基于RS、GIS的內(nèi)陸河小流域土地利用動(dòng)態(tài)變化分析:以民樂(lè)縣童子壩河流域?yàn)槔?/h1>

2012-07-26 10:58:44胡廣錄王志洋張濟(jì)世

中國(guó)水土保持訂閱 2012年9期 收藏

關(guān)鍵詞：童子覆蓋度林地

胡廣錄，王志洋，張濟(jì)世

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅蘭州730070)

水土流失已成為全球性的環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的生存與發(fā)展，是生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一［1］。甘肅省張掖市民樂(lè)縣童子壩河流域?qū)傥覈?guó)第二大內(nèi)陸河黑河水系，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，受自然和人為因素的影響，流域上游林區(qū)的水資源涵養(yǎng)能力下降、地表水資源銳減、山地及山前平原的水力侵蝕和北部荒漠區(qū)的風(fēng)力侵蝕逐年增加，嚴(yán)重威脅到流域中下游人民群眾的生產(chǎn)和生活，影響經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)安全穩(wěn)定。2000年9月，童子壩河流域水土流失綜合治理工程被列為中央財(cái)政內(nèi)專(zhuān)項(xiàng)資金水土流失治理項(xiàng)目，該工程分5年實(shí)施，主要建設(shè)內(nèi)容有退耕還林(草)、梯(條)田建設(shè)、經(jīng)濟(jì)林建設(shè)、防風(fēng)固沙林帶建設(shè)、苗木培育基地建設(shè)、群井匯流工程建設(shè)和河道綜合整治等［2］。項(xiàng)目實(shí)施后，累計(jì)治理水土流失面積122.73 km2，占水土流失面積的49.8%，植被覆蓋度達(dá)到了23%，初步形成了工程措施、生物措施、農(nóng)耕措施相結(jié)合，生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益相協(xié)調(diào)的綜合防治體系，對(duì)改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、防風(fēng)固沙起到了積極的作用。

有關(guān)小流域綜合治理的模式、經(jīng)驗(yàn)、效益評(píng)價(jià)以及綜合治理引起的土地利用結(jié)構(gòu)變化等方面的研究國(guó)內(nèi)外已有諸多文獻(xiàn)報(bào)道，但涉及內(nèi)陸河小流域的研究相對(duì)較少。童子壩河流域綜合治理模式在內(nèi)陸河小流域具有代表性和典型性［3］。為了全面科學(xué)地評(píng)價(jià)水土流失綜合治理工程項(xiàng)目實(shí)施后，流域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)的變化情況，本文以童子壩河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，在RS、GIS技術(shù)支持下，以2000年和2007年的遙感影像為信息源，并結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查資料，對(duì)童子壩河流域的土地利用類(lèi)型及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，旨在揭示水土流失綜合治理工程項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)童子壩河流域土地利用結(jié)構(gòu)的影響，以期為內(nèi)陸河小流域開(kāi)展水土保持工作與合理規(guī)劃利用土地資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

民樂(lè)縣位于河西走廊中段，南臨祁連山，北靠戈壁荒灘。童子壩河流域地處民樂(lè)縣境東部，地理坐標(biāo)100°15'—101°02'E，37°59'—38°50'N。西與洪水河流域相鄰，東與山丹縣交界，南至祁連山峨博嶺，北至東樂(lè)灘與甘州區(qū)接壤。流域地形南高北低，海拔在1589—5027 m，流域面積475.86 km2，水土流失面積246.5 km2。童子壩河流域的南部山區(qū)海拔在2800 m以上，為祁連山淺山區(qū)和低山丘陵區(qū);中部地勢(shì)平坦，氣候冷涼，為農(nóng)業(yè)耕作區(qū);北部干旱少雨，為風(fēng)蝕荒漠戈壁平原區(qū)。流域多年(1958—2007)平均降水量320 mm左右，年徑流量為7375萬(wàn)m3，年蒸發(fā)量達(dá)1640 mm，年平均氣溫2～4℃，年均日照時(shí)數(shù)2932 h，平均風(fēng)速2.8 m/s?？偟臍夂蛱攸c(diǎn)是:光能豐富日照多，降水集中總量少，熱量不足溫差大，干旱冷凍常發(fā)生。童子壩河流域內(nèi)有4個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))66個(gè)村7.2萬(wàn)人，耕地面積138.6 km2，適于糧油作物和林果生長(zhǎng)。

