河湟谷地1980-2020年土地利用变化及其冷热点分布

孙晓晨, 焦菊英,2, 王红雷, 李建军, 陈同德, 赵文婷, 程玉卓

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨陵 712100;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨陵 712100)

土地利用/覆被变化(LUCC)通过改变地形、气候、水文等生态环境因子影响着生态文明建设进程和可持续发展步伐[1]。20世纪50年代起，各国开始持续进行土地资源调查，土地利用研究体系开始建立[2]。1995年《土地利用/土地覆盖变化科学研究计划》发布，各国纷纷启动了土地利用研究项目，相关研究得到了大力发展。目前，国内外学者对土地利用/覆被变化(LUCC)的研究多集中于数量、时空和质量变化3个方面[3-4]。其中，时空变化表现了土地利用类型的空间分布及变化情况[5]，是土地管理和规划的重点[6]。满苏尔·沙比提等[7]通过研究发现土地利用时空稳定有利于土地可持续经营和社会经济效益最大化。卫建军等[8]、马帅等[9]认为国家和地方政策是导致土地利用时空变化的重要原因。

20世纪80年代初，中国将环境保护确立为基本国策，自20世纪90年代末以来，中国开展了大规模的退耕还林工程，带来了土地利用结构的深刻变化。河湟谷地位于青海省东部，是青海省生产建设的重点地区。该地区人类活动强烈，经济发展快速，由于地形破碎，坡陡沟深，耕地面积虽多，粮食产量却低，是中国受沙漠化影响土壤侵蚀最严重的地区之一[10]，一直是土地利用调整的重点区域。该区陆续实施了生态修复工程、退耕还林工程、水保林工程等，使土壤侵蚀量减小，土地利用发展方向发生改变[11]。目前，关于青海省土地利用变化的研究多针对于青海省内的某个县或市区，对青海省东部河湟谷地的土地时空变化及发生变化的冷热点区研究较少。因此，本研究以青海省的河湟谷地为研究区，研究该区1980—2020年的土地利用空间变化规律，对该区的土地利用变化冷热点区进行探讨，分析土地利用变化的原因，以期为该区的土地利用规划提供科学依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

河湟谷地位于青海省东北部(图1)，地理位置35°—38°N，100°—103°E，行政区域包括青海省西宁市区以及湟源县、大通县互助土族自治县、大通回族土族自治县、乐都区等14个县市区，总面积约为3.40×104km2。河湟谷地是黄土高原与青藏高原的交错带，是由黄河支流冲积而成的河谷地区，也是中国三大水能富集区之一[12]。平均海拔2 000～3 000 m，是青海省海拔最低的地区[13]。年日照时数2 600～3 000 h，年平均温度5°～9°，年平均降水量252～535 mm。水力侵蚀较严重，冬暖夏凉，雨水充沛，植物生长较好[14]。河湟谷地是青海省的经济文化中心，产业以工业和农业为主，其中西宁市的工业生产总值在整个河湟谷地的总经济产值中占据主体地位。由于自然条件改善、国家政策变化、经济发展迅速等原因，该地的生态发展由2000年以前以减少生态用地、发展经济为主，转变为2000年以后以土壤修复和生态建设为主的新发展方向[15]。

图1 河湟谷地位置及行政区划

1.2 数据来源

采用的遥感数据为中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)提供的1980，1990，2000，2010，2020年5期土地覆盖数据(空间分辨率100 m×100 m)，是通过大量地面调查结合人机解译获得的，精度不小于85%[16]。根据由国土资源部组织修订的国家标准《土地利用现状分类》(GB/T21010-2017)，结合河湟谷地土地覆盖特点，对耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地共6种土地利用类型的时空变化进行研究。

