黑河中游地区生态环境演变及其驱动因子分析

李凯 卢广毓

摘要：为分析黑河中游地区生态环境变化趋势及其成因机制，选取2000年和2011年研究区遥感影像数据资料，建立土地利用类型转移矩阵并进行对比分析，结果表明：2000-2011年，黑河中游地区生态环境演变趋势主要为未利用地向耕地转化，其他各种土地利用类型间转换也比较频繁；生态环境演变是自然因素与人为因素共同作用的结果，其中人为因素占主导地位。

关键词：生态环境变化；土地利用转移矩阵；驱动因子分析；黑河

中图分类号：X171.4；TV882.8 文献标志码：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.03.017

在西北干旱内陆流域，水资源开发利用所产生的生态环境问题由来已久，几乎是伴随人类发展同步出现的问题川。位于河西走廊中部的黑河流域全长928km，涉及青海、甘肃和内蒙古三个省（区），流域总面积11.6万km2，是河西地区最大的内陆河流域，也是西北干旱区最具有代表性的流域。认识近10a流域土地利用类型变化情况及其成因，对掌握流域生态环境演变趋向意义重大。

纵观国内外生态环境变化研究的相关理论和实践：在研究数据的获取上借助于3S技术的综合应用，均朝着采用多时相遥感数据与其他基础数据相结合的方向发展；在生态环境变化的研究中，大多侧重于对局部或生态环境变化的某一方面进行研究，生态环境变化的研究缺乏整体性和宏观性。由于生态系统具有整体性、复杂性和动态性，因此单要素或局部的生态环境变化研究难以真实反映地域间的环境效应，研究结果对环境管理决策的实施缺乏系统性、全面性和指导性。为此，本研究以黑河干流中游为研究区，围绕生态环境变化问题，基于中高分辨率遥感数据，开展生态环境调查分析，获取实施黑河水资源统一管理与调度以来该区域生态环境动态变化情况，以期为黑河流域综合治理规划以及黑河流域中游水土资源的合理配置提供科学依据和技术支撑。

1 研究方法

1.1 数据来源及处理方法

本研究选取的区域为黑河干流沿线的中游地区，其中以甘州、临泽、高台三县（区）为重点研究区域，面积0.93万km2。选取的影像数据为2000年、2011年的30m分辨率的Landsat TM/ETM+影像数据及2011年的2.5m分辨率SPOT影像数据。参照中国科学院资源环境数据库中的全国1：10万土地利用分类系统，制定一个以主要反映土地覆被特征的生态环境遥感监测分类系统，对黑河中游地区生态环境进行统计分析。同时，运用GIS的空间叠加分析方法，提取研究区域内各类土地利用类型相互转化数据，据此建立土地利用类型转移矩阵、编制土地利用类型转换圖，揭示近10a来黑河中游地区生态环境变化趋势，定量给出近10a生态环境动态变化的基本特征[3]。

1.2 分类体系的确定

考虑到研究区域普遍具有强烈的农业景观特征，以及所能获得的其他相关研究资料，对黑河中游地区土地利用分类采用现状分类系统，共选择6项指标类型，分别为耕地（包括山区旱地、丘陵旱地、平原旱地等）、林地（包括乔木林地、灌木林地、疏林地、果园）、草地（包括高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地）、水域滩地（包括河流、渠系、水库坑塘、滩地、湿地）、城镇用地（包括农村居民地、工矿及交通用地）、未利用土地（包括沙地、戈壁、盐碱地、裸土地、裸岩）。

1.3 黑河中游土地利用类型演变分析方法

土地利用类型转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述。通常的土地利用类型转移矩阵（见表1）中：行表示T，时点土地利用类型，列表示T2时点土地利用类型。Pij表示T1-T2期间土地利用类型i转换为土地利用类型j的面积占土地总面积的百分比；Pii表示T1-T2期间土地利用类型i保持不变的面积百分比：Pi+表示T1时点地类i的总面积百分比；P+j表示T2时点j种土地利用类型的总面积百分比；Pi+-Pii为T1-T2期间地类i面积减少的百分比；P+j-Pjj为T1-T2期间地类J面积增加的百分比[4-6]；A1、A2、…、An表示n种土地类型。

2 结果分析

2.1 土地利用类型转移矩阵

通过空间叠加分析产生的结果图层的综合属性数据，计算得出黑河中游地区各种土地利用类型在2000-2011年的转出率、转人率及面积变化情况，获取土地利用类型转移矩阵，见表2。

2.2 土地利用类型之间的转移分析

表2中新增即转人率，减少即转出率。转出率比较高的是草地和未利用地，转出率比较低的是耕地、林地和水域滩地，未转出的是城镇用地；转人率比较高的是耕地、草地和未利用地，其他土地利用类型转人率则比较低。

由土地利用类型转移矩阵可以看出：①耕地新增的面积主要来源于未利用地和草地，分别占1.94%和0.77%；减少的耕地主要是被占用为城镇用地，还有部分耕地退耕为林地、草地以及水域滩地。②城镇用地的增加主要来自于对耕地的占用，占0.26%；林地面积总体略有增加，新增林地主要来自未利用地和草地，分别占0.20%和0.17%，同时由于开荒扩耕，因此部分林地被开垦为耕地。③草地总体呈减少趋势，减少了约0.51%，减少的草地主要被开垦为耕地，面积占0.77%。同时，部分区域的草地也有增加，增加的草地主要来自未利用地和水域滩地，面积分别占0.93%和0.18%。④水域滩地总体略有减少，主要体现在滩地减少，是研究区内河流滩地开垦为耕地的结果。⑤转出率、转人率最低的土地利用类型是城镇用地，这种土地利用类型表现出极不活跃的状态。

