馬瞳宇，張曉萍，馬芹，雷泳南

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室:712100，陜西楊凌)

黃土高原地區(qū)水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重，是黃河泥沙的主要策源地［1］，其根本原因在于不合理的土地利用［2－3］。在侵蝕的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中，地表植物的覆被是降低營(yíng)力動(dòng)能、提高土壤抗沖和抗蝕力、削弱侵蝕發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［4］，因而土地利用/覆被的演變方向以及演變程度，很大程度上成為土壤侵蝕評(píng)價(jià)的導(dǎo)向性因素［5］;然而，資源開發(fā)等人類活動(dòng)，又會(huì)急劇增加區(qū)域水土流失的嚴(yán)重性［6］。溝道內(nèi)堆積的礦渣在暴雨條件下極易形成高含沙水流甚至泥石流，加劇流域侵蝕的程度［7－8］。因此，研究黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶不同土地利用類型和不同覆被的時(shí)空變化特征，對(duì)了解該區(qū)土壤侵蝕和水土流失的發(fā)生和發(fā)展具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。

在退耕還林(草)背景［9］下，對(duì)GIMMS 和SPOT 2 種歸一化植被指數(shù)的大量研究結(jié)果表明，黃土高原地區(qū)以及水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)20 年來(lái)地表植被整體呈改善趨勢(shì)，受降水作用和人類活動(dòng)影響，又存在著明顯的空間差異［10－13］。宏觀尺度的分析固然可以很好地反應(yīng)植被變化的趨勢(shì)，但受像元精度的限制，卻不能很好地反映資源開發(fā)情況及其對(duì)環(huán)境的影響，如溝道中礦渣堆積場(chǎng)所和面積等。筆者以資料豐富并有前期工作基礎(chǔ)的神木縣六道溝流域?yàn)槔?，通過(guò)收集不同年份的土地利用信息和遙感影像，結(jié)合近期實(shí)地調(diào)查結(jié)果，分析土地利用/覆被類型的發(fā)展方向趨勢(shì)，剖析該區(qū)近20 年來(lái)不同土地利用/覆被的數(shù)量變化及其分布格局演變特征，以期為區(qū)域水土流失定量評(píng)價(jià)與動(dòng)態(tài)分析提供參考。

1 研究區(qū)概況

六道溝流域(E110°20'30″～110°23'30″，N38°47'00″～38°49'25″)面積6.89 km2，位于毛烏素沙地邊緣和黃土丘陵區(qū)的交錯(cuò)過(guò)渡地帶、神木縣城以西14 km 處。流域地處神府煤田區(qū)，流域內(nèi)中生代侏羅系砂頁(yè)巖互層中夾有煤層，該地層在下游出露高度5 ～10 m，便于露天開采。流域?qū)儆诘湫偷纳w沙黃土丘陵地貌，處于晉、陜、蒙水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶強(qiáng)烈侵蝕中心區(qū)，區(qū)域侵蝕模數(shù)超過(guò)1 萬(wàn)t/(km2·a)［14］。該流域?qū)倏咭昂铀刀?jí)支流，主溝道自南向北長(zhǎng)4.21 km。流域年均氣溫8.4 ℃，多年平均降雨量437.4 mm，其中6—9 月降雨量占全年降雨量的77.4%，而年均潛在蒸發(fā)量是降雨量的3 倍以上，屬于中溫帶半干旱氣候區(qū)。新老黃土和片沙交錯(cuò)分布，同一土壤剖面中，從上至下質(zhì)地差異很大，甚至出現(xiàn)沙層。土壤結(jié)構(gòu)疏松，抗蝕性差。主要土地利用/覆被類型為耕地、林地、草地和工礦及住宅用地。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

