（环境科学专业论文）准格尔地区流域尺度土地覆盖现状、动态及景观特征分析.pdf

s t u d yo fp r e s e n ts i t u 姐1 0 na n d c h a n ga n d l a n d s c a p e c h a r a c t e i u s t i co fl a n dc o v e r a tb a s i ns c a l e si nz h u n g e r r e g i o n a b s t r a c t r e c e n t l y , r e s e a r c ho ng l o b a lc h a n g eh a sb e e no n eo ft h em o s ta c t i v ef i e l d s ，a n d s t u d y o nl u c ci sac o r ef o r g l o b a lc h a n g e s ，b e c a u s et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n p o p u l a t i o n ，r e s o u r c ea n d e n v i r o n m e n ti sb e i n gm o r ea n dm o r ea c u t e t h es h i l i c h a n g c h u a nb a s i na n dt h ew u f e n d i g o uc a t c h m e n tb o t hl o c a t e di n h u a n g f u c h u a nb a s i n w h e r e s o i la n dw a t e re r o s i o ni sm u c hs e r i o u ss i n c e e a r l y l9 8 0 s ，m a n ye c o c o n s t r u t i o np r o j e c t sh a db e e nc a r r i e do u ti nh u a n g f u c h u a nb a s i n i nt h i s p a p e r t h es h i l i c h a n g c h u a nb a s i na n dw u f e n d i g o uc a t t c h m e n tw e r e s e l e c t e da st h es t u d va r e at or e s e a r c ht h ep a a e mo fl a n d - c o v e ra n di t sn a t u r a lf a c t o r s e s p e c i a l yw ea n a l y z e dt h ec h a n g eo fl a n d c o v e ri n 、f e n d i g o uc a r c h m e nb y h i 曲一s p a t i a lr e s o l u t i o ni m a g i n e r ya n dg i s t h ep a p e ra i m e dt os e a r c hf o rr e g i o n a l e n v i r o n m e n tc o n d i t i o n ，t ou n d e r s t a n dt h ed e g r e ea n dr e l a t i o n a l i t ye x p l o i t e db y h u m a n - b e i n g s r e s u l t sw o u l da c t a sr e f e r e n c ef o rp l a n n i n gt or e g i o n a le c o n o m y d e v e l o p m e n t a n d i m p r o v i n g e n v i r o n m e n t a l q u a l i t y t h er e s u l t si n d i c a t e ：t h e s h i l i c h a n g c h u a n b a s i nh a so w n e dah i g hr a t eo f v e g e t a t i o nc o v e r ，h o w e v e r i ts t i l lh a ss o m ei r r e l a t i o n a lp a t t e r n a n a l y s i so nl a n dc o v e ri nt h ew u f e n d i g o uc a r c h m e n tm i g h tb ed i s t i n g u i s h e d a sf o l l o w i n g ：c u l t i v a t e dl a n d sm a i n l yd i s t r i b u t e dt h r o u g ht h ea r e aw i t h i nl e s st h