北方土石山區土地利用及水土流失時空變化

摘要： 北方土石山區是我國水土流失防治的重要區域，研究其土地利用/覆蓋和水土流失時空變化對于區域水土保持和生態建設具有重要參考價值。采用遙感解譯和圖表統計方法，定量分析了區域內2009—2016年土地利用、2000—2015年歸一化植被指數（NDVI，其值用INDV表示）及3次全國水土流失調查結果的變化趨勢和特征。結果表明：海河、淮河流域內城鎮村及工礦用地、交通運輸用地面積均增加，增幅分別為9.26%和7.27%、10.04%和7.17%，園地、水域及水利設施用地、耕地、林地、草地面積均減少，減幅在0.63%～6.16%之間，只有其他土地變化趨勢不同，海河流域減少了1.93%，而淮河流域增加了4.92%；植被覆蓋度整體提高，INDV＞0.7的高覆蓋度區域范圍有所擴大；土壤侵蝕面積從20世紀80年代末的16.92萬km2減少到2011年的11.62萬km2。通過小流域綜合治理、“三北”工程建設及坡改梯等生態修復和水土保持工程的實施，2000—2015年北方土石山區的植被覆蓋度整體提升，水土流失強度總體呈減小趨勢。

關鍵詞： 土地利用；水土流失；歸一化植被指數；土壤侵蝕；時空變化；海河流域；淮河流域；北方土石山區

中圖分類號： S157.1文獻標識碼： ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.04.013

引用格式： 趙瑩，陳吟，屈麗琴，等.北方土石山區土地利用及水土流失時空變化[J].中國水土保持，2025（4）：43-49.

北方土石山區是我國8個水土保持一級區之一，水土流失類型多樣，包括水蝕、風蝕、重力侵蝕等，其中水蝕面積分布最廣[1]。區域內土層較薄，混有礫石，土壤有機質和水分含量較低，天然植被覆蓋率不高，生態較為脆弱[2]，再加上降雨沖刷的影響，水土流失易發，流失的土壤進入河道形成淤積，會威脅下游的水資源安全與生態安全。區域內城鎮密集、人口眾多，黃淮海平原承擔著華北糧倉的重要作用。由于水土流失問題加劇了人地矛盾，對土地生產力的威脅較大[3]，因此一定程度上影響了區域經濟和社會發展。目前，針對北方土石山區水土流失問題的研究多集中于水土保持措施的配置及其效應方面，包括植物措施[4-5]、工程措施[6]及小流域綜合治理[7]等，而針對整體水土流失時空變化的研究尚有不足，特別是針對整個北方土石山區的水土流失現狀分析還是基于20世紀末第二次全國土壤侵蝕遙感調查的結果[1]，或者局限于區域內的某一部分，如針對遼寧省[8]、淮河流域的土壤侵蝕研究等[9-10]。

20世紀80年代以來，隨著經濟社會的發展，一方面北方土石山區的土地利用方式發生了許多空間上的變化，另一方面各種生態恢復工程的建設也促使土地利用和地表植被覆蓋發生了改變，這些人類活動導致的土地利用和植被覆蓋變化，是影響區域內水土流失變化的重要因素[11-13]。本研究以北方土石山區海河及淮河流域土地利用、植被覆蓋、土壤侵蝕調查和水文站徑流泥沙數據為基礎，分析研究區域內土地利用、植被覆蓋、土壤侵蝕和江河水沙變化的趨勢和特征，以期為深入理解我國北方土石山區的水土流失時空變化和區域生態環境變化提供支撐，并為評價水土保持生態效應和制定區域土壤侵蝕防治策略提供依據。