2 研究方法

2.1 空間信息提取

以經(jīng)過(guò)系統(tǒng)預(yù)處理和系統(tǒng)輻射校正的2000年(治理前)和2007年(治理后)的民樂(lè)縣Landsat TM遙感影像作為信息源(軌道編號(hào)133/033，空間分辨率30 m×30 m)，其成像時(shí)間分別為當(dāng)年6月中旬和7月上旬，此時(shí)植物生長(zhǎng)旺盛，影像信息豐富，容易判讀。先使用erdas8.6軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何精校正，再以GPS實(shí)地調(diào)查結(jié)果作為斑塊屬性引導(dǎo)進(jìn)行影像目視解譯，目視解譯用Arcview3.3完成，解譯顯示精度控制在1∶10000，然后在ArcGIS 9.0軟件中完成矢量數(shù)據(jù)的拓?fù)?，形成研究區(qū)的土地利用類(lèi)型圖，并用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理。按照我國(guó)土地利用分類(lèi)體系和張掖市土地利用類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)，考慮童子壩河流域土地利用現(xiàn)狀和土地資源特點(diǎn)，將整個(gè)研究區(qū)的土地利用類(lèi)型分為13類(lèi):丘陵旱地、平原旱地、有林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地、低蓋度草地、水庫(kù)坑塘、灘地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地、戈壁和裸土地。根據(jù)本文的研究需要，將土地利用類(lèi)型再重新合并為耕地(丘陵旱地、平原旱地)、林地(有林地、疏林地)、高蓋度草地、中蓋度草地、低蓋度草地、水域(水庫(kù)坑塘、灘地)、建設(shè)用地(農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地)和未利用土地(戈壁和裸土地)8類(lèi)(詳見(jiàn)表1)。

表1 2000—2007年童子壩河流域土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)變化

土地利用變化的速度可以通過(guò)土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)定量描述。單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度是指研究區(qū)域在一定時(shí)間間隔內(nèi)土地利用類(lèi)型面積的變化速度，可反映單一土地利用類(lèi)型面積的年變化情況。其表達(dá)式為

式中:ua、ub分別為研究期初和研究期末某一種土地利用類(lèi)型的數(shù)量;t為研究期時(shí)段長(zhǎng)，當(dāng)t設(shè)定為年時(shí)，k為研究時(shí)段內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的年變化率。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化分析

區(qū)域土地利用類(lèi)型的變化幅度主要體現(xiàn)在不同土地利用類(lèi)型的面積總量變化上，可提供區(qū)域土地利用變化總態(tài)勢(shì)和土地利用結(jié)構(gòu)變化信息［4］。對(duì)童子壩河流域兩期土地利用影像數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，童子壩河流域的土地利用類(lèi)型主要以耕地、水域和低覆蓋度草地為主，其次為未利用土地、建設(shè)用地、中覆蓋度草地，而高覆蓋度草地和林地所占比例則較小。從2000年9月開(kāi)始，研究區(qū)連續(xù)5年實(shí)施了水土流失綜合治理項(xiàng)目，土地利用結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了顯著變化。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:2000—2007年童子壩河流域有6種土地利用類(lèi)型的面積增加，2種土地利用類(lèi)型的面積減少;面積增加的土地利用類(lèi)型中，以中覆蓋度草地面積的增加幅度尤為顯著，凈增加面積達(dá)10.183 km2，其后依次為水域、耕地、建設(shè)用地、高覆蓋度草地，林地面積增加較小，只有0.619 km2;面積減少的土地利用類(lèi)型中，未利用土地面積的減小幅度最為明顯，面積減小23.994 km2，其次為低覆蓋度草地，面積減小5.359 km2。

為了進(jìn)一步分析綜合治理項(xiàng)目實(shí)施前后童子壩河流域的土地利用動(dòng)態(tài)變化情況，按照式(1)計(jì)算得出2000—2007年的土地利用動(dòng)態(tài)度(見(jiàn)表1)。由表1可以看出:

(1)面積增加的6類(lèi)土地利用類(lèi)型中，中覆蓋度草地的面積增加速度最快，年均增加率為9.349%，其次是高覆蓋度草地、林地、建設(shè)用地和水域，耕地的面積年均增加率最小，只有0.300%。野外調(diào)查和相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，2000—2005年童子壩河流域通過(guò)實(shí)行圍欄封育、退耕還草、植樹(shù)造林、灌溉渠網(wǎng)改造、梯(條)田建設(shè)等工程措施，極大地改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，提高了水資源的有效利用率。同時(shí)在夾心河灘實(shí)施的生態(tài)治理工程，杜絕了河道灘涂濫采亂挖砂石料現(xiàn)象;實(shí)施的生態(tài)移民工程，將上游山區(qū)自然條件艱苦地方的農(nóng)牧民搬遷至中下游土地資源和水資源條件較好的地方定居，5年累計(jì)搬遷近700人?？傊?，這些措施的實(shí)施使童子壩河流域林地和中高覆蓋度草地面積較綜合治理前提高了63.4%，建設(shè)用地、河床水域面積有不同程度的擴(kuò)大，中下游地區(qū)的耕地面積也有所增加。

