近20 年来黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域土地利用/覆被变化分析

马瞳宇，张晓萍，马芹，雷泳南

(1.西北农林科技大学资源环境学院;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室:712100，陕西杨凌)

黄土高原地区水蚀风蚀交错带生态环境脆弱，水土流失严重，是黄河泥沙的主要策源地［1］，其根本原因在于不合理的土地利用［2－3］。在侵蚀的发生和发展过程中，地表植物的覆被是降低营力动能、提高土壤抗冲和抗蚀力、削弱侵蚀发展的关键环节［4］，因而土地利用/覆被的演变方向以及演变程度，很大程度上成为土壤侵蚀评价的导向性因素［5］;然而，资源开发等人类活动，又会急剧增加区域水土流失的严重性［6］。沟道内堆积的矿渣在暴雨条件下极易形成高含沙水流甚至泥石流，加剧流域侵蚀的程度［7－8］。因此，研究黄土高原水蚀风蚀交错带不同土地利用类型和不同覆被的时空变化特征，对了解该区土壤侵蚀和水土流失的发生和发展具有理论和现实意义。

在退耕还林(草)背景［9］下，对GIMMS 和SPOT 2 种归一化植被指数的大量研究结果表明，黄土高原地区以及水蚀风蚀交错区20 年来地表植被整体呈改善趋势，受降水作用和人类活动影响，又存在着明显的空间差异［10－13］。宏观尺度的分析固然可以很好地反应植被变化的趋势，但受像元精度的限制，却不能很好地反映资源开发情况及其对环境的影响，如沟道中矿渣堆积场所和面积等。笔者以资料丰富并有前期工作基础的神木县六道沟流域为例，通过收集不同年份的土地利用信息和遥感影像，结合近期实地调查结果，分析土地利用/覆被类型的发展方向趋势，剖析该区近20 年来不同土地利用/覆被的数量变化及其分布格局演变特征，以期为区域水土流失定量评价与动态分析提供参考。

1 研究区概况

六道沟流域(E110°20'30″～110°23'30″，N38°47'00″～38°49'25″)面积6.89 km2，位于毛乌素沙地边缘和黄土丘陵区的交错过渡地带、神木县城以西14 km 处。流域地处神府煤田区，流域内中生代侏罗系砂页岩互层中夹有煤层，该地层在下游出露高度5 ～10 m，便于露天开采。流域属于典型的盖沙黄土丘陵地貌，处于晋、陕、蒙水蚀风蚀交错带强烈侵蚀中心区，区域侵蚀模数超过1 万t/(km2·a)［14］。该流域属窟野河水系二级支流，主沟道自南向北长4.21 km。流域年均气温8.4 ℃，多年平均降雨量437.4 mm，其中6—9 月降雨量占全年降雨量的77.4%，而年均潜在蒸发量是降雨量的3 倍以上，属于中温带半干旱气候区。新老黄土和片沙交错分布，同一土壤剖面中，从上至下质地差异很大，甚至出现沙层。土壤结构疏松，抗蚀性差。主要土地利用/覆被类型为耕地、林地、草地和工矿及住宅用地。

2 研究方法

2.1 数据来源

以六道沟流域1990、1995、2002 和2010 年相近月份土地利用图为基础进行土地利用变化分析。1990、1995 和2002 年的土地利用数据均来源于中科院知识创新项目“西部生态环境演变规律与水土资源可持续利用研究”和中科院知识创新重要项目“黄土高原水土保持的区域环境效应研究”的调查成果。2010 年的土地利用图来自于当年2 月份的0.5 m 分辨率全色波段遥感卫星影像(World View－1卫星)，结合实地勾绘和调查而获得。

2.2 数据处理方法

卫片转绘前，首先建立判读分类系统，根据分类系统建立相应的解译标志，结合该流域1∶1万地形图进行信息解译。最后，将4 期土地利用图在ARC/INFO 软件下进行投影转化和叠加分析，在Excel 软件中对处理结果进行统计，分别得到1990—1995 年、1996—2002 年、2003—2010 年3 个阶段的土地利用变化情况。

