1990-2018年河湟谷地耕地的時空演變

萬 方, 鄧清海, 劉 莉, 李 萍, 楊 鑫

(山東科技大學 地球科學與工程學院, 山東 青島 266590)

青藏高原被稱為地球的第三極，其土地利用與土地覆被(land use and land cover, LULC)變化不僅影響高原本身的生態環境狀況和區域發展，同時也會對區域和全球產生巨大的環境效應[1]。因此，青藏高原土地利用/覆被變化一直都是全球變化研究的熱點之一[2-3]。耕地是河湟谷地土地利用的主要形式之一，是保障糧食安全、生態安全以及區域發展的關鍵。耕地變化受人為活動影響最大，其特征和動態是土地利用/覆被變化的核心內容之一，也已經成為全球變化研究的重要組成部分[4]。青藏高原受高寒和復雜地理環境的限制，耕地資源相對稀少[5]，不到整個高原土地總面積的1%[6]，且主要分布在河湟谷地、“一江兩河”以及川西、藏東和滇西北地區[7]，但其對當地社會經濟的發展卻具有舉足輕重的作用。

河湟谷地位于青藏高原東北緣青海省的東北部，是青藏高原面積最大的農區，也是青海省最重要的農區，總面積為3.30×104km2，僅占青海省面積的5.18%，卻集中了全省72%的人口和73.15%的耕地[8]?？梢哉f河湟谷地是青海省乃至整個青藏高原地區糧食安全的有力保障[9]。而且作為青藏高原地區人口最為密集、經濟最發達的地區和最重要的經濟增長帶，近年來，隨著經濟和城鎮化的快速發展，河湟谷地土地利用發生了顯著的變化。以往對于河湟谷地耕地的研究，都是一些大尺度，基于低精度的影像的研究，并且對此地區近年來的耕地變化規律也尚不清楚。因此，本文基于最新的較高分辨率Landsat-5 TM，Landsat-7 ETM+，Landsat-8 OLI系列衛星遙感影像和數字高程模型等相關數據，并結合空間統計學等手段，來分析河湟谷地地區近30 a耕地的分布特征和時空變化規律，以期為研究區土地利用、農業發展規劃、耕地可持續利用和生態環境保護等提供依據，也為全球耕地變化研究提供典型區域基礎。

1 研究區概況

河湟谷地是黃河與湟水流域肥沃的三角地帶，位于青藏高原東北部，青海湖以東，經緯度范圍為東經100°—103°，北緯35°—38°,是青海省東部的重要農業區，其行政區劃由西往東依次為湟水流域的海晏縣、湟源縣、湟中縣、大通縣、西寧市、互助縣、平安縣、樂都縣、民和縣和黃河流域的貴德縣、尖扎縣、化隆縣、循化縣，其面積約為3.30×104km2。

河湟谷地位于達坂山和拉脊山之間，是湟水河和黃河沖擊形成的河谷地區，地貌類型主要以高山或極高山、洪積—沖積平原、丘陵和臺地為主。相較于青藏高原其他地區，其海拔高度相對較低，平均海拔在2 000～3 000 m之間，年平均溫度在5～9 ℃之間，年平均降水量在252～535 mm之間，氣候溫和，雨熱同期，對農作物生長發育極為有利，是黃河流域人類活動最早的地區之一。河湟谷地種植的主要作物有小麥、薯類、玉米、蠶豆、青稞等作物，作物熟制為一年一熟[10]。

2 數據來源與分析方法

2.1 數據來源及處理

遙感數據來自Landsat系列陸地衛星影像，共16景，其中1990年和2010年的數據來自Landsat-5 TM，2000年的數據來自Landsat-7 ETM+，2018年的數據為Landsat-8 OLI，詳細參數見表1。為保證4個時間的數據空間分辨率一致，以便于比較，我們選取多光譜波段，空間分辨率均為30 m。DEM數據為GDEMDEM 30 m分辨率數字高程模型。

