近20 年來黃土高原水蝕風蝕交錯區典型小流域土地利用/覆被變化分析

馬瞳宇，張曉萍，馬芹，雷泳南

(1.西北農林科技大學資源環境學院;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室:712100，陜西楊凌)

黃土高原地區水蝕風蝕交錯帶生態環境脆弱，水土流失嚴重，是黃河泥沙的主要策源地［1］，其根本原因在于不合理的土地利用［2－3］。在侵蝕的發生和發展過程中，地表植物的覆被是降低營力動能、提高土壤抗沖和抗蝕力、削弱侵蝕發展的關鍵環節［4］，因而土地利用/覆被的演變方向以及演變程度，很大程度上成為土壤侵蝕評價的導向性因素［5］;然而，資源開發等人類活動，又會急劇增加區域水土流失的嚴重性［6］。溝道內堆積的礦渣在暴雨條件下極易形成高含沙水流甚至泥石流，加劇流域侵蝕的程度［7－8］。因此，研究黃土高原水蝕風蝕交錯帶不同土地利用類型和不同覆被的時空變化特征，對了解該區土壤侵蝕和水土流失的發生和發展具有理論和現實意義。

在退耕還林(草)背景［9］下，對GIMMS 和SPOT 2 種歸一化植被指數的大量研究結果表明，黃土高原地區以及水蝕風蝕交錯區20 年來地表植被整體呈改善趨勢，受降水作用和人類活動影響，又存在著明顯的空間差異［10－13］。宏觀尺度的分析固然可以很好地反應植被變化的趨勢，但受像元精度的限制，卻不能很好地反映資源開發情況及其對環境的影響，如溝道中礦渣堆積場所和面積等。筆者以資料豐富并有前期工作基礎的神木縣六道溝流域為例，通過收集不同年份的土地利用信息和遙感影像，結合近期實地調查結果，分析土地利用/覆被類型的發展方向趨勢，剖析該區近20 年來不同土地利用/覆被的數量變化及其分布格局演變特征，以期為區域水土流失定量評價與動態分析提供參考。

1 研究區概況

六道溝流域(E110°20'30″～110°23'30″，N38°47'00″～38°49'25″)面積6.89 km2，位于毛烏素沙地邊緣和黃土丘陵區的交錯過渡地帶、神木縣城以西14 km 處。流域地處神府煤田區，流域內中生代侏羅系砂頁巖互層中夾有煤層，該地層在下游出露高度5 ～10 m，便于露天開采。流域屬于典型的蓋沙黃土丘陵地貌，處于晉、陜、蒙水蝕風蝕交錯帶強烈侵蝕中心區，區域侵蝕模數超過1 萬t/(km2·a)［14］。該流域屬窟野河水系二級支流，主溝道自南向北長4.21 km。流域年均氣溫8.4 ℃，多年平均降雨量437.4 mm，其中6—9 月降雨量占全年降雨量的77.4%，而年均潛在蒸發量是降雨量的3 倍以上，屬于中溫帶半干旱氣候區。新老黃土和片沙交錯分布，同一土壤剖面中，從上至下質地差異很大，甚至出現沙層。土壤結構疏松，抗蝕性差。主要土地利用/覆被類型為耕地、林地、草地和工礦及住宅用地。

2 研究方法

2.1 數據來源

以六道溝流域1990、1995、2002 和2010 年相近月份土地利用圖為基礎進行土地利用變化分析。1990、1995 和2002 年的土地利用數據均來源于中科院知識創新項目“西部生態環境演變規律與水土資源可持續利用研究”和中科院知識創新重要項目“黃土高原水土保持的區域環境效應研究”的調查成果。2010 年的土地利用圖來自于當年2 月份的0.5 m 分辨率全色波段遙感衛星影像(World View－1衛星)，結合實地勾繪和調查而獲得。

2.2 數據處理方法

衛片轉繪前，首先建立判讀分類系統，根據分類系統建立相應的解譯標志，結合該流域1∶1萬地形圖進行信息解譯。最后，將4 期土地利用圖在ARC/INFO 軟件下進行投影轉化和疊加分析，在Excel 軟件中對處理結果進行統計，分別得到1990—1995 年、1996—2002 年、2003—2010 年3 個階段的土地利用變化情況。

2.3 研究方法

以GB/T 21010—2007《土地利用現狀分類標準》為主要分類依據，以明晰六道溝流域土地利用變化為目的，參考以往研究成果，以ARCGIS 軟件進行空間數據處理，Excel 用于統計分析建立如表1 所示的土地利用類型分類系統，共包括7 個1 級類和16 個2 級類。采用土地利用年變化率來定量描述和比較土地利用各類型的變化量以及速度［15］，實質是某土地利用類型時段前后的面積差與時段初面積的比例在該時段上的均值。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化的總體特征

