晉西三川河流域土地資源動(dòng)態(tài)變化及水土保持綜合治理效益分析

晉西三川河流域土地資源動(dòng)態(tài)變化及水土保持綜合治理效益分析

根據(jù)山西省土壤和水保護(hù)綜合管理的需要，山西省采用了1973年的黑白航空照片（以下簡(jiǎn)稱(chēng)照片）和1981年的紅色彩帶。本文對(duì)晉西三川河流域土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。調(diào)查采用航片集群抽樣法,并借助計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)分析與機(jī)助制圖。結(jié)果表明:該流域從50年代末到80年代初的23年期間,以農(nóng)田基本建設(shè)為中心的水土保持綜合治理,取得了顯著效益,土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。一、土地利用類(lèi)型晉西三川河流域包括方山、離石、中陽(yáng)、柳林4個(gè)縣,總面積5484平方公里。水土流失嚴(yán)重的黃土丘陵占60%,土石山林區(qū)占40%。地表為梁峁?fàn)铧S土丘陵,支離破碎,土地利用以農(nóng)耕為主,有坡地、梯田、河川地或溝壩地,散亂分布。其它類(lèi)型還有林地、草地、荒草地等,土地利用狀況頗為復(fù)雜,是黃河中游水土保持重點(diǎn)治理區(qū)之一。信息源有:1.1981年拍攝的1:20000彩色紅外航片1700張,像幅為23×23厘米(航高為4240至43%米,焦距150毫米;2.1958年拍攝的1:50000黑白航片325張,像幅為18×18厘米;3.全流域1:50000及1:250000地形圖各一套;4.各縣土地利用詳查、概查資料一套,作為成果校核參考。二、調(diào)整和補(bǔ)充為了使研究所得數(shù)據(jù)便于與國(guó)家、省級(jí)土地利用統(tǒng)計(jì)數(shù)字相對(duì)比,主要采用省級(jí)土地利用分類(lèi)方案,并根據(jù)本區(qū)土地利用特征及研究方法的特點(diǎn),對(duì)某些地類(lèi)作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和補(bǔ)充。分類(lèi)系統(tǒng)如下:1.耕地11.平耕地111.溝川地112.溝壩地113.河灘地114.梯田115.垣地121.有埂坡耕地122.<15°坡耕地123.15°—25°坡耕地124.>25°坡耕地2.低覆被裸露溝坡21.裸露溝底22.<45°裸溝坡23.45°—60°裸溝坡24°>60°裸溝坡25.稀疏荒草坡3.有植被溝坡31.人工林32.天然林33.疏林34.灌木林36.牧草地37.棗林38.果園4.居民及工礦用地5.水域占地6.交通用地三、學(xué)習(xí)方法和工作順序(一)集群抽樣與數(shù)據(jù)分析利用1958年與1981年的兩期航片,采取集群抽樣布點(diǎn)判讀方法,通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)判讀數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算,機(jī)助制圖。得出三川河流域4個(gè)縣23年間土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)詳細(xì)數(shù)據(jù)與點(diǎn)位變化圖。集群抽樣是數(shù)理統(tǒng)計(jì)抽樣方法的一種。它先將研究對(duì)象的總體分成若干個(gè)群,以各群分別抽取樣點(diǎn),然后根據(jù)樣本調(diào)查資料來(lái)估計(jì)總體的平均數(shù)或某種特征單元的總體頻率。調(diào)查以縣為總體進(jìn)行。為了簡(jiǎn)化流程,我們以航片分群,即每張航片為一群。