黑河中下游土地覆被變化與驅動力分析

廉耀康 王維邦 張震域 楊澤健 李進

摘要：黑河流域自2000年實施水資源統(tǒng)一調度以來，土地利用發(fā)生了顯著變化。利用2000年、2011年兩期TM和ETM+遙感影像，解譯獲取了干流中下游地區(qū)土地利用變化數(shù)據，并基于GIS空間分析與數(shù)理統(tǒng)計方法進行了定量分析。運用區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)和區(qū)域土地利用變化類型生態(tài)貢獻率，對研究時段內土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應進行了分析與評價。結果表明：①2000-2011年流域土地利用變化主要表現(xiàn)為耕地、建設用地、水體增加，未利用地減少；②中游地區(qū)土地利用變化主要發(fā)生在山丹縣的馬營河灌區(qū)和張掖綠洲的邊緣區(qū)域，下游地區(qū)土地利用變化主要發(fā)生在沿河區(qū)域、額濟納核心綠洲區(qū)和古日乃地區(qū)的邊緣區(qū)域；③中游地區(qū)2000年、2011年的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)分別為0.1908、0.1960，下游地區(qū)分別為0.0478、0.0556；④局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境呈惡化趨勢，其中草地退化及圍水造田對區(qū)域土地利用/覆被變化產生的影響最為明顯。

關鍵詞：生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)；驅動力；土地覆被；黑河中下游

中圖分類號：TV213.4 文獻標志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.02.013

1 引言

土地是人類賴以生存和發(fā)展的最基本的自然資源，是社會經濟發(fā)展的基礎。隨著人口增加、經濟發(fā)展及科學技術的進步，人類活動對土地的作用不斷增強，深刻地改變和影響著土地利用/土地覆被狀況的改變[1-2]。目前，“3S”技術為土地利用/覆被變化的研究提供了更多的信息源，進一步促進了土地利用/覆被變化的研究[3]。隨著研究的深入，人們越來越認識到以人類活動為主導的土地覆被變化對生態(tài)系統(tǒng)產生著重要影響。土地利用變化產生的生態(tài)效應又會反饋給土地利用的驅動力，促使原有的土地利用方式和結構發(fā)生轉變[4]。由于土地覆被的環(huán)境效應是一個復雜的動態(tài)變化過程，涉及自然、社會的諸多方面，因此對土地覆被生態(tài)環(huán)境效應的綜合定量分析和評價仍處在探索中[5-6]。土地覆被變化也會造成地表景觀結構的巨大變化，故研究地表景觀結構變化有助于充分識別區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化趨勢[7]。

黑河流域是資源型缺水區(qū)域，區(qū)域水資源供需矛盾突出。在20世紀60年代至90年代，隨著黑河中游人口的增加和人類對綠洲的大規(guī)模開發(fā)，加之大量水利工程的建設，進入黑河下游的水量逐漸減少，區(qū)域環(huán)境急劇惡化，黑河下游逐漸成為我國沙塵暴的重要策源地之一[8]。針對嚴峻的黑河生態(tài)系統(tǒng)惡化局面和突出的水事矛盾，自2000年開始，國家決策實施水量統(tǒng)一調度和流域治理。通過水量統(tǒng)一調度，促進了中游節(jié)水型社會建設，有效提高了水資源利用效率，進入下游綠洲的水量明顯增加，緩解了流域生態(tài)環(huán)境的惡化趨勢，流域生活、生產和生態(tài)用水初步得到了合理配置。隨著經濟社會的發(fā)展，流域各方對水資源量的需求進一步提高，水土資源的開發(fā)利用也成為爭論的焦點。因此，加強區(qū)域土地覆被和生態(tài)環(huán)境變化的研究成為建設和諧流域的重要組成部分。王根緒等[9]分析了近50a來河西走廊區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化特征，指出生態(tài)環(huán)境變化在一定程度上嚴重制約了區(qū)域經濟社會的可持續(xù)發(fā)展，并提出了相關對策Lu Ling等[10]利用TM影像對黑河中游1980-1990年的土地利用狀況和地表景觀進行了研究；蒙吉軍等[11]對黑河流域1988-2000年的土地覆被進行了研究，分析了黑河流域土地覆被的生態(tài)環(huán)境效應；李曉文等[12]通過對西北干旱區(qū)二級土地利用類型的環(huán)境效應進行賦值，定量分析了土地覆被的生態(tài)環(huán)境效應；李傳哲等[13]利用GIS、RS和景觀生態(tài)學方法，分析了1985-2005年黑河中游地區(qū)的景觀動態(tài)變化及驅動力；蔣曉輝等[14]聚焦黑河調水與下游生態(tài)變化的響應關系，分析了2000-2004年下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化情況；喬西現(xiàn)等[15]就黑河調水對下游尾間湖泊及周邊生態(tài)環(huán)境的影響進行了研究，分析了2000-2006年下游東、西居延海周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變化情況，結果表明區(qū)域生態(tài)環(huán)境正在好轉；李傳哲等[16]對黑河中游1985-2005年的土地覆被變化進行了分析，指出中游可利用水量直接影響著研究區(qū)的土地利用變化。本文在分析黑河中下游地區(qū)近10a土地覆被變化的基礎上，定量分析了不同土地利用類型的變化，進而分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化，以期為建設黑河和諧流域乃至“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略提供科技支撐。

