50年来黄土高塬沟壑区典型小流域土地利用动态变化及其驱动力分析

陈攀攀,毕华兴†,陈智汉,云雷,马雯静

(1.北京林业大学水土保持学院,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京;2.黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站,745000,甘肃庆阳)

50年来黄土高塬沟壑区典型小流域土地利用动态变化及其驱动力分析

陈攀攀1,毕华兴1†,陈智汉2,云雷1,马雯静1

(1.北京林业大学水土保持学院,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京;2.黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站,745000,甘肃庆阳)

以经过 50多年水土流失综合治理的黄土高塬沟壑区西峰杨家沟小流域为研究对象,通过遥感影像解译并结合实地调查还原的 6期土地利用图,根据土地利用面积变化及土地利用转移概率矩阵,对杨家沟小流域 50多年来的土地利用动态变化进行分析。结果表明:1)杨家沟小流域 1954—2008年土地利用变化总的趋势是林地面积大幅增加,未利用地面积大幅减少,牧草地、园地、居民点及工矿用地也有不同程度的增加;2)土地利用变化的主要方向为未利用地向林地转化,耕地、牧草地、居民点及工矿用地面积的增加也主要来自未利用地的开发利用,园地主要由耕地转化而来;3)政策变动、经济发展及人口增长在土地利用变化中起了重要的驱动作用。

土地利用;动态变化;驱动力;黄土高塬沟壑区;杨家沟小流域

脆弱的自然生态系统加上人类不合理的土地利用,使得黄土高原地区土壤侵蚀加剧,水土流失严重,生态环境恶化。自新中国成立以来,特别是自“七五”以来,国家投入了大量人力、物力、财力对黄土高原水土流失进行治理。近年来大力推广的以小流域为单元的综合治理模式在黄土高原水土流失治理中发挥着积极的作用[1]。这种积极的人为干预,使流域内的土地利用格局发生了较大变化。20世纪 90年代以来,土地利用/土地覆被变化(Land Use/Land Cover Change,LUCC)已成为全球环境变化研究领域的核心内容之一[2-3],在黄土高原地区也进行了大量的研究[4-7];但是,针对小流域水土流失治理过程中引起的土地利用变化的研究还比较欠缺。

南小河沟流域是黄河水利委员会西峰水土保持试验站选定的治理黄土高原水土流失的试验区域,是典型的黄土高塬沟壑区,经过 50多年的治理,社会、经济、环境等状况得到了明显改善,与此同时,土地利用结构也趋于合理。笔者以南小河沟流域的支沟杨家沟小流域为研究对象,利用遥感和 GIS技术,对 20世纪 50年代中期到 2008年间的土地利用特征进行分析,并对其驱动力进行探讨,以期为该流域的水土流失综合治理提供理论支撑,并为相关部门决策的制订提供依据。

1 研究区概况

杨家沟小流域位于甘肃省西峰市境内,是黄土高塬沟壑区南小河沟流域的一条支沟,E 110°16′,N 37°33′。集水区面积 0.87 km2,主沟长 1500m,沟道比降 8.46%。流域地貌主要有塬面、梁峁坡、沟谷 3种类型。塬面地形平坦,坡度一般在 3°以下,多为农耕地;梁峁坡为连接塬面的缓坡带,坡度一般在7°～20°之间,大部分为牧荒地;梁峁坡以下为沟谷,呈 V字形,坡度一般在 25°以上。流域年平均气温9.3℃,多年平均蒸发量 1503.5mm;年平均降水量556.5mm,降雨主要集中在 6—9月,占全年降水量的67.3%。流域主要覆盖性土壤是黄土,黏土含量甚微,土质松软。自1952年开始水土流失综合治理[8-9]。

