臺(tái)蘭河流域近十五年土地利用變化研究

土地使用變化是世界變化的主題，也是環(huán)境變化的驅(qū)動(dòng)因素和結(jié)果之一。近年來(lái),利用遙感(RS)與地理信息系統(tǒng)(GIS)對(duì)土地利用變化進(jìn)行了大量實(shí)例研究,但能準(zhǔn)確地反映土地利用方式變化的生態(tài)效應(yīng)的研究較少。目前的研究主要集中在土壤侵蝕、土壤生物、土壤質(zhì)量、土壤碳循環(huán)與污染物遷移等的研究,而對(duì)不同土地利用方式土壤鹽漬化特征的研究較少。本文借助遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)定量分析新疆阿克蘇地區(qū)臺(tái)蘭河流域土地利用變化,嘗試闡明區(qū)域土地利用變化規(guī)律及其產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng),為實(shí)現(xiàn)區(qū)域水土資源合理開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。1數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法1.1丘陵區(qū)氣候條件臺(tái)蘭河流域位于新疆溫宿縣境內(nèi),地理坐標(biāo)為80°21′44″~81°10′14″E,40°41′41″~42°15′13″N。該區(qū)地勢(shì)北高南低,流域分為丘陵區(qū)和沖-洪積平原區(qū),總面積3871km2。丘陵地帶海拔高程在1200~1400m,植被稀少,多為礫石戈壁和少量耕地。平原區(qū)海拔在1000~1600m之間,主要為綠洲灌區(qū)和易墾荒地,適宜于糧、棉、油等種植業(yè)的發(fā)展。流域氣候?qū)儆诖箨懶詼貛Ц珊禋夂?氣候干燥、日照充足、多風(fēng)沙、降水稀少、蒸發(fā)較大、晝夜溫差大。年降水量丘陵區(qū)為177.6mm,而平原區(qū)僅為62mm。水面蒸發(fā)量丘陵區(qū)在800~1000mm左右,平原區(qū)在1200~1900mm左右。年均氣溫7.9℃,年均風(fēng)速為1.7m/s。1.2土地利用變化信息以臺(tái)蘭河流域1990、2000和2005年的TM遙感影像解譯的土地利用圖為主要信息源,參考1996年溫宿縣土地利用現(xiàn)狀圖和2005年DEM高程圖,并結(jié)合野外調(diào)查獲取的臺(tái)蘭河流域土地利用狀況和自然地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù),進(jìn)行土地利用變化信息分析。在Erdas8.5和ArcGIS9.2軟件支持下,依據(jù)全國(guó)土地分類(lèi)體系,結(jié)合臺(tái)蘭河流域土地資源的性質(zhì)和特點(diǎn),將研究區(qū)域土地利用類(lèi)型劃分為6個(gè)一級(jí)景觀類(lèi)型(耕地、林地、草地、水域、居民地、未利用地)和20個(gè)二級(jí)景觀類(lèi)型,建立了流域1990、2000和2005年土地利用空間數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)對(duì)3個(gè)時(shí)期的矢量圖進(jìn)行疊加分析,提取土地利用變化信息。1.3學(xué)習(xí)方法1.3.1土地利用動(dòng)態(tài)度表現(xiàn)了某研究區(qū)在一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化情況,可以定量描述區(qū)域土地利用變化的速度及變化中的類(lèi)型差異,其表達(dá)式為:式中,K為研究時(shí)段內(nèi)某一類(lèi)型土地利用動(dòng)態(tài)度,Ua、Ub分別為研究期初和研究期末某一種土地利用類(lèi)型的數(shù)量,T為研究時(shí)段長(zhǎng)。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí),所得數(shù)值就是該研究區(qū)某種土地利用類(lèi)型的年變化率。