50年來黃土高塬溝壑區(qū)典型小流域土地利用動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)力分析

陳攀攀,畢華興?,陳智漢,云雷,馬雯靜

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京;2.黃河水利委員會(huì)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站,745000,甘肅慶陽)

50年來黃土高塬溝壑區(qū)典型小流域土地利用動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)力分析

陳攀攀1,畢華興1?,陳智漢2,云雷1,馬雯靜1

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京;2.黃河水利委員會(huì)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站,745000,甘肅慶陽)

以經(jīng)過 50多年水土流失綜合治理的黃土高塬溝壑區(qū)西峰楊家溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象,通過遙感影像解譯并結(jié)合實(shí)地調(diào)查還原的 6期土地利用圖,根據(jù)土地利用面積變化及土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣,對(duì)楊家溝小流域 50多年來的土地利用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明:1)楊家溝小流域 1954—2008年土地利用變化總的趨勢(shì)是林地面積大幅增加,未利用地面積大幅減少,牧草地、園地、居民點(diǎn)及工礦用地也有不同程度的增加;2)土地利用變化的主要方向?yàn)槲蠢玫叵蛄值剞D(zhuǎn)化,耕地、牧草地、居民點(diǎn)及工礦用地面積的增加也主要來自未利用地的開發(fā)利用,園地主要由耕地轉(zhuǎn)化而來;3)政策變動(dòng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口增長(zhǎng)在土地利用變化中起了重要的驅(qū)動(dòng)作用。

土地利用;動(dòng)態(tài)變化;驅(qū)動(dòng)力;黃土高塬溝壑區(qū);楊家溝小流域

脆弱的自然生態(tài)系統(tǒng)加上人類不合理的土地利用,使得黃土高原地區(qū)土壤侵蝕加劇,水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境惡化。自新中國(guó)成立以來,特別是自“七五”以來,國(guó)家投入了大量人力、物力、財(cái)力對(duì)黃土高原水土流失進(jìn)行治理。近年來大力推廣的以小流域?yàn)閱卧木C合治理模式在黃土高原水土流失治理中發(fā)揮著積極的作用[1]。這種積極的人為干預(yù),使流域內(nèi)的土地利用格局發(fā)生了較大變化。20世紀(jì) 90年代以來,土地利用/土地覆被變化(Land Use/Land Cover Change,LUCC)已成為全球環(huán)境變化研究領(lǐng)域的核心內(nèi)容之一[2-3],在黃土高原地區(qū)也進(jìn)行了大量的研究[4-7];但是,針對(duì)小流域水土流失治理過程中引起的土地利用變化的研究還比較欠缺。

南小河溝流域是黃河水利委員會(huì)西峰水土保持試驗(yàn)站選定的治理黃土高原水土流失的試驗(yàn)區(qū)域,是典型的黃土高塬溝壑區(qū),經(jīng)過 50多年的治理,社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等狀況得到了明顯改善,與此同時(shí),土地利用結(jié)構(gòu)也趨于合理。筆者以南小河溝流域的支溝楊家溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用遙感和 GIS技術(shù),對(duì) 20世紀(jì) 50年代中期到 2008年間的土地利用特征進(jìn)行分析,并對(duì)其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行探討,以期為該流域的水土流失綜合治理提供理論支撐,并為相關(guān)部門決策的制訂提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

楊家溝小流域位于甘肅省西峰市境內(nèi),是黃土高塬溝壑區(qū)南小河溝流域的一條支溝,E 110°16′,N 37°33′。集水區(qū)面積 0.87 km2,主溝長(zhǎng) 1500m,溝道比降 8.46%。流域地貌主要有塬面、梁峁坡、溝谷 3種類型。塬面地形平坦,坡度一般在 3°以下,多為農(nóng)耕地;梁峁坡為連接塬面的緩坡帶,坡度一般在7°～20°之間,大部分為牧荒地;梁峁坡以下為溝谷,呈 V字形,坡度一般在 25°以上。流域年平均氣溫9.3℃,多年平均蒸發(fā)量 1503.5mm;年平均降水量556.5mm,降雨主要集中在 6—9月,占全年降水量的67.3%。流域主要覆蓋性土壤是黃土,黏土含量甚微,土質(zhì)松軟。自1952年開始水土流失綜合治理[8-9]。

