1990—2020年窟野河流域土地利用變化特征研究

關鍵詞：土地利用；變化特征；轉移矩陣；1990—2020年；窟野河流域

中圖分類號：F301.2;S157文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.09.019

引用格式：呂文星，李曉宇，李雪梅，等.1990—2020年窟野河流域土地利用變化特征研究[J].中國水土保持，2025（9）：68-72.

土地利用與覆蓋變化（LUCC）研究是解析全球生態系統演變的核心議題，生境斑塊間的物質能量循環可深刻影響區域生態過程與空間異質性[1-4]。土地利用類型的時空分異本質上是人類活動干預與自然演替協同作用的結果，既可映射社會經濟系統對資源的索取強度，也可反映生態系統對人為干擾的反饋機制[5]。當前，關于土地利用時空分異的研究聚焦四大維度：格局-過程耦合解析、多尺度驅動因子識別、人類活動響應及基于模型的情景預測[6。由于土地利用演變具有長周期性與不確定性，因此學界普遍采用“遙感（RS） + 地理信息系統（GIS）”技術融合多時序數據，定量刻畫不同土地利用類型轉換的時空軌跡[7-9]。轉移矩陣法通過構建地類面積轉化表，可直觀揭示土地利用結構重組的方向與規模[10]，已被廣泛應用于多時段土地利用結構對比分析[1]。近年來，部分研究者進一步整合多期轉移矩陣與馬爾可夫鏈模型，用以探索分析土地利用變化的未來趨勢[12]，以為政策制定提供前瞻性依據。

窟野河流域作為黃河一級支流，橫跨內蒙古鄂爾多斯與陜西神木，是我國重要的能源基地與生態脆弱區。豐富的煤炭資源驅動了高強度開發政策導向，疊加退耕還林還草、西部大開發等政策效應，導致1990—2020年窟野河流域土地利用格局重構劇烈。

本研究集成1990—2020年土地利用數據與數字高程模型（DEM），運用轉移矩陣等方法，系統解析窟野河流域土地利用演變的時空特征，旨在厘清現狀格局與歷史演變路徑，預判未來變化趨勢，為優化土地資源配置、協調水土保持與生態修復提供科學依據。

1 研究區概況

窟野河發源于內蒙古鄂爾多斯市沙漠地帶，上游稱烏蘭木倫河，最大支流源自鄂爾多斯市東勝區的悖牛川，兩河呈典型的Y形分叉結構（見圖1），于陜西神木市北部房子塔交匯后始稱窟野河，最終在神木市沙峁頭村注入黃河。窟野河流域總面積 8 645km² ，主河道長 242km ，其中陜西段長 159km ，流域面積4867km² ;河道比降整體為 3.44%o ，陜西段增至 4.28‰ 。上游（神木市以上）位于毛烏素沙地東南緣，以沙丘與流動沙地為主，地勢平緩；中下游過渡為黃土丘陵溝壑區，地表破碎，植被稀疏，水土流失嚴重；河口段屬王石山區，基巖切割顯著，坡陡流急，支流短小。窟野河流域位于北溫帶半干旱大陸性季風氣候區，年均降水量 419mm ，7—8月降水量占全年降水量的 55% ～65% ，空間上東南多、西北少；年均氣溫 8.2^°C ，極端高溫多出現在7月；年均徑流量15.36億 m³ 、輸沙量2057萬t。流域內草地、耕地占主導地位，呈垂直空間分布特征，上游以適應干旱的干草原、沙生灌叢為主，中下游草本植被占優，耕地集中于中東部低地，林地與草地分布于西北及東南部高地[13]

圖1窟野河流域位置

2數據來源與研究方法

2.1 數據來源

DEM數據來源于地理空間數據云平臺，空間分辨率為 30m ，經ArcGIS水文分析模塊處理生成流域邊界。土地利用類型遙感監測空間分布數據來源于武漢大學CLCD（China Land CoverDataset）中國年度土地覆蓋數據集，該數據是基于Google Earth Engine 上的335709景Landsat數據制作的，空間分辨率為30m。采用GIS中的掩膜提取功能獲取窟野河流域不同時期土地利用圖，再參照《土地利用現狀分類》（GB/T21010—2017）將研究區按土地利用類型進行分類，最終合并為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地六大類[14-15] 。