a n s h r u b b e r yl a n d w o o d sa n dg r a s s l a n da r et h em o s ts e n s i t i v el a n d c o v e rt y p e s ；w b o d s w a st h ed o m i n a t e dt y p ei nt l l ew u f e n d i g o uc a t c h m e n tt o d a y , w h i l ec u l t i v a t e dl a n d a l s oi n c r e a s e d t h r o u g h t h ee x a m i n e d p e r i o d l a n d s c a p e s i n d i c e sr e v e a l e dt h a t p a t c h s h a p e so fl a n dc o v e rt y p e sw e r er e l a t i v e l ys t a b l e ，a n dt h e yw e r ef a rf r o m b r o w n i a nm o v e m e n t ，w h i l ef r a c t a li n d i c e s ，r e l a t i v er e l a t i o n a r yi n d i c e s ，a n ds p a t i a l r e l a t i o n s h i pa m o n g d i f i e r e n tl a n dc o v e rt y p e sa l ls h o w e dt h a tl a n dc o v e rt y p e sw e r e i n c l i n i n gt o at e n d e n c yo fb e i n gw e l lm i x e da n dd i s p e r s e d t h er e s e a r c hb e t w e e n l a n dc o v e rt r a n s f o m i n gt y e sa n ds l o p e sr e v e a l e dt h et r a n s f o r m a t i o nf r o mc u l t i v a t e d l a n dt ow o o d s ，f r o mg r a s s l a n d st ow o o d s ，f o r mw o o d st og r a s s l a n d s a n dt h e i r c o r r e s p o n d i n gt y p e s h a dag e r i n g d i s t r i b u t i n g r a t ea l o n g s l o p e ，w h i c hw a s a na n s w e r t ot h er e l a t i o n a r ya c t i o nt ot h es t u d ya r e a h o w e v e r ，t h e r ew e r es t i l li r r e l a t i o n e r yo nl a n dc o v e rp a r e r n s r i c h n e s so fl a n d c o v e rt y p e sb yt e r r a i na n dq u a n t i t yr a t eo ff o r e s t r y , e s p e c i a l l ya ts t e e p e rl a n d i t w o u l db ea p r o b l e m f u r t h e r k e y w o r d s ：z h u n g e rr e g i o n ，b a s i ns c a l e ，p r e s e n tl a n d - c o v e r , c h a n g e o f l a n d c o v e r , l a n d s c a p ec h a r a c t e r i s t i c ，g i s 一、引言 ( 一) 立题定位 本文立足于国际研究前沿，紧扣国家和区域发展需求，利用最新的空间信息技术和数据， 研究流域尺度土地覆盖现状、动态及其影响因子。研究对象包括：以十里长川流域为大背景， 研究其土地覆盖现状，然后以其一级支流五分地沟小流域为窗口，进行精细尺度上的土 地覆盖及其变化分析。主要研究内容包括以下几方面：一是应用“3 s ”技术绘制现状及变化 图；二是进行格局及其影响因子分析；最后是土地覆盖格局变化及影响因子分析，并进行土 地覆盖格局合理性评价。 我国现有的土地利用现状图相当于国外的土地利用与土地覆盖图，如b r y a n 开展的美国 南部破碎化大草原景观覆盖类型和格局动力机制研究【l 】，k e i k o 进行的新泽西森林扩张和土 地利用格局分析【2 ib l t u r n e ri i 开展了土地利用土地覆盖变化研究【3 1 ，这些研究中有关土 地利用图的分类系统往往同时出现土地的自然覆盖和人类利用状况两方面的指标。