全 文 ：第 34 卷第 23 期
2014年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.23
Dec.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:西北(甘青新)重点区域和行业发展战略环境评价生态专题资助项目(D237); 国家科技支撑计划资助项目(2012BAC08B01)
收稿日期:2013鄄03鄄01; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄18
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: jtt_05@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201303010328
刘金巍,靳甜甜,刘国华,李宗善,杨荣金.黑河中上游地区 2000—2010年土地利用变化及水土保持服务功能.生态学报,2014,34(23):7013鄄7025.
Liu J W, Jin T T, Liu G H, Li Z S, Yang R J.Changes in land use and soil and water conservation of the upper and middle reaches of Heihe river basin
during 2000—2010.Acta Ecologica Sinica,2014,34(23):7013鄄7025.
黑河中上游地区 2000—2010年土地利用变化
及水土保持服务功能
刘金巍1,靳甜甜2,*,刘国华1,李宗善1,杨荣金3
(1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京摇 100085;
(2. 中国水利水电科学研究院,北京摇 100012; 3. 中国环境科学研究院生态环境评价中心, 北京摇 100038)
摘要:基于遥感影像数据,分析了黑河中上游地区 2000年到 2010年土地利用变化,在此基础上,从上游、中游以及整个区域的
角度综合评价了该区域的水源涵养和土壤保持生态系统服务功能物质量变化。 研究结果表明:淤研究区 60%以上为未利用地,
2000—2010年,耕地、林地和未利用地面积大量增加,草地和水域面积减少。 于耕地增加以荒漠和草地转入为主;林地转入表
现为草地和荒漠造林,转出主要为林地荒漠化;草地转出主要去向为造林和荒漠化,而增加主要来源于冰雪覆盖地和荒漠;未利
用地增加主要来源于草地的退化。 盂研究区土地利用程度较低,由东南向西北递减,2000—2010 年,上游土地利用程度有所降
低,中游大部分地区呈上升趋势。 榆由于上游山区林地面积的增加,植被覆盖下土壤的水源涵养量显著增加,土壤贮水量增加
了 0郾 764伊108 t。 虞土壤保持量由 1.860伊108 t增加到 1.899伊108 t,主要原因为草地转化为林地。 在气候变化背景下,黑河流域应
控制上游地区人工林面积,减少林地蒸腾量,以增加下游可用水量;适当控制中游地区耕地面积的扩张趋势,保证湿地、草地等
自然生态系统生态用水量,维持流域山地鄄绿洲鄄荒漠系统的稳定,进而持续发挥生态系统土壤保持等功能。
关键词:黑河中上游;土地利用变化;水源涵养;土壤保持
Changes in land use and soil and water conservation of the upper and middle
reaches of Heihe river basin during 2000—2010
LIU Jinwei1, JIN Tiantian2,*, LIU Guohua1, LI Zongshan1, YANG Rongjin3
1 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100085, China
2 China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100012, China
3 Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100038, China
Abstract: Based on Landsat TM / ETM image data and some other survey materials, this paper analyzed the land use change
in the upper and middle reaches of Heihe river basin during 2000—2010. Subsequently, two prominent functions of
ecosystem service: water conservation and soil retention were evaluated, from upstream, midstream, as well as the whole
region. The findings of this study are summarized as following: (1) The main types of land use is unused land accounting
for more than 60% of the total area. In recent ten years, cultivated land, forest land and unused land increased
dramatically. By contrast, grassland, water area and snow cover land decreased. (2) The increase of cultivated land was
chiefly derived from the conversion of desert and grassland. Desertification on forest land, afforestation on desert and
grassland happened at the same time. The total area of forest land showed an ascending trend. The loss of grassland was
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attributed to the afforestation and desertification, whereas the increment of grassland was ascribed to the conversion from
snow cover land and desert. The increase of unused land mainly came from the degradation on grassland. (3) On the whole,
the degree of land use was relatively low and displayed a descending trend from the southeast to the northwest. In recent 10
years, the degree of land use dropped in upstream area and ascends in most of the middle reaches of Heihe basin. (4)
Owing to the increase of forest land of the upper reaches, water conservation for soil improved significantly. Water storage in
soil increased by 0.746伊108 t. (5) The total amount of soil retention raised from 1.860伊108 t to 1.899伊08 t as grassland
conversion to forest. Under the background of climate change, some measures should be implemented in order to maintain
the stability of the mountain鄄oasis鄄desert system and the sustainable of the ecosystem services like soil retention. Firstly, the
area of artificial forest should be controlled in the upper reaches which can reduce transpiration and increase the amount of
water available. Secondly, in the middle reaches, cultivated land area should be under control to ensure the ecological water
consumption, such as grassland and wetlands.
