北方土石山區(qū)土地利用及水土流失時(shí)空變化

摘要： 北方土石山區(qū)是我國(guó)水土流失防治的重要區(qū)域，研究其土地利用/覆蓋和水土流失時(shí)空變化對(duì)于區(qū)域水土保持和生態(tài)建設(shè)具有重要參考價(jià)值。采用遙感解譯和圖表統(tǒng)計(jì)方法，定量分析了區(qū)域內(nèi)2009—2016年土地利用、2000—2015年歸一化植被指數(shù)（NDVI，其值用INDV表示）及3次全國(guó)水土流失調(diào)查結(jié)果的變化趨勢(shì)和特征。結(jié)果表明：海河、淮河流域內(nèi)城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地面積均增加，增幅分別為9.26%和7.27%、10.04%和7.17%，園地、水域及水利設(shè)施用地、耕地、林地、草地面積均減少，減幅在0.63%～6.16%之間，只有其他土地變化趨勢(shì)不同，海河流域減少了1.93%，而淮河流域增加了4.92%；植被覆蓋度整體提高，INDV＞0.7的高覆蓋度區(qū)域范圍有所擴(kuò)大；土壤侵蝕面積從20世紀(jì)80年代末的16.92萬(wàn)km2減少到2011年的11.62萬(wàn)km2。通過(guò)小流域綜合治理、“三北”工程建設(shè)及坡改梯等生態(tài)修復(fù)和水土保持工程的實(shí)施，2000—2015年北方土石山區(qū)的植被覆蓋度整體提升，水土流失強(qiáng)度總體呈減小趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 土地利用；水土流失；歸一化植被指數(shù)；土壤侵蝕；時(shí)空變化；海河流域；淮河流域；北方土石山區(qū)

中圖分類號(hào)： S157.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.04.013

引用格式： 趙瑩，陳吟，屈麗琴，等.北方土石山區(qū)土地利用及水土流失時(shí)空變化[J].中國(guó)水土保持，2025（4）：43-49.

北方土石山區(qū)是我國(guó)8個(gè)水土保持一級(jí)區(qū)之一，水土流失類型多樣，包括水蝕、風(fēng)蝕、重力侵蝕等，其中水蝕面積分布最廣[1]。區(qū)域內(nèi)土層較薄，混有礫石，土壤有機(jī)質(zhì)和水分含量較低，天然植被覆蓋率不高，生態(tài)較為脆弱[2]，再加上降雨沖刷的影響，水土流失易發(fā)，流失的土壤進(jìn)入河道形成淤積，會(huì)威脅下游的水資源安全與生態(tài)安全。區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)密集、人口眾多，黃淮海平原承擔(dān)著華北糧倉(cāng)的重要作用。由于水土流失問(wèn)題加劇了人地矛盾，對(duì)土地生產(chǎn)力的威脅較大[3]，因此一定程度上影響了區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。目前，針對(duì)北方土石山區(qū)水土流失問(wèn)題的研究多集中于水土保持措施的配置及其效應(yīng)方面，包括植物措施[4-5]、工程措施[6]及小流域綜合治理[7]等，而針對(duì)整體水土流失時(shí)空變化的研究尚有不足，特別是針對(duì)整個(gè)北方土石山區(qū)的水土流失現(xiàn)狀分析還是基于20世紀(jì)末第二次全國(guó)土壤侵蝕遙感調(diào)查的結(jié)果[1]，或者局限于區(qū)域內(nèi)的某一部分，如針對(duì)遼寧省[8]、淮河流域的土壤侵蝕研究等[9-10]。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，一方面北方土石山區(qū)的土地利用方式發(fā)生了許多空間上的變化，另一方面各種生態(tài)恢復(fù)工程的建設(shè)也促使土地利用和地表植被覆蓋發(fā)生了改變，這些人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用和植被覆蓋變化，是影響區(qū)域內(nèi)水土流失變化的重要因素[11-13]。本研究以北方土石山區(qū)海河及淮河流域土地利用、植被覆蓋、土壤侵蝕調(diào)查和水文站徑流泥沙數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析研究區(qū)域內(nèi)土地利用、植被覆蓋、土壤侵蝕和江河水沙變化的趨勢(shì)和特征，以期為深入理解我國(guó)北方土石山區(qū)的水土流失時(shí)空變化和區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化提供支撐，并為評(píng)價(jià)水土保持生態(tài)效應(yīng)和制定區(qū)域土壤侵蝕防治策略提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況

