资源型县域土地利用与水土流失动态变化情况分析

党恬敏，田金梅，李小兵 ，白 云，王 帆，党维勤

(1.黄河水利委员会 黄河上中游管理局，陕西 西安 710021；2.黄土高原水土保持与生态修复国家林业和草原局重点实验室，陕西 榆林719000；3.黄河水利委员会 绥德水土保持科学试验站，陕西 榆林719000)

山西省地处我国华北西部的黄土高原东翼，地势东北高西南低，海拔多在1 500 m以上，矿产资源丰富，但生态环境脆弱，特别是矿产资源无序开采和粗放式管理，导致水土流失严重。灵石县位于山西省中部，地处黄土丘陵阶地区和土石山区两大类型区，是省内重要的能源化工基地，煤炭资源开采范围较广。本研究以灵石县为研究区，利用RS、GIS技术和中国土壤流失方程(CSLE)，结合2000年第二次全国土壤侵蚀遥感调查、2011年全国水利普查水土流失数据中灵石县相关数据，分析县域土地利用和水土流失动态变化，希望能为我国资源型县域生态保护和高质量发展提供参考。

1 研究区概况

灵石县位于山西省晋中市南部，地处111°24′00″～112°00′30″E、36°39′27″～36°59′38″N之间，土地面积1 202 km2。境内山峦起伏绵延，海拔在574～2 567 m之间，高差较大；沟壑纵横交错，地形支离破碎，坡度>15°土地面积为732.81 km2，占县域总面积的60.97%；属温带大陆性季风气候区，年均气温10.7 ℃，年均降水量500.5 mm，汛期降水量占年降水量的70%以上，且多以暴雨形式出现，年均无霜期170 d；地表多为黄土、岩石风化物，土壤松散、孔隙度大，土壤瘠薄，抗蚀能力极低；林草地总面积826.41 km2，占县域总面积的68.75%，森林覆盖率24.92%；辖4乡6镇1个城区，192个行政村、23个居委会，常住人口24.6万人。灵石县煤炭资源分布较广，含煤面积达860 km2，占县域总面积的71.55%，地质储量达91亿t。据统计，2011年以来全县共实施了130个生产建设项目，其中与煤炭相关的项目97个，占总量的75%。矿产过度开采、土地乱垦滥伐、耕地粗放经营等人为因素导致水土流失较为严重。根据2000年全国第二次水土流失遥感调查数据，全县水土流失面积1 035.88 km2，占到县域总面积的86.18%。

2 数据选取

本研究选取的遥感影像数据源分别为2018、2019年的两期多光谱影像，空间分辨率2 m，其中：2018年为资源三号卫星影像，2019年为高分一号卫星影像，两期时相均为6—9月；植被覆盖资料采用MODIS归一化植被指数(NDVI)产品计算得到，2018年采用2015—2017年数据，2019年采用2016—2018年数据，时间分辨率为 16 d，空间分辨率为250 m；降雨侵蚀力数据是由灵石县及其周边各气象站1985—2015年的日降水量数据计算获得；土壤资料为30 m分辨率土壤可蚀性因子栅格数据，来源于第一次全国水利普查结果；地形数据采用1∶50 000地形图生成DEM；2000、2011年灵石县水土流失数据分别来源于全国第二次水土流失遥感调查和第一次全国水利普查水土流失数据。

3 研究方法

3.1 遥感影像解译

本研究以《区域水土流失动态监测技术规定(试行)》中土地利用分类标准为基础，将研究区土地利用类型划分为耕地、园地、林地、草地、建设用地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他土地等9种。由于研究区各土地利用类型之间的边界较为模糊，监督分类或非监督分类等计算机分类方法难以取得较好的分类结果，因此本研究采用人工目视解译的方法。首先，以灵石县2018、2019年高分遥感影像为数据源，根据遥感影像空间分辨率、时相、色调和几何特征等开展野外调查，建立遥感影像解译标志；然后，结合解译标志提取土地利用类型和面积；最后，通过自查、互查、野外调查等方式验证解译精度。抽查结果表明，本研究土地利用遥感解译精度达93.5%，满足精度要求。通过叠加分析两期土地利用类型及面积的变化情况，生成土地利用转移矩阵。

3.2 土壤侵蚀模数计算

研究区位于水蚀区，采用中国土壤流失方程(CSLE)计算土壤侵蚀模数，方程基本形式为

A=R·K·L·S·B·E·T

式中：A为土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L、S分别为坡长、坡度因子；B为植被覆盖与生物措施因子；E为工程措施因子；T为耕作措施因子。