以六道溝流域1990、1995、2002 和2010 年相近月份土地利用圖為基礎(chǔ)進(jìn)行土地利用變化分析。1990、1995 和2002 年的土地利用數(shù)據(jù)均來(lái)源于中科院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目“西部生態(tài)環(huán)境演變規(guī)律與水土資源可持續(xù)利用研究”和中科院知識(shí)創(chuàng)新重要項(xiàng)目“黃土高原水土保持的區(qū)域環(huán)境效應(yīng)研究”的調(diào)查成果。2010 年的土地利用圖來(lái)自于當(dāng)年2 月份的0.5 m 分辨率全色波段遙感衛(wèi)星影像(World View－1衛(wèi)星)，結(jié)合實(shí)地勾繪和調(diào)查而獲得。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

衛(wèi)片轉(zhuǎn)繪前，首先建立判讀分類系統(tǒng)，根據(jù)分類系統(tǒng)建立相應(yīng)的解譯標(biāo)志，結(jié)合該流域1∶1萬(wàn)地形圖進(jìn)行信息解譯。最后，將4 期土地利用圖在ARC/INFO 軟件下進(jìn)行投影轉(zhuǎn)化和疊加分析，在Excel 軟件中對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別得到1990—1995 年、1996—2002 年、2003—2010 年3 個(gè)階段的土地利用變化情況。

2.3 研究方法

以GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》為主要分類依據(jù)，以明晰六道溝流域土地利用變化為目的，參考以往研究成果，以ARCGIS 軟件進(jìn)行空間數(shù)據(jù)處理，Excel 用于統(tǒng)計(jì)分析建立如表1 所示的土地利用類型分類系統(tǒng)，共包括7 個(gè)1 級(jí)類和16 個(gè)2 級(jí)類。采用土地利用年變化率來(lái)定量描述和比較土地利用各類型的變化量以及速度［15］，實(shí)質(zhì)是某土地利用類型時(shí)段前后的面積差與時(shí)段初面積的比例在該時(shí)段上的均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化的總體特征

六道溝流域1990、1995、2002、2010 年各種土地利用類型面積及各土地利用年變化率見(jiàn)表1?？梢钥闯?，1990—2010 年，六道溝流域土地利用變化的總體特征是耕地面積銳減，尤其是坡耕地面積迅速減少，同時(shí)林草地面積大幅度增加，煤礦開采用地面積呈波動(dòng)式大幅度增加趨勢(shì)。

為了反映1999 年“退耕還林(草)，以糧代賑”政策對(duì)六道溝流域土地利用的影響，對(duì)2002 年前后各土地利用類型的變化程度進(jìn)行分析。1990 年，耕地面積占流域面積的33.87%，1995 年占28.44%，2002 年下降到22.56%，2010 年耕地面積所占比例減至7.61%。2002 年以前，耕地土地利用年變化率為－2.78%，之后為－8.28%，降幅明顯增大。1990年林草地(包括林地、草地)面積占流域面積的35.74%，1995 年占42.67%，2002 年增至48.55%，到2010 年時(shí)大幅度增加為62.79%，林草地土地利用年變化率由2.99%上升為3.67%，增幅變大。由上述變化可以看出，在1999 年之后實(shí)施的“退耕還林(草)”政策在很大程度上優(yōu)化了六道溝流域的土地利用結(jié)構(gòu)，逐步改善著該流域的自然植被景觀，其生態(tài)環(huán)境因此而得到改善。

工礦(煤礦)用地面積大幅度增加。1990 年，流域內(nèi)煤礦開采活動(dòng)還很微弱，1995 年工礦用地面積增加到5.28 hm2，占流域總面積的0.77%，2002 年工礦用地面積維持穩(wěn)定，2010 年隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)大規(guī)模發(fā)展，工礦用地面積迅速擴(kuò)張到14.89 hm2，占總面積的2.16%。從1990—2002 年，工礦用地土地利用年變化率達(dá)到了148.68%，2002 年以后為22.79%。由此可見(jiàn)，工礦用地土地利用年變化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他土地利用類型的年變化率。

表1 六道溝流域土地利用面積變化及年變化率(1990—2010)Tab.1 Area change and annual changing rate of the landuse in Liudaogou catchment(1990—2010)

