黃土高原丘陵溝壑區土地利用與水土保持措施的變化特征*

伍飛舟,楊卓,牛健植,張大偉,張曉明,陳月紅

(1.北京林業大學水土保持學院教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室,北京100083;2.中國水利水電科學研究院,北京 100038)

土地利用結構是指國民經濟各部門(如農、林、牧、副、漁)及其內部用地的面積與比例關系,它反映了一個地區土地利用的合理性程度及其生產結構特點[1]。隨著社會生產力的發展,人口的增加和人類活動范圍的擴大,使得對土地不斷增長的社會需求與土地資源的有限性、土地利用的不可逆轉性之間的矛盾日益顯著,嚴重限制了社會經濟的高速發展。因此,研究土地利用結構變化對區域產業布局、土地合理利用具有指導意義[2-4]。

陳利頂等用航片解譯和景觀生態學的方法研究了陜北黃土丘陵區大南溝流域在20世紀70年代和90年代土地利用結構的特點和變化[5];崔曉奇等以臨汾市為例,研究和探討了黃土高原丘陵區土地利用變化與人地關系的演變[6];張曉明等以黃土高原第三副區橋子東、西溝流域為例,分析了土地利用變化的水文動態響應[7];但關于該地區流域的土地利用變化與水土保持措施之間關系的研究較少,本文針對這兩者之間的關系進行了專門研究。

黃土高原丘陵溝壑區的甘肅省天水市羅玉溝流域及呂二溝流域處于農牧交錯地區,大部分地區氣候屬于半濕潤區,而農牧交錯地區或半干旱地區土地利用結構的不合理是造成水土流失的原因之一,因此對黃土高原丘陵溝壑區典型流域土地利用結構變化進行研究,可以為生境脆弱地帶土地資源的可持續利用、黃土高原丘陵溝壑區典型流域土地利用結構的優化、生態環境建設以及土地利用總體規劃修編工作提供科學依據。

1 研究區概況

選擇黃土高原丘陵溝壑區有代表性的羅玉溝流域和呂二溝流域為研究區。羅玉溝流域位于東經105°30′-105°45′,北緯 34°34′-34°40′;屬黃河中游黃土丘陵溝壑區第三副區,是渭河一級支流藉河的一條支溝。主溝全長21.8 km,流域呈羽狀,總面積72.79 km2。呂二溝流域屬黃土丘陵溝壑區第三副區,是渭河一級支流藉河南岸的一條支流,流域面積12.01 km2,呈狹長形,似葉舟狀。干溝長6 800 m,平均寬度1 830 m,海拔1 175～1707 m,相對高度532 m。流域內丘陵起伏,溝壑縱橫,有大小支溝51條,溝壑密度 308 km/km2,平均比降 7.24%,其中坡面面積9.68 km2,占流域總面積的80.7%,大部分在5°～20°;溝壑2.33 km2,占 19.3%。20 世紀50-60年代是我國水土保持綜合治理的典型流域。

2 研究方法

2.1 數據來源

研究所需數據來源于黃委會天水水土保持試驗站羅玉溝、呂二溝兩個試驗流域1985年、1993年TM影像和2001年ETM+影像圖、水土保持各項措施統計資料以及現有的水土保持監測網站上提供的統計資料。

2.2 研究方法

采用在某一時段內的變化貢獻率、變化強度指數和土地利用動態度3項指標,進行時間尺度上的分析。

2.2.1 變化貢獻率 變化貢獻率是指某類土地利用變化面積占同期土地利用變化總面積的百分比,其計算式如(1)。

式中:Ai——研究時段內第i種土地利用類型的變化貢獻率(%);Uai、Ubi——研究期初和期末第 i種土地利用類型的面積。

2.2.2 變化強度指數 變化強度指數是指某空間單元在研究時期內的土地利用變化面積占其土地總面積的百分比。即

式中:Ti——研究時段內第i種土地利用類型的變化強度(%);U ai、U bi——研究期初和期末第 i種土地利用類型的面積;B——總土地面積。

2.2.3 土地利用動態度 土地利用動態度可定量地描述區域土地利用變化強度,它對比較土地利用變化區域差異和預測未來土地利用變化趨勢都具有重要作用。單一的土地利用動態度可表達區域一定時間范圍內,某種土地利用類型的面積變化情況。

式中:Ki——研究時段內第i種土地利用類型的動態度(%);Uai、Ubi——研究期初和期末第i種土地利用類型的面積;T——研究時段長[8]。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構現狀

在對羅玉溝、呂二溝兩流域TM、ETM+影像解譯的基礎上,結合流域實測資料,得到羅玉溝和呂二溝3個時段的土地利用結構現狀。從表1可知,羅玉溝流域是典型的農林復合流域,1986年坡耕地、梯田等農地占總面積的72.6%,而林草面積占總面積19.3%;2004年坡耕地、梯田等農地占總面積的下降到62.4%,而林草面積占總面積上升至31.8%,農林草的面積占流域面積的92%。1986-1995年羅玉溝流域土地利用變化面積最大是梯田、林地和坡耕地,其中梯田、林地面積分別增加了2 590.79 hm2和794.11 hm2,占到期間土地利用變化貢獻率的38.44%和11.78%,而期間坡耕地面積下降了3 333.78 hm2,其變化貢獻率達49.46%。1986—2004年灌木、草地、居民點、裸地等土地利用類型的變化微弱。由此可見,1986-2004年羅玉溝流域土地利用結構變化中起主導作用的是坡耕地向梯田、林地的轉換,并且該過程主要發生在1986-1995年。