表1 數據源參數

對上述Landsat遙感數據進行輻射定標、大氣校正、鑲嵌裁剪等預處理后，采用監督分類中的最大似然分類法對河湟谷地的土地類型進行分類[11]，分類后提取耕地。研究區耕地在遙感影像中的幾何特征較為規則，地塊大而且排列整齊很容易被識別，因此可以人工選擇訓練樣本進而進行監督分類。

最后，結合Google Earth等高分辨率影像和當地的耕地實際調查信息選取了200個隨機位置的控制點，對土地利用類型圖進行了精度評估。

2.2 分析方法

本次研究主要分析河湟谷地耕地的時空變化以及耕地和地形的關系。其中，耕地的時間變化主要用耕地擴張動態度[12]和耕地面積相對變化率[13]來衡量；耕地的外部空間變化主要是把耕地當作一個整體來分析河湟谷地的耕地相對于整個區域的變化趨勢，主要采用的指標有耕地擴張動態度、耕地面積相對變化率[14]、耕地質心轉移指數等[15]；最后，結合地形數據，分析研究區耕地隨著時間變化在不同海拔和坡度的分布變化。

3 結果與分析

3.1 精度檢驗結果

結合Google Earth等高分辨率影像和當地的耕地實際調查信息對土地利用類型圖進行了精度評估，共選取了200個隨機位置的控制點，4期圖像的精度評價見表2。

用戶精度是從分類結果中任選一個樣本，其與地面實際類型相一致的概率。生產者精度是從地面上任選一個樣本，其與分類結果相同的概率。本次分類的結果生產者精度和用戶精度都在70%以上，基本符合精度要求。kappa系數是用來評價圖像的分類精度，主要用于精確性評價和圖像的一致性判斷。如果兩幅圖像差異很大，則其kappa系數小，當它大于0.8時，認為分類質量為極好。由表2可看出，4期影像的kappa系數均在0.7～0.81之間，其中1990年最低，2000年最高，總體來說kappa系數比較高，分類質量較好。總體分類精度是正確分類的像元數與總像元的比值，該值越接近100%，分類結果越精確?？傮w精度最低的1990年的影像，為81.04，其次是2018年和2010年的影像，這也說明了1990年的Landsat-5影像精度最低。4期影像的總計精度都大于80%說明分類結果比較準確。4期影像的總體精度和kappa系數都符合分類的精度要求，表明分類結果具有一定的可信度。

表2 1990-2018年河湟谷地影像精度評價結果 %

3.2 耕地面積序列變化

通過對近30 a來的Landsat遙感數據采用監督分類的最大似然分類法處理[16]，然后對分類結果進行聚類處理，將土地類型分為耕地、建設用地、水域、其他類型4類，由于本文主要是對耕地進行提取，故沒有對草地和裸地進行細分。分別得到1990，2000，2010，2018年的河湟谷地土地利用類型圖，并從土地利用類型中提取耕地類別得到耕地變化圖(圖1)。

圖1 1990—2018年河湟谷地耕地變化特征

利用土地利用類型分類后的數據提取耕地，再計算耕地擴張動態度指數，可得到河湟谷地耕地面積時序變化[17](表3)。從表3可知，在1990—2010年，河湟谷地的耕地面積是處于一直在增長的趨勢，而且在1990-2000年是低速增長的狀態，而2000年以后處于一個快速擴張的狀態，但是從2010年以后，耕地面積又出現了減少的勢態，結合土地類型轉移矩陣可知是由于伴隨著人口的增加，有12%的農業用地轉變為了建設用地，此外，青海省政府積極響應退耕還林還草政策，有17%的耕地轉換為了林草地和裸地。

表3 1990-2018年河湟谷地耕地面積時序變化

根據耕地相對變化率公式可得出1990—2018年河湟谷地各縣區耕地面積的相對變化率，進而利用ArcGIS 10.3得到1990—2018年河湟谷地耕地相對變化率圖區位分析圖[18](圖2)。

(1)