2 研究方法

2.1 土地利用和土地覆被动态数据获取

选择杨家沟小流域 2004年的 Quickbird遥感影像以及 1∶2 000实测地形图作为基础信息源,在ArcGIS 9.2环境下进行人机交互判读解译,获得了2004年杨家沟小流域土地利用信息(图 1),以此土地利用信息为基础,通过现场调查、访问调查以及资料收集查询等手段,还原出该流域 1954、1964、1980、2000、2004及 2008年 6年的土地利用信息。这 6个阶段的划分主要是依据水土保持措施及政策的变化。土地利用分类参考 2007年国家土地资源分类标准并结合实际情况,把杨家沟小流域土地利用类型分为耕地、园地、林地、牧草地、居民点及工矿用地、未利用地 6种类型。另外,在实际调查中,进一步结合地貌部位,将耕地分为坡面旱地、塬面旱地、塬面条田和坡面梯田;林地分为坡面有林地、沟谷有林地、塬面疏林地、坡面疏林地、沟谷疏林地、坡面灌木林地和塬面未成林地;居民点及工矿用地分为塬面居民点及沟谷居民点;未利用地分为沟坡荒草地、沟谷荒草地、立壁陡崖和红土泻溜。

图 1 2004年杨家沟小流域土地利用现状图Fig.1 Land use of Yangjiagou in 2004

2.2 土地利用动态变化分析方法

区域土地利用动态变化包括土地利用类型的面积变化、类型转换变化和空间格局演变[10-16]。通过各土地利用类型面积变化、土地利用转移概率矩阵对杨家沟小流域 1954—2008年的土地利用动态变化进行分析。

1)面积变化首先反映在不同类型的总量变化上。通过分析土地利用类型的总量变化,了解土地利用变化总的态势和土地利用结构的变化。在 Arcgis及 Excel的支持下,对杨家沟小流域 1954、1964、1980、2000、2004及 2008年 6年的土地利用数据进行统计分析,得出杨家沟小流域这 6年的各土地利用类型的面积,并由此计算出各土地利用类型面积所占的比例。在此基础上,分析杨家沟小流域1954—2008年土地利用结构的变化。

2)土地利用转移概率矩阵不仅可以定量描述土地利用类型之间的相互转化情况,而且可以揭示不同土地利用类型间的转移,从而更好地了解土地利用的时空演变过程[17-18]。通过 1954—1964、1964— 1980、1980—2000、2000—2004、2004— 2008年这 5个时段研究区的土地利用转移概率矩阵,进一步分析土地利用动态变化特征。

3 土地利用动态变化分析

3.1 土地利用的面积变化分析

杨家沟小流域 6个时期各土地利用类型面积比例统计结果见表 1。可以看出:1)杨家沟小流域耕地面积先增加后减少,最多时于 1964年达到44.94%。1954—1964年耕地以塬面旱地为主,到1980年则以塬面条田和坡面梯田为主,1980—2000年坡面梯田逐渐减少,而塬面条田面积基本不变,可见退耕还林主要是在坡耕地上进行;2)林地面积逐年增加,从 1954年的 0.38%增加到 2008年的41.89%,以坡面有林地和沟谷有林地为主,到 2008年分别占林地总面积的 45.93%和 42.37%,而塬面林地 (包括塬面疏林地和塬面未成林地)仅占1.03%,可见植树造林措施主要在沟坡进行;3)未利用地面积逐年减少,从 1954年的 60.78%减少到2008年的 13.20%,50年代未利用地以沟坡荒草地和沟谷荒草地为主,分别占未利用地面积的58.13%和 28.71%,到 2008年以立壁陡崖为主,占未利用地面积的 60.45%,可见杨家沟小流域比较容易利用的沟坡荒草地和沟谷荒草地已经基本上得到开发,剩下的大部分未利用地为立壁陡崖和红土泻溜,较难利用;4)居民点及工矿用地从 1954年的0.15%增加到 2008年的 6.35%,以塬面居民点为主,可见居民点及工矿用地多分布在地势较为平坦的塬面;5)园地主要是能产生经济效益的塬面果园,80年代增加迅速,从 2000—2008年所占面积比例基本维持在 2.38%;6)牧草地以坡面人工草地为主,1954—1964年有所增加,而后所占面积比例基本维持在 0.22%。

表1 杨家沟小流域 1954—2008年各期土地利用类型面积比例Tab.1 Area proportion of land-use types in Yangjiagou from 1954 to 2008 %

3.2 土地利用结构的转化分析

杨家 沟 小 流 域 1954—1964、1964—1980、1980—2000、2000—2004、2004—2008年这 5个时段的土地利用转移概率矩阵见表 2～表 6。

