劉慧璋，郭青霞，王曰鑫，劉超，徐丹丹，蘆三礦生

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 文理學(xué)院，山西 太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷030801）

土地利用／覆被變化（LUCC）是目前地圈生物圈研究計劃的重要研究內(nèi)容，是全球變化研究的核心主題之一，而區(qū)域土地利用變化研究是全球變化研究的重要組成部分。根據(jù)模型對土地利用變化機(jī)理的認(rèn)知程度以及空間模擬能力，把常用預(yù)測模型分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、機(jī)理模型和機(jī)理—時空模型［1］。經(jīng)驗?zāi)Ｐ痛碛谢疑Ｐ秃婉R爾科夫模型；機(jī)理模型代表有多元線性回歸模型、系統(tǒng)動力學(xué)模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；機(jī)理—時空模型代表有元胞自動機(jī)（CA）模型和CLUE－S模型。馬爾科夫模型作為經(jīng)典的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其“無后效性”的特性用于土地利用變化預(yù)測是合適的，有大量的實例，而且取得了較滿意的結(jié)果，被認(rèn)為是土地利用變化預(yù)測的一種比較成熟的方法。

黃土丘陵溝壑區(qū)是我國乃至全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)。位于山西西南部的岔口小流域水土流失面積達(dá)113km2，占流域總面積的85.6%。淤地壩建設(shè)，對攔沙蓄水淤地、建設(shè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)基本農(nóng)田、促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)增產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境、有效減少入黃泥沙，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義［2］。岔口流域是入黃支流第一批壩系示范工程區(qū)域。截至2010年底，全流域累計建成淤地壩134座，累計治理面積達(dá)6951hm2，治理度為53%，溝蝕得到控制，但坡面侵蝕還未得到很好控制。土地利用覆被變化被認(rèn)為是該區(qū)在壩系工程建設(shè)后主要的侵蝕風(fēng)險源。

以岔口小流域2008和2010年的土地利用現(xiàn)狀矢量化圖為數(shù)據(jù)，通過Supermap2008軟件提取和疊加分析得到流域土地利用覆被面積變化矩陣，建立馬爾科夫模型，利用轉(zhuǎn)移概率矩陣對流域2020年的土地利用覆被變化趨勢做出預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

岔口小流域地處山西西南部的永和、隰縣、石樓縣的接壤地帶，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°38′01″～110°50′02″，北緯36°47′26″～36°57′14″，流域內(nèi)梁峁起伏，溝壑縱橫，海拔高程在1023～1415.6m，相對高差392.6m。全流域總面積為132km2（岔口把口站以上面積126km2），水土流失面積113km2。流域土壤主要包括山地褐土、黃土質(zhì)褐土性土、草甸土。流域地處中緯度，屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫8.6℃，年日照時數(shù)2577h，風(fēng)向多為北偏東向，無霜期183d，多年平均降水量510.9mm，多年平均徑流深40mm，年均徑流量528萬m3。流域植被主要有白羊草、沙蒿、檸條、沙棘、山楊、山杏、刺槐、側(cè)柏、油松、核桃、蘋果等。

2 研究內(nèi)容和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理及土地利用覆被分類

論文數(shù)據(jù)為岔口小流域2008和2010年的土地利用現(xiàn)狀矢量化圖。利用Supermap2008的數(shù)據(jù)源屬性查詢得到各地類的面積數(shù)據(jù)統(tǒng)計，然后計算得到各地類面積數(shù)據(jù)值。土地利用覆被分類采用適用于水土保持的土地現(xiàn)狀分類，分為：坡耕地、梯田、溝壩地、果園、經(jīng)濟(jì)林、喬木林、灌木林、疏林地、天然牧草地、荒草地、農(nóng)村居民點、裸地、灘涂、坑塘水面14個地類。利用Supermap2008的SQL查詢提取得到2008和2010年各地類的屬性和空間數(shù)據(jù)，然后利用超圖的空間分析功能中的疊加分析之相交模式得到2010年各地類的保留空間區(qū)域及數(shù)據(jù)。再將保留區(qū)域與提取得到2008年的對應(yīng)地類做疊加分析中的擦除分析，會得到某地類變化轉(zhuǎn)移的空間區(qū)域，之后再與2010年的流域區(qū)域做相交分析就會得到轉(zhuǎn)化的各地類及屬性數(shù)據(jù)。最后統(tǒng)計算出各地類從2008到2010年的轉(zhuǎn)化面積數(shù)據(jù)。

