黃土高塬溝壑區城郊型小流域土地利用/覆被時空變化特征研究

［關鍵詞］土地利用；時空變化；城郊型小流域；紙坊溝；平涼市；黃土高塬溝壑區

［摘要］為了給黃土高塬溝壑區城郊型小流域水土資源高效利用和區域生態經濟高質量發展提供科學依據，對平涼市紙坊溝小流域在水土流失綜合治理過程中的土地利用/覆被變化規律進行了研究。以Landsat影像、無人機影像為主要數據源，結合歷史整編數據結果和實地核查，獲取紙坊溝流域1963—2023年4期土地利用分類信息，引入土地利用動態度、轉移矩陣，定量分析其土地利用時空變化規律，結果表明：1963—2023年，林地、耕地、草地和住宅用地呈正向動態變化，動態變化率分別為13.67%、0.25%、0.13%和0.11%，其他土地、園地和工礦倉儲用地呈反向動態變化，動態變化率分別為-1.66%、-1.38%和-1.12%，特殊用地、交通運輸用地基本沒有變化，土地利用動態度普遍降低，土地利用變化趨于平穩；土地利用變化表現為其他土地面積減少，林地、草地面積增加，林地轉入面積最為顯著，整體增加352.60hm2，草地面積整體增加36.76hm2；水土資源高效利用是紙坊溝小流域土地利用變化的重要驅動因素，探索出的以“生態清潔示范、高效灌草栽培、水保科學研究、生態觀光旅游”為一體的城郊型水土保持生態示范小流域，為“水土保持+鄉村振興”發展模式提供了寶貴經驗和借鑒價值。

［中圖分類號］S157[文獻標識碼]ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.07.014

［引用格式］王可壯，段義字，劉進德，等.黃土高塬溝壑區城郊型小流域土地利用/覆被時空變化特征研究：以平涼市紙坊溝為例[J].中國水土保持，2024（7）：48-52.

平涼市地處隴東黃土高塬溝壑區，是黃土高原水土流失較為嚴重的地區[1]，長期的水力、重力、風力等自然侵蝕，以及不合理的土地利用方式帶來的人為加速侵蝕，使得該區呈現溝頭前進、溝岸擴張、地表支離破碎、溝壑縱橫且坡陡谷深的顯著地貌特征，同時下墊面植被覆蓋狀況較差，區域生態環境條件極為脆弱，嚴重制約著當地經濟、社會的發展[2-3]。城郊型小流域作為城市與鄉村的紐帶，是城鄉物質和能量交流的通道，受人為因素和自然因素的雙重干擾，其環境所受的壓力既高于農村又高于城市，在水土流失特點和水土保持形式上也表現出相應的邊緣效應[4]。

土地利用變化是人類活動對自然環境影響最為直接的表現形式，下墊面覆被時空變化能夠對區域氣候、地表物質循環、水文循環、生物多樣性、生態環境演變及人類生產生活產生顯著影響[5-6]。對土地利用/覆被時空變化特征分析即是對土地利用的結構、布局、程度、治理效果及存在問題進行的相關分析[7-8]。土地利用/覆被時空變化及驅動因素大多以長江流域、黃河流域等大尺度區域為研究區[9-10]，對小尺度黃土高塬溝壑區研究較少[11]，以城郊型小流域為研究范圍則更是鮮有報道。因此，本研究以平涼市城郊型小流域紙坊溝為研究對象，應用ENVI和ArcGIS等軟件，結合整編成果和野外現場調查，對1963—2023年多期遙感影像進行解譯，獲得流域土地利用現狀、土地利用類型轉移矩陣，對流域近60a來土地利用結構的動態演化進行系統分析，以探究紙坊溝多年土地利用動態變化及驅動因素，為城郊型小流域水土資源高效利用和區域生態經濟高質量發展提供科學依據。

1研究區概況

紙坊溝位于平涼市中心城區南部，地理坐標為106°36′06″～106°40′42″E、35°26′52″～35°32′05″N，屬黃河流域渭河水系涇河上游支流，發源于六盤山—太統山脈的虎狼山，自西南往東北流經崆峒區崆峒鎮、峽門鄉、柳湖鄉，總面積18.98km2[12]。屬北溫帶半干旱大陸性季風氣候區，年均氣溫8.9℃，年均降水量516.4mm，6—9月降水量占全年降水量的70.7%[13]。地形地貌按自然形態分為上游土石山區、中游黃土丘陵溝壑區、下游黃土殘塬溝壑區，丘陵、殘塬面積占80.9%，有黑壚土、草甸土、紅黏土、黃綿土、新積土五類土壤[14]。