3.2 耕地分布態(tài)勢(shì)變化分析

1990—2010 年，耕地通過(guò)與其他土地利用類型的轉(zhuǎn)移，不僅在數(shù)量上有了大幅度改變，而且在分布態(tài)勢(shì)上也發(fā)生了明顯變化。為了能夠清晰描述耕地分布態(tài)勢(shì)的變化，以溝緣線為界，將耕地分為溝緣線以上和以下2 部分進(jìn)行討論。六道溝流域中，溝緣線以下沒(méi)有坡耕地分布，因此，溝緣線以下耕地主要指平坦溝谷和淤地壩壩地上耕種的農(nóng)田，溝緣線以上耕地主要指坡上修建的旱梯田和坡耕地(圖1)。

可以看出，六道溝流域耕地分布的主要區(qū)域是流域上游和主溝道東側(cè)，以及地勢(shì)相對(duì)平坦的溝谷內(nèi)和淤地壩壩庫(kù)上。六道溝流域耕地分布態(tài)勢(shì)的總體變化趨勢(shì)是主要耕作區(qū)域向溝緣線以下(即溝谷內(nèi)平坦地區(qū)和修建淤地壩所形成的壩地)轉(zhuǎn)移，溝緣線以下耕地面積占總耕地面積比例由1990 年的13.82%、1995 年的21.98%和2002 年的27.70%大幅度上升至2010 年的74.04%，其面積穩(wěn)定在32.28 ～43.10 hm2之間，雖然近年來(lái)略有下降，但是幅度不大，主要是由于農(nóng)村宅基地?cái)U(kuò)建和工礦用地?cái)U(kuò)建占用了部分耕地。溝緣線以上耕地面積由1990 年的201.26 hm2、1995 年的152.97 hm2和2002年的112.46 hm2銳減到2010 年的13.63 hm2，占總耕地面積的比例也由1990 年的86.18%大幅下降至2010 年的25.96%，二者的比例由1990 年的1∶6.23逐漸增加到了1995 年的1∶3.55、2002 年的1∶2.61和2010 年的1∶0.35。

耕地分布態(tài)勢(shì)的變化不是獨(dú)立的，通過(guò)分析耕地在近20 年間與其他土地利用類型的轉(zhuǎn)移數(shù)量(表2)和空間變異(圖2)，可以更清晰地揭示出變化的來(lái)源和動(dòng)力。溝緣線以上的耕地逐漸轉(zhuǎn)化為林地和草地，其中:耕地轉(zhuǎn)化為草地的面積較大，為144.83 hm2，占1990 年耕地總數(shù)的62.08%;轉(zhuǎn)化為林地的面積次之，為45.20 hm2，占19.37%;還有6.61 hm2的耕地轉(zhuǎn)化為工礦及住宅用地，同時(shí)，壩庫(kù)修建使13.19 hm2的未利用地轉(zhuǎn)化為耕地，對(duì)平坦谷地的開墾又使2.68 hm2的草地轉(zhuǎn)化為耕地。正是上述這些土地利用轉(zhuǎn)移才使得流域內(nèi)耕地分布態(tài)勢(shì)發(fā)生了變化。

結(jié)合土地利用面積變化(表1)和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3)可以看出，產(chǎn)生這些轉(zhuǎn)移的主要?jiǎng)恿κ瞧赂睾秃堤萏锏闹鹉晖烁?，尤其是坡耕地減少的幅度巨大，它占耕地總數(shù)的比例1990 年為70.35%，1995 年為57.58%，2002 年為43.58%，而2010 年僅為3.06%。這也說(shuō)明伴隨著“退耕還林(草)”政策和神木縣產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，六道溝流域的耕地利用方式變得更加合理，這對(duì)六道溝流域水土流失的綜合治理起著至關(guān)重要的作用。

表2 1990—2010 年六道溝流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 Landuse transition matrix of Liudaogou catchment(1990—2010)

3.3 林草地分布態(tài)勢(shì)變化分析

圖1 六道溝流域溝緣線上下耕地變化Fig.1 Distribution of farmland above and below the gully edge in Liudaogou catchment

