唐小娟，崔 靜，王以兵，丁 林

（1.甘肅省水利科學研究院，蘭州730000；2.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京100054）

0 引 言

祁連山脈是我國高原生態(tài)安全屏障的重要組成部分，長期以來由于受大氣環(huán)境和人為因素的影響，生態(tài)環(huán)境不斷惡化。甘肅肅南裕固族自治縣（肅南縣）屬于國家祁連山冰川與水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)，研究其土地利用/覆被變化能夠直接反映陸表物質(zhì)循環(huán)、資源利用、生態(tài)環(huán)境狀況，亦能間接反映生物圈內(nèi)部以及生物圈與大氣圈、水圈、巖土圈的互饋過程，從而為祁連山脈生態(tài)環(huán)境保護和治理提供參考［1，2］。1995年國際地圈生物圈計劃（IGBP）和全球環(huán)境變化人文因素計劃（IHDP）將土地利用/覆被的變化特征與原因以及土地利用/土地覆被與驅動力的相關關系列為核心內(nèi)容［3-5］。隨著研究的深入，有關土地利用/覆被的研究逐漸擴展為土地利用/土地覆被變化機理、過程演變、可持續(xù)利用以及模擬預測等方面，尤其關于土地利用/覆被數(shù)量與空間分布特征研究、結構預測、結構優(yōu)化的研究備受關注［6-12］。

生態(tài)環(huán)境狀況是自然因素和人類活動耦合作用的結果，土地利用/覆被是人類活動的具體體現(xiàn)，土地利用/覆被時空結構的研究可為解析人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響提供參考［13-16］。本文分析了1985-2015年間肅南縣土地利用/覆被的時空結構變化和轉化過程，研究了土地利用/覆被對坡度和流域的響應關系，揭示了人類活動對土地利用/覆被的影響過程，可為肅南縣土地資源和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況及方法

1.1 研究區(qū)概況

肅南縣位于N 37°28′～39°04′與E 97°20′～102°13′之間，河西走廊中部，祁連山北面。該縣東西長650 km，南北寬約120～200 km，平均海拔3 200 m，地形狹長、地勢變化明顯、地貌形態(tài)復雜。境內(nèi)分布有13 個流域（總面積達2.15 萬km2），冰川964條，大小河流33條，年徑流量為43 億m3，黑河、石羊河、疏勒河三大內(nèi)陸河及其支流流經(jīng)或發(fā)源于此，是中國西部重要的生態(tài)安全屏障和黃河流域重要的水源產(chǎn)流地，也是我國生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)域［17］。區(qū)域內(nèi)的坡度和流域分布分別見圖1和圖2。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的數(shù)據(jù)源主要包括1985、1995、2005、2015年的Landsat TM 衛(wèi)星影像（空間分辨率為30 m），1∶10 萬地形圖和1999-2009年甘肅省統(tǒng)計年鑒。ERDAS 軟件下采用4、3、2波段假彩色合成的影像來反映植被生長狀況以及地表覆蓋類型，利用ArcGIS 疊加分析模塊對四期土地利用/覆被進行疊置分析，得到土地利用/覆被變化的基本數(shù)據(jù)。

1.2.2 研究方法

采用ArcGIS、ERDAS 以及SPSS 軟件對數(shù)據(jù)進行分析，利用土地利用/覆被轉移矩陣對肅南縣1985-2015年土地利用/覆被的時空變化特征、轉變進程進行研究，基于DEM 和SWAT 模型提取的坡度數(shù)據(jù)和流域信息，研究土地利用/覆被結構對坡度因子和流域分布的響應過程。