2數據來源及研究方法

2.1數據來源及預處理

本研究使用的數據分1963年、1983年、2003年和2023年4期，其中：1963年的數據源為平涼市水土保持科學研究所（1955—1982年）紙坊溝流域水土保持徑流泥沙整編成果；1983年、2003年數據為基于地理空間數據云Landsat4TM影像和Landsat7TM影像獲取1983年、2003年2期空間分辨率為30m的遙感數據；2023年數據來源為空間分辨率為0.5m的無人機影像。

以ENVI5.3為技術平臺，對3期（1983年、2003年、2023年）遙感影像進行預處理，包括幾何校正、波段融合和研究區裁剪，在ArcGIS軟件中用最大似然法分別對不同時期的遙感影像進行解譯，獲取土地利用信息，結合野外實地調查，利用GPS進行樣點定位，記錄樣點土地類型及特征，用于遙感影像解譯精度驗證。根據第三次全國土地調查結果，結合《土地利用現狀分類》（GB/T21010—2017），最終將研究區劃分為耕地、園地、林地等9個一級類和旱地、果園等12個二級類，分類結果見表1。

2.2研究方法

2.2.1土地利用動態度

土地利用動態度定量描述研究區各土地利用類型在一定時間內的變化速度，可以清晰地表征某一土地利用類型在某一時段內的數量變化情況和變化速率[15-17]。公式為

K=An-AmAm×1T×100%（1）

式中：K為研究區內某一土地利用類型在m-n時段內的動態度指數；Am和An分別為在m、n兩個時間點某一土地利用類型的面積，單位hm2；T為研究時長，單位a。

2.2.2土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是某一時期某一區域各土地利用類型之間相互轉化的動態過程信息[18-19]。

王可壯等：黃土高塬溝壑區城郊型小流域土地利用/覆被時空變化特征研究

形式源于系統分析中對于系統表現狀態與不同狀態轉移之間的定量描述，綜合而具體地反映出該變化所具有的結構特征與不同土地利用類型間的轉移方向。基于轉移矩陣研究剖析各土地利用類型間的轉換關系，可以清晰刻畫出不同土地利用類型的變化特征和轉換方向[20]。公式為

Sij=S11…S1n

Sn1…Snn（2）

式中：Sij為研究初期與末期由類型i轉化為類型j的面積，單位hm2；n為土地利用類型數量。

3結果與分析

3.1土地利用時空變化分析

對紙坊溝小流域1期調查數據和3期遙感影像進行解譯，得到流域1963年、1983年、2003年、2023年各土地利用類型面積，見表2。

由表2可知，60多a來紙坊溝小流域土地利用朝著多樣化、復雜化方向發展，土地利用類型以耕地、草地和林地為主導，其次是住宅用地和其他土地。從面積占比來看，其他土地、林地、耕地3種類型的變化幅度較大，其他類型的變化幅度較小或基本維持不變[21]。分析土地利用變化情況可知，1963年研究區耕地、草地、其他土地為基質景觀，占總面積的86.67%，與其他6種土地利用類型相比都占絕對優勢；2023年

研究區耕地、林地、草地為基質景觀，占總面積的92.16%，與其他6種土地利用類型相比都占絕對優勢。其中，其他土地占比由23.18%減少到0.13%，主要是紙坊溝流域對水土保持和生態修復的重視，加大了對荒山荒坡的林草種植，林地占比由2.27%提高到20.84%。

3.2土地利用動態度分析

土地利用動態度反映了某一個土地利用類型在某一時期的年均變化率，能夠反映土地利用在該時期的變化劇烈程度[22]。對紙坊溝小流域1963—1983年、1983—2003年、2003—2023年共3期土地利用動態度分析，發現林地、其他土地表現出較高的變化速率，園地、草地、工礦倉儲用地、耕地次之，住宅用地、特殊用地、交通運輸用地變化速率較低。其中，林地表現出明顯的正向動態變化，在1963—1983年最為明顯，動態度達到21.73%，1983—2003年、2003—2023年動態度分別為1.10%和2.05%，說明林地面積一直處于增加狀態。相反，其他土地表現出明顯的負向動態變化，1963—1983年、1983—2003年、2003—2023年動態度分別為-3.55%、-1.40%、-4.86%，即其他土地面積一直處于減少狀態。耕地、園地處于先增加后減少狀態，草地處于先減少后增加狀態，特殊用地、交通運輸用地較穩定，見表3。

