農(nóng)牧交錯(cuò)帶耕地時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征及驅(qū)動(dòng)力分析
——以烏蘭察布市為例

孔 萌, 蘇根成, 遲文峰

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué), 呼和浩特 010020; 2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

農(nóng)牧交錯(cuò)帶耕地時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征及驅(qū)動(dòng)力分析
——以烏蘭察布市為例

孔 萌1, 蘇根成1, 遲文峰2,3

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué), 呼和浩特 010020; 2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

采用烏蘭察布市1990—2010年遙感解譯獲取的土地利用變化數(shù)據(jù)，研究中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶中烏蘭察布市1990年以來(lái)耕地時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。結(jié)合土地利用動(dòng)態(tài)度模型對(duì)不同類(lèi)型的耕地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出速度進(jìn)行計(jì)算，并采用空間轉(zhuǎn)移矩陣等方法分析了烏蘭察布市1990—2010年耕地演化的時(shí)空過(guò)程，探討了影響耕地變化的驅(qū)動(dòng)因子。結(jié)果表明：1990—2010年期間，烏蘭察布市耕地變化主要是以耕地和草地交替變化為主；1990—2000年期間耕地增加，耕地增加以草地變耕地為主，2000—2010年期間耕地減少，減少的耕地以耕地變草地、林地為主；1995—2005年這10 a烏蘭察布市耕地變化最為顯著，平均動(dòng)態(tài)度為0.55%；人口因素、自然因素、政策因素和生態(tài)工程的實(shí)施是烏蘭察布市耕地變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

農(nóng)牧交錯(cuò)帶; 耕地變化; 遙感; 驅(qū)動(dòng)力; 烏蘭察布市

隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人類(lèi)活動(dòng)的加劇與全球氣候變化極端氣候的頻繁發(fā)生，土地利用格局發(fā)生了巨大的變化，生態(tài)服務(wù)功能與土地利用模式在很大尺度上發(fā)生了重大改變，1995年IGBP和IHDP共同擬定并發(fā)表了《土地利用/土地覆蓋變化科學(xué)研究計(jì)劃》，之后土地利用/覆蓋變化受到了國(guó)外國(guó)內(nèi)科學(xué)家的廣泛關(guān)注[1-2]。土地利用被認(rèn)為是引起區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的主要因素，越來(lái)越成為全球變化研究的焦點(diǎn)[3]，而耕地變化是區(qū)域土地利用變化的核心[4]。耕地資源動(dòng)態(tài)變化的空間格局直接反映了城鄉(xiāng)居民點(diǎn)擴(kuò)展、退耕還林、還草、國(guó)土資源開(kāi)發(fā)等宏觀政策對(duì)中國(guó)土地利用/土地覆蓋變化的影響[5]。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是我國(guó)東部農(nóng)業(yè)區(qū)和西部牧業(yè)區(qū)的過(guò)渡地帶，沙漠化、草地退化使其成為我國(guó)生態(tài)問(wèn)題最嚴(yán)重的農(nóng)牧交錯(cuò)帶[6]。烏蘭察布市屬陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)地帶，風(fēng)蝕水蝕災(zāi)害嚴(yán)重，土地利用類(lèi)型以草地、耕地為主。以烏蘭察布市為研究區(qū)較具典型性。針對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，前人主要對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的土地利用格局進(jìn)行了研究[7-9]，很少針對(duì)某一土地類(lèi)型進(jìn)行分析研究。本文結(jié)合干暖化氣候，分析近20 a烏蘭察布市耕地時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)因子，以期為區(qū)域土地優(yōu)化利用及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供一定決策支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏蘭察布市地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，轄11個(gè)旗、縣、市、區(qū)和1個(gè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，即：集寧區(qū)、察哈爾經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、卓資縣、化德縣、商都縣、興和縣、涼城縣、四子王旗、察哈爾右翼前旗、察哈爾右翼中旗、察哈爾右翼后旗和豐鎮(zhèn)市。面積為5.45萬(wàn)km2，范圍為東經(jīng)109°—114°49′、北緯39°37′—42°28′，總?cè)丝?89萬(wàn)，地處中溫帶，屬大陸性季風(fēng)干旱、半干旱氣候。年平均降水量150～450 mm。全市從北向南主要土壤為棕鈣土、栗鈣土、栗褐土3大土類(lèi)。土地利用類(lèi)型主要有草地、耕地、林地，以草地、耕地為主。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文土地利用變化數(shù)據(jù)基于中國(guó)科學(xué)院TM提取制作的全國(guó)1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)，包括：1990年、1995年、2000年、2005年和2010年研究區(qū)土地利用/覆蓋變化(LUCC)數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

