清水河流域1978—2010年土地利用變化時空特征

周秋文，韋小茶，許幼霞，周旭，張繼，梁建方

(貴州師范大學 地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550001)

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清水河流域1978—2010年土地利用變化時空特征

周秋文，韋小茶，許幼霞，周旭，張繼，梁建方

(貴州師范大學 地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550001)

通過對1978年、1998年和2010年3期遙感影像目視解譯獲得3期土地利用數據，分析清水河流域1978-2010年土地利用變化時空特征。研究表明：清水河流域1978-2010年期間，農用地、難利用地面積持續減少，林地、建設用地面積持續增加，草地面積先有所減少后增多，除林地以外其它土地類型變化幅度后期都較前期大；流域土地利用轉移方向主要是農用地轉為低、中、高覆蓋度草地、林地和建設用地，中覆蓋度草地轉為低、高覆蓋度草地和林地，低覆蓋度草地轉為中、高覆蓋度草地、林地。結果表明，近年來清水河流域水土保持措施效果明顯。

土地利用；水土保持；遙感；時空特征；清水河流域

土地利用/覆蓋變化是人類活動和自然相互作用的結果，成為全球變化研究中的核心課題之一[1-2]，研究區域土地利用變化對區域可持續發展有重要意義[3]。黃土高原是我國乃至世界上水土流失最嚴重、生態環境最脆弱的地區[4-5]。清水河流域屬黃土高原丘陵溝壑區，地形破碎、水資源短缺，長年干旱多風沙、植被稀疏、水土流失嚴重等生態環境問題尤其突出。在2000年國家實施“西部大開發”戰略、1997年西部地區“山川秀美”和1999年全國“退耕還林還草”等工程啟動并實施以來，清水河流域開展水土保持和興修水利工程，土地利用格局發生重大變化。

目前對清水河流域的研究主要有以下幾個方面：寧夏清水河流域水資源評價分析[6]；寧夏清水河流域干旱演變特征分析[7]；寧夏清水河流域黃土濕陷性規律分析[8]；寧夏固原市原州區清水河地表及地下水資源量[9]；揚黃灌溉對寧夏清水河流域下游水資源影響分析[10]；寧夏清水河揚水灌區灌溉回歸水初步分析[11]。在土地利用變化方面，常文哲等對清水河流域進行土地利用現狀分析[12]。以上研究多是對清水河流域水資源的分析研究，未見有對該流域長時間段序列土地利用變化時空特征的分析研究。因此本文利用1978年、1998年和2010年3期遙感影像數據，采用人機交互圖像處理方法獲取1978年、1998年和2010年土地利用數據，從土地利用變化速度和轉移方向方面，系統分析清水河流域1978-2010年土地利用變化規律和空間分布格局，以期為流域生態環境建設、水土保持效果評價等方面提供一定的參考信息。

1　研究區概況

研究區為寧夏清水河同心縣城以上區域。清水河流域位于寧夏回族自治區南部，海拔1 318～2 936 m，屬于黃土丘陵溝壑區(見圖1)。清水河發源于六盤山東麓開城鄉境內的黑刺溝腦，向北流經固原、海原、同心、中寧等縣，在中衛的泉眼山西側注入黃河，長320 km，是寧夏境內流入黃河最大、最長的支流。流域天然植被以干草原類型為主，人工植被以糧食作物和經濟作物為主，林果類較少，是寧夏南部的重要農耕地帶，山上草木難生，植被稀疏，水土流失嚴重，全流域平均泥沙侵蝕模數達到3 410 t/km2。生態環境及其脆弱，常發生干旱、風沙、冰雹、地震、苦水和水土流失等自然災害。

圖1　清水河流域地理位置及高程

2　數據與研究方法

2.1數據來源

研究選取1978年、1998年和2010年3期landsat5多光譜遙感影像，選用432的波段組合進行假彩色圖像合成。采用ENVI遙感影像處理軟件對獲取影像進行幾何校正、輻射定標、大氣糾正等預處理[13-14]。參照中國科學院土地分類系統，根據研究需要將研究區的土地分為6類一級地類和11類二級地類。利用Arcgis10.2軟件進行人機交互圖目視解譯，得到1978年、1998年和2010年3期土地利用圖，解譯結果用Google Earth高空間分辨率遙感影像驗證，證實解譯精度較高，符合研究需要。

2.2研究方法

2.2.1土地利用動態變化

采用變化量和變化幅度兩個指標對土地變化的數量和變化率進行定量分析，土地利用變化量指某種土地利用類型在前后兩個時期內的面積數量變化的大小，土地利用變化率指某種土地利用類型的變化量占其在研究初期面積的比率，反映土地利用類型變化的劇烈程度[15]。具體的數學表達式為

(1)

(2)

式中：Sa,Sb分別表示研究初期和末期某種土地利用類型的面積數量；ΔS，K分別表示研究時段內某種土地利用類型的變化量和變化率。

2.2.2土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是土地利用類型間相互轉化的數量和方向定量研究的主要方法，它能夠具體的反映土地利用變化的結構特征和各類型間的轉移方向[1]。具體的數學表達式為

