近10年巴音河流域土地利用變化及驅(qū)動力分析

段紅騰, 吳發(fā)啟,2, 楊一凡, 李陶陶

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

土地利用/土地覆被變化不僅是全球及區(qū)域環(huán)境變化的主要影響因素，也是人類社會活動作用于陸地表層環(huán)境所呈現(xiàn)出的顯著形式，反映著人類與環(huán)境的相互作用關(guān)系[1-2]。因此，近年來以人類活動—自然環(huán)境耦合系統(tǒng)為核心的土地利用動態(tài)變化過程逐漸成為眾多學(xué)者的研究焦點[3-5]。西北內(nèi)陸干旱地區(qū)地域遼闊但水資源極度缺乏，在人類活動和自然氣候的長期作用下，形成獨特的土地利用格局[6]。巴音河流域作為柴達木盆地最為重要的綠色生態(tài)農(nóng)耕牧業(yè)區(qū)，自20世紀90年代西部大開發(fā)以來，土地利用結(jié)構(gòu)變化愈發(fā)劇烈，嚴重影響著當?shù)刈匀坏乩頎顩r[7]。部分學(xué)者就巴音河流域生態(tài)環(huán)境、土地利用變化特征及驅(qū)動力等方面進行了系統(tǒng)研究[7-10]。但關(guān)于該流域土地利用演變的時效性及完整性研究仍存在不足，主要側(cè)重于探討較長時間序列的自然氣候條件在土地利用格局變化中所發(fā)揮的作用，且均未定量分析社會經(jīng)濟驅(qū)動力。針對以上問題本文選取2006年、2011年、2016年巴音河流域遙感影像數(shù)據(jù)，分別從土地利用變化速度、轉(zhuǎn)移方向和土地利用程度方面研究探討近10 a該流域內(nèi)的土地利用演變規(guī)律，分析人類社會經(jīng)濟活動、自然氣候條件對土地利用變化的影響方向及程度，為協(xié)調(diào)巴音河流域土地利用與社會經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系提供理論依據(jù)及參考價值。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

巴音河流域地處青海省中西部、柴達木盆地東北緣，介于北緯36°53′—38°11′，東經(jīng)96°29′—98°08′，總面積17 600 km2，行政區(qū)劃包括德令哈市、烏蘭縣、天峻縣。該流域?qū)俑咴箨懶詺夂騾^(qū)，水資源極度缺乏，年平均降雨量182.3 mm，多以暴雨形式集中于7—9月。地域降雨差異性較大，北部高山區(qū)降雨量多在200 mm以上，南部平原區(qū)降雨量為50～150 mm。土壤類型以灰棕漠土及風(fēng)沙土為主。植被以荒漠草原、草原帶沙生植被、半灌木荒漠植被為主。研究區(qū)內(nèi)土地利用類型主要為草地、裸地，分別占流域總面積的51.3%，29.04%。此外，耕地面積187.88 km2，居民建設(shè)用地面積僅有30.74 km2。2016年，流域總?cè)丝?4.12萬人，國內(nèi)生產(chǎn)總值達62.1億元，農(nóng)牧民人均純收入10 340元，城鎮(zhèn)居民可支配收入25 346元。

1.2 數(shù)據(jù)源與處理

選取2006年、2011年、2016年Landsat TM影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，利用ENVI 5.4對遙感影像數(shù)據(jù)進行融合、幾何校正(RMS≤1像元)、圖像拼接、裁剪等預(yù)處理工作。3期影像色調(diào)均勻、云覆蓋低于3%。參照中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心的土地分類系統(tǒng)[11]，結(jié)合實際土地覆蓋特征將巴音河流域的土地利用類型劃分為：裸地、鹽堿地、草地、林地、水域、耕地、居民地7大類。通過野外實地調(diào)查及專家經(jīng)驗建立巴音河流域土地利用遙感解譯標志，采取監(jiān)督分類得到2006年、2010年、2016年的土地利用數(shù)據(jù)，根據(jù)外業(yè)GPS定點核查以及隨機抽樣精度檢驗，影像解譯精度均在80%以上。氣象、社會經(jīng)濟等驅(qū)動力分析數(shù)據(jù)均來自于德令哈市統(tǒng)計年鑒(2006—2016年)。利用ENVI及ArcGIS遙感圖像處理軟件制作出巴音河流域不同時期的土地利用空間分布圖(附圖4)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動態(tài)度 單一土地利用動態(tài)度是表達土地利用類型一定時間變化幅度的指標，可定量描述區(qū)域內(nèi)土地利用變化速度[12-13]。對分析土地利用變化所引起的區(qū)域差異、預(yù)測未來土地利用變化趨勢均具有重要意義。其數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：K為土地利用動態(tài)度；T1，T2為研究初期末期；U1，U2分別為T1，T2時間點該類土地利用類型面積。

