1、 2022-01-12；2022-03-28；2022-04-15Received Date:2022-01-12;Accepted Date:2022-03-28;Online first:2022-04-15 B XDB40000000 41790444 Foundation Item:Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences(XDB40000000);National Natural Science Foundation of China(41790444)，E-mail Correspondin
2、g Author:JIN Zhao,E-mail:研究论文ARTICLEVol.14 No.1 Feb.2023 DOI:10.7515/JEE222037地球环境学报Journal of Earth EnvironmentJEE Citation:张瑞华,金 钊,杨思齐,等.2023.1985 2015 年洛川塬土地利用/覆被变化及人类活动影响 以陕西省洛川县为例 J.地球环境学报,14(1):74 85.Zhang R H,Jin Z,Yang S Q,et al.2023.Land use/land cover change and impacts of human activities
3、 in Luochuan tableland in 19852015:a case study of the Luochuan County of Shaanxi Province,China J.Journal of Earth Environment,14(1):74 85.1985 2015 以陕西省洛川县为例张瑞华1，金 钊1,2,3*，杨思齐2,4，彭建兵11.长安大学 地质工程与测绘学院，西安 7100542.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 7100613.中国科学院第四纪科学与全球变化卓越中心，西安 7100614.北京师范大学 全球变化与地球系统
4、科学研究院，北京 100875Land use/land cover change and impacts of human activities in Luochuan tableland in 19852015:a case study of the Luochuan County of Shaanxi Province,ChinaZHANG Ruihua1,JIN Zhao1,2,3*,Y ANG Siqi2,4,PENG Jianbing11.School of Geological Engineering and Geomatics,Changan University,Xian 7
5、10054,China 2.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology,Institute of Earth Environment,Chinese Academy of Sciences,Xian 710061,China 1985 2000 2015 30 a 1 1985 2015 91.29%30 a 117.16 km2 5.11%1985 2000 38.13 km2 2000 2015 79.03 km2 2 30 a 15 a 1985 2000 15 a 2001 2015 3 30 a 15 a 1985 200
6、0 15 a 2001 2015 Landsat 第 1 期 张瑞华，等：1985 2015 年洛川塬土地利用/覆被变化及人类活动影响以陕西省洛川县为例 75DOI:10.7515/JEE2220373.CAS Center for Excellence in Quaternary Science and Global Change,Xian 710061,China4.College of Global Change and Earth System Science,Beijing Normal University,Beijing 100875,China Abstract:Backgro
7、und,aim,and scope Loess tableland is the most valuable land resource on the Chinese Loess Plateau(CLP).However,the plateau surface of the loess tableland has experienced serious soil and water loss due to headward erosion.Luochuan County of Shaanxi Province is the main body of the Luochuan tableland
8、,which is the second largest tableland on the CLP.In recent years,an increasing number of studies have focused on gully consolidation and tableland protection in Luochuan County.However,information on land use and land cover change,especially the expansion of urban areas on the tableland of Luochuan
