牛志君，王晓晴，封 乾，袁大鹏，石 垚，王树涛

(1.河北农业大学资源与环境科学学院，保定 071000；2.河北农业大学国土资源学院，保定 071000)

·资源利用·

河北省土地利用变化图谱特征分析*

牛志君1，王晓晴1，封 乾1，袁大鹏1，石 垚1，王树涛2※

(1.河北农业大学资源与环境科学学院，保定 071000；2.河北农业大学国土资源学院，保定 071000)

目的为了能够充分反映土地利用变化的时空过程。方法文章基于地学信息图谱理论与方法，运用 ArcGIS 9.3软件，以河北省2001年、2007年和2013年3期遥感解译数据为空间数据源合成河北省耕地利用变化模式图谱，以及河北省生态功能用地与耕地、建设用地变化模式的图谱，据此揭示河北省土地利用变化时空特征及分布规律。结果2001～2013年河北省土地利用变化图谱主要以稳定型为主，主要表现为“耕地-耕地-耕地”。河北省耕地利用变化模式主要以后期变化模式类型主要为“耕地-耕地-草地”，面积达到28.876 244万hm2，主要集中分布在燕山-太行山地以及山前平原区，是整个变化模式中最大的单体变化类型。2001～2013年河北省生态功能用地随着时间的推移，呈现出向耕地以及建设用地转换的趋势，城市化进程的加快，不合理的经济发展必然导致生态环境日益恶化。结论该文为今后河北省土地资源的合理利用和科学规划提供科学的依据与指导。

土地利用变化 图谱特征 耕地 生态用地 河北省

0 引言

土地利用/覆盖变化(LUCC)是自然环境、时空关系和经济技术等结构和行为对土地利用方式与目的改变的体现，涉及地理学、生态学、经济学、管理学等多个学科，一直是可持续发展、全球变化等研究领域的重要方法和手段[1-2]。土地利用时空变化是LUCC研究的重要内容，研究问题主要集中在何时、何地、如何、为何等方面，其中，土地利用变化的时空过程作为基础研究已得到广泛开展[3-4]。目前，对于土地利用格局的动态变化研究主要是对不同时期的土地利用数据或遥感影像进行空间叠加，通过转移矩阵获得土地利用在数量上的变化，由此得到的土地利用变化缺乏形象思维，非空间属性数据在空间位置方面的表达不足。地学信息图谱能够以图谱单元来记录土地利用变化的时空复合信息，具有定量地表示多时空条件下“空间格局”与“时序特征”的复合特点[5-8]。有研究表明，土地利用变化信息图谱对土地利用变化的空间位置和空间行为具有很好的指示性，将土地利用变化过程谱系化、动态化，有利于发挥图谱模型数据挖掘、知识发现的特长，进一步深化土地利用变化内在规律的挖掘与多维表达。作为我国经济发达地区的典型代表，河北省城镇化、工业化进程迅速，人地矛盾较为突出，是土地利用变化研究的热点地区[9-12]。为此，文章基于遥感解译数据，通过建立土地利用变化图谱模型，对耕地利用变化模式进行专题探讨，以识别河北省主要土地利用类型的变化轨迹和特征规律，为区域土地可持续利用及国土空间格局优化提供科学依据[13-14]。

1 研究区概况

河北省位于北纬36°03′～42°40′、东经113°27′～119°50′之间，南北长750km，东西宽650km。西以太行山与山西为邻，西北部、北部、和东北部同内蒙古自治区和辽宁省接壤，东部濒临渤海，东南部和南部与山东、河南两省交界，京、津两大经济发达区包裹其中，所以称之为京歌大省。全省辖区土地总面积1.888 5万km2，现共辖石家庄、唐山、秦皇岛、邯郸、邢台、保定、张家口、承德、廊坊、沧州、衡水11个地级市，138县(市)。河北省地处中纬度欧亚大陆东岸，属于大陆性季风型气候，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季昼暖夜凉，冬季寒冷少雪。全省年平均气温为-0.3～14.0℃，气温由东南到西北逐渐降低。全省年平均降雨量为350～800mm。河北省自西北向东南呈半环状逐级下降。最北面为高原，占总面积的9.7%，海拔在1 200m以上，其下为山地丘陵，占总面积的50.5%，海拔一般为100～500m，南面为广阔平原，占总面积的39.8%，海拔一般低于50m。

