資源型縣域土地利用與水土流失動(dòng)態(tài)變化情況分析

黨恬敏，田金梅，李小兵 ，白 云，王 帆，黨維勤

(1.黃河水利委員會(huì) 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021；2.黃土高原水土保持與生態(tài)修復(fù)國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林719000；3.黃河水利委員會(huì) 綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，陜西 榆林719000)

山西省地處我國(guó)華北西部的黃土高原東翼，地勢(shì)東北高西南低，海拔多在1 500 m以上，礦產(chǎn)資源豐富，但生態(tài)環(huán)境脆弱，特別是礦產(chǎn)資源無(wú)序開(kāi)采和粗放式管理，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重。靈石縣位于山西省中部，地處黃土丘陵階地區(qū)和土石山區(qū)兩大類(lèi)型區(qū)，是省內(nèi)重要的能源化工基地，煤炭資源開(kāi)采范圍較廣。本研究以靈石縣為研究區(qū)，利用RS、GIS技術(shù)和中國(guó)土壤流失方程(CSLE)，結(jié)合2000年第二次全國(guó)土壤侵蝕遙感調(diào)查、2011年全國(guó)水利普查水土流失數(shù)據(jù)中靈石縣相關(guān)數(shù)據(jù)，分析縣域土地利用和水土流失動(dòng)態(tài)變化，希望能為我國(guó)資源型縣域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

靈石縣位于山西省晉中市南部，地處111°24′00″～112°00′30″E、36°39′27″～36°59′38″N之間，土地面積1 202 km2。境內(nèi)山巒起伏綿延，海拔在574～2 567 m之間，高差較大；溝壑縱橫交錯(cuò)，地形支離破碎，坡度>15°土地面積為732.81 km2，占縣域總面積的60.97%；屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫10.7 ℃，年均降水量500.5 mm，汛期降水量占年降水量的70%以上，且多以暴雨形式出現(xiàn)，年均無(wú)霜期170 d；地表多為黃土、巖石風(fēng)化物，土壤松散、孔隙度大，土壤瘠薄，抗蝕能力極低；林草地總面積826.41 km2，占縣域總面積的68.75%，森林覆蓋率24.92%；轄4鄉(xiāng)6鎮(zhèn)1個(gè)城區(qū)，192個(gè)行政村、23個(gè)居委會(huì)，常住人口24.6萬(wàn)人。靈石縣煤炭資源分布較廣，含煤面積達(dá)860 km2，占縣域總面積的71.55%，地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)91億t。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年以來(lái)全縣共實(shí)施了130個(gè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，其中與煤炭相關(guān)的項(xiàng)目97個(gè)，占總量的75%。礦產(chǎn)過(guò)度開(kāi)采、土地亂墾濫伐、耕地粗放經(jīng)營(yíng)等人為因素導(dǎo)致水土流失較為嚴(yán)重。根據(jù)2000年全國(guó)第二次水土流失遙感調(diào)查數(shù)據(jù)，全縣水土流失面積1 035.88 km2，占到縣域總面積的86.18%。

2 數(shù)據(jù)選取

本研究選取的遙感影像數(shù)據(jù)源分別為2018、2019年的兩期多光譜影像，空間分辨率2 m，其中：2018年為資源三號(hào)衛(wèi)星影像，2019年為高分一號(hào)衛(wèi)星影像，兩期時(shí)相均為6—9月；植被覆蓋資料采用MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)產(chǎn)品計(jì)算得到，2018年采用2015—2017年數(shù)據(jù)，2019年采用2016—2018年數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為 16 d，空間分辨率為250 m；降雨侵蝕力數(shù)據(jù)是由靈石縣及其周邊各氣象站1985—2015年的日降水量數(shù)據(jù)計(jì)算獲得；土壤資料為30 m分辨率土壤可蝕性因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)，來(lái)源于第一次全國(guó)水利普查結(jié)果；地形數(shù)據(jù)采用1∶50 000地形圖生成DEM；2000、2011年靈石縣水土流失數(shù)據(jù)分別來(lái)源于全國(guó)第二次水土流失遙感調(diào)查和第一次全國(guó)水利普查水土流失數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 遙感影像解譯