(2)面積減小的2類(lèi)土地利用類(lèi)型中，未利用土地的面積減小速度最大，年均減少率為9.340%，其次是低覆蓋度草地，為0.943%。童子壩河流域的未利用土地主要分布在北部灘至山丹縣的東樂(lè)路，鋸條山以西，國(guó)土局農(nóng)場(chǎng)以東的荒漠戈壁，這一區(qū)域的植被以天然荒漠植被為主。2000年以前當(dāng)?shù)厝罕姺拍?、砍柴現(xiàn)象嚴(yán)重，致使荒漠植被趨于退化，出現(xiàn)了大量斑塊狀的沙化土地，直接威脅著綠洲灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和當(dāng)?shù)厝罕姷纳?。流域?qū)嵤┚C合治理工程項(xiàng)目后，在這一區(qū)域主要采取了封育禁牧措施和防風(fēng)固沙林帶工程建設(shè)，至2005年共封育荒漠植被面積達(dá)4500 hm2，人工設(shè)置圍欄35 km，荒漠植被出現(xiàn)恢復(fù)跡象，土地類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)榈透采w度草地。同時(shí)，通過(guò)對(duì)荒灘、裸地進(jìn)行綜合整治，一些相對(duì)平整、具備灌溉條件的未利用土地被開(kāi)發(fā)為農(nóng)耕地。加之在流域上游的淺山區(qū)也采取封育措施，使得原來(lái)已出現(xiàn)退化的低覆蓋度草場(chǎng)恢復(fù)生機(jī)，轉(zhuǎn)化為中或高覆蓋度草地。因此，通過(guò)綜合治理，童子壩河流域出現(xiàn)了未利用土地和低覆蓋度草地面積減小的現(xiàn)象。

3.2 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣分析

不同土地利用類(lèi)型之間的相互轉(zhuǎn)化情況，可采用馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣模型來(lái)進(jìn)一步描述。馬爾可夫模型在土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化上的應(yīng)用關(guān)鍵是確定土地利用類(lèi)型間相互轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)移概率矩陣［5］。本文利用ArcGIS軟件的Arcinfo空間分析功能，對(duì)兩期土地利用類(lèi)型圖進(jìn)行疊加運(yùn)算，得出2000—2007年童子壩河流域不同土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)移概率矩陣(表2)。

表2 2000—2007年童子壩河流域土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移概率矩陣 %

由表2可以看出:

(1)建設(shè)用地、耕地和林地在童子壩河流域是相對(duì)穩(wěn)定的土地利用類(lèi)型，向其他土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移率分別只有10.62%、23.12%、23.52%。究其原因，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在上游偏僻山區(qū)搬遷的居民點(diǎn)用地和影響河道行洪安全的河灘砂石料場(chǎng)用地，這些建設(shè)用地通過(guò)生態(tài)移民和河道灘涂綜合治理之后，被合理轉(zhuǎn)化為低覆蓋度草地和宜農(nóng)的農(nóng)耕地。耕地是當(dāng)?shù)厝罕姷目诩Z田，在綜合治理之前流域內(nèi)陡坡開(kāi)墾、棄耕撂荒現(xiàn)象嚴(yán)重，沖洪積形成的河漫灘上圍灘造田致使灘涂植被破壞、河道變窄、流路散亂;實(shí)施綜合治理措施期間，將造成嚴(yán)重水土流失的部分坡耕地退耕還林還草，清除夾心河灘和邊灘上的農(nóng)田，疏浚河道，一些不宜農(nóng)耕的農(nóng)田轉(zhuǎn)化為宜林宜牧的林草地或河道水域，恢復(fù)了流域生態(tài)景觀，有效防治了水土流失。童子壩河流域在綜合治理期間人口增長(zhǎng)幅度不大，居民點(diǎn)建設(shè)用地、道路和其他工礦企業(yè)建設(shè)用地規(guī)模相對(duì)較小，但為了改善農(nóng)村居住環(huán)境和區(qū)域交通條件，提高流域內(nèi)群眾的經(jīng)濟(jì)水平，一些農(nóng)耕地又被轉(zhuǎn)移為居民點(diǎn)用地、交通和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)建設(shè)用地。林地主要分布在中游19.8 km的河道灘涂上，由于河道灘涂經(jīng)常受洪水浸漫，地下水位較高，水分條件較好，生長(zhǎng)著一些落葉灌木和喬木樹(shù)種，通過(guò)河道疏浚和河堤整治工程的實(shí)施，灘涂上的一些稀疏林地主要轉(zhuǎn)變?yōu)樗蝾?lèi)型。

