黃土高塬溝壑區(qū)城郊型小流域土地利用/覆被時(shí)空變化特征研究

［關(guān)鍵詞］土地利用；時(shí)空變化；城郊型小流域；紙坊溝；平?jīng)鍪?；黃土高塬溝壑區(qū)

［摘要］為了給黃土高塬溝壑區(qū)城郊型小流域水土資源高效利用和區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，對平?jīng)鍪屑埛粶闲×饔蛟谒亮魇ЬC合治理過程中的土地利用/覆被變化規(guī)律進(jìn)行了研究。以Landsat影像、無人機(jī)影像為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合歷史整編數(shù)據(jù)結(jié)果和實(shí)地核查，獲取紙坊溝流域1963—2023年4期土地利用分類信息，引入土地利用動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣，定量分析其土地利用時(shí)空變化規(guī)律，結(jié)果表明：1963—2023年，林地、耕地、草地和住宅用地呈正向動態(tài)變化，動態(tài)變化率分別為13.67%、0.25%、0.13%和0.11%，其他土地、園地和工礦倉儲用地呈反向動態(tài)變化，動態(tài)變化率分別為-1.66%、-1.38%和-1.12%，特殊用地、交通運(yùn)輸用地基本沒有變化，土地利用動態(tài)度普遍降低，土地利用變化趨于平穩(wěn)；土地利用變化表現(xiàn)為其他土地面積減少，林地、草地面積增加，林地轉(zhuǎn)入面積最為顯著，整體增加352.60hm2，草地面積整體增加36.76hm2；水土資源高效利用是紙坊溝小流域土地利用變化的重要驅(qū)動因素，探索出的以“生態(tài)清潔示范、高效灌草栽培、水保科學(xué)研究、生態(tài)觀光旅游”為一體的城郊型水土保持生態(tài)示范小流域，為“水土保持+鄉(xiāng)村振興”發(fā)展模式提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和借鑒價(jià)值。

［中圖分類號］S157[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.07.014

［引用格式］王可壯，段義字，劉進(jìn)德，等.黃土高塬溝壑區(qū)城郊型小流域土地利用/覆被時(shí)空變化特征研究：以平?jīng)鍪屑埛粶蠟槔齕J].中國水土保持，2024（7）：48-52.

平?jīng)鍪械靥庪]東黃土高塬溝壑區(qū)，是黃土高原水土流失較為嚴(yán)重的地區(qū)[1]，長期的水力、重力、風(fēng)力等自然侵蝕，以及不合理的土地利用方式帶來的人為加速侵蝕，使得該區(qū)呈現(xiàn)溝頭前進(jìn)、溝岸擴(kuò)張、地表支離破碎、溝壑縱橫且坡陡谷深的顯著地貌特征，同時(shí)下墊面植被覆蓋狀況較差，區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件極為脆弱，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展[2-3]。城郊型小流域作為城市與鄉(xiāng)村的紐帶，是城鄉(xiāng)物質(zhì)和能量交流的通道，受人為因素和自然因素的雙重干擾，其環(huán)境所受的壓力既高于農(nóng)村又高于城市，在水土流失特點(diǎn)和水土保持形式上也表現(xiàn)出相應(yīng)的邊緣效應(yīng)[4]。

土地利用變化是人類活動對自然環(huán)境影響最為直接的表現(xiàn)形式，下墊面覆被時(shí)空變化能夠?qū)^(qū)域氣候、地表物質(zhì)循環(huán)、水文循環(huán)、生物多樣性、生態(tài)環(huán)境演變及人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生顯著影響[5-6]。對土地利用/覆被時(shí)空變化特征分析即是對土地利用的結(jié)構(gòu)、布局、程度、治理效果及存在問題進(jìn)行的相關(guān)分析[7-8]。土地利用/覆被時(shí)空變化及驅(qū)動因素大多以長江流域、黃河流域等大尺度區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)[9-10]，對小尺度黃土高塬溝壑區(qū)研究較少[11]，以城郊型小流域?yàn)檠芯糠秶鷦t更是鮮有報(bào)道。因此，本研究以平?jīng)鍪谐墙夹托×饔蚣埛粶蠟檠芯繉ο螅瑧?yīng)用ENVI和ArcGIS等軟件，結(jié)合整編成果和野外現(xiàn)場調(diào)查，對1963—2023年多期遙感影像進(jìn)行解譯，獲得流域土地利用現(xiàn)狀、土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，對流域近60a來土地利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化進(jìn)行系統(tǒng)分析，以探究紙坊溝多年土地利用動態(tài)變化及驅(qū)動因素，為城郊型小流域水土資源高效利用和區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

