2020, Vol. 29
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2. 东华理工大学 地球科学学院, 江西 南昌 330013;
3. 中国地质科学院 水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061
2. School of Earth Sciences, East China Institute of Technology, Nanchang 330013, China;
3. Institute of Hydrogeological and Environment Geology, CAGS, Shijiazhuang 050061, China
土地利用/覆被变化影响生态环境和社会经济的可持续发展，近年来已成为国内外研究的热点问题[1-2]. 2011年，张明明等开展了基于3S的荣成湾沿岸土地覆被变化及驱动力研究[3]；2013年，申丽琼开展了基于3S技术的汶川县土地利用/覆被变化动态监测及分析[4]；2014年，付国燕开展了基于3S的共和盆地近20 a土地利用/土地覆被及其景观格局变化分析[5]，周丹等开展了基于3S技术的隆昌县土地利用－覆被动态监测[6]；2018年，徐志涛开展了白洋淀流域土地覆被变化及其生态服务价值评价研究[7].通过开展土地覆被类型变化研究，能为土地规划、城市建设、水土资源保护制度制订等工作提供决策依据.
石羊河流域是甘肃省河西内陆河流域中人口最多、经济较发达、水资源开发利用程度最高、用水矛盾最突出、生态环境问题最严重、水资源对经济社会发展制约性最强的地区.前人针对石羊河流域土地覆被类型和生态环境等问题开展了系列研究工作，主要集中在水资源与生态环境遥感监测、绿洲区时空演变、生态环境质量评价等领域[8-18].针对石羊河流域土地覆被类型的研究虽已开展，但研究的重点侧重于土地变化与环境的关系，或针对石羊河流域上游或下游单独开展研究，研究时间域多止于2010年[19-24]，针对整个石羊河流域土地覆被类型变化开展的长时间系列的研究极少.基于该现状，笔者利用1970年至2017年18期Landsat系列卫星数据，基于RS和GIS技术，获取了石羊河流域近50年土地覆被类型基础数据，研究了近50年来石羊河流域土地覆被类型时空演变特征，以期为该区土地利用规划、土地荒漠化防治提供决策依据.
1 研究区概况石羊河流域位于河西走廊东部，乌鞘岭以西，祁连山北麓，是甘肃河西走廊三大内陆河流域之一，地理坐标东经101°41′~104°16′，北纬36°29′~39°27′.流域行政区划包括武威市的古浪县、凉州区、民勤县全部及天祝县部分，金昌市的永昌县及金川区全部，以及张掖市的肃南裕固族自治县、山丹县部分等3市8县，流域总面积4.16×104 km2.石羊河流域地处黄土高原、青藏高原和蒙新高原的交汇过渡地带，以高山、中高山、低山丘陵、沙漠、冲洪积平原构成全流域地貌形态，地势南高北低，自南西向北东倾斜.气候属大陆性温带干旱气候，夏季短而炎热，冬季长而寒冷，区内温差较大，平原地区大部分年平均气温在7~8 ℃，山麓地区年平均气温在5 ℃左右.年均降水量为213.4 mm.石羊河水系由自西向东的西大河、东大河、西营河、金塔河、杂木河、黄羊河、古浪河及大靖河等8条支流共同构成.
2 数据来源与处理 2.1 数据源本次数据采用美国Landsat陆地系列卫星系列数据，影像列号分别为131、132，行号分别为33、34，时间系列为1970~2017年，共收集数据72景（表 1）.
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表 1 研究区获取卫星数据一览表 Table 1 Satellite data of the study area |
针对获取的遥感数据，通过大气校正、辐射校正、几何校正、影像融合、彩色合成处理，获得了研究区每年遥感影像图.
3 信息提取和解译将研究区土地覆被类型划分为自然绿洲和人工绿洲2个一级类，10个二级类（天然林地、天然草地、水域湿地、未利用地、耕地、人工林地、人工草地、建设用地、水域湿地和其他），36个三级类（表 2）.
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表 2 研究区土地覆被类型分类表 Table 2 Classification of land cover types in the study area |
采用面向对象的方法，结合人机交互式解译，根据建立的不同土地覆被类型的解译标志，对研究区18期土地覆被类型进行解译，获得了研究区18期土地覆被类型数据（表 3、图 1）.
