黑河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境演變及其驅(qū)動(dòng)因子分析

李凱 盧廣毓

摘要：為分析黑河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化趨勢及其成因機(jī)制，選取2000年和2011年研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)資料，建立土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣并進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：2000-2011年，黑河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境演變趨勢主要為未利用地向耕地轉(zhuǎn)化，其他各種土地利用類型間轉(zhuǎn)換也比較頻繁；生態(tài)環(huán)境演變是自然因素與人為因素共同作用的結(jié)果，其中人為因素占主導(dǎo)地位。

關(guān)鍵詞：生態(tài)環(huán)境變化；土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；驅(qū)動(dòng)因子分析；黑河

中圖分類號(hào)：X171.4；TV882.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.03.017

在西北干旱內(nèi)陸流域，水資源開發(fā)利用所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題由來已久，幾乎是伴隨人類發(fā)展同步出現(xiàn)的問題川。位于河西走廊中部的黑河流域全長928km，涉及青海、甘肅和內(nèi)蒙古三個(gè)省（區(qū)），流域總面積11.6萬km2，是河西地區(qū)最大的內(nèi)陸河流域，也是西北干旱區(qū)最具有代表性的流域。認(rèn)識(shí)近10a流域土地利用類型變化情況及其成因，對掌握流域生態(tài)環(huán)境演變趨向意義重大。

縱觀國內(nèi)外生態(tài)環(huán)境變化研究的相關(guān)理論和實(shí)踐：在研究數(shù)據(jù)的獲取上借助于3S技術(shù)的綜合應(yīng)用，均朝著采用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)與其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方向發(fā)展；在生態(tài)環(huán)境變化的研究中，大多側(cè)重于對局部或生態(tài)環(huán)境變化的某一方面進(jìn)行研究，生態(tài)環(huán)境變化的研究缺乏整體性和宏觀性。由于生態(tài)系統(tǒng)具有整體性、復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，因此單要素或局部的生態(tài)環(huán)境變化研究難以真實(shí)反映地域間的環(huán)境效應(yīng)，研究結(jié)果對環(huán)境管理決策的實(shí)施缺乏系統(tǒng)性、全面性和指導(dǎo)性。為此，本研究以黑河干流中游為研究區(qū)，圍繞生態(tài)環(huán)境變化問題，基于中高分辨率遙感數(shù)據(jù)，開展生態(tài)環(huán)境調(diào)查分析，獲取實(shí)施黑河水資源統(tǒng)一管理與調(diào)度以來該區(qū)域生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化情況，以期為黑河流域綜合治理規(guī)劃以及黑河流域中游水土資源的合理配置提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理方法

本研究選取的區(qū)域?yàn)楹诤痈闪餮鼐€的中游地區(qū)，其中以甘州、臨澤、高臺(tái)三縣（區(qū)）為重點(diǎn)研究區(qū)域，面積0.93萬km2。選取的影像數(shù)據(jù)為2000年、2011年的30m分辨率的Landsat TM/ETM+影像數(shù)據(jù)及2011年的2.5m分辨率SPOT影像數(shù)據(jù)。參照中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的全國1：10萬土地利用分類系統(tǒng)，制定一個(gè)以主要反映土地覆被特征的生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測分類系統(tǒng)，對黑河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)，運(yùn)用GIS的空間疊加分析方法，提取研究區(qū)域內(nèi)各類土地利用類型相互轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，據(jù)此建立土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣、編制土地利用類型轉(zhuǎn)換圖，揭示近10a來黑河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化趨勢，定量給出近10a生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的基本特征[3]。

1.2 分類體系的確定

考慮到研究區(qū)域普遍具有強(qiáng)烈的農(nóng)業(yè)景觀特征，以及所能獲得的其他相關(guān)研究資料，對黑河中游地區(qū)土地利用分類采用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)，共選擇6項(xiàng)指標(biāo)類型，分別為耕地（包括山區(qū)旱地、丘陵旱地、平原旱地等）、林地（包括喬木林地、灌木林地、疏林地、果園）、草地（包括高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地）、水域?yàn)┑兀òê恿鳌⑶?、水庫坑塘、灘地、濕地）、城?zhèn)用地（包括農(nóng)村居民地、工礦及交通用地）、未利用土地（包括沙地、戈壁、鹽堿地、裸土地、裸巖）。