在每張航片的有效面積內(nèi)抽取一定數(shù)量的樣點(diǎn),判讀每一樣點(diǎn)的土地利用屬性,然后分別統(tǒng)計(jì)縣或土壤侵蝕分區(qū)各地類(lèi)的樣點(diǎn)數(shù),并進(jìn)行高差修正,最后根據(jù)縣或區(qū)各地類(lèi)的樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算它們所占的面積。(二)工作順序1.土壤侵蝕類(lèi)型分區(qū)的界線(xiàn)首先制作1:25萬(wàn)三川河流域工作底圖,內(nèi)容主要包括縣界、主要水系、縣城所在位置以及轉(zhuǎn)繪土壤侵蝕類(lèi)型分區(qū)的界線(xiàn)(圖1),選擇底圖圖框的左上角作為坐標(biāo)原點(diǎn),建立坐標(biāo)系統(tǒng);其次找出研究區(qū)每張航片的像主點(diǎn),并準(zhǔn)確轉(zhuǎn)刺到1:5萬(wàn)地形圖上,然后再轉(zhuǎn)刺到1:25萬(wàn)工作底圖上,得出研究區(qū)航片布點(diǎn)圖。從該圖可以得知每張航片像主點(diǎn)的位置及其所屬縣和土壤侵蝕類(lèi)型區(qū)。2.樣點(diǎn)布設(shè)方法本次研究為大面積成數(shù)抽樣,采用圍繞像主點(diǎn)集中布設(shè)樣點(diǎn)代替全面等距離布點(diǎn),具體作法是用固定透明模片以像主點(diǎn)為中心布設(shè)25個(gè)點(diǎn),點(diǎn)間距為0.5厘米。抽樣總點(diǎn)數(shù)的多少?zèng)Q定于最小地類(lèi)的成數(shù)及允許誤差。3.彩色紅外航片+黑航片根據(jù)航片影像特征,在立體放大鏡下判讀模片采樣孔內(nèi)的土地利用屬性,采樣孔直徑為0.6毫米。彩色紅外航片影像信息豐富,各種土地利用類(lèi)型的影像特征明顯、直觀。判讀時(shí),為便于兩套航片對(duì)比分析,在黑白航片點(diǎn)位判讀的同時(shí),進(jìn)行相應(yīng)的彩色紅外航片的點(diǎn)位判讀。這樣兩套航片同名點(diǎn)位一一對(duì)應(yīng),分別作出記錄。全流域黑白航片與彩色紅外航片各抽取對(duì)比樣點(diǎn)8122個(gè)。坡度的判讀,使用了特制的坡度尺,在立體鏡下對(duì)像片進(jìn)行坡度分級(jí)判讀。4.像主點(diǎn)布點(diǎn)圖每張航片抽樣判讀25個(gè)點(diǎn),記錄每種土地利用類(lèi)型所占的點(diǎn)數(shù),同時(shí)根據(jù)1:25萬(wàn)航片像主點(diǎn)的布點(diǎn)圖,記錄每張航片的編號(hào)、高程帶、所屬縣或土壤侵蝕分區(qū)及航片中心點(diǎn)的x、y坐標(biāo)值。利用上述方法對(duì)黑白和彩色紅外兩套航片,分別逐張判讀和記錄,得到1958年和1981年兩套航片抽樣判讀的原始資料。5.通過(guò)計(jì)算不同土地利用類(lèi)型的面積統(tǒng)計(jì)為使統(tǒng)計(jì)計(jì)算工作快速準(zhǔn)確,此項(xiàng)工作借助計(jì)算機(jī)完成。具體方法包括數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、高差修正、面積計(jì)算等,統(tǒng)計(jì)計(jì)算均按照有關(guān)規(guī)程進(jìn)行。6.積抽樣a抽樣統(tǒng)計(jì)每張航片每個(gè)地類(lèi)點(diǎn)的成數(shù)平方和,再按下式計(jì)算抽樣誤差。式中:E為抽樣誤差;f為面積抽樣(A抽為每種地類(lèi)抽取面積;A總為每種地類(lèi)總面積);m為航片群數(shù);Pi為每張航片(群)每地類(lèi)點(diǎn)代表的面積;Pie為每地類(lèi)點(diǎn)代表的面積均值。檢查結(jié)果表明:主要地類(lèi),如耕地、有植被溝坡、低覆被裸露溝坡等一級(jí)地類(lèi)抽樣精度均在90%以上,二級(jí)地類(lèi)在80%左右。