北方土石山區(qū)北接內(nèi)蒙古高原，南至大別山，包括海河、淮河兩大流域的全部和黃河、松遼流域的小部分。為便于分析，本研究以占北方土石山區(qū)主體的海河、淮河流域?yàn)檠芯繀^(qū)（見(jiàn)圖1）。海河流域西部為山西高原和太行山區(qū)，北部為內(nèi)蒙古高原和燕山山區(qū)，山地和高原面積約占總面積的60%，東部和南部為廣闊平原，約占總面積的40%?；春恿饔驏|北部為魯中南斷塊山地，中部為黃淮平原，西部和南部是山地和丘陵。研究區(qū)海拔大部分在200 m以下，西北部及部分山地區(qū)域海拔為1 000～3 000 m，山區(qū)地面坡度多在20°以上，至丘陵漸次變緩；屬于我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)，水分狀況自東南向西北逐漸變干，氣候具有明顯的地域分異特征，不同地點(diǎn)年均降水量為300～1 600 mm，降水年際、年內(nèi)分配不均勻；自北向南的主要土壤類型包括褐土和黃棕壤兩大類，土層較薄且混雜礫石，其中土層厚度小于15 cm的土地面積約占總面積的40%，土層厚度大于50 cm的土地面積只占總面積的10%；植被隨緯度變化明顯，從北部的干草原和森林草原向南部逐漸遞變?yōu)獒橀熑~混交林、落葉闊葉林，植被覆蓋度逐漸增大，種類也愈加復(fù)雜。

2材料與方法

本研究海河和淮河流域的土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自于自然資源部發(fā)布的2009—2016年全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)集，一級(jí)分類包括耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地共8類。土壤侵蝕數(shù)據(jù)來(lái)源于20世紀(jì)80年代末、20世紀(jì)末和2011年3次全國(guó)水土流失調(diào)查結(jié)果。徑流泥沙數(shù)據(jù)為海河干流上的海河閘水文站數(shù)據(jù)（1960—2017年）及淮河干流上的蚌埠水文站數(shù)據(jù)（1956—2017年），包括年徑流總量和年輸沙總量。由于歸一化植被指數(shù)（NDVI，其值用INDV表示）對(duì)植被生長(zhǎng)狀況較為敏感，與葉面積指數(shù)呈明顯的正相關(guān)關(guān)系[14]，因此被廣泛作為覆蓋度的代表指標(biāo)，常用于土地利用和覆蓋變化等研究中[15]。本研究使用的NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云的海河和淮河流域MODIS NDVI月合成數(shù)據(jù)，分辨率為500 m，包括2000年、2005年、2010年和2015年共4期數(shù)據(jù)。

3結(jié)果與分析

3.1土地利用類型變化

3.1.1海河流域

2009—2016年海河流域土地利用類型變化見(jiàn)表1。2009—2016年海河流域城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運(yùn)輸用地面積呈逐年增加趨勢(shì)，耕地、園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地面積整體均呈減少趨勢(shì)，其他土地（設(shè)施農(nóng)用地、田坎、鹽堿地、沼澤地、沙地）面積呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，主要是設(shè)施農(nóng)用地面積增大，鹽堿地、沙地面積減小。研究區(qū)內(nèi)土地利用類型以耕地（水田、旱地）、林地（灌木林地、疏林地）和草地為主，其中耕地占比最大，各年度平均占比達(dá)33.85%。隨著城鎮(zhèn)化和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，2009—2016年城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運(yùn)輸用地面積分別增加了9.26%、10.04%。在面積減少的土地利用類型中，減少比例最大的為園地，達(dá)4.92%，其次為水域及水利設(shè)施用地， 趙瑩等：北方土石山區(qū)土地利用及水土流失時(shí)空變化減少了3.56%；從變化面積量來(lái)說(shuō)，草地面積減少最多，為996.7 km2，其次為耕地，再次為水域及水利設(shè)施用地。