1.2.3 土地利用/覆被轉移矩陣

土地利用/覆被轉移矩陣可以表述研究區(qū)內(nèi)土地利用/覆被類型的轉變趨勢［18，19］，轉移矩陣數(shù)學表達式為：

式中：S為土地面積；n為土地利用/覆被類型數(shù)；i、j為研究期初、末土地利用/覆被類型轉換的面積。

轉移矩陣每一行的行值代表每種類型土地的轉移去向和轉移大小，行總和代表研究初期所有土地利用/覆被類型的總數(shù)；轉移矩陣每一列的列值代表每種類型土地轉入來源以及轉入大小，列總和代表研究期末所有土地利用/覆被類型的總數(shù)。

2 結果與分析

2.1 土地利用/覆被時空結構

2.1.1 土地利用/覆被類型時間結構

從圖3可知，從1985-2015年肅南縣的主要土地覆被類型為草地、林地和其他，這三類面積之和超過區(qū)域總面積的98%，耕地、濕地和人工表面這三類面積占比較小，不到總區(qū)域面積的2%，尤其人工表面占比不到0.13%，說明林草覆被為主的土地利用/覆被結構相對穩(wěn)定。近30年林地面積呈現(xiàn)先下降后上升的特征，面積基本保持不變；草地面積呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，面積減小了35.28 km2；其他類型面積呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，減小了75.45 km2，1995-2005、2005-2015年間減小較快，減小量分別為24.65和35.35 km2；耕地面積持續(xù)增加，由1985年的87.29 km2增加到2015年的194.8 km2，尤其在1995-2005、2005-2015年間增加較快，增加量分別為49.25和52.91 km2。

2.1.2 1985-2015年土地利用/覆被類型空間結構

從圖4和圖5可以看出，林地主要分布在肅南縣中南部的皇城鎮(zhèn)、康樂鄉(xiāng)、馬蹄藏族鄉(xiāng)、大河鄉(xiāng)和西北部的祁豐蔵族鄉(xiāng)，1985年這5 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)林地面積占林地總面積的比例分別為31.76%、21.84%、16.39%、14.89%和14.41%。草地主要分布在西北部的祁豐蔵族鄉(xiāng)、中部的大河鄉(xiāng)和東南部的皇城鎮(zhèn)，1985年這3 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)草地面積占草地總面積的比例分別為43.27%、19.07%和13.89%，康樂鄉(xiāng)、馬蹄藏族鄉(xiāng)、明花鄉(xiāng)、白銀蒙古族鄉(xiāng)的草地面積占比均低于10%，紅灣寺鎮(zhèn)幾乎沒有草地。耕地主要分布在東南部的皇城鎮(zhèn)和馬蹄藏族鄉(xiāng)、中西部的大河鄉(xiāng)，1985年這3 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積占耕地總面積的比例分別為45.02%、22.34%和10.28%，祁豐蔵族鄉(xiāng)、康樂鄉(xiāng)、明花鄉(xiāng)、白銀蒙古族鄉(xiāng)的耕地面積占比均低于10%，紅灣寺鎮(zhèn)幾乎沒有耕地。其他土地利用/覆被類型主要分布在西部的祁豐蔵族鄉(xiāng)、東南的皇城鎮(zhèn)和北部的明花鄉(xiāng)，濕地主要分布在西北部的祁豐蔵族鄉(xiāng)、東南部的皇城鎮(zhèn)和中西部的大河鄉(xiāng)。

從1985-1995年間，土地利用/覆被類型的變化主要為大河鄉(xiāng)的部分林地向草地轉化，祁豐蔵族鄉(xiāng)的部分草地和其他類土地向林地轉化，皇城鎮(zhèn)的部分其他類土地和林地向草地、耕地和濕地轉化；1995-2005年間，土地利用/覆被類型的變化主要為大河鄉(xiāng)的林地向草地轉化，明花鄉(xiāng)的其他類土地和草地轉化為耕地；2005-2015年間，土地利用/覆被類型的變化主要為明花鄉(xiāng)的其他類土地和草地轉化為耕地；整體來看，1985-2015年間土地利用/覆被類型的變化主要為明花鄉(xiāng)將64.57 km2其他類土地和33.51 km2草地轉變?yōu)?7.25 km2耕地。