7.土地利用的時(shí)空分布特征通過(guò)對(duì)1958年和1981年的各地類(lèi)數(shù)值差異分析,可以得出某縣(或區(qū))的土地利用狀況變化情況,但不能體現(xiàn)土地利用狀況空間分布特征以及這兩個(gè)年份之間的空間分布上的差異。為此我們進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助制圖。(1)在一定范圍內(nèi),建立流域邊界數(shù)據(jù)庫(kù)文件首先在1:25萬(wàn)三川河流域工作底圖上,通過(guò)已建立的坐標(biāo)系統(tǒng),對(duì)流域行政界線(xiàn)和主要水系利用讀點(diǎn)采樣的方法,分別讀出它們的明顯拐彎處的點(diǎn)位坐標(biāo),并按順序編號(hào)記錄。利用dBASEⅢ數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),分別建立流域邊界數(shù)據(jù)庫(kù)文件和水系數(shù)據(jù)庫(kù)文件。4個(gè)縣城的位置,也用讀點(diǎn)方法獲得點(diǎn)位數(shù)據(jù),并形成新的文件。這樣就可以利用三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的文件資料,作出包括流域邊界、水系、縣城三個(gè)要素的工作底圖。(2)鋪片中心產(chǎn)圖利用每張航片像主點(diǎn)的x、y坐標(biāo)進(jìn)行定位,每個(gè)制圖單元的含義是該張航片判讀25個(gè)點(diǎn)中某種土地利用類(lèi)型的面積值,并且將面積分若干等級(jí),用不同的顏色來(lái)表示等級(jí)差異,所以每個(gè)制圖單元的數(shù)值含義不是指航片中心點(diǎn)的土地利用類(lèi)型的面積數(shù),而是代表每張航片一個(gè)小區(qū)域內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的面積值。根據(jù)上述方法,最后產(chǎn)生出下列1958年與1981年兩套圖件,每套有下列圖件:①耕地分布圖;②梯田分布圖;⑤坡耕地分布圖;④低覆被裸露溝坡分布圖;⑤植被分布圖;⑥人工林分布圖;⑦居民用地分布圖。以上土地利用類(lèi)型面積計(jì)算機(jī)制圖的程序用高級(jí)BASICA語(yǔ)言編寫(xiě),在IBM型微機(jī)上實(shí)現(xiàn),整個(gè)統(tǒng)計(jì)計(jì)算和繪圖均在一個(gè)大程序內(nèi)通過(guò)菜單選擇來(lái)進(jìn)行,程序的結(jié)構(gòu)如圖2。四、討論(1)生態(tài)環(huán)境壓力23年間,三川河流域4個(gè)縣的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生重要變化的地類(lèi)有耕地、有植被溝坡及低覆被裸露溝坡,其次是居民工礦用地及其它(詳見(jiàn)表1)。其中耕地減少9.5萬(wàn)畝,低覆被裸溝坡減少9.3萬(wàn)畝,有植被溝坡增加17.2萬(wàn)畝,居民及工礦用地增加2.3萬(wàn)畝。減少的耕地和低覆被裸溝坡主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱?、草、園地和居民工礦用地。這種地類(lèi)間的轉(zhuǎn)變累計(jì)18.8萬(wàn)畝,占流域總面積2.2%,從間隔23年的時(shí)間來(lái)看,變化幅度雖不很大,但已表明三川河流域的生態(tài)環(huán)境在向好的方向轉(zhuǎn)化。耕地中發(fā)生變化最顯著的是坡耕地減少和平耕地的增加。平耕地中主要是梯田的增加,增長(zhǎng)幅度高達(dá)7.2倍,其次是溝川地、溝壩地;坡耕地的大面積減少,除部分修建梯田外,其余大部分還林還草,少量轉(zhuǎn)為居民工礦及交通用地。