1.3.2量化轉(zhuǎn)移的幅度百分比矩陣,不僅能夠反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類(lèi)型轉(zhuǎn)移變化的方向,還能對(duì)轉(zhuǎn)移的幅度進(jìn)行量化。其計(jì)算方法是在轉(zhuǎn)移矩陣的基礎(chǔ)上,計(jì)算出1990~2005年各流出類(lèi)型的面積占該類(lèi)型面積的百分比。2結(jié)果與分析2.1土地利用類(lèi)型的變化土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化反映在不同類(lèi)型面積的變化上,通過(guò)分析土地利用類(lèi)型的總量變化,可以掌握土地利用變化總趨勢(shì)及其結(jié)構(gòu)變化,結(jié)果如圖1所示。1990—2005年,臺(tái)蘭河流域土地利用變化顯著,耕地和林地增加幅度較大。耕地面積由5.12萬(wàn)hm2增加到8.63萬(wàn)hm2,年均增加0.219萬(wàn)hm2,動(dòng)態(tài)度為0.68%,值得注意的是雖然耕地面積迅速擴(kuò)大,但該區(qū)2003年中低產(chǎn)田占耕地面積的65%,作物產(chǎn)量平均為1223.25kg/hm2,是高產(chǎn)田的76.29%(1)。林地由0.213萬(wàn)hm2增加到3.57萬(wàn)hm2,年均增加0.210萬(wàn)hm2,動(dòng)態(tài)度為15.72%。草地面積由15.1萬(wàn)hm2縮減為9.12萬(wàn)hm2,共減少6.00萬(wàn)hm2,年均減少0.375萬(wàn)hm2,動(dòng)態(tài)度為-0.40%。未利用地由17.9萬(wàn)hm2減少到16.8萬(wàn)hm2,年均減少670hm2,其動(dòng)態(tài)度為-0.37%,其中沙地和裸地分別增加2.05萬(wàn)hm2和523hm2,鹽堿地減少了4.93萬(wàn)hm2。建設(shè)用地減少625hm2,動(dòng)態(tài)度為-0.21%。水域變化顯著,由660hm2擴(kuò)展到3400hm2,年均增加171hm2,動(dòng)態(tài)度達(dá)4.14%。土地利用類(lèi)型面積的增減并不能詳細(xì)反映類(lèi)型之間具體的轉(zhuǎn)換情況。通過(guò)對(duì)面積數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)分析形成土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,可以發(fā)現(xiàn)不同土地利用類(lèi)型之間的具體轉(zhuǎn)換情況。由臺(tái)蘭河流域2個(gè)時(shí)段的土地利用流向百分比矩陣(表1),可以發(fā)現(xiàn):(1)耕地是變化較大的土地利用類(lèi)型,與草地、林地和未利用地之間的轉(zhuǎn)化占了相當(dāng)比例。1990—2000年7.98%和3.58%的耕地轉(zhuǎn)為草地和林地,并有1.44%的耕地轉(zhuǎn)為未利用地(其中0.55%轉(zhuǎn)化為沙地,0.46%轉(zhuǎn)化為戈壁,0.43%轉(zhuǎn)化為鹽堿地)。同期13.50%的草地和3.26%的林地開(kāi)墾為耕地。2000—2005年間13.70%的草地和4.55%的林地以及1.05%的未利用地轉(zhuǎn)為耕地。這表明,流域耕地面積不穩(wěn)定,存在棄耕和新墾耕地共存的局面。(2)林地主要向草地、未利用地和耕地轉(zhuǎn)化。部分林地開(kāi)墾為耕地,中游耕地面積大量增加導(dǎo)致下游生態(tài)用水減少,流域天然胡楊林面積劇減,面積減少約3萬(wàn)hm2(1)。但由圖1可以看出林地面積明顯呈增加趨勢(shì),主要來(lái)自于草地、未利用地和耕地被改造為經(jīng)濟(jì)林。(3)草地凈減少6.00萬(wàn)hm2,1990—2000年草地大部分轉(zhuǎn)為耕地、林地和未利用地,分別占草地面積的13.50%、13.54%和19.49%,共計(jì)7.04萬(wàn)hm2。