1研究區概況

北方土石山區北接內蒙古高原，南至大別山，包括海河、淮河兩大流域的全部和黃河、松遼流域的小部分。為便于分析，本研究以占北方土石山區主體的海河、淮河流域為研究區（見圖1）。海河流域西部為山西高原和太行山區，北部為內蒙古高原和燕山山區，山地和高原面積約占總面積的60%，東部和南部為廣闊平原，約占總面積的40%。淮河流域東北部為魯中南斷塊山地，中部為黃淮平原，西部和南部是山地和丘陵。研究區海拔大部分在200 m以下，西北部及部分山地區域海拔為1 000～3 000 m，山區地面坡度多在20°以上，至丘陵漸次變緩；屬于我國東部季風區，水分狀況自東南向西北逐漸變干，氣候具有明顯的地域分異特征，不同地點年均降水量為300～1 600 mm，降水年際、年內分配不均勻；自北向南的主要土壤類型包括褐土和黃棕壤兩大類，土層較薄且混雜礫石，其中土層厚度小于15 cm的土地面積約占總面積的40%，土層厚度大于50 cm的土地面積只占總面積的10%；植被隨緯度變化明顯，從北部的干草原和森林草原向南部逐漸遞變為針闊葉混交林、落葉闊葉林，植被覆蓋度逐漸增大，種類也愈加復雜。

2材料與方法

本研究海河和淮河流域的土地利用數據來自于自然資源部發布的2009—2016年全國土地利用數據集，一級分類包括耕地、園地、林地、草地、城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、其他土地共8類。土壤侵蝕數據來源于20世紀80年代末、20世紀末和2011年3次全國水土流失調查結果。徑流泥沙數據為海河干流上的海河閘水文站數據（1960—2017年）及淮河干流上的蚌埠水文站數據（1956—2017年），包括年徑流總量和年輸沙總量。由于歸一化植被指數（NDVI，其值用INDV表示）對植被生長狀況較為敏感，與葉面積指數呈明顯的正相關關系[14]，因此被廣泛作為覆蓋度的代表指標，常用于土地利用和覆蓋變化等研究中[15]。本研究使用的NDVI數據來源于中國科學院地理空間數據云的海河和淮河流域MODIS NDVI月合成數據，分辨率為500 m，包括2000年、2005年、2010年和2015年共4期數據。

3結果與分析

3.1土地利用類型變化

3.1.1海河流域

2009—2016年海河流域土地利用類型變化見表1。2009—2016年海河流域城鎮村及工礦用地和交通運輸用地面積呈逐年增加趨勢，耕地、園地、林地、草地、水域及水利設施用地面積整體均呈減少趨勢，其他土地（設施農用地、田坎、鹽堿地、沼澤地、沙地）面積呈波動減小趨勢，主要是設施農用地面積增大，鹽堿地、沙地面積減小。研究區內土地利用類型以耕地（水田、旱地）、林地（灌木林地、疏林地）和草地為主，其中耕地占比最大，各年度平均占比達33.85%。隨著城鎮化和交通運輸業的發展，2009—2016年城鎮村及工礦用地和交通運輸用地面積分別增加了9.26%、10.04%。在面積減少的土地利用類型中，減少比例最大的為園地，達4.92%，其次為水域及水利設施用地， 趙瑩等：北方土石山區土地利用及水土流失時空變化減少了3.56%；從變化面積量來說，草地面積減少最多，為996.7 km2，其次為耕地，再次為水域及水利設施用地。

3.1.2淮河流域

2009—2016年淮河流域土地利用類型變化見表2。2009—2016年淮河流域最主要的土地利用類型為耕地，各年度面積占該流域面積的平均比例為57.37%，其次為城鎮村及工礦用地和水域及水利設施用地，各年度面積占該流域面積的平均比例分別為15.09%和12.04%。耕地、園地、林地、草地和水域及水利設施用地面積均呈減少趨勢，城鎮村及工礦用地、交通運輸用地和其他土地面積均呈增加趨勢。減少比例最大的為草地（6.16%），其次為園地（4.86%）和林地（4.70%）；減少面積最大的為耕地，減少面積為977.4 km2，其次為水域及水利設施用地（864.0 km2），再次為林地（663.3 km2）。城鎮村及工礦用地增加的比例最大（7.27%），其次為交通運輸用地（7.17%）；城鎮村及工礦用地面積增加了2 277.3 km2，交通運輸用地增加了533.4 km2。