2 研究方法

2.1 土地利用和土地覆被動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)獲取

選擇楊家溝小流域 2004年的 Quickbird遙感影像以及 1∶2 000實(shí)測(cè)地形圖作為基礎(chǔ)信息源,在ArcGIS 9.2環(huán)境下進(jìn)行人機(jī)交互判讀解譯,獲得了2004年楊家溝小流域土地利用信息(圖 1),以此土地利用信息為基礎(chǔ),通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、訪問調(diào)查以及資料收集查詢等手段,還原出該流域 1954、1964、1980、2000、2004及 2008年 6年的土地利用信息。這 6個(gè)階段的劃分主要是依據(jù)水土保持措施及政策的變化。土地利用分類參考 2007年國(guó)家土地資源分類標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際情況,把楊家溝小流域土地利用類型分為耕地、園地、林地、牧草地、居民點(diǎn)及工礦用地、未利用地 6種類型。另外,在實(shí)際調(diào)查中,進(jìn)一步結(jié)合地貌部位,將耕地分為坡面旱地、塬面旱地、塬面條田和坡面梯田;林地分為坡面有林地、溝谷有林地、塬面疏林地、坡面疏林地、溝谷疏林地、坡面灌木林地和塬面未成林地;居民點(diǎn)及工礦用地分為塬面居民點(diǎn)及溝谷居民點(diǎn);未利用地分為溝坡荒草地、溝谷荒草地、立壁陡崖和紅土瀉溜。

圖 1 2004年楊家溝小流域土地利用現(xiàn)狀圖Fig.1 Land use of Yangjiagou in 2004

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)變化分析方法

區(qū)域土地利用動(dòng)態(tài)變化包括土地利用類型的面積變化、類型轉(zhuǎn)換變化和空間格局演變[10-16]。通過各土地利用類型面積變化、土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣對(duì)楊家溝小流域 1954—2008年的土地利用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析。

1)面積變化首先反映在不同類型的總量變化上。通過分析土地利用類型的總量變化,了解土地利用變化總的態(tài)勢(shì)和土地利用結(jié)構(gòu)的變化。在 Arcgis及 Excel的支持下,對(duì)楊家溝小流域 1954、1964、1980、2000、2004及 2008年 6年的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出楊家溝小流域這 6年的各土地利用類型的面積,并由此計(jì)算出各土地利用類型面積所占的比例。在此基礎(chǔ)上,分析楊家溝小流域1954—2008年土地利用結(jié)構(gòu)的變化。

2)土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣不僅可以定量描述土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況,而且可以揭示不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移,從而更好地了解土地利用的時(shí)空演變過程[17-18]。通過 1954—1964、1964— 1980、1980—2000、2000—2004、2004— 2008年這 5個(gè)時(shí)段研究區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣,進(jìn)一步分析土地利用動(dòng)態(tài)變化特征。

3 土地利用動(dòng)態(tài)變化分析

3.1 土地利用的面積變化分析

楊家溝小流域 6個(gè)時(shí)期各土地利用類型面積比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 1。可以看出:1)楊家溝小流域耕地面積先增加后減少,最多時(shí)于 1964年達(dá)到44.94%。1954—1964年耕地以塬面旱地為主,到1980年則以塬面條田和坡面梯田為主,1980—2000年坡面梯田逐漸減少,而塬面條田面積基本不變,可見退耕還林主要是在坡耕地上進(jìn)行;2)林地面積逐年增加,從 1954年的 0.38%增加到 2008年的41.89%,以坡面有林地和溝谷有林地為主,到 2008年分別占林地總面積的 45.93%和 42.37%,而塬面林地 (包括塬面疏林地和塬面未成林地)僅占1.03%,可見植樹造林措施主要在溝坡進(jìn)行;3)未利用地面積逐年減少,從 1954年的 60.78%減少到2008年的 13.20%,50年代未利用地以溝坡荒草地和溝谷荒草地為主,分別占未利用地面積的58.13%和 28.71%,到 2008年以立壁陡崖為主,占未利用地面積的 60.45%,可見楊家溝小流域比較容易利用的溝坡荒草地和溝谷荒草地已經(jīng)基本上得到開發(fā),剩下的大部分未利用地為立壁陡崖和紅土瀉溜,較難利用;4)居民點(diǎn)及工礦用地從 1954年的0.15%增加到 2008年的 6.35%,以塬面居民點(diǎn)為主,可見居民點(diǎn)及工礦用地多分布在地勢(shì)較為平坦的塬面;5)園地主要是能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的塬面果園,80年代增加迅速,從 2000—2008年所占面積比例基本維持在 2.38%;6)牧草地以坡面人工草地為主,1954—1964年有所增加,而后所占面積比例基本維持在 0.22%。