9、 County,is rare.In this study,the land use and land cover change in Luochuan County between 1985 and 2015 was characterized,and the aim was to quantify the dynamics of land use/land cover change and elucidate the impacts of human activities.Materials and methods Landsat images were collected,and the
10、 sensor types were TM and OLI.The spatial resolution of the Landsat images was 30 m.All images were pre-processed and classified by ENVI software.ArcGIS and Google Earth software were used to interpret the results of supervised classification to improve the accuracy of the results.Results(1)Woodland
11、,grassland and arable land were the main land use types in Luochuan County between 1985 and 2015,occupying more than 90%of the total land area.During the past 30 years,the area of construction land exhibited the most significant increase;specifically,the area increased by 117.16 km2,and the annual r
12、ate of increase was 5.11%.In 1985 2000,the area of construction land increased by 38.13 km2,and in 2000 2015,the area of construction land increased by 79.03 km2.(2)Over the past 30 years,the main characteristics of land use change were the mutual conversions of woodland,grassland,arable land and co
13、nstruction land.In the first 15 years(1985 2000),the woodland and grassland showed a change pattern of first decreasing and then increasing;in the latter 15 years(2001 2015),the arable land showed a change pattern of first increasing and then decreasing.The areas of unused land and waterbodies chang
14、ed less during the past 30 years.(3)Over the past 30 years,the comprehensive land use dynamics in Luochuan County showed an increasing trend,which indicated that human activities have gradually increased in the area.However,human activities are changing to a conservation role based on the directions
15、 of land use change in Luochuan County.Discussion In 1985 2015,the land use and land cover patterns in Luochuan County changed greatly,and the change pattern had a close relationship with the implementation of the national policy,e.g.,the policy of converting cropland to woodland and grassland and C
16、hina western development.For example,the arable land area of Luochuan County first increased and then decreased in 1985 2000,with a total increase of 107.14 km2.This result is related not only to the implementation of the production contract responsibility system in rural areas from 1985 to 1990 but
17、 also to the reclamation of most grassland and woodland into arable land.The construction land area of Luochuan County increased continuously from 1985 to 2015,with an average annual growth of approximately 11.60%,mainly from arable land,and this change is indicative of the strong economic developme
