土地利用時空變化對寧夏鹽池縣沙區(qū)人居環(huán)境的影響

王曉學，林田苗，吳秀芹

（1.中國科學院 生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家重點實驗室，北京 100085；2.水利部水土保持植物開發(fā)管理中心，北京 100038；3.北京林業(yè)大學 水土保持學院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083）

土地利用時空變化對寧夏鹽池縣沙區(qū)人居環(huán)境的影響

王曉學1，林田苗2，吳秀芹3

（1.中國科學院 生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家重點實驗室，北京 100085；2.水利部水土保持植物開發(fā)管理中心，北京 100038；3.北京林業(yè)大學 水土保持學院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083）

中國北方地區(qū)的沙害嚴重威脅著當?shù)氐纳鷳B(tài)安全、社會經(jīng)濟發(fā)展和人民的生命財產(chǎn)安全。以地處毛烏素沙地南緣的寧夏鹽池縣北部風沙區(qū)為案例，研究其近20 a以來的土地沙化、建設用地、植被變化等土地利用/覆被變化的時空特征，分析了其對人居環(huán)境的影響。結(jié)果表明：土地沙化加大了該區(qū)人居環(huán)境改善的難度；路網(wǎng)密度增加為人們出行提供便捷；公共用地布局合理與否很大程度上影響著人居環(huán)境改善的進程及成果；植被變化特別是天然植被的變化也是影響人居環(huán)境安全不可忽視的重要因子。圖2表3參18

土地利用/覆被變化；沙區(qū)人居環(huán)境；土地沙化；鹽池

中國北方地區(qū)的沙害嚴重威脅著當?shù)氐纳鷳B(tài)安全和社會經(jīng)濟發(fā)展，并直接威脅著沙區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全。中國是世界上人多地少、生態(tài)與環(huán)境問題較為突出的發(fā)展中國家，目前可持續(xù)發(fā)展中所面臨的許多問題，都與土地利用/覆被變化有著內(nèi)在的聯(lián)系［1］，土地利用反映了人類與自然界相互影響與交互作用最直接和最密切的關(guān)系［2］。人類利用土地在發(fā)展經(jīng)濟和創(chuàng)造物質(zhì)財富的同時，也對自然資源結(jié)構(gòu)及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響［3］，F(xiàn)u［4］認為土地資源的過度開發(fā)利用導致了水土流失、荒漠化和生境破碎化等土地退化現(xiàn)象的發(fā)生，嚴重的水蝕和風蝕已使中國國土面積的37.1%遭到破壞。生境和土地覆蓋變化日益趨同所導致的以生物多樣性損失、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力下降為主要標志的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變是20世紀2個重要的生態(tài)災難［5］。所謂沙區(qū)人居環(huán)境是指居民在沙化基質(zhì)上構(gòu)建的自然人工復合居住環(huán)境，是沙區(qū)居民與這種基質(zhì)空間密切相關(guān)的一切生存（如起沙日數(shù)多，沙塵暴頻發(fā)）、生產(chǎn)（如沙打、沙埋農(nóng)作物）和生活（如沙埋居民點、水資源匱乏）的地理空間和支撐系統(tǒng)［6］。國內(nèi)對人居環(huán)境的研究主要集中在清華大學［7-8］、浙江大學［9-10］、重慶大學［11-12］等研究團隊。目前，對土地利用覆被對沙區(qū)人居環(huán)境的影響研究則鮮有報道。以下3個方面的問題需引起關(guān)注：①如何控制流沙蔓延速度，防止沙區(qū)居民住地被沙掩埋；②隨著城鎮(zhèn)化進程加快，耕地面積逐年下降，而人口增長加大了對耕地的需求，區(qū)域糧食安全問題凸顯，開放空間（如綠地、廣場等）與住區(qū)的鄰近又可改善人居環(huán)境；③減緩風沙災害造成的損失是沙區(qū)人居環(huán)境改善的必要方式。有研究［13］表明，調(diào)整土地利用和植樹種草，減少城市周邊裸露沙化土地，減少可蝕性物質(zhì)來源是減輕城市風沙災害的關(guān)鍵措施?？茖W治沙造林、退耕還林政策等對改善沙區(qū)人居環(huán)境的意義重大。土地利用的細部特征對理解宏觀尺度變化的影響是十分重要［14］，只有扎根在過去與現(xiàn)在對土地利用/覆被變化有較好認識的基礎(chǔ)上，進而對人居環(huán)境形成、演變和發(fā)展趨勢進行研究，協(xié)調(diào)利用生態(tài)與人居研究觀點，才能更好地解決人居環(huán)境中的復雜問題。本研究分析研究區(qū)20 a來土地利用/覆蓋時空變化背景下沙區(qū)人居環(huán)境的特征及趨勢，探求研究土地利用/覆被時空變化特征與沙區(qū)人居環(huán)境間的耦合關(guān)系，以期為沙區(qū)人居環(huán)境建設提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏鹽池縣北部風沙區(qū)（圖1），地處毛烏素沙漠南緣，37°04′～38°10′N，106°30′～107° 41′E，總面積為4 085 km2。屬于鄂爾多斯緩坡丘陵區(qū)，其間地勢平緩起伏，由侵蝕高丘陵、緩坡丘陵、沙丘、湖泊等地貌單元組成。該地區(qū)年降水量為250～350 mm。降水量年內(nèi)變幅大，7-9月降水量占全年的60%～70%。年平均風速為2.8 m·s-1，年大風日數(shù)24.2 d，沙暴日為20.6 d。年日照時間2 867 h，年蒸發(fā)量為2 600 mm。以多年生草本植物為主，間有半灌木、灌木。土壤主要有黑壚土、灰鈣土和風沙土三大類。研究區(qū)水資源十分缺乏，沒有過境地表徑流和地下徑流補給，全區(qū)95%以上的土地無就地灌溉條件。災害性天氣主要有干旱、風沙、霜凍、冰雹等，其中以干旱、風沙對農(nóng)牧業(yè)和居民生活危害較大，風沙災害、土地荒漠化已成為制約鹽池縣經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸，嚴重阻礙著地區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展。按照《鹽池縣城市總體規(guī)劃》的部署，近期（2010-2015年）城市建設用地11.2 km2，遠期（2030年）城市建設用地14.4 km2，將進一步加大對城市基礎(chǔ)設施建設投入，大力實施西進東擴戰(zhàn)略。