3.1.2淮河流域

2009—2016年淮河流域土地利用類型變化見(jiàn)表2。2009—2016年淮河流域最主要的土地利用類型為耕地，各年度面積占該流域面積的平均比例為57.37%，其次為城鎮(zhèn)村及工礦用地和水域及水利設(shè)施用地，各年度面積占該流域面積的平均比例分別為15.09%和12.04%。耕地、園地、林地、草地和水域及水利設(shè)施用地面積均呈減少趨勢(shì)，城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地和其他土地面積均呈增加趨勢(shì)。減少比例最大的為草地（6.16%），其次為園地（4.86%）和林地（4.70%）；減少面積最大的為耕地，減少面積為977.4 km2，其次為水域及水利設(shè)施用地（864.0 km2），再次為林地（663.3 km2）。城鎮(zhèn)村及工礦用地增加的比例最大（7.27%），其次為交通運(yùn)輸用地（7.17%）；城鎮(zhèn)村及工礦用地面積增加了2 277.3 km2，交通運(yùn)輸用地增加了533.4 km2。

3.2植被覆蓋變化

3.2.1海河流域

2000—2010年海河流域植被覆蓋度持續(xù)增大，2015年與2010年相比略有減小。海河流域NDVI空間分布見(jiàn)圖2。2000年、2005年、2010年和2015年，海河流域INDV＞0.7（高覆蓋度區(qū)域）的土地面積分別占流域土地總面積的12.88%、19.43%、26.76%和25.26%，空間上主要分布在流域東北部的燕山山脈、山西東部和河北西部太行山區(qū)，以及流域的西南邊界地區(qū)；INDV為0.5～0.7（中覆蓋度區(qū)域）的土地面積分別占流域總面積的24.91%、36.94%、42.77%和35.60%，主要分布在流域內(nèi)東部的京津冀地區(qū)、太行山沿線周邊、山東的西北部等，2010年與其他3個(gè)時(shí)期相比，植被中覆蓋度區(qū)域擴(kuò)展到了河北的大部分地區(qū)；INDV＜0.5（低覆蓋度區(qū)域）的土地面積分別占流域總面積的62.21%、43.63%、30.47%和39.14%。

3.2.2淮河流域

淮河流域NDVI變化趨勢(shì)與海河流域基本一致，2000—2010年植被覆蓋度持續(xù)增加，2010—2015年植被覆蓋度略有減少（見(jiàn)圖3）。2000年、2005年、2010年和2015年，INDV＞0.7（高覆蓋度區(qū)域）的土地分別占流域總面積的13.42%、16.82%、25.71%和19.13%，空間上主要分布在流域內(nèi)的皖西和豫南地區(qū)，2010—2015年范圍擴(kuò)展到流域的中東部地區(qū)及山東半島；INDV為0.5～0.7（中覆蓋度區(qū)域）的土地面積占比分別為42.28%、39.33%、45.57%和39.51%，主要呈斑塊狀分布在魯中和魯東南、江蘇的北部、安徽的中部等地，但是2000—2015年流域內(nèi)河南省部分中覆蓋度區(qū)域有向低覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)；INDV＜0.5（低覆蓋度區(qū)域）的土地面積占比分別為44.30%、43.85%、28.72%和41.36%，除2010年外，其他3個(gè)年度低覆蓋度區(qū)域面積比例變化不大，但是分布區(qū)域有所變化，2000年主要呈斑塊狀分布在魯西南和安徽北部，2005年和2015年主要集中在豫東、皖北地區(qū)。整體來(lái)看，淮河流域高覆蓋度區(qū)域面積在穩(wěn)步增加。