18、nt in Luochuan County.With the continuous expansion of the urbanization area and the continuous expansion of the traffic network,the water and soil loss on the tableland and erosion of the ditches have accelerated.Moreover,the soil anti-scourability in the loess area was different under different ve
19、getation conditions.The research results showed that the impact of human activities on land use/cover change in Luochuan County from 1985 to 2015 was mainly reflected by the mutual conversion between woodland,grassland,arable land and construction land,and human activities had an important role in p
20、romoting the conversion of land use types and have further affected the water and soil loss and gully erosion in the Loess Plateau area.Conclusions In this study,we conclude that modern human activity,e.g.urbanization,is the major driver of land use change on the Luochuan tableland,which showed the
21、most significant increase of land area.Moreover,the transitions of woodland,arable land,grassland are more influenced by ecological 76 地球环境学报 第 14 卷DOI:10.7515/JEE222037policy implemented on the CLP.Recommendations and perspectives When using software for supervised classification,remote sensing ima
22、ges with a long history have the disadvantage of insufficient resolution,which will result in the results facing the risk of insufficient accuracy.It is suggested that the recognition accuracy can be improved in the future by using a large amount of data training in deep learning.Key words:Luochuan
23、County;land use/cover change;human activities;Landsat imagery土地利用/覆被变化（land use/cover change，LUCC）作为当前全球变化与可持续发展研究的热点内容之一，其与人类生产生活密切相关，既影响自然生态环境的演变，还会影响经济社会的可持续发展（苏明伟等，2021）。早期的土地利用研究偏重于定性分析，但从上世纪 70 年代地球资源卫星发射后，遥感影像数据为土地利用变化动态监测提供了丰富的数据源（谭少华和倪绍祥，2006）。近 30 a 来，国内外学者使用遥感和地理信息技术，对不同时空的遥感影像进行解译，发展出多种解
24、译方法，极大推动了陆地表层系统定量化研究的广度和深度。当前，土地利用/覆被变化采用的研究方法主要包括 3S 技术和各种模型的构建，如 CLUE 和 CLUE-S 模型、马尔可夫链模型、系统动力模型等（黄秋昊和蔡运龙，2005）。Verburg et al.（2002）提出了区域土地利用动态建模的 CLUE-S 模型，并在菲律宾和马来西亚进行了实例验证，确定了该模型的可行性；Foley et al.（2005）分析了土地利用变化在生态系统、粮食生产、水资源、森林资源和气候等方面对全球环境变化造成的影响；在国内，史培军等（2000）采用马尔可夫链模型，通过遥感影像解译和土地利用数据分析，得出了深圳
25、市土地利用变化的驱动因素；刘纪远等（2002）分析了中国1995 2000 年的陆地卫星数据资料，定量研究了中国在这一时期的土地利用变化特征及空间分布规律；徐瑞祥等（2002）采用系统动力模型，对缓解人口压力、保护耕地和实现区域土地可持续利用进行了探讨。总体来看，CLUE-S 模型主要解决不同空间尺度土地利用空间分配问题，在土地生产潜力评价及土地利用规划方面有广阔的应用前景。然而，CLUE-S 模型只考虑短期或近期土地利用变化因子，其对社会经济因子的空间化尚存在一定问题，这一瓶颈限制了 CLUE-S 模型的发展（蔡玉梅等，2004）。马尔可夫链模型是通过对事物初始状态的不同占有率以及变化概率进
