清水河流域1978—2010年土地利用變化時(shí)空特征

周秋文，韋小茶，許幼霞，周旭，張繼，梁建方

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)

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清水河流域1978—2010年土地利用變化時(shí)空特征

周秋文，韋小茶，許幼霞，周旭，張繼，梁建方

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)

通過(guò)對(duì)1978年、1998年和2010年3期遙感影像目視解譯獲得3期土地利用數(shù)據(jù)，分析清水河流域1978-2010年土地利用變化時(shí)空特征。研究表明：清水河流域1978-2010年期間，農(nóng)用地、難利用地面積持續(xù)減少，林地、建設(shè)用地面積持續(xù)增加，草地面積先有所減少后增多，除林地以外其它土地類型變化幅度后期都較前期大；流域土地利用轉(zhuǎn)移方向主要是農(nóng)用地轉(zhuǎn)為低、中、高覆蓋度草地、林地和建設(shè)用地，中覆蓋度草地轉(zhuǎn)為低、高覆蓋度草地和林地，低覆蓋度草地轉(zhuǎn)為中、高覆蓋度草地、林地。結(jié)果表明，近年來(lái)清水河流域水土保持措施效果明顯。

土地利用；水土保持；遙感；時(shí)空特征；清水河流域

土地利用/覆蓋變化是人類活動(dòng)和自然相互作用的結(jié)果，成為全球變化研究中的核心課題之一[1-2]，研究區(qū)域土地利用變化對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展有重要意義[3]。黃土高原是我國(guó)乃至世界上水土流失最嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)[4-5]。清水河流域?qū)冱S土高原丘陵溝壑區(qū)，地形破碎、水資源短缺，長(zhǎng)年干旱多風(fēng)沙、植被稀疏、水土流失嚴(yán)重等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題尤其突出。在2000年國(guó)家實(shí)施“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略、1997年西部地區(qū)“山川秀美”和1999年全國(guó)“退耕還林還草”等工程啟動(dòng)并實(shí)施以來(lái)，清水河流域開(kāi)展水土保持和興修水利工程，土地利用格局發(fā)生重大變化。

目前對(duì)清水河流域的研究主要有以下幾個(gè)方面：寧夏清水河流域水資源評(píng)價(jià)分析[6]；寧夏清水河流域干旱演變特征分析[7]；寧夏清水河流域黃土濕陷性規(guī)律分析[8]；寧夏固原市原州區(qū)清水河地表及地下水資源量[9]；揚(yáng)黃灌溉對(duì)寧夏清水河流域下游水資源影響分析[10]；寧夏清水河揚(yáng)水灌區(qū)灌溉回歸水初步分析[11]。在土地利用變化方面，常文哲等對(duì)清水河流域進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀分析[12]。以上研究多是對(duì)清水河流域水資源的分析研究，未見(jiàn)有對(duì)該流域長(zhǎng)時(shí)間段序列土地利用變化時(shí)空特征的分析研究。因此本文利用1978年、1998年和2010年3期遙感影像數(shù)據(jù)，采用人機(jī)交互圖像處理方法獲取1978年、1998年和2010年土地利用數(shù)據(jù)，從土地利用變化速度和轉(zhuǎn)移方向方面，系統(tǒng)分析清水河流域1978-2010年土地利用變化規(guī)律和空間分布格局，以期為流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)、水土保持效果評(píng)價(jià)等方面提供一定的參考信息。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)為寧夏清水河同心縣城以上區(qū)域。清水河流域位于寧夏回族自治區(qū)南部，海拔1 318～2 936 m，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)(見(jiàn)圖1)。清水河發(fā)源于六盤山東麓開(kāi)城鄉(xiāng)境內(nèi)的黑刺溝腦，向北流經(jīng)固原、海原、同心、中寧等縣，在中衛(wèi)的泉眼山西側(cè)注入黃河，長(zhǎng)320 km，是寧夏境內(nèi)流入黃河最大、最長(zhǎng)的支流。流域天然植被以干草原類型為主，人工植被以糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物為主，林果類較少，是寧夏南部的重要農(nóng)耕地帶，山上草木難生，植被稀疏，水土流失嚴(yán)重，全流域平均泥沙侵蝕模數(shù)達(dá)到3 410 t/km2。生態(tài)環(huán)境及其脆弱，常發(fā)生干旱、風(fēng)沙、冰雹、地震、苦水和水土流失等自然災(zāi)害。