表1 楊家溝小流域 1954—2008年各期土地利用類型面積比例Tab.1 Area proportion of land-use types in Yangjiagou from 1954 to 2008 %

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化分析

楊家 溝 小 流 域 1954—1964、1964—1980、1980—2000、2000—2004、2004—2008年這 5個(gè)時(shí)段的土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣見表 2～表 6。

表2 楊家溝小流域 1954—1964年土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣Tab.2 Transition p robabilitymatrix of land-use in Yangjiagou from 1954 to 1964 %

表3 楊家溝小流域 1964—1980年土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣Tab.3 Transition p robabilitymatrix of land-use in Yangjiagou from 1964 to 1980

表4 楊家溝小流域 1980—2000年土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣Tab.4 Transition p robabilitymatrix of land-use in Yangjiagou from 1980 to 2000 %

表5 楊家溝小流域 2000—2004年土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣Tab.5 Transition p robabilitymatrix of land-use in Yangjiagou from 2000 to 2004 %

表6 楊家溝小流域 2004—2008年土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣Tab.6 Transition probabilitymatrix of land-use in Yangjiagou from 2004 to 2008 %

從表 2可以看出:1954—1964年,楊家溝小流域土地利用轉(zhuǎn)移概率最高的是未利用地,主要向耕地、林地、牧草地和居民點(diǎn)及工礦用地轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)出概率分別為 10.28%、57.28%、0.36%、0.04%,而耕地、林地、牧草地增加的面積也基本上來自于未利用地的開發(fā)利用?？梢娺@一時(shí)期楊家溝小流域的水土保持措施主要是通過大力開發(fā)未利用地,造林種草,增加植被覆蓋率。

從表 3可以看出:1964—1980年,楊家溝小流域土地利用變化以耕地、林地、未利用地為主。其中,未利用地和耕地主要向林地方向轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)出概率分別為 20.89%、0.95%。林地通過未利用地的開發(fā)和退耕還林增加了一部分面積的同時(shí),也有一部分遭到破壞,成為未利用地,其轉(zhuǎn)出概率為 1.18%?？梢娺@一時(shí)期楊家溝小流域的水土保持措施還是以開發(fā)未利用地,構(gòu)建水土保持林為主。同時(shí),退耕還林政策也取得一定成效。

從表 4可以看出:1980—2000年,楊家溝小流域土地利用面積變化最大的是耕地,大部分耕地轉(zhuǎn)化為園地和居民點(diǎn)及工礦用地,轉(zhuǎn)出概率分別為5.35%和 13.88%。未利用地主要向林地方向轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)出概率為 7.18%?？梢娺@一時(shí)期楊家溝小流域還在繼續(xù)植樹造林,并且,水土保持政策開始考慮到與經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合,以調(diào)動(dòng)農(nóng)民的積極性,因此,一部分耕地被開發(fā)成果園。同時(shí),隨著人口的增長(zhǎng),居民點(diǎn)及工礦用地開始擴(kuò)張。

從表 5和表 6可以看出:2000—2008年,楊家溝小流域土地利用除了林地和未利用地發(fā)生了一些變化外,其他土地利用類型基本上沒變。2000—2004年、2004—2008年 2個(gè)時(shí)段林地面積的增加主要來自于未利用地的開發(fā),轉(zhuǎn)入概率分別為 8.46%和 1.78%,而未利用地減少的面積也基本上都轉(zhuǎn)化為林地。可見,這一時(shí)期楊家溝小流域的水土保持治理生物措施以植樹造林為主。