六道溝流域1990、1995、2002、2010 年各種土地利用類型面積及各土地利用年變化率見表1。可以看出，1990—2010 年，六道溝流域土地利用變化的總體特征是耕地面積銳減，尤其是坡耕地面積迅速減少，同時林草地面積大幅度增加，煤礦開采用地面積呈波動式大幅度增加趨勢。

為了反映1999 年“退耕還林(草)，以糧代賑”政策對六道溝流域土地利用的影響，對2002 年前后各土地利用類型的變化程度進行分析。1990 年，耕地面積占流域面積的33.87%，1995 年占28.44%，2002 年下降到22.56%，2010 年耕地面積所占比例減至7.61%。2002 年以前，耕地土地利用年變化率為－2.78%，之后為－8.28%，降幅明顯增大。1990年林草地(包括林地、草地)面積占流域面積的35.74%，1995 年占42.67%，2002 年增至48.55%，到2010 年時大幅度增加為62.79%，林草地土地利用年變化率由2.99%上升為3.67%，增幅變大。由上述變化可以看出，在1999 年之后實施的“退耕還林(草)”政策在很大程度上優化了六道溝流域的土地利用結構，逐步改善著該流域的自然植被景觀，其生態環境因此而得到改善。

工礦(煤礦)用地面積大幅度增加。1990 年，流域內煤礦開采活動還很微弱，1995 年工礦用地面積增加到5.28 hm2，占流域總面積的0.77%，2002 年工礦用地面積維持穩定，2010 年隨著地區經濟大規模發展，工礦用地面積迅速擴張到14.89 hm2，占總面積的2.16%。從1990—2002 年，工礦用地土地利用年變化率達到了148.68%，2002 年以后為22.79%。由此可見，工礦用地土地利用年變化率遠遠高出其他土地利用類型的年變化率。

表1 六道溝流域土地利用面積變化及年變化率(1990—2010)Tab.1 Area change and annual changing rate of the landuse in Liudaogou catchment(1990—2010)

3.2 耕地分布態勢變化分析

1990—2010 年，耕地通過與其他土地利用類型的轉移，不僅在數量上有了大幅度改變，而且在分布態勢上也發生了明顯變化。為了能夠清晰描述耕地分布態勢的變化，以溝緣線為界，將耕地分為溝緣線以上和以下2 部分進行討論。六道溝流域中，溝緣線以下沒有坡耕地分布，因此，溝緣線以下耕地主要指平坦溝谷和淤地壩壩地上耕種的農田，溝緣線以上耕地主要指坡上修建的旱梯田和坡耕地(圖1)。

可以看出，六道溝流域耕地分布的主要區域是流域上游和主溝道東側，以及地勢相對平坦的溝谷內和淤地壩壩庫上。六道溝流域耕地分布態勢的總體變化趨勢是主要耕作區域向溝緣線以下(即溝谷內平坦地區和修建淤地壩所形成的壩地)轉移，溝緣線以下耕地面積占總耕地面積比例由1990 年的13.82%、1995 年的21.98%和2002 年的27.70%大幅度上升至2010 年的74.04%，其面積穩定在32.28 ～43.10 hm2之間，雖然近年來略有下降，但是幅度不大，主要是由于農村宅基地擴建和工礦用地擴建占用了部分耕地。溝緣線以上耕地面積由1990 年的201.26 hm2、1995 年的152.97 hm2和2002年的112.46 hm2銳減到2010 年的13.63 hm2，占總耕地面積的比例也由1990 年的86.18%大幅下降至2010 年的25.96%，二者的比例由1990 年的1∶6.23逐漸增加到了1995 年的1∶3.55、2002 年的1∶2.61和2010 年的1∶0.35。

耕地分布態勢的變化不是獨立的，通過分析耕地在近20 年間與其他土地利用類型的轉移數量(表2)和空間變異(圖2)，可以更清晰地揭示出變化的來源和動力。溝緣線以上的耕地逐漸轉化為林地和草地，其中:耕地轉化為草地的面積較大，為144.83 hm2，占1990 年耕地總數的62.08%;轉化為林地的面積次之，為45.20 hm2，占19.37%;還有6.61 hm2的耕地轉化為工礦及住宅用地，同時，壩庫修建使13.19 hm2的未利用地轉化為耕地，對平坦谷地的開墾又使2.68 hm2的草地轉化為耕地。正是上述這些土地利用轉移才使得流域內耕地分布態勢發生了變化。

結合土地利用面積變化(表1)和土地利用轉移矩陣(表3)可以看出，產生這些轉移的主要動力是坡耕地和旱梯田的逐年退耕，尤其是坡耕地減少的幅度巨大，它占耕地總數的比例1990 年為70.35%，1995 年為57.58%，2002 年為43.58%，而2010 年僅為3.06%。這也說明伴隨著“退耕還林(草)”政策和神木縣產業結構的不斷調整，六道溝流域的耕地利用方式變得更加合理，這對六道溝流域水土流失的綜合治理起著至關重要的作用。