圖1　清水河流域地理位置及高程

2　數(shù)據(jù)與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

研究選取1978年、1998年和2010年3期landsat5多光譜遙感影像，選用432的波段組合進(jìn)行假彩色圖像合成。采用ENVI遙感影像處理軟件對(duì)獲取影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣糾正等預(yù)處理[13-14]。參照中國(guó)科學(xué)院土地分類系統(tǒng)，根據(jù)研究需要將研究區(qū)的土地分為6類一級(jí)地類和11類二級(jí)地類。利用Arcgis10.2軟件進(jìn)行人機(jī)交互圖目視解譯，得到1978年、1998年和2010年3期土地利用圖，解譯結(jié)果用Google Earth高空間分辨率遙感影像驗(yàn)證，證實(shí)解譯精度較高，符合研究需要。

2.2研究方法

2.2.1土地利用動(dòng)態(tài)變化

采用變化量和變化幅度兩個(gè)指標(biāo)對(duì)土地變化的數(shù)量和變化率進(jìn)行定量分析，土地利用變化量指某種土地利用類型在前后兩個(gè)時(shí)期內(nèi)的面積數(shù)量變化的大小，土地利用變化率指某種土地利用類型的變化量占其在研究初期面積的比率，反映土地利用類型變化的劇烈程度[15]。具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

(2)

式中：Sa,Sb分別表示研究初期和末期某種土地利用類型的面積數(shù)量；ΔS，K分別表示研究時(shí)段內(nèi)某種土地利用類型的變化量和變化率。

2.2.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量和方向定量研究的主要方法，它能夠具體的反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類型間的轉(zhuǎn)移方向[1]。具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3)

式中：Sij表示研究初期第i類土地轉(zhuǎn)化為研究末期第j類土地的面積；i為第一時(shí)期土地利用類型；j為第二時(shí)期土地利用類型；n為土地利用類型的數(shù)量。

3　結(jié)果與分析

3.1土地利用結(jié)構(gòu)及其變化

根據(jù)清水河流域1978年、1998年和2010年3期土地利用圖的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表1)可以看出，該流域的土地類型以農(nóng)用地、草地和林地為主，3種土地利用類型面積之和占流域總面積的比例在3個(gè)時(shí)期分別為97.0%、96.9%、97.0%，總體變化不大。農(nóng)用地面積所占流域總面積在1978年、1998年和2010年3期的比例依次為43.7%、42.0%、39.5%，所占比例呈持續(xù)下降趨勢(shì)。林地所占比例持續(xù)上升，依次為6.4%、8.1%、9.3%。草地(高、中和低覆蓋度草地之和)所占比例依次為46.9%、46，8%、48.1%，所占比例先有所下降后上升。難利用地依次為1.0%、0.9%、0.8%，所占比例持續(xù)下降。建設(shè)用地依次為1.25%、1.41%、1.63%，所占比例呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)，水域所占比例則先上升后下降。

表1　清水河流域1978—2010年土地利用結(jié)構(gòu)

3.2土地利用動(dòng)態(tài)變化

結(jié)合表2、圖2可以看出，清水河流域土地利用類型變化有以下主要特點(diǎn)：從變化量上看，1978—1998年時(shí)間段內(nèi)農(nóng)用地、林地、中、高覆蓋度草地的變化量較大，農(nóng)用地減少206.1km2，林地增加207.5km2，中覆蓋度草地增加100.7km2，低覆蓋度草地減少112.6km2，其它土地類型變化量相對(duì)較少。1998—2010年時(shí)間段內(nèi)中覆蓋度草地增加562.0km2，低覆蓋度草地減少550.0km2,農(nóng)用地減少305.8km2，林地和高覆蓋度草地變化量分別增加147.0km2、153.0km2，其它土地類型變化量不明顯。兩個(gè)時(shí)期中覆蓋度草地總增加662.8km2，低覆蓋度草地和農(nóng)用地總的分別減少662.6km2、511.9km2；從變化率上看，兩個(gè)時(shí)期內(nèi)高覆蓋度草地變化率最大，先增加2.4%，后增加234.1%，后期基本上為前期的100倍。林地、中覆蓋度草地和建設(shè)用地的變化率較大，林地先增加26.5%，后增加14.82%，總增加41.3%，中覆蓋度草地先增加4.7%，后增加25.2%，總增加29.9%，后期基本上是前期的6倍。建設(shè)用地變化率持續(xù)增加，先增加13.3%，再增加15.3%，總增加28.6%，農(nóng)用地、低覆蓋度草地和難用地變化率持續(xù)下降，農(nóng)用地分別減少3.9%、6.0%，低覆蓋度草地先減少3.2%，再減少17.0%，后期基本上是前期的5倍。難利用地先減少10.0%，后減少15.2%。水域變化率在前期為0.8%，后期17.0%。除林地以外其它土地利用類型在1998—2010年變化幅度都較1978—1998年大。