2.3 研究方法

以GB/T 21010—2007《土地利用现状分类标准》为主要分类依据，以明晰六道沟流域土地利用变化为目的，参考以往研究成果，以ARCGIS 软件进行空间数据处理，Excel 用于统计分析建立如表1 所示的土地利用类型分类系统，共包括7 个1 级类和16 个2 级类。采用土地利用年变化率来定量描述和比较土地利用各类型的变化量以及速度［15］，实质是某土地利用类型时段前后的面积差与时段初面积的比例在该时段上的均值。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化的总体特征

六道沟流域1990、1995、2002、2010 年各种土地利用类型面积及各土地利用年变化率见表1。可以看出，1990—2010 年，六道沟流域土地利用变化的总体特征是耕地面积锐减，尤其是坡耕地面积迅速减少，同时林草地面积大幅度增加，煤矿开采用地面积呈波动式大幅度增加趋势。

为了反映1999 年“退耕还林(草)，以粮代赈”政策对六道沟流域土地利用的影响，对2002 年前后各土地利用类型的变化程度进行分析。1990 年，耕地面积占流域面积的33.87%，1995 年占28.44%，2002 年下降到22.56%，2010 年耕地面积所占比例减至7.61%。2002 年以前，耕地土地利用年变化率为－2.78%，之后为－8.28%，降幅明显增大。1990年林草地(包括林地、草地)面积占流域面积的35.74%，1995 年占42.67%，2002 年增至48.55%，到2010 年时大幅度增加为62.79%，林草地土地利用年变化率由2.99%上升为3.67%，增幅变大。由上述变化可以看出，在1999 年之后实施的“退耕还林(草)”政策在很大程度上优化了六道沟流域的土地利用结构，逐步改善着该流域的自然植被景观，其生态环境因此而得到改善。

工矿(煤矿)用地面积大幅度增加。1990 年，流域内煤矿开采活动还很微弱，1995 年工矿用地面积增加到5.28 hm2，占流域总面积的0.77%，2002 年工矿用地面积维持稳定，2010 年随着地区经济大规模发展，工矿用地面积迅速扩张到14.89 hm2，占总面积的2.16%。从1990—2002 年，工矿用地土地利用年变化率达到了148.68%，2002 年以后为22.79%。由此可见，工矿用地土地利用年变化率远远高出其他土地利用类型的年变化率。

表1 六道沟流域土地利用面积变化及年变化率(1990—2010)Tab.1 Area change and annual changing rate of the landuse in Liudaogou catchment(1990—2010)

3.2 耕地分布态势变化分析

1990—2010 年，耕地通过与其他土地利用类型的转移，不仅在数量上有了大幅度改变，而且在分布态势上也发生了明显变化。为了能够清晰描述耕地分布态势的变化，以沟缘线为界，将耕地分为沟缘线以上和以下2 部分进行讨论。六道沟流域中，沟缘线以下没有坡耕地分布，因此，沟缘线以下耕地主要指平坦沟谷和淤地坝坝地上耕种的农田，沟缘线以上耕地主要指坡上修建的旱梯田和坡耕地(图1)。

可以看出，六道沟流域耕地分布的主要区域是流域上游和主沟道东侧，以及地势相对平坦的沟谷内和淤地坝坝库上。六道沟流域耕地分布态势的总体变化趋势是主要耕作区域向沟缘线以下(即沟谷内平坦地区和修建淤地坝所形成的坝地)转移，沟缘线以下耕地面积占总耕地面积比例由1990 年的13.82%、1995 年的21.98%和2002 年的27.70%大幅度上升至2010 年的74.04%，其面积稳定在32.28 ～43.10 hm2之间，虽然近年来略有下降，但是幅度不大，主要是由于农村宅基地扩建和工矿用地扩建占用了部分耕地。沟缘线以上耕地面积由1990 年的201.26 hm2、1995 年的152.97 hm2和2002年的112.46 hm2锐减到2010 年的13.63 hm2，占总耕地面积的比例也由1990 年的86.18%大幅下降至2010 年的25.96%，二者的比例由1990 年的1∶6.23逐渐增加到了1995 年的1∶3.55、2002 年的1∶2.61和2010 年的1∶0.35。