2.2 1985-2015年土地利用/覆被轉移特征

由表1可以看出，1985-1995年的轉化方向主要為林地和其他類型土地向草地、濕地、耕地轉化，1995-2005年的轉化方向主要為草地、濕地和其他類型土地向林地和耕地轉化，其中林地恢復到1985年的水平，主要是由草地和濕地轉化而來，耕地增加幅度較大，人工表面面積變化不明顯；2005-2015年的轉化方向為草地和其他類型土地向耕地轉化?？傮w來看，林地變化不明顯，草地和其他類型土地向耕地和濕地轉化明顯，其中草地減少35.28 km2，其他類型土地減少75.45 km2，耕地增加107.51 km2，濕地增加40.39 km2。

2.3 土地利用/覆被結構變化對坡度與流域分布的響應

2.3.1 土地利用/覆被結構變化的坡度差異

由圖6可以看出，＜15°、15°～25°、＞25°的土地利用/覆被面積分別為4 093.88、13 190.07 和19 911.79 km2，占總面積的比例分別為20.56%、66.24%和13.20%。這說明各土地利用/覆被類型主要分布在15°～25°坡地上。但耕地和人工表面的占比略有不同，1985-2015年＜15°、15°～25°、＞25°的坡地中耕地的平均占比分別為36.75%、30.10%和33.15%，人工表面平均占比分別為46.28%、35.34%和18.40%。這說明耕地和人工表面主要分布在＜15°坡地中。

1985-2015年各坡地的總面積不變，其中林地、濕地、人工表面的面積變化不大，但草地、其他類型面積分別減小了35.28 km2和75.45 km2，耕地面積增加了107.51 km2，主要源于1995-2015年＜15°和＞25°坡地上草地、其他類型面積，15°～25°的坡地上草地向其他面積轉化。

2.3.2 土地利用/覆被結構分布對坡度因子與流域分布的響應

從表2和表3中可以看出，草地主要分布在黑河、梨園河、北大河、洪水河、六級以下河流中，1985-2015年這5 個流域中草地面積占草地總面積的平均比例為80.86%，其中黑河、梨園河、北大河、洪水河、六級以下河流的占比分別為11.74%、14.86%、33.05%、9.18%和12.03%。1985-2015年這5 個流域中草地面積減少了35.29 km2，其中1985-1995、1995-2005、2005-2015年減少的面積分別為-18.21、38.36 和15.14 km2，流域六級以下河流中減少的面積為33.48 km2，北大河和流域梨園河分別減少了1.82 km2和1.25 km2。減小的草地面積主要位于六級以下河流＜15°的坡地上，北大河＞25°和＜15°的坡地上，梨園河15°～25°和＜15°的坡地上。

耕地主要分布在洪水河、梨園河、北大河、六級以下河流中，1985-2015年這5 個流域中耕地面積占總耕地面積的平均比例為83.76%，其中洪水河、梨園河、北大河、六級以下河流的占比分別為7.63%、9.28%、35.26%和31.59%。1985-2015年這4 個流域中耕地面積增加了108.2 km2，其中1985-1995、1995-2005、2005-2015 增加的面積分別為5.33、49.9 和52.97 km2，洪水河、梨園河流域耕地面積變化較小，北大河、六級以下河流耕地面積分別增加了4.65 和96.84 km2，增加的耕地面積主要位于北大河的＞25°的坡地上，六級以下河流＜15°的坡地上。

表1 1985-2015年肅南縣土地利用類型面積轉移矩陣 km2Tab.1 Transfer matrix of land utilized area in Sunan County from 1985 to 1995

表2 1985～1995年肅南縣主要流域不同坡度耕地草地面積統(tǒng)計 km2Tab.2 Cultivated land area statistics of different slopes in the main watershed of Sunan County in 1985