1.3 研究方法

利用GIS技术，结合5期土地利用图，对各地块进行土地利用类型分类；利用土地利用转移矩阵和净变化量两个指标，分析河湟谷地多年土地利用的数量变化特征；利用交换变化量和总变化量两个指标，分析河湟谷地多年土地利用的时空变化特征；同时，利用土地利用综合动态度指标进行冷热点分级探测，探寻河湟谷地多年的冷热点区域及变化区域的时空差异。

1.3.1 土地利用转移矩阵 土地利用转移矩阵来源于系统分析中对系统、状态和状态转移的定量描述[17]，它能直观地反映出区域内不同时间不同土地利用的数量、结构、类型变化及方向。目前，土地利用转移矩阵主要应用于数量类型的变化分析上，其数学表达如下：

式中：S为土地利用类型的面积；n为土地利用类型的种类数；i为研究初期的土地利用类型；j为研究末期的土地利用类型。

1.3.2 土地利用类型净变化量与交换变化量 净变化量表示t1至t2时期内的各地类面积变化百分比[18]，通过计算土地利用数量的绝对变化百分比，反映出不同土地利用类型数量的变化。其数学表达如下：

Cj=|P+j-Pj+|

(2)

式中：i为研究初期的土地利用类型;j为研究末期的土地利用类型;Cj为地类j的净变化量;Pj+为研究初期j地类占总面积的百分比;P+j为研究末期j地类占总面积的百分比。下同。

当Cj=0时，并不一定意味着没有变化，可能这一类别的土地在一些地区消失，在另一些地区增加，此时消失量和增加量相抵，净变化量为0。因此，为了真实反映土地利用变化情况，需要通过定位和定量的空间分析方法揭示净变化量中所包含的信息，并通过交换变化量来表达该期间土地利用位置的变化方式[19]，该方法是定量分析某一地类转变为其他地类，其他地类又转变为该地类时交叉变换量的方法，其数学表达如下：

Sj=2min(Pj+-Pjj,P+j-Pjj)

(3)

式中：Sj为地类j的交换变化量;Pjj为t1至t2时期保持不变的j地类占总面积的百分比。下同。

总变化量为土地利用净变化量与交换变化量之和，等于土地利用类型的增加量和减少量之和，其数学表达如下：

TCj=Cj+Sj

(4)

式中：TCj为总变化量。

1.3.3 土地利用动态度及冷热点分析 土地利用动态度可以客观反映区域土地利用的类型变化、程度变化和区域差异等[20]。土地利用综合动态度表示了某一区域土地利用的整体动态，不同区域的土地利用综合动态度不同，可以反映土地利用变化的局部与整体空间差异，其数学表达如下：

式中：Ks为综合土地利用动态度;uj+为研究初期j地类的面积;u+j为研究末期j地类的面积;T为研究时长,即研究初期到研究末期的时间间隔。

为探寻河湟谷地多年以来的土地利用热点区，利用每相邻两期的土地利用数据分析空间差异。为提高准确性，采用10 km×10 km的网格对河湟谷地按照行政边界进行划分，共分成413个网格，计算每个时期网格内的土地利用综合动态度[21]。

冷热点探测是全局聚集性检验方法之一[22]，通过数据集元素计算局部自相关指数(G)，利用局部指标探究空间自相关。其数学表达如下：

在对河湟谷地分割网格的综合动态度进行冷热点探测时发现，该区只有热点区而无冷点区，这是由于各个网格中的数据的低值过多导致的。过多的低值拉低了平均值，使平均值与低值之差较小，两者的差值与标准差之比不大，因而冷点区不明显；高值和平均值之间相差较大，两者的差值与标准差之比偏大，导致热点区更明显。因此，为更好地显示出河湟谷地土地利用变化空间差异，需事先对不同时期网格内的土地利用综合动态度数据进行处理，由于部分网格内的土地利用综合动态度值为0，若取对数则会无意义，故将所有网格内的综合动态度值加1后再取对数[23]，再进行局部G指数分析，即可得到多层次更对称的冷热点区。

