黃土高原藉河流域近35年來(lái)土地利用/覆被變化過(guò)程

李慶云，呂素冰，劉 蕾，余新曉，樊 巍

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045;2.北京林業(yè)大學(xué)，北京100083;3.河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南 鄭州450008)

土地利用/覆被變化(Land Use / Land Cover Change，LUCC)已被列為“國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(International Geosphere-Biosphere Program，IGBP)”的核心項(xiàng)目，成為全球環(huán)境變化研究中的活躍領(lǐng)域之一［1］.土地利用/覆被變化代表了一種人為的“系統(tǒng)干擾”，蘊(yùn)含著大量人類活動(dòng)信息，因此對(duì)于揭示流域人－地關(guān)系演變規(guī)律有重要意義［2］. 黃土高原地處半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)向干旱地區(qū)過(guò)渡地帶，氣候干旱，水資源短缺，植被稀疏，水土流失尤為嚴(yán)重，是我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的脆弱區(qū)和敏感區(qū).近些年來(lái)，隨著退耕還林還草工程及各項(xiàng)水土保持工程的實(shí)施，對(duì)該區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響，改變了區(qū)域覆被格局，同時(shí)對(duì)水文水資源產(chǎn)生了極大影響，引起眾多學(xué)者的關(guān)注. 例如，溫仲明等［3］對(duì)黃土丘陵區(qū)紙坊溝流域60 a 的土地利用變化情況進(jìn)行了分析，認(rèn)為土地利用格局的變化與人類活動(dòng)的干擾密切相關(guān);趙東波等［4］對(duì)陜北黃土高原近30 a 土地利用動(dòng)態(tài)的分析表明，耕地和草地面積不斷減少，而林地和居民地大幅度增加. 由于流域的時(shí)空尺度存在差異及研究方法的不同，不同研究的結(jié)果也有很大差異.

筆者以黃土丘陵溝壑區(qū)中尺度流域?yàn)檠芯繀^(qū)，分析其自1975年以來(lái)土地利用的類型構(gòu)成、變化方向、變化速度等，揭示該區(qū)域土地利用/覆被的時(shí)空變化規(guī)律.

1 研究區(qū)概況

藉河流域地處秦嶺山地北麓、隴西黃土高原南緣地帶，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，是渭河中上游的一級(jí)支流，位于甘肅省天水市. 該流域控制面積1 019 km2，地 處 105° 07' 50″—106° 00' 45″ E，34°20'19″—34°38'59″ N，海拔為1 069 ～2 700 m.研究區(qū)屬暖溫帶、半濕潤(rùn)、半干旱的過(guò)渡地帶，年均氣溫11.1 ℃，多年平均降水量555.8 mm，年降水量的60 %以上集中在6—9月. 流域主要分布的土類為褐土、黃綿土、沖積土、棕壤、紅黏土等，其中褐土是該流域典型地帶性土壤. 流域中上游主要分布著林地、草地，中下游主要是耕地，主要農(nóng)作物有小麥、玉米、馬鈴薯. 植被以側(cè)柏(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabulaeformis)、旱柳(Salix malsuclama Roidz)、白榆(Uemus Pumila)等為主.

2 研究基礎(chǔ)與方法

2.1 研究基礎(chǔ)

選取天水市藉河流域范圍作為研究區(qū)域，基于流域1975年的Landsat MSS 影像、1990 Landsat TM遙感影像、2000年ETM+影像和2008年的SPOT 影像，運(yùn)用ERDAS IMAGINE 軟件進(jìn)行自動(dòng)分類和ArcGIS 的空間分析功能，同時(shí)結(jié)合流域?qū)崪y(cè)資料，最后得到藉河流域1975年，1990年，2000年和2008年4 個(gè)時(shí)段的土地利用/覆被情況.

結(jié)合研究區(qū)的覆被特征、利用方式以及黃土丘陵溝壑區(qū)土地利用情況等，根據(jù)人類活動(dòng)對(duì)流域土地的利用方式和程度的影響，并考慮不同土地類型功能的差別，將流域土地利用類型劃分為:坡耕地、梯田、林地、草地、水域、居民用地和未利用地七大類.

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以全面又具體地表現(xiàn)區(qū)域土地利用變化特征和各土地利用類型之間的流向，可以定量說(shuō)明各類型之間相互轉(zhuǎn)化狀況，更好地了解土地利用時(shí)空演變過(guò)程［5］.利用ArcMap 里的Dissolve 工具，對(duì)4 期土地利用情況進(jìn)行融合，使相同利用類型的記錄合為一個(gè)記錄，以提高計(jì)算速度;然后借助GIS 空間分析工具下的疊加功能，計(jì)算各類型的保留面積和轉(zhuǎn)化面積，便得到土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣.

