清水河流域1978—2010年土地利用变化时空特征

周秋文，韦小茶，许幼霞，周旭，张继，梁建方

(贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001)



清水河流域1978—2010年土地利用变化时空特征

周秋文，韦小茶，许幼霞，周旭，张继，梁建方

(贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001)

通过对1978年、1998年和2010年3期遥感影像目视解译获得3期土地利用数据，分析清水河流域1978-2010年土地利用变化时空特征。研究表明：清水河流域1978-2010年期间，农用地、难利用地面积持续减少，林地、建设用地面积持续增加，草地面积先有所减少后增多，除林地以外其它土地类型变化幅度后期都较前期大；流域土地利用转移方向主要是农用地转为低、中、高覆盖度草地、林地和建设用地，中覆盖度草地转为低、高覆盖度草地和林地，低覆盖度草地转为中、高覆盖度草地、林地。结果表明，近年来清水河流域水土保持措施效果明显。

土地利用；水土保持；遥感；时空特征；清水河流域

土地利用/覆盖变化是人类活动和自然相互作用的结果，成为全球变化研究中的核心课题之一[1-2]，研究区域土地利用变化对区域可持续发展有重要意义[3]。黄土高原是我国乃至世界上水土流失最严重、生态环境最脆弱的地区[4-5]。清水河流域属黄土高原丘陵沟壑区，地形破碎、水资源短缺，长年干旱多风沙、植被稀疏、水土流失严重等生态环境问题尤其突出。在2000年国家实施“西部大开发”战略、1997年西部地区“山川秀美”和1999年全国“退耕还林还草”等工程启动并实施以来，清水河流域开展水土保持和兴修水利工程，土地利用格局发生重大变化。

目前对清水河流域的研究主要有以下几个方面：宁夏清水河流域水资源评价分析[6]；宁夏清水河流域干旱演变特征分析[7]；宁夏清水河流域黄土湿陷性规律分析[8]；宁夏固原市原州区清水河地表及地下水资源量[9]；扬黄灌溉对宁夏清水河流域下游水资源影响分析[10]；宁夏清水河扬水灌区灌溉回归水初步分析[11]。在土地利用变化方面，常文哲等对清水河流域进行土地利用现状分析[12]。以上研究多是对清水河流域水资源的分析研究，未见有对该流域长时间段序列土地利用变化时空特征的分析研究。因此本文利用1978年、1998年和2010年3期遥感影像数据，采用人机交互图像处理方法获取1978年、1998年和2010年土地利用数据，从土地利用变化速度和转移方向方面，系统分析清水河流域1978-2010年土地利用变化规律和空间分布格局，以期为流域生态环境建设、水土保持效果评价等方面提供一定的参考信息。

1　研究区概况

研究区为宁夏清水河同心县城以上区域。清水河流域位于宁夏回族自治区南部，海拔1 318～2 936 m，属于黄土丘陵沟壑区(见图1)。清水河发源于六盘山东麓开城乡境内的黑刺沟脑，向北流经固原、海原、同心、中宁等县，在中卫的泉眼山西侧注入黄河，长320 km，是宁夏境内流入黄河最大、最长的支流。流域天然植被以干草原类型为主，人工植被以粮食作物和经济作物为主，林果类较少，是宁夏南部的重要农耕地带，山上草木难生，植被稀疏，水土流失严重，全流域平均泥沙侵蚀模数达到3 410 t/km2。生态环境及其脆弱，常发生干旱、风沙、冰雹、地震、苦水和水土流失等自然灾害。

图1　清水河流域地理位置及高程

2　数据与研究方法

2.1数据来源

研究选取1978年、1998年和2010年3期landsat5多光谱遥感影像，选用432的波段组合进行假彩色图像合成。采用ENVI遥感影像处理软件对获取影像进行几何校正、辐射定标、大气纠正等预处理[13-14]。参照中国科学院土地分类系统，根据研究需要将研究区的土地分为6类一级地类和11类二级地类。利用Arcgis10.2软件进行人机交互图目视解译，得到1978年、1998年和2010年3期土地利用图，解译结果用Google Earth高空间分辨率遥感影像验证，证实解译精度较高，符合研究需要。

2.2研究方法

2.2.1土地利用动态变化

采用变化量和变化幅度两个指标对土地变化的数量和变化率进行定量分析，土地利用变化量指某种土地利用类型在前后两个时期内的面积数量变化的大小，土地利用变化率指某种土地利用类型的变化量占其在研究初期面积的比率，反映土地利用类型变化的剧烈程度[15]。具体的数学表达式为

(1)

(2)

式中：Sa,Sb分别表示研究初期和末期某种土地利用类型的面积数量；ΔS，K分别表示研究时段内某种土地利用类型的变化量和变化率。

2.2.2土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是土地利用类型间相互转化的数量和方向定量研究的主要方法，它能够具体的反映土地利用变化的结构特征和各类型间的转移方向[1]。具体的数学表达式为

