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1954-2006年挠力河流域土地利用/土地

覆被变化研究

摘要：该研究通过土地利用/土地覆被变化转移矩阵和土地利用变化速度分析，对1954到2006年间挠力河流域的土地覆盖变化情况进行定量计算，并讨论了引起变化的主要驱动因子以及土地利用变化给位于中国北部三江平原的挠力河流域带来的环境效应。土地利用/土地覆被变化研究显示流域内的主要土地利用类型为耕地（54%）、林地（25%）和湿地（14%），土地利用变化幅度整体上较为明显；然而，各种土地类型相对于整个区域的变化情况有着明显不同。从1954年到2006年，耕地、建筑用地和水体增加的面积分别占总面积的40.12%、2.29%和0.04%;相比之下,野生湿地、林地和草地面积分别减少了30.39%、8.66%和3.40%。土地利用转移矩阵表明了野生湿地转化为农田是研究区内土地利用转移最主要的形式。从1954年到2006年，野生湿地面积从103.82times;10⁴hm²(44%)减少到32.12times;10⁴hm²(14%);相比之下,耕地面积由32.98times;10⁴hm²(14%)增加到127.63times;10⁴hm²(54%)。自然湿地的减少和退化是该流域最主要的生态与环境问题，它导致了该流域水土质量恶化、旱涝灾害频发以及生物多样性减少。人类活动（包括人口增长及政治、经济政策）是推动挠力河流域土地利用/土地覆被在过去50年里在发生变化的主要驱动因素。

关键词：土地利用/土地覆被变化(LUCC);驱动机制;影响;挠力河流域;中国东北部

1 介绍

土地利用/土地覆被变化由社会经济、社会体制和环境因素之间的相互作用引起，它是地球陆地表面最重要的变化之一，在第二次世界大战后土地利用/土地覆被变化和地表面景观改造进程的速度开始加快。因此，对我们而言，想要理解与预测土地利用/土地覆被变化的原因、过程、结果以及它的驱动因子、模型与动态变化、影响与结果等，已经成为一个重大的挑战。特别是自IGBP和IHDP在20世纪90年代中期启动了他们关于土地利用/土地覆被变化的核心项目以后，土地利用/土地覆被变化是一个重要的研究领域。

位于中国东北黑龙江省三江平原腹地的挠力河流域是三江平原土地利用/土地覆被变化的典型代表。在过去50年里，由于人口增长和大规模的农业开垦，沼泽发生退化并被改作农业用途，导致了耕地面积增加，湿地面积减少。几项研究表明，在20世纪末，挠力河流域的土地利用发生了显著的变化。此外，该地区土地利用/土地覆被变化导致了一系列的生态环境问题（如湿地萎缩退化、生物多样性减少、旱涝灾害扩大、水土质量恶化等），引起了人们对土地利用/土地覆被变化及其驱动因素以及对该地区环境影响的广泛关注。

因此，有必要对这一地区的土地利用/土地覆被变化数据进行更新，开展可能引起变化的驱动因子研究和相关环境问题分析。这项研究的目的是分析1954至2006年间挠力河流域土地利用/土地覆被变化，讨论主要的驱动力以及这种变化所带来的环境影响。这可以帮助我们对过去的几十年间人类活动和自然环境退化之间的关系有一个更深入的了解，可能有助于改进未来的规划策略。

2 研究领域

挠力河是乌苏里江最大的支流，流域面积总计23 591公里，其中山地占36%，平原占64%(图1)。该流域的地形从西南走向东北。挠力河地区年平均气温3.5℃，年平均降雨量518毫米。在过去的50年里，由于人口和经济增长，沼泽被抽干并改作农业用途。今天，从“北大荒”以来，挠力河流域已成为全国重要的粮食生产基地之一。2000年底，全区人口约为1.25万人，其中农业人口占80.4%。行政上包括宝清县全县、福晋、饶河、酉义、蓟县、七台河、双鸭山市部分地区，以及建三江、红兴龙两大国有农场。

