肃南裕固族自治县土地利用时空结构分析

唐小娟，崔 静，王以兵，丁 林

（1.甘肃省水利科学研究院，兰州730000；2.中国灌溉排水发展中心，北京100054）

0 引 言

祁连山脉是我国高原生态安全屏障的重要组成部分，长期以来由于受大气环境和人为因素的影响，生态环境不断恶化。甘肃肃南裕固族自治县（肃南县）属于国家祁连山冰川与水源涵养生态功能区，研究其土地利用/覆被变化能够直接反映陆表物质循环、资源利用、生态环境状况，亦能间接反映生物圈内部以及生物圈与大气圈、水圈、岩土圈的互馈过程，从而为祁连山脉生态环境保护和治理提供参考［1，2］。1995年国际地圈生物圈计划（IGBP）和全球环境变化人文因素计划（IHDP）将土地利用/覆被的变化特征与原因以及土地利用/土地覆被与驱动力的相关关系列为核心内容［3-5］。随着研究的深入，有关土地利用/覆被的研究逐渐扩展为土地利用/土地覆被变化机理、过程演变、可持续利用以及模拟预测等方面，尤其关于土地利用/覆被数量与空间分布特征研究、结构预测、结构优化的研究备受关注［6-12］。

生态环境状况是自然因素和人类活动耦合作用的结果，土地利用/覆被是人类活动的具体体现，土地利用/覆被时空结构的研究可为解析人类活动对生态环境的影响提供参考［13-16］。本文分析了1985-2015年间肃南县土地利用/覆被的时空结构变化和转化过程，研究了土地利用/覆被对坡度和流域的响应关系，揭示了人类活动对土地利用/覆被的影响过程，可为肃南县土地资源和生态环境的可持续发展提供参考。

1 研究区概况及方法

1.1 研究区概况

肃南县位于N 37°28′～39°04′与E 97°20′～102°13′之间，河西走廊中部，祁连山北面。该县东西长650 km，南北宽约120～200 km，平均海拔3 200 m，地形狭长、地势变化明显、地貌形态复杂。境内分布有13 个流域（总面积达2.15 万km2），冰川964条，大小河流33条，年径流量为43 亿m3，黑河、石羊河、疏勒河三大内陆河及其支流流经或发源于此，是中国西部重要的生态安全屏障和黄河流域重要的水源产流地，也是我国生物多样性保护优先区域［17］。区域内的坡度和流域分布分别见图1和图2。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源与处理

本研究采用的数据源主要包括1985、1995、2005、2015年的Landsat TM 卫星影像（空间分辨率为30 m），1∶10 万地形图和1999-2009年甘肃省统计年鉴。ERDAS 软件下采用4、3、2波段假彩色合成的影像来反映植被生长状况以及地表覆盖类型，利用ArcGIS 叠加分析模块对四期土地利用/覆被进行叠置分析，得到土地利用/覆被变化的基本数据。

1.2.2 研究方法

采用ArcGIS、ERDAS 以及SPSS 软件对数据进行分析，利用土地利用/覆被转移矩阵对肃南县1985-2015年土地利用/覆被的时空变化特征、转变进程进行研究，基于DEM 和SWAT 模型提取的坡度数据和流域信息，研究土地利用/覆被结构对坡度因子和流域分布的响应过程。

1.2.3 土地利用/覆被转移矩阵

土地利用/覆被转移矩阵可以表述研究区内土地利用/覆被类型的转变趋势［18，19］，转移矩阵数学表达式为：

式中：S为土地面积；n为土地利用/覆被类型数；i、j为研究期初、末土地利用/覆被类型转换的面积。

转移矩阵每一行的行值代表每种类型土地的转移去向和转移大小，行总和代表研究初期所有土地利用/覆被类型的总数；转移矩阵每一列的列值代表每种类型土地转入来源以及转入大小，列总和代表研究期末所有土地利用/覆被类型的总数。

2 结果与分析

2.1 土地利用/覆被时空结构

2.1.1 土地利用/覆被类型时间结构

从图3可知，从1985-2015年肃南县的主要土地覆被类型为草地、林地和其他，这三类面积之和超过区域总面积的98%，耕地、湿地和人工表面这三类面积占比较小，不到总区域面积的2%，尤其人工表面占比不到0.13%，说明林草覆被为主的土地利用/覆被结构相对稳定。近30年林地面积呈现先下降后上升的特征，面积基本保持不变；草地面积呈现先上升后下降的趋势，面积减小了35.28 km2；其他类型面积呈现持续下降的趋势，减小了75.45 km2，1995-2005、2005-2015年间减小较快，减小量分别为24.65和35.35 km2；耕地面积持续增加，由1985年的87.29 km2增加到2015年的194.8 km2，尤其在1995-2005、2005-2015年间增加较快，增加量分别为49.25和52.91 km2。