Key Words: the Heihe river basin; land use change; water conservation; soil retention
摇 摇 土地利用变化是全球生态变化研究的一个重要
方面,被认为是全球变化的决定因素之一,对全球的
生态系统、生物地球化学循环和气候变化以及人类
脆弱性有重要影响[1鄄2]。 在国际地圈与生物圈计划
(IGBP,1987)和国际全球环境变化的人文因素计划
(IHDP,1996)的推动下,国内外众多学者对典型地
区土地利用变化的趋势、驱动力以及生态效应进行
了大量研究[3鄄4]。 生态系统服务功能是指生态系统
与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然
环境条件与效用[5],对人类的影响广泛而深远。 土
地利用的变化改变着生态系统的组成和功能,进而
影响生态系统服务的供给功能。 近年来,土地利用
变化对生态系统服务功能的影响逐渐成为生态学和
生态经济学领域研究的热点,而生态系统服务功能
的量化评估成为重要的决策依据。 生态系统服务功
能的量化方法主要有价值评价法和物质量评价法,
目前应用较为普遍的是价值量评价法,代表性研究
成果为美国生态学家 Costanza 等人的评估方法。 该
方法在国内也得到了广泛应用,我国众多学者对西
北干旱区重点内陆河流域生态系统服务的价值量进
行了初步估算[6鄄8]。 价值量和物质量评估方法各有
利弊,在实际工作中应综合考虑,权衡利弊。
黑河流域气候干旱、生态环境极其脆弱,是我国
干旱区生态环境问题研究的热点地区。 2000 年西部
大开发以来,黑河上游实施了一系列生态治理政策、
中游启动了水量统一调度方案,社会经济的不断发
展及生态政策的逐步落实从不同角度改变着区域的
土地利用,对生态系统服务功能有重要的影响。 目
前,该流域上游研究集中在气候、山区径流、水文的
变化及其带来的生态影响方面[9鄄11];中下游地区的
研究重点为人工绿洲扩张、天然绿洲退化及土地利
用变化带来的环境效应问题[12鄄14]等方面。 在生态系
统服务功能方面,以往研究利用 Costanza[15]和谢高
地[16]等人的研究结果进行了生态系统服务功能价
值量的评价[6,17鄄18],而基于物质量评价方法的研究较
少[19]。 由于黑河流域水资源短缺、风蚀水蚀严重,
水源涵养和土壤保持是该地区生态环境保护和改善
的最主要生态系统服务功能,而流域中上游是水源
涵养和土壤保持的重要区域:上游祁连山地区具有
重要的水源涵养和防止水土流失的作用;中游位于
巴丹吉林沙漠的西南部,承担着重要的防风固沙和
土壤保持功能。 因此,研究黑河中上游地区 2000—
2010年土地利用变化及水源涵养和土壤保持生态系
统服务功能物质量的变化,对流域重要生态系统服
务功能的恢复和改善具有重要的借鉴意义。
本文以黑河中上游地区 2000 和 2010 年土地利
用为基础,揭示了 2000—2010 年区域土地利用变化
的主要特征,并以此为基础,对区域的水源涵养量和
土壤保持量及其变化进行了估算,以期为流域重要
生态系统服务功能的保育与提高、生态环境的可持
续发展提供理论依据。
1摇 研究区概况
黑河发源于青海省祁连山区的冰川和积雪带,
流经甘肃省进入内蒙古自治区额济纳旗,最终汇入
东、西居延海,干流全长 821km。 出山口莺落峡以上
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为上游,莺落峡至正义峡为中游,正义峡以下为下
游,分别位于祁连山地、走廊平原和阿拉善高原 3 种
完全不同的自然地理环境[20]。 本文研究黑河中上
游地区(96毅08忆—101毅37忆E,37毅41忆—42毅45忆N),总面
积 9.89万 km2。 上游地区包括青海省祁连县和甘肃
省肃南裕固族自治县的部分地区(图 1),以牧业为
主;中游地区包括张掖市、嘉峪关市以及酒泉市的肃
州区、玉门市、金塔县等部分地区,属灌溉农业经
济区。
图 1摇 黑河中上游位置、分区及水系分布图
Fig.1 摇 The location, partition and water system maps of the
upper and middle reaches of the Heihe river basin
黑河流域气候干燥,降水量少而集中[18, 21]。
6—8月份降水量可占年降水量的 63%左右。 上游
地区气候阴湿寒冷,1960—2010 年的多年平均气温
-2.9—1.1益,多年平均降水量 294—414mm;中游地
区气候干旱,多年平均气温 4.4—8.4益,由中部向南
北两极递减,多年平均降水量 55—200mm,东南明显
多于西北。 土壤和植被的空间分布差异较大:上游
祁连山区土壤属高山寒漠、草甸、草甸草原、草原和
森林土壤系列,中游地区主要为灰棕荒漠土;从东南
向西北,植被类型分布为高山冰雪冻土带、山区植被
带(包括水源涵养林带)、山前绿洲带和荒漠绿洲
带[20]。 黑河流域上游地区植被以山地草地和山地
林地为主,植被较好,水量补给充足,是黑河径流的
形成区,中游地区以人工绿洲和荒漠绿洲为主,是甘
肃省重要的灌溉农业区,上游来水被大量引用,为黑
河径流的主要利用区。
2摇 研究方法
2.1摇 遥感数据的获取及处理方法
采用 2000年和 2010年 Landsat TM/ ETM 6—8月