2.2 研究方法

1）土地利用變化強度，反映區域某種土地利用類

型增加或減少的程度[16]，計算公式為

式中： k 為土地利用變化強度； M_a，M_b 分別為研究時段始、末時間節點某一土地利用類型面積，單位 tan²;D 為土地總面積，單位 km² ： T 為研究時段，單位a。

2）土地利用程度綜合指數，反映人類對土地資源開發利用的改造程度和土地資源的變化程度，其值越大說明人類對該區域的土地利用強度越高[17-18]，計算公式為

式中： L 為土地利用程度綜合指數，取值范圍［100，400]; A_i?C_i 分別為第 i 級土地利用程度分級指數和面積占比； n 為土地利用類型分級指數，未利用地分級指數為1，林地、草地和水域為2，耕地為3，建設用地為4。

3）土地利用轉移矩陣。區域土地利用變化主要表現為土地利用面積和土地利用類型的相互轉化，土地利用轉移矩陣可定量分析出一定時期內的土地利用類型之間相互轉化的數量及轉化結構[10，19]，其公式為

式中： S_ij 為期初第 i 種土地利用類型轉移成期末第 j 種土地利用類型的面積，單位 km²，i，j 分別為研究時段始、末時間節點的土地利用類型， i，j=1，2，…，n 。

3 結果與分析

3.1土地利用類型總體情況及動態變化

1）根據窟野河流域不同時期土地利用類型面積及占比（見表1）可知，1990—2020 年窟野河流域土地利用以草地為主，其面積占流域總面積的 76.46% ～86. 71% ；其次為耕地，其面積占比為9. 42% ～16.67% ；林地、水域、建設用地、未利用地面積占比小。

2）窟野河流域不同時期土地利用類型面積變化（見表2）：1990—2020年耕地、未利用地經歷了持續性縮減，耕地累計減少量達 626.77km² ，其中 2001—2010年減量最大，為 401.81km² ;未利用地累計減少量達 454.06km² ，其中1990—2000 年減量最大，為253.39km² 。建設用地經歷了持續性增加，累計增量達 233. 83km² ，其中 2001—2010 年增量最大，為112.20km² 。林地、草地、水域整體呈持增加態勢，林地、水域累計增量小，且基本是在2011—2020 年增加的;草地累計增量最大，達 814.98km² ，呈先增加后減少態勢。

表11990—2020年窟野河流域土地利用類型總體情況

表21990—2020年窟野河流域不同時段土地

3.2土地利用變化強度和程度

1）從單一土地利用變化強度（見圖2）來看，1990—2020年耕地變化強度為 -0.93%～-0.07% ，其中 2001—2010年變化幅度最大；林地變化強度介于 -0.00004%～ 0.04% ，在2011—2020 年變化幅度最大;草地變化強度在2001—2010年達到最大值 1.11% ；建設用地整體呈擴張發展趨勢，變化強度為 0.11%～0.26% ，在2001—2010年變化速度最快;未利用地變化強度為 -0.59%～-0.01% ，其中1990—2000 年變化最大。

圖2窟野河流域各時段土地利用變化強度

2）由圖3可知，1990—2020年流域土地利用程度綜合指數呈持續增大趨勢，由211.67增至215.08，說明人類對該區域的土地利用強度呈逐年增大態勢。

圖3窟野河流域不同年份土地利用程度綜合指數

3.3土地利用類型轉化情況

1）從1990—2020年窟野河流域土地利用類型面積轉移矩陣（見表3）可知，1990—2020年土地利用類型的主要變化是耕地、草地、未利用地之間的轉化。 ①1990 年耕地面積為 1441.29km² ，到2020年其中9 11.51km² 轉化為草地 58.94km² 轉化為建設用地 Ω_?6.02km² 轉化為未利用地 、4.71km² 轉化為林地 、2.35km² 轉化為水域。 ② 1990年草地面積為 6610.22km² ，到2020年其中335.62km² 轉化為耕地、 .138.71km² 轉化為建設用地 60.61km² 轉化為未利用地 .11.67km² 轉化為水域 、10.94km² 轉化為林地。 ③1990 年未利用地面積為 533.29km² ，到2020年其中 460.57km² 轉化為草地 35.33km² 轉化為建設用地 .20.32km² 轉化為耕地 ?3.30km² 轉化為水域、1.19km² 轉化為林地。

2）由1990—2020年窟野河流域各地類空間分布情況（見圖4）可知：耕地、未利用地、草地空間分布變化顯著，至2020年耕地、未利用地空間分布范圍縮小，草地空間分布范圍擴大，耕地集中分布在流域西北部和東南部，未利用地分布在河道兩側坡面上，草地則在流域內分布廣泛且較均勻。