本研究采用《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》國(guó)家最新標(biāo)準(zhǔn)，將一級(jí)地類(lèi)屬性劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6大類(lèi)?；?990年、1995年、2005年和2010年4期LUCC數(shù)據(jù)，通過(guò)GIS空間分析功能和劉紀(jì)遠(yuǎn)等提出的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度模型[10]，分析烏蘭察布市耕地動(dòng)態(tài)變化。采取定性與定量相結(jié)合的方法分析其驅(qū)動(dòng)因子。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度模型，針對(duì)某一種土地利用類(lèi)型在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)可能存在的新增和減少兩種情況，可以將變化分為轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出兩部分[11]：

Vout=(ΔSi-j/Si)×(1/T)×100%

(1)

Vin=(ΔSj-i/Si)×(1/T)×100%

(2)

式中：Vout——第i種土地利用類(lèi)型在監(jiān)測(cè)期間的轉(zhuǎn)出速率；Vin——第i種土地利用類(lèi)型在監(jiān)測(cè)期間的轉(zhuǎn)入速率；ΔSj-i——新轉(zhuǎn)入的耕地面積，即為耕地開(kāi)墾面積；ΔSi-j——轉(zhuǎn)出的耕地面積，即為耕地退耕面積；Si——研究前期耕地面積；T——研究時(shí)段長(zhǎng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 烏蘭察布市耕地的空間分布與面積變化

2010年烏蘭察布市耕地面積171.65萬(wàn)hm2，占市面積的31.50%。從各旗縣內(nèi)部土地利用結(jié)構(gòu)來(lái)看，除四子王旗和察哈爾右翼后旗外，其余各旗縣的耕地比例最大。2010年烏蘭察布市耕地空間分布如圖1所示，耕地廣泛分布于烏蘭察布市各旗縣，烏蘭察布市耕地以旱地為主，主要集中在烏蘭察布市的南部地區(qū)。

圖1 2010年烏蘭察布市耕地分布

從圖2看出，前10 a間，烏蘭察布市耕地先減少后增加，變化總趨勢(shì)表現(xiàn)為面積的凈增加，新增耕地1.20萬(wàn)hm2。2000—2010年10 a間，烏蘭察布市耕地變化的總特點(diǎn)為耕地面積持續(xù)減少，整個(gè)時(shí)段內(nèi)，耕地減少3.71萬(wàn)hm2，其中，2000—2005年間減少3.62萬(wàn)hm2，年均減少0.72萬(wàn)hm2。

圖2 1990-2010年烏蘭察布市耕地總面積

2.2烏蘭察布市耕地轉(zhuǎn)換的時(shí)空特征

根據(jù)1990—2010年烏蘭察布市耕地與其他土地利用類(lèi)型交替演變數(shù)據(jù)(表1)，其耕地收縮與擴(kuò)張?zhí)卣鞅憩F(xiàn)為：除未利用地之外，20 a間耕地在與其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換過(guò)程中均處于凈轉(zhuǎn)出狀態(tài)，其中以耕地與草地相互轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳌８剞D(zhuǎn)變?yōu)椴莸厥歉販p少的主流方向，20 a期間耕地因轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸販p少了1.67萬(wàn)hm2，占耕地轉(zhuǎn)出總面積的73.88%。其次是耕地轉(zhuǎn)為林地和建設(shè)占用耕地。耕地開(kāi)墾主要以草地開(kāi)墾為主，20 a期間草地開(kāi)墾為耕地面積4.23萬(wàn)hm2，占耕地轉(zhuǎn)入總面積的77.07%；其次為未利用地的開(kāi)墾。

