萬 方, 鄧清海, 劉 莉, 李 萍, 楊 鑫

(山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590)

青藏高原被稱為地球的第三極，其土地利用與土地覆被(land use and land cover, LULC)變化不僅影響高原本身的生態(tài)環(huán)境狀況和區(qū)域發(fā)展，同時也會對區(qū)域和全球產(chǎn)生巨大的環(huán)境效應(yīng)[1]。因此，青藏高原土地利用/覆被變化一直都是全球變化研究的熱點之一[2-3]。耕地是河湟谷地土地利用的主要形式之一，是保障糧食安全、生態(tài)安全以及區(qū)域發(fā)展的關(guān)鍵。耕地變化受人為活動影響最大，其特征和動態(tài)是土地利用/覆被變化的核心內(nèi)容之一，也已經(jīng)成為全球變化研究的重要組成部分[4]。青藏高原受高寒和復(fù)雜地理環(huán)境的限制，耕地資源相對稀少[5]，不到整個高原土地總面積的1%[6]，且主要分布在河湟谷地、“一江兩河”以及川西、藏東和滇西北地區(qū)[7]，但其對當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展卻具有舉足輕重的作用。

河湟谷地位于青藏高原東北緣青海省的東北部，是青藏高原面積最大的農(nóng)區(qū)，也是青海省最重要的農(nóng)區(qū)，總面積為3.30×104km2，僅占青海省面積的5.18%，卻集中了全省72%的人口和73.15%的耕地[8]。可以說河湟谷地是青海省乃至整個青藏高原地區(qū)糧食安全的有力保障[9]。而且作為青藏高原地區(qū)人口最為密集、經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)和最重要的經(jīng)濟增長帶，近年來，隨著經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，河湟谷地土地利用發(fā)生了顯著的變化。以往對于河湟谷地耕地的研究，都是一些大尺度，基于低精度的影像的研究，并且對此地區(qū)近年來的耕地變化規(guī)律也尚不清楚。因此，本文基于最新的較高分辨率Landsat-5 TM，Landsat-7 ETM+，Landsat-8 OLI系列衛(wèi)星遙感影像和數(shù)字高程模型等相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合空間統(tǒng)計學(xué)等手段，來分析河湟谷地地區(qū)近30 a耕地的分布特征和時空變化規(guī)律，以期為研究區(qū)土地利用、農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、耕地可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護等提供依據(jù)，也為全球耕地變化研究提供典型區(qū)域基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

河湟谷地是黃河與湟水流域肥沃的三角地帶，位于青藏高原東北部，青海湖以東，經(jīng)緯度范圍為東經(jīng)100°—103°，北緯35°—38°,是青海省東部的重要農(nóng)業(yè)區(qū)，其行政區(qū)劃由西往東依次為湟水流域的海晏縣、湟源縣、湟中縣、大通縣、西寧市、互助縣、平安縣、樂都縣、民和縣和黃河流域的貴德縣、尖扎縣、化隆縣、循化縣，其面積約為3.30×104km2。

河湟谷地位于達坂山和拉脊山之間，是湟水河和黃河沖擊形成的河谷地區(qū)，地貌類型主要以高山或極高山、洪積—沖積平原、丘陵和臺地為主。相較于青藏高原其他地區(qū)，其海拔高度相對較低，平均海拔在2 000～3 000 m之間，年平均溫度在5～9 ℃之間，年平均降水量在252～535 mm之間，氣候溫和，雨熱同期，對農(nóng)作物生長發(fā)育極為有利，是黃河流域人類活動最早的地區(qū)之一。河湟谷地種植的主要作物有小麥、薯類、玉米、蠶豆、青稞等作物，作物熟制為一年一熟[10]。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