2 數(shù)據與方法

2.1 數(shù)據來源

2000年、2011年土地覆被數(shù)據來源于寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據中心（westdc.westgis.ac.cn），該數(shù)據是利用2000年、2011年兩期Landsat TM和ETM+遙感影像，通過人工解譯得到的，影像時相主要為植被長勢較好的7-8月，部分缺少的影像利用相近年代的影像補充。該數(shù)據采用一個分層的土地覆被分類系統(tǒng)，將全流域劃分為6個一級類（耕地、林地、草地、水域、未利用土地、城鄉(xiāng)居民及建設用地）、23個二級類。野外調查驗證表明其精度為95%[17-18]。

2.2 研究區(qū)范圍

研究區(qū)范圍邊界定為黑河流域中游（甘州、民樂、山丹、臨澤、高臺和肅南縣的大泉溝）和下游（鼎新、額濟納三角洲和古日乃地區(qū)）（見圖1）。

2.3 分析方法

2.3.1 土地利用轉移矩陣分析

在ArcGIS平臺支持下，通過對不同時期的土地利用圖進行空間疊加計算，利用生成的土地利用類型的轉移矩陣分析土地利用變化過程。

2.3.2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)

參考國內相關研究，基于專家評分[12，19]，對二級分類體系下各土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境質量進行了模糊賦值（見表1，僅列出常見類型，下同）。通過建立土地利用/土地覆蓋與區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的關系，了解土地利用/土地變化的形式、數(shù)量和空間特征，定量分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化情況和空間特征。

根據區(qū)域內各土地利用所具有的生態(tài)質量及面積比例，定量表征某一區(qū)域內生態(tài)環(huán)境質量的總體狀況，表達式為式中EVt為區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)LUi和Ci分別為該區(qū)域內t時期第i種土地利用類型的面積和生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)；TA為該區(qū)域總面積；N為區(qū)域內土地利用類型數(shù)量。

2.3.3 區(qū)域土地利用變化類型生態(tài)貢獻率

每一種土地變化類型都體現(xiàn)了一種生態(tài)價值流，使得區(qū)域內某一局部的生態(tài)價值升高或降低，從而為深入分析土地利用變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響奠定了基礎，也有利于探討區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的主導因素。土地利用變化類型生態(tài)貢獻率指某一種土地利用類型變化所導致的區(qū)域生態(tài)質量的改變，其表達式[12，20]為

LEI=（LEt+1-LEt）LA/TA（2）式中：LEI為土地利用變化類型生態(tài)貢獻率；LEt+1、LEt分別為某種土地利用變化類型所反映的變化末期和初期土地利用類型所具有的生態(tài)質量指數(shù)；LA為該變化類型的面積。

3 結果分析

3.1 土地利用變化的總體特征

3.1.1 中游地區(qū)