3.3土壤侵蝕及徑流泥沙變化

3.3.1區(qū)域土壤侵蝕

根據(jù)20世紀(jì)80年代末、20世紀(jì)末和2011年3次全國(guó)水土流失調(diào)查結(jié)果（見(jiàn)圖4），北方土石山區(qū)的水土流失面積分別為16.92萬(wàn)、13.46萬(wàn)、11.62萬(wàn)km2，其中海河流域水土流失面積分別為11.05萬(wàn)、10.38萬(wàn)、7.89萬(wàn)km2，淮河流域水土流失面積分別為5.87萬(wàn)、3.08萬(wàn)、3.73萬(wàn)km2。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，20世紀(jì)80年代末至2011年，北方土石山區(qū)的水土流失面積減少了31.32%，降幅明顯。其中，強(qiáng)烈侵蝕面積和中度侵蝕面積減少比例較高，分別為51.17%和42.26%，其次是輕度侵蝕面積減少了18.87%，極強(qiáng)烈侵蝕面積減少了2.00%。值得注意的是，近些年有部分地區(qū)出現(xiàn)了劇烈侵蝕，雖然面積較小（0.18萬(wàn)km2），但卻較20世紀(jì)末的0.01萬(wàn)km2有了比較顯著的增加，這與經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)導(dǎo)致的土地?cái)_動(dòng)密切相關(guān)。

海河流域和淮河流域總體變化趨勢(shì)相似，從20世紀(jì)80年代末至2011年，除極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕外，其他各強(qiáng)度水土流失面積均呈顯著的減少趨勢(shì)（見(jiàn)圖5），但在具體表現(xiàn)上有所不同。海河流域在20世紀(jì)80年代末至20世紀(jì)末，輕度和中度水土流失面積均有比較明顯的增加，增幅分別為9.98%和25.91%，2011年則回落明顯，較20世紀(jì)末的降幅分別為19.72%和48.56%；強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈水土流失面積變化趨勢(shì)則恰好相反，在20世紀(jì)末較20世紀(jì)80年代末大幅減少，減幅分別為80.37%和94.87%，2011年較20世紀(jì)末又有所增加，分別增加了0.51萬(wàn)km2和0.23萬(wàn)km2；劇烈水土流失面積則出現(xiàn)在20世紀(jì)末至2011年這一階段，至2011年劇烈侵蝕面積達(dá)0.13萬(wàn)km2?；春恿饔蜉p度、中度和強(qiáng)烈水土流失面積變化規(guī)律基本一致，均是在20世紀(jì)末較20世紀(jì)80年代末顯著減少，減幅分別為40.93%、56.28%和53.75%，2011年較20世紀(jì)末又有所增加，增幅分別為17.47%、3.19%和40.54%；極強(qiáng)烈和劇烈水土流失面積總體呈增加趨勢(shì)，2011年較20世紀(jì)80年代末分別增加了0.13萬(wàn)、0.05萬(wàn)km2；相比于20世紀(jì)80年代末，2011年水土流失面積中減少比例最大的是中度侵蝕，其次是強(qiáng)烈侵蝕和輕度侵蝕，對(duì)應(yīng)的減少面積分別為1.18萬(wàn)、0.28萬(wàn)、0.86萬(wàn)km2。

3.3.2徑流泥沙

徑流泥沙方面，海河干流海河閘水文站自1960年以來(lái)徑流量和輸沙量均顯著減少，分別由1960—2000年年均的9.71億m3和19.10萬(wàn)t下降到2001—2017年年均的3.69億m3和0.03萬(wàn)t，降幅分別達(dá)62.00%和99.84%；淮河干流蚌埠水文站自1956年以來(lái)，徑流量在不同年份間波動(dòng)較大（26.9億～641.9億m3），輸沙量則顯著減少，由1956—2000年年均的890.40萬(wàn)t下降到2001—2017年年均的381.83萬(wàn)t，降幅達(dá)57.12%（見(jiàn)圖6）。