表2　清水河流域不同時(shí)期土地利用類型變化量與變化率

綜合土地利用變化量和變化率的情況分析，清水河流域1978-2010年22年間農(nóng)用地、難利用地面積持續(xù)減少，林地、建設(shè)用地面積持續(xù)增加，林地增加的總面積高達(dá)354.5km2，草地面積先有所減少后增多，總增加154.8km2，除林地以外其它土地類型變化幅度后期都較前期大，但林地占流域總面積比例也逐漸變大，說(shuō)明該流域1978—2010年土地利用格局發(fā)生重大變化，城鎮(zhèn)化水平提高，水土保持措施增強(qiáng)，效果明顯，流域生態(tài)環(huán)境有很大改善，對(duì)國(guó)家生態(tài)修復(fù)政策的實(shí)施效果有很好的響應(yīng)。

圖2　清水河流域不同時(shí)期土地利用類型變化量與變化率

3.3土地轉(zhuǎn)移矩陣

利用GIS空間分析和EXCEL統(tǒng)計(jì)得到清水河流域1978—1998年和1998—2010年的土地利用空間轉(zhuǎn)移方向如表3、表4和圖3所示。結(jié)合表3和圖3可以看出，1978—1998年農(nóng)用地轉(zhuǎn)化的總面積最大，高達(dá)290.3km2,主要轉(zhuǎn)為林地、低、中覆蓋度草地，轉(zhuǎn)化面積分別為103.3km2、95.7m2、66.4km2，變化主要分布在流域的東北部、固原市和海原市周邊。中覆蓋度草地主要轉(zhuǎn)為林地和低覆蓋度草地，轉(zhuǎn)化面積分別為63.1km2、110.0km2，主要分布在海原市的北部、固原市的南部和流域的東部有少量分布。低覆蓋度草地主要轉(zhuǎn)為農(nóng)用地、林地和中覆蓋度草地，轉(zhuǎn)化的面積分別為76.1km2、38.4km2、212.1km2，低覆蓋度草地的轉(zhuǎn)化主要分布在流域的西南部，東部有少量分布。難利用地主要轉(zhuǎn)為低覆蓋度草地，面積為9.1km2。林地、高覆蓋草地、水域、和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化不明顯。

表3　清水河流域1978—1998年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣　km2

注：表格中的空格，表示土地利用轉(zhuǎn)移量為零，下同

結(jié)合表4和圖3可以看出，1998—2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移主要是低覆蓋度草地和農(nóng)用地的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化的總面積分別為665.2km2、343.9km2。低覆蓋度草地主要轉(zhuǎn)為農(nóng)用地、林地、中、高覆蓋度草地，面積分別為15.7km2、29.0km2、539.1km2、70.0km2，變化的區(qū)域主要分布在流域的中下游地區(qū)，海原市的南部、固原市的西北部。農(nóng)用地轉(zhuǎn)為中覆蓋度草地的面積最多，高達(dá)166.7km2，其次主要轉(zhuǎn)為低、高覆蓋度草地、林地和建設(shè)用地，面積分別為84.4km2、37.5km2、28.5km225.6km2。主要分布在流域的中上游。中覆蓋度草地主要轉(zhuǎn)為林地和高覆蓋度草地，分別為87.3km2、54.3km2，主要分布在流域的西南部。林地、高覆蓋度草地、水域、建設(shè)用地和難利用地轉(zhuǎn)化不明顯。

土地利用轉(zhuǎn)移特征主要表現(xiàn)為：清水河流域1978—1998年和1998—2010年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)移方向主要是農(nóng)用地轉(zhuǎn)為低、中、高覆蓋度草地、林地和建設(shè)用地，中覆蓋度草地轉(zhuǎn)為低、高覆蓋度草地和林地，低覆蓋度草地轉(zhuǎn)為中、高覆蓋度草地、林地和農(nóng)用地，主要分布在流域中下游，固原市和海原市地區(qū)變化較明顯，林地、高覆蓋度草地、建設(shè)用地、水域和難利用地轉(zhuǎn)化不太明顯，1998—2010年中覆蓋度草地轉(zhuǎn)為高覆蓋度草地、林地和低覆蓋度草地轉(zhuǎn)為中、高、林地較明顯。1978—1998年有76.1km2的低覆蓋度草地轉(zhuǎn)為農(nóng)用地和110.0km2的中覆蓋度草地轉(zhuǎn)為低覆蓋度草地，1998—2010年有15.1km2的低覆蓋度草地轉(zhuǎn)為農(nóng)用地，分析其原因可能是該時(shí)期人口壓力較大，用地緊張，人們?yōu)榱藵M足生活需求和追求經(jīng)濟(jì)利益，有局部地區(qū)的低覆蓋度草地被開(kāi)墾轉(zhuǎn)為農(nóng)用地，大量放牧破壞草地，使草地退化。