(3)

式中：Sij表示研究初期第i類土地轉化為研究末期第j類土地的面積；i為第一時期土地利用類型；j為第二時期土地利用類型；n為土地利用類型的數量。

3　結果與分析

3.1土地利用結構及其變化

根據清水河流域1978年、1998年和2010年3期土地利用圖的統計結果(見表1)可以看出，該流域的土地類型以農用地、草地和林地為主，3種土地利用類型面積之和占流域總面積的比例在3個時期分別為97.0%、96.9%、97.0%，總體變化不大。農用地面積所占流域總面積在1978年、1998年和2010年3期的比例依次為43.7%、42.0%、39.5%，所占比例呈持續下降趨勢。林地所占比例持續上升，依次為6.4%、8.1%、9.3%。草地(高、中和低覆蓋度草地之和)所占比例依次為46.9%、46，8%、48.1%，所占比例先有所下降后上升。難利用地依次為1.0%、0.9%、0.8%，所占比例持續下降。建設用地依次為1.25%、1.41%、1.63%，所占比例呈現持續上升趨勢，水域所占比例則先上升后下降。

表1　清水河流域1978—2010年土地利用結構

3.2土地利用動態變化

結合表2、圖2可以看出，清水河流域土地利用類型變化有以下主要特點：從變化量上看，1978—1998年時間段內農用地、林地、中、高覆蓋度草地的變化量較大，農用地減少206.1km2，林地增加207.5km2，中覆蓋度草地增加100.7km2，低覆蓋度草地減少112.6km2，其它土地類型變化量相對較少。1998—2010年時間段內中覆蓋度草地增加562.0km2，低覆蓋度草地減少550.0km2,農用地減少305.8km2，林地和高覆蓋度草地變化量分別增加147.0km2、153.0km2，其它土地類型變化量不明顯。兩個時期中覆蓋度草地總增加662.8km2，低覆蓋度草地和農用地總的分別減少662.6km2、511.9km2；從變化率上看，兩個時期內高覆蓋度草地變化率最大，先增加2.4%，后增加234.1%，后期基本上為前期的100倍。林地、中覆蓋度草地和建設用地的變化率較大，林地先增加26.5%，后增加14.82%，總增加41.3%，中覆蓋度草地先增加4.7%，后增加25.2%，總增加29.9%，后期基本上是前期的6倍。建設用地變化率持續增加，先增加13.3%，再增加15.3%，總增加28.6%，農用地、低覆蓋度草地和難用地變化率持續下降，農用地分別減少3.9%、6.0%，低覆蓋度草地先減少3.2%，再減少17.0%，后期基本上是前期的5倍。難利用地先減少10.0%，后減少15.2%。水域變化率在前期為0.8%，后期17.0%。除林地以外其它土地利用類型在1998—2010年變化幅度都較1978—1998年大。

表2　清水河流域不同時期土地利用類型變化量與變化率

綜合土地利用變化量和變化率的情況分析，清水河流域1978-2010年22年間農用地、難利用地面積持續減少，林地、建設用地面積持續增加，林地增加的總面積高達354.5km2，草地面積先有所減少后增多，總增加154.8km2，除林地以外其它土地類型變化幅度后期都較前期大，但林地占流域總面積比例也逐漸變大，說明該流域1978—2010年土地利用格局發生重大變化，城鎮化水平提高，水土保持措施增強，效果明顯，流域生態環境有很大改善，對國家生態修復政策的實施效果有很好的響應。

圖2　清水河流域不同時期土地利用類型變化量與變化率

3.3土地轉移矩陣

利用GIS空間分析和EXCEL統計得到清水河流域1978—1998年和1998—2010年的土地利用空間轉移方向如表3、表4和圖3所示。結合表3和圖3可以看出，1978—1998年農用地轉化的總面積最大，高達290.3km2,主要轉為林地、低、中覆蓋度草地，轉化面積分別為103.3km2、95.7m2、66.4km2，變化主要分布在流域的東北部、固原市和海原市周邊。中覆蓋度草地主要轉為林地和低覆蓋度草地，轉化面積分別為63.1km2、110.0km2，主要分布在海原市的北部、固原市的南部和流域的東部有少量分布。低覆蓋度草地主要轉為農用地、林地和中覆蓋度草地，轉化的面積分別為76.1km2、38.4km2、212.1km2，低覆蓋度草地的轉化主要分布在流域的西南部，東部有少量分布。難利用地主要轉為低覆蓋度草地，面積為9.1km2。林地、高覆蓋草地、水域、和建設用地轉化不明顯。

表3　清水河流域1978—1998年土地利用轉移矩陣　km2

注：表格中的空格，表示土地利用轉移量為零，下同

結合表4和圖3可以看出，1998—2010年土地利用類型轉移主要是低覆蓋度草地和農用地的轉化，轉化的總面積分別為665.2km2、343.9km2。低覆蓋度草地主要轉為農用地、林地、中、高覆蓋度草地，面積分別為15.7km2、29.0km2、539.1km2、70.0km2，變化的區域主要分布在流域的中下游地區，海原市的南部、固原市的西北部。農用地轉為中覆蓋度草地的面積最多，高達166.7km2，其次主要轉為低、高覆蓋度草地、林地和建設用地，面積分別為84.4km2、37.5km2、28.5km225.6km2。主要分布在流域的中上游。中覆蓋度草地主要轉為林地和高覆蓋度草地，分別為87.3km2、54.3km2，主要分布在流域的西南部。林地、高覆蓋度草地、水域、建設用地和難利用地轉化不明顯。