耕地分布态势的变化不是独立的，通过分析耕地在近20 年间与其他土地利用类型的转移数量(表2)和空间变异(图2)，可以更清晰地揭示出变化的来源和动力。沟缘线以上的耕地逐渐转化为林地和草地，其中:耕地转化为草地的面积较大，为144.83 hm2，占1990 年耕地总数的62.08%;转化为林地的面积次之，为45.20 hm2，占19.37%;还有6.61 hm2的耕地转化为工矿及住宅用地，同时，坝库修建使13.19 hm2的未利用地转化为耕地，对平坦谷地的开垦又使2.68 hm2的草地转化为耕地。正是上述这些土地利用转移才使得流域内耕地分布态势发生了变化。

结合土地利用面积变化(表1)和土地利用转移矩阵(表3)可以看出，产生这些转移的主要动力是坡耕地和旱梯田的逐年退耕，尤其是坡耕地减少的幅度巨大，它占耕地总数的比例1990 年为70.35%，1995 年为57.58%，2002 年为43.58%，而2010 年仅为3.06%。这也说明伴随着“退耕还林(草)”政策和神木县产业结构的不断调整，六道沟流域的耕地利用方式变得更加合理，这对六道沟流域水土流失的综合治理起着至关重要的作用。

表2 1990—2010 年六道沟流域土地利用转移矩阵Tab.2 Landuse transition matrix of Liudaogou catchment(1990—2010)

3.3 林草地分布态势变化分析

图1 六道沟流域沟缘线上下耕地变化Fig.1 Distribution of farmland above and below the gully edge in Liudaogou catchment

图2 六道沟流域土地利用转移图谱Fig.2 Landuse transition map of Liudaogou catchment

与耕地分布态势变化紧密联系的是林草地分布态势的变化。1990 年，流域内林地主要分布在流域西部，而草地主要分布于流域下游接近沟口地区。在20 余年间，随着坡耕地和旱梯田的逐年退耕，流域东部也出现了大片林地，主要以柠条(Caragana korshinskii Kom.)等灌木林为主，而草地的分布范围也逐渐扩展到流域下游，其中天然及人工草地在流域下游东侧集中分布。1990—2010 年，草地面积逐渐扩大，尤其是进入21 世纪以来，人工种植和封育措施使得天然及人工草地面积大幅度增加，由2002年的129.05 hm2迅速增加到2010 年的237.72 hm2，增长了近1 倍。天然及人工草地土地利用年变化率也由1990—2002 年的3.90%上升到2003—2010 年的10.53%，增幅明显。林草地的增加主要归功于对流域内坡耕地的退耕，20 年间，坡耕地退耕还林(草)面积累计达158.40 hm2，占1990 年坡耕地面积的96.42%，占林草地新增面积的95.88%。由此可以看出，国家“退耕还林(草)”政策深刻影响了该地区的土地利用结构，减少了不合理的坡地耕作方式，增加了林草面积，恢复了坡地上应有的植被覆盖景观。同时，流域内大部分旱梯田退耕，虽然许多坡面的地表形态仍然保持着梯田的形状，但是已经不再作为耕地利用，逐渐恢复了天然杂草的覆被状态，到2010年，旱梯田转化为林草地的面积累计达31.63 hm2。

3.4 工矿用地分布态势变化分析

工矿用地分布区域主要集中于流域下游沟道的平坦地区，随着煤矿开采规模的不断扩大，在原有占地的基础上逐渐向外扩张，共占用了谷地4.01 hm2、坡耕地0.59 hm2、灌木林地3.24 hm2、天然及人工草地2.77 hm2和陡坡裸地4.08 hm2。

流域内煤矿开采活动的活跃从另一个角度也阐明了流域内耕地面积减少而林草地面积增加的原因。据实地调查，在神木县产业结构调整的整体氛围下，当地年轻劳动力大量外出务工，留守劳动力也从第一产业向收益较高的第二产业(煤矿开采)大量转移，农民对土地的依赖大大减弱;但是，煤矿开采同时对运输和堆放等缺乏管理，且矿区内废渣向沟道内随意倾倒堆积，对周围水体和植被缺乏基本保护措施，形成了直接的人为水土流失，周围土地已出现部分沙化现象。在流域坡面植被覆盖好转的同时，沟道内人为活动造成的水土流失，将成为今后该流域水土流失综合防治和水土保持的一项新内容。