其中，R因子采用章文波等[1]提出的利用日雨量计算降雨侵蚀力方法，计算年平均1～24个半月降雨侵蚀力，用克里金空间插值法生成10 m空间分辨率24个半月降雨侵蚀力栅格数据，累加形成多年平均降雨侵蚀力数据；K因子根据OLSON et al.[2]和刘宝元等[3]提出的计算方法生成研究区土壤可蚀性K值图；L、S因子采用比例尺为1∶50 000的DEM数据计算得到，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]提出的公式计算得到；B因子采用MODIS NDVI数据产品生成24个半月植被覆盖度；E、T因子分别参照《水土流失动态监测优化技术方案》进行赋值。

通过各因子图层栅格乘积运算，得到每个栅格的土壤侵蚀模数，依据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)评价每个栅格的土壤侵蚀强度，统计微度、轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈等各级侵蚀强度的面积，轻度及以上各级土壤侵蚀强度面积之和为水土流失面积。计算灵石县2018、2019年的水土流失面积及强度，并与2000、2011年相应数据进行对比，分析水土流失面积变化的原因。

4 结果与分析

4.1 土地利用变化

根据土地利用遥感影像解译成果，与2018年相比，2019年灵石县土地利用变化特征主要表现为：林地、建设用地、交通运输用地、水域及水利设施用地、耕地面积增加，增加面积分别为8.56、4.16、2.58、0.68、0.39 km2；草地、园地和其他土地面积减少，减少面积分别为10.50、4.81、1.06 km2。土地利用变化面积转移矩阵见表1，土地利用变化图斑见图1。

图1 灵石县2018—2019土地利用变化图斑

表1 2018—2019年灵石县土地利用变化面积转移矩阵 km2

2018—2019年灵石县土地利用类型发生变化的面积为40.82 km2。其中：2019年林地增加最多，主要由草地和园地转移而来，分别为6.62、6.45 km2；草地减少最多，主要变成林地、园地和建设用地，分别转移了6.62、3.22、3.04 km2。结合影像解译和实地调查可以看出，随着近年来水土流失综合治理工程的实施，灵石县的土地利用得到进一步优化，尤其林地面积增加明显。根据灵石县2019、2020年政府工作报告，灵石县2018年实施退耕还林，栽植生态林2 200 hm2，2019年完成水土流失治理3 333 hm2，同时大力发展核桃等特色经果林产业，新建核桃示范基地30个。灵石县在稳定开发煤炭资源的情况下，有效提升了区域生态环境质量，生态环境变化趋势向好，做到了“既要绿水青山，也要金山银山”。

4.2 水土流失面积变化

将计算得到的研究区2018、2019年水土流失数据与2000年第二次全国水土流失遥感调查数据、2011年第一次全国水利普查水土流失数据比较，得到灵石县水土流失变化情况结果见表2。2000—2019年灵石县水土流失面积减少明显，其中2000—2011、2011—2018、2018—2019年全县水土流失面积分别减少了378.27、28.38、7.15 km2，2000—2011、2011—2018年平均每年减少水土流失面积分别为34.39、4.05 km2，2018—2019年减少了7.15 km2。可见，灵石县水土流失面积年度变化速率整体呈现前期较快、中期变缓、后期又加快的趋势。分析其原因：2000年以来灵石县实施了采煤沉陷土地复垦、矿山地质环境治理、小流域综合治理、坡耕地水土流失综合治理、退耕还林还草等国家生态建设和水土保持重点工程项目，项目的实施和群众水土保持意识的提升，使区域水土流失面积和等级呈现双下降趋势，生态环境得到显著改善；但随着治理措施的不断增加，治理成果的不断巩固，水土流失主要集中在不易治理的区域，治理速度逐渐减缓；近年来，国家高度重视生态文明建设，尤其是随着“天地一体化”动态监管工作的开展，水土保持治理能力及水土流失监管力度持续加强，煤炭产业水土保持工作得到显著强化，人为水土流失状况明显改善，水土流失治理工作全面提速增效。

表2 灵石县水土流失面积统计

5 结 语

研究结果表明，灵石县水土流失面积从2000年的1 035.88 km2，减少到2011年的657.61 km2，到2018年的629.23 km2，再到2019年的622.08 km2，说明近年来灵石县通过实施采煤沉陷土地复垦、矿山地质环境治理和小流域综合治理等工程项目，实现了县域土地利用的优化提升，在进一步发展煤炭产业的基础上，使水土流失得到了有效控制，为我国众多资源型县域在维持或增加煤炭产量、保障国家资源安全的前提下，在新发展格局中实现资源型县域转型的新跨越、推动资源型县域实现经济绿色发展提供了宝贵经验。