份遥感影像数据(空间分辨率 30m),在 Ecogonition、
ERDAS IMAGE 8.5 和 ArcGIS 9.3 软件下,进行面向
对象的影像分类解译,得到目标流域 2000 年和 2010
年土地利用类型图。 解译时首先将两期影像数据进
行辐射纠正和几何纠正;其次,根据覆盖区域的影像
情况划分影像块,将相同日期和块间差别可忽略的
影像块合并成工作块;接着,在 2012 年 7—8月份从
中游到上游进行分类地面样本点采集,在此基础上
对照 Google earth和遥感影像特征进行样本点扩充,
随机选取 30%样本点用于解译精度验证;最后,进行
样本训练,开展基于支持向量计算法的自动分类,利
用精度验证点对结果进行验证。 验证结果表明影像
总体解译精度为 80%左右,基本可以达到研究所需
要求。
土地利用分类系统基于刘纪远等[22]的分类标
准,该标准基于 TM遥感影像,从遥感监测实用操作
性出发,是遥感影像解译中常用的标准。 本研究根
据西北干旱地区自身的特点,将原有标准进行了修
订,最终将土地利用类型划分为 7 个一级类型和 17
个二级类型。 一级类为耕地、林地、草地、水域、城乡
工矿居民用地、未利用土地和冰川积雪覆盖地,为增
加生态系统服务计算的准确性将林地进一步划分为
高郁闭度林地(覆盖度>30%)、中郁闭度林地(覆盖
度在 10%—30%之间)、低郁闭度林地 (覆盖度 <
10%)、防护林地(行道树,居民点内部、周围及绿洲
林地)和灌木林地;草地划分为高覆盖度草地(覆盖
度>50%)、中覆盖度草地(覆盖度在 20%—50%之
间)和低覆盖度草地(覆盖度<20%);水域划分为河
渠湖泊水库坑塘等水面及沼泽滩地;未利用地划分
为裸土沙地、盐碱地、裸岩和荒漠。 在进行流域土地
利用变化分析时主要基于一级地类的统计结果,二
级地类用于分析土地利用类型的具体来源去向以揭
5107摇 23期 摇 摇 摇 刘金巍摇 等:黑河中上游地区 2000—2010年土地利用变化及水土保持服务功能 摇
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示变化的原因,以及计算生态系统服务功能物质量。
2.2摇 土地利用变化表征方法
运用常用的土地利用类型结构变化、单一土地
利用动态度指数、土地利用类型转移矩阵以及土地
利用程度综合指数等分析方法[23],分析了黑河中上
游地区土地利用类型变化的过程和趋势。
(1) 单一土地利用动态度指数
也称变化率指数,以土地利用类型的面积为基
础,可反映一定时间范围内各土地类型的变化幅度
和速度:
K =
Ub - Ua
Ua
伊 1
T
伊 100% ( 1)
Ua、Ub分别为研究始、末某一地类的面积;T 为
研究时段,当用年表示时即为区域此类土地利用类
型的年变化率。
(2) 土地利用程度综合指数
该指数及其变化可定量揭示区域土地利用的程
度和变化。 本文以县市(区)为评价单元,土地利用
程度分级及分级指数的设定参照刘纪远等[24]的研
究结果,划分为未利用土地级(未利用地)、林草水用
地级(林地、草地和水域)、农业用地级(耕地)和城
镇聚落用地级(城乡工矿居民用地)4级:
L = 100 伊 移
n
i = 1
Ai 伊 C i,L 沂 100,[ ]400 ( 2)
A未利用地 = 1,A林草水 = 2,A农业用地 = 3,A城镇聚落 = 4
式中,L 为区域土地利用程度综合指数;Ai为土地利
用程度第 i级的分级指数;C i为土地利用程度第 i 级
的面积百分比;n 为土地利用程度分级数。
2.3摇 生态系统服务功能评估方法
2.3.1摇 水源涵养量估算方法
黑河中上游地区的水源涵养功能主要由上游祁
连山区承担,因此,本文估算的水源涵养量只考虑上
游地区。 其中,林地地表枯枝落叶的蓄积量和持水
能力对保持水土、涵养水源具有重要的作用,是反映
森林水源涵养能力高低的重要因素之一,同时土壤
颗粒间存在大量孔隙,其蓄水能力也是评价土壤涵
养水源及调节水分循环功能的重要指标[25],而高海
拔山区的冰川积雪可以直接以固态形式储存水源,
但是,由于本文在土地利用类型的划分时未能将冰
川和积雪分开,故暂无法计算出冰川和积雪各自的
储水量。 鉴于此,本文仅估算植被覆盖下的土壤(包
括枯枝落叶层和矿质土壤层)的涵蓄水量的变化,土
壤涵养水量的估算:
W = W1 + W2 (3)
式中,W 为水源涵养总量( t);W1为枯枝落叶层持水
量(t);W2为矿质土壤层贮水量( t)。 各分量的计算
方法:
(1)枯枝落叶层持水量按最大持水量估算:
W1 =移C iSi (4)
式中,W1为枯枝落叶层持水量( t);C i为第 i 种植被
凋落物的最大持水力( t / km2);Si为第 i 种植被类型
的面积(km2)
(2)土壤孔隙的蓄水量分为毛管持水量和非毛
管贮水量,一般认为,非毛管孔隙贮水量是评价土壤
水源涵养功能的最重要指标之一[26]。 本文土壤的
水源涵养量按非毛管孔隙贮水量,以有植被土壤比
无植被土壤的多贮水量来表示:
W2 =移(P i - T)·Hi·Ai·籽水 (5)
式中,W2为矿质土壤层贮水量( t);P i为 i 类植被下
土壤的非毛管孔隙度(%);T 为对照裸地土壤非毛
管孔隙度 (%);Hi为 i 类植被下土壤的土层厚度
(m);Ai为 i 类植被的面积( km2)。 籽水为水的密度
