基于RS、GIS的內陸河小流域土地利用動態變化分析:以民樂縣童子壩河流域為例

胡廣錄，王志洋，張濟世

(蘭州交通大學環境與市政工程學院，寒旱地區水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅蘭州730070)

水土流失已成為全球性的環境問題，嚴重威脅著人類的生存與發展，是生態環境領域普遍關注的熱點問題之一［1］。甘肅省張掖市民樂縣童子壩河流域屬我國第二大內陸河黑河水系，自20世紀80年代以來，受自然和人為因素的影響，流域上游林區的水資源涵養能力下降、地表水資源銳減、山地及山前平原的水力侵蝕和北部荒漠區的風力侵蝕逐年增加，嚴重威脅到流域中下游人民群眾的生產和生活，影響經濟建設和社會安全穩定。2000年9月，童子壩河流域水土流失綜合治理工程被列為中央財政內專項資金水土流失治理項目，該工程分5年實施，主要建設內容有退耕還林(草)、梯(條)田建設、經濟林建設、防風固沙林帶建設、苗木培育基地建設、群井匯流工程建設和河道綜合整治等［2］。項目實施后，累計治理水土流失面積122.73 km2，占水土流失面積的49.8%，植被覆蓋度達到了23%，初步形成了工程措施、生物措施、農耕措施相結合，生態效益、經濟效益、社會效益相協調的綜合防治體系，對改善區域生態環境、防風固沙起到了積極的作用。

有關小流域綜合治理的模式、經驗、效益評價以及綜合治理引起的土地利用結構變化等方面的研究國內外已有諸多文獻報道，但涉及內陸河小流域的研究相對較少。童子壩河流域綜合治理模式在內陸河小流域具有代表性和典型性［3］。為了全面科學地評價水土流失綜合治理工程項目實施后，流域內土地利用結構的變化情況，本文以童子壩河流域為研究區域，在RS、GIS技術支持下，以2000年和2007年的遙感影像為信息源，并結合野外實地調查資料，對童子壩河流域的土地利用類型及其動態變化進行分析，旨在揭示水土流失綜合治理工程項目的實施對童子壩河流域土地利用結構的影響，以期為內陸河小流域開展水土保持工作與合理規劃利用土地資源提供科學依據。

1 研究區概況

民樂縣位于河西走廊中段，南臨祁連山，北靠戈壁荒灘。童子壩河流域地處民樂縣境東部，地理坐標100°15'—101°02'E，37°59'—38°50'N。西與洪水河流域相鄰，東與山丹縣交界，南至祁連山峨博嶺，北至東樂灘與甘州區接壤。流域地形南高北低，海拔在1589—5027 m，流域面積475.86 km2，水土流失面積246.5 km2。童子壩河流域的南部山區海拔在2800 m以上，為祁連山淺山區和低山丘陵區;中部地勢平坦，氣候冷涼，為農業耕作區;北部干旱少雨，為風蝕荒漠戈壁平原區。流域多年(1958—2007)平均降水量320 mm左右，年徑流量為7375萬m3，年蒸發量達1640 mm，年平均氣溫2～4℃，年均日照時數2932 h，平均風速2.8 m/s。總的氣候特點是:光能豐富日照多，降水集中總量少，熱量不足溫差大，干旱冷凍常發生。童子壩河流域內有4個鄉(鎮)66個村7.2萬人，耕地面積138.6 km2，適于糧油作物和林果生長。

2 研究方法

2.1 空間信息提取

以經過系統預處理和系統輻射校正的2000年(治理前)和2007年(治理后)的民樂縣Landsat TM遙感影像作為信息源(軌道編號133/033，空間分辨率30 m×30 m)，其成像時間分別為當年6月中旬和7月上旬，此時植物生長旺盛，影像信息豐富，容易判讀。先使用erdas8.6軟件對遙感影像進行幾何精校正，再以GPS實地調查結果作為斑塊屬性引導進行影像目視解譯，目視解譯用Arcview3.3完成，解譯顯示精度控制在1∶10000，然后在ArcGIS 9.0軟件中完成矢量數據的拓撲，形成研究區的土地利用類型圖，并用Excel 2003進行數據統計整理。按照我國土地利用分類體系和張掖市土地利用類型劃分標準，考慮童子壩河流域土地利用現狀和土地資源特點，將整個研究區的土地利用類型分為13類:丘陵旱地、平原旱地、有林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地、低蓋度草地、水庫坑塘、灘地、農村居民點、其他建設用地、戈壁和裸土地。根據本文的研究需要，將土地利用類型再重新合并為耕地(丘陵旱地、平原旱地)、林地(有林地、疏林地)、高蓋度草地、中蓋度草地、低蓋度草地、水域(水庫坑塘、灘地)、建設用地(農村居民點、其他建設用地)和未利用土地(戈壁和裸土地)8類(詳見表1)。

表1 2000—2007年童子壩河流域土地利用結構動態變化

2.2 土地利用動態變化

土地利用變化的速度可以通過土地利用動態度來定量描述。單一土地利用類型動態度是指研究區域在一定時間間隔內土地利用類型面積的變化速度，可反映單一土地利用類型面積的年變化情況。其表達式為

