黑河中下游土地覆被变化与驱动力分析

廉耀康 王维邦 张震域 杨泽健 李进

摘要：黑河流域自2000年实施水资源统一调度以来，土地利用发生了显著变化。利用2000年、2011年两期TM和ETM+遥感影像，解译获取了干流中下游地区土地利用变化数据，并基于GIS空间分析与数理统计方法进行了定量分析。运用区域生态环境质量指数和区域土地利用变化类型生态贡献率，对研究时段内土地利用变化的生态环境效应进行了分析与评价。结果表明：①2000-2011年流域土地利用变化主要表现为耕地、建设用地、水体增加，未利用地减少；②中游地区土地利用变化主要发生在山丹县的马营河灌区和张掖绿洲的边缘区域，下游地区土地利用变化主要发生在沿河区域、额济纳核心绿洲区和古日乃地区的边缘区域；③中游地区2000年、2011年的区域生态环境质量指数分别为0.1908、0.1960，下游地区分别为0.0478、0.0556；④局部地区生态环境呈恶化趋势，其中草地退化及围水造田对区域土地利用/覆被变化产生的影响最为明显。

关键词：生态环境质量指数；驱动力；土地覆被；黑河中下游

中图分类号：TV213.4 文献标志码：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.02.013

1 引言

土地是人类赖以生存和发展的最基本的自然资源，是社会经济发展的基础。随着人口增加、经济发展及科学技术的进步，人类活动对土地的作用不断增强，深刻地改变和影响着土地利用/土地覆被状况的改变[1-2]。目前，“3S”技术为土地利用/覆被变化的研究提供了更多的信息源，进一步促进了土地利用/覆被变化的研究[3]。随着研究的深入，人们越来越认识到以人类活动为主导的土地覆被变化对生态系统产生着重要影响。土地利用变化产生的生态效应又会反馈给土地利用的驱动力，促使原有的土地利用方式和结构发生转变[4]。由于土地覆被的环境效应是一个复杂的动态变化过程，涉及自然、社会的诸多方面，因此对土地覆被生态环境效应的综合定量分析和评价仍处在探索中[5-6]。土地覆被变化也会造成地表景观结构的巨大变化，故研究地表景观结构变化有助于充分识别区域生态环境的变化趋势[7]。

黑河流域是资源型缺水区域，区域水资源供需矛盾突出。在20世纪60年代至90年代，随着黑河中游人口的增加和人类对绿洲的大规模开发，加之大量水利工程的建设，进入黑河下游的水量逐渐减少，区域环境急剧恶化，黑河下游逐渐成为我国沙尘暴的重要策源地之一[8]。针对严峻的黑河生态系统恶化局面和突出的水事矛盾，自2000年开始，国家决策实施水量统一调度和流域治理。通过水量统一调度，促进了中游节水型社会建设，有效提高了水资源利用效率，进入下游绿洲的水量明显增加，缓解了流域生态环境的恶化趋势，流域生活、生产和生态用水初步得到了合理配置。随着经济社会的发展，流域各方对水资源量的需求进一步提高，水土资源的开发利用也成为争论的焦点。因此，加强区域土地覆被和生态环境变化的研究成为建设和谐流域的重要组成部分。王根绪等[9]分析了近50a来河西走廊区域生态环境的变化特征，指出生态环境变化在一定程度上严重制约了区域经济社会的可持续发展，并提出了相关对策Lu Ling等[10]利用TM影像对黑河中游1980-1990年的土地利用状况和地表景观进行了研究；蒙吉军等[11]对黑河流域1988-2000年的土地覆被进行了研究，分析了黑河流域土地覆被的生态环境效应；李晓文等[12]通过对西北干旱区二级土地利用类型的环境效应进行赋值，定量分析了土地覆被的生态环境效应；李传哲等[13]利用GIS、RS和景观生態学方法，分析了1985-2005年黑河中游地区的景观动态变化及驱动力；蒋晓辉等[14]聚焦黑河调水与下游生态变化的响应关系，分析了2000-2004年下游地区生态环境变化情况；乔西现等[15]就黑河调水对下游尾间湖泊及周边生态环境的影响进行了研究，分析了2000-2006年下游东、西居延海周边区域的生态环境变化情况，结果表明区域生态环境正在好转；李传哲等[16]对黑河中游1985-2005年的土地覆被变化进行了分析，指出中游可利用水量直接影响着研究区的土地利用变化。本文在分析黑河中下游地区近10a土地覆被变化的基础上，定量分析了不同土地利用类型的变化，进而分析区域生态环境变化，以期为建设黑河和谐流域乃至“一带一路”发展战略提供科技支撑。