黑河中游土地利用面積的總體變化見表2。由表2可知：2000-2011年面積增大的為耕地、林地、城鄉(xiāng)居民與建設用地，面積減小的為草地、水域與未利用土地。

2000年、2011年黑河中游二級土地利用類型的面積數(shù)據見表4。由二級土地利用類型的轉化面積可知，2000-2011年增加的耕地主要來源于裸土地（2.63%）、沙地（2.33%）和戈壁（1.99%），但有10.60km2耕地變?yōu)檎訚傻兀?.60km2耕地變?yōu)楦瓯凇?/p>

3.1.2 下游地區(qū)

（1）鼎新地區(qū)土地利用變化。由表5可以看出，鼎新地區(qū)的耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)居民與建設用地、水體均增大，其中水域從2000年的45.6km2增大到2011年的63.2km2，說明黑河調水發(fā)揮了作用。

（2）額濟納地區(qū)土地利用變化。從表6可以看出，額濟納地區(qū)的耕地、林地、城鄉(xiāng)居民及建設用地和水域均增大。水體面積增大說明黑河調水發(fā)揮了作用，城鄉(xiāng)居民與建設用地增大則說明在水資源支撐下，社會經濟得到迅猛發(fā)展。

（3）古日乃地區(qū)土地利用變化。由表7可以看出，古日乃地區(qū)林地、草地面積大幅增加，分別從2000年的13.07、472.27km2增大到2011年的43.67、702.20km2，植被得到了較好的恢復。

由下游土地變化圖可知，旱地與低蓋度草地、灌木林與中蓋度草地、疏林地與低蓋度草地等都發(fā)生了很大比例的轉換，這種轉換主要表現(xiàn)為沙地向植被轉換，且主要發(fā)生在綠洲邊緣地區(qū)，反映了下游土地利用變化的驅動以人為建設和水資源變化為主，水資源變化主要影響低蓋度草地、水域等土地類型，而人為建設主要影響耕地、城鄉(xiāng)居民與建設用地等。

黑河下游土地利用二級類型面積的變化見表8。由二級土地利用類型的轉化面積可知：旱地和湖泊面積大幅增加，面積減少較多的類型是沙地、戈壁；2000-2011年增加的耕地主要來源于低覆蓋度草地（51.73km2）、沙地（33.87km2），增加的湖泊主要來源于鹽堿地（35.87km2）。

3.2 生態(tài)環(huán)境變化

結合遙感調查成果，計算得到黑河中游地區(qū)2000年和2011年的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)分別為0.1908、0.1960，說明中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量略有好轉，總體上維持著區(qū)域生態(tài)環(huán)境的動態(tài)穩(wěn)定。在區(qū)域生態(tài)環(huán)境總體維持穩(wěn)定的同時，區(qū)域生態(tài)質量往往同時存在著好轉和惡化兩種相反趨勢。這兩種趨勢在一定區(qū)域內是相互抵消的，因此使得總體趨勢相對穩(wěn)定。生態(tài)環(huán)境的好轉和惡化趨勢可從分析二級土地利用類型變化得出。從表9可以看出，在水資源充沛的情況下，沙地、裸土地、戈壁開墾為旱地等是對生態(tài)環(huán)境有益的，而高蓋度草地退化為低蓋度草地和將高蓋度草地、沼澤地開墾為旱地等均會導致生態(tài)環(huán)境惡化。

同樣計算得出黑河下游2000-2011年的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)分別為0.0478和0.0556，說明2000-2011年下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量呈好轉趨勢。由表10可以看出，向下游調水以后，部分沙地恢復為草地、沼澤地、疏林地，以前干涸的東居延?；謴土吮滩ㄊ幯艽蟪潭壬细纳屏松鷳B(tài)環(huán)境。另外，部分沙地被開墾為旱地，也對生態(tài)環(huán)境的改善有所貢獻，但根據各類土地覆被的耗水和生態(tài)貢獻率來看，被開墾為旱地的效果不如轉變?yōu)榱植莸亍?/p>