26、行研究，确定事物变化发展的趋势。该模型仅适用于小空间尺度的土地利用变化，且仅适合短期的预测（陈平留和黄清麟，1992）。系统动力模型在处理高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈问题等方面具有优势。随着科学技术发展，遥感影像的精度越来越高，解译出的数据精度也越来越可靠，利用遥感影像来研究土地利用/覆被变化的可信度得到明显提高。黄土塬是黄土高原最为宝贵的宜耕、宜农、宜居的土地资源。由于其地势平坦，易于耕作，有着比黄土高原其他地区更为优越的生产和生活条件，因此一直是黄土高原重要的经济、文化和行政聚集区。当前，随着城镇化加速、交通路网扩张等一系列人类活动的影响，黄土塬溯源侵蚀剧烈，沟道不断扩张，加剧了黄
27、土塬的破碎化和分解，严重影响到黄土塬的国土安全、民生安全和生态安全（金钊，2020）。洛川塬是黄土高原地区除董志塬外最大的黄土塬面，主体位于延安市洛川县境内。相比董志塬而言，洛川塬更加破碎化，塬面面积更小，因此面临的破碎化和萎缩风险更大。据调查，洛川县朱牛乡 1978 1983年 5 a 时间，塬边共发生大小不同的滑塌 38 次，损失塬面土地 0.075 km2（杨民生，2017）。当前，洛川县的水土流失面积接近 90%，城镇化快速发展、交通路网扩张等现代人类活动的影响剧烈，其中沟头前进、塬边崩塌等重力侵蚀是水土流失的主要类型。因此，本文以洛川塬的主体洛川县为例，对洛川县 1985 年、200
28、0 年和 2015年的遥感影像进行解译，然后通过数学方法、地理信息技术和遥感技术，得出 1985 2015 年洛川县土地利用变化的速度、转移方向和土地利用程度，从区域尺度分析近几十年来洛川塬的土地利用变化，理解洛川塬萎缩退化的人类活动影响及其产生的动力条件，旨在为洛川县土地资源管理和下一步实施固沟保塬工程提供科学依据。第 1 期 张瑞华，等：1985 2015 年洛川塬土地利用/覆被变化及人类活动影响以陕西省洛川县为例 77DOI:10.7515/JEE2220371 1.1 洛川县位于陕西省延安市的南部（图 1a），属于 洛川 塬的 主体 部分，东部 为黄 龙县 与宜 川 县，西部为黄陵县和
29、宜君县，南部为白水县，北部为富县。全县有 1 个街道、8 个镇、3 个便民服务中心和196 个行政村，户籍总人口 22.06 万人（http:/km2，因水土流失损失面积可达1583 km2（杨民 生，2017）。洛川县为暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均降水量为 621 mm，降雨相对集中，年均流失土体总量 3.972 106 t，是一个典型的水土流失县（杨民生，2017）。洛川县地貌表现为塬面与沟道交错分布，沟道支离破碎且溯源侵蚀现象严重，沟头发育活跃；岩性主要为第四纪堆积的黄土岩层，总厚度 120 150 m。地势由东北向西南倾斜，海拔高度 650 1381 m，沟谷切深在 100 20
30、0 m，主沟道比降 1%，1 km 以上的沟道 767 条，沟壑密度为 1.2 km km2（孔辉和孙增慧，2018）。图 1 洛川县区域图Fig.1 The location of the Luochuan County in the Loess Plateau of China1.2 采用公开的 Landsat 系列遥感影像数据（http:/），分别选取了1985 年（1986-08-02）、2000年（2000-06-29）、2015 年（2015-07-01）共三期的遥感影像作为原始数据。1985 年遥感影像的传感器类型为 Landsat-5 TM，2000 年和2015年影像的传感器
31、类型为 Landsat-8 OLI，其空间分辨率均为 30 m。所有遥感影像数据通过 ENVI 5.3软件（美国 Exelis Visual Information Solutions 公司）进行预处理工作，再通过 ENVI 5.3 软件根据最大似然法（maximum likelihood classication）对影像进行监督分类以及分类后再处理。最后通过ArcGIS 10.7 软件（美国 ESRI 公司）结合 Google Earth 对结果进行人机交互解译，用来提高影像解译精度（杨思齐等，2019）。根据 2017 年 颁布的GB/T 21010 2017，土地利用现状分 类（中华人民
32、共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2017）并结合本文的研究目的，将土地利用/覆被类型分为以下 6 类：草地、林地、耕地、建设用地、水域及水利设施用地、未利用地，得出洛川县 1985 年、2000 年、2015 年三年的土地利用图。采用 ENVI 软件中的混淆矩阵分析功能对最终的解译结果进行精度分析（表 1）。从表 1 中可以看出其整体精度可达到92%以上，其卡帕系数在 0.89 以上。1.3 1.3.1 土地利用变化速度（1）单一土地利用动态度单一土地利用动态度是反映不同土地利用类型在一定时间段内的变化速度和幅度的指标，反78 地球环境学报 第 14 卷DOI:10.
33、7515/JEE222037映人类活动对单一土地利用类型的影响。将最终的数值扩大 100 倍便于分析，表达式（王秀兰和包玉海，1999）为：K=(Ua Ub)Ua 100%100(1)式 中：K 为某土地利用类型的动态度；T 为研究时长（a）；Ua为研究初期某一种土地利用类型面积（km2）；Ub为研究末期某一种土地利用类型面积（km2）。（2）综合土地利用动态度综合土地利用动态度模型表现土地利用变化速率的区域差异，为便于分析将结果扩大 100倍，表达式（陈述彭等，1998）为：S=(Si j 2Si)100%100(2)式 中：S 为土地利用综合动态度；Si为研究区内第i 类土地利用类型的初始