3.2植被覆蓋變化

3.2.1海河流域

2000—2010年海河流域植被覆蓋度持續增大，2015年與2010年相比略有減小。海河流域NDVI空間分布見圖2。2000年、2005年、2010年和2015年，海河流域INDV＞0.7（高覆蓋度區域）的土地面積分別占流域土地總面積的12.88%、19.43%、26.76%和25.26%，空間上主要分布在流域東北部的燕山山脈、山西東部和河北西部太行山區，以及流域的西南邊界地區；INDV為0.5～0.7（中覆蓋度區域）的土地面積分別占流域總面積的24.91%、36.94%、42.77%和35.60%，主要分布在流域內東部的京津冀地區、太行山沿線周邊、山東的西北部等，2010年與其他3個時期相比，植被中覆蓋度區域擴展到了河北的大部分地區；INDV＜0.5（低覆蓋度區域）的土地面積分別占流域總面積的62.21%、43.63%、30.47%和39.14%。

3.2.2淮河流域

淮河流域NDVI變化趨勢與海河流域基本一致，2000—2010年植被覆蓋度持續增加，2010—2015年植被覆蓋度略有減少（見圖3）。2000年、2005年、2010年和2015年，INDV＞0.7（高覆蓋度區域）的土地分別占流域總面積的13.42%、16.82%、25.71%和19.13%，空間上主要分布在流域內的皖西和豫南地區，2010—2015年范圍擴展到流域的中東部地區及山東半島；INDV為0.5～0.7（中覆蓋度區域）的土地面積占比分別為42.28%、39.33%、45.57%和39.51%，主要呈斑塊狀分布在魯中和魯東南、江蘇的北部、安徽的中部等地，但是2000—2015年流域內河南省部分中覆蓋度區域有向低覆蓋度區域轉化的趨勢；INDV＜0.5（低覆蓋度區域）的土地面積占比分別為44.30%、43.85%、28.72%和41.36%，除2010年外，其他3個年度低覆蓋度區域面積比例變化不大，但是分布區域有所變化，2000年主要呈斑塊狀分布在魯西南和安徽北部，2005年和2015年主要集中在豫東、皖北地區。整體來看，淮河流域高覆蓋度區域面積在穩步增加。

3.3土壤侵蝕及徑流泥沙變化

3.3.1區域土壤侵蝕

根據20世紀80年代末、20世紀末和2011年3次全國水土流失調查結果（見圖4），北方土石山區的水土流失面積分別為16.92萬、13.46萬、11.62萬km2，其中海河流域水土流失面積分別為11.05萬、10.38萬、7.89萬km2，淮河流域水土流失面積分別為5.87萬、3.08萬、3.73萬km2。根據調查數據，20世紀80年代末至2011年，北方土石山區的水土流失面積減少了31.32%，降幅明顯。其中，強烈侵蝕面積和中度侵蝕面積減少比例較高，分別為51.17%和42.26%，其次是輕度侵蝕面積減少了18.87%，極強烈侵蝕面積減少了2.00%。值得注意的是，近些年有部分地區出現了劇烈侵蝕，雖然面積較小（0.18萬km2），但卻較20世紀末的0.01萬km2有了比較顯著的增加，這與經濟開發導致的土地擾動密切相關。

海河流域和淮河流域總體變化趨勢相似，從20世紀80年代末至2011年，除極強烈和劇烈侵蝕外，其他各強度水土流失面積均呈顯著的減少趨勢（見圖5），但在具體表現上有所不同。海河流域在20世紀80年代末至20世紀末，輕度和中度水土流失面積均有比較明顯的增加，增幅分別為9.98%和25.91%，2011年則回落明顯，較20世紀末的降幅分別為19.72%和48.56%；強烈和極強烈水土流失面積變化趨勢則恰好相反，在20世紀末較20世紀80年代末大幅減少，減幅分別為80.37%和94.87%，2011年較20世紀末又有所增加，分別增加了0.51萬km2和0.23萬km2；劇烈水土流失面積則出現在20世紀末至2011年這一階段，至2011年劇烈侵蝕面積達0.13萬km2。淮河流域輕度、中度和強烈水土流失面積變化規律基本一致，均是在20世紀末較20世紀80年代末顯著減少，減幅分別為40.93%、56.28%和53.75%，2011年較20世紀末又有所增加，增幅分別為17.47%、3.19%和40.54%；極強烈和劇烈水土流失面積總體呈增加趨勢，2011年較20世紀80年代末分別增加了0.13萬、0.05萬km2；相比于20世紀80年代末，2011年水土流失面積中減少比例最大的是中度侵蝕，其次是強烈侵蝕和輕度侵蝕，對應的減少面積分別為1.18萬、0.28萬、0.86萬km2。

