河湟谷地1980-2020年土地利用變化及其冷熱點分布

孫曉晨, 焦菊英,2, 王紅雷, 李建軍, 陳同德, 趙文婷, 程玉卓

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊陵 712100;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, 陜西 楊陵 712100)

土地利用/覆被變化(LUCC)通過改變地形、氣候、水文等生態環境因子影響著生態文明建設進程和可持續發展步伐[1]。20世紀50年代起，各國開始持續進行土地資源調查，土地利用研究體系開始建立[2]。1995年《土地利用/土地覆蓋變化科學研究計劃》發布，各國紛紛啟動了土地利用研究項目，相關研究得到了大力發展。目前，國內外學者對土地利用/覆被變化(LUCC)的研究多集中于數量、時空和質量變化3個方面[3-4]。其中，時空變化表現了土地利用類型的空間分布及變化情況[5]，是土地管理和規劃的重點[6]。滿蘇爾·沙比提等[7]通過研究發現土地利用時空穩定有利于土地可持續經營和社會經濟效益最大化。衛建軍等[8]、馬帥等[9]認為國家和地方政策是導致土地利用時空變化的重要原因。

20世紀80年代初，中國將環境保護確立為基本國策，自20世紀90年代末以來，中國開展了大規模的退耕還林工程，帶來了土地利用結構的深刻變化。河湟谷地位于青海省東部，是青海省生產建設的重點地區。該地區人類活動強烈，經濟發展快速，由于地形破碎，坡陡溝深，耕地面積雖多，糧食產量卻低，是中國受沙漠化影響土壤侵蝕最嚴重的地區之一[10]，一直是土地利用調整的重點區域。該區陸續實施了生態修復工程、退耕還林工程、水保林工程等，使土壤侵蝕量減小，土地利用發展方向發生改變[11]。目前，關于青海省土地利用變化的研究多針對于青海省內的某個縣或市區，對青海省東部河湟谷地的土地時空變化及發生變化的冷熱點區研究較少。因此，本研究以青海省的河湟谷地為研究區，研究該區1980—2020年的土地利用空間變化規律，對該區的土地利用變化冷熱點區進行探討，分析土地利用變化的原因，以期為該區的土地利用規劃提供科學依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

河湟谷地位于青海省東北部(圖1)，地理位置35°—38°N，100°—103°E，行政區域包括青海省西寧市區以及湟源縣、大通縣互助土族自治縣、大通回族土族自治縣、樂都區等14個縣市區，總面積約為3.40×104km2。河湟谷地是黃土高原與青藏高原的交錯帶，是由黃河支流沖積而成的河谷地區，也是中國三大水能富集區之一[12]。平均海拔2 000～3 000 m，是青海省海拔最低的地區[13]。年日照時數2 600～3 000 h，年平均溫度5°～9°，年平均降水量252～535 mm。水力侵蝕較嚴重，冬暖夏涼，雨水充沛，植物生長較好[14]。河湟谷地是青海省的經濟文化中心，產業以工業和農業為主，其中西寧市的工業生產總值在整個河湟谷地的總經濟產值中占據主體地位。由于自然條件改善、國家政策變化、經濟發展迅速等原因，該地的生態發展由2000年以前以減少生態用地、發展經濟為主，轉變為2000年以后以土壤修復和生態建設為主的新發展方向[15]。

圖1 河湟谷地位置及行政區劃

1.2 數據來源

采用的遙感數據為中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)提供的1980，1990，2000，2010，2020年5期土地覆蓋數據(空間分辨率100 m×100 m)，是通過大量地面調查結合人機解譯獲得的，精度不小于85%[16]。根據由國土資源部組織修訂的國家標準《土地利用現狀分類》(GB/T21010-2017)，結合河湟谷地土地覆蓋特點，對耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地共6種土地利用類型的時空變化進行研究。