2 研究方法

2.1 数据收集与处理

该文所采用的高程数据为DEM数据，数据的空间分辨率为30m×30m，土地利用数据从地理空间数据云下载，选用2001年、2007年以及2013年的Landsat-TM/ETM为数据源，其成像时间均选择在秋季，轨道号均为122/33，数据空间分辨率为30m×30m，该文参照全国土地利用现状分类将研究区划分为耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地以及其他用地共7种土地利用类型，其中该文将草地、园地、林地以及水域定义为生态功能用地。利用ENVI 4.8软件对2013年的遥感影像进行二次多项式几何校正，保证纠正后误差小于0.5个像元。将该遥感影像作为参考，采用Image to Image模块完成2001、2007年遥感影像自动配准，以行政区作为掩膜完成遥感图像的裁剪，采用监督分类并结合人机交互的方法完成遥感影像的分类，并借助于地面实测数据(GPS 野外调查)来检验解译精度，随机选取若干样点，利用混淆矩阵法进行评价分析，结果表明3期遥感影像分类结果的总体精度分别为83.85%、82.21%和85.69%，解译精度均超过了80%(图1)[15-17]。

图1 2001年、2007年、2013年河北省遥感影像分类

2.2 土地利用图谱分析

土地利用变化信息图谱可以用来描述土地利用变化的过程，是进行土地利用变化驱动力诊断分析和模型构建的有效依据。同样耕地的保护关系到国家的粮食安全，关系到国家的长治久安，而生态用地因提供了比其他用地更多、更重要的生态服务功能而成为衡量区域生态环境质量好坏的依据，也成为区域生态安全格局构建的核心内容，因此该文的研究重点是耕地以及生态用地的图谱特征变化。该文利用ArcGIS空间分析工具，将2001年、2007年、2013年3个时期土地利用图谱单元类型进行重组，可得到10年来河北省土地利用变化的信息图谱，每一个图谱单元记录着2001年、2007年、2013年3个采样时间点上土地利用单元的类型，反映了10多年间土地利用变化的历程[18-20]。一般将图谱变化分为5种类型：(1)稳定型：在2001～2013年都保持不变，未发生变化的类型；(2)前期变化型：在2001～2007年发生变化，而2007～2013年未发生变化类型；(3)后期变化型：在2001～2007年未发生变化，而2007～2013年发生变化类型；(4)反复变化型：在2001～2007年变为一种类型，而2007～2013年又变回原来类型；(5)持续变化型：在2001～2013年一直发生变化，也未还原成原来类型的变化形式[21-24]。

3 结果与分析

3.1 土地利用图谱特征分析

由表1结果分析可知，研究区主要以稳定型和后期变化型为主，稳定型面积比例最大，占研究区总面积的43.38%，主要表现为“耕地-耕地-耕地”的土地利用变化模式，其面积达到745.719 333万hm2，所占比例达到39.80%，主要分布在河北省的南部地区，以石家庄、保定、衡水、廊坊、邢台以及邯郸为代表的平原地带。表明河北省在这10年中仍然注重耕地的保护，基本农田的数量保持不变，耕地保护与粮食安全将成为河北省今后发展的重中之重；其次为后期变化型，主要分布于河北省北部承德、张家口为代表的山地区域，以“草地-草地-耕地”面积最大，占该类图谱面积83.71%，2001～2013年随着人们对耕地重视程度的增加，坝上地区大量的草地开垦为耕地，以满足人类的粮食需求量；以“耕地-草地-园地”为代表的持续变化型象征着河北省逐渐将以大田作物为象征的耕地转化为经济效益更加明显的园地，主要集中分布在唐山以及秦皇岛等沿海区域。其他两种形态图谱所占面积比例较为均衡，前期变化型图谱和反复变化型图谱以“草地-耕地-耕地”和“耕地-草地-耕地”图谱为主；草地与耕地之间的不断转变，其本质在于水源位置的不稳定性，人们在这近10年里，随着人口压力的增加，人地矛盾突出，对于粮食的需求量不断提升，导致环境的破坏问题也随之而来，对于植被和水域的破坏加重，人们逐渐开始认识到土地的重要性，保护耕地，从而达到缓解人口、粮食以及生态的压力。从空间上分析，河北省土地利用变化图谱分布极为工整，不同变化类型之间存在明显界限，已经形成规模化、聚集化、区域化的发展模式。在面对京津冀一体化的时代，河北省作为经济发展带动的关键性区域，要杜绝只顾追求经济效益最大化，而渐渐忽视了对于生态环境的保护，面对社会、人口、环境多方面的压力，更要把好科技的关卡，让科技服务于农，在提高粮食数量、质量的同时，大力发展生态农业，建立“生态-农业-生态”的发展模式，而协调好城市用地理性扩展也逐步成为土地可持续利用的核心问题。