表1 1990-2010年烏蘭察布市耕地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出

為了更好地反映耕地總體變化狀況和時(shí)空差異，利用土地利用動(dòng)態(tài)度模型[11]，以與耕地轉(zhuǎn)換的其他土地利用類(lèi)型為劃分單元，計(jì)算1995—2000年、2000—2005年和2005—2010年三個(gè)時(shí)間段耕地動(dòng)態(tài)變化度。結(jié)合表2，1995—2000年耕地變化最為激烈，動(dòng)態(tài)度1.45%，2000—2005年同比 1995—2000年動(dòng)態(tài)度低0.7%。2005—2010年耕地變化動(dòng)態(tài)度趨于0。1995—2000年新增耕地8.72萬(wàn)hm2，退耕面積3.66萬(wàn)hm2，耕地凈增加5.06萬(wàn)hm2；2000—2005年新增耕地1.46萬(wàn)hm2，退耕面積5.09萬(wàn)hm2，耕地凈減少3.36萬(wàn)hm2；2005—2010年耕地變化不大，新增耕地總面積0.08萬(wàn)hm2，退耕面積0.17萬(wàn)hm2，耕地凈減少0.09萬(wàn)hm2。1995—2005年10 a間耕地變化呈倒“V”型變化。

從與其他土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)度看，耕地與草地相互轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)度最大，1995—2010年間動(dòng)態(tài)度值達(dá)到0.93%。期間，1995—2000年最為激烈，草地轉(zhuǎn)向耕地6.75萬(wàn)hm2，動(dòng)態(tài)度為0.79%，耕地轉(zhuǎn)向草地3.48萬(wàn)hm2，動(dòng)態(tài)度為0.41%。2000—2005年退耕還林、還草的面積大于林地、草地開(kāi)墾為耕地的面積。尤其是林地，1995—2000年林地開(kāi)墾為耕地的面積為0.93萬(wàn)hm2，而2000—2005年退耕還林面積達(dá)到0.94萬(wàn)hm2。1995—2005年期間，耕地用于建設(shè)用地的面積為0.42萬(wàn)hm2，主要集中在2000—2005年期間，耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積達(dá)到0.37萬(wàn)hm2。2005—2010年有0.001 8萬(wàn)hm2的建設(shè)用地轉(zhuǎn)為耕地。1995—2010年耕地撂荒面積為0.20萬(wàn)hm2，未利用地開(kāi)墾為耕地面積為1.02萬(wàn)hm2，未利用地變廢為寶變?yōu)楦刂饕性?995—2000年，0.96萬(wàn)hm2未利用地轉(zhuǎn)為耕地。

表2 不同時(shí)期耕地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出類(lèi)型及面積

2.3 耕地變化驅(qū)動(dòng)力分析

縱觀國(guó)內(nèi)外耕地變化驅(qū)動(dòng)力的研究，主要包括人口變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、政策調(diào)控和自然因素[12-17]。通過(guò)收集到的烏蘭察布市的資料及文獻(xiàn)得知，烏蘭察布市的耕地變化主要受人口變動(dòng)[18]、宏觀政策[19-20]和氣候[21]的影響。