表31990—2020年窟野河流域土地利用類型面積轉移矩陣

km2

注：因表中各分項數據取位時稍有誤差，故期初（1990年）、期末（2020年）合計數據與表1中的稍有差別。

圖41990—2020年窟野河流域各地類空間分布

4討論

4.1氣候變化的基礎性影響

1990—2020年窟野河流域呈現顯著暖干化趨勢，年均氣溫以 0.026^°C/a 速率上升（ ，雖未達統計學顯著水平，但已形成持續性生態效應。氣溫升高導致蒸發潛勢增加約 12% ，土壤含水率下降 15%～ 20% ，地下水水位年均降幅達 0.8m^[20] ，水文循環的改變促使植被群落發生適應性演替，典型表現為旱生植物比例上升7.3個百分點。值得注意的是，灰色關聯分析顯示氣候因子與景觀格局指數的平均關聯度僅為0.42^[21] ，表明氣候因子的作用具有長期累積性而非直接決定性，更多表現為生態演變的背景場。

4.2人類活動的決定性驅動

1）經濟結構轉型的時空效應。研究時段內流域GDP年均增長率達 25.07% ，顯著高于全國均值。資源依賴型發展模式導致產業結構發生根本轉變：第二產業占比從 32% 躍升至 67% ，直接驅動工礦用地擴張4.8倍；煤炭開采量激增255倍至2.3億 ua ，形成采空區 577km² ，引發連鎖生態效應——地下水水系破壞率高達 68% ，徑流模數下降 37%^[22] 。這種“資源詛咒\"現象在2010年后尤為突出，GDP波動與工礦用地擴張呈顯著非線性關系（ 。

2）人口結構演變的用地重構。1990—2020年城鎮化率從 26.7% 提升至 90.0% ，城鎮人口增長9.8倍。這種突變式城市化引發建設用地年均擴張1.2km² ，其中 78% 來源于耕地轉化。值得注意的是，人口結構轉型產生雙重效應：一方面農村勞動力流失導致24% 耕地畧荒，另一方面城市擴張吞噬優質農地。用地壓力指數測算顯示，研究區單位GDP增長的土地消耗量是全國的2.3倍，揭示了粗放發展模式的不可持續性。

3）政策調控的生態響應。退耕還林工程實施后，林草覆蓋率提升9.62個百分點，但景觀破碎度指數卻上升0.17。這種矛盾現象源于政策執行的空間異質性——低效區造林存活率僅 41% ，而煤礦區復墾率不足 30% 。特別需要關注的是， 79% 的未利用地轉化為草地的同時， 23% 優質草地被工礦用地侵占，形成“生態建設一破壞”的博弈格局。政策效果評估顯示，生態工程對景觀完整性的貢獻度僅為預期值的 64%^[21] 。

4）政策調控的生態響應復合驅動機制的空間耦合。多維驅動因子交互作用形成獨特的地域響應模式：在流域上游，氣候變化貢獻率達 42% ，表現為自然植被的旱生化演替；中游工礦帶人類活動驅動強度達78% ，導致景觀破碎度指數激增1.8倍；下游城鄉過渡區呈現政策驅動（ 55%） 與經濟驅動（ 35% ）的拉鋸狀態。這種空間分異特征提示，采用單一尺度的驅動機制分析土地利用變化，可能會產生認知偏差，需建立“自然基底-人類擾動-政策響應”的三維解析框架。

5結論

1）1990—2020 年窟野河流域土地利用格局以草地、耕地為主導，兩者之和占比穩定在總面積的9 3.13%～96 ： 50% ，其中草地占比從 76.46% 增至85.89% ，耕地占比由 16.67% 降至 9.42% 。林地、水域、建設用地與未利用地合計占比不足 7% ，表明流域生態基底仍以自然覆蓋為主。耕地面積累計減少626.77km² ，主要轉化為草地和建設用地，反映農業活動收縮與生態修復的雙重影響。

2）土地利用動態演變方面，1990—2020年耕地持續減少（減幅為 0.07%～0.93% ），2001—2010年達峰值（減幅 0.93% ），與退耕還林政策推進高度相關。林地微弱增長（增幅 0. 000 04%～0. 04% ），集中于退耕區，顯示生態恢復的局部成效。草地前期擴張（2001—2010年增幅達 1.11% ）后轉為縮減（2011—2020年減幅為 0.16% ），暗示政策邊際效應遞減，需優化補償機制以鞏固成果。建設用地加速擴張（2001—2010年變化強度 0.26% ），主要侵占耕地與未利用地，凸顯城鎮化壓力。未利用地持續減少（減幅為 0.01% 20.59% ），表明土地開發強度提升。