表2 杨家沟小流域 1954—1964年土地利用转移概率矩阵Tab.2 Transition p robabilitymatrix of land-use in Yangjiagou from 1954 to 1964 %

表3 杨家沟小流域 1964—1980年土地利用转移概率矩阵Tab.3 Transition p robabilitymatrix of land-use in Yangjiagou from 1964 to 1980

表4 杨家沟小流域 1980—2000年土地利用转移概率矩阵Tab.4 Transition p robabilitymatrix of land-use in Yangjiagou from 1980 to 2000 %

表5 杨家沟小流域 2000—2004年土地利用转移概率矩阵Tab.5 Transition p robabilitymatrix of land-use in Yangjiagou from 2000 to 2004 %

表6 杨家沟小流域 2004—2008年土地利用转移概率矩阵Tab.6 Transition probabilitymatrix of land-use in Yangjiagou from 2004 to 2008 %

从表 2可以看出:1954—1964年,杨家沟小流域土地利用转移概率最高的是未利用地,主要向耕地、林地、牧草地和居民点及工矿用地转移,转出概率分别为 10.28%、57.28%、0.36%、0.04%,而耕地、林地、牧草地增加的面积也基本上来自于未利用地的开发利用。可见这一时期杨家沟小流域的水土保持措施主要是通过大力开发未利用地,造林种草,增加植被覆盖率。

从表 3可以看出:1964—1980年,杨家沟小流域土地利用变化以耕地、林地、未利用地为主。其中,未利用地和耕地主要向林地方向转移,转出概率分别为 20.89%、0.95%。林地通过未利用地的开发和退耕还林增加了一部分面积的同时,也有一部分遭到破坏,成为未利用地,其转出概率为 1.18%。可见这一时期杨家沟小流域的水土保持措施还是以开发未利用地,构建水土保持林为主。同时,退耕还林政策也取得一定成效。

从表 4可以看出:1980—2000年,杨家沟小流域土地利用面积变化最大的是耕地,大部分耕地转化为园地和居民点及工矿用地,转出概率分别为5.35%和 13.88%。未利用地主要向林地方向转化,转出概率为 7.18%。可见这一时期杨家沟小流域还在继续植树造林,并且,水土保持政策开始考虑到与经济效益相结合,以调动农民的积极性,因此,一部分耕地被开发成果园。同时,随着人口的增长,居民点及工矿用地开始扩张。

从表 5和表 6可以看出:2000—2008年,杨家沟小流域土地利用除了林地和未利用地发生了一些变化外,其他土地利用类型基本上没变。2000—2004年、2004—2008年 2个时段林地面积的增加主要来自于未利用地的开发,转入概率分别为 8.46%和 1.78%,而未利用地减少的面积也基本上都转化为林地。可见,这一时期杨家沟小流域的水土保持治理生物措施以植树造林为主。

4 土地利用变化驱动力分析

土地利用和土地覆被变化一般受多种因素的影响,诸如经济社会的发展、气候变化和环境变迁、人口压力状况、政策与法规的干预等[19]。影响杨家沟小流域土地利用变化的驱动因素主要表现在水土保持政策及经济社会方面,在此仅就水土保持政策变动、经济发展和人口增长等几大驱动因子进行定性分析。

4.1 水土保持政策调控

政策是土地利用的直接决策因素。自 1952年开始治理以来,杨家沟小流域水土保持政策主要有4次较大的变动。

1954—1964年,杨家沟小流域在 3道防线[9]治理模式的指引下,在塬面的田间道路两旁及沟坡植树造林,山坡造林以杏树(Prunus sibirica L.)为主,沟底营造以杨柳(Salix tetradenia Hand.-Mazz)为主的防冲林,同时,在塌积土上栽植生长迅速的刺槐(Robinia pseudoacacia L.),坡度大的红土泻溜面上栽植沙棘(Hippophae rhamnoides L.),沟谷台地种植苜蓿(Medicago stativa L.),建立人工割草场,并在沟壑区兴修水平梯田;因此,在这段时期,杨家沟小流域通过开发未利用地,林草覆盖率迅速上升,坡面梯田面积也开始增加。