(3)

式中：Sij表示研究初期第i类土地转化为研究末期第j类土地的面积；i为第一时期土地利用类型；j为第二时期土地利用类型；n为土地利用类型的数量。

3　结果与分析

3.1土地利用结构及其变化

根据清水河流域1978年、1998年和2010年3期土地利用图的统计结果(见表1)可以看出，该流域的土地类型以农用地、草地和林地为主，3种土地利用类型面积之和占流域总面积的比例在3个时期分别为97.0%、96.9%、97.0%，总体变化不大。农用地面积所占流域总面积在1978年、1998年和2010年3期的比例依次为43.7%、42.0%、39.5%，所占比例呈持续下降趋势。林地所占比例持续上升，依次为6.4%、8.1%、9.3%。草地(高、中和低覆盖度草地之和)所占比例依次为46.9%、46，8%、48.1%，所占比例先有所下降后上升。难利用地依次为1.0%、0.9%、0.8%，所占比例持续下降。建设用地依次为1.25%、1.41%、1.63%，所占比例呈现持续上升趋势，水域所占比例则先上升后下降。

表1　清水河流域1978—2010年土地利用结构

3.2土地利用动态变化

结合表2、图2可以看出，清水河流域土地利用类型变化有以下主要特点：从变化量上看，1978—1998年时间段内农用地、林地、中、高覆盖度草地的变化量较大，农用地减少206.1km2，林地增加207.5km2，中覆盖度草地增加100.7km2，低覆盖度草地减少112.6km2，其它土地类型变化量相对较少。1998—2010年时间段内中覆盖度草地增加562.0km2，低覆盖度草地减少550.0km2,农用地减少305.8km2，林地和高覆盖度草地变化量分别增加147.0km2、153.0km2，其它土地类型变化量不明显。两个时期中覆盖度草地总增加662.8km2，低覆盖度草地和农用地总的分别减少662.6km2、511.9km2；从变化率上看，两个时期内高覆盖度草地变化率最大，先增加2.4%，后增加234.1%，后期基本上为前期的100倍。林地、中覆盖度草地和建设用地的变化率较大，林地先增加26.5%，后增加14.82%，总增加41.3%，中覆盖度草地先增加4.7%，后增加25.2%，总增加29.9%，后期基本上是前期的6倍。建设用地变化率持续增加，先增加13.3%，再增加15.3%，总增加28.6%，农用地、低覆盖度草地和难用地变化率持续下降，农用地分别减少3.9%、6.0%，低覆盖度草地先减少3.2%，再减少17.0%，后期基本上是前期的5倍。难利用地先减少10.0%，后减少15.2%。水域变化率在前期为0.8%，后期17.0%。除林地以外其它土地利用类型在1998—2010年变化幅度都较1978—1998年大。

表2　清水河流域不同时期土地利用类型变化量与变化率

综合土地利用变化量和变化率的情况分析，清水河流域1978-2010年22年间农用地、难利用地面积持续减少，林地、建设用地面积持续增加，林地增加的总面积高达354.5km2，草地面积先有所减少后增多，总增加154.8km2，除林地以外其它土地类型变化幅度后期都较前期大，但林地占流域总面积比例也逐渐变大，说明该流域1978—2010年土地利用格局发生重大变化，城镇化水平提高，水土保持措施增强，效果明显，流域生态环境有很大改善，对国家生态修复政策的实施效果有很好的响应。

图2　清水河流域不同时期土地利用类型变化量与变化率

3.3土地转移矩阵

利用GIS空间分析和EXCEL统计得到清水河流域1978—1998年和1998—2010年的土地利用空间转移方向如表3、表4和图3所示。结合表3和图3可以看出，1978—1998年农用地转化的总面积最大，高达290.3km2,主要转为林地、低、中覆盖度草地，转化面积分别为103.3km2、95.7m2、66.4km2，变化主要分布在流域的东北部、固原市和海原市周边。中覆盖度草地主要转为林地和低覆盖度草地，转化面积分别为63.1km2、110.0km2，主要分布在海原市的北部、固原市的南部和流域的东部有少量分布。低覆盖度草地主要转为农用地、林地和中覆盖度草地，转化的面积分别为76.1km2、38.4km2、212.1km2，低覆盖度草地的转化主要分布在流域的西南部，东部有少量分布。难利用地主要转为低覆盖度草地，面积为9.1km2。林地、高覆盖草地、水域、和建设用地转化不明显。

表3　清水河流域1978—1998年土地利用转移矩阵　km2

注：表格中的空格，表示土地利用转移量为零，下同

结合表4和图3可以看出，1998—2010年土地利用类型转移主要是低覆盖度草地和农用地的转化，转化的总面积分别为665.2km2、343.9km2。低覆盖度草地主要转为农用地、林地、中、高覆盖度草地，面积分别为15.7km2、29.0km2、539.1km2、70.0km2，变化的区域主要分布在流域的中下游地区，海原市的南部、固原市的西北部。农用地转为中覆盖度草地的面积最多，高达166.7km2，其次主要转为低、高覆盖度草地、林地和建设用地，面积分别为84.4km2、37.5km2、28.5km225.6km2。主要分布在流域的中上游。中覆盖度草地主要转为林地和高覆盖度草地，分别为87.3km2、54.3km2，主要分布在流域的西南部。林地、高覆盖度草地、水域、建设用地和难利用地转化不明显。