这t f 是本 文以土地覆盖为研究对象的立题依据。 ( 二) 研究目的与意义 1 单长川是皂甫川i 流域的一级支流，皇甫川流域是黄河流域中上游的级支流，在我国 乃至世界都属于罕见的多沙、粗沙、强烈水土流失的区域之一。解放以后，国家专门成立了 水电部黄河水利委员会，负责对整个黄土高原地区水土流失进行综合考察。从此，拉开了研 究与治理黄土高原水土流失的序幕。二十世纪八十年代以来，皇甫川被作为水土流失重点治 理支流之一，丌展了一系列有关水土流失治理的研究，并且各有不同的侧重面。本文借助遥 感及地理信息系统，特别是利用空间高分辨率遥感影像、已有的土地利用图、地形图等资料， 丌展了十里长川流域及其重点水土流失治理试验区一五分地沟小流域的土地覆盖格局及变 化研究，具体目的和意义叙述如下： 1 、从全幽经济位置看，十罩长川地处鄂尔多斯盆地，属半农半牧且以牧业为主的农牧 交错带“，是中闺西部地区的“腹地”，也是东部经济发达地区通向西北地区的必经之路， 辐射面广，具有得天独厚的自然地理条件。世纪交纪之时，党和国家领导作出开发西部战略， 借助这一东风并依托自治区首府呼和浩特和草原钢城包头的地理、经济和文化优势，鄂尔多 斯市与呼和浩特、包头构成自治区内新世纪里新一轮经济发展的“金三角” 5 1 o 这一新的经 济发展模式使鄂尔多斯市、乃至内蒙古地区的经济得到了长足的发展。如何抓住这一契机， 改善地区土地覆盖现状，改善区域自然生态环境，是进一步治理或根治水土流失的依据，也 是经济得到进一步发展的保障。 2 、从地区政治、经济方面考虑。十里长川位于有“陕甘宁盆地” s 】之称的鄂尔多斯市， 境内矿减丰富，是我国重要的能源及原材料基地。如：境内有储量、品位到开采条件都堪称 世界之最的“内蒙占准格尔煤f f _ | ”( 薛家湾区) ；另外，据中国能源信息网报道，鄂尔多斯盆 地有望成为新世纪大型综合能源接替基地，被称之为“能源之谷”。由于其独特的自然地理 环境和丰富的矿藏资源、农牧业资源，使十里长川流域成为皇甫川流域重点水土流失治理区 域。社会经济的不断发展，同时造成自然环境发生剧烈的变化，如水土流失严重、沙尘暴现 象时有发生。本文拟从土地覆盖及变化的角度，剖析环境变化的原因、规律，为制定水土流 失治理措施提供基础数据，为区域经济持续发展提供保障，为开发利用新能源提供良好的自 然生态环境条件，也为多民族集聚居住区一鄂尔多斯市的政治稳定、民族团结提供自然环境 保障。 3 、从地区经济发展和生态环境历史来看。十里长川i 地处鄂尔多斯市的东部，属堪称“世 界水土流失之最”的黄土丘陵沟壑区，也是有地球“癌症”之称的砒砂岩裸露区。 鄂尔多斯市有着悠久的政治、经济、文化发展历程，是我国著名的“河套文化”发祥地， 其快速发展始于新中国的成立，尤其是改革开放后的二十多年的历程，使其政治经济呈迅猛 发展之势。政治经济的快速发展，使人们同时认识到区域恶劣的生态环境已成为区域经济更 进一步发展的桎梏。党和政府及时制定政策并采取措施，开展了全方位的水土流失治理工作， 特别是皂甫川流域被列入国家治理黄河水土流失的重点项目之后。二十多年的植被恢复治 理，区域土地覆盖率得以提高，水土流失得到一定程度的遏制。但是，生态环境的全面改善、 水土流失的彻底根治仍然是一个漫长而艰辛的工作，需要付出几代甚至几十代人不懈的努 力。本文先以十罩长川流域为背景，研究其土地覆盖现状，又以其一级支流一五分地沟小流 域为窗口，探讨人工治理后，土地覆盖变化的动态过程。同时，对其土地覆盖在不同坡度段 的格局及变化进行了合理性评价。从一个方面探索了区域生态环境的现状和变化规律，这是 使生态脆弱带进入良性循环，防止朝负面方向发展不可缺少的第一步，也是防止水土流失加 剧，尽量较完整地保存我国历史古区的现存地形地貌所必须开展的研究项目之一。 4 、从区域资源调查研究角度看，对鄂尔多斯流域进行的研究工作已较多，如国际石油 公司涉足鄂尔多斯盆地勘探开发盆地内油气：我国水文地质专家近5 年的地质勘查，并发现 鄂尔多斯盆地是个大水盆”；仝川【6 】、杨劫o 、宋炳剧8 1 、和唐海萍【9 1 等分别进行的土地利 用遥感调查、以计算机监督分类为基础的植被空间动态分析、生态用水研究的讨论、植被变 化的生念安全格局分析等。本文以土地资源为对象，从土地覆盖方面入手，进行流域尺度土 地覆盖现状及动态变化研究，目的是为评价区域的生态环境质量现状，深入理解流域土地覆 需变化历程及机理，及时纠正发展中不利于生态系统健康的行动提供参考。 ( 三) 国内外研究概况 1 、土地覆盖及其变化的涵义 土地利用的不同方式造就地表不同的土地覆盖类型，不同的土地覆盖类型影响着人们利 用土地资源的方式，可见，土地利用与土地覆盖之间存在着千丝万缕的联系。因此，长期以 来，研究者们通常将土地覆盖与土地利用及其变化一并加以研究，称之为土地利用土地覆 盖变化( l a n du s e l a n d c o v e r ，简称l u c c ) 。尽管如此，二者仍然存在着差异。土地利用是 一个把自然生态系统变为人工生态系统的过程，是人类对土地资源的开发利用，是人类活动 的产物，侧重于土地的社会属性，包括土地利用类型的更换及同一类型内部利用强度的变化， 如从林地到耕地或森林由密变疏。