1964—1980年,在中央“北农”会议和延安水土保持会议的推动下,塬面上开始大面积兴修水平条田,大搞以杨树为主的四旁植树造林,利用废胡同、涝池、土坑等营造小片林田,塬面初步形成林网田,沟壑中办起了许多林场;因此,在这段时期,杨家沟小流域大部分塬面旱地转化为塬面条田,林地面积继续增加。这一时期,退耕还林政策开始发挥作用,有 0.95%的耕地转出成为林地。

1980—2000年,十一届三中全会以后,农村实行了包产到户,土地使用权归农民所有,国家开始从计划经济走向商品经济。这一阶段,由于水土流失综合治理所取得的经济效益同群众利益挂钩,群众治理积极性增强,同时,农民有了更大自主权决定种植品种,可以根据市场的需求适时调整种植结构,因此,经济效益比较好的园地等在杨家沟小流域得到了发展,有 5.35%的耕地转出成为园地。

2001—2008年,2001年随着黄河水土保持生态工程齐家川示范区项目的实施,杨家沟小流域的治理又迎来了一个新高潮。未利用地得到进一步开发,林地面积进一步增加。

4.2 经济发展、人口增长的影响

经济、人口因素直接影响土地开发利用的方向、结构、规模、布局及效益。一方面,人口的增长加重了对耕地及建设用地的需求,这对 1954—1964年耕地面积的增加,1954—2008年居民点及工矿用地的不断增加产生了一定的影响;另一方面,随着改革开放和市场经济体制的深化,农民为追逐最大经济效益,调整农业生产结构,把目光转移到经济效益较高的果园、苗圃上,开始注重精耕细作,粮食单产得到提高,导致了一部分耕地面积的减少及园地面积的增加。

5 结论与讨论

1)研究区 1954—2008年 50多年间土地利用变化显著。林地面积大幅增加,未利用地面积大幅减少,牧草地、园地、居民点及工矿用地也有不同程度的增加;林地面积比例从 1954年的 0.38%增加到 2008年的 41.89%;未利用地面积比例从 1954年的 60.78%减少到 2008年的 13.20%;牧草地主要在 1954—1964年间有所增加;园地主要在 1980—2000年有所增加;耕地面积在 1954—1964年处于增长状态,之后耕地面积不断减少,但是 1964—1980年塬面条田面积增加迅速。

2)杨家沟小流域土地利用变化的主要方向为未利用地向林地的转化;耕地、牧草地、居民点及工矿用地面积的增加也主要来自未利用地的开发利用;园地主要由耕地转化而来。

3)影响杨家沟小流域土地利用变化的主要原因是水土保持政策变动、经济发展和人口增长等几大驱动因子的共同作用。未利用地减少与林地、牧草地增加的主要原因是自 1954年开始采取造林种草的水土保持政策;耕地减少和居民点及工矿用地的增加主要原因是经济发展及人口增长的压力;另外,塬面条田增加的主要原因是 1964—1980年采取的兴修水平条田的政策;园地增加主要原因是市场经济体制的转变。

杨家沟小流域经过 50多年的治理,林草面积大幅增长,土地利用结构趋于合理。杨家沟小流域土地利用结构调整之路可以为其他中小流域水土保持治理提供借鉴。另外,研究表明,杨家沟小流域园地、牧草地面积虽然有所增加,但所占比例仍然较低,建议进一步把水土保持治理与农民的收入结合起来,提高植被覆盖率的同时,提高土地生产力,增加农民的经济收入。

[1]徐庭灿,高荣乐,王答相.80年来黄土高原水土保持治理的发展与经验.水土保持通报,1994,14(4):12-17

[2]Turner B L,Skole D,Sanderson S.Land use and land cover change:Science/Research Plan.Stockholm and Geneva:International Geosphere Biosphere p togramme,IGBP Report NO 35.and HDPReport NO.7,1995

[3]Burnside N G,Sm ith R F.Recent historical land use change on the South Downs,United Kingdom.Environmental Conservation,2003,30(1):52-60