(1t / m3)。
2.3.2摇 土壤保持量估算方法
土壤保持量用潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀
量之差来表示:
A =移Api - Ari ( 6)
式中,A 为土壤保持量; Api为 i类植被的潜在土壤侵
蚀量;Ari为 i 类植被的实际土壤侵蚀量。 根据数据
的可获得性,上游地区土壤侵蚀以水蚀为主,土壤侵
蚀量按侵蚀模数进行估算,中游地区土壤侵蚀以风
蚀为主,侵蚀量按风蚀速率估算。
3摇 结果与分析
3.1摇 黑河中上游地区土地利用变化
3.1.1 摇 黑河中、上游土地利用结构及动态度变化
分析
黑河中上游地区 2000 和 2010 年的土地利用如
图 2所示,黑河中、上游地区生态系统类型的构成差
异较大,其土地利用变化及对对生态系统服务功能
变化的影响存在较大差异,因此,为了更准确地揭示
研究区土地利用变化的空间特征,同时也为了便于
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生态系统服务变化的分析,本文将黑河上游、黑河中
游地区分开讨论。 对比 2000 和 2010 年流域上、中
游地区土地利用变化的分析结果如表 1所示。
图 2摇 黑河中上游 2000和 2010年土地利用图
Fig.2摇 Mapping of land use in the upper and middle reaches of Heihe river basin in 2000 and 2010
表 1摇 黑河中、上游 2000—2010年各土地利用类型面积及变化
Table 1摇 Area of land use and dynamic change in the upper and middle reaches of Heihe river basin during 2000—2010
土地利用类型
Land use type
耕地 / km2
Cultivated
land
林地 / km2
Forest
land
草地 / km2
Grassland
水域 / km2
Waters
冰川积雪
覆盖地 / km2
Snow cover
land
城乡工矿
居民用地 / km2
Build鄄up
land
未利
用地 / km2
Unused
land
上游 2000 15.5 1529.1 22581.9 98.0 1388.7 7.9 1205.5
Upper 2010 47.4 3367.0 20420.3 145.1 255.8 8.5 2582.6
reaches 变化量 31.9 1837.9 -2161.6 47.1 -1132.9 0.6 1377.1
单一土地利用动态度 / % 20.58 12.02 -0.96 4.81 -8.16 0.76 11.42
中游 2000 3734.2 969.0 8098.5 552.5 54.0 388.6 58270.9
Middle 2010 6145.0 1816.9 5462.7 127.3 7.6 460.0 58048.2
reaches 变化量 2410.8 847.9 -2635.8 -425.2 -46.4 71.4 -222.7
单一土地利用动态度 / % 6.46 8.75 -3.25 -7.70 -8.59 1.84 -0.04
研究区 2000 3749.7 2498.1 30680.5 650.5 1442.6 396.5 59476.4
Study 2010 6192.4 5183.9 25883.0 272.4 263.4 468.5 60630.8
area 变化量 2442.7 2685.8 -4797.5 -378.1 -1179.2 72 1154.4
单一土地利用动态度 / % 6.51 10.75 -1.56 -5.81 -8.17 1.82 0.19
摇 摇 上游地区草地面积占上游总土地面积的 76%以
上,是绝对优势的生态类型。 2000—2010 年,草地面
积大量减少,减少面积为 2161. 6km2,动态度为
0郾 96%,占研究区土地总面积的比例由 84.18%下降
到 76.12%。 耕地、林地、未利用地、水域和城乡工矿
居民用地面积增加,其中耕地增加幅度最大,由
7107摇 23期 摇 摇 摇 刘金巍摇 等:黑河中上游地区 2000—2010年土地利用变化及水土保持服务功能 摇
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15郾 5km2增加到 47郾 4km2,动态度为 20郾 58%;上游地
区是研究区林地分布和增加的主要区域,增加了
1837郾 9km2,动态度为 12郾 02%;未利用地以裸岩和荒
漠为主,增加面积为 1377郾 1km2,动态度为 11郾 42%;
冰川积雪覆盖地面积的减少幅度较大,动态度
为 8郾 16%。
中游地区未利用地面积占中游总土地面积的
80%以上,植被盖度极低,林地面积较小。 2000—
2010年,耕地、林地和城乡工矿居民用地面积增加,
其余类型面积减少。 在面积增加的类型中,耕地和
城乡工矿居民用地是研究区分布和增加的主要区
域,其中耕地增加面积为 2410郾 8km2,占研究区新增
耕地面积的 98郾 7%,动态度为 6郾 46%;随着防护林的
