基于RS、GIS的内陆河小流域土地利用动态变化分析:以民乐县童子坝河流域为例

胡广录，王志洋，张济世

(兰州交通大学环境与市政工程学院，寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃兰州730070)

水土流失已成为全球性的环境问题，严重威胁着人类的生存与发展，是生态环境领域普遍关注的热点问题之一［1］。甘肃省张掖市民乐县童子坝河流域属我国第二大内陆河黑河水系，自20世纪80年代以来，受自然和人为因素的影响，流域上游林区的水资源涵养能力下降、地表水资源锐减、山地及山前平原的水力侵蚀和北部荒漠区的风力侵蚀逐年增加，严重威胁到流域中下游人民群众的生产和生活，影响经济建设和社会安全稳定。2000年9月，童子坝河流域水土流失综合治理工程被列为中央财政内专项资金水土流失治理项目，该工程分5年实施，主要建设内容有退耕还林(草)、梯(条)田建设、经济林建设、防风固沙林带建设、苗木培育基地建设、群井汇流工程建设和河道综合整治等［2］。项目实施后，累计治理水土流失面积122.73 km2，占水土流失面积的49.8%，植被覆盖度达到了23%，初步形成了工程措施、生物措施、农耕措施相结合，生态效益、经济效益、社会效益相协调的综合防治体系，对改善区域生态环境、防风固沙起到了积极的作用。

有关小流域综合治理的模式、经验、效益评价以及综合治理引起的土地利用结构变化等方面的研究国内外已有诸多文献报道，但涉及内陆河小流域的研究相对较少。童子坝河流域综合治理模式在内陆河小流域具有代表性和典型性［3］。为了全面科学地评价水土流失综合治理工程项目实施后，流域内土地利用结构的变化情况，本文以童子坝河流域为研究区域，在RS、GIS技术支持下，以2000年和2007年的遥感影像为信息源，并结合野外实地调查资料，对童子坝河流域的土地利用类型及其动态变化进行分析，旨在揭示水土流失综合治理工程项目的实施对童子坝河流域土地利用结构的影响，以期为内陆河小流域开展水土保持工作与合理规划利用土地资源提供科学依据。

1 研究区概况

民乐县位于河西走廊中段，南临祁连山，北靠戈壁荒滩。童子坝河流域地处民乐县境东部，地理坐标100°15'—101°02'E，37°59'—38°50'N。西与洪水河流域相邻，东与山丹县交界，南至祁连山峨博岭，北至东乐滩与甘州区接壤。流域地形南高北低，海拔在1589—5027 m，流域面积475.86 km2，水土流失面积246.5 km2。童子坝河流域的南部山区海拔在2800 m以上，为祁连山浅山区和低山丘陵区;中部地势平坦，气候冷凉，为农业耕作区;北部干旱少雨，为风蚀荒漠戈壁平原区。流域多年(1958—2007)平均降水量320 mm左右，年径流量为7375万m3，年蒸发量达1640 mm，年平均气温2～4℃，年均日照时数2932 h，平均风速2.8 m/s。总的气候特点是:光能丰富日照多，降水集中总量少，热量不足温差大，干旱冷冻常发生。童子坝河流域内有4个乡(镇)66个村7.2万人，耕地面积138.6 km2，适于粮油作物和林果生长。

2 研究方法

2.1 空间信息提取

以经过系统预处理和系统辐射校正的2000年(治理前)和2007年(治理后)的民乐县Landsat TM遥感影像作为信息源(轨道编号133/033，空间分辨率30 m×30 m)，其成像时间分别为当年6月中旬和7月上旬，此时植物生长旺盛，影像信息丰富，容易判读。先使用erdas8.6软件对遥感影像进行几何精校正，再以GPS实地调查结果作为斑块属性引导进行影像目视解译，目视解译用Arcview3.3完成，解译显示精度控制在1∶10000，然后在ArcGIS 9.0软件中完成矢量数据的拓扑，形成研究区的土地利用类型图，并用Excel 2003进行数据统计整理。按照我国土地利用分类体系和张掖市土地利用类型划分标准，考虑童子坝河流域土地利用现状和土地资源特点，将整个研究区的土地利用类型分为13类:丘陵旱地、平原旱地、有林地、疏林地、高盖度草地、中盖度草地、低盖度草地、水库坑塘、滩地、农村居民点、其他建设用地、戈壁和裸土地。根据本文的研究需要，将土地利用类型再重新合并为耕地(丘陵旱地、平原旱地)、林地(有林地、疏林地)、高盖度草地、中盖度草地、低盖度草地、水域(水库坑塘、滩地)、建设用地(农村居民点、其他建设用地)和未利用土地(戈壁和裸土地)8类(详见表1)。