紙坊溝位于平?jīng)鍪兄行某菂^(qū)南部，地理坐標(biāo)為106°36′06″～106°40′42″E、35°26′52″～35°32′05″N，屬黃河流域渭河水系涇河上游支流，發(fā)源于六盤山—太統(tǒng)山脈的虎狼山，自西南往東北流經(jīng)崆峒區(qū)崆峒鎮(zhèn)、峽門鄉(xiāng)、柳湖鄉(xiāng)，總面積18.98km2[12]。屬北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫8.9℃，年均降水量516.4mm，6—9月降水量占全年降水量的70.7%[13]。地形地貌按自然形態(tài)分為上游土石山區(qū)、中游黃土丘陵溝壑區(qū)、下游黃土殘塬溝壑區(qū)，丘陵、殘塬面積占80.9%，有黑壚土、草甸土、紅黏土、黃綿土、新積土五類土壤[14]。

2數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究使用的數(shù)據(jù)分1963年、1983年、2003年和2023年4期，其中：1963年的數(shù)據(jù)源為平?jīng)鍪兴帘３挚茖W(xué)研究所（1955—1982年）紙坊溝流域水土保持徑流泥沙整編成果；1983年、2003年數(shù)據(jù)為基于地理空間數(shù)據(jù)云Landsat4TM影像和Landsat7TM影像獲取1983年、2003年2期空間分辨率為30m的遙感數(shù)據(jù)；2023年數(shù)據(jù)來源為空間分辨率為0.5m的無人機(jī)影像。

以ENVI5.3為技術(shù)平臺，對3期（1983年、2003年、2023年）遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，包括幾何校正、波段融合和研究區(qū)裁剪，在ArcGIS軟件中用最大似然法分別對不同時(shí)期的遙感影像進(jìn)行解譯，獲取土地利用信息，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查，利用GPS進(jìn)行樣點(diǎn)定位，記錄樣點(diǎn)土地類型及特征，用于遙感影像解譯精度驗(yàn)證。根據(jù)第三次全國土地調(diào)查結(jié)果，結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T21010—2017），最終將研究區(qū)劃分為耕地、園地、林地等9個(gè)一級類和旱地、果園等12個(gè)二級類，分類結(jié)果見表1。

2.2研究方法

2.2.1土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度定量描述研究區(qū)各土地利用類型在一定時(shí)間內(nèi)的變化速度，可以清晰地表征某一土地利用類型在某一時(shí)段內(nèi)的數(shù)量變化情況和變化速率[15-17]。公式為

K=An-AmAm×1T×100%（1）

式中：K為研究區(qū)內(nèi)某一土地利用類型在m-n時(shí)段內(nèi)的動態(tài)度指數(shù)；Am和An分別為在m、n兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)某一土地利用類型的面積，單位hm2；T為研究時(shí)長，單位a。

2.2.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是某一時(shí)期某一區(qū)域各土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程信息[18-19]。

王可壯等：黃土高塬溝壑區(qū)城郊型小流域土地利用/覆被時(shí)空變化特征研究

形式源于系統(tǒng)分析中對于系統(tǒng)表現(xiàn)狀態(tài)與不同狀態(tài)轉(zhuǎn)移之間的定量描述，綜合而具體地反映出該變化所具有的結(jié)構(gòu)特征與不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移方向?；谵D(zhuǎn)移矩陣研究剖析各土地利用類型間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以清晰刻畫出不同土地利用類型的變化特征和轉(zhuǎn)換方向[20]。公式為

Sij=S11…S1n

Sn1…Snn（2）

式中：Sij為研究初期與末期由類型i轉(zhuǎn)化為類型j的面積，單位hm2；n為土地利用類型數(shù)量。

3結(jié)果與分析

3.1土地利用時(shí)空變化分析

對紙坊溝小流域1期調(diào)查數(shù)據(jù)和3期遙感影像進(jìn)行解譯，得到流域1963年、1983年、2003年、2023年各土地利用類型面積，見表2。