建设,中游地区林地大幅增加,由 969km2增加到
1816郾 9km2,动态度为 8郾 75%。 在面积减少的类型
中,草地的减少量最大, 由 8098郾 5km2 减少到
5462郾 7km2,动态度为 3郾 25%;水域湿地和冰川积雪
覆盖地大幅减少,动态度分别为 7.7%和 8.59%;未利
用地面积减少 222.7km2,动态度最小,仅为 0.04%。
总体看来,黑河中上游地区土地利用类型以未
利用地为主,占研究区总土地面积的比例达 60%以
上;从植被生态系统来看,草地的分布面积远大于林
地的分布面积,是构成植被生态系统的主体。
2000—2010年,草地、水域和冰川积雪面积呈减少趋
势,减少面积分别为 4797.5、378.1km2和 1179郾 2km2,
年均递减率分别为 1.56%、5.81%和 8.17%;耕地、林
地、未利用地和城乡工矿居民用地增加,增加面积分
别为 2442.7、2685.8、1154郾 4km2和 72km2,年均递增
率分别为 6.51%、10.75%、0郾 19%和 1.82%。 其中,耕
地和城乡工矿居民用地面积的大小可用来表示人类
对自然生态的干预程度,2000—2010年,耕地和城乡
工矿居民用地占土地总面积的比例由 4.19%增加到
6.73%,说明人类活动对自然生态的干预加剧了。
3.1.2摇 土地利用类型流入流出分析
黑河中上游 2000—2010 年土地利用类型的转
化过程(表 2和图 3)可以总结为以下几点:(1)耕地
面积大幅增加,主要由中游荒漠和草地转化而来,其
转移量分别占耕地面积的 13.3%和 12.9%;(2)草地
面积大量减少,转出量为 8569.5km2,主要表现为肃
南、山丹及民乐等地的草地转化为林地或退化为未
利用地,同时上游冰川积雪覆盖地和中游未利用地
转化为草地,补偿了草地的缩减;(3)林地的转变以
其它土地类型的转入为主,上游主要为林地和草地
的相互转化,其中肃南县林地增加的面积占研究区
林地增加总面积的 55%以上,中游林地转出和转入
的方向主要为未利用地,林地的荒漠化和荒漠造林
是林地减少和增加的主要原因;(4)水域和冰川积雪
覆盖地面积较小且大幅转出,水域面积有 53.8%转
变为了未利用地,冰川积雪覆盖地绝大部分被草地
(73.9%)和未利用地中的裸岩(11.2%)替换;(5)城
乡工矿居民用地转入面积为 350.2km2,除玉门市、山
丹县等地为减少趋势外,其余地区均增加,主要来源
于对未利用地中的沙裸地、荒漠以及耕地的侵占,同
表 2摇 黑河中上游 2000—2010年土地利用类型转移矩阵
Table 2摇 Transferring matrix of land use type in the upper and middle reaches of Heihe river basin during 2000—2010
2000
2010
耕地
Cultivated
land
林地
Forest
land
草地
Grass
land
水域
Waters
冰雪
Snow cover
land
城乡工矿
居民用地
Build鄄up land
未利用地
Unused
land
转出量
Reduced
area
耕地 Cultivated land / km2 — 271.8 24.6 6.2 136.3 95.3 534.1
林地 Forest land / km2 420.8 — 850.0 9.1 0.5 24.0 271.3 1575.7
草地 Grassland / km2 797.9 3443.6 — 102.7 51.1 21.8 4152.4 8569.5
水域 Waters / km2 63.4 60.3 57.1 — 0.0 6.3 350.0 537.2
冰雪 Snow cover land / km2 0.1 4.5 1065.4 0.1 — 0.0 162.3 1232.4
城乡工矿居民用地
Build鄄up land / km2
175.0 25.6 8.5 0.8 — 68.2 278.2
未利用地 Unused land / km2 1519.5 455.6 1766.3 40.2 1.5 161.8 — 3945.0
转入量 New area / km2 2976.8 4261.5 3772.0 159.1 53.2 350.2 5099.4 16672.1
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图 3摇 主要土地利用类型转化的空间分布
Fig.3摇 The spatial distribution of the main land use conversion from 2010 to 2010
时部分城乡工矿居民用地也向其它用地转化。 (6)
未利用地转化的空间差异性较大,其增加主要分布
在肃南和玉门等地,其增加面积占增加总面积的
150%,主要来源于低覆盖度草地和沼泽滩地;金塔
和肃北两县的未利用地减少。
3.1.3摇 土地利用程度及变化
根据公式 2 计算得到黑河中上游 2000 和 2010
年各县市(区)的土地利用程度指数(图 4),黑河中
上游地区的综合土地利用程度较低,土地利用程度
综合指数为 144.5,从空间上来看,大致表现为由东
南向西北逐渐降低的趋势,变化在 100.3—213.4 之