表4　清水河流域1998—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣　km2

圖3　清水河流域1978—1998年和1998—2010年土地利用變化空間分布

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)1978年、1998年和2010年3期遙感影像進(jìn)行非監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法獲得的土地利用數(shù)據(jù)，分析清水河流域1978—2010年土地利用變化時(shí)空特征。

1)清水河流域1978—2010年的土地利用類型以農(nóng)用地、林地、草地為主，3種土地利用類型面積之和占流域總面積的比例在3個(gè)時(shí)期分別為97.0%、96.9%、97.0%，總體變化不大。

2)清水河流域1978-2010年農(nóng)用地、難利用地面積持續(xù)減少，林地、建設(shè)用地面積持續(xù)增加，草地面積總體增多，除林地以外其它土地類型變化幅度后期都較前期大。2000年國(guó)家實(shí)施“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略、1999年底實(shí)施“退耕還林還草”和西部地區(qū)“山川秀美”工程等生態(tài)修復(fù)政策后，清水河流域水土保持措施增強(qiáng)，效果明顯，流域生態(tài)環(huán)境有很大改善，土地利用格局發(fā)生重大變化，城鎮(zhèn)化水平提高，對(duì)國(guó)家生態(tài)修復(fù)政策的實(shí)施效果有很好的響應(yīng)。

3)清水河流域1978—1998年和1998—2010年土地利用轉(zhuǎn)移方向主要是農(nóng)用地轉(zhuǎn)為低、中、高覆蓋度草地、林地和建設(shè)用地，中覆蓋度草地轉(zhuǎn)為低、高覆蓋度草地和林地，低覆蓋度草地轉(zhuǎn)為中、高覆蓋度草地、林地和農(nóng)用地，主要分布在流域中下游地區(qū)，流域的南部和東部變化較明顯。

4)通過(guò)研究可知，清水河流域1978—1998年和1978—2010年都有較大面積的低覆蓋度草地轉(zhuǎn)為農(nóng)用地，且林地占流域總面積比例不大。難利用地被利用的面積也很少，一直占流域總面積的較大比例，可作為林草地開(kāi)發(fā)利用的后備資源。建議在將來(lái)的水土保持工作中，創(chuàng)造條件，充分開(kāi)發(fā)利用難利用地，提高土地利用率，并增加林地面積的數(shù)量，還要增強(qiáng)草地的保護(hù)力度，減少草地被開(kāi)墾為農(nóng)用地或因過(guò)度放牧而被占用和退化的現(xiàn)象發(fā)生，增加流域植被覆蓋度，生態(tài)環(huán)境將得到進(jìn)一步改善。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Spatial-temporal characteristics of land use changes in Qingshui River basin from 1978 to 2010

ZHOU Qiuwen，WEI Xiaocha, XU Youxia, ZHOU Xu, ZHANG Ji, LIANG Jianfang

(School of Geographic and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang 550001,China)

Land use data of three periods are interpreted from remote sensing images in 1978, 1998 and 2010, and the spatial and temporal variation of land use in QingShui basin is analyzed. The results show that: (a) the area of arable and unused land keeps on decreasing, while forest and construction land keeps on increasing. The area of grassland decreases firstly and then gradually increases. Except for the forest land, the variation rates of all the other land use during 1998-2010 were higher than 1978-1998. (a) From 1978 to 2010, the directions of land use change in Qingshui basin have been mainly as follows: cultivated land mainly converts to low, middle, high coverage grassland, forest and building land; middle coverage grassland converts to low, high coverage grassland and forest land; and low coverage grassland converts to middle, high coverage grassland, forest and cultivated land.Results show the soil and water conservation in Qingshui Rive remains effective.

land use; soil and water conservation; remote sensing; spatial-temporal characteristics; Qingshui River

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.11.003

2016-04-13

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2012BAB02B00)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金(黔科合J字[2015]2118號(hào))；貴州師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金

周秋文(1986-)，男，副教授，博士.

TP753

A

1006-7949(2016)11-0012-06