2.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度可以定量描述流域土地利用變化的速度.這里采用區(qū)域綜合土地利用變化度、單一土地利用變化動(dòng)態(tài)度來(lái)分析藉河流域土地利用變化速度.

區(qū)域綜合土地利用動(dòng)態(tài)度(LC)計(jì)算公式為

式中:Ai為研究初期第i 類土地利用面積;ΔAi－j是研究時(shí)段內(nèi)第i 類土地利用轉(zhuǎn)為其他類型面積(非第i類)的絕對(duì)值;T 為研究的時(shí)段長(zhǎng)，a.

單一土地利用類型動(dòng)態(tài)變化速度(K)的計(jì)算公式為

式中Ua，Ub分別為研究初期和研究末期某種土地利用的面積.

3 結(jié)果分析

3.1 各時(shí)期土地利用/覆被類型的構(gòu)成

通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和ArcGIS 的空間分析，得到藉河流域不同時(shí)期的土地利用類型構(gòu)成，見(jiàn)表1.可以看出，流域1975年土地利用以坡耕地和草地為主，二者占總面積的近80%，梯田只有較少的零散分布，林地面積116.6 km2，遠(yuǎn)比草地少.到1990年土地利用發(fā)生了很大變化，坡耕地急劇減少而水平梯田大面積增加，林地面積略有下降，草地則略顯增加，該時(shí)期梯田面積占流域面積的32.3%，坡耕地面積比例由1975年的40% 下降至1990年的13.7%.

表1 流域各時(shí)期土地利用/覆被類型面積 km2

隨著退耕還林還草工程的實(shí)施，坡耕地繼續(xù)明顯減少，林地、草地覆蓋面積有一定增加，梯田略有增加.具體而言，2000年以來(lái)流域林草面積占54%左右，比20世紀(jì)90年代以前明顯提高;至2008年，坡耕地僅占全流域的9%，而梯田則占34%，梯田、林地和草地占流域面積的87.8%，是藉河流域土地利用的主體.水域和未利用地面積近幾十年幾乎無(wú)變化，不過(guò)20世紀(jì)90年代以后流域水體面積減少明顯.居民地也保持比較穩(wěn)定的面積，2000年后有一定的增加.

3.2 土地利用/覆被變化方向

土地利用變化方向主要指一個(gè)時(shí)期內(nèi)不同土地利用/覆被類型間的相互轉(zhuǎn)化，反映了它的時(shí)空演變過(guò)程.這種過(guò)程可以用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)分析，即分析1975—1990年、1990—2000年、2000—2008年以及1975—2008年整個(gè)研究期間的轉(zhuǎn)移情況.由于流域土地利用/覆被最顯著的變化發(fā)生在1975—1990年期間，且限于篇幅，這里僅列出1975—1990年、1975—2008年的轉(zhuǎn)移矩陣，分別見(jiàn)表2和表3.可以看出，不同時(shí)期各土地利用/覆被變化有一定的相似之處，主要流向比較一致. 從1975—1990年間的轉(zhuǎn)移矩陣看(表2)，主要是大量的坡耕地轉(zhuǎn)為梯田，其次是草地，坡耕地的轉(zhuǎn)出概率為78.8%，其中71.6%轉(zhuǎn)為梯田，轉(zhuǎn)出面積達(dá)291.74 km2，6.2%轉(zhuǎn)為草地，其余少量轉(zhuǎn)為居民用地;林地變化不大，轉(zhuǎn)出概率僅為6.1%，主要流向草地和梯田;草地轉(zhuǎn)出概率和林地基本相近，為6.6%，主要流向梯田、坡耕地和林地;梯田在這個(gè)時(shí)期也發(fā)生了一些轉(zhuǎn)變，主要轉(zhuǎn)出為草地，居民地和水域等幾乎沒(méi)有變化.

表2 流域1975—1990年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表3為藉河流域在整個(gè)研究期內(nèi)各土地利用類型間的轉(zhuǎn)移變化. 坡耕地在近35年內(nèi)大量減少，轉(zhuǎn)出近350 km2，轉(zhuǎn)出概率達(dá)85.7%，其中74.5%轉(zhuǎn)為梯田，8%轉(zhuǎn)為草地;林地整體上變化不大，草地向林地和梯田有一定數(shù)量的轉(zhuǎn)移，而梯田向林、草地也有一定的轉(zhuǎn)出.因此研究期內(nèi)發(fā)生顯著變化的土地利用/覆被類型主要是坡耕地、梯田和林地，草地發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率較小.