式中:ua、ub分別為研究期初和研究期末某一種土地利用類型的數量;t為研究期時段長，當t設定為年時，k為研究時段內某種土地利用類型的年變化率。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構動態變化分析

區域土地利用類型的變化幅度主要體現在不同土地利用類型的面積總量變化上，可提供區域土地利用變化總態勢和土地利用結構變化信息［4］。對童子壩河流域兩期土地利用影像數據采用Excel 2003進行統計分析，其結果見表1。

由表1可知，童子壩河流域的土地利用類型主要以耕地、水域和低覆蓋度草地為主，其次為未利用土地、建設用地、中覆蓋度草地，而高覆蓋度草地和林地所占比例則較小。從2000年9月開始，研究區連續5年實施了水土流失綜合治理項目，土地利用結構也隨之發生了顯著變化。統計結果表明:2000—2007年童子壩河流域有6種土地利用類型的面積增加，2種土地利用類型的面積減少;面積增加的土地利用類型中，以中覆蓋度草地面積的增加幅度尤為顯著，凈增加面積達10.183 km2，其后依次為水域、耕地、建設用地、高覆蓋度草地，林地面積增加較小，只有0.619 km2;面積減少的土地利用類型中，未利用土地面積的減小幅度最為明顯，面積減小23.994 km2，其次為低覆蓋度草地，面積減小5.359 km2。

為了進一步分析綜合治理項目實施前后童子壩河流域的土地利用動態變化情況，按照式(1)計算得出2000—2007年的土地利用動態度(見表1)。由表1可以看出:

(1)面積增加的6類土地利用類型中，中覆蓋度草地的面積增加速度最快，年均增加率為9.349%，其次是高覆蓋度草地、林地、建設用地和水域，耕地的面積年均增加率最小，只有0.300%。野外調查和相關統計資料顯示，2000—2005年童子壩河流域通過實行圍欄封育、退耕還草、植樹造林、灌溉渠網改造、梯(條)田建設等工程措施，極大地改善了區域生態環境，提高了水資源的有效利用率。同時在夾心河灘實施的生態治理工程，杜絕了河道灘涂濫采亂挖砂石料現象;實施的生態移民工程，將上游山區自然條件艱苦地方的農牧民搬遷至中下游土地資源和水資源條件較好的地方定居，5年累計搬遷近700人。總之，這些措施的實施使童子壩河流域林地和中高覆蓋度草地面積較綜合治理前提高了63.4%，建設用地、河床水域面積有不同程度的擴大，中下游地區的耕地面積也有所增加。

(2)面積減小的2類土地利用類型中，未利用土地的面積減小速度最大，年均減少率為9.340%，其次是低覆蓋度草地，為0.943%。童子壩河流域的未利用土地主要分布在北部灘至山丹縣的東樂路，鋸條山以西，國土局農場以東的荒漠戈壁，這一區域的植被以天然荒漠植被為主。2000年以前當地群眾放牧、砍柴現象嚴重，致使荒漠植被趨于退化，出現了大量斑塊狀的沙化土地，直接威脅著綠洲灌區的農業生產和當地群眾的生活。流域實施綜合治理工程項目后，在這一區域主要采取了封育禁牧措施和防風固沙林帶工程建設，至2005年共封育荒漠植被面積達4500 hm2，人工設置圍欄35 km，荒漠植被出現恢復跡象，土地類型轉變為低覆蓋度草地。同時，通過對荒灘、裸地進行綜合整治，一些相對平整、具備灌溉條件的未利用土地被開發為農耕地。加之在流域上游的淺山區也采取封育措施，使得原來已出現退化的低覆蓋度草場恢復生機，轉化為中或高覆蓋度草地。因此，通過綜合治理，童子壩河流域出現了未利用土地和低覆蓋度草地面積減小的現象。

3.2 土地利用類型轉移矩陣分析

不同土地利用類型之間的相互轉化情況，可采用馬爾可夫轉移矩陣模型來進一步描述。馬爾可夫模型在土地利用類型轉化上的應用關鍵是確定土地利用類型間相互轉化的轉移概率矩陣［5］。本文利用ArcGIS軟件的Arcinfo空間分析功能，對兩期土地利用類型圖進行疊加運算，得出2000—2007年童子壩河流域不同土地利用類型之間的轉移概率矩陣(表2)。

表2 2000—2007年童子壩河流域土地利用類型的轉移概率矩陣 %

由表2可以看出:

(1)建設用地、耕地和林地在童子壩河流域是相對穩定的土地利用類型，向其他土地利用類型的轉移率分別只有10.62%、23.12%、23.52%。究其原因，建設用地的轉移主要發生在上游偏僻山區搬遷的居民點用地和影響河道行洪安全的河灘砂石料場用地，這些建設用地通過生態移民和河道灘涂綜合治理之后，被合理轉化為低覆蓋度草地和宜農的農耕地。耕地是當地群眾的口糧田，在綜合治理之前流域內陡坡開墾、棄耕撂荒現象嚴重，沖洪積形成的河漫灘上圍灘造田致使灘涂植被破壞、河道變窄、流路散亂;實施綜合治理措施期間，將造成嚴重水土流失的部分坡耕地退耕還林還草，清除夾心河灘和邊灘上的農田，疏浚河道，一些不宜農耕的農田轉化為宜林宜牧的林草地或河道水域，恢復了流域生態景觀，有效防治了水土流失。童子壩河流域在綜合治理期間人口增長幅度不大，居民點建設用地、道路和其他工礦企業建設用地規模相對較小，但為了改善農村居住環境和區域交通條件，提高流域內群眾的經濟水平，一些農耕地又被轉移為居民點用地、交通和鄉鎮企業建設用地。林地主要分布在中游19.8 km的河道灘涂上，由于河道灘涂經常受洪水浸漫，地下水位較高，水分條件較好，生長著一些落葉灌木和喬木樹種，通過河道疏浚和河堤整治工程的實施，灘涂上的一些稀疏林地主要轉變為水域類型。

(2)未利用土地和中覆蓋度草地向其他土地利用類型轉移的比例相對較大，分別達60.82%和56.36%。封禁措施的實施使部分荒灘裸地轉化為草地，還有部分荒地隨著綠洲擴大而耕墾為綠洲灌溉農田。野外調查發現，童子壩河流域的中覆蓋度草地主要分布在南部淺山區和中游河道兩岸，這些地方適宜梯(條)田建設，從而導致部分中覆蓋度草地轉變為旱地或灌溉農田;至于中覆蓋度草地轉移為低覆蓋度草地，這可能與流域綜合治理結束后(2005—2007年)的管護措施不到位有關，也可能與2007年春季氣候干燥、降水量和徑流量偏少有關。分析童子壩河流域降水、徑流資料可知，1985—2007年平均降水量、徑流量分別為351 mm、6924萬m3，而2007年的降水量、徑流量分別為326 mm、6615萬m3，較平均值偏少。說明中覆蓋度草地景觀類型在童子壩河流域是比較脆弱的，穩定性較差，極易受自然和人為因素的影響，應當加大保護力度，防止逆轉退化。

(3)其他土地類型轉向林地的比例最小，只占0.65%。這與該流域的自然條件有關，北部荒漠區干旱少雨、多風，南部淺山區溫差大、低溫凍害天氣多，中部主要是灌溉農田，人多地少，不適宜發展林果業，所以童子壩河流域宜林地較少，全流域主要以農牧業生產為主。林地面積增加的主要原因是在河岸種植了護岸林帶、在淺山緩坡區實施了退耕還林、在北部荒漠區栽植了防風固沙林帶，但面積增加較少，只有0.619 km2。

4 結論

童子壩河流域在綜合治理(2000—2005年)和自然恢復(2005—2007年)期間，不同土地利用類型的面積出現了增減變化。中覆蓋度草地面積年均增加率最大，為9.349%，其次是高覆蓋度草地、林地、建設用地、水域，耕地面積年均增加率最小，為0.300%。未利用土地和低覆蓋度草地的面積呈減小趨勢，年均減少率分別為9.340%和0.943%。低覆蓋度草地面積減小的原因主要是流轉為其他土地類型。

對土地利用類型轉移矩陣的分析表明，童子壩河流域的土地利用類型之間發生了不同程度的轉移，其中未利用土地和中覆蓋度草地向其他土地利用類型轉移的比例較大，分別達60.82%和56.36%，而建設用地、耕地和林地在童子壩河流域是相對穩定的土地利用類型，向其他土地利用類型轉移的比例分別只有 10.62%、23.12%和 23.52%。

經過綜合治理和自然恢復，童子壩河流域內的土地利用結構趨于合理，生態環境有了一定程度的改善。但受制于治理經費和時間的影響，流域內的土地利用結構調整尚有潛力可挖，生態效益尚未完全體現出來，建議地方政府和相關業務部門積極爭取治理經費，繼續實施童子壩河流域二期綜合治理工程。

［1］邱揚，傅伯杰.異質景觀中水土流失的空間變異與尺度變異［J］.生態學報，2004，24(2):332 －334.

［2］夏彪，陳俊，雷香蓮.民樂縣內陸河小流域水土流失綜合治理思路與創新模式研究［J］.甘肅水利水電技術，2008，44(5):346－347.

［3］胡廣錄，趙文智，劉鵠，等.內陸河小流域綜合治理對景觀格局的影響——以童子壩河流域為例［J］.中國沙漠，2010，30(6):1398 －1404.

［4］李喆，馬潤賡.云南麗江地區土地利用變化的遙感檢測與分析［C］//中國土地學會.2006年中國土地學會學術年會論文集.重慶:地質出版社，2007:622－627.

［5］王莉，衛海燕，鳳鵬，等.基于遙感影像的西安地區土地利用變化分析［J］.資源開發與市場，2010，26(7):589 －592.