土地覆盖是地球表层系统最突出的景观标志【”。如，指 地球表面经自然或自然与人类合力作用形成的覆盖物，包括地表植被、土壤、冰川、湖泊、 沼泽湿地及道路等【 ，是自然营造和人工建筑物所覆盖的地表诸要素的综合体，具有特定的 时间和空问属性，具有形态上多时空尺度的变化性，侧重于土地的自然属性。土地利用与土 地覆盖之间又存在相互联系，表现为：后者表示土壤与植被系统的结构，如森林、耕地等； 自u 者则表示人类利用土地资源的方式，如森林可用来生产木材，也可用来保持水土，而单。 土地覆盖类型可以有多重不同的利用方式l l “。 相应地，土地利用变化与土地覆盖变化也有着不同的含义。前者一个最显著的特征是农 业对士地的集约管理，以满足人口增长带来的粮食需求；后者也并不单指自然植被变成耕地 的过程，还包括由农地转变成自然植被这一相反的过程【l 。 2 、国外l u c c 研究概况 社会经济的发展带给自然环境的负面影响，使土地覆盖类型与土地利用方式有了巨大的 改变。很早以来，学者们就开始对这些变化、过程以及其引发的原因进行研究。如1 9 3 1 年， w e b b 对美国大平原( t h eg r e a tp l a i n s ) 农业社会的研究，并认为土地利用类型是出当地 干旱程度决定的( 史培军，2 0 0 2 ) ；英国于1 9 3 1 - - 1 9 3 9 年间，首次开展土地利用的调查【”1 。此 阶段，研究的重点区域集中于南美、东南亚及非洲的热带森林区及温带农业区，并主要从社 会经济的角度，集中于对土地利用覆盖方式的分类、描述、制图及变化机理的初始探讨。 2 0 世纪7 0 年代以来，资源、人口、环境之间的矛盾曰益突出，以气候动态研究为开端 的全球变化研究迅速成为学术界研究的热点领域之一。作为引起全球变化的两大重要因素之 一的七地利用土地覆盖的变化，引起学者们的极大关注，借助遥感技术和计算机，全面展 丌了土地利用土地覆盖变化的研究，使土地利用覆盖及其变化的研究进入一个崭新的阶 段。主要研究成果表明，土地利用是全球变化最主要和最直接的作用因素：一方面，中小尺 度时空的土地覆盖变化是土地利用变化的直接响应【1 8 】；另一方面，土地利用对全球变化也存 在直接的影响，造成的影响将超出其所在的空间范围，甚至波及全球。研究领域涉及到环境 保护与持续发展、生态学、经济学等自然和人文领域。如国际科学联合会( i c s u ) 的i g b p 困际合作项目与国际社会科学联合会制定的i h d p ( 或h d p ) 计划都将l u c c 引入各自中心项 目之。1 9 9 3 年，i g d p 与h d p 两组织联合，将l u c c 计划列入共同的核心项目之一，并将 l u c c 与他们的其它计划相互联系。与此同时，其它一些国际组织与国家也进行了大量的l u c c 研究项目，如联合国际环境署( u n e p ) 的l u c c 评价与模拟、联合国粮食组织( u n f a o ) 土 地利用的分类、国际应用系统分析研究所( i i a s a ) 的l u c 项目，以及国际地理联合国( i g u ) 的l u c c 研究项目等。此外，还与世界气候研究计划( w c r p u n e p ) 、政府间气候变化研究小 组( i p c w m o 和u n e p ) 、全球环境监测系统( g e m s u n e p ) 、全球陆地观测系统( g t o s u n e s c o 和u n e p ) 以及人与生物圈计划( m a b u n e s c o ) 存在一定的联系。 在这些国际性项目之外，包括美国、日本、南非等国，分别独立地开展了多项l u c c 研 究项目，形成了l u c c 的三大学术流派：北美派、日本派和欧洲流派。 3 、中国l u c c 研究概况 人类活动作为把双刃剑，一方面为人们提供异常丰富的物质产物，另一方面却产生出 空前的环境污染、恶化及生态破坏等环境问题【”j 。 中国是世界四大文明古国之一，数千年人类开发利用土地，给人类创造了极其丰富的财 富，使人类得以生存与繁衍，社会得以发展；同时也导致土地覆盖发生了翻天覆地的变化， 产生了各种各样的土地覆盖类型与土地利用类型。尤其是2 0 世纪以来，中国人口猛增，人 类对有限的土地资源( 尤其是耕地、森林) 的需求不断增加，加上政策上的失误，致使森林 植被遭到严重破坏，土地覆盖率急剧下降。致使环境恶化，沙尘暴现象严重，而且这种影响 已跨出国门 1 02 0 l ，引起了国际学术界的高度重视。现有多个有关l u c c 的研究计划( 如 l u g e c 与l u c 研究计划) ，都开展了中国l u c c 的专项研究，促使我国l u c c 研究加快 丌展。 我国土地遥感研究始于2 0 世纪7 0 年代，但e 式出版研究成果资料是八十年代的事，如 8 0 年代出版的1 ：1 0 0 万中m 土埘j a 图集。l u c c 研究全方位地展开始于9 0 年代，其代表 4 性文献如：史培军等编著的土地利用覆盖变化研究方法与实践，该书对中国植被覆盖变化 尤其是深圳l u c c 作了深入研究，使中国的l u c c 研究形成了一个体系；其次，该书的出 版，也是对中国l u c c 研究的阶段性总结，表明我国l u c c 研究的全面展丌b i 。