1.3 研究方法

利用GIS技術，結合5期土地利用圖，對各地塊進行土地利用類型分類；利用土地利用轉移矩陣和凈變化量兩個指標，分析河湟谷地多年土地利用的數量變化特征；利用交換變化量和總變化量兩個指標，分析河湟谷地多年土地利用的時空變化特征；同時，利用土地利用綜合動態度指標進行冷熱點分級探測，探尋河湟谷地多年的冷熱點區域及變化區域的時空差異。

1.3.1 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣來源于系統分析中對系統、狀態和狀態轉移的定量描述[17]，它能直觀地反映出區域內不同時間不同土地利用的數量、結構、類型變化及方向。目前，土地利用轉移矩陣主要應用于數量類型的變化分析上，其數學表達如下：

式中：S為土地利用類型的面積；n為土地利用類型的種類數；i為研究初期的土地利用類型；j為研究末期的土地利用類型。

1.3.2 土地利用類型凈變化量與交換變化量 凈變化量表示t1至t2時期內的各地類面積變化百分比[18]，通過計算土地利用數量的絕對變化百分比，反映出不同土地利用類型數量的變化。其數學表達如下：

Cj=|P+j-Pj+|

(2)

式中：i為研究初期的土地利用類型;j為研究末期的土地利用類型;Cj為地類j的凈變化量;Pj+為研究初期j地類占總面積的百分比;P+j為研究末期j地類占總面積的百分比。下同。

當Cj=0時，并不一定意味著沒有變化，可能這一類別的土地在一些地區消失，在另一些地區增加，此時消失量和增加量相抵，凈變化量為0。因此，為了真實反映土地利用變化情況，需要通過定位和定量的空間分析方法揭示凈變化量中所包含的信息，并通過交換變化量來表達該期間土地利用位置的變化方式[19]，該方法是定量分析某一地類轉變為其他地類，其他地類又轉變為該地類時交叉變換量的方法，其數學表達如下：

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

(3)

式中：Sj為地類j的交換變化量;Pjj為t1至t2時期保持不變的j地類占總面積的百分比。下同。

總變化量為土地利用凈變化量與交換變化量之和，等于土地利用類型的增加量和減少量之和，其數學表達如下：

TCj=Cj+Sj

(4)

式中：TCj為總變化量。

1.3.3 土地利用動態度及冷熱點分析 土地利用動態度可以客觀反映區域土地利用的類型變化、程度變化和區域差異等[20]。土地利用綜合動態度表示了某一區域土地利用的整體動態，不同區域的土地利用綜合動態度不同，可以反映土地利用變化的局部與整體空間差異，其數學表達如下：

式中：Ks為綜合土地利用動態度;uj+為研究初期j地類的面積;u+j為研究末期j地類的面積;T為研究時長,即研究初期到研究末期的時間間隔。

為探尋河湟谷地多年以來的土地利用熱點區，利用每相鄰兩期的土地利用數據分析空間差異。為提高準確性，采用10 km×10 km的網格對河湟谷地按照行政邊界進行劃分，共分成413個網格，計算每個時期網格內的土地利用綜合動態度[21]。

冷熱點探測是全局聚集性檢驗方法之一[22]，通過數據集元素計算局部自相關指數(G)，利用局部指標探究空間自相關。其數學表達如下：

在對河湟谷地分割網格的綜合動態度進行冷熱點探測時發現，該區只有熱點區而無冷點區，這是由于各個網格中的數據的低值過多導致的。過多的低值拉低了平均值，使平均值與低值之差較小，兩者的差值與標準差之比不大，因而冷點區不明顯；高值和平均值之間相差較大，兩者的差值與標準差之比偏大，導致熱點區更明顯。因此，為更好地顯示出河湟谷地土地利用變化空間差異，需事先對不同時期網格內的土地利用綜合動態度數據進行處理，由于部分網格內的土地利用綜合動態度值為0，若取對數則會無意義，故將所有網格內的綜合動態度值加1后再取對數[23]，再進行局部G指數分析，即可得到多層次更對稱的冷熱點區。