表1 2000—2007年童子坝河流域土地利用结构动态变化

2.2 土地利用动态变化

土地利用变化的速度可以通过土地利用动态度来定量描述。单一土地利用类型动态度是指研究区域在一定时间间隔内土地利用类型面积的变化速度，可反映单一土地利用类型面积的年变化情况。其表达式为

式中:ua、ub分别为研究期初和研究期末某一种土地利用类型的数量;t为研究期时段长，当t设定为年时，k为研究时段内某种土地利用类型的年变化率。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构动态变化分析

区域土地利用类型的变化幅度主要体现在不同土地利用类型的面积总量变化上，可提供区域土地利用变化总态势和土地利用结构变化信息［4］。对童子坝河流域两期土地利用影像数据采用Excel 2003进行统计分析，其结果见表1。

由表1可知，童子坝河流域的土地利用类型主要以耕地、水域和低覆盖度草地为主，其次为未利用土地、建设用地、中覆盖度草地，而高覆盖度草地和林地所占比例则较小。从2000年9月开始，研究区连续5年实施了水土流失综合治理项目，土地利用结构也随之发生了显著变化。统计结果表明:2000—2007年童子坝河流域有6种土地利用类型的面积增加，2种土地利用类型的面积减少;面积增加的土地利用类型中，以中覆盖度草地面积的增加幅度尤为显著，净增加面积达10.183 km2，其后依次为水域、耕地、建设用地、高覆盖度草地，林地面积增加较小，只有0.619 km2;面积减少的土地利用类型中，未利用土地面积的减小幅度最为明显，面积减小23.994 km2，其次为低覆盖度草地，面积减小5.359 km2。

为了进一步分析综合治理项目实施前后童子坝河流域的土地利用动态变化情况，按照式(1)计算得出2000—2007年的土地利用动态度(见表1)。由表1可以看出:

(1)面积增加的6类土地利用类型中，中覆盖度草地的面积增加速度最快，年均增加率为9.349%，其次是高覆盖度草地、林地、建设用地和水域，耕地的面积年均增加率最小，只有0.300%。野外调查和相关统计资料显示，2000—2005年童子坝河流域通过实行围栏封育、退耕还草、植树造林、灌溉渠网改造、梯(条)田建设等工程措施，极大地改善了区域生态环境，提高了水资源的有效利用率。同时在夹心河滩实施的生态治理工程，杜绝了河道滩涂滥采乱挖砂石料现象;实施的生态移民工程，将上游山区自然条件艰苦地方的农牧民搬迁至中下游土地资源和水资源条件较好的地方定居，5年累计搬迁近700人。总之，这些措施的实施使童子坝河流域林地和中高覆盖度草地面积较综合治理前提高了63.4%，建设用地、河床水域面积有不同程度的扩大，中下游地区的耕地面积也有所增加。

(2)面积减小的2类土地利用类型中，未利用土地的面积减小速度最大，年均减少率为9.340%，其次是低覆盖度草地，为0.943%。童子坝河流域的未利用土地主要分布在北部滩至山丹县的东乐路，锯条山以西，国土局农场以东的荒漠戈壁，这一区域的植被以天然荒漠植被为主。2000年以前当地群众放牧、砍柴现象严重，致使荒漠植被趋于退化，出现了大量斑块状的沙化土地，直接威胁着绿洲灌区的农业生产和当地群众的生活。流域实施综合治理工程项目后，在这一区域主要采取了封育禁牧措施和防风固沙林带工程建设，至2005年共封育荒漠植被面积达4500 hm2，人工设置围栏35 km，荒漠植被出现恢复迹象，土地类型转变为低覆盖度草地。同时，通过对荒滩、裸地进行综合整治，一些相对平整、具备灌溉条件的未利用土地被开发为农耕地。加之在流域上游的浅山区也采取封育措施，使得原来已出现退化的低覆盖度草场恢复生机，转化为中或高覆盖度草地。因此，通过综合治理，童子坝河流域出现了未利用土地和低覆盖度草地面积减小的现象。

3.2 土地利用类型转移矩阵分析

不同土地利用类型之间的相互转化情况，可采用马尔可夫转移矩阵模型来进一步描述。马尔可夫模型在土地利用类型转化上的应用关键是确定土地利用类型间相互转化的转移概率矩阵［5］。本文利用ArcGIS软件的Arcinfo空间分析功能，对两期土地利用类型图进行叠加运算，得出2000—2007年童子坝河流域不同土地利用类型之间的转移概率矩阵(表2)。

表2 2000—2007年童子坝河流域土地利用类型的转移概率矩阵 %

由表2可以看出:

(1)建设用地、耕地和林地在童子坝河流域是相对稳定的土地利用类型，向其他土地利用类型的转移率分别只有10.62%、23.12%、23.52%。究其原因，建设用地的转移主要发生在上游偏僻山区搬迁的居民点用地和影响河道行洪安全的河滩砂石料场用地，这些建设用地通过生态移民和河道滩涂综合治理之后，被合理转化为低覆盖度草地和宜农的农耕地。耕地是当地群众的口粮田，在综合治理之前流域内陡坡开垦、弃耕撂荒现象严重，冲洪积形成的河漫滩上围滩造田致使滩涂植被破坏、河道变窄、流路散乱;实施综合治理措施期间，将造成严重水土流失的部分坡耕地退耕还林还草，清除夹心河滩和边滩上的农田，疏浚河道，一些不宜农耕的农田转化为宜林宜牧的林草地或河道水域，恢复了流域生态景观，有效防治了水土流失。童子坝河流域在综合治理期间人口增长幅度不大，居民点建设用地、道路和其他工矿企业建设用地规模相对较小，但为了改善农村居住环境和区域交通条件，提高流域内群众的经济水平，一些农耕地又被转移为居民点用地、交通和乡镇企业建设用地。林地主要分布在中游19.8 km的河道滩涂上，由于河道滩涂经常受洪水浸漫，地下水位较高，水分条件较好，生长着一些落叶灌木和乔木树种，通过河道疏浚和河堤整治工程的实施，滩涂上的一些稀疏林地主要转变为水域类型。

(2)未利用土地和中覆盖度草地向其他土地利用类型转移的比例相对较大，分别达60.82%和56.36%。封禁措施的实施使部分荒滩裸地转化为草地，还有部分荒地随着绿洲扩大而耕垦为绿洲灌溉农田。野外调查发现，童子坝河流域的中覆盖度草地主要分布在南部浅山区和中游河道两岸，这些地方适宜梯(条)田建设，从而导致部分中覆盖度草地转变为旱地或灌溉农田;至于中覆盖度草地转移为低覆盖度草地，这可能与流域综合治理结束后(2005—2007年)的管护措施不到位有关，也可能与2007年春季气候干燥、降水量和径流量偏少有关。分析童子坝河流域降水、径流资料可知，1985—2007年平均降水量、径流量分别为351 mm、6924万m3，而2007年的降水量、径流量分别为326 mm、6615万m3，较平均值偏少。说明中覆盖度草地景观类型在童子坝河流域是比较脆弱的，稳定性较差，极易受自然和人为因素的影响，应当加大保护力度，防止逆转退化。

(3)其他土地类型转向林地的比例最小，只占0.65%。这与该流域的自然条件有关，北部荒漠区干旱少雨、多风，南部浅山区温差大、低温冻害天气多，中部主要是灌溉农田，人多地少，不适宜发展林果业，所以童子坝河流域宜林地较少，全流域主要以农牧业生产为主。林地面积增加的主要原因是在河岸种植了护岸林带、在浅山缓坡区实施了退耕还林、在北部荒漠区栽植了防风固沙林带，但面积增加较少，只有0.619 km2。

4 结论

童子坝河流域在综合治理(2000—2005年)和自然恢复(2005—2007年)期间，不同土地利用类型的面积出现了增减变化。中覆盖度草地面积年均增加率最大，为9.349%，其次是高覆盖度草地、林地、建设用地、水域，耕地面积年均增加率最小，为0.300%。未利用土地和低覆盖度草地的面积呈减小趋势，年均减少率分别为9.340%和0.943%。低覆盖度草地面积减小的原因主要是流转为其他土地类型。

对土地利用类型转移矩阵的分析表明，童子坝河流域的土地利用类型之间发生了不同程度的转移，其中未利用土地和中覆盖度草地向其他土地利用类型转移的比例较大，分别达60.82%和56.36%，而建设用地、耕地和林地在童子坝河流域是相对稳定的土地利用类型，向其他土地利用类型转移的比例分别只有 10.62%、23.12%和 23.52%。

经过综合治理和自然恢复，童子坝河流域内的土地利用结构趋于合理，生态环境有了一定程度的改善。但受制于治理经费和时间的影响，流域内的土地利用结构调整尚有潜力可挖，生态效益尚未完全体现出来，建议地方政府和相关业务部门积极争取治理经费，继续实施童子坝河流域二期综合治理工程。

［1］邱扬，傅伯杰.异质景观中水土流失的空间变异与尺度变异［J］.生态学报，2004，24(2):332 －334.

［2］夏彪，陈俊，雷香莲.民乐县内陆河小流域水土流失综合治理思路与创新模式研究［J］.甘肃水利水电技术，2008，44(5):346－347.

［3］胡广录，赵文智，刘鹄，等.内陆河小流域综合治理对景观格局的影响——以童子坝河流域为例［J］.中国沙漠，2010，30(6):1398 －1404.

［4］李喆，马润赓.云南丽江地区土地利用变化的遥感检测与分析［C］//中国土地学会.2006年中国土地学会学术年会论文集.重庆:地质出版社，2007:622－627.

［5］王莉，卫海燕，凤鹏，等.基于遥感影像的西安地区土地利用变化分析［J］.资源开发与市场，2010，26(7):589 －592.