图1 沈乌灌域渠道和地下水观测井位置图
步怀亮1，史海滨1，闫建文1，李仙岳1，朱 科1，王艳明2
（1.内蒙古农业大学，呼和浩特010010；2.乌兰布和灌域管理局，内蒙古磴口015200）
摘 要：为了研究变化环境下内蒙古河套灌区沈乌灌域土地利用/覆盖时空变化，并对今后节水改造和节水规划提供指导依据，以沈乌灌域1995、2005年及2015年Landsat影像为数据源，采用基于CART算法的决策树分类对灌域20 a来5种土地利用/覆盖类型进行了分类，并计算了各土地利用/覆盖类型的单一动态度、双向动态度、变化趋势和状态指数，研究了引黄水量等环境变化因子作用下灌域土地利用/覆盖的时空变化。结果表明，①1995—2015年沈乌灌域内沙地和盐碱地分别减少了43.77%和62.54%，植被和荒地分别增加了75.10%和92.32%。②沙地、盐碱地和荒地向植被的转化是植被面积增加的主要原因；荒地频繁与沙地、盐碱地发生相互转化，相互转化的位置主要出现在沙地和渠道的周边。③引水量和地下水埋深是盐碱地、水体的变化主要因子，工程建设是沙地和植被覆盖区变化的主要因子。为缓解灌域的用水矛盾，今后在制定节水规划时应统筹考虑土地利用类型/覆盖与节水改造的关系。
关 键 词：变化环境；灌域；土地利用/覆盖；时空变化
内蒙古河套灌区是中国三大灌区之一，也是重要的粮油生产基地。河套灌区农业生产完全依靠引黄河水灌溉，引黄灌溉用水量占到巴彦淖尔市用水总量的88%。1998年黄委会颁布了《黄河水量调度管理办法》，并规定了在正常年份河套灌区引黄水量由原来的52亿m3控制在40亿m3[1]。与此同时，河套灌区续建配套与节水改造工程也开始进行，据统计，2000年以来，通过工程节水、管理节水、农艺节水等综合节水措施，灌区总计节约灌溉水量约45亿m3[2]。
沈乌灌域位于内蒙古河套灌区的西部，乌兰布和沙漠的东部，属于极度缺水的干旱地区。灌域年均降水量不足250 mm，并且呈下降趋势；蒸发量虽然也呈下降趋势，但年均蒸发量仍保持在2 000 mm以上。1995年以来沈乌灌域内实施了包括渠道衬砌、喷灌、滴灌在内的多种形式节水工程，共投资约3.75亿元，发展节水面积约3.3万hm2。灌区引水量呈下降趋势，全灌域平均地下水埋深由1995年的1.52 m增大到2015年的1.76 m。由于引水量的减少和节水改造工程的实施势必会对灌域的土地利用/覆盖类型造成影响，大面积的沙地、荒地被开发利用，灌域的灌溉面积和灌溉环境发生了极大变化；而土地利用/覆盖类型变化将直接影响着灌域下一步的节水规划和节水工程的实施。因此，对沈乌灌域土地利用/覆盖类型进行时空分析既是对之前变化环境下灌区生态环境响应的研究，又为灌域的农牧业经济发展布局和节水规划提供决策支撑。
已有学者对变化环境下灌区生态环境效应进行了大量研究，但多集中在地下水及土壤环境中[3-5]。杜伟等[6]在分析1981—2010年宝鸡峡灌区变化环境因素的基础上，应用GIS、地统计学和灰色关联分析方法对灌区地下水时空变化进行了研究，提出灌区地下水位动态变化的主要人类活动驱动因素分别为地表水引水灌溉和地下水开采；李彬等[7-8]对内蒙古河套灌区节水改造前后地下水水化学及土壤剖面盐分时空变异与变化特征进行了研究；陈亚新等[9]选择3个不同尺度的研究区，利用ANN模型对未来不同节水水平下河套灌区土壤水盐变化进行了预测，预测结果为大型灌区节水改造提供了依据；刘强等[10]研究表明，变化环境下土壤盐渍化过程是多因子综合作用结果，其中土地管理为主要因子。目前，针对变化环境对灌区土地利用/覆盖类型变化的研究还很少见。
遥感信息技术具有宏观、动态、快速大面积观测的特点，研究表明，应用多相时遥感图像，并利用一定的数字图像处理方法佐以经验性知识可以提高土地利用信息分类精度[11-14]。采用多相时遥感数据结合多种特征量建立决策树对沈乌灌域土地利用/覆盖类型进行空间提取结合灌域渠系分布以及1995—2015年引水量、地下水埋深等变化情况对研究区内土地利用/覆盖类型时空变化规律进行研究。