2 結果與分析

2.1 土地利用空間變化特征

利用ArcGIS交互功能計算土地利用面積轉移矩陣，根據河湟谷地土地利用面積轉移矩陣得到流量與流向關系(圖2)、各地類的變化情況(表1—4)。

注：圖中被節點分割的外圓弧度反映了研究初期各地類的數量比例關系；相鄰節點間的連接線反映了某一地類的變化方式，扇形連接線表示未發生變化的地類比例，與另一地類相連接的流線表示發生變化的地類比例；流線的兩端寬度反映了地類間轉化程度和比例，與地類接觸端的寬度表示流出量的相對比例大小，即該地類轉化為另一地類的比例，流線的寬度越寬，則比例越高；連接線的顏色反映了流入量大于流出量的地類。

表1 河湟谷地1980-1990年土地利用變化%

表2 河湟谷地1990-2000年土地利用變化%

(1) 由圖2a可以看出，在1980—1990年，河湟谷地未利用地的減少主要由于向草地發生轉化，這是由于1985年頒布的《中華人民共和國草原法》，嚴明了草場權屬問題細則，明確了禁牧休牧等制度，加強了草場管護與責任分配，提高了草場的保護力度；1989年，青海省為響應國家號召頒布了《青海省實施(中華人民共和國草原法)細則》，嚴格劃分了春冬、夏秋草地的承包制度，明確了各牧民的草場使用權，使大量未利用地轉化為草地。然而，在實施禁牧育草政策的同時，由于經濟利益驅使，依然存在草場上開礦、采金、未經許可征用等現象，使中低覆蓋度草場又退化為砂地、裸巖石礫地等未利用地[24]。由表1可以看出，未利用地的流失量大于新增量，且交換變化量大于凈變化量，這說明未利用地主要表現在空間上的轉移。經過觀察發現，未利用地向草地發生轉化主要分布于河湟谷地西南部和東北部，主要發生在貴德縣和門源縣。貴德縣以畜牧業為主要產業，草場質量高，是草場發展的重點地區，當地響應國家號召調整產業結構[25]，促進草業發展；門源縣位于大通河流域，以種植業、畜牧業為主要產業，80年代降雨較為豐沛[26]，促進了當地草地的發展。

(2) 由圖2b可知，1990—2000年，河湟谷地草地向林地轉化的面積小于林地向草地轉化的面積，草地向耕地轉化的面積大于耕地向草地轉化的面積。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，這是由于1997年中共中央、國務院頒布的《關于進一步加強土地管理切實保護耕地的通知》，基于人口增加，耕地減少的背景下提出“耕地保護”刻不容緩，明確要求各省、市、區耕地數量只能增加，不能減少。同時，提出保護耕地、林地、宜農荒地等國土資源，嚴格限制城市用地規模，倡導各村鎮將荒坡地、廢棄地等進行復墾、還耕，使土地利用轉化定向發展。經觀察發現，河湟谷地皆有草地向耕地發生轉化，說明在1990—2000年河湟谷地作為我國重要的糧食產區正響應國家號召進行產業結構調整[27]，大力發展農業。

(3) 在2000—2010年，河湟谷地草地和林地的面積基數遠大于未利用地，對比圖2a，2b，2c可以發現，未利用地向草地轉換的相對面積明顯增大，近似等于林地與草地間相互轉化的面積，且主要發生在裸巖石礫地和中低覆蓋度草地之間。由表3可以看出，未利用地的流失量遠大于新增量，這說明未利用地正有目的地、大量地向草地轉化。由圖2c中可以看到，2000—2010年土地利用轉換主要發生在耕地與草地、林地與草地、未利用地與草地之間，且草地向耕地轉化的面積小于耕地向草地轉化的面積，林地向草地轉化的面積小于草地向林地轉化的面積，草地向未利用地轉化的面積小于未利用地向草地轉化的面積。經觀察發現，耕地轉化為草地主要分布于河湟谷地中部地區，草地轉化為林地在河湟谷地各部分地區皆有分布，未利用地轉化為草地主要分布于河湟谷地南部地區。這是由于自2000年起實施的西部大開發戰略，青海省開始進行退耕還林還草、封山綠化、防護林等生態工程，青海省各縣積極響應政策，從實際出發，因地制宜進行調整。位于河湟谷地中部的湟中區、樂都區等都以農牧業為主，耕地面積基數大，在實施退耕時，優先選擇山杏、沙棗等經濟樹木以及紫花苜蓿、老燕麥等優質牧草。由于喬木的生長周期遠高于草本灌木，為得到更快的經濟效益，部分農民傾向于種草而非植樹，改變了當地產業結構，使大部分退耕地變為草地[28]。位于河湟谷地南部的貴德等地區以畜牧業為主，為提高飼料工業體系基礎建設，適宜對當地產業結構進行調整，將未利用地進行還草以增加牧草產量以提高經濟效益[29]，因此，該區未利用地多向草地轉化。