由表2可知，60多a來紙坊溝小流域土地利用朝著多樣化、復(fù)雜化方向發(fā)展，土地利用類型以耕地、草地和林地為主導(dǎo)，其次是住宅用地和其他土地。從面積占比來看，其他土地、林地、耕地3種類型的變化幅度較大，其他類型的變化幅度較小或基本維持不變[21]。分析土地利用變化情況可知，1963年研究區(qū)耕地、草地、其他土地為基質(zhì)景觀，占總面積的86.67%，與其他6種土地利用類型相比都占絕對優(yōu)勢；2023年

研究區(qū)耕地、林地、草地為基質(zhì)景觀，占總面積的92.16%，與其他6種土地利用類型相比都占絕對優(yōu)勢。其中，其他土地占比由23.18%減少到0.13%，主要是紙坊溝流域?qū)λ帘３趾蜕鷳B(tài)修復(fù)的重視，加大了對荒山荒坡的林草種植，林地占比由2.27%提高到20.84%。

3.2土地利用動態(tài)度分析

土地利用動態(tài)度反映了某一個(gè)土地利用類型在某一時(shí)期的年均變化率，能夠反映土地利用在該時(shí)期的變化劇烈程度[22]。對紙坊溝小流域1963—1983年、1983—2003年、2003—2023年共3期土地利用動態(tài)度分析，發(fā)現(xiàn)林地、其他土地表現(xiàn)出較高的變化速率，園地、草地、工礦倉儲用地、耕地次之，住宅用地、特殊用地、交通運(yùn)輸用地變化速率較低。其中，林地表現(xiàn)出明顯的正向動態(tài)變化，在1963—1983年最為明顯，動態(tài)度達(dá)到21.73%，1983—2003年、2003—2023年動態(tài)度分別為1.10%和2.05%，說明林地面積一直處于增加狀態(tài)。相反，其他土地表現(xiàn)出明顯的負(fù)向動態(tài)變化，1963—1983年、1983—2003年、2003—2023年動態(tài)度分別為-3.55%、-1.40%、-4.86%，即其他土地面積一直處于減少狀態(tài)。耕地、園地處于先增加后減少狀態(tài)，草地處于先減少后增加狀態(tài)，特殊用地、交通運(yùn)輸用地較穩(wěn)定，見表3。

3.3土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

土地利用動態(tài)變化不僅體現(xiàn)在不同土地利用類型數(shù)量特征上的變化，而且更為重要的是體現(xiàn)不同土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)換特征，本研究針對紙坊溝小流域1963年、1983年、2003年、2023年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩疊加計(jì)算，得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果，見表4、表5、表6。

由表4可知，1963—1983年林地、耕地、園地、住宅用地面積增加，其他土地、草地面積減少，土地利用類型變化面積343.93hm2。其他土地是主要的轉(zhuǎn)出土地利用類型，轉(zhuǎn)出面積312.00hm2，分別向林地、耕地、園地、住宅用地轉(zhuǎn)移154.97、109.80、41.26、5.97hm2；草地作為另一轉(zhuǎn)出土地利用類型，向林地轉(zhuǎn)移31.93hm2。工礦倉儲用地、特殊用地、交通運(yùn)輸用地基本無變化。

由表5可知，1983—2003年林地、耕地面積增加，其他土地、草地、園地面積減少，土地利用類型變化面積96.50hm2。其他土地、草地、園地是主要的轉(zhuǎn)出土地利用類型，其中：其他土地轉(zhuǎn)出面積35.93hm2，分別向林地、耕地轉(zhuǎn)移25.93、10.00hm2；草地轉(zhuǎn)出面積30.57hm2，分別向林地、耕地轉(zhuǎn)移24.77、5.80hm2；園地向耕地轉(zhuǎn)移30.00hm2。工礦倉儲用地、住宅用地、特殊用地、交通運(yùn)輸用地基本無變化。