耕地總的面積雖然有所減少,可是質(zhì)量卻明顯提高。23年間,有植被溝坡增加17.2萬(wàn)畝,主要是人工林的增加,擴(kuò)大5.6倍。見(jiàn)圖版I圖1圖2,圖1為1958年基本沒(méi)有人工林,圖2為1981年的彩色紅外片,紅色為人工林區(qū),其次是天然林,疏林及草地。棗林和果園也均有增加,唯有灌木林有所減少,總的來(lái)看,森林覆被率是增加的,由14.2%提高到16.2%。三川河流域大面積的坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠礁丶傲植荽蠓仍黾?是60、70年代大規(guī)模以農(nóng)田基本建設(shè)為中心的水土保持綜合治理的成果。在這期間4縣糧食畝產(chǎn)由88斤增至201斤。按省水保所提供的各地類(lèi)土壤侵蝕模數(shù)估算,由坡地改梯田,裸溝坡變成有植被溝坡,每平方公里可減少土壤侵蝕量721方,全流域共減少土壤侵蝕量385萬(wàn)方。(2)土石山區(qū)的造林1.土石山區(qū)(1)23年間耕地減少6.7%,且全是坡耕地,減少的坡耕地有16.7%建成梯田,83.3%種草造林;而黃土丘陵區(qū)(Ⅱ)耕地僅減少2.7%,減少的耕地中83.3%建成了梯田,16.7%轉(zhuǎn)為林草地。23年間土石山區(qū)平耕地增加14.3%,黃土區(qū)增加81.1%。2.土石山區(qū)無(wú)論是低植被覆蓋的裸溝坡,還是林、灌、草、園地等有植被覆蓋的溝坡,甚至居民、工礦、水域、道路的變化幅度,其相對(duì)比例或絕對(duì)數(shù)值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于黃土區(qū)。土石山區(qū)造林的自然條件要比黃土區(qū)優(yōu)越,但23年間僅造林2萬(wàn)畝,加上同期增加的2萬(wàn)多畝天然林,森林覆被率僅提高1.4%;而黃土區(qū)23年間人工造林12.7萬(wàn)畝,森林覆被率提高2.5%;23年間土石山區(qū)基本沒(méi)有發(fā)展園地,牧草地僅增加2.3%,而黃土區(qū)不僅發(fā)展了3.3萬(wàn)畝棗林,1.5萬(wàn)畝果園,牧草地還增加了5.1%。(3)土地利用的演變根據(jù)土壤侵蝕特征,黃土丘陵區(qū)又劃分為三個(gè)小區(qū),分述如下:1)黃土區(qū)(Ⅱ1)位于三川河上游及河道兩側(cè)緊接土石山區(qū)的中等覆蓋的極強(qiáng)度侵蝕區(qū)(圖1),包括方山縣的開(kāi)府、馬坊、方山、麻地會(huì)、圪洞、下昔、離石縣的小神頭、千年、吳城、馬頭山周?chē)爸嘘?yáng)縣的枝柯、劉家坪等地,面積138.2萬(wàn)畝,占黃土區(qū)總面積的28.5%,該區(qū)的變化特點(diǎn)是:①耕地變化較小,23年共增加溝川地、溝壩地、梯田3萬(wàn)畝;河灘地、坡耕地減少2.6萬(wàn)畝,總耕地面積增加0.4萬(wàn)畝;②低植被覆蓋的裸溝坡增加1.4萬(wàn)畝,擴(kuò)大9.1%,植被覆蓋度降低了4.3%,雖然營(yíng)造了0.4萬(wàn)畝人工林,發(fā)展了1.6萬(wàn)畝草地,但灌木林卻減少4.3萬(wàn)畝。人類(lèi)對(duì)土地的不合理經(jīng)營(yíng),歷史沿革下來(lái)的毀灌開(kāi)荒惡習(xí),是該地區(qū)土地利用逆向不合理退化的主要原因。2)黃土區(qū)(Ⅱ2)位于流域中心部位,也是流域工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心,包括干流兩側(cè)河川區(qū)的梁峁低覆蓋劇烈侵蝕區(qū)。范圍主要包括離石縣大武、西屬巴、王家溝、田家會(huì)、交口、店坪和中陽(yáng)縣金羅及南川河以東地區(qū)。面積121.47萬(wàn)畝,占黃土區(qū)的1/4。該區(qū)23年土地利用變化的特點(diǎn)是:①耕地減少7.1%,是流域中耕地減少比例和數(shù)量最大的一個(gè)區(qū)。