2.1.2 1985-2015年土地利用/覆被类型空间结构

从图4和图5可以看出，林地主要分布在肃南县中南部的皇城镇、康乐乡、马蹄藏族乡、大河乡和西北部的祁丰蔵族乡，1985年这5 个乡镇林地面积占林地总面积的比例分别为31.76%、21.84%、16.39%、14.89%和14.41%。草地主要分布在西北部的祁丰蔵族乡、中部的大河乡和东南部的皇城镇，1985年这3 个乡镇草地面积占草地总面积的比例分别为43.27%、19.07%和13.89%，康乐乡、马蹄藏族乡、明花乡、白银蒙古族乡的草地面积占比均低于10%，红湾寺镇几乎没有草地。耕地主要分布在东南部的皇城镇和马蹄藏族乡、中西部的大河乡，1985年这3 个乡镇耕地面积占耕地总面积的比例分别为45.02%、22.34%和10.28%，祁丰蔵族乡、康乐乡、明花乡、白银蒙古族乡的耕地面积占比均低于10%，红湾寺镇几乎没有耕地。其他土地利用/覆被类型主要分布在西部的祁丰蔵族乡、东南的皇城镇和北部的明花乡，湿地主要分布在西北部的祁丰蔵族乡、东南部的皇城镇和中西部的大河乡。

从1985-1995年间，土地利用/覆被类型的变化主要为大河乡的部分林地向草地转化，祁丰蔵族乡的部分草地和其他类土地向林地转化，皇城镇的部分其他类土地和林地向草地、耕地和湿地转化；1995-2005年间，土地利用/覆被类型的变化主要为大河乡的林地向草地转化，明花乡的其他类土地和草地转化为耕地；2005-2015年间，土地利用/覆被类型的变化主要为明花乡的其他类土地和草地转化为耕地；整体来看，1985-2015年间土地利用/覆被类型的变化主要为明花乡将64.57 km2其他类土地和33.51 km2草地转变为97.25 km2耕地。

2.2 1985-2015年土地利用/覆被转移特征

由表1可以看出，1985-1995年的转化方向主要为林地和其他类型土地向草地、湿地、耕地转化，1995-2005年的转化方向主要为草地、湿地和其他类型土地向林地和耕地转化，其中林地恢复到1985年的水平，主要是由草地和湿地转化而来，耕地增加幅度较大，人工表面面积变化不明显；2005-2015年的转化方向为草地和其他类型土地向耕地转化。总体来看，林地变化不明显，草地和其他类型土地向耕地和湿地转化明显，其中草地减少35.28 km2，其他类型土地减少75.45 km2，耕地增加107.51 km2，湿地增加40.39 km2。

2.3 土地利用/覆被结构变化对坡度与流域分布的响应

2.3.1 土地利用/覆被结构变化的坡度差异

由图6可以看出，＜15°、15°～25°、＞25°的土地利用/覆被面积分别为4 093.88、13 190.07 和19 911.79 km2，占总面积的比例分别为20.56%、66.24%和13.20%。这说明各土地利用/覆被类型主要分布在15°～25°坡地上。但耕地和人工表面的占比略有不同，1985-2015年＜15°、15°～25°、＞25°的坡地中耕地的平均占比分别为36.75%、30.10%和33.15%，人工表面平均占比分别为46.28%、35.34%和18.40%。这说明耕地和人工表面主要分布在＜15°坡地中。

1985-2015年各坡地的总面积不变，其中林地、湿地、人工表面的面积变化不大，但草地、其他类型面积分别减小了35.28 km2和75.45 km2，耕地面积增加了107.51 km2，主要源于1995-2015年＜15°和＞25°坡地上草地、其他类型面积，15°～25°的坡地上草地向其他面积转化。

2.3.2 土地利用/覆被结构分布对坡度因子与流域分布的响应

从表2和表3中可以看出，草地主要分布在黑河、梨园河、北大河、洪水河、六级以下河流中，1985-2015年这5 个流域中草地面积占草地总面积的平均比例为80.86%，其中黑河、梨园河、北大河、洪水河、六级以下河流的占比分别为11.74%、14.86%、33.05%、9.18%和12.03%。1985-2015年这5 个流域中草地面积减少了35.29 km2，其中1985-1995、1995-2005、2005-2015年减少的面积分别为-18.21、38.36 和15.14 km2，流域六级以下河流中减少的面积为33.48 km2，北大河和流域梨园河分别减少了1.82 km2和1.25 km2。减小的草地面积主要位于六级以下河流＜15°的坡地上，北大河＞25°和＜15°的坡地上，梨园河15°～25°和＜15°的坡地上。