沈乌灌域位于内蒙古自治区巴彦淖尔市磴口县，东西长约72 km，南北宽约65 km；东经106°20'—107°10'，北纬40°09'—40°57'。灌域属典型温带大陆季风气候，多年平均降水量141 mm，且主要集在7—9月，多年平均蒸发量2 389 mm，年蒸发量是年降水量的17倍，属半荒漠向荒漠过渡的干旱地区；年平均风速3 m/s，全年平均扬沙时间约为80 d，沙尘暴日约为20 d。沈乌灌域地势东南高西北低，平均海拔1 040 m。土壤类型主要为灌淤土、盐土、风沙土、灰漠土、棕钙土和草甸土。植被主要以盐生植物、沙生植物、旱生和中旱生植物为主，代表性植物有芦苇（Phragmites australias Trin）、碱蓬（Suaeda glauca）、盐爪爪（Kalidium foliatum）、黑沙蒿（Artemisia ordosiea）和白刺（Nitraria tangutorum）等。沈乌灌域内有斗渠级以上渠道共745条，总长度1 481.35 km，其中沈乌干渠从黄河直接引水，一干渠和东风分干渠从沈乌干渠上引水，建设一分干、建设二分干、建设三分干和建设四分干从一干渠上引水。灌域内有地下水位长期观测井16眼。灌域渠道和地下水位观测井布置图见图1。
图1 沈乌灌域渠道和地下水观测井位置图
沈乌灌域1995—2015年多年平均引水量5.32亿m3，其中一干渠3.76亿m3，东风分干渠1.56亿m3。图2为沈乌灌域多年引水量变化图。由图2可以看出，东风分干渠引水量呈下降趋势，一干渠引水量呈上升趋势，沈乌灌域年总引水量呈小幅下降趋势。
图2 沈乌灌域1995—2015年引水量变化趋势
图3 沈乌灌域地下水埋深变化趋势
图3为沈乌灌域1995—2015年年平均地下水埋深变化。由图3可知，年平均地下水埋深最大值出现在2006年，地下水埋深为2.04 m，之后基本保持在1.78 m左右。全灌域地下水埋深总体上呈增大趋势。
磴口县是国家生态重点治理县，从20世纪50年代开始，天然保护林、“三北”防护林等一系列国家及内蒙古自治区大型生态工程在磴口县实施，一些企业也通过建设肉苁蓉（Cistanche deserticola）、葡萄（Vitis vinifera）、饲草料基地打造了沙漠生态产业基地，极大地改善了沈乌灌域的生态环境。1998年河套灌区开始实施灌区续建配套与节水改造，截至2015年，沈乌灌域共发展喷灌378.189 hm2、滴灌1 124.562 hm2，衬砌斗级以上渠道471.25 km，衬砌渠道主要分布在一干渠上段支渠及以下骨干渠道、建设一分干、建设二分干。
沈乌灌域4月地表无作物覆盖，水域上无芦苇等植被覆盖，此时土壤返盐现象明显，适合于盐碱地及水域的反演；8月为地表植物生长最茂盛时期，此时图像中易于区分植被覆盖区及非植被覆盖区。因此，分别选取1995、2005年和2015年4月和8月的6景遥感影像开展研究，其中，1995、2005年图像选用Landsat-5卫星数据，2015年遥感图像选用Landsat-8卫星数据。
所有使用的Landsat-5、Landsat-8数据使用前均经过预处理，包括：几何校正、辐射校正、图像裁剪和镶嵌。选择NDVI、MNDWI、SI、K～L变化及K～L变化后第一主成分的纹理均值作为特征量，并利用CART算法建立决策树[15-20]。沈乌灌域内土地利用/覆盖类型种类繁多，本文侧重于耕地、盐碱地及荒地的时空总体变化趋势，因此将沈乌灌域土地利用/覆盖类型分为5类：盐碱地、非农用荒地（盐生植被、沙生植被覆盖区域及裸地）、植被（耕地和林地）、沙地和水域。决策树构建的训练样本和精度评价样本来源于野外实地调查以及高分辨率遥感影像。
利用实地调查数据配合高精度卫星图片对2015年土地利用/覆盖类型分类图进行精度验证，共选出9 311个象元作为精度验证象元，应用混淆矩阵计算出各种地物类型的错分象元、漏分象元的个数，并计算得到各种地物类型生产精度、用户精度、总体精度及kappa系数，见表1。其中总体精度为94.78%，kappa系数为0.93，说明2015年分类结果具有比较高的分类精度。
表1 分类精度评价
为了研究土地利用/覆盖类型变化速率，引入了单一土地利用动态度模型Rs、单一土地利用双向动态模型Rss、土地利用/覆盖类型变化趋势和状态指数Ps。
式中：S1和S2为研究初期和末期区域某种土地利用/覆盖类型的面积；ΔSout为在该时段内某类土地利用/覆盖类型转移为其他类型的土地面积，即转移面积；ΔSin为其他土地利用/覆盖类型转移到某类的面积，即新增面积；T为研究时段，当T的单位为年时，Rs、Rss、Ps为年变化率。