本研究以《區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定(試行)》中土地利用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，將研究區(qū)土地利用類(lèi)型劃分為耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地等9種。由于研究區(qū)各土地利用類(lèi)型之間的邊界較為模糊，監(jiān)督分類(lèi)或非監(jiān)督分類(lèi)等計(jì)算機(jī)分類(lèi)方法難以取得較好的分類(lèi)結(jié)果，因此本研究采用人工目視解譯的方法。首先，以靈石縣2018、2019年高分遙感影像為數(shù)據(jù)源，根據(jù)遙感影像空間分辨率、時(shí)相、色調(diào)和幾何特征等開(kāi)展野外調(diào)查，建立遙感影像解譯標(biāo)志；然后，結(jié)合解譯標(biāo)志提取土地利用類(lèi)型和面積；最后，通過(guò)自查、互查、野外調(diào)查等方式驗(yàn)證解譯精度。抽查結(jié)果表明，本研究土地利用遙感解譯精度達(dá)93.5%，滿(mǎn)足精度要求。通過(guò)疊加分析兩期土地利用類(lèi)型及面積的變化情況，生成土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

3.2 土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算

研究區(qū)位于水蝕區(qū)，采用中國(guó)土壤流失方程(CSLE)計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)，方程基本形式為

A=R·K·L·S·B·E·T

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L、S分別為坡長(zhǎng)、坡度因子；B為植被覆蓋與生物措施因子；E為工程措施因子；T為耕作措施因子。

其中，R因子采用章文波等[1]提出的利用日雨量計(jì)算降雨侵蝕力方法，計(jì)算年平均1～24個(gè)半月降雨侵蝕力，用克里金空間插值法生成10 m空間分辨率24個(gè)半月降雨侵蝕力柵格數(shù)據(jù)，累加形成多年平均降雨侵蝕力數(shù)據(jù)；K因子根據(jù)OLSON et al.[2]和劉寶元等[3]提出的計(jì)算方法生成研究區(qū)土壤可蝕性K值圖；L、S因子采用比例尺為1∶50 000的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得到，坡度10°以下采用MC COOL et al.[4]提出的公式，坡度10°以上采用LIU et al.[5]提出的公式計(jì)算得到；B因子采用MODIS NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成24個(gè)半月植被覆蓋度；E、T因子分別參照《水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)優(yōu)化技術(shù)方案》進(jìn)行賦值。

通過(guò)各因子圖層?xùn)鸥癯朔e運(yùn)算，得到每個(gè)柵格的土壤侵蝕模數(shù)，依據(jù)《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)評(píng)價(jià)每個(gè)柵格的土壤侵蝕強(qiáng)度，統(tǒng)計(jì)微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈等各級(jí)侵蝕強(qiáng)度的面積，輕度及以上各級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度面積之和為水土流失面積。計(jì)算靈石縣2018、2019年的水土流失面積及強(qiáng)度，并與2000、2011年相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析水土流失面積變化的原因。

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用變化

根據(jù)土地利用遙感影像解譯成果，與2018年相比，2019年靈石縣土地利用變化特征主要表現(xiàn)為：林地、建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、耕地面積增加，增加面積分別為8.56、4.16、2.58、0.68、0.39 km2；草地、園地和其他土地面積減少，減少面積分別為10.50、4.81、1.06 km2。土地利用變化面積轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表1，土地利用變化圖斑見(jiàn)圖1。