3.3土地利用轉移矩陣分析

土地利用動態變化不僅體現在不同土地利用類型數量特征上的變化，而且更為重要的是體現不同土地利用類型之間的相互轉換特征，本研究針對紙坊溝小流域1963年、1983年、2003年、2023年土地利用數據進行兩兩疊加計算，得到土地利用轉移矩陣結果，見表4、表5、表6。

由表4可知，1963—1983年林地、耕地、園地、住宅用地面積增加，其他土地、草地面積減少，土地利用類型變化面積343.93hm2。其他土地是主要的轉出土地利用類型，轉出面積312.00hm2，分別向林地、耕地、園地、住宅用地轉移154.97、109.80、41.26、5.97hm2；草地作為另一轉出土地利用類型，向林地轉移31.93hm2。工礦倉儲用地、特殊用地、交通運輸用地基本無變化。

由表5可知，1983—2003年林地、耕地面積增加，其他土地、草地、園地面積減少，土地利用類型變化面積96.50hm2。其他土地、草地、園地是主要的轉出土地利用類型，其中：其他土地轉出面積35.93hm2，分別向林地、耕地轉移25.93、10.00hm2；草地轉出面積30.57hm2，分別向林地、耕地轉移24.77、5.80hm2；園地向耕地轉移30.00hm2。工礦倉儲用地、住宅用地、特殊用地、交通運輸用地基本無變化。

由表6可知，2003—2023年林地、草地、住宅用地面積增加，其他土地、園地、耕地、工礦倉儲用地面積減少，土地利用類型變化面積215.91hm2，其他土地、園地、耕地是主要的轉出土地利用類型。其他土地向草地轉出89.58hm2；園地轉出面積78.55hm2，分別向林地、草地轉移71.23、7.32hm2；耕地向林地轉移43.77hm2；工礦倉儲用地轉出面積4.01hm2，分別向草地、住宅用地轉移2.36、1.65hm2。特殊用地、交通運輸用地基本無變化。

4結論與討論

4.1結論

1）1963—2023年，耕地、草地、林地是紙坊溝小流域主要的土地利用類型，占比由1963年的65.76%增加到2023年的92.16%，其他土地得到合理規劃利用，占比由1963年的23.18%減少到2023年的0.13%。整個研究時期，從土地利用動態度變化來看，林地表現出較明顯的正向動態變化，在1963—1983年動態變化最為明顯，動態度達到21.73%；耕地和草地變化速率中等，整體呈正向動態變化；其他土地表現出較明顯的反向動態變化，在2003—2023年動態變化最為明顯，動態度達到-4.86%；從土地利用動態度看，各地類動態度數值普遍呈減小趨勢，說明土地利用變化逐漸趨于平穩。

2）土地利用類型間的相互轉化主要表現在其他土地和林地、其他土地和耕地、其他土地和園地、其他土地和住宅用地、草地和林地、草地和耕地、草地和園地、園地和耕地、園地和林地、林地和耕地、工礦倉儲用地和住宅用地間的轉換。1963—2023年其他土地轉出面積最為顯著，主要向林地、耕地、草地、園地轉出437.51hm2，林地轉入面積最為顯著，增加352.60hm2，說明水土保持是紙坊溝小流域其他土地開發利用、林地和草地大面積增加的主要因素。

4.2討論

平涼市水土保持科學研究所自1954年成立以來，對紙坊溝小流域按照流域自然規律和社會經濟發展狀況，運用新思維、新理論、新技術、新工藝，因地制宜，從20世紀60年代開展以小型水保工程和荒坡造林為主的初步綜合治理，到20世紀80年代的坡改梯，再到21世紀的小流域水土資源高效利用，使其他土地面積從1963年的440.00hm2減少到2023年的2.49hm2，土地資源得到高效利用，林地面積也由1963年的43.00hm2增加到2023年的395.60hm2，植被覆蓋率大幅提高。

紙坊溝小流域經過近60a的綜合治理和水土資源高效開發利用實踐，林草始終發揮主導優勢，為流域生態文明和區域經濟協調可持續發展提供了良好保障。同時，對流域水土資源進行了有效調控，蓄水、保土、攔泥、增地、減災、提質增效，發展生態農業、高效農業，探索出了集“生態清潔示范、高效灌草栽培、水保科學研究、生態觀光旅游”為一體的城郊型水土保持科技示范小流域。紙坊溝小流域生態環境的高質量發展，是水土保持工作高質量推進的必然結果，也是紙坊溝產業調整和政策促進的必然選擇。

［參考文獻］

[1]郭小雪，田鵬，杜敏，等.黃土高塬溝壑區典型小流域不同雨型水沙關系特征[J].中國水土保持科學，2022，20（6）：1-7.