在生態(tài)環(huán)境好轉的同時，也有部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境略有惡化，表現(xiàn)為草地蓋度的降低，中、低蓋度草地退化為沙地、鹽堿地等類型，更有部分疏林地被開墾為旱地。

從流域中下游生態(tài)環(huán)境變化情況來看，目前的水資源條件可保障生態(tài)環(huán)境不退化，但在水資源配置方面仍有提高的空間。

3.3 驅動力分析

從表9可知：2000-2011年間黑河中游生態(tài)環(huán)境質量改善的土地利用變化的主要驅動因子為未利用地被開墾為耕地，其中未利用地中沙地、裸土地、戈壁轉為耕地分別占生態(tài)貢獻率的13.27%、12.48%和11.33%；中游生態(tài)環(huán)境質量惡化的土地利用變化的主要驅動因子是草地內部轉化和圍水造田、毀草墾田和草地退化為沙地，其中高蓋度草地轉為低蓋度草地部分占生態(tài)貢獻率的14.16%，圍水造田、毀草墾田轉化部分分別占生態(tài)貢獻率的13.25%、6.97%，低蓋度草地退化為沙地部分占生態(tài)貢獻率的6.93%。

從表10可知：2000-2011年間黑河下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量改善的土地利用變化的主要驅動因子為沙地轉化為低蓋度草地、沙地變?yōu)檎訚傻睾蜕车刈優(yōu)橹猩w度草地，三者分別占生態(tài)貢獻率的16.13%、14.52%和12.17%；下游生態(tài)環(huán)境質量惡化的土地利用變化的主要驅動因子為草地退化為未利用地和沼澤地以及草地內部轉化，低蓋度草地退化為未利用地中沙地和戈壁分別占生態(tài)貢獻率的20.19%、9.47%，沼澤地轉化為沙地部分占生態(tài)貢獻率的16.62%，草地內部轉化中中蓋度草地轉為低蓋度草地部分占生態(tài)貢獻率的6.75%。

總體來說，生態(tài)環(huán)境質量的變化一方面與自然因素中的水資源條件密不可分，另一方面與社會因素中的人為因素及國家政策等因素有關。以土地利用核心類型——耕地為例，在水資源充沛的情況下，靠近水源的未利用地中沙地、裸土地、戈壁等會被開墾為耕地，同時耕地的變化又受到耕地總量動態(tài)平衡、土地用途管制等政策因素的制約。

4 結語

（1）自2000年實施水資源統(tǒng)一調度以來，黑河干流中下游地區(qū)的土地利用發(fā)生了很大變化，說明在水資源條件支撐下，水土資源得到了進一步配置。中下游地區(qū)的耕地、林地、水域、城鄉(xiāng)居民與建設用地面積增加，未利用地面積減少，中游地區(qū)土地利用變化主要發(fā)生在山丹縣的馬營河灌區(qū)和張掖綠洲邊緣區(qū)域；下游地區(qū)土地利用變化主要發(fā)生在沿河區(qū)域、額濟納核心綠洲區(qū)和古日乃地區(qū)的邊緣區(qū)域。中下游地區(qū)水體面積增大說明水資源統(tǒng)一調度起到了關鍵作用，城鄉(xiāng)居民與建設用地增加說明在水資源條件支撐下，經濟社會得到了迅速發(fā)展。

（2）黑河中游地區(qū)的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)從2000年的0.1908上升到2011年的0.1959，說明生態(tài)環(huán)境質量略有好轉，總體上維持著區(qū)域生態(tài)環(huán)境的動態(tài)穩(wěn)定。黑河下游地區(qū)的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)從2000年的0.0478上升到2011年的0.0556，說明下游生態(tài)環(huán)境質量好轉。從流域中下游生態(tài)環(huán)境變化情況來看，目前的水資源條件可保障生態(tài)環(huán)境不退化，但在水資源配置方面仍有提高空間。

（3）雖然在2000-2011年間區(qū)域生態(tài)環(huán)境維持著總體平衡，但不能忽視局部生態(tài)環(huán)境的惡化，研究區(qū)局部地區(qū)仍然存在著毀草造田、圍水造田等現(xiàn)象。因此，在土地利用中要加大生態(tài)環(huán)境重建的力度，限制或取消那些導致生態(tài)環(huán)境惡化的人類活動，充分利用生態(tài)系統(tǒng)的自我修復功能，恢復和改善生態(tài)環(huán)境。

參考文獻：

[1]VALBUENA D，VERBURG P H，BREGT A K.A Methodto Define a Typology for Agent-Based Analysis in RegionalLand-Use Research[J].Agriculture，Ecosystems and Envi-ronment，2008，128（1）：27-36.