土地利用轉移特征主要表現為：清水河流域1978—1998年和1998—2010年兩個時間段內土地利用轉移方向主要是農用地轉為低、中、高覆蓋度草地、林地和建設用地，中覆蓋度草地轉為低、高覆蓋度草地和林地，低覆蓋度草地轉為中、高覆蓋度草地、林地和農用地，主要分布在流域中下游，固原市和海原市地區變化較明顯，林地、高覆蓋度草地、建設用地、水域和難利用地轉化不太明顯，1998—2010年中覆蓋度草地轉為高覆蓋度草地、林地和低覆蓋度草地轉為中、高、林地較明顯。1978—1998年有76.1km2的低覆蓋度草地轉為農用地和110.0km2的中覆蓋度草地轉為低覆蓋度草地，1998—2010年有15.1km2的低覆蓋度草地轉為農用地，分析其原因可能是該時期人口壓力較大，用地緊張，人們為了滿足生活需求和追求經濟利益，有局部地區的低覆蓋度草地被開墾轉為農用地，大量放牧破壞草地，使草地退化。

表4　清水河流域1998—2010年土地利用轉移矩陣　km2

圖3　清水河流域1978—1998年和1998—2010年土地利用變化空間分布

4　結論

通過對1978年、1998年和2010年3期遙感影像進行非監督分類和目視解譯相結合的方法獲得的土地利用數據，分析清水河流域1978—2010年土地利用變化時空特征。

1)清水河流域1978—2010年的土地利用類型以農用地、林地、草地為主，3種土地利用類型面積之和占流域總面積的比例在3個時期分別為97.0%、96.9%、97.0%，總體變化不大。

2)清水河流域1978-2010年農用地、難利用地面積持續減少，林地、建設用地面積持續增加，草地面積總體增多，除林地以外其它土地類型變化幅度后期都較前期大。2000年國家實施“西部大開發”戰略、1999年底實施“退耕還林還草”和西部地區“山川秀美”工程等生態修復政策后，清水河流域水土保持措施增強，效果明顯，流域生態環境有很大改善，土地利用格局發生重大變化，城鎮化水平提高，對國家生態修復政策的實施效果有很好的響應。

3)清水河流域1978—1998年和1998—2010年土地利用轉移方向主要是農用地轉為低、中、高覆蓋度草地、林地和建設用地，中覆蓋度草地轉為低、高覆蓋度草地和林地，低覆蓋度草地轉為中、高覆蓋度草地、林地和農用地，主要分布在流域中下游地區，流域的南部和東部變化較明顯。

4)通過研究可知，清水河流域1978—1998年和1978—2010年都有較大面積的低覆蓋度草地轉為農用地，且林地占流域總面積比例不大。難利用地被利用的面積也很少，一直占流域總面積的較大比例，可作為林草地開發利用的后備資源。建議在將來的水土保持工作中，創造條件，充分開發利用難利用地，提高土地利用率，并增加林地面積的數量，還要增強草地的保護力度，減少草地被開墾為農用地或因過度放牧而被占用和退化的現象發生，增加流域植被覆蓋度，生態環境將得到進一步改善。

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[責任編輯：張德福]

Spatial-temporal characteristics of land use changes in Qingshui River basin from 1978 to 2010

ZHOU Qiuwen，WEI Xiaocha, XU Youxia, ZHOU Xu, ZHANG Ji, LIANG Jianfang

(School of Geographic and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang 550001,China)

Land use data of three periods are interpreted from remote sensing images in 1978, 1998 and 2010, and the spatial and temporal variation of land use in QingShui basin is analyzed. The results show that: (a) the area of arable and unused land keeps on decreasing, while forest and construction land keeps on increasing. The area of grassland decreases firstly and then gradually increases. Except for the forest land, the variation rates of all the other land use during 1998-2010 were higher than 1978-1998. (a) From 1978 to 2010, the directions of land use change in Qingshui basin have been mainly as follows: cultivated land mainly converts to low, middle, high coverage grassland, forest and building land; middle coverage grassland converts to low, high coverage grassland and forest land; and low coverage grassland converts to middle, high coverage grassland, forest and cultivated land.Results show the soil and water conservation in Qingshui Rive remains effective.

land use; soil and water conservation; remote sensing; spatial-temporal characteristics; Qingshui River

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.11.003

2016-04-13

國家“十二五”科技支撐計劃課題(2012BAB02B00)；貴州省科學技術基金(黔科合J字[2015]2118號)；貴州師范大學博士科研啟動基金

周秋文(1986-)，男，副教授，博士.

TP753

A

1006-7949(2016)11-0012-06