4結(jié)論與討論

1）2009—2016年，海河和淮河流域最主要的土地利用類型均為耕地，分別占流域總面積的33.85%和57.37%。在各土地利用類型中，城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地的面積有所增加；耕地、園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地面積則有所減少。這些變化與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)，是城鎮(zhèn)化的發(fā)展促使土地利用由自然類型向人工類型轉(zhuǎn)變。這與同時(shí)期其他學(xué)者的研究結(jié)果基本一致，例如傅家儀等[16]在海河流域的研究表明，1990—2015年區(qū)域內(nèi)耕地是減少最多的土地利用類型，且大部分轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地和草地；嚴(yán)登明等[17]在淮河流域也得出，2005—2013年主要的土地利用類型變化是水田和旱地向居民城鄉(xiāng)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化。除此之外，在其他地區(qū)如遼河流域[18]、黃土高原退耕區(qū)[11]也有類似的變化趨勢(shì)。

2）2000—2015年研究區(qū)植被覆蓋得到恢復(fù)，高覆蓋度區(qū)域（INDVgt;0.7）面積占比海河流域從12.88%增加到25.26%，淮河流域則從13.42%增加到19.13%，其中2015年與2010年相比植被覆蓋度略有減小，但從整個(gè)長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看NDVI仍為增加趨勢(shì)。在范倩倩[19]對(duì)海河流域1982—2015年NDVI變化趨勢(shì)的研究中，2010年夏季NDVI也略高于2015年，這可能與當(dāng)年夏季降水較多有關(guān)。其他針對(duì)海河、淮河流域同時(shí)期的植被覆蓋變化研究也顯示，該區(qū)域內(nèi)近期植被覆蓋度呈總體改善趨勢(shì)[17，20-22]。北方土石山區(qū)植被覆蓋度增大，主要原因是區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化水平提高、農(nóng)村人口減少，對(duì)土地的擾動(dòng)程度減小，同時(shí)從20世紀(jì)80年代以來(lái)開(kāi)展的一系列小流域綜合治理工程，如生態(tài)林、經(jīng)濟(jì)林等措施都對(duì)植被覆蓋度提升起到了重要作用[7]。另外，海河流域的北部還是“三北”工程的建設(shè)區(qū)，工程的建設(shè)有效促進(jìn)了區(qū)域內(nèi)植被的恢復(fù)[21-23]。

3）3次全國(guó)水土流失調(diào)查結(jié)果顯示，研究區(qū)水土流失面積由20世紀(jì)80年代末的16.92萬(wàn)km2減少到2011年的11.62萬(wàn)km2，其中強(qiáng)烈和中度侵蝕面積減少比例較多，分別為51.17%和42.26%。區(qū)域內(nèi)水土流失面積減少與干流水文站觀測(cè)到的輸沙量減少的趨勢(shì)較為同步，相比1960—2000年，2001—2017年年均輸沙量減少幅度達(dá)90%以上。水土流失面積和河流泥沙量的減少反映了這些年北方土石山區(qū)水土保持工作和生態(tài)修復(fù)工程發(fā)揮了巨大的作用。吳楠等[9]在對(duì)1995年、2000年兩期淮河流域土壤侵蝕調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，水土流失面積減少的主要原因是淮河流域水土保持重點(diǎn)縣工程建設(shè)中充分利用荒山荒坡和陡坡耕地栽植經(jīng)濟(jì)林和水保生態(tài)林，集中連片形成了規(guī)?；卫硇б?。李子君等[7]分析了海河和淮河流域小流域綜合治理試點(diǎn)成果資料，結(jié)果表明生態(tài)、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)等不同治理模式下，相比治理前，小流域綜合治理后侵蝕模數(shù)可減少70%以上。此外，北方土石山區(qū)是全國(guó)坡耕地綜合治理項(xiàng)目實(shí)施的重要區(qū)域[24]，坡改梯工程建設(shè)后能達(dá)到的保土效益基本在50%以上[6]，也有助于減少水土流失。

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（責(zé)任編輯 李楊楊）