土地利用转移特征主要表现为：清水河流域1978—1998年和1998—2010年两个时间段内土地利用转移方向主要是农用地转为低、中、高覆盖度草地、林地和建设用地，中覆盖度草地转为低、高覆盖度草地和林地，低覆盖度草地转为中、高覆盖度草地、林地和农用地，主要分布在流域中下游，固原市和海原市地区变化较明显，林地、高覆盖度草地、建设用地、水域和难利用地转化不太明显，1998—2010年中覆盖度草地转为高覆盖度草地、林地和低覆盖度草地转为中、高、林地较明显。1978—1998年有76.1km2的低覆盖度草地转为农用地和110.0km2的中覆盖度草地转为低覆盖度草地，1998—2010年有15.1km2的低覆盖度草地转为农用地，分析其原因可能是该时期人口压力较大，用地紧张，人们为了满足生活需求和追求经济利益，有局部地区的低覆盖度草地被开垦转为农用地，大量放牧破坏草地，使草地退化。

表4　清水河流域1998—2010年土地利用转移矩阵　km2

图3　清水河流域1978—1998年和1998—2010年土地利用变化空间分布

4　结论

通过对1978年、1998年和2010年3期遥感影像进行非监督分类和目视解译相结合的方法获得的土地利用数据，分析清水河流域1978—2010年土地利用变化时空特征。

1)清水河流域1978—2010年的土地利用类型以农用地、林地、草地为主，3种土地利用类型面积之和占流域总面积的比例在3个时期分别为97.0%、96.9%、97.0%，总体变化不大。

2)清水河流域1978-2010年农用地、难利用地面积持续减少，林地、建设用地面积持续增加，草地面积总体增多，除林地以外其它土地类型变化幅度后期都较前期大。2000年国家实施“西部大开发”战略、1999年底实施“退耕还林还草”和西部地区“山川秀美”工程等生态修复政策后，清水河流域水土保持措施增强，效果明显，流域生态环境有很大改善，土地利用格局发生重大变化，城镇化水平提高，对国家生态修复政策的实施效果有很好的响应。

3)清水河流域1978—1998年和1998—2010年土地利用转移方向主要是农用地转为低、中、高覆盖度草地、林地和建设用地，中覆盖度草地转为低、高覆盖度草地和林地，低覆盖度草地转为中、高覆盖度草地、林地和农用地，主要分布在流域中下游地区，流域的南部和东部变化较明显。

4)通过研究可知，清水河流域1978—1998年和1978—2010年都有较大面积的低覆盖度草地转为农用地，且林地占流域总面积比例不大。难利用地被利用的面积也很少，一直占流域总面积的较大比例，可作为林草地开发利用的后备资源。建议在将来的水土保持工作中，创造条件，充分开发利用难利用地，提高土地利用率，并增加林地面积的数量，还要增强草地的保护力度，减少草地被开垦为农用地或因过度放牧而被占用和退化的现象发生，增加流域植被覆盖度，生态环境将得到进一步改善。

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[责任编辑：张德福]

Spatial-temporal characteristics of land use changes in Qingshui River basin from 1978 to 2010

ZHOU Qiuwen，WEI Xiaocha, XU Youxia, ZHOU Xu, ZHANG Ji, LIANG Jianfang

(School of Geographic and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang 550001,China)

Land use data of three periods are interpreted from remote sensing images in 1978, 1998 and 2010, and the spatial and temporal variation of land use in QingShui basin is analyzed. The results show that: (a) the area of arable and unused land keeps on decreasing, while forest and construction land keeps on increasing. The area of grassland decreases firstly and then gradually increases. Except for the forest land, the variation rates of all the other land use during 1998-2010 were higher than 1978-1998. (a) From 1978 to 2010, the directions of land use change in Qingshui basin have been mainly as follows: cultivated land mainly converts to low, middle, high coverage grassland, forest and building land; middle coverage grassland converts to low, high coverage grassland and forest land; and low coverage grassland converts to middle, high coverage grassland, forest and cultivated land.Results show the soil and water conservation in Qingshui Rive remains effective.

land use; soil and water conservation; remote sensing; spatial-temporal characteristics; Qingshui River

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.11.003

2016-04-13

国家“十二五”科技支撑计划课题(2012BAB02B00)；贵州省科学技术基金(黔科合J字[2015]2118号)；贵州师范大学博士科研启动基金

周秋文(1986-)，男，副教授，博士.

TP753

A

1006-7949(2016)11-0012-06