3 討 論

肅南裕固族自治縣屬于國家重點生態(tài)功能區(qū)中的祁連山冰川與水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)，全縣75%的轄區(qū)面積處于祁連山國家級自然保護區(qū)內(nèi)，是河西五市乃至內(nèi)蒙古西部地區(qū)的“生命線”和“綠色水庫”［20］。本研究中，1985-2015年間，林地面積呈現(xiàn)先下降后上升的特征，面積基本保持不變；草地面積呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，面積減小了35.28 km2；這與近年來實施祁連山生態(tài)環(huán)境整改，實施退耕還林還草工程的政策相一致［21-24］。在明花鄉(xiāng)1995-2005年間草地面積減小了13.59 km2，耕地面積增加了46.88 km2；2005-2015年間草地面積減小了19.92 km2，耕地面積增加了50.37 km2，1995-2015年間草地面積共減小了33.51 km2，耕地面積共增加了97.25 km2，這與開展了生態(tài)移民搬遷工程，將祁連山自然保護區(qū)的牧民搬遷至肅南縣

明花鄉(xiāng)，由于移民搬遷、農(nóng)業(yè)開發(fā)項目建設，大面積草原被開墾成農(nóng)田的結果相一致［25］。1985-2015年＜15°、15°～25°、＞25°的坡地中耕地的平均占比分別為36.75%、30.10%和33.15%，人工表面平均占比分別為46.28%、35.34%和18.40%，耕地和人工表面主要分布在＜15°坡地中，研究結果與人類活動的區(qū)域分布結果相一致［26］。

表3 2005-2015年肅南縣主要流域不同坡度耕地草地面積統(tǒng)計 km2Tab.3 Cultivated land area statistics of different slopes in the main watershed of Sunan County from 2005 to 2015

本研究采用遙感技術與SWAT 模型相結合，對河西走廊中部、祁連山北面肅南縣的土地利用類型、植被覆蓋時空變化進行了分析，研究結果表明，肅南縣的土地利用、植被覆蓋與國家政策（退耕還林還草、生態(tài)移民工程）、自然因素（坡度、流域）、人為因素等有關，因為區(qū)域的生態(tài)功能，更多的是受國家政策的影響。本研究結果對于祁連山冰川與水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)的評價以及后續(xù)的建設具有一定的借鑒意義。另外，本研究只研究了肅南縣土地利用的變化情況，對整個祁連山自然保護區(qū)土地利用進行定量化分析值得進一步研究。如何定量區(qū)分自然因素與人類活動對整個祁連山自然保護區(qū)土地利用變化的貢獻率仍將是土地利用變化對變化情景研究的重要內(nèi)容。

4 結 論

（1）近30年肅南縣以林草覆被為主的土地利用/覆被結構相對穩(wěn)定，其中林地面積基本不變，草地面積略有下降。

（2）肅南縣大部分區(qū)域均覆蓋有草地，林地主要分布在中南部，其他類土地利用/覆被類型覆蓋在中西部和北部，耕地主要分布在東南部和中西部。近30年主要是北部的明花鄉(xiāng)將其他類的土地和草地向耕地轉化。

（3）林草地和其他類土地利用/覆被主要為15°～25°的坡地，耕地在＜15°、15°～25°、＞25°的分布大致相同，人工表面主要在＜15°和15°～25°的坡地上。1995-2015年間主要為15°～25°坡地上的草地向其他面積轉化，＜15°和＞25°坡地上的草地、其他面積向耕地轉化。

（4）草地主要分布在黑河、梨園河、北大河、洪水河、六級以下河流中，近30年減小的草地面積主要源于1995-2005年間位于六級以下河流＜15°的坡地上，北大河＞25°和＜15°的坡地上，梨園河15°～25°和＜15°的坡地上。耕地主要分布在洪水河、梨園河、北大河、六級以下河流中，1995-2015年間耕地面積迅速增加。 □