遙感數(shù)據(jù)來自Landsat系列陸地衛(wèi)星影像，共16景，其中1990年和2010年的數(shù)據(jù)來自Landsat-5 TM，2000年的數(shù)據(jù)來自Landsat-7 ETM+，2018年的數(shù)據(jù)為Landsat-8 OLI，詳細參數(shù)見表1。為保證4個時間的數(shù)據(jù)空間分辨率一致，以便于比較，我們選取多光譜波段，空間分辨率均為30 m。DEM數(shù)據(jù)為GDEMDEM 30 m分辨率數(shù)字高程模型。

表1 數(shù)據(jù)源參數(shù)

對上述Landsat遙感數(shù)據(jù)進行輻射定標(biāo)、大氣校正、鑲嵌裁剪等預(yù)處理后，采用監(jiān)督分類中的最大似然分類法對河湟谷地的土地類型進行分類[11]，分類后提取耕地。研究區(qū)耕地在遙感影像中的幾何特征較為規(guī)則，地塊大而且排列整齊很容易被識別，因此可以人工選擇訓(xùn)練樣本進而進行監(jiān)督分類。

最后，結(jié)合Google Earth等高分辨率影像和當(dāng)?shù)氐母貙嶋H調(diào)查信息選取了200個隨機位置的控制點，對土地利用類型圖進行了精度評估。

2.2 分析方法

本次研究主要分析河湟谷地耕地的時空變化以及耕地和地形的關(guān)系。其中，耕地的時間變化主要用耕地擴張動態(tài)度[12]和耕地面積相對變化率[13]來衡量；耕地的外部空間變化主要是把耕地當(dāng)作一個整體來分析河湟谷地的耕地相對于整個區(qū)域的變化趨勢，主要采用的指標(biāo)有耕地擴張動態(tài)度、耕地面積相對變化率[14]、耕地質(zhì)心轉(zhuǎn)移指數(shù)等[15]；最后，結(jié)合地形數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)耕地隨著時間變化在不同海拔和坡度的分布變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 精度檢驗結(jié)果

結(jié)合Google Earth等高分辨率影像和當(dāng)?shù)氐母貙嶋H調(diào)查信息對土地利用類型圖進行了精度評估，共選取了200個隨機位置的控制點，4期圖像的精度評價見表2。

用戶精度是從分類結(jié)果中任選一個樣本，其與地面實際類型相一致的概率。生產(chǎn)者精度是從地面上任選一個樣本，其與分類結(jié)果相同的概率。本次分類的結(jié)果生產(chǎn)者精度和用戶精度都在70%以上，基本符合精度要求。kappa系數(shù)是用來評價圖像的分類精度，主要用于精確性評價和圖像的一致性判斷。如果兩幅圖像差異很大，則其kappa系數(shù)小，當(dāng)它大于0.8時，認為分類質(zhì)量為極好。由表2可看出，4期影像的kappa系數(shù)均在0.7～0.81之間，其中1990年最低，2000年最高，總體來說kappa系數(shù)比較高，分類質(zhì)量較好。總體分類精度是正確分類的像元數(shù)與總像元的比值，該值越接近100%，分類結(jié)果越精確?？傮w精度最低的1990年的影像，為81.04，其次是2018年和2010年的影像，這也說明了1990年的Landsat-5影像精度最低。4期影像的總計精度都大于80%說明分類結(jié)果比較準(zhǔn)確。4期影像的總體精度和kappa系數(shù)都符合分類的精度要求，表明分類結(jié)果具有一定的可信度。

表2 1990-2018年河湟谷地影像精度評價結(jié)果 %

3.2 耕地面積序列變化

通過對近30 a來的Landsat遙感數(shù)據(jù)采用監(jiān)督分類的最大似然分類法處理[16]，然后對分類結(jié)果進行聚類處理，將土地類型分為耕地、建設(shè)用地、水域、其他類型4類，由于本文主要是對耕地進行提取，故沒有對草地和裸地進行細分。分別得到1990，2000，2010，2018年的河湟谷地土地利用類型圖，并從土地利用類型中提取耕地類別得到耕地變化圖(圖1)。