1.2 數(shù)據(jù)資料及處理

數(shù)據(jù)包括1989（來源：中國資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心），1995年，2000年和2007年4期已進行過幾何糾正的Landsat TM遙感影像及對應時間的TM（thematic mapper）影像解譯的土地利用圖。為了驗證影響解譯精度，利用鹽池縣2005年SPOT影像解譯成果、第2次森林普查成果圖等基本圖件對這4期土地利用圖進行校正及重分類，最終確定的土地利用類型為：農(nóng)地、林地（郁閉度＞10%），高蓋度草地（覆蓋度＞50%），中蓋度草地（50%＞覆蓋度＞20%），低蓋度草地（20%＞覆蓋度＞5%），水域，建設用地（其中包括縣級以上主要道路、居民點等），沙地和未利用地9個類別（圖1）。其他數(shù)據(jù)資料還包括研究區(qū)1∶50 000地形圖、1995-2007年社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒和鹽池縣實地調(diào)研數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)位置及1989-2007年研究區(qū)土地利用/覆被現(xiàn)狀圖Figure 1 Location of the study area and land use/cover map of the study area in 1989-2007

1.3 研究方法

Forman等［16］認為，道路密度是直接度量道路造成景觀斑塊化的指標，道路密度（dr）指的是在一定區(qū)域內(nèi)，道路網(wǎng)的總里程（l）與該區(qū)域面積（S）的比值。公式表示如下：

利用4期TM影像提取研究區(qū)道路密度的變化，以指示近20 a來研究區(qū)道路增加對區(qū)域景觀造成的破碎化程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地沙化對人居環(huán)境的影響