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表 3 石羊河流域1970 & 2017年土地覆被类型面积变化 Table 3 Changes in land cover type in Shiyang River Basin from 1970 to 2017 |
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图 1 研究区遥感解译土地覆被类型分布图 Fig.1 Distribution of land cover types interpreted by remote sensing in the study area a-1970;b-2017; 1=15 -自然绿洲（natural oases) : 1 -有林地(forest), -灌木林地（shrub), -疏林地(open forest land), 4-其他林地(other forest), 5-高覆盖度草地（high coverage grassland), 6-中覆盖度草地（middle coverage grassland), 7-低覆盖度草地（low coverage grassland)，8-河渠(channel), 9-湖泊（lake)，10-滩地（beach land)，11-沼泽地（marshland)，12-沙地（sand)，13-盐减地（saline-alkali soil)，14-裸土地（bare ground)，15-其他（others); 16~36-人工绿洲（artificial oases) : 16-水田（paddy field)，17-水饶地（irrigated land)，18-旱地（dry land)，19-有林地（forest)，20-灌木林地（shrub)，21-疏林地(open forest land)，22-其他林地（other forest)，23-高覆盖度草地（high coverage grassland)，24 -中覆盖度草地(middle coverage grassland)，25-低覆盖度草地(low coverage grassland)，26-城镇用地(urban land)，27-农村居民点用地(residential area)，28-工矿用地（industrial land)，29-河渠（channel)，30-水库、坑塘（reservoir/pond)，31-滩地（beach land)，32-沼泽地（marshland)，33-沙地（sand)，34-盐减地（saline-alkali soil),35-裸土地（bare ground),36-其他（others） |
近50年来，石羊河流域自然绿洲面积总体呈逐年减少趋势，由1970年的35 717.53 km2减少到2017年的33 865.47 km2；人工绿洲面积相应增加，由5 355.79 km2增至7 208.70 km2，增幅34.60%.
近50年来，石羊河流域土地覆被类型变化较大的主要为林地、草地、耕地、建设用地和水域面积（表 4）.其中自然绿洲中林地面积呈波状起伏变化，总体呈增长趋势，面积由1970年的7 256.50 km2增长至2017年的7 876.01 km2；草地面积总体呈增长趋势，由1970年的9 794.12 km2增长至2017年的12 475.53 km2，增长约27.61%；自然绿洲水域面积减少，1970年至2017年，水域面积由921.41 km2减少至253.20 km2.人工绿洲中，耕地面积变化较大，呈逐年增长趋势，1970年为4 096.18 km2，至2017年面积达5 296.18 km2；建设用地呈逐年增长趋势，建设用地面积由1970年的594.74 km2增长至2017年的1 066.60 km2，增长率为79.34%.
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表 4 石羊河流域1970&2017年土地覆被类型面积动态表 Table 4 Comparison of land cover types in Shiyang River Basin between 1970 and 2017 |
石羊河流域内以林地、草地、耕地及未利用地为主.其中耕地面积一直呈增加趋势，1970年耕地面积为4 096.18 km2，2017年耕地面积增加至5 214 km2，耕地的增加主要由天然草地、未利用地及水域湿地转化而来，面积分别为921.15 km2、423.16 km2、125.89 km2（表 5）；天然林地面积的增加，主要由天然草地、未利用地转化而来，转化面积分别为438.53 km2、527.70 km2；天然草地面积的增加，主要由未利用地转化而来，转化面积达4 919.02 km2；建设用地的扩张主要为占用周围草地、耕地及未利用地，面积分别为229.34 km2、102.17 km2、113.52 km2；未利用地主要转出为草地，面积4 919.02 km2.石羊河流域土地类型的演变，总体反映了石羊河流域生态环境趋好，绿洲区域逐渐增加.
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表 5 石羊河流域1970~2017年土地类型转移矩阵 Table 5 Transfer matrix of land types in Shiyang River Basin from 1970 to 2017 |
基于解译的18期土地覆被类型基础数据，通过转移矩阵分析（表 6），获得了近50年不同土地类型在不同时间区段的动态变化特征.
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表 6 石羊河流域1970 ~ 2017年间不同阶段土地类型转移矩阵 Table 6 Transfer matrix of land types in Shiyang River Basin during periods from 1970 to 2017 |
1970~1990年，石羊河流域土地类型总体呈现耕地、水域湿地、天然草地、建设用地的增加，天然林地、人工草地、未利用地的减少.耕地的增加主要来源于天然草地和未利用地，二者的面积分别为571.70 km2、284.87 km2；天然林地主要转化为天然草地，转出面积221.83 km2；建设用地的扩张以占用天然草地及未利用地为主；天然草地面积的增加主要来源于未利用地，转化面积为3 034.21 km2，表明石羊河流域生态环境总体趋于好转.