表1 2001～2013年河北省土地利用变化图谱

图2 2001～2013年河北省土地利用变化图谱 图3 2001～2013年河北省耕地利用变化图谱

3.2 耕地利用变化模式的图谱特征

对2001～2013年河北省土地利用变化图谱分析可知，在此阶段中变化图谱单元总量最大、图谱转移最为显著的是耕地的占用与补充过程。为了进一步研究耕地利用变化模式，通过融合3年的土地利用现状数据，构建耕地利用变化模式图谱来探究耕地在每一变化模式的图谱变化特征及其原因。全省耕地利用变化模式以后期变化型为主，其次为持续变化型，其他的两类变化类型相对较小，耕地利用变化模式出现了明显的时间序列特征。

(1)前期变化型指耕地仅仅在2001～2007年之间发生的转移，河北省前期变化型的图谱类型分布范围较广，主要分布在承德、唐山、秦皇岛以及保定等河北平原区，呈现东北-西南对角分布，以河北省东北部分布较为密集，均靠近在沿海城市的边缘，以“耕地-草地-草地”以及“耕地-林地-林地”为主，两者面积占据整个转移阶段的16.16%。

(2)后期变化型主要指在2007～2013年期间耕地图谱类型发生的转移，后期变化型模式在整个转移模式中所占比例最大，主要集中分布在燕山-太行山地以及山前平原区，出现明显的“聚集”现象，以廊坊市、张家口南部、保定北部地区最为显著，另外在一些沿海城市也有零散分布。后期变化模式类型主要为“耕地-耕地-草地”，面积达到28.876 244万hm2，是整个变化模式中最大的单体变化类型。

(3)反复变化型指在2007年发生转移，2001年和2013年均保持耕地的类型不变。河北省反复变化型在省内的各个城市均有分布，且分布极为分散。表明人类在利用土地上仍然处于探索时期，2007年全省对于耕地的占用开发均存在不合理的情况，在2013年之后又重新开发为耕地，一方面是响应了保证1.2亿hm2耕地红线的号召，另一方面则是没有更加科学可持续的利用土地。反复变化型模式主要以“耕地-草地-耕地”的变化类型为主，面积达到15.242 692万hm2。

(4)持续变化型模式指在2001～2013年土地利用类型均发生改变，由耕地转化为其他类型的土地，并且变化种类呈现多样化。主要分布在河北省的中部地区以及东北部地区，集中在以唐山、秦皇岛为主的滨海平原地带以及保定、石家庄等山前平原地带。

表2 2001～2013年河北省耕地变化模式图谱特征

3.3 生态功能用地变化模式的图谱特征

生态用地的合理利用和管理是建设“资源节约型、环境友好型”社会的重要研究内容。由于生态用地的转换类型较为繁琐，数据量较大，单一整体的图谱类型无法细致化的研究生态用地的转换本质，因此，该文选取2001～2007年和2007～2013年两个时间段，着重研究生态用地向建设用地以及耕地转换的图谱特征，为构建区域生态安全格局奠定科学基础。