式中：R為耕地面積的相對變化率；Ka、Kb代表整個研究區中某指定區域兩個時間段的耕地面積；Ca和Cb分別代表整個研究區兩個時間段的耕地面積。

從圖2可看出，1990—2018年年來河湟谷地總體上耕地面積的變化幅度比較大，尤其是湟源縣、貴德縣和循化縣3縣相對變化率最大，而樂都縣近30 a來變化幅度最小。在1990—2000年之間，河湟谷地大部分地區相對變化率都大于1，說明各個縣區的耕地面積變化的幅度都大于整個研究區域的變化幅度，說明在1990—2000年之間，耕地變化還是比較大的；在2000—2010年之間，除貴德縣相對變化率系數較大，耕地面積變化較大以外，其余11個縣區耕地面積相對變化率較?。欢?010—2018年之間，大部分地區耕地面積相對變化系數都大于1，說明各地區耕地面積變化較大[19]。在這30 a的變化中，部分縣的相對變化率出現了負數，這是因為這些縣相對于整個區域的變化趨勢相比，出現了負增長的態勢。

圖2 1990-2018年河湟谷地耕地相對變化率

3.3 河湟谷地耕地空間格局變化

3.3.1 耕地轉換特征 根據解譯得到的土地利用數據，可計算出耕地類型轉移矩陣(表4)。

表4 1990-2018年河湟谷地耕地轉移矩陣 %

從表4中可以看出，2000年耕地相較1990年轉入了57.83%，轉出了39.79%有10.42%的耕地轉為建設用地；2010年耕地相較于2000年轉入了53.94%，轉出了31.74%，其中有12.06%的耕地轉化為建設用地；2018年耕地相較于2010年轉入了46.31%，轉出了46.9%，有21.94%的耕地轉化為建設用地，表明在2000—2018年之間河湟谷地地區城鎮化進度比較快。近幾年經濟水平的提高造成了建設用地的不斷增加，由1990年的3 480 km2增加至2018年的6 250 km2。

3.3.2 耕地質心變化 由耕地質心轉移指數得出河湟谷地質心擴展變化轉移指數(表5)，并將其質心轉移狀況在遙感影像中標出，得到河湟谷地耕地質心轉移圖(圖3)。

表5 1990-2018年河湟谷地耕地質心擴展變化轉移指數

圖3 1990-2018年河湟谷地耕地重心轉移特征

由表5，圖3可知，在1990—2000年，河湟谷地耕地的質心往東南方向移動，移動距離為16 650 m，以正東方向為0度，逆時針為正方向，則角度為-30.74°。2000—2010年，質心移動的距離較小，為8 686 m，說明2000—2010年之間耕地變化不大，方向是向東北方向移動[20]； 2010—2018年，耕地質心偏移量較大，為16 287 m，方向接近于向西移動，這與湟水的流經方向基本一致，這也可以看出新增的耕地大多在西部，說明耕地擴張有向西移動的趨勢[21]。

3.3.3 耕地空間分布疊加分析 將解譯后的土地利用圖利用ArcGIS建立色彩映射表，并進行類別提取，從而將耕地類別提取出來再將每10 a的數據進行疊加分析，得到不同時期耕地空間分布疊加分析結果(圖4)。

從圖4可以看出，2000年相對于1990年，新增耕地主要在研究區西北地區，即海晏縣，其他地區耕地分布基本保持不變；2010年相對于2000年新增耕地主要在研究區的北部，并且變化的趨勢是向著原有耕地邊界周圍的擴展，西南地區的耕地也有一定的增加，相較于2010年耕地的分布更加密集，而且此10 a的耕地增加的范圍比較多，說明此10 a的耕地增加比較迅速；2018年相較于2010年的耕地主要向西北和東南發展，西北部的耕地范圍進一步擴大，東南地區也有了新的耕地地塊的出現。