[2]金釗，彭建兵，莊建琦，等.黃土塬溝道侵蝕擴張機理與固溝保塬工程的科學性[J].中國科學：地球科學，2023，53（4）：806-822.

[3]袁和第，信忠保，侯健，等.黃土高原丘陵溝壑區典型小流域水土流失治理模式[J].生態學報，2021，41（16）：6398-6416.

[4]陳建榮.城郊型流域治理優化模式設計研究：以蘭州市南郊西果園流域為例[J].冰川凍土，2009，31（2）：357-363.

[5]ALFREDA，KWAMEA，ARTHURQB.Waterbalanceresponsestolanduse/landcoverchangesinthePraRiverBasinofGhana，1986-2025[J].Catena，2019，182：104129-104141.

[6]涂雯，吳靜雯，馬理輝，等.水土保持措施驅動村域土地利用景觀格局變化：以米脂縣高西溝村為例[J].水土保持學報，2023，37（3）：147-154.

[7]DESTAH，FETENEA.LanduseandlandcoverchangeinLakeZiwaywatershedoftheEthiopianCentralRiftValleyRegionanditsenvironmentalimpacts[J].LandUsePolicy，2020，96（1）：104682-104694.

[8]盧德彬，禹真，毛婉柳，等.基于GIS和分形理論的山區土地利用空間結構研究[J].水土保持研究，2016，23（2）：220-223，228.

[9]殷允可，李昊瑞，張銘，等.不同氣候區生態系統服務權衡空間異質性及其驅動因素：以川滇-黃土高原生態屏障帶為例[J].生態學報，2024，44（1）：107-116.

[10]張成揚，趙智杰.近10年黃河三角洲土地利用/覆蓋時空變化特征與驅動因素定量分析[J].北京大學學報（自然科學版），2015，51（1）：151-158.

[11]梁越，秦偉，張勤，等.多時間尺度小流域侵蝕產沙對土地利用/覆被格局的變化響應[J].農業工程學報，2023，39（8）：155-166.

[12]宋永鋒，汝海麗，姚西文.平涼市紙坊溝小流域壩系工程效益分析[J].中國水土保持，2022（8）：68-70.

[13]祁文燕，錢鞠，陳建龍，等.紙坊溝流域坡面尺度土壤水分特征及其影響因素[J].灌溉排水學報，2017，36（增刊2）：72-77.

[14]段義字，王可壯，韓芬，等.平涼市紙坊溝城郊型生態清潔流域建設實踐與探索[J].水利規劃與設計，2021（5）：41-42，52.

[15]陳相標，丁文榮.滇中高原湖泊流域土地利用變化及生態系統服務功能[J].水土保持研究，2022，29（3）：205-212.

[16]衛寶立，王琳，展二鵬.基于RS和GIS的濱州城區土地利用變化研究[J].水土保持通報，2017，37（4）：138-142，346.

[17]HOULangong，LIUTao，HEXiaoqin.TheevolutionoflandspatialpatterninChengduduringtheperiodofrapidurbanizationfromtheperspectiveoflandfunction[J].JournalofResourcesandEcology，2023，14（2）：410-422.

[18]李帥呈，龔健，楊建新，等.蘭西城市群土地利用/覆被變化模式特征：基于強度分析框架[J].資源科學，2023，45（3）：480-493.

[19]程江浩，毛斯楠，張燕杰.1980—2020年青藏高原土地利用變化強度及穩定性分析[J].高原科學研究，2023，7（1）：47-57.

[20]魏曉霞.烏江北源流域土地利用變化模式圖譜分析[J].銅仁學院學報，2018，20（3）：86-93.

[21]張云亮，曾建軍，胡想全，等.基于土地轉移矩陣的疏勒河中游土地利用變化研究[J].人民長江，2017，48（21）：34-39.

[22]李云鵬，梁勇，吳凱，等.濟南市長清區2011—2020年土地利用變化時空分異特征及其成因[J].山東國土資源，2023，39（7）：58-65.

收稿日期：2023-08-04

基金項目：平涼市重點研發計劃項目（PL-STK-2022A-071）

第一作者：王可壯（1986—），男，甘肅靖遠人，高級工程師，碩士，主要從事水土保持科研及規劃工作。

E-mail：534277931@qq.com

（責任編輯楊傲秋）