表3 河湟谷地2000-2010年土地利用變化概括%

(4) 由表4可以看出，2010—2020年，河湟谷地各地類的凈變化量趨于零，交換變化量近似等于總變化量，這說明各地類主要發生空間上的轉換，而較少發生數量上的轉移。經觀察發現，除建設用地向耕地的轉化主要分布在河湟谷地中南部、中部及北部地區外，其他地類的轉化在河湟谷地皆有分布，這是由于2012年審查通過的“湟水流域高標準基本農田整治重大工程項目”，在湟中、化隆等9個以農業為主的縣市大力發展高標準基本農田建設、坡改梯建設等，使該類型土地利用變化區域集中分布。同時，湟中區為促進當地經濟發展進行了糧油作物產業調整，大規模進行馬鈴薯、油菜籽、小麥等農作物的播種[30]，使耕地面積增幅較大。由圖2d可以看到，雖然在部分地區某種土地利用變化較集中，但總體的數量變化趨于穩定，這也代表著青海省河湟谷地在多年響應國家政策，進行宏觀調控下土地利用結構向良性發展[31]。

表4 河湟谷地2010-2020年土地利用變化概括%

2.2 土地利用綜合動態度變化的冷熱點區分析

依據土地利用綜合動態度得到的冷熱點圖(圖3)，反映了不同時期土地利用的特點。

圖3 河湟谷地1980-2020年土地利用變化冷熱點分布

(1) 如圖3a所示，1980—1990年的冷熱點區空間差異較大，熱點區有6個，主要分布于河湟谷地的西南部及北部，面積最大的熱點區集中于貴德、尖扎與同仁3縣(市)交界處，其他熱點區零散分布在化隆縣與平安區交界，門源縣北部(2個區域)，化隆縣東部及循化縣。冷點區有8個，主要分布于河湟谷地的北部，集中于門源、大通和互助3縣(市)的交界，大通縣西部與門源縣的交界，門源縣北部(2個區域)，湟源縣和湟中區的交界(2個區域)，樂都區及同仁市。

(2) 如圖3b所示，1990—2000年的冷熱點區空間差異較小，熱點區有4個，主要分布于河湟谷地的西南部，集中于貴德、尖扎、同仁和化隆4縣(市)的交界，化隆縣和民和縣的交界，貴德縣西部及門源縣。冷點區有4個，主要分布于大通縣、同仁市、樂都區及門源縣的行政邊界。

(3) 如圖3c所示，2000—2010年的冷熱點區空間差異較大，熱點區有7個，在河湟谷地皆有分布，集中分布于尖扎、同仁、貴德、化隆和循化5個縣(市)的交界，城北、城西、城東、城中、化隆、互助、大通、湟中和平安4縣5區的交界，互助縣與樂都區的交界，貴德縣西部，循化縣東部，民和縣及門源縣。冷點區有6個，在河湟谷地的中部分布較少，集中于湟源縣與湟中區交界，門源縣與大通縣交界，門源縣北部，同仁市，化隆縣及循化縣。