2.2 馬爾科夫預(yù)測模型

馬爾科夫分析法是利用隨機(jī)事件某一變量的現(xiàn)在狀態(tài)和動向去預(yù)測該變量未來的狀態(tài)及其動向。這個“無后效性”離散型隨機(jī)運動過程稱為馬爾科夫鏈。所謂“無后效性”是指一個系統(tǒng)由 時刻向 時刻轉(zhuǎn)化得到的 時刻的狀態(tài)只與 時刻的狀態(tài)有關(guān)。土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)化情況，可以采用馬爾科夫鏈轉(zhuǎn)移矩陣來描述［3］，國內(nèi)外已經(jīng)有很多研究［4～9］。馬爾科夫模型的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)移概率矩陣的確定。轉(zhuǎn)移概率矩陣的模型為：

矩陣中的每個元素Pij為土地利用類型i轉(zhuǎn)化為類型j的轉(zhuǎn)移概率。Pij需滿足兩點要求：（1）0≤Pij≤1；（2＝1，即矩陣每行的元素之和為1。具體Pij是通過每一地類轉(zhuǎn)化的面積與該地類前一時刻的總面積之比來確定的。設(shè)土地利用類型的初始狀態(tài)矩陣為A0，則預(yù)測狀態(tài)An為：An＝A0×Pn。以2008年的流域各地類所占面積比例為初始狀態(tài)（表1）。為2008到2010年流域土地利用類型變化的轉(zhuǎn)移概率矩陣（表2），預(yù)測時間步長為2。所以，n＝1時，A1為2010年流域各地類面積比例預(yù)測（表1）；n＝6時，P6為2008到2020年岔口小流域土地利用類型概率轉(zhuǎn)移矩陣（表3），A6為2020年流域各地類面積比例預(yù)測（表1）。在預(yù)測面積比例的基礎(chǔ)上可以得出相應(yīng)年份的各地類面積預(yù)測值。

3 誤差與數(shù)據(jù)分析

3.1 誤差分析

將2010年的各地類面積預(yù)測數(shù)值與2010年的實際統(tǒng)計數(shù)值比較，得出誤差與相對誤差（表4）。數(shù)據(jù)表明：只有喬木林的預(yù)測值比實際值偏大，其余地類預(yù)測值均比實際值偏?。幌鄬φ`差均在±20%以內(nèi)。

設(shè)擬合時點的狀態(tài)變量為：X＝（X1，X2，…，X14），擬合的結(jié)果狀態(tài)變量為：X′＝（X′1，X′2，…，X′14），則擬合誤差率：

通過上式［10］對表4的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行誤差分析，得到誤差率為0.73% ，可見，誤差不大，擬合度較好。

表1 2008，2010和2020年岔口小流域各地類所占面積比例Table 1 The area ratios of all land types of Cha－kou small watershed in 2008，2010and 2020

表2 2008～2010岔口小流域土地利用／覆被變化轉(zhuǎn)移概率矩陣Table 2 Transition probability matrix of the land use／cover change of Cha－kou small watershed from 2008to 2010

表3 2008～2020岔口小流域土地利用／覆被變化轉(zhuǎn)移概率矩陣Table 3 Transition probability matrix of the land use／cover change of Cha－kou small watershed from 2008to 2020

表4 岔口小流域2010年各地類面積預(yù)測值與實際值對比及誤差分析Table 4 Contrast of the predicted values and the actual values of the area of all land types of Cha－kou small watershed in 2010and error analysis