又如采用 卫星磁带数据进行三峡地区卫星遥感土地覆被计算机分类与土地利用等专题研究口2 1 。中国将 l u c c 与全球变化联系起来综合研究，是近些年来的事，包括：应用遥感影像对l u c c 动态监 测与现状分析、建立l u c c 数据库、l u c c 对全球变化及可持续发展的影响、l u c c 与水土 流失的关系、l u c c 变化的机制及建模等方面，涉及到环境、资源、土壤、生态和经济等多 个领域。 纵观困内外有关土地利用变化研究，可以见出，当前区域l u c c 研究的内容主要集中 于以下两点：一是利用遥感和g i s 技术分析l u c c 的定量性质，监测其动态变化过程；二是 试图找出变化的驱动力来揭示l u c c 的机制，从而模拟l u c c 及其不同时空尺度f 的生态 环境影响2 ”，为进一步预测l u c c 、研究全球变化及可持续发展提供基础数据。待提高之处： ( 1 ) 注重于l u c c 对全球变化影响的响应，尤其是气候变化和痕量气体排放的影响，但是， 对区域土地利用变化的生态环境效应和驱动力机制的研究略显不足；( 2 ) 土地利用变化研究 注重于时问和数量的变化研究，而空间变化尤其是质量的变化研究较欠缺；( 3 ) 土地利用变 化及与土地可持续利用有机结合还需进一步深入研究。 4 、“3 s ”技术及其在l u c c 研究中的应用 3 s 技术，即：遥感、地理信息系统和全球定位系统技术的合称1 2 ”，这是目前对地观测系 统中空间信息获取、存贮管理、更新、分析和应用的三大支撑技术。 2 0 世纪5 0 年代后，人t f f y l ：始探讨利用遥感资料进行大范围土地覆盖和土地利用制图的 可行性，发展适用于遥感数据特点的土地分类系统及分类方法等问题。卫星遥感技术在大范 围土地资源的应用始于本世纪7 0 年代，如：瑞士7 0 年代建立的以航空像片对监测区抽样调 查为基础的土地利用监测体系；同期，荷兰建立的全国性土地利用监测体系；中国科学院完 成的“中科院7 8 0 工程”中的“腾冲县大型综合航空遥感试验研究项目”，等等。随着卫星 技术以及计算机技术的迅猛发展，使得有可能在较大的地理区域内进行土地覆盖的详查与制 图。进入8 0 年代以后，人们已在洲际范围内利用气象卫星数据进行土地覆盖的研究，并取 得了有效的成果，如中国的1 ：1 0 0 万全国土地利用图、土地资源图等。尽管如此，全球尺度 范围的卫星数据在土地覆盖和土地利用方面的应用基本上为空白。 上个世纪9 0 年代以来，全球和区域尺度土地覆盖研究与应用方面取得了突破性进展， 如：人类第一次利用卫星数据研制开发了全球具有统一分类方法、统一数据处理规范的高分 辨率土地覆盖的数据库( 杨立民，朱智良，1 9 9 9 ) ；应用t m 资料进行的中国资源环境遥感宏观 监测研究：中国资源环境数据中心在全国范围内按h 1 0 万分幅进行的土地资源调查制图唐 根年，2 0 0 2 。这些宏观的、实时的、动态的遥感数据主要包括： ( 1 ) 利用n o a a a v h r r 数据开发的全球l k m 空间分辨率的土地覆盖数据库； ( 2 ) 全球一个经纬度间距地表生物物理量数据库； ( 3 ) 全球个经纬度间距土地覆盖类型图； ( 4 ) 利用陆地资源卫星数据丌发的美国本土4 8 个州的土地覆盖和利用数据库； ( 5 ) 我国国土资源部地籍管理司与中国土地勘测规划院正在进行的中国土地利用动态遥 感监测项目。 二、研究区概况 本研究选取中尺度范围的十里长川流域、小( 精细) 尺度的十里长川流域级支流一五 分地沟小流域为研究区域。现将其概况介绍如下： ( 一) 十里长川流域概况 1 、自然地理位置 研究区十里长川位于北纬3 9 4 5 3 9 9 7 0 和东经1 1 1 1 1 1 1 1 3 7 0 之间。面积6 4 4 k m 2 ，约占皇 甫j i | 流域面积的2 3 o 。流域大部分面积位于内蒙古准格尔旗境内，仅流域下游( 长滩以下) 术梢少部分位于陕西省府谷县境内，且下游降水偏多，风力减弱，气温偏高。 2 、自然条件概况 ( 1 ) 地貌 地貌是流域的主要物质景观骨架，也是整个流域表层系统的承载体。十里长川地跨鄂尔 多斯高原和黄土高原，地质、地貌的过渡特征十分明显。由于流域独特的地质构造及现代加 速的水土流失，使流域被切割塑造成梁峁窄小、地表侵蚀强烈、冲沟发育、沟壑密布、地形 破碎并且局部地区基岩裸露的典型丘陵沟壑地貌。依地质、地貌的差异将流域地貌分两大主 要类型：黄土丘陵沟壑区和覆沙黄土丘陵沟壑区。其中，黄土丘陵沟壑区指第四纪黄土较连 续分和的流域东部区域，沟谷多切入基岩，呈现出黄土梁峁与红、白色调基岩、沟谷相间的 6 独特地貌。另一方面，覆沙黄土丘陵沟壑区主要指风积沙以条带或片状不连续分布的黄土覆 盖区即再现为黄土梁峁，或沟坡上覆盖了大片的风积沙形成镶嵌于丘陵沟壑地貌之上的 小沙地地貌，地面切割相对较轻，坡面平缓宽展。另外，风蚀是研究区水土流失的主导因素 1 2 5 1 。 ( 2 ) 气候 十罩长川流域处在东南季风与冬季风影响的交错地带，大陆性气候特点突出，属典型的 温带大陆性气候，大陆度约为7 0 。