黃土高原丘陵溝壑區(qū)土地利用與水土保持措施的變化特征*

伍飛舟,楊卓,牛健植,張大偉,張曉明,陳月紅

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院教育部水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083;2.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

土地利用結(jié)構(gòu)是指國民經(jīng)濟(jì)各部門(如農(nóng)、林、牧、副、漁)及其內(nèi)部用地的面積與比例關(guān)系,它反映了一個(gè)地區(qū)土地利用的合理性程度及其生產(chǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展,人口的增加和人類活動(dòng)范圍的擴(kuò)大,使得對(duì)土地不斷增長(zhǎng)的社會(huì)需求與土地資源的有限性、土地利用的不可逆轉(zhuǎn)性之間的矛盾日益顯著,嚴(yán)重限制了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。因此,研究土地利用結(jié)構(gòu)變化對(duì)區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局、土地合理利用具有指導(dǎo)意義[2-4]。

陳利頂?shù)扔煤狡庾g和景觀生態(tài)學(xué)的方法研究了陜北黃土丘陵區(qū)大南溝流域在20世紀(jì)70年代和90年代土地利用結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和變化[5];崔曉奇等以臨汾市為例,研究和探討了黃土高原丘陵區(qū)土地利用變化與人地關(guān)系的演變[6];張曉明等以黃土高原第三副區(qū)橋子?xùn)|、西溝流域?yàn)槔?分析了土地利用變化的水文動(dòng)態(tài)響應(yīng)[7];但關(guān)于該地區(qū)流域的土地利用變化與水土保持措施之間關(guān)系的研究較少,本文針對(duì)這兩者之間的關(guān)系進(jìn)行了專門研究。

黃土高原丘陵溝壑區(qū)的甘肅省天水市羅玉溝流域及呂二溝流域處于農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū),大部分地區(qū)氣候?qū)儆诎霛駶?rùn)區(qū),而農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)或半干旱地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的不合理是造成水土流失的原因之一,因此對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)典型流域土地利用結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究,可以為生境脆弱地帶土地資源的可持續(xù)利用、黃土高原丘陵溝壑區(qū)典型流域土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及土地利用總體規(guī)劃修編工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選擇黃土高原丘陵溝壑區(qū)有代表性的羅玉溝流域和呂二溝流域?yàn)檠芯繀^(qū)。羅玉溝流域位于東經(jīng)105°30′-105°45′,北緯 34°34′-34°40′;屬黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū),是渭河一級(jí)支流藉河的一條支溝。主溝全長(zhǎng)21.8 km,流域呈羽狀,總面積72.79 km2。呂二溝流域?qū)冱S土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū),是渭河一級(jí)支流藉河南岸的一條支流,流域面積12.01 km2,呈狹長(zhǎng)形,似葉舟狀。干溝長(zhǎng)6 800 m,平均寬度1 830 m,海拔1 175～1707 m,相對(duì)高度532 m。流域內(nèi)丘陵起伏,溝壑縱橫,有大小支溝51條,溝壑密度 308 km/km2,平均比降 7.24%,其中坡面面積9.68 km2,占流域總面積的80.7%,大部分在5°～20°;溝壑2.33 km2,占 19.3%。20 世紀(jì)50-60年代是我國水土保持綜合治理的典型流域。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究所需數(shù)據(jù)來源于黃委會(huì)天水水土保持試驗(yàn)站羅玉溝、呂二溝兩個(gè)試驗(yàn)流域1985年、1993年TM影像和2001年ETM+影像圖、水土保持各項(xiàng)措施統(tǒng)計(jì)資料以及現(xiàn)有的水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)站上提供的統(tǒng)計(jì)資料。

2.2 研究方法

采用在某一時(shí)段內(nèi)的變化貢獻(xiàn)率、變化強(qiáng)度指數(shù)和土地利用動(dòng)態(tài)度3項(xiàng)指標(biāo),進(jìn)行時(shí)間尺度上的分析。

2.2.1 變化貢獻(xiàn)率 變化貢獻(xiàn)率是指某類土地利用變化面積占同期土地利用變化總面積的百分比,其計(jì)算式如(1)。

式中:Ai——研究時(shí)段內(nèi)第i種土地利用類型的變化貢獻(xiàn)率(%);Uai、Ubi——研究期初和期末第 i種土地利用類型的面積。

2.2.2 變化強(qiáng)度指數(shù) 變化強(qiáng)度指數(shù)是指某空間單元在研究時(shí)期內(nèi)的土地利用變化面積占其土地總面積的百分比。即