1.3.2 土地利用轉(zhuǎn)化方向 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠定量表達研究區(qū)土地利用的結(jié)構(gòu)變化特征、反映土地利用類型轉(zhuǎn)變趨勢。該分析方法來源于系統(tǒng)分析中對其狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，通過馬爾科夫模型將土地利用轉(zhuǎn)移變化的面積按矩陣形式羅列，確定土地利用格局的時空演化過程[14]。其數(shù)學(xué)表達式為：

(2)

式中：S為土地利用面積狀態(tài)；n為土地利用類型的種類數(shù)。

1.3.3 土地利用程度 應(yīng)用土地利用程度綜合指數(shù)模型來描繪土地利用程度，研究流域內(nèi)土地利用開發(fā)程度[15]。原理是將土地資源綜合體的利用狀態(tài)分為未利用、自身再生利用、認為再生利用、非再生利用4個等級，并分別賦予分級指數(shù)來表示利用程度。其數(shù)學(xué)模型為：

(3)

(4)

式中：L為土地利用程度綜合指數(shù)，數(shù)值越大，利用程度越高；Ai為土地利用程度分級指數(shù)；Ci為土地利用程度面積百分比；Lb-a為土地利用程度綜合變化指數(shù)；La，Lb分別為a，b時間研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)；Cia，Cib分別為a，b時間第i等級的土地利用程度面積百分比。根據(jù)土地利用程度綜合分析方法，將土地利用分為4級。第1級為裸地、鹽堿地；第2級為草地、林地及水域；第3級為耕地等農(nóng)業(yè)用地；第4級為居民建設(shè)用地。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化速度

由2006—2016年巴音河流域土地利用變化速度進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析(圖1)可知：(1) 鹽堿地、耕地面積分別減小5.32%，0.56%，變化速度均由迅猛減小轉(zhuǎn)變?yōu)閯×以鲩L。2006—2011年，鹽堿地、耕地的減小速度分別為12.97%，4.05%；2011—2016年，鹽堿地及耕地增長速度達6.65%，3.66%。(2) 水域、居民建設(shè)用地面積分別上升1.43%，6.24%，變化速度由緩慢減小轉(zhuǎn)為急劇增長。2006—2011年，水域及居民建設(shè)用地的減少速度分別為2.58%，1.08%；2011—2016年，水域的增長速度為6.24%，居民建設(shè)用地的增長速率高達14.32%。(3) 草地面積有所增加，變化速度由2006—2011年增長9.78%轉(zhuǎn)為2011—2016年減小2.41%。

圖1 不同時期巴音河流域土地利用利用類型變化速度

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移特征

(1) 2006—2011年(表1)，林地轉(zhuǎn)為其他土地利用類型的面積為1 709.66 km2，其中絕大部分轉(zhuǎn)為草地和裸地，占所轉(zhuǎn)化面積的96.87%，而期間僅有639.96 km2的草地和裸地轉(zhuǎn)化為林地，截至2011年林地面積銳減951.93 km2。林地面積的變化主要發(fā)生于黑石山水庫以北的流域上游地區(qū)。耕地主要轉(zhuǎn)化為草地、裸地以及少許的林地和居民區(qū)，但僅有28.71，14.97 km2的草地和裸地轉(zhuǎn)化為耕地，耕地面積減小。水域轉(zhuǎn)為林地、草地的面積是林地、草地轉(zhuǎn)化為水域面積的1.87倍，致使水域面積縮減。居民建設(shè)用地面積在此期間變化較小。

表1 2006-2011年巴音河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

(2) 2011—2016年(表2)，居民建設(shè)用地轉(zhuǎn)化面積的45.62%轉(zhuǎn)為草地，同時11.11 km2的裸地、8.44 km2的草地轉(zhuǎn)為居民建設(shè)用地，最終導(dǎo)致2016年居民地建設(shè)用地面積增加至30.74 km2，主要分布于德令哈市區(qū)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)。由于海西州政府認真貫徹落實封山育林政策，環(huán)境保護成果較為突出，草地轉(zhuǎn)化為林地的面積是林地轉(zhuǎn)化為草地面積的2.2倍，林地面積增幅較大。水域轉(zhuǎn)化為林地和草地面積為36.94 km2，而林地和草地轉(zhuǎn)化為水域的面積是152.46 km2，是減少的4.13倍，水域面積增加。耕地42.92 km2轉(zhuǎn)化為草地、25.18 km2轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕?，同時有67.81 km2草地、44.11 km2裸地轉(zhuǎn)化為耕地，耕地面積有所增加。