气温白西向东南递增，年平均气温约6 2 7 2 e ，i o 。c 的积温约2 9 0 0 3 5 0 0 。c 。该流域光能资源丰富，日照充足，日照时数约为2 9 0 0 3 1 0 0 ( h ) 。年 降水量约3 5 0 4 5 0 r a m ，伊万诺夫湿润度约d 3 0 5 。降水年变率及年际变率大，年内降水集 中于6 - 9 月，降水量占全年总降水量的8 0 以1 ，冬春季风力强盛而且频繁，年均风速2 - 3 m s ， 大风同数l o 3 0 天。 ( 3 ) 水系水文特征 研究区十里长川流域，属沟壑纵横的黄土丘陵沟壑区，水系丰富，具有很好的树状水系 网结构，是阜甫川两条大支流之一，黄河的二级支流。 ( 4 ) 土壤( 土地资源基本特点和地域分异1 ) 1 j 壤和植被是自然界中各因子相互作用、相辅相成的历史产物。本研究区土壤主要以砒 砂岩、黄土和风沙土为母质，是流域气候、地貌及其它生物与非生物因子综合作用的产物”1 。 分为砒砂岩土类土壤、黄土类土壤和风沙土类土壤。具体讲，分别包括：栗钙土；红土、黄 绵土、黑垆土；m 沙土、草甸土、潮土、盐土。其中，砒砂岩土类土壤渗透能力最差，是产 生地表径流的主要原因之一。 ( 5 ) 植被 该流域内的植被可以说深深地打上了人类活动的烙印，其原生植被主体为暖温型草原植 被一本氏针茅 妒口b u n g i a n a ) 7 草【2 8 】。自清末以来人类括动不断扩展，流域内地带性草原植 被退化严重，现存的本氏针茅草原群落面积较小，甚至可以说只有一些残存的片段；而大面 积分布的是由一些喇干旱、耐践踏、耐瘠薄的植物占优势的百里香( t h y m u ss e r p y l l u m ) 退 化草原，并成为流域内稳定的群落类型，其群落组成中常见的优势神是百里香、糙隐子草 ( c l e i s t o g e n e ss q u a r r o s a ) 、牛枝子( l e s p e d e z a d a v u r i c a ) 等。 流域的现状土地覆盖类型主要包括乔、灌、草和农田等几大类型，从类型数量、面积上 讲，草地比例最大，农地次之，林地最小。 3 、社会经济概况 研究区属于我国北方农牧交错地带( t r a n s e c t i o nz o n eb e t w e e nc r o p p i n ga r e aa n dn o m a d i c a r e a ) 是半湿润农区与干旱、半干旱牧区接壤的过渡地带。其中，农业用地同林、牧用地镶 嵌分和，即农业区划上的“半农半牧区”。农牧交错带的生态实质是农业和牧业两个区域生 态系统相互过渡过程中，具有独特的和由农牧两个相邻系统相互作用程度所决定的一系列特 征，如典型的生念脆弱性。十里长川位于有中国的科威特之称【2 9 1 的鄂尔多斯市，其独特的资 源优势及地理分饰特点决定了十里长川流域在我国农业生态上有着举足轻重的作用，是我国 中、东部平原农业区的生态屏障一阻止荒漠南侵以及流向农区的江河涵养水源等作用。但是， 由于人类活动不e 确的过度干预，极大地破坏了群落间及群落与包括土壤在内的环境条件之 间脆弱的动态平衡，使得该区不但未能起到应有的生态屏障作用，反而成为“生态环境脆弱 带” 3 0 1 。 ( 二) 五分地沟小流域概况 第五章以后的章节均以五分地沟小流域为研究区域，进行了与有关土地覆盖现状及动态 变化及影响因子的详细分析。现将五分地沟小流域自然地理概况简述如下： 五分地沟小流域位于皇甫川支流长川流域中游东岸( 内蒙古水利科学研究所准格尔旗皇 甫川试验站示范区内) ，约东经1 1 r 0 71 5 5 2 ，北纬3 9 。4 5 3 4 4 ”，海拔1 1 3 0 m 。小流域面积约 4 o k m 2 ，河源最高点海拔高度1 2 2 0 m ，河口最低点海拔高度1 0 8 0 m ，高差1 4 0 m 。主河道长 度3 9 8 0 m ，比降2 5 。 试验区地层岩石为二叠系古午峰组的陆相碎屑沉积岩，地层基岩在小流域中下游沟道中 大面积出露。基岩上覆盖着黄土，风积沙大片覆盖于基岩和黄土之上，主体地貌为小流域沟 壑地貌，地形坡度较十里长川流域相对平缓。 气候仍为典型半干旱气候，年均温6 2 c ，日照约3 1 0 0 h ，无霜期1 4 8 天；年平均降水 量3 6 9 m m ，其中，8 0 降水量集中于6 9 月。 土壤类型主要为以砒砂岩为成土母质的栗钙土以及风沙土和黄土。其中栗钙土面积最 大，风沙土次之，黄土面积最小。 原生植被以暖温型典型草原一本氏针茅、短花针茅( p 口b r e v i f l o r ag r i s e b ) 草原为主， 除局部禁牧区有小块渡复较好的本氏针茅群落零星分布以外，退化衍生草原类型一百里香群 落占居主导地位，群落内以百里香、牛枝予、冷蒿( a r t e m i s i a f r i g i d a ) 等为建群种。现有的 人工林地植被以油松( p i n u st a b u l a e f o r m i s ) 林、杨n ( p o p u l u ss i m o n i i ) ，沙柳( 勋胁 粥口o p h y t 出沙棘( 臻即叩 础，h a m n o i d e s ) 、柠条( c 匆口影”4f h 旭r m g 馥& ) 灌丛等为主。