4 结论与讨论

1)1990—2010 年，六道沟流域耕地面积持续减少，尤其2002 年后锐减，占流域面积比例由1990 年的33.87%减到2010 年的7.61%，坡耕地面积迅速减少，其占耕地面积比例由1990 年的70.35%减至2010 年的3.06%;林草地面积大幅度增加，占流域面积比例由1990 年的63.51%增至2010 年的87.48%;煤矿开采用地面积呈波动中大幅度增加趋势，其面积由1990 年的0.28 hm2，增至2010 年的14.89 hm2。

2)耕地分布主要区域由沟缘线以上坡面转变为沟缘线以下的沟谷地和坝地，沟缘线以下耕地占总耕地面积比例由1990 年的13.82%升高到2010年的74.04%;流域植被恢复进展良好，林草覆盖面积增加了165.21 hm2，覆盖范围逐渐扩展到整个流域;工矿用地由下游逐渐向中游扩展，煤矿开采趋于活跃。

3)流域内退耕还林(草)效果明显，近20 年内耕地向林草地共转移了190.03 hm2，占流域总面积的27.58%，大部分发生在流域东部的沟缘线以上。

1999 年后实施的“退耕还林(草)”工程减少了六道沟流域不合理耕地的面积，增加了流域林草地面积，并使得耕地的分布位置更加合理，对改善流域土地利用/覆被状况起到了积极的作用。

［1］ 景可，王万忠，郑粉莉.中国土壤侵蚀与环境［M］.北京:科学出版社，2005:307

［2］ 唐克丽.黄土高原水蚀风蚀交错区治理的重要性与紧迫性［J］.中国水土保持，2000(11):11－12

［3］ 唐克丽.黄土高原地区土壤侵蚀区域特征及其治理途径［M］.北京:中国科学技术出版社，1991:27－28

［4］ 郑粉莉，白红英，安韶山.草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙的效益分析［J］.水土保持研究，2005，12(5):86－87

［5］ 李秀彬.全球环境变化研究的核心领域－土地利用/土地覆被变化国际研究动向［J］.地理学报，1996，51(6):553－557

［6］ 王文龙，李占斌，张平仓.神府东胜煤田开发中诱发的环境灾害问题研究［J］.生态学杂志，2004，23(1):34－38

［7］ 王文龙，李占斌，李鹏，等.神府东胜煤田开发建设弃土弃渣冲刷试验研究［J］.水土保持学报，2004，18(5):59－62

［8］ 罗婷，王文龙，王贞，等.神府东胜煤田开发建设中扰动地面产流产沙试验研究［J］.西北林学院学报，2011，26(4):59－63

［9］ 刘东生，谢晨，刘建杰，等.退耕还林的研究进展、理论框架与经济影响:基于全国100 个退耕还林县10 年的连续监测结果［J］.北京林业大学学报:社会科学版，2011，10(3):74－81

［10］李登科，郭铌，何慧娟.陕北长城沿线风沙区植被指数变化及其与气候的关系［J］.生态学报，2007，27(11):4620－4629

［11］孙智辉，刘志超，雷延鹏，等.延安北部丘陵沟壑区植被指数变化及其与气候的关系［J］.生态学报，2010，30(2):533－540

［12］张宝庆，吴普特，赵西宁.近30a 黄土高原植被覆盖时空演变监测与分析［J］.农业工程学报，2011，27(4):287－293

［13］信忠保，许炯心，郑炜.气候变化和人类活动对黄土高原植被覆盖变化的影响［J］.中国科学:D 辑，2007，37(11):1504－1514

［14］唐克丽，侯庆春，王斌科，等.黄土高原水蚀风蚀交错带和神木试区的环境背景及整治方向［C］.杨凌:中国科学院水利部西北水土保持研究所集刊，1993，18(2):1－15

［15］刘盛和，何书金.土地利用动态变化的空间分析测算模型［J］.自然资源学报，2002，17(5):533－540