用类型分类精度达到93.39%.

2.2 研究方法

2.2.1 松嫩平原土地利用/土地覆盖面积变化统计方法

为了全面具体地描述区域土地利用变化的结构特征与每个土地利用类型间的变化的方向，该文采用土地利用类型间的转移矩阵进行分析，该方法来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述[13].转移矩阵的数学形式为：

式中：S代表面积；n代表土地利用的类型数；i、j分别代表研究期初与研究期末的土地利用类型.

2.2.2 松嫩平原土地利用变化主导趋势分析

通过计算研究区各类土地变化面积总和(A)，进而运用土地利用变化重要性指数(Ci)，筛选出土地利用变化的主要类型.根据土地利用变化的重要性指数得到土地利用类型转移的主导方向.计算公式见式(1)、(2).

(1)

(2)

式中，Ci是第i种变化类型的土地利用变化重要性指数；Ai是第i类土地变化面积(km2)；A是该区域各类土地变化面积之和(km2).Ci值越大，说明第i类土地变化越占主导.考虑各类型区土地变化种类繁多，统计时将Ci值从大到小降序排列，并将Ci值累计之和大于70%的土地变化类型统计成图，以筛选出该区主要的土地变化类型.

2.2.3 松嫩平原土地利用程度空间异质性

为了将土地利用程度指数进行空间化，本研究采用5 km×5 km的网格对4期松嫩平原土地利用图进行等间距系统采样，获得采样的网格8627个.分别计算每个网格的土地利用程度指数，一次作为格网中心点的土地利用程度值(图2).

土地利用程度综合指数及土地利用程度变化模型定量化表达为：

(3)

式中：L为土地利用程度综合指数；Ai为第i种土地利用程度的分级指数；Ci为第i土地利用程度的百分比；其中Ai取值是根据刘纪远[14]提出的土地利用程度的综合分析方法，将土地利用分为4级(见表1)，该方法认为城乡工矿居民点用地、耕地、林地、未利用地依次代表人类活动强度降低.

将已空间化的1986年、1995年、2000年、2010年土地利用程度进行叠加分析，再将其按照土地利用程度在24年中变化趋势进行分类，分为土地利用程度稳定，土地利用程度加重，土地利用程度减轻这3类.

表1 土地利用程度分级赋值表

3 结果与分析

3.1 松嫩平原土地利用土地覆被变化情况

在1986～2010年，松嫩平原土地利用格局发生了显著的变化，各种土地利用类型之间频繁的转换，松嫩平原4期土地利用图如图2.通过图2可以看出松嫩平原耕地多分布在松嫩平原中部地区，林地多集中于北部地区，而草地，水域，湿地，未利用地则集中于松嫩平原西部地区.

图2 松嫩平原1980～2010年土地利用/覆被的空间格局

通过表2，可以看出松嫩平原在1986～2010年中，耕地，林地，建设及居民用地面积呈现出增加的趋势，而草地，水域，沼泽湿地，未利用地呈现出减少的趋势.其中耕地和建设及居民用地呈现出持续增加的状态，24年中共分别增加13759.08 km2和2455.67 km2，林地呈现出前14年减少，后10年增加的状态，30年共增加940.66 km2.草地，水域，湿地呈现为24年间持续下降，减少的面积分别为6536.64 km2，2573.31 km2，4562.27 km2，未利用地则表现为先减少后增加在减少，但最终未利用地面积共减少3483.18 km2.

表2 1986～2010年不同时期松嫩平原不同土地利用类型的变化 km2

为了进一步分析松嫩平原土地利用变化情况，在ArcGIS中，对1986年和2010年的土地利用数据进行叠加分析获得1986～2010年土地利用变化的转移矩阵(表3).可以看出1986～2010年，耕地面积的增加最主要是来源于草地，共有9155.53 km2的草地转化为了耕地，林地面积的增加最主要来源于耕地，面积为4197.02 km2，建设用地及居民地面积的增加主要是由于耕地的转换，面积为4664.22 km2.而草地和沼泽湿地的减少的原因是大部分面积转化为了耕地，转化的面积分别为9155.53 km2和5342.92 km2.

表3 1986～2010年松嫩平原土地利用转移矩阵 km2

3.2 松嫩平原土地利用变化主导趋势分析

根据式(1)、(2)可以得出各种土地利用类型的土地利用变化重要性指数Ci，再将Ci值从大到小降序排列，并以1986年Ci值前10位作为排序标准，筛选出1986～1995年，1995-2000年，2000～2010年这三个时间段土地利用变化的主要类型，见表4.

从表4，可以看出1986～2010年，这24年间土地利用变化主导趋势为其他土地利用类型向耕地转变，1986～1995年、1995～2000年、2000～2010年的 Ci值分别为37.02%、29.36%、27.09%，其中向耕地转变过程中草地贡献度最大，其Ci值分别为17.99%、15.56%、8.13%, 呈现逐年减少的趋势.通过对比可以看出耕地向林地转变呈现增加趋势，Ci值分别为4.46%、9.37%、8.58%.在2000～2010年这十年中，耕地向林地转变趋势已经超过草地向耕地转变趋势，成为单一土地利用变化主要趋势.