利用CART算法的决策树分类得到了1995、2005年和2015年沈乌灌域土地利用/覆盖类型分布图（图4），并统计出了不同年份不同土地利用/覆盖类型的面积。
图4 沈乌灌域土地利用/覆盖类型分布图
由图4可以看出，1995年植被主要分布在东风分干渠附近，由于东风分干渠下游、一干渠下游的建设三分干和建设四分干年均地下水埋深极浅，编号为巴3井和巴8井年均地下水埋深还不到1 m，因此这些区域存在大量盐碱地；2005年，灌域西南部出现大面积荒地，东风分干渠下游和一干渠下游盐碱地面积大幅减少，植被面积扩大并向灌域中心沙地推进；2015年植被面积进一步增大，灌域南部有大量沙地变为荒地，灌域中心沙地面积进一步萎缩，而盐碱地零星分布在水体和荒地周边。
表2为不同年份土地利用/覆盖类型面积表。由表2可知，盐碱地和沙地的面积总体上呈减小趋势，而荒地和植被的面积总体上呈增大趋势。与1995年相比，2015年沈乌灌域年盐碱地和沙地分别减少了62.54%和43.77%，植被和荒地分别增加了75.10%和92.32%。
表2 不同年份土地利用/覆盖类型面积 km2
将沈乌灌域三幅分类结果图按照1995—2005年和2005—2015年2个时间段进行变化分析，得到了2个时期的土地利用转移矩阵（表3）。
表3 1995—2015年土地利用面积转移矩阵 km2
由表3可知，1995—2015年来土地利用/覆盖类型转移有几大特征：①植被面积增加，主要由沙地、盐碱地和荒地转化而来；②盐碱地和荒地相互转化剧烈；③沙地和荒地有相互转化的现象；④水域面积较为稳定，基本不与其他土地利用/覆盖类型发生转化。
由表3和表4可知，东风分干渠和一干渠各种土地利用/覆盖类型的变化趋势和状态指数Ps符号相同，说明东风分干渠和一干渠内各种土地利用/覆盖类型变化趋势相同。其中，1995—2005年东风分干渠和一干渠沙地Ps指数分别为-0.34和-0.40，表明虽然该区域沙地面积呈减少趋势，但与其他土地利用/覆盖类型相互转化现象明显，说明在这一时期部分“治沙、固沙”成果遭到了荒漠化的入侵。2005—2015年东风分干渠和一干渠沙地Ps指数分别达到最小值，为-0.96和-0.85，表明沙地在此期间呈向其他土地利用/覆盖类型转移的状态，即“净”减小的状态，这与该期间不断加强生态治理以及防风固沙林带建设密切相关。
表4 1995—2015年沈乌灌域土地利用变化速率 %
1995—2005年东风分干渠、一干渠盐碱地Ps指数均小于-0.6，表明盐碱地面积呈减小趋势，这与地下水埋深增加有直接关系，因为土壤盐分和地下水埋深满足指数关系，即土壤盐分随地下水埋深的增大而减小[21]。随着地下水埋深增加，灌域内盐碱地出现“脱盐”的趋势，盐生植物开始生长，盐碱地转化为荒地。2005—2015年盐碱地Ps指数均小于0且大于-0.1，表明盐碱地面积在这一时期虽呈减少趋势，但与其他土地利用/覆盖类型相互转化明显。
东风分干渠水域Ps值在1995—2005年和2005—2015年分别为-0.99和0.89，表明东风分干渠水域几乎没有与其他土地利用/覆盖类型发生相互转化，水域面积在2个时段表现为“净”减少和“净”增加；一干渠水域Ps值在1995—2005年和2005—2015年分别为-0.28和0.73，虽然变化趋势与东风分干渠相同，但与东风分干渠不同的是，一干渠水域与其他土地利用/覆盖类型发生明显的相互转化，原因是一干渠控制范围内多为沙地，水域面积对地下水埋深的变化比东风分干渠更加敏感。
东风分干渠、一干渠植被呈连年增加的趋势，东风分干渠Rs指数从1995—2005年的1.62减小到0.23，表明东风分干渠植被增速减小。由表2可知，2015年东风分干渠植被面积占东风分干渠总面积的56.6%，说明东风分干渠引水量已可满足耕地和林地的用水需求，植被面积趋于稳定。虽然一干渠植被增速也在降低，但一干渠2005—2015年Rs指数为2.85，表明在2005—2015年植被面积仍以每年2.85%的增速增长。目前一干渠仍有大面积的沙地和荒地，预计植被面积还将继续增长。植被面积的增长主要是因为灌区进行渠道衬砌后，渠道输水效率提高，节约水量用于扩大耕地灌溉面积所致。