(1) 自然因素影響。烏蘭察布市特殊的地理位置和地形條件造成了多旱少澇、多風(fēng)低溫、無(wú)霜期短、局部性暴雨、冰雹等氣象災(zāi)害,而以旱災(zāi)最為頻繁,是影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定的主要原因[17]。而降水和氣溫的變化與當(dāng)?shù)睾底鳛橹鞯姆N植有密切的關(guān)系，也間接影響了耕地的變化。烏蘭察布市1980—2009年30 a平均降水量為353.04 mm，平均氣溫為4.33℃。30 a期間，年平均降水量處于線(xiàn)性下降的態(tài)勢(shì)，而氣溫一直處于線(xiàn)性上升的發(fā)展趨勢(shì)，烏蘭察布市的干暖化現(xiàn)象導(dǎo)致部分土地荒漠化，使耕地、草地及其他用地的用地面積減少。20 a間耕地撂荒面積為0.28萬(wàn)hm2。以2000—2005年耕地撂荒面積最大(表2)，達(dá)到0.17萬(wàn)hm2，占此5 a間耕地減少總面積的3.3%。

(2) 人口因素。人口增長(zhǎng)是耕地變化不可忽視的驅(qū)動(dòng)力之一。1990—2009年烏蘭察布市人口由269.74萬(wàn)人增加到289.72萬(wàn)人，近20年一直處于持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。不斷增加的人口對(duì)土地造成了壓力，加劇了糧食需求，大面積的毀林開(kāi)荒、墾草種糧，使耕地面積不斷增加，1995—2000年，5 a間毀林開(kāi)荒0.93萬(wàn)hm2、墾草種糧6.75萬(wàn)hm2。2000年耕地面積達(dá)到峰值175.37萬(wàn)hm2。2000年以后耕地面積持續(xù)減少。城市化的發(fā)展，加速農(nóng)村人口向城市的流動(dòng)，導(dǎo)致部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。2000年以后耕地轉(zhuǎn)變建設(shè)用地的速率明顯增加，至2010年建設(shè)用地占耕地面積0.47萬(wàn)hm2，占2000—2010年耕地減少總面積的8.9%。2005—2010年，耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地是此期間耕地減少的主要原因。

(3) 政策因素。烏蘭察布市耕地變化與政策性因素關(guān)系很大。國(guó)家及烏蘭察布市政府出臺(tái)的一系列政策直接影響了烏蘭察布市土地利用的變化。20世紀(jì)六七十年代“以糧為綱”的口號(hào)使得人們大面積的毀林墾草種糧，耕地面積迅速增加，但由于對(duì)大自然的過(guò)度索取，再加上人們對(duì)土地的不合理利用使烏蘭察布市的生態(tài)環(huán)境惡化，使烏蘭察布市陷入了“糧化—沙化—貧困化”的惡性循環(huán)中。為了擺脫這種惡性循環(huán)，1994年烏蘭察布市政府提出了“進(jìn)一退二還三”戰(zhàn)略，即每人保證0.067 hm2水澆地、每人退掉0.133 hm2旱地、對(duì)不宜農(nóng)的坡耕地退耕還林、還草、還牧。2000年國(guó)家開(kāi)始實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略,退耕還林(草)、京津風(fēng)沙源治理、天然林保護(hù)等一系列國(guó)家生態(tài)建設(shè)工程的相繼啟動(dòng)，耕地面積開(kāi)始減少，尤其在2000—2005年期間耕地面積迅速減少(圖2)，退耕還林0.94萬(wàn)hm2、還草3.57萬(wàn)hm2，分別占此期間耕地減少總面積的18.5%和70.16%，可見(jiàn)，退耕還草是耕地減少的主要原因；2005—2010年耕地減少速度較為緩慢。

3 結(jié)論與討論

(1) 近20 a間，耕地總面積保持先增加后減少的變化趨勢(shì)。1990—2000年期間耕地整體增加，凈增耕地1.20萬(wàn)hm2，以草地變耕地為主；2000—2010年期間耕地整體減少，凈減少耕地3.71萬(wàn)hm2，減少的耕地以耕地變草地、林地為主。1990—2000年期間耕地增加的速度低于2000—2010年期間耕地減少的速度。