同時(shí)部分林地、未利用地和耕地轉(zhuǎn)為草地,分別為206hm2、2.14萬(wàn)hm2和0.409萬(wàn)hm2。2000—2005年1.45萬(wàn)hm2草地開(kāi)墾為耕地。可見(jiàn),增加的草地面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于草地開(kāi)墾為耕地和經(jīng)濟(jì)林的面積,導(dǎo)致草地面積迅速減小。(4)未利用地的變化也比較活躍,1990—2000年7.72%和11.99%的未利用地改造為林地和草地,而同期又有大量林地和草地(2.96萬(wàn)hm2)退化為未利用地,因草地和林地退化而增加的沙地和鹽堿地的面積分別為0.265萬(wàn)hm2和2.70萬(wàn)hm2。(5)水域和居民用地的增加主要占用耕地、林地和草地,也有部分水域轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫睾透?。由于人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使,大量草地和未利用地在此期間開(kāi)墾為耕地和人工經(jīng)濟(jì)林,使耕地面積迅速增加,同時(shí)為滿(mǎn)足耕地灌溉用水,該區(qū)大力改、擴(kuò)建引水工程,促使水域面積迅速擴(kuò)大。大水漫灌,洪水期大量引洪灌溉,導(dǎo)致部分耕地棄耕。流域中游耕地面積大量增加導(dǎo)致下游生態(tài)用水減少,天然胡楊林面積劇減,部分地區(qū)沙化。區(qū)域土地利用變化總體結(jié)果顯示流域生態(tài)用地?cái)?shù)量逐漸減少,生產(chǎn)用地、退化土地面積不斷增加。2.2不同土地利用類(lèi)型耕地的鹽堿化程度分布規(guī)律為了解該區(qū)不同土地利用方式下土壤質(zhì)量的改變,在對(duì)研究區(qū)域采樣分析的基礎(chǔ)上,選擇臺(tái)蘭河5組自然條件相同而土地利用方式不同的代表性樣區(qū)進(jìn)行對(duì)比研究,采樣時(shí)間在2007年9月下旬農(nóng)作物收獲前期,采樣深度為0~100cm,每個(gè)樣地3個(gè)重復(fù)(耕地為10個(gè)重復(fù))。5組樣地分別是:耕地(F,鹽堿地開(kāi)墾為耕地)、人工經(jīng)濟(jì)林(EF)、改良沙地(D)、人工甘草地(L)和鹽堿地(S)。由于耕地是該區(qū)主要的土地利用方式,所以本文還對(duì)種植不同年限的耕地進(jìn)行了對(duì)比研究。通過(guò)不同土地利用方式的土壤總鹽數(shù)據(jù)分析(ANOVA,LSD),總鹽含量在不同土地利用之間表現(xiàn)出顯著性差異(p<0.05)。這種差異重點(diǎn)體現(xiàn)在人工甘草地和鹽堿地與其他利用類(lèi)型之間(圖2)。草地和鹽堿地的總鹽含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他土地利用類(lèi)型。土壤表層(0~20cm)總鹽含量耕地(0.56%)<鹽堿地(13.95%),可以看出鹽堿地開(kāi)墾為耕地后其總鹽明顯降低。但由鹽堿地開(kāi)墾的耕地總鹽明顯高于經(jīng)濟(jì)林及改良沙地。從整個(gè)剖面上看,隨著種植年限的增加土壤鹽分含量逐漸減少(圖2c)。1990、2000和2005年臺(tái)蘭河流域鹽堿地面積分別為10.6萬(wàn)、8.62萬(wàn)和8.51萬(wàn)hm2,面積顯著減少(圖3),由轉(zhuǎn)移矩陣可知,大量鹽堿地開(kāi)墾為耕地。臺(tái)蘭河流域灌區(qū)規(guī)劃報(bào)告統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,該流域共有棄耕地1.37萬(wàn)hm2,其中因缺水和工程不配套而形成的棄耕地面積約有0.545萬(wàn)hm2,因鹽堿化程度嚴(yán)重而形成的棄耕地面積約有0.821萬(wàn)hm2(1)。