圖1 1990—2018年河湟谷地耕地變化特征

利用土地利用類型分類后的數(shù)據(jù)提取耕地，再計算耕地擴張動態(tài)度指數(shù)，可得到河湟谷地耕地面積時序變化[17](表3)。從表3可知，在1990—2010年，河湟谷地的耕地面積是處于一直在增長的趨勢，而且在1990-2000年是低速增長的狀態(tài)，而2000年以后處于一個快速擴張的狀態(tài)，但是從2010年以后，耕地面積又出現(xiàn)了減少的勢態(tài)，結(jié)合土地類型轉(zhuǎn)移矩陣可知是由于伴隨著人口的增加，有12%的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榱私ㄔO(shè)用地，此外，青海省政府積極響應(yīng)退耕還林還草政策，有17%的耕地轉(zhuǎn)換為了林草地和裸地。

表3 1990-2018年河湟谷地耕地面積時序變化

根據(jù)耕地相對變化率公式可得出1990—2018年河湟谷地各縣區(qū)耕地面積的相對變化率，進而利用ArcGIS 10.3得到1990—2018年河湟谷地耕地相對變化率圖區(qū)位分析圖[18](圖2)。

(1)

式中：R為耕地面積的相對變化率；Ka、Kb代表整個研究區(qū)中某指定區(qū)域兩個時間段的耕地面積；Ca和Cb分別代表整個研究區(qū)兩個時間段的耕地面積。

從圖2可看出，1990—2018年年來河湟谷地總體上耕地面積的變化幅度比較大，尤其是湟源縣、貴德縣和循化縣3縣相對變化率最大，而樂都縣近30 a來變化幅度最小。在1990—2000年之間，河湟谷地大部分地區(qū)相對變化率都大于1，說明各個縣區(qū)的耕地面積變化的幅度都大于整個研究區(qū)域的變化幅度，說明在1990—2000年之間，耕地變化還是比較大的；在2000—2010年之間，除貴德縣相對變化率系數(shù)較大，耕地面積變化較大以外，其余11個縣區(qū)耕地面積相對變化率較??；而在2010—2018年之間，大部分地區(qū)耕地面積相對變化系數(shù)都大于1，說明各地區(qū)耕地面積變化較大[19]。在這30 a的變化中，部分縣的相對變化率出現(xiàn)了負數(shù)，這是因為這些縣相對于整個區(qū)域的變化趨勢相比，出現(xiàn)了負增長的態(tài)勢。

圖2 1990-2018年河湟谷地耕地相對變化率

3.3 河湟谷地耕地空間格局變化

3.3.1 耕地轉(zhuǎn)換特征 根據(jù)解譯得到的土地利用數(shù)據(jù)，可計算出耕地類型轉(zhuǎn)移矩陣(表4)。

表4 1990-2018年河湟谷地耕地轉(zhuǎn)移矩陣 %

從表4中可以看出，2000年耕地相較1990年轉(zhuǎn)入了57.83%，轉(zhuǎn)出了39.79%有10.42%的耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；2010年耕地相較于2000年轉(zhuǎn)入了53.94%，轉(zhuǎn)出了31.74%，其中有12.06%的耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；2018年耕地相較于2010年轉(zhuǎn)入了46.31%，轉(zhuǎn)出了46.9%，有21.94%的耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，表明在2000—2018年之間河湟谷地地區(qū)城鎮(zhèn)化進度比較快。近幾年經(jīng)濟水平的提高造成了建設(shè)用地的不斷增加，由1990年的3 480 km2增加至2018年的6 250 km2。

3.3.2 耕地質(zhì)心變化 由耕地質(zhì)心轉(zhuǎn)移指數(shù)得出河湟谷地質(zhì)心擴展變化轉(zhuǎn)移指數(shù)(表5)，并將其質(zhì)心轉(zhuǎn)移狀況在遙感影像中標(biāo)出，得到河湟谷地耕地質(zhì)心轉(zhuǎn)移圖(圖3)。