3.3.2徑流泥沙

徑流泥沙方面，海河干流海河閘水文站自1960年以來徑流量和輸沙量均顯著減少，分別由1960—2000年年均的9.71億m3和19.10萬t下降到2001—2017年年均的3.69億m3和0.03萬t，降幅分別達62.00%和99.84%；淮河干流蚌埠水文站自1956年以來，徑流量在不同年份間波動較大（26.9億～641.9億m3），輸沙量則顯著減少，由1956—2000年年均的890.40萬t下降到2001—2017年年均的381.83萬t，降幅達57.12%（見圖6）。

4結論與討論

1）2009—2016年，海河和淮河流域最主要的土地利用類型均為耕地，分別占流域總面積的33.85%和57.37%。在各土地利用類型中，城鎮村及工礦用地、交通運輸用地的面積有所增加；耕地、園地、林地、草地、水域及水利設施用地面積則有所減少。這些變化與區域經濟社會發展密切相關，是城鎮化的發展促使土地利用由自然類型向人工類型轉變。這與同時期其他學者的研究結果基本一致，例如傅家儀等[16]在海河流域的研究表明，1990—2015年區域內耕地是減少最多的土地利用類型，且大部分轉換為建設用地和草地；嚴登明等[17]在淮河流域也得出，2005—2013年主要的土地利用類型變化是水田和旱地向居民城鄉建設用地的轉化。除此之外，在其他地區如遼河流域[18]、黃土高原退耕區[11]也有類似的變化趨勢。

2）2000—2015年研究區植被覆蓋得到恢復，高覆蓋度區域（INDVgt;0.7）面積占比海河流域從12.88%增加到25.26%，淮河流域則從13.42%增加到19.13%，其中2015年與2010年相比植被覆蓋度略有減小，但從整個長時間尺度來看NDVI仍為增加趨勢。在范倩倩[19]對海河流域1982—2015年NDVI變化趨勢的研究中，2010年夏季NDVI也略高于2015年，這可能與當年夏季降水較多有關。其他針對海河、淮河流域同時期的植被覆蓋變化研究也顯示，該區域內近期植被覆蓋度呈總體改善趨勢[17，20-22]。北方土石山區植被覆蓋度增大，主要原因是區域內經濟發展、城市化水平提高、農村人口減少，對土地的擾動程度減小，同時從20世紀80年代以來開展的一系列小流域綜合治理工程，如生態林、經濟林等措施都對植被覆蓋度提升起到了重要作用[7]。另外，海河流域的北部還是“三北”工程的建設區，工程的建設有效促進了區域內植被的恢復[21-23]。

3）3次全國水土流失調查結果顯示，研究區水土流失面積由20世紀80年代末的16.92萬km2減少到2011年的11.62萬km2，其中強烈和中度侵蝕面積減少比例較多，分別為51.17%和42.26%。區域內水土流失面積減少與干流水文站觀測到的輸沙量減少的趨勢較為同步，相比1960—2000年，2001—2017年年均輸沙量減少幅度達90%以上。水土流失面積和河流泥沙量的減少反映了這些年北方土石山區水土保持工作和生態修復工程發揮了巨大的作用。吳楠等[9]在對1995年、2000年兩期淮河流域土壤侵蝕調查中發現，水土流失面積減少的主要原因是淮河流域水土保持重點縣工程建設中充分利用荒山荒坡和陡坡耕地栽植經濟林和水保生態林，集中連片形成了規模化治理效益。李子君等[7]分析了海河和淮河流域小流域綜合治理試點成果資料，結果表明生態、農業、經濟等不同治理模式下，相比治理前，小流域綜合治理后侵蝕模數可減少70%以上。此外，北方土石山區是全國坡耕地綜合治理項目實施的重要區域[24]，坡改梯工程建設后能達到的保土效益基本在50%以上[6]，也有助于減少水土流失。

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（責任編輯 李楊楊）