表3 2001～2007年河北省生态用地-建设用地变化模式图谱特征

(1)生态用地与建设用地的转换模式

由表3、4可知，河北省生态用地-建设用地变化模式主要以前期变化型、后期变化型以及持续变化型为主，随着城市化进程不断加快，大量的生态用地向建设用地转变。

其中在前期变化型中，地处河北平原区的邯郸市、邢台市、保定市以及唐山市经济发展水平较快，城市化进程不断提高，生态用地向建设用地的转换面积比分别为22.14%、17.16%、15.51%以及15.47%，占整个河北省前期变化模式生态用地转向建设用地面积的70.28%，其中均以“草地-建设用地-建设用地”的转换类型为主；而以“园地-建设用地-建设用地”为代表的张家口市和以“草地-建设用地-建设用地”承德市为代表的燕山-太行山地区则生态用地的转换面积较少，两者之和仅占到1.52%，说明张承地区的经济发展水平虽然远落后于平原地区，但其重工业园区较少，生态环境相对较好，雾霾程度较低，是旅游业发展的优良之地。沧州市、衡水市、廊坊市以及秦皇岛市转换类型较为单一，全部为“草地-建设用地-建设用地”，而石家庄市同样以“草地-建设用地-建设用地”为主要的图谱转换类型。

在后期变化型和持续变化型中，主要以邯郸市、唐山市、承德市以及张家口市的变化为主，生态用地向建设用地的转换面积比分别为21.88%、15.70%、13.45%以及11.49%，占整个河北省后期、持续变化模式生态用地转向建设用地面积的62.52%，其中承德市和张家口市从2007年起，不断推进城市化进程，大力开展经济建设，生态用地转向建设用地的面积分别达到430.12hm2和367.29hm2，主要转换类型为“草地-草地-建设用地”、“园地-园地-建设用地”以及“林地-草地-建设用地”。而保定市、沧州市、衡水市和邢台市的图谱转换类型较为单一，均以“草地-草地-建设用地”为主要的转换类型。随着人们对于保护生态环境意识的不断增强，从2001～2007年到2007～2013年城市化速率不断减弱，其中廊坊市、石家庄市以及秦皇岛市等经济发展水平较高的城市，也不断控制对于建设用地的增加，开始对园地、林地、草地以及水域等生态功能用地的保护。

表4 2007～2013年河北省生态用地-建设用地变化模式图谱特征

(2)生态用地与耕地的转换模式

从表5和表6可知，河北省“生态功能用地-耕地”变化模式主要为前期变化型、后期变化性和持续变化性。随着人与耕地矛盾日益增加，后备耕地资源短缺，大量的生态用地向耕地转换成了必然趋势。前期变化型“生态功能用地-耕地”转换幅度较小，主要以承德市转换面积最大，占比82.95%，主要是因为承德市地处山地丘陵区，农田生产力低，粮田安全不能保障，因此加大其耕地数量，其他市域占比均较小；省域内转化类型主要以“草地-耕地-耕地”为主，其中承德市转换35.173 079万hm2，张家口市转换3.636 501万hm2，保定市转换1.248 234万hm2，主要是由于草地分布较广，地形较缓，适宜开发为耕地，其他市域该类型转换面积较小。后期变化型和持续变化型“生态功能用地-耕地”转换幅度较大，主要以保定市转换面积最大，占比91.61%，使耕地资源与社会经济协调发展是其变化的主要原因，其他市域占比均较小；省域内转化类型主要以“草地-草地-耕地”为主，其中保定转换面积最大，为441.642 639万hm2，占比高达98.05%，主要是由于保定市地处平原区，气候温度雨量适宜，是河北省较大的粮食主产区；其次以承德市的“园地-林地-耕地”变换类型为主，变换面积为5.405 809万hm2，其他市域转换类型面积变化占比均较小。

4 结论与讨论

4.1 结论

运用GIS 和 RS技术，基于地学信息图谱理论与方法，分析河北省2001～2013年土地利用变化时空特征，结论如下。

(1)2001～2013年河北省耕地面积不断增加，土地利用变化以“耕地-耕地-耕地”的稳定型和“林地-草地-草地”的后期变化型为主。稳定性图谱特征主要分布在河北平原地带，而后期变化型主要分布在坝上地区以及燕山-太行山地地区。