荒地的Rss指数比其他土地的利用类型的都大，说明荒地与其他土地利用/覆盖类型频繁的发生转化，由表3可知，荒地主要和沙地和盐碱地发生转化。
为了解沈乌灌域20 a土地利用/覆盖类型在空间上连续变化情况，对1995、2005、2015年土地利用/覆盖类型进行连续变化监测，5种土地利用/覆盖类型通过排列组合方式划分出了125种变化类型，根据土地利用/覆盖类型转移的特征，将125种变化类型重新整合分类，共划分为5类，即：①稳定地类，例如：盐～盐～盐、荒～荒～荒等；②转化为植被类，例如：沙～植～植，沙～荒～植、盐～植～植、荒～荒～植等；③沙地、荒地相互转化类，例如：沙～沙～荒、沙～荒～荒、沙～荒～沙等；④盐碱地、荒地相互转化类，例如：盐～盐～荒、盐～荒～荒、盐～荒～盐等；⑤其他类。
图5为经过重新整合后沈乌灌域1995—2015年土地利用/覆盖连续变化监测图。由图5可知，灌域植被覆盖区面积不断增大，在原有沿渠道分布基础上，逐步向灌域中心沙漠延伸；受灌溉水影响，沙地边缘地下水位上升，沙生植被开始生长，因此沙地、荒地相互转化类多出现在沙地的边缘和渠道周边；东风分干渠中、下游，一干渠下游盐渍化土壤面积虽有减小趋势，但土壤盐渍化问题依然存在；盐碱地、荒地相互转化类多出现在地下水波动剧烈区域，如东风分干渠下游、一干渠下游以及水利枢纽（大型的节制闸、分水闸）附近等。
图5 沈乌灌域20 a土地利用/覆盖连续变化监测
1）选择多相时遥感数据，并且利用NDVI、MNDWI、SI等作为CART算法决策树的特征量，可以有效提高分类精度，分类总体精度和Kappa系数分别达到了94.78%和0.93。
2）1995—2015年沈乌灌域内沙地和盐碱地面积分别减少43.77%和62.54%；植被和荒地面积较1995年分别增加75.10%和92.32%。
3）荒地作为“中间”土地利用/覆盖类型，频繁与沙地、盐碱地发生相互转化，相互转化的位置主要出现在沙地和渠道的周边；沙地、盐碱地和荒地向植被的转化是植被面积增加的主要原因，植被有向灌域中心沙漠延伸发展的趋势。
4）土地利用/覆盖类型变化速率表明，1995—2005年是沙地和其他土地利用/覆盖类型相互转化时期，2005—2015年是沙地“净”减少的时期；1995—2015年盐碱地面积减少速率和植被覆盖区增加速率呈放缓态势，但2005—2015年一干渠植被年增长速率仍保持在2.85%，且一干渠仍有大面积的沙地和荒地，预计一干渠植被覆盖区面积在未来将继续增加；一干渠和东风分干渠水域面积变化规律相同，但一干渠水域与其他土地利用/覆盖类型发生相互转化的现象要比东风分干渠明显。
5）引水量和地下水埋深是盐碱地、水体的变化主要因子。在引水量减少和地下水埋深增加的情况下，土壤盐渍化程度将进一步降低，盐碱地将转化为荒地或可利用的耕地；地下水埋深的增加将导致水域面积减小，水域必须依靠生态补水保持现有的面积。工程建设是沙地和植被覆盖区变化的主要因子，随着生态治理工程的推进和不断开垦新的耕地，灌域中心沙地面积将进一步萎缩，灌域需水量增大与引水量减小的用水矛盾将进一步凸显。因此，在制定节水规划时，要统筹考虑土地利用/覆盖类型的变化与节水改造的关系。
6）以往土地利用/覆盖研究区多为绿洲、流域等区域，而针对灌区特别是大型灌区的土地利用/覆盖研究却很少见。2014年沈乌灌域开始实施跨盟市水权转换工程，在采取渠道衬砌和田间工程后，灌域可节约水量2.3亿m3，由节水改造和引水量减少造成的环境变化必将影响土地利用/覆盖类型的变化。在环境突变的情况下，应以5 a或3 a为时间步长加强对沈乌灌域土地利用/覆盖的研究，并对沈乌灌域内生态环境展开研究。
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Spatio-temporal Variation of Land Use under Changing Environments in Shenwu Irrigation District
BU Huailiang1,SHI Haibin1,YAN Jianwen1,LI Xianyue1,ZHU Ke1,WANG Yanming2
(1.Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot 010010,China;2.Wulanbuhe Department of Hetao Irrigation District,Dengkou 015200,China)