34、面积（km2）；Si j为研究区内第 i 类土地利用类型从初始到结束时转变为其他土地利用类型的面积总和（km2）；T 为研究时长（a）。1.3.2 土地利用转移矩阵土地利用转移矩阵能够全面反映研究区内土地利用类型变化的方向及其结构特征。模型（刘瑞和朱道林，2010）如下：(3)式 中：Aij为研究始末土地利用各类型面积和（km2）；n 为土地利用类型数。该方法通过采用矩阵或表格的形式来表示土地利用变化的类型和其转移的面积，为研究区域土地利用变化方向和结构构成的分析提供依据（朱会义和李秀彬，2003）。1.3.3 土地利用程度土地利用程度变化反映了多种土地利用类型的变化，反映人类活动对土地利用变
35、化的影响，其数学模型（王秀兰和包玉海，1999）为：Lj=100(AiCi)(4)式 中：Lj为 研究区土地利用程度综合指数（土地利用程度综合指数是针对一个具体年份内所有土地利用类型整体反映的土地利用集约化程度）；Ai为 研究区域内第 i 级土地利用程度分级指数；Ci为研究区域内第 i 级土地利用程度分级面积所占百分比；n 为土地利用类型数。土地利用程度变化量（陈述彭等，1998）和土地利用程度变化率可表达为：Lb a=Lb La=100(AiCib)(AiCia)(5)R=(AiCib)(AiCia)(AiCi)(6)式 中：Lb a为土地利用程度变化量；R 为土地利用程度变化率；La为起始
36、时区域土地利用程度综合指数；Lb为末期时区域土地利用程度综合指数；Ai为研究区域内第 i 级土地利用程度分级指数；Cib为末期时研究区域内第 i 级土地利用程度分级面积百分比；Cia为初始时研究区域内第 i 级土地利用程度分级面积百分比。若 Lb a0 或 R 0，研究区的土地利用处于发展时期，否则处于调整期或衰退期，将最终结果扩大 100 倍以便于分析。Ai取值参考刘纪远（1997）提出的土地利用程度指数（表 2）。2 2.1 1985 2015 年，洛川县主要的土地利用类型为林地、草地和耕地，这三种主要土地利用类型面积占比达 91.29%（图 2）。由表 3 可见：洛川县 1985 200
37、0 年耕地和建设用地面积增加，其中耕地面积增加最多，共增加 107.14 km2，建设用地面积增加 38.13 km2；林地、草地、未利用地、水域和水利设施用地面积减少，其中林地减少面积最大，共减少 116.12 km2。2001 2015 年，建设用地增加 79.03 km2，林地增加 41.26 km2，草地增加21.63 km2；耕地、未利用地、水域和水利设施面积分别减少 141.16 km2、1.10 km2和 0.16 km2。从土地利用/覆被动态度看，1985 2015 年，建设用地单一土地利用/覆被动态度一直为正，而未利用地、水域和水利设施用地单一土地利用/覆被动表1 1985
38、2015 年洛川县遥感影像解译精度Tab.1 Remote sensing image interpretation accuracy of the Luochuan County from 1985 to 2015年份Year整体精度Overall accuracy/%卡帕系数Kappa coefficient1985 94.89 0.932000 92.47 0.892015 95.06 0.93第 1 期 张瑞华，等：1985 2015 年洛川塬土地利用/覆被变化及人类活动影响以陕西省洛川县为例 79DOI:10.7515/JEE222037图 2 洛川县 1985 2015 年土地利用
39、变化图Fig.2 Maps of land use change in the Luochuan County during 1985 2015表 2 土地利用程度指数表Tab.2 Index of land use intensity生态系统类型Ecosystem type土地利用类型Land use type分级指数Classification degree未利用土地级 Class of abandoned land 未利用地或难用地 Abandoned land 1林、草、水用地级Class of woodland,grassland,water bodies林地、草地、水域及水利设施用
40、地Woodland,grassland,land for water area and water conservancy facilities2农业用地级 Class of farmland 耕地、园地、人工草地 Farmland,gardens,planted grassland 3城镇聚落用建设用地级Class of land for construction城镇、居民点、工矿用地、交通用地Urban,residential,industrial,traffic land4表3 1985 2015 年洛川县各种土地利用类型面积变化Tab.3 Area and percentage of
41、different types of land use change in the Luochuan County during 1985 2015土地利用类型Types of land use各土地利用/覆被类型增减变化Area change of different land use types/km2面积百分比Area percentage/%1985 2000 2001 2015 1985 2015 1985 2000 2015林地 Woodland 116.12 41.26 74.87 34.14 27.63 29.94草地 Grassland 27.27 21.63 5.64 34
42、.85 33.30 34.51耕地 Arable land 107.14 141.16 34.03 28.68 34.66 26.77建设用地 Construction land 38.13 79.03 117.16 1.89 4.02 8.43水域及水利设施Land for water area and water conservancy facilities0.12 0.16 0.28 0.12 0.11 0.11未利用地 Unused land 0.92 1.10 2.02 0.32 0.27 0.21态度一直为负，林地、草地和耕地正负变化不一（表 4）。总体而言，1985 2015 年