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被的破壞、農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)上整地方式的粗放、種植品種的單一化都是鹽堿地形成的原因。不合理的灌溉是流域灌區(qū)內(nèi)土壤鹽堿化形成的主要因素。采用大水漫灌,洪水期大量引洪灌溉,加之排水系統(tǒng)不完善,各鄉(xiāng)場(chǎng)干、支、斗排渠存在著嚴(yán)重淤積,大量的渠系輸水損失掉,補(bǔ)給地下水,導(dǎo)致地下水位升高,在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下鹽分聚積于地表,造成耕地次生鹽堿化程度加重,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn),甚至棄耕。2.3不同土地利用類(lèi)型土壤表層有機(jī)質(zhì)含量的差異在5種土地利用方式下,土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨剖面深度的增加而降低,充分體現(xiàn)了土壤有機(jī)質(zhì)分布的表聚性(圖4a)。樣地土壤有機(jī)質(zhì)(圖4)指標(biāo)上,人工經(jīng)濟(jì)林處于最高水平但與耕地?zé)o明顯差異,土壤表層(0~20cm)有機(jī)質(zhì)含量在幾種土地利用類(lèi)型之間的比較是:經(jīng)濟(jì)林>耕地>人工甘草地>改良沙地>鹽堿地。最高的經(jīng)濟(jì)林地土壤有機(jī)質(zhì)為8.9g/kg,最低的鹽堿地土壤有機(jī)質(zhì)為3.1g/kg。土壤有機(jī)質(zhì)在經(jīng)濟(jì)林、耕地和人工甘草地之間無(wú)顯著的變化。但可以看出鹽堿地開(kāi)墾為耕地后土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。隨著耕種年限的增加,土壤表層有機(jī)質(zhì)含量增加(圖4b),0~20cm土壤有機(jī)質(zhì)含量墾植2年耕地<墾植4年耕地<墾植7年耕地。隨著開(kāi)墾年限的增加,雜草殘?bào)w的分解促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的肥效發(fā)揮,加上有機(jī)肥的施用,土壤有機(jī)質(zhì)含量不斷提高。2.4臺(tái)蘭河流域自然植被分布特點(diǎn)人類(lèi)活動(dòng)深刻地影響著地理環(huán)境,在改造和利用景觀的同時(shí),也可能引發(fā)了一系列不良的生態(tài)效應(yīng)。人為活動(dòng)對(duì)土壤質(zhì)量的影響具有雙面性,如鹽堿地開(kāi)墾為耕地有機(jī)質(zhì)含量提高,總鹽含量降低。但大水漫灌,洪水期大量引洪灌溉,又導(dǎo)致部分耕地次生鹽漬化程度加重,甚至棄耕。天然植被受到破環(huán),生物多樣性減少。綠洲面積的不斷擴(kuò)大,盲目毀林毀草進(jìn)行墾荒,原來(lái)復(fù)雜多樣的自然植被大部分被農(nóng)作物取代,使區(qū)域內(nèi)水分、土壤條件都發(fā)生了較大變化,未被開(kāi)墾的自然植被演替規(guī)律受到干擾,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)生物種類(lèi)減少、生物多樣性降低。臺(tái)蘭河流域分布著大面積的天然植被,主要以胡楊、紅柳和旱生荒漠草本植物為主。而目前流域內(nèi)天然胡楊林北部邊緣已向南后退約20km,面積減少約3萬(wàn)hm2(1)。3研究區(qū)耕地利用類(lèi)型的變化(1)研究區(qū)土地利用類(lèi)型以耕地和草地為主,未利用地面積較大。1990—2005年臺(tái)蘭河流域天然林地、草地面積銳減,耕地、經(jīng)濟(jì)林地和沙地面積不斷增加,表明生態(tài)用地?cái)?shù)量逐漸減少,生產(chǎn)用地、退化土地面積不斷增加,反映出流域大面積有拓荒的趨勢(shì)。(2)研究區(qū)土地利用類(lèi)型變化的主要方向是草地、林地和未利用地轉(zhuǎn)化為耕