黨恬敏，田金梅，李小兵 ，白 云，王 帆，黨維勤

(1.黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021；2.黃土高原水土保持與生態(tài)修復國家林業(yè)和草原局重點實驗室，陜西 榆林719000；3.黃河水利委員會 綏德水土保持科學試驗站，陜西 榆林719000)

山西省地處我國華北西部的黃土高原東翼，地勢東北高西南低，海拔多在1 500 m以上，礦產資源豐富，但生態(tài)環(huán)境脆弱，特別是礦產資源無序開采和粗放式管理，導致水土流失嚴重。靈石縣位于山西省中部，地處黃土丘陵階地區(qū)和土石山區(qū)兩大類型區(qū)，是省內重要的能源化工基地，煤炭資源開采范圍較廣。本研究以靈石縣為研究區(qū)，利用RS、GIS技術和中國土壤流失方程(CSLE)，結合2000年第二次全國土壤侵蝕遙感調查、2011年全國水利普查水土流失數(shù)據(jù)中靈石縣相關數(shù)據(jù)，分析縣域土地利用和水土流失動態(tài)變化，希望能為我國資源型縣域生態(tài)保護和高質量發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

靈石縣位于山西省晉中市南部，地處111°24′00″～112°00′30″E、36°39′27″～36°59′38″N之間，土地面積1 202 km2。境內山巒起伏綿延，海拔在574～2 567 m之間，高差較大；溝壑縱橫交錯，地形支離破碎，坡度>15°土地面積為732.81 km2，占縣域總面積的60.97%；屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年均氣溫10.7 ℃，年均降水量500.5 mm，汛期降水量占年降水量的70%以上，且多以暴雨形式出現(xiàn)，年均無霜期170 d；地表多為黃土、巖石風化物，土壤松散、孔隙度大，土壤瘠薄，抗蝕能力極低；林草地總面積826.41 km2，占縣域總面積的68.75%，森林覆蓋率24.92%；轄4鄉(xiāng)6鎮(zhèn)1個城區(qū)，192個行政村、23個居委會，常住人口24.6萬人。靈石縣煤炭資源分布較廣，含煤面積達860 km2，占縣域總面積的71.55%，地質儲量達91億t。據(jù)統(tǒng)計，2011年以來全縣共實施了130個生產建設項目，其中與煤炭相關的項目97個，占總量的75%。礦產過度開采、土地亂墾濫伐、耕地粗放經營等人為因素導致水土流失較為嚴重。根據(jù)2000年全國第二次水土流失遙感調查數(shù)據(jù)，全縣水土流失面積1 035.88 km2，占到縣域總面積的86.18%。

2 數(shù)據(jù)選取

本研究選取的遙感影像數(shù)據(jù)源分別為2018、2019年的兩期多光譜影像，空間分辨率2 m，其中：2018年為資源三號衛(wèi)星影像，2019年為高分一號衛(wèi)星影像，兩期時相均為6—9月；植被覆蓋資料采用MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)產品計算得到，2018年采用2015—2017年數(shù)據(jù)，2019年采用2016—2018年數(shù)據(jù)，時間分辨率為 16 d，空間分辨率為250 m；降雨侵蝕力數(shù)據(jù)是由靈石縣及其周邊各氣象站1985—2015年的日降水量數(shù)據(jù)計算獲得；土壤資料為30 m分辨率土壤可蝕性因子柵格數(shù)據(jù)，來源于第一次全國水利普查結果；地形數(shù)據(jù)采用1∶50 000地形圖生成DEM；2000、2011年靈石縣水土流失數(shù)據(jù)分別來源于全國第二次水土流失遙感調查和第一次全國水利普查水土流失數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 遙感影像解譯

本研究以《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術規(guī)定(試行)》中土地利用分類標準為基礎，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、建設用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、其他土地等9種。由于研究區(qū)各土地利用類型之間的邊界較為模糊，監(jiān)督分類或非監(jiān)督分類等計算機分類方法難以取得較好的分類結果，因此本研究采用人工目視解譯的方法。首先，以靈石縣2018、2019年高分遙感影像為數(shù)據(jù)源，根據(jù)遙感影像空間分辨率、時相、色調和幾何特征等開展野外調查，建立遙感影像解譯標志；然后，結合解譯標志提取土地利用類型和面積；最后，通過自查、互查、野外調查等方式驗證解譯精度。抽查結果表明，本研究土地利用遙感解譯精度達93.5%，滿足精度要求。通過疊加分析兩期土地利用類型及面積的變化情況，生成土地利用轉移矩陣。

3.2 土壤侵蝕模數(shù)計算

研究區(qū)位于水蝕區(qū)，采用中國土壤流失方程(CSLE)計算土壤侵蝕模數(shù)，方程基本形式為

A=R·K·L·S·B·E·T

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L、S分別為坡長、坡度因子；B為植被覆蓋與生物措施因子；E為工程措施因子；T為耕作措施因子。