另外 还有分布部分人工草地。 三、研究内容与方法 在广泛收集研究区各种资料的基础上，先应用遥感、地理信息系统等技术建立流域土地 覆盖及其变化信息系统；然后，运用生态学、地理学、统计分析等学科知识和方法全面分析 土地覆盖格局及其影响因子；最后，对流域土地覆盖进行合理性评价。 ( 一) 资料收集 上地覆盖数据是反映其基本特征的一种方式，数据经处理后得到土地覆盖基本特征信 息。而士地覆盖变化的数据主要反映土地覆盖类型间的相互转化及其特征。这些数据的表达 方法包括土地覆盖类型分类图、变化图、分类统计及由此构建的综合分析模型等3 1 1 。 本研究所用数据包括两大类：一是文献、网站搜索资料。通过文献查阅、进入相关单位 网站收集获取；另一类为图件与景观统计数据资料。 l 、文献资料 由于前人己在该流域进行过许多工作，收集了大量资料，气象数据来源于相关文献。主 要包括年平均气温、一月平均气温、七月平均气温、l o 积温、年日照时数、年降水量、 5 - 9 月降水量等。另外，进入相关的政府网站，收集到网站中与l u c c 变化相关的人口、经济、 人口变动等资料，补充了研究区背景资料。 2 、圈件资料 遥感数据包括：2 0 0 2 年覆盖十里长川流域陆地卫星l a n d s a t - - 7e t m ( 轨道号1 2 7 3 2 ) 多 波段数据；2 0 0 2 年7 月获取的覆盖五分地沟小流域的空间高分辨率( 空间分辨率为l m ) i k o n o s 多波段数据；1 9 8 7 年9 月拍摄的彩红外航片( 1 ：1 0 0 0 0 ) 。 地理图件资料：包括十里长川流域i ：l o 万地形图( 1 9 8 7 年) 、五分地沟小流域l ：l 万地形 图( 1 9 8 7 年) 。 另外，选用盒争平等3 2 绘制的五分地沟小流域1 9 7 9 土地利用类型图，作为研究区未经 人工治理的的土地覆盖背景原始图件。 ( 二) 资料整理 本研究选择若干性能完善的软件对遥感资料进行处理和统计分析。主要包括e n v i fe n v i r o n m e n tf o rv i s u a l i z i n gi m a g e s ) 3 6 、e r d a s8 4 、a r c l n f o8 ，0 1 、a r c v i e w3 2 ( 又称为 9 个人桌面g i s ) 、p h o t o s h o p6 0 1 等。采取了野外实地调查与影像解译双向互补的方法建立土 地覆盖现状与动态数据。资料整理方法按研究区域分述如下： 1 、十里长川流域资料 十旱长川流域以l a n d s a t 一7e t m 数据为数据源。该数据具有一个t m 数据不具备的、分 辨率为1 5 米的全色波段，通过技术处理获得分辨率明显高于t m 影像的彩色合成图像( 分 辨率为1 5 米) ，便于提取更多、更细的土地利用信息，有利于解译精度的提高。 ( 1 ) 陆地卫星遥感图像的处理 卫星遥感图像处理的目的是使图像变成便于理解和使用的形式，或提耿某些图像特征信 息供进步分析使用。本研究对l a n d s a t 7 数据源处理包括：预处理、波段的选择和r g b 假 彩色合成、融合、几何精校正和图像的裁剪等流程( 见图3 1 ) 。 ( 2 ) 解译标志的确立 在土地覆盖类型图编制中，结合地物光谱特征与周围像元的空间关系，将多光谱数据判 别分类结果转化为土地覆盖类型3 3 】。由于存在同物异谱和同谱异物的现象3 4 1 ，影响了土地 覆盖分类效果和精度。本文将图像上可直接识别到的影像结构特征叠加到光谱信息，如i 颜 色、纹理、形状、走向等，同时参考野外调查资料，确定不同土地覆盖类型的解译标志，作 为遥感图像解译的依据。 遥感原始影像 几何校正( 图像 配准) 、图像增 强、图像融合 e t m 波段选择 r g b 假彩色合成 图像裁剪 野外调蹙资料 _ k人机交互图像解译 整饰输出成果圈 图3 - 1 陆地卫星遥感图像处理流程 f i g u r e3 - i f l o wc h a r to f t h e p r o c e s s e sp r o d u c i n g l a n d - c o v e rm a pf r o ml a n d s a l 一7e t m i m a g e r y ( 3 ) 土地覆盖类型图的生成 土地覆盖类型图的生成包括确定土地覆盖类型和绘制两个步骤： i 地覆盖类型的确立 1 0 属于典型黄土丘陵沟壑区的十罩长川流域，土地覆盖结构相对比较简单。参照我国县级 土地利用现状调查分类系统 3 ”，结合遥感信息空间分辨率、地物光谱特征以及专题信息提取 能力，制定了研究区土地覆盖类型体系：将研究区土地覆盖分为耕地、林地、草地、居民点、 水域和未利用土地六个大类，并进一步细分为十五个小类。 土地覆盖类型现状图绘制 首先，在e r d a s 8 4 软件平台下，叠加肉眼能见到的影像空间结构，进行计算机屏幕人机 交互式解译( 解译所用比例尺为1 ：2 5 0 0 0 ) ，勾画出不同土地覆盖类型图斑；然后，在a r c i n f o f 进行拓扑，形成矢量数据；再次，挂接各图斑的属性，包括图斑的类型、代码、名称、含 义等；最后，在a r c v i e w 软件下整饰、形成十里长川流域土地覆盖类型图。 