式中:Ti——研究時(shí)段內(nèi)第i種土地利用類型的變化強(qiáng)度(%);U ai、U bi——研究期初和期末第 i種土地利用類型的面積;B——總土地面積。

2.2.3 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用動(dòng)態(tài)度可定量地描述區(qū)域土地利用變化強(qiáng)度,它對(duì)比較土地利用變化區(qū)域差異和預(yù)測(cè)未來土地利用變化趨勢(shì)都具有重要作用。單一的土地利用動(dòng)態(tài)度可表達(dá)區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi),某種土地利用類型的面積變化情況。

式中:Ki——研究時(shí)段內(nèi)第i種土地利用類型的動(dòng)態(tài)度(%);Uai、Ubi——研究期初和期末第i種土地利用類型的面積;T——研究時(shí)段長(zhǎng)[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

在對(duì)羅玉溝、呂二溝兩流域TM、ETM+影像解譯的基礎(chǔ)上,結(jié)合流域?qū)崪y(cè)資料,得到羅玉溝和呂二溝3個(gè)時(shí)段的土地利用結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。從表1可知,羅玉溝流域是典型的農(nóng)林復(fù)合流域,1986年坡耕地、梯田等農(nóng)地占總面積的72.6%,而林草面積占總面積19.3%;2004年坡耕地、梯田等農(nóng)地占總面積的下降到62.4%,而林草面積占總面積上升至31.8%,農(nóng)林草的面積占流域面積的92%。1986-1995年羅玉溝流域土地利用變化面積最大是梯田、林地和坡耕地,其中梯田、林地面積分別增加了2 590.79 hm2和794.11 hm2,占到期間土地利用變化貢獻(xiàn)率的38.44%和11.78%,而期間坡耕地面積下降了3 333.78 hm2,其變化貢獻(xiàn)率達(dá)49.46%。1986—2004年灌木、草地、居民點(diǎn)、裸地等土地利用類型的變化微弱。由此可見,1986-2004年羅玉溝流域土地利用結(jié)構(gòu)變化中起主導(dǎo)作用的是坡耕地向梯田、林地的轉(zhuǎn)換,并且該過程主要發(fā)生在1986-1995年。

從表2可知,①1982-1989年呂二溝土地利用類型中面積增加的是裸地、林地、居民點(diǎn)和梯田,其中林地的增加量最大,面積減少的是草地、灌木和坡耕地,其中灌木減少的最大。②1989-2004年呂二溝土地利用類型中面積增加的是林地、居民點(diǎn)和坡耕地。其中林地的增加量最大。面積減少的是草地、灌木和梯田,其中草地減少得最大。以上結(jié)果反映出呂二溝土地利用結(jié)構(gòu)變化中起主導(dǎo)作用的土地利用類型是林地、灌木和草地。

表1 1986-2004年羅玉溝流域土地利用結(jié)構(gòu)變化

表2 1982-2004年呂二溝流域土地利用結(jié)構(gòu)變化

表3 1982-1989年土地利用類型的單一土地利用動(dòng)態(tài)度

表4 土地利用類型的單一土地利用動(dòng)態(tài)度

3.2 土地利用的空間分布

表3為羅玉溝、呂二溝土地利用類型的單一土地利用動(dòng)態(tài)度。由表3可知:羅玉溝坡耕地的減少幅度比較大,林地和梯田增加;裸地、草地、居民點(diǎn)和灌木年度變化都不大,沒有超過1%;呂二溝灌木用地的減少幅度比較大,裸地、林地、居民點(diǎn)用地增加,其中居民點(diǎn)用地增加幅度比較大。

表4為1995-2004年羅玉溝,1989-2004呂二溝土地利用類型的單一土地利用動(dòng)態(tài)度。由表4可知:羅玉溝坡坡耕地的減少幅度比較大,年遞減率為1.26%,林地和居民點(diǎn)用地增加;林地、草地和梯田年度變化都不大,沒有超過1%;呂二溝灌木用地的減少幅度比較大,年遞減率為3.93%,林地、居民點(diǎn)和坡耕地增加,其中林地增加幅度比較大,年遞增率為2.22%。

3.3 水土保持措施變化

3.3.1 羅玉溝流域水土保持措施變化 截止1983年底,羅玉溝水土保持措施結(jié)構(gòu)中主要以梯田、川旱地措施和林果措施為主,人工草地措施為輔(表5)。羅玉溝流域水土保持初步治理面積為15.8 km2,占流域面積的21.7%,其中農(nóng)田治理面積8.31 km2(梯田7.79 km2,川旱地0.49 km2),占耕地面積 42.77 km2的19.4%。造林面積6.79 km2,其中以刺槐為主的成林地3.27 km2,幼林地2.77 km2,經(jīng)濟(jì)果園0.72 km2,苗圃地 0.04 km2。種草面積0.67 km2。