2 结果与分析

2.1 土地利用空间变化特征

利用ArcGIS交互功能计算土地利用面积转移矩阵，根据河湟谷地土地利用面积转移矩阵得到流量与流向关系(图2)、各地类的变化情况(表1—4)。

注：图中被节点分割的外圆弧度反映了研究初期各地类的数量比例关系；相邻节点间的连接线反映了某一地类的变化方式，扇形连接线表示未发生变化的地类比例，与另一地类相连接的流线表示发生变化的地类比例；流线的两端宽度反映了地类间转化程度和比例，与地类接触端的宽度表示流出量的相对比例大小，即该地类转化为另一地类的比例，流线的宽度越宽，则比例越高；连接线的颜色反映了流入量大于流出量的地类。

表1 河湟谷地1980-1990年土地利用变化%

表2 河湟谷地1990-2000年土地利用变化%

(1) 由图2a可以看出，在1980—1990年，河湟谷地未利用地的减少主要由于向草地发生转化，这是由于1985年颁布的《中华人民共和国草原法》，严明了草场权属问题细则，明确了禁牧休牧等制度，加强了草场管护与责任分配，提高了草场的保护力度；1989年，青海省为响应国家号召颁布了《青海省实施(中华人民共和国草原法)细则》，严格划分了春冬、夏秋草地的承包制度，明确了各牧民的草场使用权，使大量未利用地转化为草地。然而，在实施禁牧育草政策的同时，由于经济利益驱使，依然存在草场上开矿、采金、未经许可征用等现象，使中低覆盖度草场又退化为砂地、裸岩石砾地等未利用地[24]。由表1可以看出，未利用地的流失量大于新增量，且交换变化量大于净变化量，这说明未利用地主要表现在空间上的转移。经过观察发现，未利用地向草地发生转化主要分布于河湟谷地西南部和东北部，主要发生在贵德县和门源县。贵德县以畜牧业为主要产业，草场质量高，是草场发展的重点地区，当地响应国家号召调整产业结构[25]，促进草业发展；门源县位于大通河流域，以种植业、畜牧业为主要产业，80年代降雨较为丰沛[26]，促进了当地草地的发展。

(2) 由图2b可知，1990—2000年，河湟谷地草地向林地转化的面积小于林地向草地转化的面积，草地向耕地转化的面积大于耕地向草地转化的面积。由表2可知，草地的新增量小于流失量，耕地和未利用地的新增量大于流失量，林地的新增量小于流失量，这是由于1997年中共中央、国务院颁布的《关于进一步加强土地管理切实保护耕地的通知》，基于人口增加，耕地减少的背景下提出“耕地保护”刻不容缓，明确要求各省、市、区耕地数量只能增加，不能减少。同时，提出保护耕地、林地、宜农荒地等国土资源，严格限制城市用地规模，倡导各村镇将荒坡地、废弃地等进行复垦、还耕，使土地利用转化定向发展。经观察发现，河湟谷地皆有草地向耕地发生转化，说明在1990—2000年河湟谷地作为我国重要的粮食产区正响应国家号召进行产业结构调整[27]，大力发展农业。