圖2 六道溝流域土地利用轉(zhuǎn)移圖譜Fig.2 Landuse transition map of Liudaogou catchment

與耕地分布態(tài)勢(shì)變化緊密聯(lián)系的是林草地分布態(tài)勢(shì)的變化。1990 年，流域內(nèi)林地主要分布在流域西部，而草地主要分布于流域下游接近溝口地區(qū)。在20 余年間，隨著坡耕地和旱梯田的逐年退耕，流域東部也出現(xiàn)了大片林地，主要以檸條(Caragana korshinskii Kom.)等灌木林為主，而草地的分布范圍也逐漸擴(kuò)展到流域下游，其中天然及人工草地在流域下游東側(cè)集中分布。1990—2010 年，草地面積逐漸擴(kuò)大，尤其是進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，人工種植和封育措施使得天然及人工草地面積大幅度增加，由2002年的129.05 hm2迅速增加到2010 年的237.72 hm2，增長(zhǎng)了近1 倍。天然及人工草地土地利用年變化率也由1990—2002 年的3.90%上升到2003—2010 年的10.53%，增幅明顯。林草地的增加主要?dú)w功于對(duì)流域內(nèi)坡耕地的退耕，20 年間，坡耕地退耕還林(草)面積累計(jì)達(dá)158.40 hm2，占1990 年坡耕地面積的96.42%，占林草地新增面積的95.88%。由此可以看出，國(guó)家“退耕還林(草)”政策深刻影響了該地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)，減少了不合理的坡地耕作方式，增加了林草面積，恢復(fù)了坡地上應(yīng)有的植被覆蓋景觀。同時(shí)，流域內(nèi)大部分旱梯田退耕，雖然許多坡面的地表形態(tài)仍然保持著梯田的形狀，但是已經(jīng)不再作為耕地利用，逐漸恢復(fù)了天然雜草的覆被狀態(tài)，到2010年，旱梯田轉(zhuǎn)化為林草地的面積累計(jì)達(dá)31.63 hm2。

3.4 工礦用地分布態(tài)勢(shì)變化分析

工礦用地分布區(qū)域主要集中于流域下游溝道的平坦地區(qū)，隨著煤礦開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在原有占地的基礎(chǔ)上逐漸向外擴(kuò)張，共占用了谷地4.01 hm2、坡耕地0.59 hm2、灌木林地3.24 hm2、天然及人工草地2.77 hm2和陡坡裸地4.08 hm2。

流域內(nèi)煤礦開采活動(dòng)的活躍從另一個(gè)角度也闡明了流域內(nèi)耕地面積減少而林草地面積增加的原因。據(jù)實(shí)地調(diào)查，在神木縣產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的整體氛圍下，當(dāng)?shù)啬贻p勞動(dòng)力大量外出務(wù)工，留守勞動(dòng)力也從第一產(chǎn)業(yè)向收益較高的第二產(chǎn)業(yè)(煤礦開采)大量轉(zhuǎn)移，農(nóng)民對(duì)土地的依賴大大減弱;但是，煤礦開采同時(shí)對(duì)運(yùn)輸和堆放等缺乏管理，且礦區(qū)內(nèi)廢渣向溝道內(nèi)隨意傾倒堆積，對(duì)周圍水體和植被缺乏基本保護(hù)措施，形成了直接的人為水土流失，周圍土地已出現(xiàn)部分沙化現(xiàn)象。在流域坡面植被覆蓋好轉(zhuǎn)的同時(shí)，溝道內(nèi)人為活動(dòng)造成的水土流失，將成為今后該流域水土流失綜合防治和水土保持的一項(xiàng)新內(nèi)容。

4 結(jié)論與討論

1)1990—2010 年，六道溝流域耕地面積持續(xù)減少，尤其2002 年后銳減，占流域面積比例由1990 年的33.87%減到2010 年的7.61%，坡耕地面積迅速減少，其占耕地面積比例由1990 年的70.35%減至2010 年的3.06%;林草地面積大幅度增加，占流域面積比例由1990 年的63.51%增至2010 年的87.48%;煤礦開采用地面積呈波動(dòng)中大幅度增加趨勢(shì)，其面積由1990 年的0.28 hm2，增至2010 年的14.89 hm2。