控制流沙蔓延的速度，防止沙區(qū)居民住地被沙埋，保護住戶的生存安全，已成為沙區(qū)人居環(huán)境體系建設的主要方面。如表1所示，在過去20 a，沙化土地面積總體上呈前先上升后下降的趨勢。1995年前后是研究區(qū)沙漠化最為嚴重的時期，沙漠化土地占到了總面積的16.05%，這與郭堅等［17］研究結(jié)論基本一致。自20世紀80年代后期以來，為了盡快解決那些自然環(huán)境惡劣，生存條件艱難，特別是在原居住地無法解決人畜飲水和生活出路的貧困鄉(xiāng)村群眾的生計問題，開始實施生態(tài)移民，把俗稱為鹽池“三條沙帶”上居住的大部分農(nóng)民搬遷出來，安置在城西灘等水源較好的地方居住。但由于該區(qū)域農(nóng)田防護林和防風固沙帶的建設起步較晚，防護措施尚不健全，風季遭遇風沙的危害較為嚴重，以后存在棄耕的危險性。一旦棄耕，由于地表天然植被已被破壞，植被恢復將是一個漫長的過程；遷出區(qū)耕地荒廢，宅基地浪費的現(xiàn)象明顯，而且研究區(qū)處于基礎(chǔ)設施建設快速發(fā)展時期，隨意取土現(xiàn)象較普遍，這些都為土地沙化和沙塵暴的發(fā)生準備了物質(zhì)基礎(chǔ)，由此造成了1995年前后土地沙化面積增加，土地沙化的發(fā)展會進一步吞沒良田、牧場等可利用土地，導致生境惡化，貧困加劇，并破壞交通、居住區(qū)等人居環(huán)境系統(tǒng)。而20世紀90年代后期由于退耕還林還草、圍欄禁牧等政策和一系列治沙項目的實施，生態(tài)環(huán)境得到了明顯好轉(zhuǎn)，人們愿意安置下來，而2.2.2節(jié)中人口重心總體向東北偏移的趨勢吻合也很好的證明該區(qū)人居大環(huán)境在好轉(zhuǎn)。

表1 研究區(qū)不同時期土地沙化面積Table 1 Area of desertification land during different periods

2.2 建設用地增加對人居環(huán)境的影響

2.2.1 道路對人居環(huán)境的影響 分別計算道路0～2，2～4，和4～6 km緩沖區(qū)內(nèi)近20 a來居民點面積占總研究區(qū)居民點總面積的百分比，用來表征主要交通干線對居民出行的便捷度變化。結(jié)果（表2）顯示，近20 a來，研究區(qū)道路密度增加了1倍，主要交通干線0～2 km緩沖區(qū)內(nèi)的居民點面積比例增加了20%，表明隨著研究區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展，交通建設給人們出行帶來便利，為農(nóng)村人居環(huán)境建設打下基礎(chǔ)；2～4 km緩沖區(qū)內(nèi)居民點面積變化比例先增大后減小，其主要原因是隨著主要交通干線路網(wǎng)密度增加，2～4 km緩沖區(qū)內(nèi)的人們到達主要交通干線的距離更加便利，逐漸減少到2 km范圍以內(nèi)，因此0～2 km緩沖區(qū)內(nèi)的居民點面積比例明顯增加；4～6 km范圍內(nèi)居民點面積減少到7%左右，但到2007年為止，交通主干道4 km以上緩沖區(qū)內(nèi)的居民區(qū)面積占到35%以上，主要是因為研究區(qū)地處農(nóng)牧交錯帶，以靠養(yǎng)殖業(yè)為生的居民更愿意遠離交通發(fā)達區(qū)域居住，以保證有豐富的草源。因此，沙區(qū)人居環(huán)境體系的建設應充分考慮不同民族文化、習俗等因素，建立多元化的住區(qū)文化環(huán)境。

表2 不同時期主要交通干線對居民的便捷度的影響及道路密度的變化Table 2 Influence of major commuter arteries to the convenient level of inhabitants and the density of roads in different periods