對(duì)比羅玉溝流域1990年和2000年的水土保持措施結(jié)構(gòu)可知,羅玉溝在這10 a當(dāng)中將水土保持工程措施的重點(diǎn)放在修建水平梯田和地埂上面,澇池、谷坊、引洪漫地、沼澤地排水都有了明顯的發(fā)展,河堤和簡(jiǎn)易公路的修建則表現(xiàn)為停滯不前。

表5 1983年底羅玉溝流域各項(xiàng)水土保持措施比例

表6 羅玉溝流域1990年與2000年水土保持工程措施對(duì)比

3.3.2 呂二溝流域水土保持措施變化 呂二溝流域從20世紀(jì)50年代初期開始進(jìn)行治理,該時(shí)期的治理主要是修建地埂、澇池、造林,其余措施如人工種草等也在實(shí)行,但是效果不顯著,這與當(dāng)時(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及政策有關(guān),表7為呂二溝流域1953-1958年治理情況。

表7 呂二溝流域1953-1958年水土保持措施情況

20世紀(jì)60年代呂二溝流域的水土保持措施結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出以工程措施為主,其他措施為輔的勢(shì)態(tài)。到了80年代,將水土保持措施的重點(diǎn)放在了修建梯田、林地和封坡育種上面,工程和林草措施在該時(shí)期的水土保持措施結(jié)構(gòu)中占據(jù)了主導(dǎo)地位,果園、人工牧草的面積相對(duì)減少。表8為呂二溝流域1954-1989年各時(shí)段的林草措施分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)面積。

3.4 土地利用與水土保持措施的變化關(guān)系

土地是人類賴以生存的基本條件,人類在土地上進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的同時(shí),必須高度重視水土保持工作,并施以相應(yīng)的科學(xué)、有效的保護(hù)措施,才能使土地資源得以永續(xù)利用。因此,在研究區(qū)域內(nèi)的水土保持措施結(jié)構(gòu)的變化也是隨著土地利用結(jié)構(gòu)變化而變化的[9]。

表8 呂二溝流域林草措施分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)面積 hm2

羅玉溝流域和呂二溝流域近幾十年來水土保持措施的工作重點(diǎn)都放在修梯田和造林上。同時(shí),這兩個(gè)流域的土地利用結(jié)構(gòu)變化體也都體現(xiàn)在梯田面積和林地面積的顯著增加。因此,可以很好地說明:土地利用結(jié)構(gòu)變化與水土保持措施結(jié)構(gòu)變化之間聯(lián)系是密不可分的,彼此相互影響、相互制約。

3.5 土地利用變化驅(qū)動(dòng)力分析

土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力由自然條件作用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩方面作用所組成。

3.5.1 自然因素 自然環(huán)境條件的驅(qū)動(dòng)作用主要體現(xiàn)在地形的限制作用上,從遙感影像圖上可以看出,居民點(diǎn)及工礦用地一般沿著河流兩岸和交通便利的道路分布,耕地也是分布在居民區(qū)附近或地勢(shì)平坦的地區(qū),而林地則布滿了研究區(qū)。因此,該流域的城鎮(zhèn)建設(shè)用地及耕地的擴(kuò)展明顯地受到地形的限制。林地變化也與地形條件有關(guān):海拔較高的林地由于人類的可及度差,人為活動(dòng)影響較小;而山腳一些坡度較平緩的林地則受人類影響較大。由于短時(shí)期內(nèi)的土地利用變化主要是社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響所致,自然因素的影響甚微,所以本研究主要考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因子[10]。

3.5.2 人口因素 人口是社會(huì)經(jīng)濟(jì)中最重要的因素,也是最具活力的土地利用的驅(qū)動(dòng)力。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,使得大量農(nóng)村人口涌入城鎮(zhèn),建設(shè)用地的需求快速增加。然而,在土地總量有限的前提下,建設(shè)用地面積地增加必然會(huì)占用大量農(nóng)地為代價(jià)。因此,人口因素在影響區(qū)域土地利用變化上,起到了至關(guān)重要的作用。

3.5.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素 經(jīng)濟(jì)發(fā)展是土地利用結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)力。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,必然需要占用一定量的農(nóng)用地,變成城鎮(zhèn)及工礦用地和交通用地。相應(yīng)地,在羅玉溝和呂二溝流域土地利用結(jié)構(gòu)中,耕地等農(nóng)用地的比重在下降,而居民點(diǎn)等建設(shè)用地的比重呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