(3) 在2000—2010年，河湟谷地草地和林地的面积基数远大于未利用地，对比图2a，2b，2c可以发现，未利用地向草地转换的相对面积明显增大，近似等于林地与草地间相互转化的面积，且主要发生在裸岩石砾地和中低覆盖度草地之间。由表3可以看出，未利用地的流失量远大于新增量，这说明未利用地正有目的地、大量地向草地转化。由图2c中可以看到，2000—2010年土地利用转换主要发生在耕地与草地、林地与草地、未利用地与草地之间，且草地向耕地转化的面积小于耕地向草地转化的面积，林地向草地转化的面积小于草地向林地转化的面积，草地向未利用地转化的面积小于未利用地向草地转化的面积。经观察发现，耕地转化为草地主要分布于河湟谷地中部地区，草地转化为林地在河湟谷地各部分地区皆有分布，未利用地转化为草地主要分布于河湟谷地南部地区。这是由于自2000年起实施的西部大开发战略，青海省开始进行退耕还林还草、封山绿化、防护林等生态工程，青海省各县积极响应政策，从实际出发，因地制宜进行调整。位于河湟谷地中部的湟中区、乐都区等都以农牧业为主，耕地面积基数大，在实施退耕时，优先选择山杏、沙枣等经济树木以及紫花苜蓿、老燕麦等优质牧草。由于乔木的生长周期远高于草本灌木，为得到更快的经济效益，部分农民倾向于种草而非植树，改变了当地产业结构，使大部分退耕地变为草地[28]。位于河湟谷地南部的贵德等地区以畜牧业为主，为提高饲料工业体系基础建设，适宜对当地产业结构进行调整，将未利用地进行还草以增加牧草产量以提高经济效益[29]，因此，该区未利用地多向草地转化。

表3 河湟谷地2000-2010年土地利用变化概括%

(4) 由表4可以看出，2010—2020年，河湟谷地各地类的净变化量趋于零，交换变化量近似等于总变化量，这说明各地类主要发生空间上的转换，而较少发生数量上的转移。经观察发现，除建设用地向耕地的转化主要分布在河湟谷地中南部、中部及北部地区外，其他地类的转化在河湟谷地皆有分布，这是由于2012年审查通过的“湟水流域高标准基本农田整治重大工程项目”，在湟中、化隆等9个以农业为主的县市大力发展高标准基本农田建设、坡改梯建设等，使该类型土地利用变化区域集中分布。同时，湟中区为促进当地经济发展进行了粮油作物产业调整，大规模进行马铃薯、油菜籽、小麦等农作物的播种[30]，使耕地面积增幅较大。由图2d可以看到，虽然在部分地区某种土地利用变化较集中，但总体的数量变化趋于稳定，这也代表着青海省河湟谷地在多年响应国家政策，进行宏观调控下土地利用结构向良性发展[31]。

表4 河湟谷地2010-2020年土地利用变化概括%

2.2 土地利用综合动态度变化的冷热点区分析

依据土地利用综合动态度得到的冷热点图(图3)，反映了不同时期土地利用的特点。

图3 河湟谷地1980-2020年土地利用变化冷热点分布

(1) 如图3a所示，1980—1990年的冷热点区空间差异较大，热点区有6个，主要分布于河湟谷地的西南部及北部，面积最大的热点区集中于贵德、尖扎与同仁3县(市)交界处，其他热点区零散分布在化隆县与平安区交界，门源县北部(2个区域)，化隆县东部及循化县。冷点区有8个，主要分布于河湟谷地的北部，集中于门源、大通和互助3县(市)的交界，大通县西部与门源县的交界，门源县北部(2个区域)，湟源县和湟中区的交界(2个区域)，乐都区及同仁市。

(2) 如图3b所示，1990—2000年的冷热点区空间差异较小，热点区有4个，主要分布于河湟谷地的西南部，集中于贵德、尖扎、同仁和化隆4县(市)的交界，化隆县和民和县的交界，贵德县西部及门源县。冷点区有4个，主要分布于大通县、同仁市、乐都区及门源县的行政边界。

(3) 如图3c所示，2000—2010年的冷热点区空间差异较大，热点区有7个，在河湟谷地皆有分布，集中分布于尖扎、同仁、贵德、化隆和循化5个县(市)的交界，城北、城西、城东、城中、化隆、互助、大通、湟中和平安4县5区的交界，互助县与乐都区的交界，贵德县西部，循化县东部，民和县及门源县。冷点区有6个，在河湟谷地的中部分布较少，集中于湟源县与湟中区交界，门源县与大通县交界，门源县北部，同仁市，化隆县及循化县。