表3 流域1975—2008年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.3 土地利用/覆被變化速度

由公式(1)計(jì)算流域不同時(shí)期綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，得1975—1990年、1990—2000年、2000—2008年間土地利用年變化率分別為1. 33%，0. 44%，0.15%.顯然，第一階段變化速度最高，說(shuō)明土地利用/覆被在數(shù)量和方向上發(fā)生了很大變化，之后變化速度減小.計(jì)算得1975—2008年整個(gè)研究期間的年綜合土地利用變化速度為0.65%.1975—1990年間的變化速度遠(yuǎn)大于整個(gè)研究期間的綜合變化速度，說(shuō)明流域土地利用變化主要發(fā)生在研究初期.

藉河流域不同時(shí)期單一土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化分析結(jié)果見(jiàn)表4. 可以看出，坡耕地的變化很大，面積呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，其中1975—1990年間減少最多，變化速度為－4.38%;梯田面積年增長(zhǎng)率最大，達(dá)26.48%.林地在20世紀(jì)90年代以后保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，草地在流域內(nèi)的分布最大，但變化趨勢(shì)并不明顯，2000年之前呈現(xiàn)略增趨勢(shì)，之后又略有減少.居民地面積在研究后期有比較明顯的增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率1 %左右，水域面積變化速度較大，下降比較明顯.綜上可見(jiàn)，1975—1990年間是流域土地利用/覆被發(fā)生顯著變化的時(shí)期，主要表現(xiàn)在坡耕地明顯減少而梯田大面積增加.

表4 流域各時(shí)期單一土地利用類型動(dòng)態(tài)變化 %

4 結(jié) 論

坡耕地改梯田工程是治理黃土高原水土流失的有效工程措施，該區(qū)域在20世紀(jì)80年代開(kāi)始實(shí)施大規(guī)模的坡改梯水土保持工程，各流域內(nèi)出現(xiàn)連片梯田，改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，同時(shí)提高了農(nóng)田蓄水?dāng)r沙能力.藉河流域亦是如此，也是其發(fā)生土地利用變化的主要原因.筆者通過(guò)該流域4 期土地利用/覆被信息，分析過(guò)去近35年土地利用的時(shí)空變化，主要結(jié)論如下.

1)藉河流域近幾十年來(lái)土地利用/覆被結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化.1975—1990年期間，坡耕地急劇減少，而梯田面積大量增加，土地利用類型由坡耕地和草地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴萏锖筒莸貫橹?，林地和其他利用類型變化不?1990年以來(lái)，坡耕地繼續(xù)保持下降趨勢(shì)，隨著退耕還林還草工程的實(shí)施，林地和草地有一定的增加，至2008年，梯田和草地占全流域近74%，而坡耕地僅占9.1%.

2)應(yīng)用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析流域土地利用/覆被的變化方向，結(jié)果表明類型間的轉(zhuǎn)移主要是坡耕地流向梯田和草地. 在1975—1990年期間，坡耕地的轉(zhuǎn)出概率達(dá)78.8%;在1975—2008年期間，依然是以坡耕地流向梯田和草地為主，草地向林地和梯田也有一定數(shù)量的轉(zhuǎn)移.

3)1975—1990年、1990—2000年、2000—2008年、1975—2008年間土地利用年變化率分別為1.33%，0.44%，0.15%和0.65%. 第一個(gè)階段的變化速度最大，也明顯大于整個(gè)研究時(shí)期的變化速度.對(duì)于單一土地利用類型而言，坡耕地面積呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，而梯田在1975—1990年間保持26.48%的增長(zhǎng)速度，林地和草地均有一定程度的增加.

［1］倪紹祥.土地利用/覆被變化研究的幾個(gè)問(wèn)題［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2005，20(6):932－937.

［2］楊桂山.土地利用/覆被變化與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展:長(zhǎng)江三角洲近50年耕地?cái)?shù)量變化研究的啟示［J］.地理學(xué)報(bào)，2004，59(S1):41－46.

［3］溫仲明，焦峰，張曉萍，等.黃土丘陵區(qū)紙坊溝流域60年來(lái)土地利用格局變化研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2004，18(5):125－128.

［4］趙東波，梁偉，楊勤科，等.陜北黃土丘陵區(qū)近30年來(lái)土地利用動(dòng)態(tài)變化分析［J］.水土保持通報(bào)，2008，28(2):22－26.

［5］周蘭萍，魏懷東，丁峰，等.1998—2005年石羊河流域土地利用/覆蓋變化及其分析［J］. 水土保持通報(bào)，2009，29(1):169－173.