[4]张秋菊,傅博杰,陈利项,等.黄土丘陵沟壑区县域耕地变化驱动要素研究:以安塞县为例.水土保持学报,2003,17(4):146-152

[5]常庆瑞,刘京,杨勤科,等.基于 RS和 GIS的黄土丘陵沟壑区土地覆盖动态研究.应用生态学报,2003,14(12):2187-2190

[6]韩书成,谢永生,濮励杰.黄土高原沟壑区小流域土地利用特征变化分析.干旱区资源与环境,2006,20(4):73-77

[7]李志,刘文兆,杨勤科,等.黄土高塬沟壑区小流域土地利用变化及其生态效应分析.应用生态学报,2007,18(6):1299-1304

[8]刘斌,常文哲,许晓梅.杨家沟流域水土保持措施对产流产沙的影响.人民黄河,2008,30(11):79-81

[9]田杏芳,贾泽祥,刘斌,等.黄土高塬沟壑区典型小流域水土流失规律及水土保持治理效益分析研究.郑州:黄河水利出版社,2008:14-15

[10]崔永胜,栾元重,林庆元.青岛开发区土地利用/土地覆盖变化分析.测绘科学,2008,33(增刊):177-178

[11]邓云思,邓良基,郑华伟,等.什邡市土地利用动态变化及趋势预测分析.中资源开发与市场,2009,25(1):28-30

[12]王秀兰,包玉海.土地利用动态变化研究方法探讨.地理科学进展,1999,18(1):81-87

[13]Li Xiaoyan,Ma Yu jun,Xu Heye,et al.Impact of land use and land cover change on environmental degradation in lake Qinghai watershed,northeast Qinghai-tibet p lateau.Land Degradtion＆Development,2008,20:69-83

[14]王倩,刘学录.土地利用动态度的时间分异分析:以甘肃省为例.安徽农业科学,2009,37(6):2638-2640

[15]陈忠升,陈亚宁,李卫红,等.和田河流域土地利用变化及其生态环境效应分析.干旱区资源与环境,2009,23(3):49-54

[16]侯琳,任志远,陈广荣,等.鲁东南地区土地利用动态变化及其主要驱动因素分析.农业系统科学与综合研究,2009,25(1):124-128

[17]周兰萍,魏怀东,丁峰,等.1998—2005年石羊河流域土地利用/覆盖变化及其分析.水土保持通报,2009,29(1):169-173

[18]杨桄,卢珊,王宗明,等.基于遥感和 GIS的长岭县土地利用/覆被时空变化研究.吉林农业大学学报,2006,28(1):63-67

[19]张希彪,王鑫,刘彬,等.陇东黄土高原土地覆被变化的驱动力及生态环境效应.土壤通报,2006,37(4):696-700

Analysis of dynam ic changes and its driving forces of land use during the past 50 years in a typicalwatershed in the Loess Plateau gully area

Chen Panpan1,Bi Huaxing1,Chen Zhihan2,Yun Lei1,MaWenjing1

(1.College of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education,100083,Beijing;2.Xifeng Soil and Water Conservation Experimental Station,745000,Qingyang,Gansu:China)

Yangjiagou small watershed in Xifeng city of Gansu province was chosen as the study area,which had been taken comprehensivemeasures for erosion control during the past 50 years.Based on remote sense image interpreting and field survey approach,the land-use information of six different petiodswere gotten.Using these datas,the land-use dynamic changes in the past50 yearswere analyzed through land-use area changes and land-use transition probabilitymatrix.Results showed that:1)During the period of 1954 to 2008,the area of forest land was increased greatly and the area of unexploited land was lowered sharply.In addition,the area of grassland,garden land and communication land were increased in different degree;2)Themain changes of land-usewas unexploided land to forest land.In addition,the cultivated land,grassland,communication land were also main ly transformed from the unexploided land and the graden land was mainly transformed form the cultivated land;3)Policy changes,economic development and population growth played important driving roles in land-use changes.

land-use;dynamic change;driving force;Loess Plateau gully area;Yangjiagou small watershed

2009-05-20

2009-11-10

项目名称:国家重点基础研究发展计划项目(“973”项目)“水土流失综合调控原理与治理范式”(2007CB 407207)

陈攀攀(1985—),女,硕士研究生。主要研究方向:地理信息系统在水土保持中的应用。E-mail:zjfcchpp@163.com

†责任作者简介:毕华兴(1969—),男,教授。主要研究方向:地理信息系统在水土保持中的应用。E-mail:bhx@bjfu.edu.cn

(责任编辑:宋如华)