3.3 松嫩平原土地利用程度空间异质性分析

由1986年、1995年、2000年、2010年松嫩平原土地利用程度图可见(图3)，整体土地利用程度高值区呈现出条带状，其土地利用程度综合指数(L)值在250～400之间，其中L值在300以上的集中在讷河、克山、依安、海伦、绥化、呼兰、哈尔滨、双城、榆树、松原、前郭尔多斯、德惠、农安、公主岭、长春.而低值则多分布于松嫩平原西部地区，如齐齐哈尔、杜尔伯特、镇赉、大安、德都东部、北安东部、绥棱北部、庆安北部，其L值在100～250之间.从时间上来看松嫩平原土地利用程度高值始终集中在松嫩平原东部地区，较为稳定，西部地区土地利用程度逐年增加，北部地区土地利用程度呈现出由南向北的增加趋势.

图3 1986～2010年松嫩平原土地利用程度指数空间分布情况

通过四期土地利用程度图叠加分析得到1986～2010年松嫩平原土地利用程度动态度空间分布图4，由图4可见松嫩平原土地利用程度总体呈现加重趋势，分布在德都、五大连池、北安、克东、庆安、巴彦、哈尔滨、肇州、松原、甘南、杜尔伯特蒙古自治县、白城、洮南、通榆、长岭.而土地利用程度减轻的区域分布较为零散，分布在大安、德都东部、明水东部、木兰东部等区域.土地利用程度稳定的区域则集中于中部的县市，如克山、青冈、望奎、海伦、肇东、双城等.

图4 1986～2010年松嫩平原土地利用程度动态度

4 结论与讨论

该研究通过土地转移矩阵，土地利用重要性指数分析松嫩平原1986～2010年土地利用变化的整体趋势，用格网化的土地利用程度指数来分析松嫩平原土地利用程度时空变化空间格局及时间变化趋势.结果表明：

(1)1986～2010年松嫩平原土地利用变化整体趋势为其他土地利用类型转为耕地，单一土地利用类型由1986～2000年的草地转耕地变化为2000～2010年耕地转林地.这也说明松嫩平原土地利用变化最直接的因素是农业开垦.农业开垦一方面是国家对粮食的需求，另一方面是人口的增加.林地面积的增加，说明2002年国家推行的退耕还林政策取得明显成效.

(2)基于5 km×5 km格网的统计分析，分析出松嫩平原土地利用程度变化趋势.以格网作为统计单元与以县域作为统计单元作比较，格网可以更加详细的体现土地利用程度的时空变化趋势，而以县域为统计单元只能体现出单一县市的土地利用程度变化，而对于松嫩平原整体的土地利用程度变化趋势无法较明确的表达.

(3)松嫩平原中部地区土地利用程度高，重点集中于一些农业县，例如克山、海伦、海伦等.而松嫩平原西部地区多草地，沼泽湿地，未利用地，所以其土地利用程度较低.1986～2010年土地利用程度变化则显示出松嫩平原西部地区土地利用程度下降，这也表现出松嫩平原西部地区由于放牧而导致草地的退化，同时水库的不合理修建也导致湿地河流水源不足，导致湿地和草地的退化.松嫩平原北部地区土地利用程度有明显增加趋势，这也是人口增加导致耕地面积增加，同时城市化的加剧也是土地利用程度增加的原因.

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(责任编辑：季春阳)

The Research on the Spatial Pattern Change of Land Use Degree in Songnen Plain from 1986 to 2010

Tian Yang, Na Xiaodong, Zang Shuying

(Key Laboratory of Remote Sensing Monitoring of Geographic Environment, College of Heilongjiang Province, Harbin Normal University)

With the support of remote sensing and geographic information system technology, the change of land use type and main direction of transformation in Songnen Plain during 1986 to 2010 is analyzed in this study. 5km * 5km grid was used to sample the 4 phase (1986, 1995, 2000, and 2010) land use map, then land use degree index of each grid was calculated, and the degree of Songnen Plain land use spatial pattern and its change processing was analyzed during the recent 24 years. The results show that:(1) From 1986 to 2010, Songnen Plain land use land cover in the overall situation has changed significantly, the overall trend is that cultivated land, urban land and woodland increased, grassland, unused land, wetland and water area decreased. (2) From 1986 to 2010, the leading change in the overall land use in Songnen Plain is the transformation from other land cover types to cultivated land, the leading trends in the first 14 years is the change from grassland to cultivated land, and the leading trends in the last 10 years is the change from cultivated land to woodland . (3) The land use degree in the west of Songnen Plain is lower than that of the other region. The high value is concentrated on the strips in the central area. The land use degree is increasing during the past 30 years in the Songnen Plain. The land use degree is stable in the central area of Songnen Plain, while it increased in the northern area and decreased in the western area. A basis for the optimization of landscape pattern and the assessment of ecosystem service function are provided.

Land use degree; Spatial pattern; Songnen Plain; Land use change

2016-04-25

*黑龙江省普通高校青年骨干学术项目(1253G034)

P96

A

1000-5617(2016)03-0101-07

**通讯作者：naxiaodong_8341@163.com