3 数据来源及研究方法

3.1 数据库

地理空间数据处理在中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地研究中心和湿地生态与环境重点实验室进行。采用ENVI 4.0、ArcView 3.2和ArcGIS 9.0软件对1954年地形数据、1976年Landsat MSS数据、1986年、1995年、2000年和2006年Landsat TM数据进行了处理。利用线性对比度拉伸和直方图均衡化对Landsat图像进行增强，帮助识别校正后的地面控制点，得到一个通用的ALBERS坐标系。土地利用/土地覆被变化(LUCC)数据采用自动分类方法，结合目视解释，保证数据处理的准确性和一致性。利用叠置和交叉运算对地图进行分析，得到土地利用/土地覆被变化(LUCC)和其空间分布。

根据国家土地利用现状分类体系和挠力河流域土地利用特点，采用具有21个土地覆盖子类的层次分类体系的Landsat MSS/TM数据。将土地覆盖的21个子类进一步划分为耕地、林地、草地、水体、野生湿地和建筑用地6大类。耕地包括旱地和水田。林地包括森林、灌木和果园。草地包括三种密度类型:高覆盖度草原（覆盖度gt; 50%），中覆盖度草原(20-50%)，低覆盖度草原(5-20%)。水体包括河流、运河、湖泊、常年雪地和冰川。建筑用地包括道路、住宅区和工业区。野生湿地包括低洼冲积地、裸露的沙洲、沼泽和洼地(溢流地)。

3.2 研究方法

土地利用/土地覆被变化的模型和过程可以用土地利用变化率和转移矩阵来描述。对于单一土地利用类型，利用如下公式计算不同时期土地利用变化率：

其中，K为单一土地利用变化率(%);Ua和Ub分别为分别为研究期初及研究期末某一种土地利用/土地覆被类型数量; T是土地利用/土地覆被变化(LUCC)被评估的年份间隔。

然而，该方法仅限于比较相同区间的土地利用变化率。考虑到累积率，我们改变了上述公式，以便比较任意给定区间的土地利用变化率。我们的公式表示如下：

对于所有土地利用类型的综合评判，利用如下公式评价不同时期土地利用综合变化率：

其中，LC为综合土地利用变化率(%)，LU_i为第i个土地利用类型的初始面积，LU _ij为第i个土地利用类型转换为第j个土地利用类型的面积。

建立不同时期土地利用类型转移矩阵，分析1954年、1976年、1976年、1986年、1986年、1995年、1995-2000年和2000 - 2006年土地利用类型由一种类型向另一种类型转移的速率。每个矩阵表示该时期内各类土地利用类型从第一年持续到最后一年的概率，或同一时期内从一个土地覆盖类别转移到另一个土地覆盖类别的概率。

4 结果及讨论

4.1 土地利用/土地覆被变化变化

在分析1954年、1976年、1986年、1995年、2000年和2006年土地利用/土地覆被变化的基础上，提取出的1954-1976、1976-1986、1986-1995、1995-2000和2000–2006年时段主要土地利用/土地覆被类型和变化的概率，得到的转移矩阵对应五个阶段(表1)。表1显示，在1954-2006年的50多年间，由于大规模的填海造地，土地利用和覆盖类型从天然湿地、林地和草地迅速转变为耕地。1954年至2006年，全国耕地面积和建筑用地面积分别增长40.12%和2.29%;相比之下，天然湿地、林地和草地分别减少30.39%、8.66%和3.40%。结果表明，生态利用土地类型(野生湿地、草地和林地)面积呈下降趋势，而农业生产和人类居住的土地类型面积呈上升趋势，揭示了在过去的几十年中，人为因素对土地利用/土地覆被变化的影响越来越大。我们也注意到，水体面积除了在一定程度上随气候变化而发生年度波动外，没有明显的变化趋势。

4.2 土地利用/土地覆被变化转移矩阵

1954-1976年为第一阶段，野生湿地相对于其他土地利用类型表现出了较大的变化。改造后的野生湿地大部分转变为耕地(34.89times;10⁴hm²,33.6%)、草地(6.1%)和林地(3.4%)。草原和林地在1954年到1976年间也发生了巨大转变。草地中的53.7%(9.68times;10⁴hm²)和林地中的8.8%(7.03times;10⁴hm²)转变为了耕地，建设用地主要由耕地和湿地(1.97%转变而来,67.7%)转变而来。1976年至1986年为第二阶段，野生湿地仍是转化为耕地数量最多的土地利用类型(27.38times;10⁴hm², 39.1%)。在1986年、1995年和1995-2000年期间，野生湿地的动态变化较前两个时期有所减弱。在1986-1995年和1995-2000年期间，分别有18.7%(8.00times;10⁴hm²)和7.6%(2.75times;10⁴hm²)的野生湿地转变为耕地。2000-2006年，湿地向耕地的转移面积为12.68times;10⁴hm²，耕地向湿地的转移面积为10.43times;10⁴hm²，转移速率较高。