间,这主要是由于南部植被条件较好,中部绿洲农业
发达,而北部偏远地区水资源缺乏,人类活动较小。
从土地利用程度的变化来看,黑河中上游地区
的土地利用程度整体略有上升趋势,由 2000 年的
144.5增加到 2010年的 145.9,表明 2000—2010年该
区域土地利用处于发展上升期。 土地利用程度变化
的空间差异性较大,上游地区的土地利用程度降低,
而中游除玉门和肃北降低外,其它地区的土地利用
程度均为上升趋势,尤其是民乐县,由 182.2 增加到
213.4,其次为山丹和肃州地区。
3.2摇 黑河中上游地区生态系统服务物质量变化分析
水源涵养功能的主体为植被和植被覆盖下的土
壤,上游祁连山地区是黑河流域的水源地,具有重要
的产水和蓄水功能,其水源涵养量的多少关乎着整
个流域的可利用水资源量,因此,本文在评价水源涵
养功能时重点分析上游祁连山地区植被的水源涵养
量,根据土地利用的研究结果,上游植被以林地和草
地为主,耕地面积少,故暂不考虑耕地的水源涵养功
能。 土壤保持主要通过植被的保持水土和防风固沙
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图 4摇 2000和 2010年土地利用程度空间分布
Fig.4摇 The spatial distribution of land use degree in 2000 and 2010
功能来实现,黑河上游山区降水多,坡度大,植被的
土壤保持功能主要体现在防止水土流失方面,而在
中游地区,降水稀少,风力大,机械干扰和物理风化
作用强烈,土壤侵蚀以风蚀为主,因此,中游地区的
土壤保持功能更重要表现在防风固沙。 基于此,本
文估算的区域土壤保持量包括上游地区植被减少的
保持水土量和中游植被的防风固沙量。
3.2.1摇 水源涵养量的估算
(1)土壤水源涵养量
根据孙昌平等[27]及张学龙等[28]对祁连山地区
林地土壤物理性能的研究结果,计算得到上游地区
乔木林地(青海云杉林和祁连圆柏林,本文简称林
地)和灌木林地枯枝落叶层的持水能力(表 3)。 假
设枯枝落叶层的持水能力不变,计算得到 2000 年和
2010年黑河上游枯枝落叶层的持水量(表 4)。 2000
年黑河上游林地枯枝落叶层的持水量为 0. 151 伊
108 t,随着乔木林地和灌木林地面积的大幅增加,到
2010年增加到 0.331伊108 t,提高了 1.2倍。
根据成彩霞等[29]和孙昌平等[27]在祁连山森林
生态站西水试验区的研究结果,计算得到乔木林地、
灌木林地和草地 0—0.6m土层的平均非毛管孔隙度
(表 3),进而分别对各植被类型下矿质土壤层的贮
水量进行了估算,估算结果见表 4。 结果表明,黑河
上游地区土壤的水源涵养量以矿质土壤层的贮水量
为主,占涵养水源总量的 87%以上。 2000—2010年,
黑河上游地区土壤涵蓄水量大幅增加,2000 年蓄水
量为 1.625伊108 t,到 2010年增加到 2.568伊108 t,土壤
蓄水量的增加主要是由持水能力较强的林地和灌
表 3摇 黑河上游土壤物理特征参数
Table 3摇 Soil physical characteristics parameters of the upper reaches of Heihe river basin
土地类型
Land type
枯枝落叶层持水力
Litter water retention /
(伊108 t / km2)
土壤非毛管孔隙度
Non鄄capillary
porosity of soil / %
土壤层厚度
Soil thickness / m
林地 Forest land 1.022 14.93 0.6
灌木林地 Shrub land 0.944 13.84 0.6
草地 Grassland — 7.32 0.6
未利用地 Unused land — 6.75 0.6
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表 4摇 黑河上游土壤贮水量估算结果
Table 4摇 Estimates of soil water storage in the upper reaches of Heihe river basin
土地类型
Land type
面积
Area / km2
2000 2010
枯枝落叶持水量
Quantity of litter water鄄holding / (伊108 t)
2000 2010
土壤持水量
Quantity of soil water鄄holding / (伊108 t)
2000 2010
林地 Forest land 834.1 1686.1 0.085 0.172 0.410 0.828
灌木林地 Shrub land 695 1680.9 0.066 0.159 0.296 0.715
草地 Grassland 22581.9 20420.3 — — 0.768 0.694
合计 Total 24111 23787.3 0.151 0.331 1.474 2.237
木林地的面积大幅增加带来的,分别增加了 0.505伊
108 t和 0.512伊108 t,而草地面积减小导致土壤贮水量
减少了 0.074伊108 t。
3.2.2摇 土壤保持功能
(1)黑河上游地区土壤保持量