從表2可知,①1982-1989年呂二溝土地利用類型中面積增加的是裸地、林地、居民點和梯田,其中林地的增加量最大,面積減少的是草地、灌木和坡耕地,其中灌木減少的最大。②1989-2004年呂二溝土地利用類型中面積增加的是林地、居民點和坡耕地。其中林地的增加量最大。面積減少的是草地、灌木和梯田,其中草地減少得最大。以上結果反映出呂二溝土地利用結構變化中起主導作用的土地利用類型是林地、灌木和草地。

表1 1986-2004年羅玉溝流域土地利用結構變化

表2 1982-2004年呂二溝流域土地利用結構變化

表3 1982-1989年土地利用類型的單一土地利用動態度

表4 土地利用類型的單一土地利用動態度

3.2 土地利用的空間分布

表3為羅玉溝、呂二溝土地利用類型的單一土地利用動態度。由表3可知:羅玉溝坡耕地的減少幅度比較大,林地和梯田增加;裸地、草地、居民點和灌木年度變化都不大,沒有超過1%;呂二溝灌木用地的減少幅度比較大,裸地、林地、居民點用地增加,其中居民點用地增加幅度比較大。

表4為1995-2004年羅玉溝,1989-2004呂二溝土地利用類型的單一土地利用動態度。由表4可知:羅玉溝坡坡耕地的減少幅度比較大,年遞減率為1.26%,林地和居民點用地增加;林地、草地和梯田年度變化都不大,沒有超過1%;呂二溝灌木用地的減少幅度比較大,年遞減率為3.93%,林地、居民點和坡耕地增加,其中林地增加幅度比較大,年遞增率為2.22%。

3.3 水土保持措施變化

3.3.1 羅玉溝流域水土保持措施變化 截止1983年底,羅玉溝水土保持措施結構中主要以梯田、川旱地措施和林果措施為主,人工草地措施為輔(表5)。羅玉溝流域水土保持初步治理面積為15.8 km2,占流域面積的21.7%,其中農田治理面積8.31 km2(梯田7.79 km2,川旱地0.49 km2),占耕地面積 42.77 km2的19.4%。造林面積6.79 km2,其中以刺槐為主的成林地3.27 km2,幼林地2.77 km2,經濟果園0.72 km2,苗圃地 0.04 km2。種草面積0.67 km2。

對比羅玉溝流域1990年和2000年的水土保持措施結構可知,羅玉溝在這10 a當中將水土保持工程措施的重點放在修建水平梯田和地埂上面,澇池、谷坊、引洪漫地、沼澤地排水都有了明顯的發展,河堤和簡易公路的修建則表現為停滯不前。

表5 1983年底羅玉溝流域各項水土保持措施比例

表6 羅玉溝流域1990年與2000年水土保持工程措施對比

3.3.2 呂二溝流域水土保持措施變化 呂二溝流域從20世紀50年代初期開始進行治理,該時期的治理主要是修建地埂、澇池、造林,其余措施如人工種草等也在實行,但是效果不顯著,這與當時的社會經濟以及政策有關,表7為呂二溝流域1953-1958年治理情況。

表7 呂二溝流域1953-1958年水土保持措施情況

20世紀60年代呂二溝流域的水土保持措施結構呈現出以工程措施為主,其他措施為輔的勢態。到了80年代,將水土保持措施的重點放在了修建梯田、林地和封坡育種上面,工程和林草措施在該時期的水土保持措施結構中占據了主導地位,果園、人工牧草的面積相對減少。表8為呂二溝流域1954-1989年各時段的林草措施分項統計面積。

3.4 土地利用與水土保持措施的變化關系

土地是人類賴以生存的基本條件,人類在土地上進行生產活動的同時,必須高度重視水土保持工作,并施以相應的科學、有效的保護措施,才能使土地資源得以永續利用。因此,在研究區域內的水土保持措施結構的變化也是隨著土地利用結構變化而變化的[9]。

表8 呂二溝流域林草措施分項統計面積 hm2

羅玉溝流域和呂二溝流域近幾十年來水土保持措施的工作重點都放在修梯田和造林上。同時,這兩個流域的土地利用結構變化體也都體現在梯田面積和林地面積的顯著增加。因此,可以很好地說明:土地利用結構變化與水土保持措施結構變化之間聯系是密不可分的,彼此相互影響、相互制約。