1.3 黑河中游土地利用類型演變分析方法

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述。通常的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（見表1）中：行表示T，時(shí)點(diǎn)土地利用類型，列表示T2時(shí)點(diǎn)土地利用類型。Pij表示T1-T2期間土地利用類型i轉(zhuǎn)換為土地利用類型j的面積占土地總面積的百分比；Pii表示T1-T2期間土地利用類型i保持不變的面積百分比：Pi+表示T1時(shí)點(diǎn)地類i的總面積百分比；P+j表示T2時(shí)點(diǎn)j種土地利用類型的總面積百分比；Pi+-Pii為T1-T2期間地類i面積減少的百分比；P+j-Pjj為T1-T2期間地類J面積增加的百分比[4-6]；A1、A2、…、An表示n種土地類型。

2 結(jié)果分析

2.1 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

通過空間疊加分析產(chǎn)生的結(jié)果圖層的綜合屬性數(shù)據(jù)，計(jì)算得出黑河中游地區(qū)各種土地利用類型在2000-2011年的轉(zhuǎn)出率、轉(zhuǎn)人率及面積變化情況，獲取土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，見表2。

2.2 土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移分析

表2中新增即轉(zhuǎn)人率，減少即轉(zhuǎn)出率。轉(zhuǎn)出率比較高的是草地和未利用地，轉(zhuǎn)出率比較低的是耕地、林地和水域?yàn)┑?，未轉(zhuǎn)出的是城鎮(zhèn)用地；轉(zhuǎn)人率比較高的是耕地、草地和未利用地，其他土地利用類型轉(zhuǎn)人率則比較低。

由土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可以看出：①耕地新增的面積主要來源于未利用地和草地，分別占1.94%和0.77%；減少的耕地主要是被占用為城鎮(zhèn)用地，還有部分耕地退耕為林地、草地以及水域?yàn)┑?。②城?zhèn)用地的增加主要來自于對耕地的占用，占0.26%；林地面積總體略有增加，新增林地主要來自未利用地和草地，分別占0.20%和0.17%，同時(shí)由于開荒擴(kuò)耕，因此部分林地被開墾為耕地。③草地總體呈減少趨勢，減少了約0.51%，減少的草地主要被開墾為耕地，面積占0.77%。同時(shí)，部分區(qū)域的草地也有增加，增加的草地主要來自未利用地和水域?yàn)┑兀娣e分別占0.93%和0.18%。④水域?yàn)┑乜傮w略有減少，主要體現(xiàn)在灘地減少，是研究區(qū)內(nèi)河流灘地開墾為耕地的結(jié)果。⑤轉(zhuǎn)出率、轉(zhuǎn)人率最低的土地利用類型是城鎮(zhèn)用地，這種土地利用類型表現(xiàn)出極不活躍的狀態(tài)。

2.3 土地利用類型面積變化分析

將黑河中游地區(qū)2000-2011年各種土地利用類型面積進(jìn)行對照分析，見表3。面積變化呈上升趨勢的土地類型有耕地、林地和城鎮(zhèn)用地，其中：耕地增長幅度最大，林地、城鎮(zhèn)用地略有上升；呈下降趨勢的土地類型有草地、水域?yàn)┑睾臀蠢玫?，未利用地減少幅度最大。

3 黑河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境演變驅(qū)動(dòng)因子分析

3.1 自然因子

（1）氣候變化的影響。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2000-2011年黑河中游地區(qū)年降水量呈增加趨勢（見圖1），該氣候變化趨勢有利于干旱區(qū)植被的生長，對遠(yuǎn)離綠洲的沙地、戈壁等植被的恢復(fù)和改善起到明顯的效果，未利用地轉(zhuǎn)草地0.86萬hm2。

（2）上游來水量增大。如圖2所示，2000-2011年鶯落峽斷面來水量偏大，年平均來水量達(dá)17.53億m3，比多年平均來水量多1.73億m3；正義峽斷面下泄水量平均為10.07億m3，與多年平均下泄水量9.5億m3相差不大。在來水量增大、下泄水量幾乎不變的情況下，說明中游用水量急劇上升，導(dǎo)致中游用水量增加的根本原因在于中游地區(qū)擴(kuò)耕現(xiàn)象嚴(yán)重，致使生態(tài)環(huán)境變化劇烈，各種土地類型之間轉(zhuǎn)換頻繁。

3.2 人為因子

（1）經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使。黑河中游集中了全流域90%以上的人口和耕地，2000-2011年該區(qū)域的人口增長和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅速，歷年人口和生產(chǎn)總值變化情況如圖3所示。