坡耕地建成梯田11萬(wàn)畝,裸溝底建成溝壩地0.3萬(wàn)畝,梯田增加11倍,溝壩地增加46.2%,是流域中把坡耕地建成平耕地?cái)?shù)量最大的一個(gè)區(qū)。②低覆被裸溝坡大幅度減少,有植被溝坡大面積增加。23年間該區(qū)人工林增加4.5萬(wàn)畝,擴(kuò)大6.6倍;灌木林增加2.3萬(wàn)畝,擴(kuò)大38.9%;果園(棗林)增加0.8萬(wàn)畝,增加1倍。③居民工礦用地增加57%,其中離石縣城區(qū)面積由1958年1631畝(見(jiàn)圖版I圖3)增至1981年的6035畝(見(jiàn)圖版I圖4),增加2.7倍。水域減少10%,道路增加12%。由于該區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變動(dòng)的主體是坡耕地轉(zhuǎn)向梯田,裸溝坡轉(zhuǎn)變?yōu)榱?、灌、園地等有植被溝坡,這是黃土區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)趨向合理化的最好途徑。3)黃土區(qū)(Ⅱ3)位于流域西部,靠近黃河,大部分屬柳林縣的梁峁、寬梁峁或峁?fàn)畹透采w劇烈侵蝕區(qū),面積225.1萬(wàn)畝,占流域總面積的46.4%,將近一半。本區(qū)土地利用變化的特點(diǎn)是:①耕地減少幅度最小,減少的耕地面積主要為居民地、道路、棗林和果園占用,還有部分草地開(kāi)墾為耕地。②耕地內(nèi)平耕地增加2.6倍,其中溝川地增加26.5%,溝壩地增加90.7%,梯田增加9.4倍,由于1958年底數(shù)低,平耕地增加的絕對(duì)量仍大大低于黃土區(qū)(Ⅱ2)(詳見(jiàn)表2)。③耕地中坡耕地減少22.3萬(wàn)畝,有18.3萬(wàn)畝修建梯田,4萬(wàn)畝造林。由于糧食需求的壓力,沒(méi)有多退耕,但也沒(méi)有開(kāi)荒。這和黃土區(qū)(Ⅱ2)大面積退耕還林,黃土區(qū)(Ⅱ1)集中毀灌開(kāi)荒的情況不同(見(jiàn)表3)。從表2、表3可以看出,黃土區(qū)(Ⅱ3)與黃土區(qū)(Ⅱ1和黃土區(qū)(Ⅱ2)相比,不論在溝川地、梯田等平耕地比例,還是在植被覆蓋率等方面都要差一個(gè)等級(jí)。人工林比例居中,棗樹(shù)是本區(qū)特產(chǎn)。五、主要監(jiān)測(cè)結(jié)果1.利用航片集群抽樣法進(jìn)行土地資源調(diào)查,同逐張航片解譯、轉(zhuǎn)繪成圖、量算面積的方法相比,有簡(jiǎn)便、節(jié)約、快速的特點(diǎn),亦適用于復(fù)雜的地形及土地利用狀況,因樣點(diǎn)的航片地類(lèi)判讀準(zhǔn)確,即使是黑白航片也可取得較好判讀效果。2.利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,同利用人工方法計(jì)算相比,速度快,工作量大大減少,并且可以把數(shù)據(jù)庫(kù)與區(qū)域信息系統(tǒng)連接調(diào)用,為區(qū)域開(kāi)發(fā)研究提供土地利用類(lèi)型的空間分布規(guī)律,以及變化特征。3.監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,23年間三川河流域水土保持治理取得了一定成效,土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。平耕地逐年增加(包括溝川地年遞增350畝,溝壩地年遞增565畝,梯田年遞增14090畝)。人工林年遞增6090畝,天然林年遞增1217畝;而坡耕地與低覆被裸溝坡逐年減少,坡耕地年遞減18780畝,裸溝坡年遞減4043畝。這種轉(zhuǎn)變顯示生態(tài)環(huán)境開(kāi)始向好的方向轉(zhuǎn)化,意味著該流域已經(jīng)走上控制水土流失,綜合發(fā)展社會(huì)主義大