黄土高原丘陵沟壑区土地利用与水土保持措施的变化特征*

伍飞舟,杨卓,牛健植,张大伟,张晓明,陈月红

(1.北京林业大学水土保持学院教育部水土保持与荒漠化防治重点实验室,北京100083;2.中国水利水电科学研究院,北京 100038)

土地利用结构是指国民经济各部门(如农、林、牧、副、渔)及其内部用地的面积与比例关系,它反映了一个地区土地利用的合理性程度及其生产结构特点[1]。随着社会生产力的发展,人口的增加和人类活动范围的扩大,使得对土地不断增长的社会需求与土地资源的有限性、土地利用的不可逆转性之间的矛盾日益显著,严重限制了社会经济的高速发展。因此,研究土地利用结构变化对区域产业布局、土地合理利用具有指导意义[2-4]。

陈利顶等用航片解译和景观生态学的方法研究了陕北黄土丘陵区大南沟流域在20世纪70年代和90年代土地利用结构的特点和变化[5];崔晓奇等以临汾市为例,研究和探讨了黄土高原丘陵区土地利用变化与人地关系的演变[6];张晓明等以黄土高原第三副区桥子东、西沟流域为例,分析了土地利用变化的水文动态响应[7];但关于该地区流域的土地利用变化与水土保持措施之间关系的研究较少,本文针对这两者之间的关系进行了专门研究。

黄土高原丘陵沟壑区的甘肃省天水市罗玉沟流域及吕二沟流域处于农牧交错地区,大部分地区气候属于半湿润区,而农牧交错地区或半干旱地区土地利用结构的不合理是造成水土流失的原因之一,因此对黄土高原丘陵沟壑区典型流域土地利用结构变化进行研究,可以为生境脆弱地带土地资源的可持续利用、黄土高原丘陵沟壑区典型流域土地利用结构的优化、生态环境建设以及土地利用总体规划修编工作提供科学依据。

1 研究区概况

选择黄土高原丘陵沟壑区有代表性的罗玉沟流域和吕二沟流域为研究区。罗玉沟流域位于东经105°30′-105°45′,北纬 34°34′-34°40′;属黄河中游黄土丘陵沟壑区第三副区,是渭河一级支流藉河的一条支沟。主沟全长21.8 km,流域呈羽状,总面积72.79 km2。吕二沟流域属黄土丘陵沟壑区第三副区,是渭河一级支流藉河南岸的一条支流,流域面积12.01 km2,呈狭长形,似叶舟状。干沟长6 800 m,平均宽度1 830 m,海拔1 175～1707 m,相对高度532 m。流域内丘陵起伏,沟壑纵横,有大小支沟51条,沟壑密度 308 km/km2,平均比降 7.24%,其中坡面面积9.68 km2,占流域总面积的80.7%,大部分在5°～20°;沟壑2.33 km2,占 19.3%。20 世纪50-60年代是我国水土保持综合治理的典型流域。

2 研究方法

2.1 数据来源

研究所需数据来源于黄委会天水水土保持试验站罗玉沟、吕二沟两个试验流域1985年、1993年TM影像和2001年ETM+影像图、水土保持各项措施统计资料以及现有的水土保持监测网站上提供的统计资料。

2.2 研究方法

采用在某一时段内的变化贡献率、变化强度指数和土地利用动态度3项指标,进行时间尺度上的分析。

2.2.1 变化贡献率 变化贡献率是指某类土地利用变化面积占同期土地利用变化总面积的百分比,其计算式如(1)。

式中:Ai——研究时段内第i种土地利用类型的变化贡献率(%);Uai、Ubi——研究期初和期末第 i种土地利用类型的面积。

2.2.2 变化强度指数 变化强度指数是指某空间单元在研究时期内的土地利用变化面积占其土地总面积的百分比。即

式中:Ti——研究时段内第i种土地利用类型的变化强度(%);U ai、U bi——研究期初和期末第 i种土地利用类型的面积;B——总土地面积。

2.2.3 土地利用动态度 土地利用动态度可定量地描述区域土地利用变化强度,它对比较土地利用变化区域差异和预测未来土地利用变化趋势都具有重要作用。单一的土地利用动态度可表达区域一定时间范围内,某种土地利用类型的面积变化情况。

式中:Ki——研究时段内第i种土地利用类型的动态度(%);Uai、Ubi——研究期初和期末第i种土地利用类型的面积;T——研究时段长[8]。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构现状