2 数据与方法

2.1 数据来源

2000年、2011年土地覆被数据来源于寒区旱区科学数据中心（westdc.westgis.ac.cn），该数据是利用2000年、2011年两期Landsat TM和ETM+遥感影像，通过人工解译得到的，影像时相主要为植被长势较好的7-8月，部分缺少的影像利用相近年代的影像补充。该数据采用一个分层的土地覆被分类系统，将全流域划分为6个一级类（耕地、林地、草地、水域、未利用土地、城乡居民及建设用地）、23个二级类。野外调查验证表明其精度为95%[17-18]。

2.2 研究区范围

研究区范围边界定为黑河流域中游（甘州、民乐、山丹、临泽、高台和肃南县的大泉沟）和下游（鼎新、额济纳三角洲和古日乃地区）（见图1）。

2.3 分析方法

2.3.1 土地利用转移矩阵分析

在ArcGIS平台支持下，通过对不同时期的土地利用图进行空间叠加计算，利用生成的土地利用类型的转移矩阵分析土地利用变化过程。

2.3.2 区域生态环境质量指数

参考国内相关研究，基于专家评分[12，19]，对二级分类体系下各土地利用类型所具有的生态环境质量进行了模糊赋值（见表1，仅列出常见类型，下同）。通过建立土地利用/土地覆盖与区域生态环境质量的关系，了解土地利用/土地变化的形式、数量和空间特征，定量分析区域生态环境变化情况和空间特征。

根据区域内各土地利用所具有的生态质量及面积比例，定量表征某一区域内生态环境质量的总体状况，表达式为式中EVt为区域生态环境质量指数LUi和Ci分别为该区域内t时期第i种土地利用类型的面积和生态环境质量指数；TA为该区域总面积；N为区域内土地利用类型数量。

2.3.3 区域土地利用变化类型生态贡献率

每一种土地变化类型都体现了一种生态价值流，使得区域内某一局部的生态价值升高或降低，从而为深入分析土地利用变化对区域生态环境的影响奠定了基础，也有利于探讨区域生态环境变化的主导因素。土地利用变化类型生态贡献率指某一种土地利用类型变化所导致的区域生态质量的改变，其表达式[12，20]为

LEI=（LEt+1-LEt）LA/TA（2）式中：LEI为土地利用变化类型生态贡献率；LEt+1、LEt分别为某种土地利用变化类型所反映的变化末期和初期土地利用类型所具有的生态质量指数；LA为该变化类型的面积。

3 结果分析

3.1 土地利用变化的总体特征

3.1.1 中游地区

黑河中游土地利用面积的总体变化见表2。由表2可知：2000-2011年面积增大的为耕地、林地、城乡居民与建设用地，面积减小的为草地、水域与未利用土地。

2000年、2011年黑河中游二级土地利用类型的面积数据见表4。由二级土地利用类型的转化面积可知，2000-2011年增加的耕地主要来源于裸土地（2.63%）、沙地（2.33%）和戈壁（1.99%），但有10.60km2耕地变为沼泽地，8.60km2耕地变为戈壁。

3.1.2 下游地区

（1）鼎新地区土地利用变化。由表5可以看出，鼎新地区的耕地、林地、草地、城乡居民与建设用地、水体均增大，其中水域从2000年的45.6km2增大到2011年的63.2km2，说明黑河调水发挥了作用。

（2）额济纳地区土地利用变化。从表6可以看出，额济纳地区的耕地、林地、城乡居民及建设用地和水域均增大。水体面积增大说明黑河调水发挥了作用，城乡居民与建设用地增大则说明在水资源支撑下，社会经济得到迅猛发展。

（3）古日乃地区土地利用变化。由表7可以看出，古日乃地区林地、草地面积大幅增加，分别从2000年的13.07、472.27km2增大到2011年的43.67、702.20km2，植被得到了较好的恢复。

由下游土地变化图可知，旱地与低盖度草地、灌木林与中盖度草地、疏林地与低盖度草地等都发生了很大比例的转换，这种转换主要表现为沙地向植被转换，且主要发生在绿洲边缘地区，反映了下游土地利用变化的驱动以人为建设和水资源变化为主，水资源变化主要影响低盖度草地、水域等土地类型，而人为建设主要影响耕地、城乡居民与建设用地等。

黑河下游土地利用二级类型面积的变化见表8。由二级土地利用类型的转化面积可知：旱地和湖泊面积大幅增加，面积减少较多的类型是沙地、戈壁；2000-2011年增加的耕地主要来源于低覆盖度草地（51.73km2）、沙地（33.87km2），增加的湖泊主要来源于盐碱地（35.87km2）。