耕地主要分布在洪水河、梨园河、北大河、六级以下河流中，1985-2015年这5 个流域中耕地面积占总耕地面积的平均比例为83.76%，其中洪水河、梨园河、北大河、六级以下河流的占比分别为7.63%、9.28%、35.26%和31.59%。1985-2015年这4 个流域中耕地面积增加了108.2 km2，其中1985-1995、1995-2005、2005-2015 增加的面积分别为5.33、49.9 和52.97 km2，洪水河、梨园河流域耕地面积变化较小，北大河、六级以下河流耕地面积分别增加了4.65 和96.84 km2，增加的耕地面积主要位于北大河的＞25°的坡地上，六级以下河流＜15°的坡地上。

表1 1985-2015年肃南县土地利用类型面积转移矩阵 km2Tab.1 Transfer matrix of land utilized area in Sunan County from 1985 to 1995

表2 1985～1995年肃南县主要流域不同坡度耕地草地面积统计 km2Tab.2 Cultivated land area statistics of different slopes in the main watershed of Sunan County in 1985

3 讨 论

肃南裕固族自治县属于国家重点生态功能区中的祁连山冰川与水源涵养生态功能区，全县75%的辖区面积处于祁连山国家级自然保护区内，是河西五市乃至内蒙古西部地区的“生命线”和“绿色水库”［20］。本研究中，1985-2015年间，林地面积呈现先下降后上升的特征，面积基本保持不变；草地面积呈现先上升后下降的趋势，面积减小了35.28 km2；这与近年来实施祁连山生态环境整改，实施退耕还林还草工程的政策相一致［21-24］。在明花乡1995-2005年间草地面积减小了13.59 km2，耕地面积增加了46.88 km2；2005-2015年间草地面积减小了19.92 km2，耕地面积增加了50.37 km2，1995-2015年间草地面积共减小了33.51 km2，耕地面积共增加了97.25 km2，这与开展了生态移民搬迁工程，将祁连山自然保护区的牧民搬迁至肃南县

明花乡，由于移民搬迁、农业开发项目建设，大面积草原被开垦成农田的结果相一致［25］。1985-2015年＜15°、15°～25°、＞25°的坡地中耕地的平均占比分别为36.75%、30.10%和33.15%，人工表面平均占比分别为46.28%、35.34%和18.40%，耕地和人工表面主要分布在＜15°坡地中，研究结果与人类活动的区域分布结果相一致［26］。

表3 2005-2015年肃南县主要流域不同坡度耕地草地面积统计 km2Tab.3 Cultivated land area statistics of different slopes in the main watershed of Sunan County from 2005 to 2015

本研究采用遥感技术与SWAT 模型相结合，对河西走廊中部、祁连山北面肃南县的土地利用类型、植被覆盖时空变化进行了分析，研究结果表明，肃南县的土地利用、植被覆盖与国家政策（退耕还林还草、生态移民工程）、自然因素（坡度、流域）、人为因素等有关，因为区域的生态功能，更多的是受国家政策的影响。本研究结果对于祁连山冰川与水源涵养生态功能区的评价以及后续的建设具有一定的借鉴意义。另外，本研究只研究了肃南县土地利用的变化情况，对整个祁连山自然保护区土地利用进行定量化分析值得进一步研究。如何定量区分自然因素与人类活动对整个祁连山自然保护区土地利用变化的贡献率仍将是土地利用变化对变化情景研究的重要内容。

4 结 论

（1）近30年肃南县以林草覆被为主的土地利用/覆被结构相对稳定，其中林地面积基本不变，草地面积略有下降。

（2）肃南县大部分区域均覆盖有草地，林地主要分布在中南部，其他类土地利用/覆被类型覆盖在中西部和北部，耕地主要分布在东南部和中西部。近30年主要是北部的明花乡将其他类的土地和草地向耕地转化。

（3）林草地和其他类土地利用/覆被主要为15°～25°的坡地，耕地在＜15°、15°～25°、＞25°的分布大致相同，人工表面主要在＜15°和15°～25°的坡地上。1995-2015年间主要为15°～25°坡地上的草地向其他面积转化，＜15°和＞25°坡地上的草地、其他面积向耕地转化。

（4）草地主要分布在黑河、梨园河、北大河、洪水河、六级以下河流中，近30年减小的草地面积主要源于1995-2005年间位于六级以下河流＜15°的坡地上，北大河＞25°和＜15°的坡地上，梨园河15°～25°和＜15°的坡地上。耕地主要分布在洪水河、梨园河、北大河、六级以下河流中，1995-2015年间耕地面积迅速增加。 □