(2) 1995—2000年、2000—2005年和2005—2010年三個(gè)時(shí)間段中，1995—2000年耕地變化最為激烈，耕地變化動(dòng)態(tài)度為1.45%，而2005—2010年耕地變化動(dòng)態(tài)度趨于0。

(3) 近20 a期間，烏蘭察布市耕地與其他土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中,轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)度由大到小為草地、林地、未利用地、建設(shè)用地、水域。動(dòng)態(tài)度依次為1.75%，0.26%，0.14%，0.06%，0.03%。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是中國(guó)北方生態(tài)環(huán)境極端脆弱的地區(qū)之一[5]。內(nèi)蒙古烏蘭察布市是我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)治理的重點(diǎn)區(qū)域, 同時(shí)也是國(guó)家啟動(dòng)的風(fēng)沙源治理、退耕還林還草等各類(lèi)生態(tài)環(huán)境治理建設(shè)工程的實(shí)施地點(diǎn)，土地利用格局多樣突出且干暖化效應(yīng)突出，代表性很強(qiáng)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，土地利用格局的變化是影響生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的重要因素之一。近年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)的加劇，特別是耕地開(kāi)墾引起的土地退化等問(wèn)題，并伴隨氣候變化帶來(lái)的干旱化氣候正使得原本脆弱的農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)環(huán)境面臨巨大壓力，在耕地的變化與大部分區(qū)域氣溫升高的干暖化趨勢(shì)共同作用下激化了資源、生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾。因此，針對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)脆弱性，應(yīng)結(jié)合氣候特征，因地制宜調(diào)整各地土地利用方式，合理利用土地，提高土地利用率，以保障北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的生態(tài)安全。

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SpatiotemporalVariationandDrivingForcesonCultivatedLandChangeinTransitionalAreabetweenPastoralandAgricutural—ACaseofCultivatedLandChangeofUlanqab

KONG Meng1, SU Gen-cheng1, CHI Wen-feng2,3

(1.InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010020,China; 2.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,Beijing100101,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

According to the land use change data by remote sensing images from 1990 to 2010, this paper studied the quantitative dynamic changes of cultivated land in Ulanqab City in the farming-pastoral zone of north China. Some mathematic models were used to study the spatiotemporal change of cultivated land from 1990 to 2010 in Ulanqab City, such as land use dynamic degree model, land use type transferring matrix model, and discussed its driving factors. The results indicate that the change of cultivated land in Ulanqab City from 1990 to 2010, was mainly the cultivated land and grass land changes alternately; the increase of cultivated land from 1990 to 2000,was mainly from grassland, and the cultivated land was decreased in 2000—2010, which was changed into grassland and woodland; during years of 1995—2005, cultivated land change was most significant and the average dynamic degree of land use was 0.55%; population growth, nature conditions, policies and the implementation of ecological engineering were the major driving factors.

ecotone; cultivated land; remote sensing; driving forces; Ulanqab City

2013-09-30

：2013-11-05

國(guó)家自然基金西部地區(qū)基金“耕地動(dòng)態(tài)與干暖化對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)干擾作用以及影響機(jī)理——以烏蘭察布市為例”(41161015);中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目課題(編號(hào)KSZD-EW-Z-021-02);“全球變化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展耦合模型及調(diào)控對(duì)策”項(xiàng)目(2014CB954300)之第二課題“區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類(lèi)福祉關(guān)系模型”專(zhuān)題

孔萌(1989—),女(蒙古族),內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,碩士研究生,研究方向:土地資源開(kāi)發(fā)利用與管理。E-mail:meng15849182177@163.com

蘇根成(1957—),男,陜西府谷人,教授,研究方向:土地資源開(kāi)發(fā)利用與管理。E-mail:sugc1128@sina.com

F301.2

：A

：1005-3409(2014)02-0269-04