4 土地利用變化驅(qū)動(dòng)力分析

土地利用和土地覆被變化一般受多種因素的影響,諸如經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、氣候變化和環(huán)境變遷、人口壓力狀況、政策與法規(guī)的干預(yù)等[19]。影響楊家溝小流域土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素主要表現(xiàn)在水土保持政策及經(jīng)濟(jì)社會(huì)方面,在此僅就水土保持政策變動(dòng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)等幾大驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行定性分析。

4.1 水土保持政策調(diào)控

政策是土地利用的直接決策因素。自 1952年開始治理以來,楊家溝小流域水土保持政策主要有4次較大的變動(dòng)。

1954—1964年,楊家溝小流域在 3道防線[9]治理模式的指引下,在塬面的田間道路兩旁及溝坡植樹造林,山坡造林以杏樹(Prunus sibirica L.)為主,溝底營(yíng)造以楊柳(Salix tetradenia Hand.-Mazz)為主的防沖林,同時(shí),在塌積土上栽植生長(zhǎng)迅速的刺槐(Robinia pseudoacacia L.),坡度大的紅土瀉溜面上栽植沙棘(Hippophae rhamnoides L.),溝谷臺(tái)地種植苜蓿(Medicago stativa L.),建立人工割草場(chǎng),并在溝壑區(qū)興修水平梯田;因此,在這段時(shí)期,楊家溝小流域通過開發(fā)未利用地,林草覆蓋率迅速上升,坡面梯田面積也開始增加。

1964—1980年,在中央“北農(nóng)”會(huì)議和延安水土保持會(huì)議的推動(dòng)下,塬面上開始大面積興修水平條田,大搞以楊樹為主的四旁植樹造林,利用廢胡同、澇池、土坑等營(yíng)造小片林田,塬面初步形成林網(wǎng)田,溝壑中辦起了許多林場(chǎng);因此,在這段時(shí)期,楊家溝小流域大部分塬面旱地轉(zhuǎn)化為塬面條田,林地面積繼續(xù)增加。這一時(shí)期,退耕還林政策開始發(fā)揮作用,有 0.95%的耕地轉(zhuǎn)出成為林地。

1980—2000年,十一屆三中全會(huì)以后,農(nóng)村實(shí)行了包產(chǎn)到戶,土地使用權(quán)歸農(nóng)民所有,國(guó)家開始從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)走向商品經(jīng)濟(jì)。這一階段,由于水土流失綜合治理所取得的經(jīng)濟(jì)效益同群眾利益掛鉤,群眾治理積極性增強(qiáng),同時(shí),農(nóng)民有了更大自主權(quán)決定種植品種,可以根據(jù)市場(chǎng)的需求適時(shí)調(diào)整種植結(jié)構(gòu),因此,經(jīng)濟(jì)效益比較好的園地等在楊家溝小流域得到了發(fā)展,有 5.35%的耕地轉(zhuǎn)出成為園地。

2001—2008年,2001年隨著黃河水土保持生態(tài)工程齊家川示范區(qū)項(xiàng)目的實(shí)施,楊家溝小流域的治理又迎來了一個(gè)新高潮。未利用地得到進(jìn)一步開發(fā),林地面積進(jìn)一步增加。

4.2 經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)的影響

經(jīng)濟(jì)、人口因素直接影響土地開發(fā)利用的方向、結(jié)構(gòu)、規(guī)模、布局及效益。一方面,人口的增長(zhǎng)加重了對(duì)耕地及建設(shè)用地的需求,這對(duì) 1954—1964年耕地面積的增加,1954—2008年居民點(diǎn)及工礦用地的不斷增加產(chǎn)生了一定的影響;另一方面,隨著改革開放和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的深化,農(nóng)民為追逐最大經(jīng)濟(jì)效益,調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu),把目光轉(zhuǎn)移到經(jīng)濟(jì)效益較高的果園、苗圃上,開始注重精耕細(xì)作,糧食單產(chǎn)得到提高,導(dǎo)致了一部分耕地面積的減少及園地面積的增加。