根据汤萃文等[30]对祁连山北坡东段哈溪保护
站土壤侵蚀模数的研究结果,计算得到上游地区乔
木林地、灌木林地、草地和耕地的平均侵蚀模数,代
入公式 6,得到各植被类型的土壤保持量。 其中,潜
在侵蚀能力按照裸地的侵蚀能力(9014t km-2 a-1)来
估算。
表 5摇 黑河上游地区不同土地类型土壤保持量估算结果
Table 5摇 Estimation results of soil conservation of different land use type in the upper reaches of Heihe river basin
土地类型
Land type
林地
Forest land
灌木林地
Shrub land
耕地
Cultivated land
草地
Grassland
合计
Total
土壤侵蚀模数 Soil erosion modulus / ( t km-2 a-1) 302 402 2448 2556
2000年土壤保持量 Quantity of soil conservation of 2000 / (伊104 t) 726.7 598.5 10.2 14583.4 1.592
2010年土壤保持量 Quantity of soil conservation of 2010 / (伊104 t) 1468.9 1447.6 31.1 13187.4 1.614
摇 摇 从表 5可以看出,2000—2010年,黑河上游地区
的土壤保持量增加了 216.2伊104 t,土壤保持量略有
提高。 其中,由于林地和耕地面积的增加,林地、耕
地的土壤保持量都呈增加趋势,分别增加 1591.3 伊
104 t和 20.9伊104 t,同时草地荒漠化导致土壤保持量
减少 1396伊104 t,大大削弱了上游地区土壤保持量的
增加。
(2)黑河中游地区土壤保持量
黑河中游地区的土壤侵蚀类型主要为风蚀,根
据马海艳等[31]对黑河中游山前平原区耕地、草地和
荒地土壤侵蚀速率的研究结果,按照公式 6,对中游
地区耕地、草地和林地的土壤保持量进行了估算。
其中,潜在土壤侵蚀速率按照荒地的侵蚀速率
(5341.6 t km-2 a-1)估算,防护林地和灌木林地侵蚀
速率的估算按照荒地侵蚀速率的 15.7%来估算[32]。
估算结果见表 6。
表 6摇 黑河中游地区不同土地类型土壤保持量估算结果
Table 6摇 Estimation results of soil conservation of different land use type in the middle reaches of Heihe river basin
土地类型
Land type
耕地
Cultivated land
草地
Grassland
林地
Forest land
合计
Total
土壤侵蚀速率 Soil erosion rate / ( t km-2 a-1) 3905 3231.3 838.6
2000年土壤保持量 Quantity of soil conservation of 2000 / (伊104 t) 536.4 1709 436.3 2681.8
2010年土壤保持量 Quantity of soil conservation of 2010 / (伊104 t) 882.8 1152.8 818.1 2853.7
摇 摇 由上表可见,2000—2010年,黑河中游地区的土
壤保持量由 2681.8伊104 t 增加到 2853.7伊104 t,增加
了 171.9伊104 t。 其中,林地和耕地的土壤保持量分
别增加了 381.8伊104 t 和 346.3伊104 t,而草地面积的
减少导致土壤保持量大量减少,减少量为 556. 2 伊
104 t。
(3)黑河中上游地区土壤保持总量
黑河中上游地区土壤保持功能提供的主体为草
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地,草地的土壤保持量占土壤保持总量的 75%以上,
2000—2010年草地面积的大幅减少大大降低了黑河
中上游地区的土壤保持量,草地的减少导致土壤保
持量减少 1952.2伊104 t,而林地和耕地的增加提高了
土壤的保持量,弥补了草地面积减少损失的土壤保
持量,2000—2010年,黑河中上游土壤保持量呈略有
提高的趋势,土壤保持量由 2000 年的 18600.6伊104 t
增加 2010年的 18988.7伊104 t,增加了 388.1伊104 t。
4摇 结论与讨论
4.1摇 不确定性分析
冰川积雪面积的变化对季节和随机气象事件的
发生非常敏感,尤其是积雪面积的变化具有较大的
时间波动性和不确定性,这使得利用遥感影像数据
进行冰川积雪变化的研究存在一定的随机性和不确
定性。 有关黑河上游地区冰川积雪面积及其变化的
研究,各学者得到的研究结果也存在很大差异,但大
都表明夏季冰川积雪面积的年际变化为减少趋
势[33鄄34]。 本研究中得到 2010 年冰川积雪面积比
2000年大量减少,主要转变为草地和裸地,这一方面
可能与两期影像数据的拍摄时间不同,导致冰雪的
消融程度不同有关,也存在 2000 年影像图片拍摄于
下雪之后等的可能性。
4.2摇 黑河流域土地利用变化驱动力分析
气候变化和人类活动流域土地利用变化的两大
驱动力,两大驱动力相互影响,共同作用。