由表6可知，2003—2023年林地、草地、住宅用地面積增加，其他土地、園地、耕地、工礦倉儲用地面積減少，土地利用類型變化面積215.91hm2，其他土地、園地、耕地是主要的轉(zhuǎn)出土地利用類型。其他土地向草地轉(zhuǎn)出89.58hm2；園地轉(zhuǎn)出面積78.55hm2，分別向林地、草地轉(zhuǎn)移71.23、7.32hm2；耕地向林地轉(zhuǎn)移43.77hm2；工礦倉儲用地轉(zhuǎn)出面積4.01hm2，分別向草地、住宅用地轉(zhuǎn)移2.36、1.65hm2。特殊用地、交通運(yùn)輸用地基本無變化。

4結(jié)論與討論

4.1結(jié)論

1）1963—2023年，耕地、草地、林地是紙坊溝小流域主要的土地利用類型，占比由1963年的65.76%增加到2023年的92.16%，其他土地得到合理規(guī)劃利用，占比由1963年的23.18%減少到2023年的0.13%。整個(gè)研究時(shí)期，從土地利用動態(tài)度變化來看，林地表現(xiàn)出較明顯的正向動態(tài)變化，在1963—1983年動態(tài)變化最為明顯，動態(tài)度達(dá)到21.73%；耕地和草地變化速率中等，整體呈正向動態(tài)變化；其他土地表現(xiàn)出較明顯的反向動態(tài)變化，在2003—2023年動態(tài)變化最為明顯，動態(tài)度達(dá)到-4.86%；從土地利用動態(tài)度看，各地類動態(tài)度數(shù)值普遍呈減小趨勢，說明土地利用變化逐漸趨于平穩(wěn)。

2）土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)化主要表現(xiàn)在其他土地和林地、其他土地和耕地、其他土地和園地、其他土地和住宅用地、草地和林地、草地和耕地、草地和園地、園地和耕地、園地和林地、林地和耕地、工礦倉儲用地和住宅用地間的轉(zhuǎn)換。1963—2023年其他土地轉(zhuǎn)出面積最為顯著，主要向林地、耕地、草地、園地轉(zhuǎn)出437.51hm2，林地轉(zhuǎn)入面積最為顯著，增加352.60hm2，說明水土保持是紙坊溝小流域其他土地開發(fā)利用、林地和草地大面積增加的主要因素。

4.2討論

平?jīng)鍪兴帘３挚茖W(xué)研究所自1954年成立以來，對紙坊溝小流域按照流域自然規(guī)律和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，運(yùn)用新思維、新理論、新技術(shù)、新工藝，因地制宜，從20世紀(jì)60年代開展以小型水保工程和荒坡造林為主的初步綜合治理，到20世紀(jì)80年代的坡改梯，再到21世紀(jì)的小流域水土資源高效利用，使其他土地面積從1963年的440.00hm2減少到2023年的2.49hm2，土地資源得到高效利用，林地面積也由1963年的43.00hm2增加到2023年的395.60hm2，植被覆蓋率大幅提高。

紙坊溝小流域經(jīng)過近60a的綜合治理和水土資源高效開發(fā)利用實(shí)踐，林草始終發(fā)揮主導(dǎo)優(yōu)勢，為流域生態(tài)文明和區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供了良好保障。同時(shí)，對流域水土資源進(jìn)行了有效調(diào)控，蓄水、保土、攔泥、增地、減災(zāi)、提質(zhì)增效，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、高效農(nóng)業(yè)，探索出了集“生態(tài)清潔示范、高效灌草栽培、水保科學(xué)研究、生態(tài)觀光旅游”為一體的城郊型水土保持科技示范小流域。紙坊溝小流域生態(tài)環(huán)境的高質(zhì)量發(fā)展，是水土保持工作高質(zhì)量推進(jìn)的必然結(jié)果，也是紙坊溝產(chǎn)業(yè)調(diào)整和政策促進(jìn)的必然選擇。

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收稿日期：2023-08-04

基金項(xiàng)目：平?jīng)鍪兄攸c(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（PL-STK-2022A-071）

第一作者：王可壯（1986—），男，甘肅靖遠(yuǎn)人，高級工程師，碩士，主要從事水土保持科研及規(guī)劃工作。

E-mail：534277931@qq.com

（責(zé)任編輯楊傲秋）