在1954-2006年期间，土地利用/土地覆被变化变化率最高的两个土地利用类型是耕地和湿地，分别增长了40.12%和30.39%(图2)。耕地面积从1954年的32.98times;10⁴hm²(14%)增加到2006年的127.63times;10⁴hm²(54%)。相比之下，野生湿地从1954年的103.82times;10⁴hm²(44%)下降到2006年的32.12times;10⁴hm²(14%)。从1954年到2006年，野生湿地面积减少了71.70times;10⁴hm²，其中64.49times;10⁴hm²(90%)转变为耕地。耕地面积扩大94.65times;10⁴hm²，其中68%来自湿地的转变。一般来说，湿地向耕地的转化是土地利用和土地覆盖转移的主要类型。

4.3 土地利用变化速率

表二的土地利用/土地覆被变化速率表明，1976年至1986年间发生了显著的土地利用/土地覆被变化。这一时期的综合土地利用变化率为1.56%，而整个1954-2006年的综合土地利用变化率为0.92%。1976年至1986年，耕地和建设用地面积分别增长了4.06%和2.69%，而草地、水体和湿地面积分别下降了7.06%、5.70%和4.69%。

其中，建设用地的增长速度最快，1954-1976年为8.89%，1954-2006年为5.07%。这可能是由于其原来面积较小。建设用地面积增加了5.40times;10⁴hm²，其中2.55times;10⁴hm²(51%)来自耕地转变，是其他土地利用类型中转变为建筑用地最多的类型。下一个增长速度较快的是耕地，1954-2006年为2.64%。

下降幅度较大主要是野生湿地和草地。草地面积在2000年至2006年呈上升趋势，但在1976年至2000年呈下降趋势。在整个研究期间，野生湿地的下降幅度最大，尤其是1976-1986年，最大变化率为4.69%。从那以后，野生湿地面积下降的速度逐年下降。

值得注意的是，土地利用/覆盖变化率最高的两个类型是耕地和湿地，在1954-2006年期间分别增长了40.12%和下降了30.39%;而变化速度较快的土地利用类型主要是建设用地和耕地，每年分别增长5.07%和2.64%，其次是野生湿地和草地，在研究期间每年分别下降了2.23%和1.13%。林地和水体变化缓慢，每年分别减少0.57%和增加0.17%(图3)。

4.4 土地利用/覆盖变化驱动因子

土地利用/土地覆盖变化(LUCC)是一种复杂的现象和过程，其驱动因素一般来自自然因素和人为因素。研究表明，自20世纪50年代以来，由野生湿地向耕地转化是最主要的土地利用/土地覆盖变化，其中最重要的驱动力是新中国成立后的大规模农垦。挠力河流域是三江平原最早进行开垦的地区之一，例如，友谊农场成立于1954年，其他所有的农场都成立于1960年之前。

总之，研究期可以分为两个不同的阶段。从20世纪50年代到80年代，该地区土地利用/土地覆盖变化的驱动力主要来自政治导向。新中国成立初期，由于缺乏粮食和物资，大部分湿地在开荒政策下被开垦为耕地。80年代以后，驱动因素主要是经济效益。随着现代化进程的不断推进和人口压力的不断加大，越来越多的湿地被转化为耕地用于农业生产，人类与土地的平衡受到了威胁。虽然自20世纪90年代以来，政府采取了一系列的湿地保护和恢复政策阻止湿地的流失，但湿地的萎缩和退化并没有完全停止。截至2006年，野生湿地仅存13.6%，主要分布在七星河国家级自然保护区、诺里河国家级自然保护区等低河岸地区和自然保护区。当前，工业化、

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