1990~2000年，石羊河流域土地类型总体呈现耕地、天然林地、天然草地、人工草地、建设用地的增加，水域湿地、人工林地、未利用地的减少.耕地的增加主要来源于天然草地及未利用地，二者的面积分别为389.14 km2、100.95 km2；天然林地面积的增加，主要源于天然草地、未利用地植树造林的结果，二者面积分别为123.48 km2、90.31 km2；建设用地面积的增加主要因城市扩张，占用天然草地、林地，面积分别为20.72 km2、11.66 km2；未利用地主要转化为耕地、林地和草地，转出面积分别是100.95 km2、90.31 km2和934.86km2；未利用地面积的减少，主要由于未利用地向天然草地、耕地的转化. 10年间，林地和草地面积增大，同时以荒漠为主的未利用地的面积呈现较大幅度的减小，表明研究区的生态环境状况趋于改善.
2000~2010年，石羊河流域土地类型总体呈现耕地、天然草地、天然林地、建设用地的增加，未利用地、人工林地、人工草地、水域湿地的减少.耕地的增加主要源于天然草地、未利用地的开垦，二者的面积分别为187.34 km2、66.61 km2；天然林地总体面积变化不大，天然林地向天然草地及耕地转化的面积与天然草地、未利用地向天然林地转化的面积相差不大；建设用地的增加主要源于开发利用天然草地、耕地、未利用地，三者的面积分别是55.34 km2、52.13 km2、12.25 km2；未利用地（荒漠为主）面积总体减少，主要转化为天然草地、天然林地，转出面积分别达到897.71 km2、118.09 km2.
2010~2014年，石羊河流域土地类型总体呈现天然林地、人工林地、建设用地、水域湿地的增加，天然草地、未利用地、人工草地、耕地的减少.耕地减少面积不大，总体趋于平稳，主要表现为天然草地、人工林地、天然林地、未利用地向耕地的转化与耕地向天然草地、人工林地、建设用地、未利用地的转化面积相差不大，体现了石羊河流域在此期间，耕地相互转化呈现一种动态平衡.天然林地面积的增加主要由天然草地和未利用地的转化而来，转化面积分别是395.62 km2、415.34 km2；建设用地面积的增加主要源于对天然草地、耕地的开发利用，二者面积分别为112.67 km2、69.68 km2；水域湿地面积的增加，主要与天然草地的转化有关；天然草地的减少主要源于耕地、建设用地的开发利用占用了天然草地资源.
2014~2017年，石羊河流域土地类型总体呈现天然林地、天然草地、建设用地、耕地的增加，人工林地、未利用地的的减少.天然林地面积的增加主要从天然草地、未利用地的转化而来，转化面积分别为141.61 km2、111.29 km2；天然草地面积的增加主要源于耕地、天然林地、未利用地的转化，转化面积分别为85.64 km2、98.13 km2、662.5 km2；建设用地面积的增加主要与城镇扩张有关，表现为对天然草地、未利用地等土地类型的开发建设；耕地的增加与人类的开垦有关，主要表现为对天然草地、人工林地、未利用地的开发利用.区内未利用地面积总体减少，主要转化为耕地、建设用地、天然林地、天然草地和人工林地，面积分别为23.71 km2、27.86 km2、111.29 km2、662.50 km2、44.05 km2，反映该时期一方面由于环境的好转，荒漠化土地向草地的转化，另一方面由于人类活动，城市扩张、耕地的开垦占用了未利用地资源.
5 结论通过对石羊河流域1970~2017年18期遥感影像信息提取及解译分析，得出以下结论：
1）近50年来，石羊河流域自然绿洲面积总体呈逐年减少趋势，由1970年的35 717.53 km2减少到2017年的33 865.47 km2；人工绿洲面积相应增加，由5 355.79 km2增至7 208.70 km2.
2）近50年来，石羊河流域土地覆被类型显著增加的有耕地、天然林地、天然草地、建设用地.耕地的增加主要由天然草地、未利用地及水域湿地转化而来；天然林地的增加主要由天然草地、未利用地转化而来；天然草地面积的增加，主要由未利用地转化而来；建设用地的扩张以占用周围草地、耕地及未利用地为主.
3）石羊河流域土地类型的演变，总体反映了石羊河流域生态环境趋好，绿洲区域逐渐增加.
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