表5 1990-2018年河湟谷地耕地質(zhì)心擴展變化轉(zhuǎn)移指數(shù)

圖3 1990-2018年河湟谷地耕地重心轉(zhuǎn)移特征

由表5，圖3可知，在1990—2000年，河湟谷地耕地的質(zhì)心往東南方向移動，移動距離為16 650 m，以正東方向為0度，逆時針為正方向，則角度為-30.74°。2000—2010年，質(zhì)心移動的距離較小，為8 686 m，說明2000—2010年之間耕地變化不大，方向是向東北方向移動[20]； 2010—2018年，耕地質(zhì)心偏移量較大，為16 287 m，方向接近于向西移動，這與湟水的流經(jīng)方向基本一致，這也可以看出新增的耕地大多在西部，說明耕地擴張有向西移動的趨勢[21]。

3.3.3 耕地空間分布疊加分析 將解譯后的土地利用圖利用ArcGIS建立色彩映射表，并進行類別提取，從而將耕地類別提取出來再將每10 a的數(shù)據(jù)進行疊加分析，得到不同時期耕地空間分布疊加分析結(jié)果(圖4)。

從圖4可以看出，2000年相對于1990年，新增耕地主要在研究區(qū)西北地區(qū)，即海晏縣，其他地區(qū)耕地分布基本保持不變；2010年相對于2000年新增耕地主要在研究區(qū)的北部，并且變化的趨勢是向著原有耕地邊界周圍的擴展，西南地區(qū)的耕地也有一定的增加，相較于2010年耕地的分布更加密集，而且此10 a的耕地增加的范圍比較多，說明此10 a的耕地增加比較迅速；2018年相較于2010年的耕地主要向西北和東南發(fā)展，西北部的耕地范圍進一步擴大，東南地區(qū)也有了新的耕地地塊的出現(xiàn)。

圖4 河湟谷地不同時期耕地空間分布疊加分析結(jié)果

3.4 耕地變化與地形的關(guān)系

(1) 不同海拔的耕地變化。耕地在不同海拔高度下的分布反映了高程對耕地具有很大影響[22]，一般來說耕地分布在海拔較低的平原地區(qū)，但河湟谷地地處黃河與湟水流域肥沃的三角地帶，所以即使海拔較高處，農(nóng)業(yè)也十分發(fā)達，是中國有名的高原農(nóng)業(yè)區(qū)。將從影像中提取到的1990—2018年河湟谷地的耕地數(shù)據(jù)與DEM高程數(shù)據(jù)做疊加分析，即可統(tǒng)計出不同高程下的耕地分布[23]，結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出，耕地隨高程變化基本符合高斯正態(tài)分布，耕地大多都分布在海拔在2 500～3 000 m的范圍內(nèi)，由1990—2018年3個10 a的耕地高程分布情況可知，在1990—2010年耕地均值都是集中在海拔2 700 m的高度，但到了2018年耕地隨高程變化的曲線有所轉(zhuǎn)移，耕地的分布更向著高海拔地區(qū)轉(zhuǎn)移，這是由于2010年后青海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展較為迅速，城鎮(zhèn)建設(shè)占用了海拔較低的耕地，但耕地是保障人類生存的根本，所以需要開墾新的耕地來保障糧食需求，再加上全球變暖，近30 a來河湟谷地各區(qū)域呈現(xiàn)溫度上升趨勢(圖6)，耕地質(zhì)量提高，作物的種植海拔上限上升，耕地質(zhì)量提高，在高海拔地區(qū)也有了適宜作物種植的溫度環(huán)境，所以耕地向著高海拔地區(qū)開墾。由耕地面積隨高程分布變化曲線可知，1990—2000年耕地隨高程變化分布基本不變，曲線基本一致。但在2000—2010年的10 a里，耕地開墾速度加快，峰值增大，但是曲線形態(tài)不變，即只是耕地面積的增加，但耕地開墾的海拔不變，還是集中在海拔2 700 m的地區(qū)，到了2010年后，耕地才向著高海拔地區(qū)轉(zhuǎn)移。