在对罗玉沟、吕二沟两流域TM、ETM+影像解译的基础上,结合流域实测资料,得到罗玉沟和吕二沟3个时段的土地利用结构现状。从表1可知,罗玉沟流域是典型的农林复合流域,1986年坡耕地、梯田等农地占总面积的72.6%,而林草面积占总面积19.3%;2004年坡耕地、梯田等农地占总面积的下降到62.4%,而林草面积占总面积上升至31.8%,农林草的面积占流域面积的92%。1986-1995年罗玉沟流域土地利用变化面积最大是梯田、林地和坡耕地,其中梯田、林地面积分别增加了2 590.79 hm2和794.11 hm2,占到期间土地利用变化贡献率的38.44%和11.78%,而期间坡耕地面积下降了3 333.78 hm2,其变化贡献率达49.46%。1986—2004年灌木、草地、居民点、裸地等土地利用类型的变化微弱。由此可见,1986-2004年罗玉沟流域土地利用结构变化中起主导作用的是坡耕地向梯田、林地的转换,并且该过程主要发生在1986-1995年。

从表2可知,①1982-1989年吕二沟土地利用类型中面积增加的是裸地、林地、居民点和梯田,其中林地的增加量最大,面积减少的是草地、灌木和坡耕地,其中灌木减少的最大。②1989-2004年吕二沟土地利用类型中面积增加的是林地、居民点和坡耕地。其中林地的增加量最大。面积减少的是草地、灌木和梯田,其中草地减少得最大。以上结果反映出吕二沟土地利用结构变化中起主导作用的土地利用类型是林地、灌木和草地。

表1 1986-2004年罗玉沟流域土地利用结构变化

表2 1982-2004年吕二沟流域土地利用结构变化

表3 1982-1989年土地利用类型的单一土地利用动态度

表4 土地利用类型的单一土地利用动态度

3.2 土地利用的空间分布

表3为罗玉沟、吕二沟土地利用类型的单一土地利用动态度。由表3可知:罗玉沟坡耕地的减少幅度比较大,林地和梯田增加;裸地、草地、居民点和灌木年度变化都不大,没有超过1%;吕二沟灌木用地的减少幅度比较大,裸地、林地、居民点用地增加,其中居民点用地增加幅度比较大。

表4为1995-2004年罗玉沟,1989-2004吕二沟土地利用类型的单一土地利用动态度。由表4可知:罗玉沟坡坡耕地的减少幅度比较大,年递减率为1.26%,林地和居民点用地增加;林地、草地和梯田年度变化都不大,没有超过1%;吕二沟灌木用地的减少幅度比较大,年递减率为3.93%,林地、居民点和坡耕地增加,其中林地增加幅度比较大,年递增率为2.22%。

3.3 水土保持措施变化

3.3.1 罗玉沟流域水土保持措施变化 截止1983年底,罗玉沟水土保持措施结构中主要以梯田、川旱地措施和林果措施为主,人工草地措施为辅(表5)。罗玉沟流域水土保持初步治理面积为15.8 km2,占流域面积的21.7%,其中农田治理面积8.31 km2(梯田7.79 km2,川旱地0.49 km2),占耕地面积 42.77 km2的19.4%。造林面积6.79 km2,其中以刺槐为主的成林地3.27 km2,幼林地2.77 km2,经济果园0.72 km2,苗圃地 0.04 km2。种草面积0.67 km2。

对比罗玉沟流域1990年和2000年的水土保持措施结构可知,罗玉沟在这10 a当中将水土保持工程措施的重点放在修建水平梯田和地埂上面,涝池、谷坊、引洪漫地、沼泽地排水都有了明显的发展,河堤和简易公路的修建则表现为停滞不前。

表5 1983年底罗玉沟流域各项水土保持措施比例

表6 罗玉沟流域1990年与2000年水土保持工程措施对比

3.3.2 吕二沟流域水土保持措施变化 吕二沟流域从20世纪50年代初期开始进行治理,该时期的治理主要是修建地埂、涝池、造林,其余措施如人工种草等也在实行,但是效果不显著,这与当时的社会经济以及政策有关,表7为吕二沟流域1953-1958年治理情况。