[2]LAMBIN E F，GEIST H J.Global]and-Use and Cover Chan羅：What Have We Learned so Far[J].Global Change Newsletter，2001，46：27-30.

[3]田光進.基于遙感與GIs的90年代中國城鄉(xiāng)居民點用地時空特征研究[D].北京：中國科學院大學，2002：1.

[4]王曉東，蒙吉軍.土地利用變化的環(huán)境生態(tài)效應研究進展[J].北京大學學報（自然科學版），2014，50（6）：1133-1140.

[5]李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領域：土地利用/土地覆蓋變化的國際研究方向[J].地理學報，1996，51（6）：553-558.

[6]寧越敏.長江三角洲都市連綿區(qū)形成機制與跨區(qū)域規(guī)劃研究[J].城市規(guī)劃，1998（1）：16-20.

[7]潘競虎，劉菊玲.黃河源區(qū)土地利用和景觀格局變化及其生態(tài)環(huán)境效應[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2005，19（4）：69-74.

[8]王道席，張婕，杜得彥.黑河生態(tài)水量調度實踐[J].人民黃河，2016，38（10）：96-99.

[9]王根緒，程國棟，沈永平.近50年來河西走廊區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化特征與綜合防治對策[J].自然資源學報，2002，17（1）：78-86.

[10]LU Ling，LI Xin，CHENG Guodong.Landscape Evolutionin the Middle Heihe River Basin of North-West ChinaDuring the Last Decade[J].Journal of Arid Environments，2002，53：395-408.

[11]蒙吉軍，吳秀芹，李正國.黑河流域LUCC（1988-2000）的生態(tài)環(huán)境效應研究[J].水土保持研究，2005，12（4）：17-21.

[12]李曉文，方創(chuàng)琳，黃金川，等.西北干旱區(qū)城市土地利用變化及其區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應[J].第四紀研究，2003，23（3）：280-290.

[13]李傳哲，于福亮，劉佳，等.分水后黑河干流中游地區(qū)景觀動態(tài)變化及驅動力[J].生態(tài)學報，2009，29（11）：5832-5842.

[14]蔣曉輝，劉昌明.黑河下游植被對調水的響應[J].地理學報，2009，64（7）：791-797.

[15]喬西現(xiàn)，蔣曉輝，陳江南，等.黑河調水對下游東、西居延海生態(tài)環(huán)境的影響[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2007，35（6）：190-194.

[16]李傳哲，于福亮，劉佳，等.近20年來黑河干流中游地區(qū)土地利用/覆被變化及驅動力定量研究[J].自然資源學報，2011，26（3）：353-363.

[17]HU X L，LU L，LI X，et al.Land Use/Cover Change inthe Middle Reaches of the Heihe River Basin over 2000-2011 and Its Implications for Sustainable Water ResourceManagement[J].PLoS ONE，2015，10（6）：e0128960.

[18]王建華，趙軍，胡曉利，等.2012年新編黑河流域2000年土地利用/土地覆蓋數(shù)據集[EB/0L].[2014-03-05].http：//westdc.westgis.ac.cn/data/320690e1-f8aa-4c51-a189-4c82f7e64639.

[19]張楊，劉艷芳，顧漸萍，等.武漢市土地利用覆被變化與生態(tài)環(huán)境效應研究[J].地理科學，2011，31（10）：1280-1285.

[20]楊述河，閆海利，郭麗英.北方農牧交錯帶土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應：以陜北榆林市為例[J].地理科學進展，2004，23（6）；49-55.