(2)未利用土地和中覆蓋度草地向其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移的比例相對(duì)較大，分別達(dá)60.82%和56.36%。封禁措施的實(shí)施使部分荒灘裸地轉(zhuǎn)化為草地，還有部分荒地隨著綠洲擴(kuò)大而耕墾為綠洲灌溉農(nóng)田。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，童子壩河流域的中覆蓋度草地主要分布在南部淺山區(qū)和中游河道兩岸，這些地方適宜梯(條)田建設(shè)，從而導(dǎo)致部分中覆蓋度草地轉(zhuǎn)變?yōu)楹档鼗蚬喔绒r(nóng)田;至于中覆蓋度草地轉(zhuǎn)移為低覆蓋度草地，這可能與流域綜合治理結(jié)束后(2005—2007年)的管護(hù)措施不到位有關(guān)，也可能與2007年春季氣候干燥、降水量和徑流量偏少有關(guān)。分析童子壩河流域降水、徑流資料可知，1985—2007年平均降水量、徑流量分別為351 mm、6924萬(wàn)m3，而2007年的降水量、徑流量分別為326 mm、6615萬(wàn)m3，較平均值偏少。說(shuō)明中覆蓋度草地景觀類(lèi)型在童子壩河流域是比較脆弱的，穩(wěn)定性較差，極易受自然和人為因素的影響，應(yīng)當(dāng)加大保護(hù)力度，防止逆轉(zhuǎn)退化。

(3)其他土地類(lèi)型轉(zhuǎn)向林地的比例最小，只占0.65%。這與該流域的自然條件有關(guān)，北部荒漠區(qū)干旱少雨、多風(fēng)，南部淺山區(qū)溫差大、低溫凍害天氣多，中部主要是灌溉農(nóng)田，人多地少，不適宜發(fā)展林果業(yè)，所以童子壩河流域宜林地較少，全流域主要以農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)為主。林地面積增加的主要原因是在河岸種植了護(hù)岸林帶、在淺山緩坡區(qū)實(shí)施了退耕還林、在北部荒漠區(qū)栽植了防風(fēng)固沙林帶，但面積增加較少，只有0.619 km2。

4 結(jié)論

童子壩河流域在綜合治理(2000—2005年)和自然恢復(fù)(2005—2007年)期間，不同土地利用類(lèi)型的面積出現(xiàn)了增減變化。中覆蓋度草地面積年均增加率最大，為9.349%，其次是高覆蓋度草地、林地、建設(shè)用地、水域，耕地面積年均增加率最小，為0.300%。未利用土地和低覆蓋度草地的面積呈減小趨勢(shì)，年均減少率分別為9.340%和0.943%。低覆蓋度草地面積減小的原因主要是流轉(zhuǎn)為其他土地類(lèi)型。

對(duì)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣的分析表明，童子壩河流域的土地利用類(lèi)型之間發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)移，其中未利用土地和中覆蓋度草地向其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移的比例較大，分別達(dá)60.82%和56.36%，而建設(shè)用地、耕地和林地在童子壩河流域是相對(duì)穩(wěn)定的土地利用類(lèi)型，向其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移的比例分別只有 10.62%、23.12%和 23.52%。

經(jīng)過(guò)綜合治理和自然恢復(fù)，童子壩河流域內(nèi)的土地利用結(jié)構(gòu)趨于合理，生態(tài)環(huán)境有了一定程度的改善。但受制于治理經(jīng)費(fèi)和時(shí)間的影響，流域內(nèi)的土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整尚有潛力可挖，生態(tài)效益尚未完全體現(xiàn)出來(lái)，建議地方政府和相關(guān)業(yè)務(wù)部門(mén)積極爭(zhēng)取治理經(jīng)費(fèi)，繼續(xù)實(shí)施童子壩河流域二期綜合治理工程。

［1］邱揚(yáng)，傅伯杰.異質(zhì)景觀中水土流失的空間變異與尺度變異［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24(2):332 －334.

［2］夏彪，陳俊，雷香蓮.民樂(lè)縣內(nèi)陸河小流域水土流失綜合治理思路與創(chuàng)新模式研究［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2008，44(5):346－347.

［3］胡廣錄，趙文智，劉鵠，等.內(nèi)陸河小流域綜合治理對(duì)景觀格局的影響——以童子壩河流域?yàn)槔跩］.中國(guó)沙漠，2010，30(6):1398 －1404.

［4］李喆，馬潤(rùn)賡.云南麗江地區(qū)土地利用變化的遙感檢測(cè)與分析［C］//中國(guó)土地學(xué)會(huì).2006年中國(guó)土地學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.重慶:地質(zhì)出版社，2007:622－627.

［5］王莉，衛(wèi)海燕，鳳鵬，等.基于遙感影像的西安地區(qū)土地利用變化分析［J］.資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)，2010，26(7):589 －592.

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