黄土高原藉河流域近35年来土地利用/覆被变化过程

李庆云，吕素冰，刘 蕾，余新晓，樊 巍

(1.华北水利水电大学，河南 郑州450045;2.北京林业大学，北京100083;3.河南省林业科学研究院，河南 郑州450008)

土地利用/覆被变化(Land Use / Land Cover Change，LUCC)已被列为“国际地圈生物圈计划(International Geosphere-Biosphere Program，IGBP)”的核心项目，成为全球环境变化研究中的活跃领域之一［1］.土地利用/覆被变化代表了一种人为的“系统干扰”，蕴含着大量人类活动信息，因此对于揭示流域人－地关系演变规律有重要意义［2］. 黄土高原地处半湿润半干旱地区向干旱地区过渡地带，气候干旱，水资源短缺，植被稀疏，水土流失尤为严重，是我国陆地生态系统的脆弱区和敏感区.近些年来，随着退耕还林还草工程及各项水土保持工程的实施，对该区土地利用结构产生了显著影响，改变了区域覆被格局，同时对水文水资源产生了极大影响，引起众多学者的关注. 例如，温仲明等［3］对黄土丘陵区纸坊沟流域60 a 的土地利用变化情况进行了分析，认为土地利用格局的变化与人类活动的干扰密切相关;赵东波等［4］对陕北黄土高原近30 a 土地利用动态的分析表明，耕地和草地面积不断减少，而林地和居民地大幅度增加. 由于流域的时空尺度存在差异及研究方法的不同，不同研究的结果也有很大差异.

笔者以黄土丘陵沟壑区中尺度流域为研究区，分析其自1975年以来土地利用的类型构成、变化方向、变化速度等，揭示该区域土地利用/覆被的时空变化规律.

1 研究区概况

藉河流域地处秦岭山地北麓、陇西黄土高原南缘地带，属黄土丘陵沟壑区第三副区，是渭河中上游的一级支流，位于甘肃省天水市. 该流域控制面积1 019 km2，地 处 105° 07' 50″—106° 00' 45″ E，34°20'19″—34°38'59″ N，海拔为1 069 ～2 700 m.研究区属暖温带、半湿润、半干旱的过渡地带，年均气温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. 流域主要分布的土类为褐土、黄绵土、冲积土、棕壤、红黏土等，其中褐土是该流域典型地带性土壤. 流域中上游主要分布着林地、草地，中下游主要是耕地，主要农作物有小麦、玉米、马铃薯. 植被以侧柏(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabulaeformis)、旱柳(Salix malsuclama Roidz)、白榆(Uemus Pumila)等为主.

2 研究基础与方法

2.1 研究基础

选取天水市藉河流域范围作为研究区域，基于流域1975年的Landsat MSS 影像、1990 Landsat TM遥感影像、2000年ETM+影像和2008年的SPOT 影像，运用ERDAS IMAGINE 软件进行自动分类和ArcGIS 的空间分析功能，同时结合流域实测资料，最后得到藉河流域1975年，1990年，2000年和2008年4 个时段的土地利用/覆被情况.

结合研究区的覆被特征、利用方式以及黄土丘陵沟壑区土地利用情况等，根据人类活动对流域土地的利用方式和程度的影响，并考虑不同土地类型功能的差别，将流域土地利用类型划分为:坡耕地、梯田、林地、草地、水域、居民用地和未利用地七大类.

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵可以全面又具体地表现区域土地利用变化特征和各土地利用类型之间的流向，可以定量说明各类型之间相互转化状况，更好地了解土地利用时空演变过程［5］.利用ArcMap 里的Dissolve 工具，对4 期土地利用情况进行融合，使相同利用类型的记录合为一个记录，以提高计算速度;然后借助GIS 空间分析工具下的叠加功能，计算各类型的保留面积和转化面积，便得到土地利用变化转移矩阵.

2.2.2 土地利用动态度

土地利用动态度可以定量描述流域土地利用变化的速度.这里采用区域综合土地利用变化度、单一土地利用变化动态度来分析藉河流域土地利用变化速度.

区域综合土地利用动态度(LC)计算公式为

式中:Ai为研究初期第i 类土地利用面积;ΔAi－j是研究时段内第i 类土地利用转为其他类型面积(非第i类)的绝对值;T 为研究的时段长，a.

单一土地利用类型动态变化速度(K)的计算公式为

式中Ua，Ub分别为研究初期和研究末期某种土地利用的面积.

3 结果分析

3.1 各时期土地利用/覆被类型的构成

通过数据预处理和ArcGIS 的空间分析，得到藉河流域不同时期的土地利用类型构成，见表1.可以看出，流域1975年土地利用以坡耕地和草地为主，二者占总面积的近80%，梯田只有较少的零散分布，林地面积116.6 km2，远比草地少.到1990年土地利用发生了很大变化，坡耕地急剧减少而水平梯田大面积增加，林地面积略有下降，草地则略显增加，该时期梯田面积占流域面积的32.3%，坡耕地面积比例由1975年的40% 下降至1990年的13.7%.

表1 流域各时期土地利用/覆被类型面积 km2

随着退耕还林还草工程的实施，坡耕地继续明显减少，林地、草地覆盖面积有一定增加，梯田略有增加.具体而言，2000年以来流域林草面积占54%左右，比20世纪90年代以前明显提高;至2008年，坡耕地仅占全流域的9%，而梯田则占34%，梯田、林地和草地占流域面积的87.8%，是藉河流域土地利用的主体.水域和未利用地面积近几十年几乎无变化，不过20世纪90年代以后流域水体面积减少明显.居民地也保持比较稳定的面积，2000年后有一定的增加.