2.3 土地利用类型面积变化分析

将黑河中游地区2000-2011年各种土地利用类型面积进行对照分析，见表3。面积变化呈上升趋势的土地类型有耕地、林地和城镇用地，其中：耕地增长幅度最大，林地、城镇用地略有上升；呈下降趋势的土地类型有草地、水域滩地和未利用地，未利用地减少幅度最大。

3 黑河中游地区生态环境演变驱动因子分析

3.1 自然因子

（1）气候变化的影响。统计数据表明，2000-2011年黑河中游地区年降水量呈增加趋势（见图1），该气候变化趋势有利于干旱区植被的生长，对远离绿洲的沙地、戈壁等植被的恢复和改善起到明显的效果，未利用地转草地0.86万hm2。

（2）上游来水量增大。如图2所示，2000-2011年莺落峡断面来水量偏大，年平均来水量达17.53亿m3，比多年平均来水量多1.73亿m3；正义峡断面下泄水量平均为10.07亿m3，与多年平均下泄水量9.5亿m3相差不大。在来水量增大、下泄水量几乎不变的情况下，说明中游用水量急剧上升，导致中游用水量增加的根本原因在于中游地区扩耕现象严重，致使生态环境变化剧烈，各种土地类型之间转换频繁。

3.2 人为因子

（1）经济利益的驱使。黑河中游集中了全流域90%以上的人口和耕地，2000-2011年该区域的人口增长和社会经济发展非常迅速，历年人口和生产总值变化情况如图3所示。

从图3可以看出，2000年以后研究区人口大幅度增加，生产总值增长也非常显著。为增加收入和缓解日益增长的人口压力，2000-2011年黑河中游地区耕地面积大幅度增加，从2000年的21.27万hm2增至2011年的23.83万hm2，增加了2.56万hm2，年均增加0.21万hm2。扩耕现象严重、灌溉面积增加，农业生产严重挤占生态用水，使局部地区得不到有效灌溉，引起生态环境退化。

（2）地下水超采。由于耕地面积和灌溉面积增加，因此黑河中游地区地下水开采量急增。据统计，近年来甘、临、高三县（区）机井数量明显增多，农业机井数量2000年为5546眼，2010年为9297眼。本研究在中游地区现有的58眼地下水位观测井中选取2000-2010年期间地下水位观测数据连续性较好的42眼进行统计分析，如图4所示，2000-2010年甘、临、高三县（区）的地下水位总体呈下降趋势：2000-2005年地下水位急剧下降，平均下降速率为0.25 m/a；2005-2007年，由于上游来水量和侧向补给量增加，因此地下水位出现短暂的回升；2008年后平均地下水位又开始缓慢下降，且2009年之后下降速率呈增大趋势。总体来看，2000-2010年黑河中游地下水位总体呈下降趋势，平均下降速率为0.11m/a。地下水位的下降，导致局部地区灌木林衰退和草地荒漠化。

4 结论与建议

研究表明，在人口增长和社会经济发展等因素的驱动下，黑河中游地区各土地类型之间发生频繁的转换。通过对2001-2011年黑河中游地区土地利用类型动态变化趋势及驱动力分析，得出如下结论：①黑河中游地区生态环境演变主要表现在耕地整体比重上升，由2000年的21.27万hm2增加到2011年的23.83万hm2，增加了2.56万hm2，变化幅度达12%；未利用地面积减小最多，由55.21万hm2减小至52.94万hm2，减小了2.27万hm2，变化幅度为4.1%，并且大部分转化为耕地。其他土地利用类型变化幅度不大，其中：林地、城镇用地小幅度上升，分别增长0.10万、0.31万hm2；草地、水域滩地面积有所下降，分别减小0.49万、0.22万hm2。②黑河中游地区生态环境演变是自然因素和人为因素共同作用的结果，从整体上看，黑河生态环境变化的主导驱动力是人为因素，自2000年以来，上游来水量增加，在社会经济及人类需求日益增长的形势下，城镇化进程加快，导致扩耕现象严重，从而对黑河中游部分地区地下水超采，进而挤占生态用水，使得水资源利用不合理，对生态环境造成了一定影响。

黑河中游地区生态环境总体上得到明显改善，但是水、生态、经济三者之间的关系仍然不相协调，人类对黑河中游地区水土资源开发利用是引起流域生态环境剧烈变化的根本原因。因此，必须改变传统的以牺牲生态环境为代价的经济发展模式，流域的社会经济发展应充分考虑水资源的制约条件，调整产业结构与布局，合理进行水资源优化配置。同时，大力发展节水农业，合理调整产业布局，加快骨干水利工程建设，合理调配下放水量，以中游灌区为重点，减少平原水库，大力开展灌区节水配套改造，优化渠系工程布局，合理利用地下水，适度发展井灌。建立生态环境状况评价的长效机制，以黑河流域的生态环境状况动态变化趋势作为制定生态功能区划及土地利用管理政策的依据；建立和健全水资源全流域管理与行政区域管理相结合的体制，建立先进的水文自动测报和水资源管理、调度系统，协调经济社会与自然生态环境系统的关系，促进流域生态环境良性发展、保障流域生态系统安全。

参考文献：

[1]蓝永超，孙保沐，丁永健，等.黑河流域生态环境变化及其影響因素分析[J].干旱区资源与环境，2004，18（2）：32-39.

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[3]张靖，同丽嘎，董建军，等.土地利月犷覆盖变化研究方法[J].内蒙古大学学报（自然科学版），2013，44（3）：329-336.

[4]乔伟峰，盛业华.基于转移矩阵的高度城市化区域土地利用演变信息挖掘：以江苏省苏州市为例[J].地理研究，2013，32（8）：1497-1507.

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