3.5 土地利用變化驅動力分析

土地利用變化的驅動力由自然條件作用和社會經濟發展兩方面作用所組成。

3.5.1 自然因素 自然環境條件的驅動作用主要體現在地形的限制作用上,從遙感影像圖上可以看出,居民點及工礦用地一般沿著河流兩岸和交通便利的道路分布,耕地也是分布在居民區附近或地勢平坦的地區,而林地則布滿了研究區。因此,該流域的城鎮建設用地及耕地的擴展明顯地受到地形的限制。林地變化也與地形條件有關:海拔較高的林地由于人類的可及度差,人為活動影響較小;而山腳一些坡度較平緩的林地則受人類影響較大。由于短時期內的土地利用變化主要是社會經濟因素的影響所致,自然因素的影響甚微,所以本研究主要考慮社會經濟影響因子[10]。

3.5.2 人口因素 人口是社會經濟中最重要的因素,也是最具活力的土地利用的驅動力。隨著城鎮化進程的加快,使得大量農村人口涌入城鎮,建設用地的需求快速增加。然而,在土地總量有限的前提下,建設用地面積地增加必然會占用大量農地為代價。因此,人口因素在影響區域土地利用變化上,起到了至關重要的作用。

3.5.3 社會經濟發展因素 經濟發展是土地利用結構變化的主要驅動力。隨著區域經濟建設的發展,必然需要占用一定量的農用地,變成城鎮及工礦用地和交通用地。相應地,在羅玉溝和呂二溝流域土地利用結構中,耕地等農用地的比重在下降,而居民點等建設用地的比重呈增長的趨勢。

另外,受比較經濟利益作用的影響,不同土地利用類型的產出效益的差異明顯,因此在土地利用結構類型上就表現在農用地內部、農用地向非農建設用地轉化等現象。近年來,由于農業生產成本的上升較快,而種糧收益明顯減少,因此,農業地用途轉移或者棄耕現象成為必然[11]。市場經濟條件下,隨著產業結構的調整與優化,引起土地資源在產業上重新分配,進而導致了土地利用結構的變化。

3.5.4 國家政策因素 在人為因素中,國家的方針政策對土地利用變化起著主導并且直接的作用,它通過地權制度、經營機制、價格制度等直接影響土地利用的結構。在不同的政治經濟政策的影響之下,土地利用也發生明顯的變化。

研究區域為我國生境較脆弱的地區,生態問題比較突出,因此,這里一直是我國政府大力投資進行重點治理的對象,尤其隨著西部開發工程的實施,提出防治土地荒漠化、退耕還林還草、以小流域治理為重點的綜合治理的政策措施,在土地利用變化上表現為一部分坡耕地和梯田轉化為林地。

4 結論

(1)在研究時段內,羅玉溝流域林地和梯田的面積均有顯著增加,坡耕地面積顯著減少,其余土地類型面積變化不大,這與該流域采取以梯田、川旱地和林果為主、人工草地為輔的水土保持措施后出現的結果是一致的。

(2)呂二溝流域林地面積增加明顯,而草地和灌木面積急劇萎縮,其他土地利用方式面積均有小幅變化。這與呂二溝流域修建梯田、林地和封坡育種的水土保持措施密不可分。

(3)在影響土地利用結構變化的各個驅動因子當中,社會經濟因素對于土地利用變化的影響較大。由于人口的增加、經濟的發展,以及社會政策、制度的改變,土地利用結構隨之改變。研究區域內的水土保持措施隨著區域內土地利用結構的變化而變化。

[1] 包浩生.自然資源簡明詞典[M].北京:中國科學技術出版社,1993.

[2] 劉立誠.新疆土地類型結構及其合理利用[J].新疆大學學報,1994,11(1):91-96.

[3] Zhou Yong,Wang Shan-qin,DONG Yuan-hua,et al.Design and app lications of land resources and eco logical environment in formation system:A Case Study of ZiguiCounty in the Three Gorges A rea of China[J].Pedosphere,2002,12(4):373-381.

[4] 陳軍偉,孔祥斌,張鳳榮,等.基于空間洛倫茨曲線的北京山區土地利用結構變化[J].中國農業大學學報,2006,11(4)71-74.

[5] 陳利頂,傅伯杰,王軍.黃土丘陵區典型小流域土地利用變化研究:以陜西延安地區大南溝流域為例[J].地理科學,2001,21(1):46-51.

[6] 崔曉奇,郭長江,張愛國.黃土高原丘陵區土地利用變化與人地關系演變研究:以臨汾市為例[J].山西師范大學學報:自然科學版,2006,20(3):73-77.

[7] 張曉明,余新曉,武思宏,等.黃土丘陵溝壑區典型流域土地利用/土地覆被變化水文動態響應[J].生態學報,2007,27(2):414-423.

[8] 王夏琰,劉學錄.甘肅省土地利用結構變化及其驅動力分析[J].甘肅農業大學學報,2007,8(4):97-102.

[9] 龔潔.九龍江流域土地利用與水土保持[J].福建水土保持,2002,14(1):18-20.

[10] 亓興蘭,李寶銀,劉健.基于RS閩江流域土地利用結構變化及其驅動力分析[J].林業勘察設計,2007(2):12-17.

[11] 鄧紅兵,王英明,張巧顯.江西省土地利用變化及其驅動力定量研究[J].江西農業大學學報,2006,28(6):933-938.