表2 1990—2010 年六道溝流域土地利用轉移矩陣Tab.2 Landuse transition matrix of Liudaogou catchment(1990—2010)

3.3 林草地分布態勢變化分析

圖1 六道溝流域溝緣線上下耕地變化Fig.1 Distribution of farmland above and below the gully edge in Liudaogou catchment

圖2 六道溝流域土地利用轉移圖譜Fig.2 Landuse transition map of Liudaogou catchment

與耕地分布態勢變化緊密聯系的是林草地分布態勢的變化。1990 年，流域內林地主要分布在流域西部，而草地主要分布于流域下游接近溝口地區。在20 余年間，隨著坡耕地和旱梯田的逐年退耕，流域東部也出現了大片林地，主要以檸條(Caragana korshinskii Kom.)等灌木林為主，而草地的分布范圍也逐漸擴展到流域下游，其中天然及人工草地在流域下游東側集中分布。1990—2010 年，草地面積逐漸擴大，尤其是進入21 世紀以來，人工種植和封育措施使得天然及人工草地面積大幅度增加，由2002年的129.05 hm2迅速增加到2010 年的237.72 hm2，增長了近1 倍。天然及人工草地土地利用年變化率也由1990—2002 年的3.90%上升到2003—2010 年的10.53%，增幅明顯。林草地的增加主要歸功于對流域內坡耕地的退耕，20 年間，坡耕地退耕還林(草)面積累計達158.40 hm2，占1990 年坡耕地面積的96.42%，占林草地新增面積的95.88%。由此可以看出，國家“退耕還林(草)”政策深刻影響了該地區的土地利用結構，減少了不合理的坡地耕作方式，增加了林草面積，恢復了坡地上應有的植被覆蓋景觀。同時，流域內大部分旱梯田退耕，雖然許多坡面的地表形態仍然保持著梯田的形狀，但是已經不再作為耕地利用，逐漸恢復了天然雜草的覆被狀態，到2010年，旱梯田轉化為林草地的面積累計達31.63 hm2。

3.4 工礦用地分布態勢變化分析

工礦用地分布區域主要集中于流域下游溝道的平坦地區，隨著煤礦開采規模的不斷擴大，在原有占地的基礎上逐漸向外擴張，共占用了谷地4.01 hm2、坡耕地0.59 hm2、灌木林地3.24 hm2、天然及人工草地2.77 hm2和陡坡裸地4.08 hm2。

流域內煤礦開采活動的活躍從另一個角度也闡明了流域內耕地面積減少而林草地面積增加的原因。據實地調查，在神木縣產業結構調整的整體氛圍下，當地年輕勞動力大量外出務工，留守勞動力也從第一產業向收益較高的第二產業(煤礦開采)大量轉移，農民對土地的依賴大大減弱;但是，煤礦開采同時對運輸和堆放等缺乏管理，且礦區內廢渣向溝道內隨意傾倒堆積，對周圍水體和植被缺乏基本保護措施，形成了直接的人為水土流失，周圍土地已出現部分沙化現象。在流域坡面植被覆蓋好轉的同時，溝道內人為活動造成的水土流失，將成為今后該流域水土流失綜合防治和水土保持的一項新內容。

4 結論與討論

1)1990—2010 年，六道溝流域耕地面積持續減少，尤其2002 年后銳減，占流域面積比例由1990 年的33.87%減到2010 年的7.61%，坡耕地面積迅速減少，其占耕地面積比例由1990 年的70.35%減至2010 年的3.06%;林草地面積大幅度增加，占流域面積比例由1990 年的63.51%增至2010 年的87.48%;煤礦開采用地面積呈波動中大幅度增加趨勢，其面積由1990 年的0.28 hm2，增至2010 年的14.89 hm2。

2)耕地分布主要區域由溝緣線以上坡面轉變為溝緣線以下的溝谷地和壩地，溝緣線以下耕地占總耕地面積比例由1990 年的13.82%升高到2010年的74.04%;流域植被恢復進展良好，林草覆蓋面積增加了165.21 hm2，覆蓋范圍逐漸擴展到整個流域;工礦用地由下游逐漸向中游擴展，煤礦開采趨于活躍。

3)流域內退耕還林(草)效果明顯，近20 年內耕地向林草地共轉移了190.03 hm2，占流域總面積的27.58%，大部分發生在流域東部的溝緣線以上。

1999 年后實施的“退耕還林(草)”工程減少了六道溝流域不合理耕地的面積，增加了流域林草地面積，并使得耕地的分布位置更加合理，對改善流域土地利用/覆被狀況起到了積極的作用。

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