(4) 如圖3d所示，2010—2020年的冷熱點區空間差異較大，熱點區有7個，在河湟谷地皆有分布，集中于化隆、循化、民和3縣交界，城北、城西、城東、城中區與互助縣的交界，互助縣與平安區的交界，樂都區與互助縣的交界，門源縣西部，同仁市北部，貴德縣北部。冷點區有9個，主要分布于河湟谷地的南部及北部，集中于大通縣與門源縣的交界，門源縣東部(2個區域)，大通縣東部，湟中縣西部，樂都區東部，尖扎縣、貴德縣與化隆縣3縣交界，同仁市與貴德縣交界，同仁市南部。

綜上所述可知，1980—2020年調整較集中的地區為貴德縣、尖扎縣及同仁市交界，化隆縣和民和縣交界，門源縣北部，循化縣東部，平安區；調整強度較弱的地區為大通縣，門源縣東部，樂都區東部和同仁市南部。從總體看，河湟谷地的熱點區主要分布于中部、南部以及位于最北部的門源縣的北部，而冷點區主要分布于北部以及位于最南部同仁市的南部。其中，位置較特殊的同仁市和門源縣都處于半農半牧區，門源縣西北部水源涵養量較大[32]，有利于國家實施各項生態建設工程，而同仁市北部海拔較高，不利于各項政策的實施，因此形成了獨特的土地利用變化冷熱點區。

3 結 論

(1) 1980—2020年河湟谷地土地利用交換主要發生于林地與草地、耕地與草地、未利用地與草地之間。不同時期土地利用的數量變化主要表現為：1980—1990年以草地增加為主，1990—2000年以耕地和未利用地增加為主，2000—2010年以草地增加為主，2010—2020年各地類數量變化不明顯，數量變化差異主要與國家政策有關。不同時期土地利用的空間變化分布表現為：1980—1990年未利用地向草地增加主要發生在西南部及北部，2000—2010年耕地向草地轉化主要發生在中部地區，2010—2020年建筑用地向耕地轉化主要發生在中南部、中部及北部地區，且各時期差異主要與地區主要產業結構、初始土地利用結構等因素有關。

(2) 河湟谷地土地利用變化熱點區在1980—1990年主要分布于貴德、循化以及門源等縣(區)，冷點區主要分布于門源、大通以及同仁等縣(市區)；在1990—2000年熱點區主要分布于貴德、民和以及門源等縣，冷點區主要分布于大通、同仁以及門源等縣市的行政邊界附近；在2000—2010年熱點區主要分布于尖扎、同仁以及門源等縣(市區)，冷點區主要分布于湟源、湟中以及循化等縣市區；在2010—2020年熱點區主要分布于化隆、循化以及貴德等縣(市)，冷點區主要分布于大通、門源等縣(市區)。由此可見，在1980—2020年熱點區主要分布在貴德縣、尖扎縣及同仁市交界，化隆縣和民和縣交界，門源縣北部，循化縣東部和平安區；冷點區主要分布在大通縣，門源縣東部，樂都區東部和同仁市南部。

(3) 本文利用ArcGIS進行網格分割，計算不同網格的綜合動態度值，得到土地利用變化的冷熱點區，研究發現該方法有以下優點： ①直接在研究區進行分割，計算分割后區域內的土地利用動態度變化，能夠精準地表現小區域內的變化空間差異及強度； ②直接利用土地利用圖進行疊加計算，可以減小經過多次處理引起的誤差； ③土地利用變化冷熱點區圖包括分析空間內全部地類的數量、時空、位置等信息，在未指定某一地類時可采用該方法分析，較快且較便利。

但冷熱點分析方法也有以下缺點： ①只能計算區域內所有地類變化的信息，無法得到某一指定地類的精確數量變化、空間變化信息； ②無法展示各地類的時空分布及流向信息。因此，在分析區域整體土地利用變化時，可以選擇冷熱點分析，當研究地類變化時，可采用轉移矩陣、凈變化量等分析方法，對待不同問題合理、有側重點地選擇研究方法，有助于快速分析土地利用變化的特點，科學、精準地安排土地利用調查、監管和評估。