2.2.2 居民用地、公共用地變化對人居環(huán)境的影響 1985-2007年間研究區(qū)人口凈增2.6萬，加大了對居住面積的需求，使得大片農(nóng)田被轉(zhuǎn)為建設用地，造成耕地面積逐年下降。而人口增長也加大了對耕地的需求，但2007年耕地保有量卻比1989年減少了49%，使得研究區(qū)糧食安全問題凸顯，沙區(qū)人居環(huán)境改善缺乏基本物質(zhì)保障。為保證沙區(qū)綠地空間、基礎(chǔ)設施與住區(qū)的鄰近性，避免土地浪費和設施的重復建設，分析多時間序列上人口的空間分布格局及人口重心的遷移趨勢，以此作為科學建設沙區(qū)綠地空間、基礎(chǔ)設施等規(guī)劃的依據(jù)。通過對1985年，1990年，1995年，2000年，2003年，2005年和2007年人口重心的計算，得到研究區(qū)近20 a來的人口重心的動態(tài)演化（圖2），人口重心總體有向東北偏移的趨勢，這與《鹽池縣城市總體規(guī)劃》提到的“東擴”戰(zhàn)略基本一致，但筆者多次對研究區(qū)實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，綠地空間、基礎(chǔ)設施等的建設情況并不能很好地反應人口重心遷移趨勢，新建的生態(tài)移民區(qū)防護林網(wǎng)缺乏，道路也不完善。因此，未來研究區(qū)人居環(huán)境體系建設中，應考慮將綠地空間等公共用地與人口空間分布狀況和人口重心的遷移趨勢相吻合，提高重要基礎(chǔ)設施資源的共享性，盡可能減少建設成本，公共用地布局是否合理很大程度上影響著人居環(huán)境改善的進程及成果。

2.3 植被對人居環(huán)境的影響

由表3可以看出：1989-2007年間研究區(qū)林地面積增加了14 846 hm2，高覆蓋度草地面積呈持續(xù)減少趨勢，20 a間共減少了3 157 hm2，占1989年高覆蓋度草地面積的66.09%；而中覆蓋度草地和低覆蓋草地面積均呈增加趨勢，分別增加了79 054 hm2和1 587 hm2。中覆蓋度草地、林地年變化率分別為2.85%和2.30%。以1995年為界，研究區(qū)林地面積1995年之前呈下降趨勢，1995年之后有明顯增加，這與20世紀90年代后期大力開展治沙造林、退耕還林政策有關(guān)。由于數(shù)據(jù)資料有限，僅對1982-2001年的揚沙日數(shù)和沙暴日數(shù)做趨勢分析，總體有下降趨勢。有研究［18］表明：地表植被覆蓋率決定了沙塵天氣年發(fā)生的頻次。20世紀80年代后期由于過度放牧、濫采濫樵等造成植被急劇減少，使生態(tài)系統(tǒng)保持水土、涵養(yǎng)水源等服務功能降低，并最終使風沙、旱澇等災害的頻度和強度都有很大程度增加；而20世紀90年代后期開展的大量生態(tài)建設項目，使研究區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善，沙塵天氣發(fā)生的頻次減少，研究區(qū)肺病哮喘人數(shù)有所減少。

圖2 1985-2007研究區(qū)人口重心的遷移（圖中虛線表示人口轉(zhuǎn)移的趨勢）Figure 2 Movement the population gravity center in the study area（1985-2007）

表3 研究區(qū)20 a來的植被面積變化Table 3 Vegetation area changes of the study area in the past 20 years