圖4 河湟谷地不同時期耕地空間分布疊加分析結果

3.4 耕地變化與地形的關系

(1) 不同海拔的耕地變化。耕地在不同海拔高度下的分布反映了高程對耕地具有很大影響[22]，一般來說耕地分布在海拔較低的平原地區，但河湟谷地地處黃河與湟水流域肥沃的三角地帶，所以即使海拔較高處，農業也十分發達，是中國有名的高原農業區。將從影像中提取到的1990—2018年河湟谷地的耕地數據與DEM高程數據做疊加分析，即可統計出不同高程下的耕地分布[23]，結果見圖5。

由圖5可以看出，耕地隨高程變化基本符合高斯正態分布，耕地大多都分布在海拔在2 500～3 000 m的范圍內，由1990—2018年3個10 a的耕地高程分布情況可知，在1990—2010年耕地均值都是集中在海拔2 700 m的高度，但到了2018年耕地隨高程變化的曲線有所轉移，耕地的分布更向著高海拔地區轉移，這是由于2010年后青海地區經濟發展較為迅速，城鎮建設占用了海拔較低的耕地，但耕地是保障人類生存的根本，所以需要開墾新的耕地來保障糧食需求，再加上全球變暖，近30 a來河湟谷地各區域呈現溫度上升趨勢(圖6)，耕地質量提高，作物的種植海拔上限上升，耕地質量提高，在高海拔地區也有了適宜作物種植的溫度環境，所以耕地向著高海拔地區開墾。由耕地面積隨高程分布變化曲線可知，1990—2000年耕地隨高程變化分布基本不變，曲線基本一致。但在2000—2010年的10 a里，耕地開墾速度加快，峰值增大，但是曲線形態不變，即只是耕地面積的增加，但耕地開墾的海拔不變，還是集中在海拔2 700 m的地區，到了2010年后，耕地才向著高海拔地區轉移。

圖5 1990-2018年河湟谷地耕地面積隨高程變化分布

圖6 1990-2018年河湟谷地不同海拔氣溫變化趨勢

(2) 不同坡度的耕地變化分析。坡度對耕地分布有著重大影響，一般耕地都分布在坡度較緩的區域內[24]，從DEM高程數據中提取坡度信息，重分類后與耕地分布圖相疊加，得到不同坡度的耕地變化情況(圖7)。

圖7 1990—2018年不同坡度耕地面積統計

由圖7中可以看出，絕大部分耕地都分布在坡度在0°～16°的范圍內，1990，2000，2010，2018年在此范圍內耕地所占比例為分別為73%，64%，65%，63%。而且在0°～8°的坡度下耕地相對更多，而大于32°耕地面積很?。粡臅r間上來看，在1990—2010年，更多新增耕地在8°～23°的范圍內，坡度0°～8°的耕地基本沒有變化或略有減少。一方面隨著人口的增加需要開墾更多的耕地，低坡度地區已經不能滿足新增耕地的需求，同時隨著科技水平的提高，新的種植模式開發，向著坡度更陡的地區去開墾新的耕地。在2010—2018年可以看出在低坡度0°～8°的區域耕地繼續增加，高坡度地區耕地很明顯有減少的趨勢，這是因為高坡度地區不宜大規模耕作，造成水土流失。在國家政策的影響下，當地政府采取退耕還林還草措施，以更好地保持水土，所以高坡度的耕地有減少的趨勢。

4 討論與結論

4.1 討 論

(1) 本研究得到的結果與研究區前人相關成果較為一致。具體而言，青海省國土資源廳發布的數據表明：由于青海省實施的國家水土保持重點工程——坡耕地水土流失綜合治理項目，2010年在同仁縣、互助縣、大通縣等縣興修水平梯田28.2 km2，這與本文結果2010年后河湟谷地地區耕地向著高海拔地區擴展是一致的。張鐿鋰等[1,6]通過對1992—2015年已有LUCC數據與成果的再分析，得到了河湟谷地地區耕地擴張明顯，82%的耕地分布在海拔2 400～4 400 m之間的河谷地區，這也與我們的結果基本一致。曾永年等[25]研究表明青海高原東部的耕地主要分布在坡度0°～15°之間，占該地區總耕地面積的77.08%，而坡度大于25°的耕地面積為僅占總耕地面積的4.50%。這與本文的結果(2010年坡度在0°～16°之間的耕地面積占總耕地面積的65%)基本一致。此外，與上述研究相比，本文時間序列較長，詳細分析了1990—2018年河湟谷地耕地的時空演變特征，應用價值較高。