圖5 1990-2018年河湟谷地耕地面積隨高程變化分布

圖6 1990-2018年河湟谷地不同海拔氣溫變化趨勢

(2) 不同坡度的耕地變化分析。坡度對耕地分布有著重大影響，一般耕地都分布在坡度較緩的區(qū)域內(nèi)[24]，從DEM高程數(shù)據(jù)中提取坡度信息，重分類后與耕地分布圖相疊加，得到不同坡度的耕地變化情況(圖7)。

圖7 1990—2018年不同坡度耕地面積統(tǒng)計

由圖7中可以看出，絕大部分耕地都分布在坡度在0°～16°的范圍內(nèi)，1990，2000，2010，2018年在此范圍內(nèi)耕地所占比例為分別為73%，64%，65%，63%。而且在0°～8°的坡度下耕地相對更多，而大于32°耕地面積很?。粡臅r間上來看，在1990—2010年，更多新增耕地在8°～23°的范圍內(nèi)，坡度0°～8°的耕地基本沒有變化或略有減少。一方面隨著人口的增加需要開墾更多的耕地，低坡度地區(qū)已經(jīng)不能滿足新增耕地的需求，同時隨著科技水平的提高，新的種植模式開發(fā)，向著坡度更陡的地區(qū)去開墾新的耕地。在2010—2018年可以看出在低坡度0°～8°的區(qū)域耕地繼續(xù)增加，高坡度地區(qū)耕地很明顯有減少的趨勢，這是因為高坡度地區(qū)不宜大規(guī)模耕作，造成水土流失。在國家政策的影響下，當(dāng)?shù)卣扇⊥烁€林還草措施，以更好地保持水土，所以高坡度的耕地有減少的趨勢。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

(1) 本研究得到的結(jié)果與研究區(qū)前人相關(guān)成果較為一致。具體而言，青海省國土資源廳發(fā)布的數(shù)據(jù)表明：由于青海省實施的國家水土保持重點工程——坡耕地水土流失綜合治理項目，2010年在同仁縣、互助縣、大通縣等縣興修水平梯田28.2 km2，這與本文結(jié)果2010年后河湟谷地地區(qū)耕地向著高海拔地區(qū)擴展是一致的。張鐿鋰等[1,6]通過對1992—2015年已有LUCC數(shù)據(jù)與成果的再分析，得到了河湟谷地地區(qū)耕地擴張明顯，82%的耕地分布在海拔2 400～4 400 m之間的河谷地區(qū)，這也與我們的結(jié)果基本一致。曾永年等[25]研究表明青海高原東部的耕地主要分布在坡度0°～15°之間，占該地區(qū)總耕地面積的77.08%，而坡度大于25°的耕地面積為僅占總耕地面積的4.50%。這與本文的結(jié)果(2010年坡度在0°～16°之間的耕地面積占總耕地面積的65%)基本一致。此外，與上述研究相比，本文時間序列較長，詳細分析了1990—2018年河湟谷地耕地的時空演變特征，應(yīng)用價值較高。