43、洛川县的建设用地面积增幅最大，共增加了 117.16 km2，年均增加 5.11%。林草地呈现先减少后增加的趋势，而耕地相反，呈现先增加后减少的趋势。1985 2015 年，林地面积共减少了 74.87 km2，年均减少 0.44%；耕地共减少了34.02 km2，年均减少0.23%；草地共减少 5.64 km2，年均减少 0.03%；未利用地共减少 2.02 km2，年均减少 1.43%；水域及水利设施用地共减少0.28 km2，年均减少0.46%。80 地球环境学报 第 14 卷DOI:10.7515/JEE222037表4 1985 2015 年洛川县单一土地利用动态度Tab.4 The
44、 rate of land use change in the Luochuan County during 1985 2015土地利用类型Types of land use面积Area/km2面积百分比Area percentage/%1985 2000 2015 1985 2000 2001 2015 1985 2015林地 Woodland 610.59 494.46 535.72 1.40 0.50 0.40草地 Grassland 623.31 596.03 617.67 0.30 0.20 0.00耕地 Arable land 513.09 620.23 479.07 1.50 1
45、.40 0.20建设用地 Construction land 33.80 71.93 150.95 8.10 6.90 11.60水域及水利设施Land for water area and water conservancy facilities2.18 2.06 1.90 0.40 0.50 0.40未利用地 Unused land 5.73 4.81 3.71 1.10 1.40 1.202.2 1985 2000 年，洛川县全县 74.57%的土地利用/覆被面积未发生改变，发生的主要变化是林地、草地、耕地、建设用地之间的转换（图 3）。1985 2000 年，共有 188.34 km2
46、的草地转换为其他土地利用类型，转出大于转入，其中 8.42%的草地转换为林地，占新增林地的 91.25%（表 5）；耕地的转入面积最大，为 176.73 km2，转入大于转出，其 中 18.81%的草地转换为耕地，占新增耕地面积的 66.33%，林地也有部分转换为耕地，占新增耕地面积的 26.72%（表 5）；6.44%的耕地转换为建设用地，占新增建设用地面积的 59.07%；林地的转出面积为 173.47 km2，转出大于转入，其中 19.44%的林地转换为草地，占新增草地的73.76%。7.74%的林地转换为耕地，占新增耕地的 26.72%。2001 2015 年，洛川县全县 69.10%
47、的土地利用/覆被面积未发生改变（表 6）。其间，共有204.92 km2的耕地转换为其他土地利用类型，转出大于转入，其中 13.07%的耕地转换为建设用地，占新增建设用地的 67.91%，12.07%的耕地转换为草地，占新增草地面积的 36.84%，同时有 7.90%的耕地转换为林地，占新增林地面积的 30.02%；此外，有 181.59 km2的草地转出，在草地转出面积 中：58.80%的草地转换为林地，占新增林地面积的 91.40%；22.48%转换为耕地，占新增耕地面积的 63.85%；18.64%转换为建设用地，占新增建设用地的 28.37%。林地转出面积中，有 93.67%转换为草地
48、，占新增草地的 56.21%。2.3 洛川县 30 a 来土地利用/覆被水平呈现持续增长的趋势（表 7），前 15 a（1985 2000 年）增长迅 速，其土 地利用/覆被 程度变 化率为 0.44（表8），表明 2000 年的土地利用程度相较于 1985 年更加活跃；R(2001 2015)0，其土地利用/覆被程度变化率为 0.04（表 8），表明 2015 年的土地利用程度相较于 2000 年有所增强，但没有 1985 2000年活跃。计算得到 1985 2000 年洛川县的综合土地利用动态度为 0.1571，2001 2015 年为 0.1573。和前 15 a（1985 2000 年
49、）相比，后 15 a（2001 2015 年）综合土地利用动态度有所增长，表明人类活动对土地利用综合开发利用水平起到积极的影响。3 3.1 洛川县地处黄土塬区，地形主要由塬面、沟坡和沟谷三部分组成。塬面开阔平坦，较为完整，土地利用类型多为耕地、建设用地等；沟坡作为连接塬面和沟谷的缓长坡面，过去多为梯田，退耕还林还草工程实施后多退耕为林草地；沟沿线以下多为陡峭的沟谷，侵蚀十分剧烈。从不同时期洛川县土地利用/覆被变化来看，草地面积从1985 2000 年减少约 4.48%，到 2015 年其面积恢复至 30 a 前的水平，这与 1999 年黄土高原启动实施退耕还林还草工程密切有关。1985 201
50、5年洛川县耕地面积先增后减，2000 年前耕地面积增加 107.14 km2，这与 1985 1990 年农村开始推行生产承包责任制、大部分草地和林地被开垦成耕地相关（董祚继，2007；程磊等，2009；王李婧 等，2017）。2000 年后，地方经济发展加速，城镇化建设加快，大量的耕地转为建设用地，第 1 期 张瑞华，等：1985 2015 年洛川塬土地利用/覆被变化及人类活动影响以陕西省洛川县为例 81DOI:10.7515/JEE2220371985 2015 年建设用地面积共增加 117.16 km2。朱会义和吕昌河（2010）通过对延安市近 30 a 的耕地变化研究发现，退耕还林还草