2 、五分地沟小流域土地覆盖及动态变化资料处理 ( 1 ) i k o n o s 遥感数据蛊夸处理与土地覆盖类型圈魄生成 解泽所用的i k o n o s 遥感影像图的比例尺设定为1 ：5 0 0 0 ，由于i k o n o s 具有很高的空 问分辨率，解译时土地类型可以分到更细的程度，因此，解译标志及土地覆盖类型系统与 e t m 有所不同。另外，处理i k o n o s 遥感数据时，将i k o n o s 空间高分辨率的全色波段数 据( 空剧分辨率为l m ) 与多光谱波段数据( 空间分辨率为4 m ) 进行主成分三次卷积融合， 突出了土地覆盖信息量，得到既保持高的空间分辨率又具有多光谱信息的影像( 其空间分辨 率为1 m ) 。 ( 2 ) 彩红外遥感数据的处理与土地覆盖类型闰的生成 彩自：外航空像片具有对土地覆盖( 植被) 差异反映敏感、分辨力高的特点。数据处理与 e t m 遥感数据影像相比存在以下不同：是解译标志的差异。二是处理过程的差异：彩红外航 片解译是在硬拷贝图上进行的，方法是用聚酯薄膜蒙上航片勾划图斑；然后，通过高清晰度 的扫描仪，输入计算机，存储为二值栅格文件：再在m a p g i s 6 0 软件环境下，数字化线划 图斑，并转出a r c i n f o 能识别的e 0 0 文件格式：最后，进入a r c i n f o 平台，拓扑矢量化， 形成多边形，并挂接属性。三是由于几何变形或空间分辨率的差异，需将彩红外航片解译图 与i k o n o s 解译图进行配准，方法是：在基准图( 由i k o n o s 解译并经地形图校准的解译图) 和彩红外解译图上分别选取若干“控制点”，在e n v l 3 6 软件下纠正配准。其中“控制点” 的选择考虑到几个方面：分布尽量均匀：相应图像识别标志明显：最后是控制点数量为2 0 一 3 0 个，直至误差不超过0 5 个像素点。 ( 3 ) 土地刺用类型硬拷贝图的数字化及土地覆盖类型固的生成 本研究引用1 9 7 9 五分地沟小流域土地利用类型图( 1 ：1 万) 1 3 2 1 , 由此衍生出研究区1 9 7 9 年土地覆盖类型图。 ( 4 ) 坡度图的生成 生成五分地沟小流域坡度图：先进行l ：l 万的地形图( 9 2 年) 数字化，再按研究所需的 坡度段形成五分地沟小流域坡度图。考虑研究区地形特征，本文把坡度分为五个等级：平坡 ( o 3 。) 、缓坡地( 3 7 0 ) 、中坡地( 7 1 5 。) 、陡坡地( 1 5 2 5 。) 、极陡坡地( 2 5 0 ) 。 ( ”土壤分布图的生成 本文的土壤幽是由前人资料( 金争平，1 9 9 2 ) 衍生而来。制图时，结合本文的研究目的 与需要，土壤分为黄土、栗钙土、风沙土和冲积土，一并考虑水域，共五个类别。具体做法 是：将金争平等制成的五分地沟小流域试验区土壤类型图扫描入计算机，跟踪矢量化，合并 部分一级分类项，然后按本文的土壤分类系统形成研究区土壤类型图。最后进入a r c i n f o ， 用经过地形图精校正的i k o n o s 影像对土壤类型图进行配准，使误差不超过1 个象素，形 成可进行叠加比较的土壤类型图。 ( 三) 土地覆盖定量分析方法与景观指数的选取 定量分析景观格局的方法很多，总括起来，不外乎数学指标分析和图形图像分析两种方 法，而且经常是两种方法交叉使用，互为前提，互为补充。以遥感获得的高分辨率、大容量 的信息源为基础，经地理信息系统的处理绘制成景观类型图，再利用其强大的空间分析功能， 分析各种景观指数，进而分析景观格局。 常用的景观格局分析指标较多，许多指标之间在表达含义上有相互重叠的现象。根据研 究所需，本研究中除常用的统计指标外，如土地覆盖面积、所占百分比和平均斑块面积，另 外，还选取了一些景观分析指标，对研究区土地覆盖动态特征进行定量研究。选取的具体景 观指数及其生态涵义将在各相关章节分别进行介绍。 四、十里长川流域土地覆盖现状及格局分析 ( 一) 土地覆盖空间结构分析 各种地理现象都表现出一定结构交规律的空间分布格局，例如斑块镶嵌结构、条带状分 布等，土地覆盖也不例外。土地覆盖基本上是由于土地利用及其结构变化形成的，是自然和 人为条件制约的结果。十里长川作为黄河重点水土流失治理流域之一，受到人类强烈干扰作 用，其土地覆盖是地貌、气候、人类物质文化活动的综合作用的产物。 附图1 显示出该流域土地覆盖的空间结构，即大体上呈现出以草地、耕地为背景，林地 小斑块镶嵌其中，侵蚀沟网嵌套的景观空间格局。水域、居民点占地面小而分散，是欧流域 土地覆盖的基本特点。整个长| i 流域季节性主河道分流域为东西两岸，西岸流域面积略大， 其_ 二、三级支沟甚至更细的支沟进一步将其切割，形成结构上的条块分割及面块、线或条、 斑或点的组合特点。 ( 二) 地覆盖定量分析 土地覆盖数量格局是自然与人们长期利用和改造，加上近半个世纪时来，人口猛增导致 农牧业生产高度发展而形成的，是人类不同土地利用方式的结果。研究区域土地覆盖数量结 构，是掌握区域土地覆盖规律性，研究人类对地利用的舍理性，加强地区土地管理和国土 规划的基础。对于水土流失严重