3）1990—2020年流域土地利用程度綜合指數由211.67升至215.08，印證人類活動對自然系統的干預逐年增強，需警惕生態承載力超限風險。

4）氣候變化和人類活動的共同作用導致窟野河流域土地利用發生演變和重塑，其中流域內逐年增強的人類活動是核心動力

參考文獻：

[1]劉曉娜，封志明，姜魯光，等.西雙版納土地利用/土地覆被變化時空格局分析[J].資源科學，2014，36（2）：233-244.

[2]常雪兒，汪洋，甄慧，等.1990—2018年新疆喀什噶爾河流域土地利用/覆被變化空間耦合及其生態效應[J].西南農業學報，2022，35（3）：596-607.

[3］張梅，盧學輝.基于遙感與GIS的北京市土地利用變化分析[J].長春師范大學學報，2017，36（12）：77-82，116.

［4］王子龍，朱彤，姜秋香.黑龍江省土地利用/覆被變化及生境質量特征變化分析［J].東北農業大學學報，2022，53（1） ：77-86.

［5］苗沛基，張亮，宋寶來.多特征聯合的烏魯木齊市土地利用動態變化分析[J].測繪與空間地理信息，2025，48（2）：153-156.

[6］李秀彬.全球環境變化研究的核心領域：土地利用/土地覆被變化的國際研究動向[J].地理學報，1996，51（6）：553-558.

[7]SUPERCZYNSKI S D，CHRISTOPHER S A. Exploring landuse and land cover effects on air quality in central Alabama u-sing GIS and remote sensing[J].Remote Sensing，2011，3（12）：2552-2567.

[8］張玉娟，劉丹丹.基于RS和GIS土地利用資源動態變化的研究與分析：以哈爾濱市阿城區為例［J].黑龍江交通科技，2013（8）：171，173.

[9]張曉雪，王蘭霞，秦大海，等.ArcGIS在煤礦區土地利用分析中的應用[J].黑龍江科技信息，2015（12）：10.

[10］劉瑞，朱道林.基于轉移矩陣的土地利用變化信息挖掘方法探討[J].資源科學，2010，32（8）：1544-1550.

[11］馬彩虹，安斯文，文琦，等.基于土地利用轉移流的國土空間格局演變及其驅動機制研究：以寧夏原州區為例[J].干旱區地理，2022，45（3）：925-934.

［12］朱會義，李秀彬.關于區域土地利用變化指數模型方法的討論［J].地理學報，2003，58（5）：643-650.

[13］楊晨，佘冬立，黃萱.窟野河流域次降雨事件下水沙變化特征及其輸移過程[J].水土保持研究，2025，32（2）：52-60.

［14］付金霞.小理河流域徑流泥沙對氣候和土地利用變化的響應研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2017：15.

[15］王明月.黃淮海流域植被變化及驅動機制研究[D].太原：山西大學，2020：13.

［16］李曉文，方精云，樸世龍.近10年來長江下游土地利用變化及其生態環境效應[J].地理學報，2003，58（5）：659-667.

[17］周云凱，白秀玲，姜加虎.1989年至2006年鄱陽湖區土地利用動態變化研究[J].資源科學，2011，33（6）：1186-1194.

[18］鄒亞東，何亮，張曉萍，等.基于GEE數據平臺的北洛河流域1970—2019年土地利用結構變化特征[J].水土保持通報，2021，41（6）：209-219.

［19］李明蔚.基于“三生空間”的丹江口庫區土地利用功能轉變及其生態環境響應研究[D].武漢：湖北大學，2021：22.

[20］劉強，蔡學婭，劉君怡，等.黃河中游窟野河流域水沙關系變化特征及其成因分析[J].水土保持研究，2022，29（4）：68-74.

［21］王童，何海，吳志勇.近30年來窟野河流域土地利用與植被覆蓋度變化分析[J].水電能源科學，2017，35（11）：127-130，83.

[22］蔣曉輝，高昊祺，雷宇昕.近40年來窟野河流域土地利用類型變化及驅動因素[J].南水北調與水利科技（中英文），2020，18（4） ：17-38.

（責任編輯 張緒蘭）