(2) 耕地變化受到多個因素的影響。就河湟谷地而言，耕地變化主要受到耕地保護政策、生態(tài)退耕工程、土地開發(fā)整理工程、重大建設(shè)工程、人口、城鎮(zhèn)化進程等因素的影響。中國和青海省出臺了一系列的耕地保護政策，這對河湟谷地耕地保護起到了促進的作用，也是河湟谷地耕地面積總體增加的主要原因。土地開發(fā)整理是河湟谷地耕地面積增加的主要來源，尤其是重大的土地開發(fā)整理工程，如青海省2010—2017年實施的“青海東部黃河谷地百萬畝土地開發(fā)整理重大項目”，不但新增耕地136 km2，而且有效改善了黃河谷地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件[26]。生態(tài)退耕工程、重大建設(shè)工程及城鎮(zhèn)化進程是河湟谷地地區(qū)耕地減少的主要原因：青海省從1999年開始開展生態(tài)退耕工作，在2000—2005年期間，生態(tài)退耕面積1.47×105hm2，年均退耕面積2.45×104hm2，是青海省耕地減少的主要原因[25]。研究區(qū)內(nèi)退耕還林/草區(qū)域主要分布于湟水及支流谷地周圍坡度較大的區(qū)域以及拉脊山、達坂山山麓。2005年以后，生態(tài)退耕工程逐漸減少。由于“西部大開發(fā)”的實施，研究區(qū)內(nèi)有很多重大工程建設(shè)項目，這些項目占用了大量耕地。此外，城鎮(zhèn)化也是造成耕地減少的一個重要因素，研究區(qū)在青藏高原城鎮(zhèn)空間格局演變中一直處于核心地位[27]，每年城鎮(zhèn)建設(shè)都會占用不少耕地。

(3) 河湟谷地是青藏高原最大的農(nóng)區(qū)，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，越來越多的耕地轉(zhuǎn)化為了建設(shè)用地，建設(shè)用地和耕地之間的競爭更加激烈，很多優(yōu)質(zhì)耕地被建設(shè)占用，影響了這里的糧食安全。分析此區(qū)域耕地的空間分布特征和時空變化規(guī)律，可以得出不同時期的耕地開墾狀態(tài)和耕地發(fā)展趨勢，對未來利用和保護耕地具有重要的參考價值。但本研究在從遙感影像提取耕地的過程中，沒有區(qū)分不同的耕地類型，也沒有對耕地質(zhì)量變化進行分析，但這些因素對于耕地資源稀少的青藏高原地區(qū)耕地的可持續(xù)發(fā)展無疑是重要的。而且，由于沒有足夠的數(shù)據(jù)，本文對于耕地變化的驅(qū)動因素，也沒有做定量的相關(guān)性分析。今后應(yīng)進一步探討研究區(qū)耕地類別、耕地質(zhì)量及耕地驅(qū)動因素對耕地變化的影響。

4.2 結(jié) 論

(1) 1990—2018年，隨著城鎮(zhèn)化水平的提高，河湟谷地部分耕地轉(zhuǎn)化為了建設(shè)用地，尤其在2000—2010年這10 a里城鎮(zhèn)化速率最高。耕地也是處于不斷擴張中，也是在2000—2010年擴張速度最快，在這十年里部分耕地轉(zhuǎn)化為了建設(shè)用地，新增耕地向著高海拔、高坡度地區(qū)開墾，2010年后耕地出現(xiàn)了減少趨勢。

(2) 耕地的區(qū)位變化情況為，在2000年前耕地重心是向東移動的，而2000年后耕地重心偏移量向西北移動，這說明僅靠東邊的耕地已經(jīng)不能滿足糧食需求，需要開墾更多的耕地，只能向氣候環(huán)境熱量條件稍差的西北部開墾。由于全氣候變暖，降水增加，使得熱量、水分條件變好，耕地質(zhì)量提高，在高海拔地區(qū)也有了適宜作物種植的溫度環(huán)境，所以近30 a來耕地向著高海拔地區(qū)開墾，近10 a在海拔3 000 m高度左右也出現(xiàn)了新增耕地。此外在一些坡度較陡的地區(qū)也出現(xiàn)了新增耕地，這也是因為氣候變暖和人類擴張耕地的雙重因素所造成的。在近10 a內(nèi)坡耕地的增加有減緩的趨勢，這也是受國家水土保持和退耕還林政策的影響。