表5 2001～2007年河北省生态用地-耕地变化模式图谱特征

表6 2007～2013年河北省生态用地-耕地变化模式图谱特征

(2)河北省耕地利用变化模式主要后期变化型为主，其次为持续变化型，前期变化型与反复变化型相差不多。前期变化型图谱类型分布范围较广，主要分布在承德、唐山、秦皇岛以及保定等河北平原区，呈现东北-西南对角分布，以河北省东北部分布较为密集，均靠近在沿海城市的边缘，以“耕地-草地-草地”以及“耕地-林地-林地”为主；后期变化型模式在整个转移模式中所占比例最大，主要集中分布在燕山-太行山地以及山前平原区，出现明显的“聚集”现象，以廊坊市、张家口南部、保定北部地区最为显著，另外在一些沿海城市也有零散分布。

(3)河北省“生态用地-建设用地”变化模式主要以前期变化型、后期变化型以及持续变化型为主，随着城市化进程不断加快，大量的生态用地向建设用地转变；河北省“生态功能用地-耕地”变化模式主要为前期变化型、后期变化性和持续变化性，随着人地矛盾日益增加，后备耕地资源短缺，大量的生态用地向耕地转换已经成为必然趋势。

4.2 讨论

该文通过运用GIS 和 RS技术，基于地学信息图谱理论与方法，分析河北省2001～2013年土地利用变化时空特征，以传统的叠加分析方式来探索河北省10年的土地利用变化规律，分析出在河北省坝上高原区、燕山-太行山地区以及河北平原区中的分布规律。土地利用变化图谱能充分反映时间序列上土地利用变化过程在空间上的分异规律，是对以转移概率为代表的传统研究方法的革新，但是其自身仍然存在缺陷，随着土地利用类型数的增加，图谱数量呈几何级数增长，因此，目前大多数研究只分析土地利用分类中一级类型的变化，很少用来分析二级类型甚至更加细化的分析。该文通过对河北省一级地类图谱特征的分析，为进一步理清不同类型下区域变化的原因以及为区域土地资源合理规划利用，保护区域生态环境提供理论支撑与政策建议。如何优化合理配置各类型土地，更加细化的利用图谱特征深入研究土地利用变化的驱动力分析以及变化趋势的模拟预测，发挥不同区域不同地类下土地利用的最大化将是有待于进一步探索的问题。

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ANALYSISOFTHECHARACTERISTICSOFLANDUSECHANGEINHEBEIPROVINCE*

NiuZhijun1,WangXiaoqing1,FengQian1,YuanDapeng1,ShiYao1,WangShutao2※

(1.Resources and Environmental Science,Hebei Agricultural University,Baoding 071000,China; 2.Land and Resources College,Hebei Agricultural University,Baoding 071001,China)

In order to fully reflect the land use spatio-temporal process changes,based on the map information in Hebei Province and remote sensing data of 2001,2007 and 2013 periods,this paper constructed the change patterns map of spatial data sources of arable land,the ecological function of land and farmland,and land use pattern in Hebei Province,and revealed the spatial temporal characteristics of land use change and distribution.The results showed that the land use change map was mainly in the stable type and showed cultivated land patterns.The change area from arable land to grassland area was 288 762.44hm2,which mainly distributed in Yanshan-Taihang Mountains and piedmont plain.The ecological function areas began to converse to city urbanization lands.The unreasonable economic development inevitably deteriorated the ecological environment.This paper provided a scientific basis and guidance for the rational utilization and scientific planning of land resources in Hebei province.

land use change; characteristics of geo-spectrum; arable land; ecological land; Hebei province

10.7621/cjarrp.1005-9121.20171008

2017-05-01

牛志君(1993—)，男，河北张家口人，硕士生。研究方向：土壤与土地资源持续利用

※通讯作者：王树涛(1978—)，男，河北威县人，副教授、博士。研究方向：土地资源持续利用。Email：wangst@hebau.edu.cn

*资助项目：河北省社会科学基金项目“京津冀生态补偿机制构建研究”(HB16YJ060)；河北农业大学社会科学基金项目“河北省涞源县土地生态补偿研究”(SK201619)

F301.24

A

1005-9121[2017]10054-10