另外,受比較經(jīng)濟(jì)利益作用的影響,不同土地利用類型的產(chǎn)出效益的差異明顯,因此在土地利用結(jié)構(gòu)類型上就表現(xiàn)在農(nóng)用地內(nèi)部、農(nóng)用地向非農(nóng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化等現(xiàn)象。近年來,由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的上升較快,而種糧收益明顯減少,因此,農(nóng)業(yè)地用途轉(zhuǎn)移或者棄耕現(xiàn)象成為必然[11]。市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下,隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化,引起土地資源在產(chǎn)業(yè)上重新分配,進(jìn)而導(dǎo)致了土地利用結(jié)構(gòu)的變化。

3.5.4 國家政策因素 在人為因素中,國家的方針政策對(duì)土地利用變化起著主導(dǎo)并且直接的作用,它通過地權(quán)制度、經(jīng)營(yíng)機(jī)制、價(jià)格制度等直接影響土地利用的結(jié)構(gòu)。在不同的政治經(jīng)濟(jì)政策的影響之下,土地利用也發(fā)生明顯的變化。

研究區(qū)域?yàn)槲覈齿^脆弱的地區(qū),生態(tài)問題比較突出,因此,這里一直是我國政府大力投資進(jìn)行重點(diǎn)治理的對(duì)象,尤其隨著西部開發(fā)工程的實(shí)施,提出防治土地荒漠化、退耕還林還草、以小流域治理為重點(diǎn)的綜合治理的政策措施,在土地利用變化上表現(xiàn)為一部分坡耕地和梯田轉(zhuǎn)化為林地。

4 結(jié)論

(1)在研究時(shí)段內(nèi),羅玉溝流域林地和梯田的面積均有顯著增加,坡耕地面積顯著減少,其余土地類型面積變化不大,這與該流域采取以梯田、川旱地和林果為主、人工草地為輔的水土保持措施后出現(xiàn)的結(jié)果是一致的。

(2)呂二溝流域林地面積增加明顯,而草地和灌木面積急劇萎縮,其他土地利用方式面積均有小幅變化。這與呂二溝流域修建梯田、林地和封坡育種的水土保持措施密不可分。

(3)在影響土地利用結(jié)構(gòu)變化的各個(gè)驅(qū)動(dòng)因子當(dāng)中,社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)于土地利用變化的影響較大。由于人口的增加、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,以及社會(huì)政策、制度的改變,土地利用結(jié)構(gòu)隨之改變。研究區(qū)域內(nèi)的水土保持措施隨著區(qū)域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)的變化而變化。

[1] 包浩生.自然資源簡(jiǎn)明詞典[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,1993.

[2] 劉立誠.新疆土地類型結(jié)構(gòu)及其合理利用[J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào),1994,11(1):91-96.

[3] Zhou Yong,Wang Shan-qin,DONG Yuan-hua,et al.Design and app lications of land resources and eco logical environment in formation system:A Case Study of ZiguiCounty in the Three Gorges A rea of China[J].Pedosphere,2002,12(4):373-381.

[4] 陳軍偉,孔祥斌,張鳳榮,等.基于空間洛倫茨曲線的北京山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,11(4)71-74.

[5] 陳利頂,傅伯杰,王軍.黃土丘陵區(qū)典型小流域土地利用變化研究:以陜西延安地區(qū)大南溝流域?yàn)槔齕J].地理科學(xué),2001,21(1):46-51.

[6] 崔曉奇,郭長(zhǎng)江,張愛國.黃土高原丘陵區(qū)土地利用變化與人地關(guān)系演變研究:以臨汾市為例[J].山西師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,20(3):73-77.

[7] 張曉明,余新曉,武思宏,等.黃土丘陵溝壑區(qū)典型流域土地利用/土地覆被變化水文動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(2):414-423.

[8] 王夏琰,劉學(xué)錄.甘肅省土地利用結(jié)構(gòu)變化及其驅(qū)動(dòng)力分析[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,8(4):97-102.

[9] 龔潔.九龍江流域土地利用與水土保持[J].福建水土保持,2002,14(1):18-20.

[10] 亓興蘭,李寶銀,劉健.基于RS閩江流域土地利用結(jié)構(gòu)變化及其驅(qū)動(dòng)力分析[J].林業(yè)勘察設(shè)計(jì),2007(2):12-17.

[11] 鄧紅兵,王英明,張巧顯.江西省土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力定量研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(6):933-938.