3.2 生态环境变化

结合遥感调查成果，计算得到黑河中游地区2000年和2011年的区域生态环境质量指数分别为0.1908、0.1960，说明中游地区生态环境质量略有好转，总体上维持着区域生态环境的动态稳定。在区域生态环境总体维持稳定的同时，区域生态质量往往同时存在着好转和恶化两种相反趋势。这两种趋势在一定区域内是相互抵消的，因此使得总体趋势相对稳定。生态环境的好转和恶化趋势可从分析二级土地利用类型变化得出。从表9可以看出，在水资源充沛的情况下，沙地、裸土地、戈壁开垦为旱地等是对生態环境有益的，而高盖度草地退化为低盖度草地和将高盖度草地、沼泽地开垦为旱地等均会导致生态环境恶化。

同样计算得出黑河下游2000-2011年的区域生态环境质量指数分别为0.0478和0.0556，说明2000-2011年下游地区生态环境质量呈好转趋势。由表10可以看出，向下游调水以后，部分沙地恢复为草地、沼泽地、疏林地，以前干涸的东居延海恢复了碧波荡漾，很大程度上改善了生态环境。另外，部分沙地被开垦为旱地，也对生态环境的改善有所贡献，但根据各类土地覆被的耗水和生态贡献率来看，被开垦为旱地的效果不如转变为林草地。

在生态环境好转的同时，也有部分区域生态环境略有恶化，表现为草地盖度的降低，中、低盖度草地退化为沙地、盐碱地等类型，更有部分疏林地被开垦为旱地。

从流域中下游生态环境变化情况来看，目前的水资源条件可保障生态环境不退化，但在水资源配置方面仍有提高的空间。

3.3 驱动力分析

从表9可知：2000-2011年间黑河中游生态环境质量改善的土地利用变化的主要驱动因子为未利用地被开垦为耕地，其中未利用地中沙地、裸土地、戈壁转为耕地分别占生态贡献率的13.27%、12.48%和11.33%；中游生态环境质量恶化的土地利用变化的主要驱动因子是草地内部转化和围水造田、毁草垦田和草地退化为沙地，其中高盖度草地转为低盖度草地部分占生态贡献率的14.16%，围水造田、毁草垦田转化部分分别占生态贡献率的13.25%、6.97%，低盖度草地退化为沙地部分占生态贡献率的6.93%。

从表10可知：2000-2011年间黑河下游地区生态环境质量改善的土地利用变化的主要驱动因子为沙地转化为低盖度草地、沙地变为沼泽地和沙地变为中盖度草地，三者分别占生态贡献率的16.13%、14.52%和12.17%；下游生态环境质量恶化的土地利用变化的主要驱动因子为草地退化为未利用地和沼泽地以及草地内部转化，低盖度草地退化为未利用地中沙地和戈壁分别占生态贡献率的20.19%、9.47%，沼泽地转化为沙地部分占生态贡献率的16.62%，草地内部转化中中盖度草地转为低盖度草地部分占生态贡献率的6.75%。

总体来说，生态环境质量的变化一方面与自然因素中的水资源条件密不可分，另一方面与社会因素中的人为因素及国家政策等因素有关。以土地利用核心类型——耕地为例，在水资源充沛的情况下，靠近水源的未利用地中沙地、裸土地、戈壁等会被开垦为耕地，同时耕地的变化又受到耕地总量动态平衡、土地用途管制等政策因素的制约。

4 结语

（1）自2000年实施水资源统一调度以来，黑河干流中下游地区的土地利用发生了很大变化，说明在水资源条件支撑下，水土资源得到了进一步配置。中下游地区的耕地、林地、水域、城乡居民与建设用地面积增加，未利用地面积减少，中游地区土地利用变化主要发生在山丹县的马营河灌区和张掖绿洲边缘区域；下游地区土地利用变化主要发生在沿河区域、额济纳核心绿洲区和古日乃地区的边缘区域。中下游地区水体面积增大说明水资源统一调度起到了关键作用，城乡居民与建设用地增加说明在水资源条件支撑下，经济社会得到了迅速发展。

（2）黑河中游地区的区域生态环境质量指数从2000年的0.1908上升到2011年的0.1959，说明生态环境质量略有好转，总体上维持着区域生态环境的动态稳定。黑河下游地区的区域生态环境质量指数从2000年的0.0478上升到2011年的0.0556，说明下游生态环境质量好转。从流域中下游生态环境变化情况来看，目前的水资源条件可保障生态环境不退化，但在水资源配置方面仍有提高空间。

（3）虽然在2000-2011年间区域生态环境维持着总体平衡，但不能忽视局部生态环境的恶化，研究区局部地区仍然存在着毁草造田、围水造田等现象。因此，在土地利用中要加大生态环境重建的力度，限制或取消那些导致生态环境恶化的人类活动，充分利用生态系统的自我修复功能，恢复和改善生态环境。

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