近年来黑河流域气温上升速率高于北半球的平
均升温率[35],引发流域土地利用的显著变化。 冰川
积雪面积大量消减,主要是由气候变暖导致的,根据
祁连、野牛沟、托勒 3 个国家级气象站 1960—2010
年的气象资料(来源于中国气象科学数据共享服务
网)分析,近 50 年来上游地区气温呈极显著上升趋
势,上升速率为 0.034益 / a,而从气温的年代变化来
看,2000—2010年的年均温比 1990—2000 年的年均
温高 0.6益,气温的升高加速了冰川积雪的消融。 王
璞玉等人[36] 的研究结果表明 1950 年 / 1970 年—
2003年该流域冰川面积缩小了 29.6%,而本研究结
果表明 2000—2010 年中上游冰川面积年均缩小约
8%,未来气候持续变暖的条件下该流域冰川面积将
持续缩小。 气温升高同时也会促使冰川积雪覆盖地
向草地转化、草地向林地转化。
此外,水域和湿地面积大度缩减,这是气候变化
和人类活动共同作用的结果。 1960 年以来,上游地
区气温极显著升高的同时降水量的增加趋势也较为
显著,年均增长 1. 16mm,同时,根据山丹、张掖、高
台、酒泉、金塔、鼎新、玉门镇、马鬃山 8 个气象站近
50年来的气象资料分析,黑河中游地区降水量有所
增加但趋势不显著,年均增加 0.47—0.67mm(平均
年增长率为 0.31mm),而气温与上游地区一样呈极
显著上升趋势,年均升高 0.028—0.053益 (平均年升
高率为 0.036益)。 由于降水量增加幅度较小,不足
以平衡气温升高带来的蒸发量增加,加上人口增长
带来需水量增加以及调水政策的实施,导致地表水
量进一步减少、地下水位下降,生态用水减少,由于
缺少水源补给,部分河流、沼泽和湖泊干涸,大面积
湿地萎缩,荒漠化加剧。 马鸿勇等人的研究[37]表
明,气候变化使黑河流域地表向干旱化发展的趋势
加快,加上人类活动的影响,2001—2008 年黑河流域
中上游湿地面积累计减少了 166.7km2,而本研究结
果表明 2000—2010 年中上游水域和湿地面积减少
了 378.1km2,其中有 350.0km2转变为了未利用地,主
要是荒漠和裸土沙地。
黑河流域引发土地利用变化的人为因素主要是
人类的开发活动和近年来实施的生态治理措施。 随
着人类影响的深入,城乡工矿居民用地增加,中游人
类活动密集区耕地面积大幅度增加,大量的荒漠和
草地被开垦为耕地,尤其是民乐和山丹两县,其耕地
增加的面积分别占研究区耕地增加总面积的 29.1%
和 30.1%。 2000—2010 年,黑河上游地区实施了一
系列生态治理措施,如天然林封育、草地围栏封育、
人工造林、黑土滩沙化治理等,这些工程的实施增加
了上游和中游地区林地面积,但是由于流域水资源
消耗和降雨量的减少部分地区林地和草地呈现退化
趋势,荒漠造林和林地荒漠化是人类和环境共同影
响的结果。
4.3摇 土地利用变化对流域水土保持功能的影响
黑河流域干旱缺水、生态环境脆弱,水源涵养和
土壤保持功能的发挥对流域生态环境稳定性具有重
要作用。 在气候变化和人类活动共同作用下,该流
域土地利用变化在 2000—2010 年发生了显著变化,
这些变化影响区域的物质循环和能量流动,进而影
响到水源涵养和土壤保持服务功能的发挥。
2207 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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2000—2010年,黑河中上游地区土壤储水量显
著增加,主要原因为林地的大面积增加。 然而,冰川
面积缩小、林地和耕地面积的持续增加可能消耗更
多的水资源,因此在流域气候暖干化背景下,未来该
地区水资源短缺将会持续加重。
2000—2010年黑河中上游地区土壤保持力呈现
增加趋势,主要原因为林地和耕地面积的增加。 然
而应该看到,在人类活动用水量增加的情况下,生态
用水进一步被挤占,这将直接导致原来的水域,包括
河流、湖泊、沼泽滩地的面积迅速减少,地下水位持
续降低[38],进而影响植被尤其是中、低覆盖度草地
以及依靠地下水维持生存的非灌区植被的退化,进
而削弱天然植被的稳定性,在风力作用下容易造成
潜在荒漠化,土壤保持功能可能受到影响。
4.4摇 黑河流域生态系统服务功能改善建议
针对黑河流域水源涵养和土壤保持功能的提
升,提出以下建议:
(1)黑河中上游地区林地增加虽然增强了区域
的水源涵养和土壤保持功能,但由于林地的蒸腾作
用较强,气候暖干化,在黑河流域比较缺水的情况下
需要适度发展。
(2)中游地区应严格控制耕地的大规模扩张趋
势,确定适宜的耕地规模,保证生态用水的供给,保
证黑河流域山地鄄绿洲鄄荒漠系统的稳定和可持续发
展,实现生态系统服务功能的持续发挥。
(3)黑河流域湿对中上游土地利用变化较为敏
感,同时湿地也是其它生态系统健康状况的重要指
示,保护湿地对维护流域内生态稳定,对土壤保持功
能的实现具有重要意义。 为此,应积极开展湿地生
态保护,对湿地进行封育保护,减少人为干扰,同时
保护周围生态环境稳定性。 必要时可逐渐退耕还湿
或改为人工湿地,保证流域湿地面积的稳定。
致谢:中国科学院生态环境研究中心伍星老师和汪
亚峰老师帮助写作,特此致谢。
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