從圖3可以看出，2000年以后研究區(qū)人口大幅度增加，生產(chǎn)總值增長也非常顯著。為增加收入和緩解日益增長的人口壓力，2000-2011年黑河中游地區(qū)耕地面積大幅度增加，從2000年的21.27萬hm2增至2011年的23.83萬hm2，增加了2.56萬hm2，年均增加0.21萬hm2。擴(kuò)耕現(xiàn)象嚴(yán)重、灌溉面積增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)嚴(yán)重?cái)D占生態(tài)用水，使局部地區(qū)得不到有效灌溉，引起生態(tài)環(huán)境退化。

（2）地下水超采。由于耕地面積和灌溉面積增加，因此黑河中游地區(qū)地下水開采量急增。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來甘、臨、高三縣（區(qū)）機(jī)井?dāng)?shù)量明顯增多，農(nóng)業(yè)機(jī)井?dāng)?shù)量2000年為5546眼，2010年為9297眼。本研究在中游地區(qū)現(xiàn)有的58眼地下水位觀測井中選取2000-2010年期間地下水位觀測數(shù)據(jù)連續(xù)性較好的42眼進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖4所示，2000-2010年甘、臨、高三縣（區(qū)）的地下水位總體呈下降趨勢：2000-2005年地下水位急劇下降，平均下降速率為0.25 m/a；2005-2007年，由于上游來水量和側(cè)向補(bǔ)給量增加，因此地下水位出現(xiàn)短暫的回升；2008年后平均地下水位又開始緩慢下降，且2009年之后下降速率呈增大趨勢?？傮w來看，2000-2010年黑河中游地下水位總體呈下降趨勢，平均下降速率為0.11m/a。地下水位的下降，導(dǎo)致局部地區(qū)灌木林衰退和草地荒漠化。

4 結(jié)論與建議

研究表明，在人口增長和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素的驅(qū)動(dòng)下，黑河中游地區(qū)各土地類型之間發(fā)生頻繁的轉(zhuǎn)換。通過對2001-2011年黑河中游地區(qū)土地利用類型動(dòng)態(tài)變化趨勢及驅(qū)動(dòng)力分析，得出如下結(jié)論：①黑河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境演變主要表現(xiàn)在耕地整體比重上升，由2000年的21.27萬hm2增加到2011年的23.83萬hm2，增加了2.56萬hm2，變化幅度達(dá)12%；未利用地面積減小最多，由55.21萬hm2減小至52.94萬hm2，減小了2.27萬hm2，變化幅度為4.1%，并且大部分轉(zhuǎn)化為耕地。其他土地利用類型變化幅度不大，其中：林地、城鎮(zhèn)用地小幅度上升，分別增長0.10萬、0.31萬hm2；草地、水域?yàn)┑孛娣e有所下降，分別減小0.49萬、0.22萬hm2。②黑河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境演變是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果，從整體上看，黑河生態(tài)環(huán)境變化的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力是人為因素，自2000年以來，上游來水量增加，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人類需求日益增長的形勢下，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，導(dǎo)致擴(kuò)耕現(xiàn)象嚴(yán)重，從而對黑河中游部分地區(qū)地下水超采，進(jìn)而擠占生態(tài)用水，使得水資源利用不合理，對生態(tài)環(huán)境造成了一定影響。

黑河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境總體上得到明顯改善，但是水、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)三者之間的關(guān)系仍然不相協(xié)調(diào)，人類對黑河中游地區(qū)水土資源開發(fā)利用是引起流域生態(tài)環(huán)境劇烈變化的根本原因。因此，必須改變傳統(tǒng)的以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價(jià)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展應(yīng)充分考慮水資源的制約條件，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與布局，合理進(jìn)行水資源優(yōu)化配置。同時(shí)，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局，加快骨干水利工程建設(shè)，合理調(diào)配下放水量，以中游灌區(qū)為重點(diǎn)，減少平原水庫，大力開展灌區(qū)節(jié)水配套改造，優(yōu)化渠系工程布局，合理利用地下水，適度發(fā)展井灌。建立生態(tài)環(huán)境狀況評價(jià)的長效機(jī)制，以黑河流域的生態(tài)環(huán)境狀況動(dòng)態(tài)變化趨勢作為制定生態(tài)功能區(qū)劃及土地利用管理政策的依據(jù)；建立和健全水資源全流域管理與行政區(qū)域管理相結(jié)合的體制，建立先進(jìn)的水文自動(dòng)測報(bào)和水資源管理、調(diào)度系統(tǒng)，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的關(guān)系，促進(jìn)流域生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展、保障流域生態(tài)系統(tǒng)安全。

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