(4) 如图3d所示，2010—2020年的冷热点区空间差异较大，热点区有7个，在河湟谷地皆有分布，集中于化隆、循化、民和3县交界，城北、城西、城东、城中区与互助县的交界，互助县与平安区的交界，乐都区与互助县的交界，门源县西部，同仁市北部，贵德县北部。冷点区有9个，主要分布于河湟谷地的南部及北部，集中于大通县与门源县的交界，门源县东部(2个区域)，大通县东部，湟中县西部，乐都区东部，尖扎县、贵德县与化隆县3县交界，同仁市与贵德县交界，同仁市南部。

综上所述可知，1980—2020年调整较集中的地区为贵德县、尖扎县及同仁市交界，化隆县和民和县交界，门源县北部，循化县东部，平安区；调整强度较弱的地区为大通县，门源县东部，乐都区东部和同仁市南部。从总体看，河湟谷地的热点区主要分布于中部、南部以及位于最北部的门源县的北部，而冷点区主要分布于北部以及位于最南部同仁市的南部。其中，位置较特殊的同仁市和门源县都处于半农半牧区，门源县西北部水源涵养量较大[32]，有利于国家实施各项生态建设工程，而同仁市北部海拔较高，不利于各项政策的实施，因此形成了独特的土地利用变化冷热点区。

3 结 论

(1) 1980—2020年河湟谷地土地利用交换主要发生于林地与草地、耕地与草地、未利用地与草地之间。不同时期土地利用的数量变化主要表现为：1980—1990年以草地增加为主，1990—2000年以耕地和未利用地增加为主，2000—2010年以草地增加为主，2010—2020年各地类数量变化不明显，数量变化差异主要与国家政策有关。不同时期土地利用的空间变化分布表现为：1980—1990年未利用地向草地增加主要发生在西南部及北部，2000—2010年耕地向草地转化主要发生在中部地区，2010—2020年建筑用地向耕地转化主要发生在中南部、中部及北部地区，且各时期差异主要与地区主要产业结构、初始土地利用结构等因素有关。

(2) 河湟谷地土地利用变化热点区在1980—1990年主要分布于贵德、循化以及门源等县(区)，冷点区主要分布于门源、大通以及同仁等县(市区)；在1990—2000年热点区主要分布于贵德、民和以及门源等县，冷点区主要分布于大通、同仁以及门源等县市的行政边界附近；在2000—2010年热点区主要分布于尖扎、同仁以及门源等县(市区)，冷点区主要分布于湟源、湟中以及循化等县市区；在2010—2020年热点区主要分布于化隆、循化以及贵德等县(市)，冷点区主要分布于大通、门源等县(市区)。由此可见，在1980—2020年热点区主要分布在贵德县、尖扎县及同仁市交界，化隆县和民和县交界，门源县北部，循化县东部和平安区；冷点区主要分布在大通县，门源县东部，乐都区东部和同仁市南部。

(3) 本文利用ArcGIS进行网格分割，计算不同网格的综合动态度值，得到土地利用变化的冷热点区，研究发现该方法有以下优点： ①直接在研究区进行分割，计算分割后区域内的土地利用动态度变化，能够精准地表现小区域内的变化空间差异及强度； ②直接利用土地利用图进行叠加计算，可以减小经过多次处理引起的误差； ③土地利用变化冷热点区图包括分析空间内全部地类的数量、时空、位置等信息，在未指定某一地类时可采用该方法分析，较快且较便利。

但冷热点分析方法也有以下缺点： ①只能计算区域内所有地类变化的信息，无法得到某一指定地类的精确数量变化、空间变化信息； ②无法展示各地类的时空分布及流向信息。因此，在分析区域整体土地利用变化时，可以选择冷热点分析，当研究地类变化时，可采用转移矩阵、净变化量等分析方法，对待不同问题合理、有侧重点地选择研究方法，有助于快速分析土地利用变化的特点，科学、精准地安排土地利用调查、监管和评估。