Abstract:This paper investigated the spatio-temporal variation of land use in Shenwu within Hetao Irrigation District with a view to providing guidance to water-saving planning.Using the Landsat images in 1995,2005 and 2015 and the CART algorithm,the land use over the past two decades was classified into five types.The temporal change of each type,binary-types,land use index,as well as the impact of the water transferred from Yellow River into this region for irrigation were calculated.The result showed that over the past two decades,the desertified and salinized land in Shenwu had reduced by 43.77%and 62.54%respectively,while cropped and fallow land increased by 75.10%and 92.32%respectively.The increase in cropped land was due to the remediation of desertified and salinized land as well as conversion of fallow land into cropping land.We also found that the desertified,salinized and fallow land can change from one to another,occurring primarily at the desert proximal to canals.Secondary soil salinization was mainly caused by surface-water irrigation,which led to shallow groundwater table rising;the desertification was caused by engineering structures.Land use should be taken into account in planning solutions for resolving the water resource dilemma faced by this region.
Key words:spatio-temporal variation;Land use;changing environment;Shenwu irrigation district
中图分类号：F301.24
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.10.019
步怀亮，史海滨，闫建文，等.变化环境下沈乌灌域土地利用/覆盖时空变化分析[J].灌溉排水学报，2017，36（10）：107-113.
文章编号：1672-3317（2017）10-0107-07
收稿日期：2017-02-21
基金项目：国家自然科学基金重点项目（51539005）
作者简介：步怀亮（1991-），男。硕士研究生，主要从事灌区农业水土环境研究。E-mail:bhl814@163.com
通信作者：史海滨（1961-），男。教授，主要从事节水灌溉新技术和土壤环境科学方向的研究。E-mail:shihaibin@sohu.com
责任编辑：白芳芳