3 結(jié)論

結(jié)果表明：①1995年前后是寧夏鹽池縣北部風沙區(qū)沙漠化最為嚴重的時期，沙漠化土地占到了總面積的16.05%，土地沙化加大了該區(qū)人居環(huán)境改善的難度。②近20 a來，研究區(qū)道路密度增加了1倍，主要交通干線0～2 km緩沖區(qū)內(nèi)的居民點面積比例增加了20%，2～4 km緩沖區(qū)內(nèi)居民點面積變化比例先增大后減小，4～6 km范圍內(nèi)居民點面積減少到7%左右，沙區(qū)人居環(huán)境體系的建設應充分考慮不同民族文化、習俗等因素。③1985-2007年間研究區(qū)人口凈增2.6萬，居住面積需求增加，大片農(nóng)田被轉(zhuǎn)為建設用地，2007年耕地保有量卻減少了49%，糧食安全問題凸顯，沙區(qū)人居環(huán)境改善缺乏基本物質(zhì)保障。人口重心總體有向東北偏移的趨勢，綠地空間、基礎(chǔ)設施等的建設情況并不能很好地反應這種遷移趨勢，公共用地布局是否合理很大程度上影響著人居環(huán)境改善的進程及成果。④1989-2007年間研究區(qū)林地面積增加了14 846 hm2，以1995年為界，1995年之前呈下降趨勢，之后有明顯增加。高覆蓋度草地面積呈持續(xù)減少趨勢，近20 a間共減少了3 157 hm2，占1989年高覆蓋度草地面積的66.09%；而中覆蓋度草地和低覆蓋草地面積均呈增加趨勢，分別增加了79 054 hm2和1 587 hm2。中覆蓋度草地、林地年際變化率分別為2.85%和2.30%，20世紀90年代后期開展的大量生態(tài)建設項目，使研究區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善。研究區(qū)植被增加是沙區(qū)人居環(huán)境改善不可忽視的重要因子。

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The impact of land use/land cover changes on human settlements in sandylands

WANG Xiaoxue1，LIN Tianmiao2，WU Xiuqin3
（1.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology，Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085，China；2.Plant Development and Management Center for Soil and Water Conservation，Ministry of Water Resources，Beijing 100038；3.Key Laboratory of Soil and Water Conservation& Desertification Combating，Ministry of Education，College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing 100083,China）

Sandstorm is a serious threat to the local ecology，socio-economic development，and property in China’s northern region.Clear perception of land use history and its main driving factors is crucial step to understand regional living environment，including its pattern,evolution and trends.The study was conducted in the northern sandy areas of Yanchi County，which was located on the southern edge of the Mu Us Sandyland. Spatial and temporal land use/land cover changes，such as land desertificationroad,residential land，and vegetation,were quantified from 1989-2007 using GIS and RS technology.The impact of these changes on the environment of human settlements was also analyzed.Results showed that：1）the most serious land desertification occurred around 1995，which accounted for 16.05%of the total area.Land desertification made the local living environment more difficult to improve.2）road density doubled during study period,but there was a significant difference of road density in residential area varying from 2 to 6 km road buffer zones.3)food security issues were highlightened because lots of farmland（around 49%）was developed into construction land. Overall population shifted towards northeast,but trend of green space，infrastructure construction are not well reflect this trend.Reasonable public land layout greatly influenced the process and achievements toward im-proving the living environment.4）vegetation area showed a decreasing trend until 1995，followed by a significant increase；but“high coverage grassland”area continuous decreased.Vegetation change particularly changes in natural vegetation which was an important factor for a safe living environment should not be ignored.Our findings implied that there was a complex balance between land cover change and living environment.We strongly suggested the clear perception of spatial and temporal land use/land cover changes which would be helpful in guiding regional human settlement construction.［Ch，2 fig.3 tab.18 ref.］

land use/land cover change；human settlements in sandylands；land desertification；Yanchi

S-0；F301

A

2095-0756（2014）01-0111-06

10.11833/j.issn.2095-0756.2014.01.017

2013-01-06；

2013-03-12

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD16B02）；國家自然科學基金資助項目（40801039）

王曉學，博士研究生，從事地理信息系統(tǒng)（GIS）應用研究。E-mail：wxc_8787@126.com。通信作者：吳秀芹，副教授，從事GIS應用以及土地變化科學方面的研究。E-mail：wuxq@bjfu.edu.cn