表7 吕二沟流域1953-1958年水土保持措施情况

20世纪60年代吕二沟流域的水土保持措施结构呈现出以工程措施为主,其他措施为辅的势态。到了80年代,将水土保持措施的重点放在了修建梯田、林地和封坡育种上面,工程和林草措施在该时期的水土保持措施结构中占据了主导地位,果园、人工牧草的面积相对减少。表8为吕二沟流域1954-1989年各时段的林草措施分项统计面积。

3.4 土地利用与水土保持措施的变化关系

土地是人类赖以生存的基本条件,人类在土地上进行生产活动的同时,必须高度重视水土保持工作,并施以相应的科学、有效的保护措施,才能使土地资源得以永续利用。因此,在研究区域内的水土保持措施结构的变化也是随着土地利用结构变化而变化的[9]。

表8 吕二沟流域林草措施分项统计面积 hm2

罗玉沟流域和吕二沟流域近几十年来水土保持措施的工作重点都放在修梯田和造林上。同时,这两个流域的土地利用结构变化体也都体现在梯田面积和林地面积的显著增加。因此,可以很好地说明:土地利用结构变化与水土保持措施结构变化之间联系是密不可分的,彼此相互影响、相互制约。

3.5 土地利用变化驱动力分析

土地利用变化的驱动力由自然条件作用和社会经济发展两方面作用所组成。

3.5.1 自然因素 自然环境条件的驱动作用主要体现在地形的限制作用上,从遥感影像图上可以看出,居民点及工矿用地一般沿着河流两岸和交通便利的道路分布,耕地也是分布在居民区附近或地势平坦的地区,而林地则布满了研究区。因此,该流域的城镇建设用地及耕地的扩展明显地受到地形的限制。林地变化也与地形条件有关:海拔较高的林地由于人类的可及度差,人为活动影响较小;而山脚一些坡度较平缓的林地则受人类影响较大。由于短时期内的土地利用变化主要是社会经济因素的影响所致,自然因素的影响甚微,所以本研究主要考虑社会经济影响因子[10]。

3.5.2 人口因素 人口是社会经济中最重要的因素,也是最具活力的土地利用的驱动力。随着城镇化进程的加快,使得大量农村人口涌入城镇,建设用地的需求快速增加。然而,在土地总量有限的前提下,建设用地面积地增加必然会占用大量农地为代价。因此,人口因素在影响区域土地利用变化上,起到了至关重要的作用。

3.5.3 社会经济发展因素 经济发展是土地利用结构变化的主要驱动力。随着区域经济建设的发展,必然需要占用一定量的农用地,变成城镇及工矿用地和交通用地。相应地,在罗玉沟和吕二沟流域土地利用结构中,耕地等农用地的比重在下降,而居民点等建设用地的比重呈增长的趋势。

另外,受比较经济利益作用的影响,不同土地利用类型的产出效益的差异明显,因此在土地利用结构类型上就表现在农用地内部、农用地向非农建设用地转化等现象。近年来,由于农业生产成本的上升较快,而种粮收益明显减少,因此,农业地用途转移或者弃耕现象成为必然[11]。市场经济条件下,随着产业结构的调整与优化,引起土地资源在产业上重新分配,进而导致了土地利用结构的变化。

3.5.4 国家政策因素 在人为因素中,国家的方针政策对土地利用变化起着主导并且直接的作用,它通过地权制度、经营机制、价格制度等直接影响土地利用的结构。在不同的政治经济政策的影响之下,土地利用也发生明显的变化。

研究区域为我国生境较脆弱的地区,生态问题比较突出,因此,这里一直是我国政府大力投资进行重点治理的对象,尤其随着西部开发工程的实施,提出防治土地荒漠化、退耕还林还草、以小流域治理为重点的综合治理的政策措施,在土地利用变化上表现为一部分坡耕地和梯田转化为林地。

4 结论

(1)在研究时段内,罗玉沟流域林地和梯田的面积均有显著增加,坡耕地面积显著减少,其余土地类型面积变化不大,这与该流域采取以梯田、川旱地和林果为主、人工草地为辅的水土保持措施后出现的结果是一致的。

(2)吕二沟流域林地面积增加明显,而草地和灌木面积急剧萎缩,其他土地利用方式面积均有小幅变化。这与吕二沟流域修建梯田、林地和封坡育种的水土保持措施密不可分。

(3)在影响土地利用结构变化的各个驱动因子当中,社会经济因素对于土地利用变化的影响较大。由于人口的增加、经济的发展,以及社会政策、制度的改变,土地利用结构随之改变。研究区域内的水土保持措施随着区域内土地利用结构的变化而变化。

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