5 結(jié)論與討論

1)研究區(qū) 1954—2008年 50多年間土地利用變化顯著。林地面積大幅增加,未利用地面積大幅減少,牧草地、園地、居民點(diǎn)及工礦用地也有不同程度的增加;林地面積比例從 1954年的 0.38%增加到 2008年的 41.89%;未利用地面積比例從 1954年的 60.78%減少到 2008年的 13.20%;牧草地主要在 1954—1964年間有所增加;園地主要在 1980—2000年有所增加;耕地面積在 1954—1964年處于增長(zhǎng)狀態(tài),之后耕地面積不斷減少,但是 1964—1980年塬面條田面積增加迅速。

2)楊家溝小流域土地利用變化的主要方向?yàn)槲蠢玫叵蛄值氐霓D(zhuǎn)化;耕地、牧草地、居民點(diǎn)及工礦用地面積的增加也主要來自未利用地的開發(fā)利用;園地主要由耕地轉(zhuǎn)化而來。

3)影響楊家溝小流域土地利用變化的主要原因是水土保持政策變動(dòng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)等幾大驅(qū)動(dòng)因子的共同作用。未利用地減少與林地、牧草地增加的主要原因是自 1954年開始采取造林種草的水土保持政策;耕地減少和居民點(diǎn)及工礦用地的增加主要原因是經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口增長(zhǎng)的壓力;另外,塬面條田增加的主要原因是 1964—1980年采取的興修水平條田的政策;園地增加主要原因是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的轉(zhuǎn)變。

楊家溝小流域經(jīng)過 50多年的治理,林草面積大幅增長(zhǎng),土地利用結(jié)構(gòu)趨于合理。楊家溝小流域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整之路可以為其他中小流域水土保持治理提供借鑒。另外,研究表明,楊家溝小流域園地、牧草地面積雖然有所增加,但所占比例仍然較低,建議進(jìn)一步把水土保持治理與農(nóng)民的收入結(jié)合起來,提高植被覆蓋率的同時(shí),提高土地生產(chǎn)力,增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入。

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Analysis of dynam ic changes and its driving forces of land use during the past 50 years in a typicalwatershed in the Loess Plateau gully area

Chen Panpan1,Bi Huaxing1,Chen Zhihan2,Yun Lei1,MaWenjing1

(1.College of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education,100083,Beijing;2.Xifeng Soil and Water Conservation Experimental Station,745000,Qingyang,Gansu:China)

Yangjiagou small watershed in Xifeng city of Gansu province was chosen as the study area,which had been taken comprehensivemeasures for erosion control during the past 50 years.Based on remote sense image interpreting and field survey approach,the land-use information of six different petiodswere gotten.Using these datas,the land-use dynamic changes in the past50 yearswere analyzed through land-use area changes and land-use transition probabilitymatrix.Results showed that:1)During the period of 1954 to 2008,the area of forest land was increased greatly and the area of unexploited land was lowered sharply.In addition,the area of grassland,garden land and communication land were increased in different degree;2)Themain changes of land-usewas unexploided land to forest land.In addition,the cultivated land,grassland,communication land were also main ly transformed from the unexploided land and the graden land was mainly transformed form the cultivated land;3)Policy changes,economic development and population growth played important driving roles in land-use changes.

land-use;dynamic change;driving force;Loess Plateau gully area;Yangjiagou small watershed

2009-05-20

2009-11-10

項(xiàng)目名稱:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(“973”項(xiàng)目)“水土流失綜合調(diào)控原理與治理范式”(2007CB 407207)

陳攀攀(1985—),女,碩士研究生。主要研究方向:地理信息系統(tǒng)在水土保持中的應(yīng)用。E-mail:zjfcchpp@163.com

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介:畢華興(1969—),男,教授。主要研究方向:地理信息系統(tǒng)在水土保持中的應(yīng)用。E-mail:bhx@bjfu.edu.cn

(責(zé)任編輯:宋如華)