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

（1）由表1可知，2008年地類面積處于前5位的分別是：荒草地（23.33%）、喬木林（22.56%）、坡耕 地 （16.25%）、裸 地 （10.94%）和 經(jīng) 濟(jì) 林（8.28%）；其 次 是 灌 木 林 （6.80%）、溝 壩 地（3.81%）、梯田（2.98%）、疏林地（2.15%）和果園（1.68%）；較少的后4位是：天然牧草地（0.58%）、農(nóng)村居民點（0.50%）、坑塘水面（0.08%）和灘涂（0.06%）。2010年各地類面積相比2008年，變化比較明顯的是：喬木林上升了1.47%，坡耕地下降了 1.2%，梯 田 上 升 了 1.64%，裸 地 下 降 了1.09%；基本沒有變化的是坑塘水面和灘涂。2020年各地類的面積和2010年相比，喬木林上升6.29%，梯田上升5.57%，坡耕地和裸地分別下降4.79%和4.04%。喬木林面積突破30%，梯田面積突破10%，說明照目前趨勢發(fā)展，到2020年退耕還林和修改梯田工程會取得階段性的可喜成果。

（2）由表2可知，從2008年到2010年：坡耕地主要向梯田、喬木林和溝壩地轉(zhuǎn)化，說明“坡改梯”工程和“退耕還林”工程都得到了穩(wěn)步推進(jìn)；灌木林主要向梯田和喬木林轉(zhuǎn)化，同樣也是修梯田和還林的體現(xiàn)；裸地明顯減少，向喬木林、荒草地、梯田和溝壩地轉(zhuǎn)化，說明土地開發(fā)利用程度明顯加強(qiáng)；農(nóng)村居民點有所減少，向荒草地轉(zhuǎn)化，說明有關(guān)部門的移民集中政策還是有成效的。

（3）由表3可知，從2008年到2020年坡耕地會大幅度地向梯田和喬木林轉(zhuǎn)化；灌木林、疏林地、裸地和荒草地也都不同幅度地轉(zhuǎn)化為梯田；除坡耕地外，裸地、梯田、灌木林也都大幅度地向喬木林轉(zhuǎn)化，其余地類除天然牧草地、坑塘水面和灘涂外，也都有一定程度地向喬木林轉(zhuǎn)化；裸地有接近一半轉(zhuǎn)化為喬木林、梯田、溝壩地和荒草地等地類。

4 結(jié)論與建議

（1）2008年岔口小流域坡耕地面積占16.25%，裸地占10.94%，而梯田只占2.98%，喬木林占22.56%。用地結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量不是很高，尤其是坡度比較大的耕地，廣種薄收，而且水土流失嚴(yán)重。到2010年，流域喬木林面積上升到24.03%，上升了1.47%；梯田占4.62%，上 升 了 1.64%；坡 耕 地 占 15.05%，裸 地 占9.85%，分別下降了1.2%和1.09%?？梢娭饕玫乇壤呄蚝侠?，梯田改造初見成效，退耕還林穩(wěn)步推進(jìn)，裸地開發(fā)利用加強(qiáng)。應(yīng)該進(jìn)一步完善相關(guān)保護(hù)和改良改善措施，讓土地利用結(jié)構(gòu)更加合理化。

（2）從流域2008～2010年的土地利用／覆被轉(zhuǎn)化中可以看出：坡耕地、梯田、喬木林和裸地是流域發(fā)展變化的主要地類，合理利用、改造、發(fā)展、開發(fā)這四種地類是改善流域生態(tài)建設(shè)的主要途徑。

（3）通過馬爾科夫模型的預(yù)測，到2020年，坡耕地和裸地的面積會分別減少到1348.81hm2和763.54hm2，而喬木林和梯田的面積則會逐步增加到3985.74hm2和1339.65hm2。因此，流域有關(guān)決策部門應(yīng)加快農(nóng)業(yè)科技化腳步，在科學(xué)改良耕地的同時引進(jìn)農(nóng)作物高產(chǎn)、高經(jīng)濟(jì)價值品種，打造品牌農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)。另一方面流域應(yīng)積極堅持推進(jìn)退耕還林還草工程，很好的執(zhí)行植樹造林和封山禁牧政策，讓林地和草地在得到較好保護(hù)的基礎(chǔ)上加速流域植被生態(tài)徹底恢復(fù)，以卓有成效地減少水土流失。

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