(2) 耕地變化受到多個因素的影響。就河湟谷地而言，耕地變化主要受到耕地保護政策、生態退耕工程、土地開發整理工程、重大建設工程、人口、城鎮化進程等因素的影響。中國和青海省出臺了一系列的耕地保護政策，這對河湟谷地耕地保護起到了促進的作用，也是河湟谷地耕地面積總體增加的主要原因。土地開發整理是河湟谷地耕地面積增加的主要來源，尤其是重大的土地開發整理工程，如青海省2010—2017年實施的“青海東部黃河谷地百萬畝土地開發整理重大項目”，不但新增耕地136 km2，而且有效改善了黃河谷地的農業生產條件[26]。生態退耕工程、重大建設工程及城鎮化進程是河湟谷地地區耕地減少的主要原因：青海省從1999年開始開展生態退耕工作，在2000—2005年期間，生態退耕面積1.47×105hm2，年均退耕面積2.45×104hm2，是青海省耕地減少的主要原因[25]。研究區內退耕還林/草區域主要分布于湟水及支流谷地周圍坡度較大的區域以及拉脊山、達坂山山麓。2005年以后，生態退耕工程逐漸減少。由于“西部大開發”的實施，研究區內有很多重大工程建設項目，這些項目占用了大量耕地。此外，城鎮化也是造成耕地減少的一個重要因素，研究區在青藏高原城鎮空間格局演變中一直處于核心地位[27]，每年城鎮建設都會占用不少耕地。

(3) 河湟谷地是青藏高原最大的農區，隨著經濟的不斷發展，越來越多的耕地轉化為了建設用地，建設用地和耕地之間的競爭更加激烈，很多優質耕地被建設占用，影響了這里的糧食安全。分析此區域耕地的空間分布特征和時空變化規律，可以得出不同時期的耕地開墾狀態和耕地發展趨勢，對未來利用和保護耕地具有重要的參考價值。但本研究在從遙感影像提取耕地的過程中，沒有區分不同的耕地類型，也沒有對耕地質量變化進行分析，但這些因素對于耕地資源稀少的青藏高原地區耕地的可持續發展無疑是重要的。而且，由于沒有足夠的數據，本文對于耕地變化的驅動因素，也沒有做定量的相關性分析。今后應進一步探討研究區耕地類別、耕地質量及耕地驅動因素對耕地變化的影響。

4.2 結 論

(1) 1990—2018年，隨著城鎮化水平的提高，河湟谷地部分耕地轉化為了建設用地，尤其在2000—2010年這10 a里城鎮化速率最高。耕地也是處于不斷擴張中，也是在2000—2010年擴張速度最快，在這十年里部分耕地轉化為了建設用地，新增耕地向著高海拔、高坡度地區開墾，2010年后耕地出現了減少趨勢。

(2) 耕地的區位變化情況為，在2000年前耕地重心是向東移動的，而2000年后耕地重心偏移量向西北移動，這說明僅靠東邊的耕地已經不能滿足糧食需求，需要開墾更多的耕地，只能向氣候環境熱量條件稍差的西北部開墾。由于全氣候變暖，降水增加，使得熱量、水分條件變好，耕地質量提高，在高海拔地區也有了適宜作物種植的溫度環境，所以近30 a來耕地向著高海拔地區開墾，近10 a在海拔3 000 m高度左右也出現了新增耕地。此外在一些坡度較陡的地區也出現了新增耕地，這也是因為氣候變暖和人類擴張耕地的雙重因素所造成的。在近10 a內坡耕地的增加有減緩的趨勢，這也是受國家水土保持和退耕還林政策的影響。