其中，R因子采用章文波等[1]提出的利用日雨量計算降雨侵蝕力方法，計算年平均1～24個半月降雨侵蝕力，用克里金空間插值法生成10 m空間分辨率24個半月降雨侵蝕力柵格數(shù)據(jù)，累加形成多年平均降雨侵蝕力數(shù)據(jù)；K因子根據(jù)OLSON et al.[2]和劉寶元等[3]提出的計算方法生成研究區(qū)土壤可蝕性K值圖；L、S因子采用比例尺為1∶50 000的DEM數(shù)據(jù)計算得到，坡度10°以下采用MC COOL et al.[4]提出的公式，坡度10°以上采用LIU et al.[5]提出的公式計算得到；B因子采用MODIS NDVI數(shù)據(jù)產品生成24個半月植被覆蓋度；E、T因子分別參照《水土流失動態(tài)監(jiān)測優(yōu)化技術方案》進行賦值。

通過各因子圖層柵格乘積運算，得到每個柵格的土壤侵蝕模數(shù)，依據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)評價每個柵格的土壤侵蝕強度，統(tǒng)計微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈等各級侵蝕強度的面積，輕度及以上各級土壤侵蝕強度面積之和為水土流失面積。計算靈石縣2018、2019年的水土流失面積及強度，并與2000、2011年相應數(shù)據(jù)進行對比，分析水土流失面積變化的原因。

4 結果與分析

4.1 土地利用變化

根據(jù)土地利用遙感影像解譯成果，與2018年相比，2019年靈石縣土地利用變化特征主要表現(xiàn)為：林地、建設用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、耕地面積增加，增加面積分別為8.56、4.16、2.58、0.68、0.39 km2；草地、園地和其他土地面積減少，減少面積分別為10.50、4.81、1.06 km2。土地利用變化面積轉移矩陣見表1，土地利用變化圖斑見圖1。

圖1 靈石縣2018—2019土地利用變化圖斑

表1 2018—2019年靈石縣土地利用變化面積轉移矩陣 km2

2018—2019年靈石縣土地利用類型發(fā)生變化的面積為40.82 km2。其中：2019年林地增加最多，主要由草地和園地轉移而來，分別為6.62、6.45 km2；草地減少最多，主要變成林地、園地和建設用地，分別轉移了6.62、3.22、3.04 km2。結合影像解譯和實地調查可以看出，隨著近年來水土流失綜合治理工程的實施，靈石縣的土地利用得到進一步優(yōu)化，尤其林地面積增加明顯。根據(jù)靈石縣2019、2020年政府工作報告，靈石縣2018年實施退耕還林，栽植生態(tài)林2 200 hm2，2019年完成水土流失治理3 333 hm2，同時大力發(fā)展核桃等特色經果林產業(yè)，新建核桃示范基地30個。靈石縣在穩(wěn)定開發(fā)煤炭資源的情況下，有效提升了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量，生態(tài)環(huán)境變化趨勢向好，做到了“既要綠水青山，也要金山銀山”。

4.2 水土流失面積變化

將計算得到的研究區(qū)2018、2019年水土流失數(shù)據(jù)與2000年第二次全國水土流失遙感調查數(shù)據(jù)、2011年第一次全國水利普查水土流失數(shù)據(jù)比較，得到靈石縣水土流失變化情況結果見表2。2000—2019年靈石縣水土流失面積減少明顯，其中2000—2011、2011—2018、2018—2019年全縣水土流失面積分別減少了378.27、28.38、7.15 km2，2000—2011、2011—2018年平均每年減少水土流失面積分別為34.39、4.05 km2，2018—2019年減少了7.15 km2?？梢?，靈石縣水土流失面積年度變化速率整體呈現(xiàn)前期較快、中期變緩、后期又加快的趨勢。分析其原因：2000年以來靈石縣實施了采煤沉陷土地復墾、礦山地質環(huán)境治理、小流域綜合治理、坡耕地水土流失綜合治理、退耕還林還草等國家生態(tài)建設和水土保持重點工程項目，項目的實施和群眾水土保持意識的提升，使區(qū)域水土流失面積和等級呈現(xiàn)雙下降趨勢，生態(tài)環(huán)境得到顯著改善；但隨著治理措施的不斷增加，治理成果的不斷鞏固，水土流失主要集中在不易治理的區(qū)域，治理速度逐漸減緩；近年來，國家高度重視生態(tài)文明建設，尤其是隨著“天地一體化”動態(tài)監(jiān)管工作的開展，水土保持治理能力及水土流失監(jiān)管力度持續(xù)加強，煤炭產業(yè)水土保持工作得到顯著強化，人為水土流失狀況明顯改善，水土流失治理工作全面提速增效。

表2 靈石縣水土流失面積統(tǒng)計

5 結 語

研究結果表明，靈石縣水土流失面積從2000年的1 035.88 km2，減少到2011年的657.61 km2，到2018年的629.23 km2，再到2019年的622.08 km2，說明近年來靈石縣通過實施采煤沉陷土地復墾、礦山地質環(huán)境治理和小流域綜合治理等工程項目，實現(xiàn)了縣域土地利用的優(yōu)化提升，在進一步發(fā)展煤炭產業(yè)的基礎上，使水土流失得到了有效控制，為我國眾多資源型縣域在維持或增加煤炭產量、保障國家資源安全的前提下，在新發(fā)展格局中實現(xiàn)資源型縣域轉型的新跨越、推動資源型縣域實現(xiàn)經濟綠色發(fā)展提供了寶貴經驗。