圖1 靈石縣2018—2019土地利用變化圖斑

表1 2018—2019年靈石縣土地利用變化面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2018—2019年靈石縣土地利用類(lèi)型發(fā)生變化的面積為40.82 km2。其中：2019年林地增加最多，主要由草地和園地轉(zhuǎn)移而來(lái)，分別為6.62、6.45 km2；草地減少最多，主要變成林地、園地和建設(shè)用地，分別轉(zhuǎn)移了6.62、3.22、3.04 km2。結(jié)合影像解譯和實(shí)地調(diào)查可以看出，隨著近年來(lái)水土流失綜合治理工程的實(shí)施，靈石縣的土地利用得到進(jìn)一步優(yōu)化，尤其林地面積增加明顯。根據(jù)靈石縣2019、2020年政府工作報(bào)告，靈石縣2018年實(shí)施退耕還林，栽植生態(tài)林2 200 hm2，2019年完成水土流失治理3 333 hm2，同時(shí)大力發(fā)展核桃等特色經(jīng)果林產(chǎn)業(yè)，新建核桃示范基地30個(gè)。靈石縣在穩(wěn)定開(kāi)發(fā)煤炭資源的情況下，有效提升了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)向好，做到了“既要綠水青山，也要金山銀山”。

4.2 水土流失面積變化

將計(jì)算得到的研究區(qū)2018、2019年水土流失數(shù)據(jù)與2000年第二次全國(guó)水土流失遙感調(diào)查數(shù)據(jù)、2011年第一次全國(guó)水利普查水土流失數(shù)據(jù)比較，得到靈石縣水土流失變化情況結(jié)果見(jiàn)表2。2000—2019年靈石縣水土流失面積減少明顯，其中2000—2011、2011—2018、2018—2019年全縣水土流失面積分別減少了378.27、28.38、7.15 km2，2000—2011、2011—2018年平均每年減少水土流失面積分別為34.39、4.05 km2，2018—2019年減少了7.15 km2?？梢?jiàn)，靈石縣水土流失面積年度變化速率整體呈現(xiàn)前期較快、中期變緩、后期又加快的趨勢(shì)。分析其原因：2000年以來(lái)靈石縣實(shí)施了采煤沉陷土地復(fù)墾、礦山地質(zhì)環(huán)境治理、小流域綜合治理、坡耕地水土流失綜合治理、退耕還林還草等國(guó)家生態(tài)建設(shè)和水土保持重點(diǎn)工程項(xiàng)目，項(xiàng)目的實(shí)施和群眾水土保持意識(shí)的提升，使區(qū)域水土流失面積和等級(jí)呈現(xiàn)雙下降趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境得到顯著改善；但隨著治理措施的不斷增加，治理成果的不斷鞏固，水土流失主要集中在不易治理的區(qū)域，治理速度逐漸減緩；近年來(lái)，國(guó)家高度重視生態(tài)文明建設(shè)，尤其是隨著“天地一體化”動(dòng)態(tài)監(jiān)管工作的開(kāi)展，水土保持治理能力及水土流失監(jiān)管力度持續(xù)加強(qiáng)，煤炭產(chǎn)業(yè)水土保持工作得到顯著強(qiáng)化，人為水土流失狀況明顯改善，水土流失治理工作全面提速增效。

表2 靈石縣水土流失面積統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 語(yǔ)

研究結(jié)果表明，靈石縣水土流失面積從2000年的1 035.88 km2，減少到2011年的657.61 km2，到2018年的629.23 km2，再到2019年的622.08 km2，說(shuō)明近年來(lái)靈石縣通過(guò)實(shí)施采煤沉陷土地復(fù)墾、礦山地質(zhì)環(huán)境治理和小流域綜合治理等工程項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了縣域土地利用的優(yōu)化提升，在進(jìn)一步發(fā)展煤炭產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上，使水土流失得到了有效控制，為我國(guó)眾多資源型縣域在維持或增加煤炭產(chǎn)量、保障國(guó)家資源安全的前提下，在新發(fā)展格局中實(shí)現(xiàn)資源型縣域轉(zhuǎn)型的新跨越、推動(dòng)資源型縣域?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。