3.2 土地利用/覆被变化方向

土地利用变化方向主要指一个时期内不同土地利用/覆被类型间的相互转化，反映了它的时空演变过程.这种过程可以用土地利用转移矩阵来分析，即分析1975—1990年、1990—2000年、2000—2008年以及1975—2008年整个研究期间的转移情况.由于流域土地利用/覆被最显著的变化发生在1975—1990年期间，且限于篇幅，这里仅列出1975—1990年、1975—2008年的转移矩阵，分别见表2和表3.可以看出，不同时期各土地利用/覆被变化有一定的相似之处，主要流向比较一致. 从1975—1990年间的转移矩阵看(表2)，主要是大量的坡耕地转为梯田，其次是草地，坡耕地的转出概率为78.8%，其中71.6%转为梯田，转出面积达291.74 km2，6.2%转为草地，其余少量转为居民用地;林地变化不大，转出概率仅为6.1%，主要流向草地和梯田;草地转出概率和林地基本相近，为6.6%，主要流向梯田、坡耕地和林地;梯田在这个时期也发生了一些转变，主要转出为草地，居民地和水域等几乎没有变化.

表2 流域1975—1990年土地利用变化转移矩阵 km2

表3为藉河流域在整个研究期内各土地利用类型间的转移变化. 坡耕地在近35年内大量减少，转出近350 km2，转出概率达85.7%，其中74.5%转为梯田，8%转为草地;林地整体上变化不大，草地向林地和梯田有一定数量的转移，而梯田向林、草地也有一定的转出.因此研究期内发生显著变化的土地利用/覆被类型主要是坡耕地、梯田和林地，草地发生转移的概率较小.

表3 流域1975—2008年土地利用变化转移矩阵 km2

3.3 土地利用/覆被变化速度

由公式(1)计算流域不同时期综合土地利用动态度，得1975—1990年、1990—2000年、2000—2008年间土地利用年变化率分别为1. 33%，0. 44%，0.15%.显然，第一阶段变化速度最高，说明土地利用/覆被在数量和方向上发生了很大变化，之后变化速度减小.计算得1975—2008年整个研究期间的年综合土地利用变化速度为0.65%.1975—1990年间的变化速度远大于整个研究期间的综合变化速度，说明流域土地利用变化主要发生在研究初期.

藉河流域不同时期单一土地利用类型的动态变化分析结果见表4. 可以看出，坡耕地的变化很大，面积呈现持续下降趋势，其中1975—1990年间减少最多，变化速度为－4.38%;梯田面积年增长率最大，达26.48%.林地在20世纪90年代以后保持增长趋势，草地在流域内的分布最大，但变化趋势并不明显，2000年之前呈现略增趋势，之后又略有减少.居民地面积在研究后期有比较明显的增长，年增长率1 %左右，水域面积变化速度较大，下降比较明显.综上可见，1975—1990年间是流域土地利用/覆被发生显著变化的时期，主要表现在坡耕地明显减少而梯田大面积增加.

表4 流域各时期单一土地利用类型动态变化 %

4 结 论

坡耕地改梯田工程是治理黄土高原水土流失的有效工程措施，该区域在20世纪80年代开始实施大规模的坡改梯水土保持工程，各流域内出现连片梯田，改善了农业生产条件，同时提高了农田蓄水拦沙能力.藉河流域亦是如此，也是其发生土地利用变化的主要原因.笔者通过该流域4 期土地利用/覆被信息，分析过去近35年土地利用的时空变化，主要结论如下.

1)藉河流域近几十年来土地利用/覆被结构发生了很大变化.1975—1990年期间，坡耕地急剧减少，而梯田面积大量增加，土地利用类型由坡耕地和草地逐渐转变为以梯田和草地为主，林地和其他利用类型变化不大;1990年以来，坡耕地继续保持下降趋势，随着退耕还林还草工程的实施，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%，而坡耕地仅占9.1%.

2)应用土地利用转移矩阵分析流域土地利用/覆被的变化方向，结果表明类型间的转移主要是坡耕地流向梯田和草地. 在1975—1990年期间，坡耕地的转出概率达78.8%;在1975—2008年期间，依然是以坡耕地流向梯田和草地为主，草地向林地和梯田也有一定数量的转移.

3)1975—1990年、1990—2000年、2000—2008年、1975—2008年间土地利用年变化率分别为1.33%，0.44%，0.15%和0.65%. 第一个阶段的变化速度最大，也明显大于整个研究时期的变化速度.对于单一土地利用类型而言，坡耕地面积呈现持续下降趋势，而梯田在1975—1990年间保持26.48%的增长速度，林地和草地均有一定程度的增加.

［1］倪绍祥.土地利用/覆被变化研究的几个问题［J］.自然资源学报，2005，20(6):932－937.

［2］杨桂山.土地利用/覆被变化与区域经济发展:长江三角洲近50年耕地数量变化研究的启示［J］.地理学报，2004，59(S1):41－46.

［3］温仲明，焦峰，张晓萍，等.黄土丘陵区纸坊沟流域60年来土地利用格局变化研究［J］.水土保持学报，2004，18(5):125－128.

［4］赵东波，梁伟，杨勤科，等.陕北黄土丘陵区近30年来土地利用动态变化分析［J］.水土保持通报，2008，28(2):22－26.

［5］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［J］. 水土保持通报，2009，29(1):169－173.