2)耕地分布主要區(qū)域由溝緣線以上坡面轉(zhuǎn)變?yōu)闇暇壘€以下的溝谷地和壩地，溝緣線以下耕地占總耕地面積比例由1990 年的13.82%升高到2010年的74.04%;流域植被恢復(fù)進(jìn)展良好，林草覆蓋面積增加了165.21 hm2，覆蓋范圍逐漸擴(kuò)展到整個(gè)流域;工礦用地由下游逐漸向中游擴(kuò)展，煤礦開采趨于活躍。

3)流域內(nèi)退耕還林(草)效果明顯，近20 年內(nèi)耕地向林草地共轉(zhuǎn)移了190.03 hm2，占流域總面積的27.58%，大部分發(fā)生在流域東部的溝緣線以上。

1999 年后實(shí)施的“退耕還林(草)”工程減少了六道溝流域不合理耕地的面積，增加了流域林草地面積，并使得耕地的分布位置更加合理，對(duì)改善流域土地利用/覆被狀況起到了積極的作用。

［1］ 景可，王萬(wàn)忠，鄭粉莉.中國(guó)土壤侵蝕與環(huán)境［M］.北京:科學(xué)出版社，2005:307

［2］ 唐克麗.黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)治理的重要性與緊迫性［J］.中國(guó)水土保持，2000(11):11－12

［3］ 唐克麗.黃土高原地區(qū)土壤侵蝕區(qū)域特征及其治理途徑［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1991:27－28

［4］ 鄭粉莉，白紅英，安韶山.草被地上和地下部分?jǐn)r蓄徑流和減少泥沙的效益分析［J］.水土保持研究，2005，12(5):86－87

［5］ 李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域－土地利用/土地覆被變化國(guó)際研究動(dòng)向［J］.地理學(xué)報(bào)，1996，51(6):553－557

［6］ 王文龍，李占斌，張平倉(cāng).神府東勝煤田開發(fā)中誘發(fā)的環(huán)境災(zāi)害問(wèn)題研究［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2004，23(1):34－38

［7］ 王文龍，李占斌，李鵬，等.神府東勝煤田開發(fā)建設(shè)棄土棄渣沖刷試驗(yàn)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2004，18(5):59－62

［8］ 羅婷，王文龍，王貞，等.神府東勝煤田開發(fā)建設(shè)中擾動(dòng)地面產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗(yàn)研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26(4):59－63

［9］ 劉東生，謝晨，劉建杰，等.退耕還林的研究進(jìn)展、理論框架與經(jīng)濟(jì)影響:基于全國(guó)100 個(gè)退耕還林縣10 年的連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版，2011，10(3):74－81

［10］李登科，郭鈮，何慧娟.陜北長(zhǎng)城沿線風(fēng)沙區(qū)植被指數(shù)變化及其與氣候的關(guān)系［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27(11):4620－4629

［11］孫智輝，劉志超，雷延鵬，等.延安北部丘陵溝壑區(qū)植被指數(shù)變化及其與氣候的關(guān)系［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30(2):533－540

［12］張寶慶，吳普特，趙西寧.近30a 黃土高原植被覆蓋時(shí)空演變監(jiān)測(cè)與分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(4):287－293

［13］信忠保，許炯心，鄭煒.氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)黃土高原植被覆蓋變化的影響［J］.中國(guó)科學(xué):D 輯，2007，37(11):1504－1514

［14］唐克麗，侯慶春，王斌科，等.黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶和神木試區(qū)的環(huán)境背景及整治方向［C］.楊凌:中國(guó)科學(xué)院水利部西北水土保持研究所集刊，1993，18(2):1－15

［15］劉盛和，何書金.土地利用動(dòng)態(tài)變化的空間分析測(cè)算模型［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2002，17(5):533－540