2.3 土地利用程度

通過統(tǒng)計3期遙感圖像解譯數(shù)據(jù)，計算分析土地利用程度綜合指數(shù)，從而掌握近10 a巴音河流域土地利用變化程度。2006—2016年巴音河流域土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化(表3)，2006年、2011年、2016年3期土地利用程度綜合指數(shù)分別為192.32，211.57，213.05，但均處于100～400范圍之內(nèi)，表明土地利用處于合理開發(fā)階段。2006—2016年土地利用綜合指數(shù)由192.32上升為213.05，增加20.83，表示該流域在10年間的土地利用處于發(fā)展狀態(tài)，結(jié)合同期流域土地利用變化方向可以得知主要為草地土地利用類型面積的增加。2006—2011年土地利用程度變化量為19.25，而2011—2016年土地利用程度的變化量僅為1.58，根據(jù)土地利用綜合指數(shù)的上升幅度可知該流域土地利用狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，土地利用壓力得以緩解。

表2 2011-2016年巴音河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表3 巴音河流域土地利用程度綜合指數(shù)及變化

2.4 驅(qū)動力分析

2.4.1 社會經(jīng)濟因素 土地利用變化是一個錯綜復(fù)雜的演變過程，驅(qū)動力方面主要包括自然及人為因素，其中人為活動是土地利用類型在短時間內(nèi)發(fā)生急劇變化的直接影響條件[16]。本文以巴音河流域土地利用驅(qū)動力因素為基礎(chǔ)，結(jié)合當?shù)貙嶋H情況及現(xiàn)有統(tǒng)計資料分別選?。后w現(xiàn)該流域人口結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力因子，總?cè)丝?x1)、農(nóng)村人口(x2)；表征當?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動因子，第一產(chǎn)業(yè)增產(chǎn)值(x3)、第二產(chǎn)業(yè)增加值(x4)、第三產(chǎn)業(yè)增加值(x5)；反映該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展狀況的驅(qū)動因子，國民生產(chǎn)總值(x6)、固定資產(chǎn)投資額(x7)、消費性支出(x8)。運用SPSS進行數(shù)據(jù)處理分析得到主成分荷載矩陣(表4)。由表4可以看出x1，x4，x5，x6，x7，x8在第一主要成分中系數(shù)相對較大，x2，x3在第二主要成分中系數(shù)相對較大。

表4 巴音河流域各年份主成分荷載矩陣

進一步分析總?cè)丝?、農(nóng)業(yè)人口對土地利用格局變化的影響方向及程度。在流域總?cè)丝谟?006年10.1萬人增長到2016年13.6萬人的背景條件下，農(nóng)村人口卻出現(xiàn)了15.78%的負增長。農(nóng)村人口的減少導(dǎo)致耕地逐漸荒廢最終演變?yōu)椴莸?，進而形成研究期間流域耕地面積減小，草地面積上升的土地利用變化格局。此外，因總?cè)丝谠鲩L、城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進，10 a間居民建設(shè)用地面積增加11.81 km2，尤其在2011—2016年土地利用動態(tài)度高達14.32%。

2006—2016年，巴音河流域經(jīng)濟發(fā)展迅猛，生產(chǎn)總值由2006年的13.4億元增長至2016年的62.1億元，增長率高達363%，其中第三產(chǎn)業(yè)增長785%。德令哈旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展為該流域帶來巨大的經(jīng)濟效益，致使政府更加注重生態(tài)環(huán)境保護建設(shè)，同時人民群眾經(jīng)濟來源方式及價值觀的改變也不同程度影響著土地利用格局的演變。例如：水域面積由416.35 km2增加到475.72 km2。

2.4.2 自然氣候因素 2006—2016年，巴音河流域年均溫波動上升(圖2)，最低年均溫為2012年的3.8℃，最高年均溫為2016年的5.3℃。氣溫上升導(dǎo)致地表溫度增加，植物及土壤水分的蒸騰加強，進而影響植被生長狀況。降雨量年際間變化較大，但整體表現(xiàn)為增長態(tài)勢(圖2)。最少降雨量為2013年的138.6 mm，最多降雨量為2009年的312 mm。降雨及氣溫變化的綜合疊加作用不同程度影響著土地利用類型的轉(zhuǎn)變。通過降雨、氣溫數(shù)據(jù)可進一步推算出巴音河流域近10 a的干燥度指數(shù)，均處于9～23(表5)。依據(jù)干燥度指數(shù)劃分標準可知該流域?qū)儆诟珊?、極度干旱區(qū)。干燥度指數(shù)的變化趨勢由2006年的9.98波動上升最終達2016年的16.27，2011—2016年上升幅度較大。因此，在政府部門大力實施環(huán)境保護政策的背景條件下，仍出現(xiàn)裸地、鹽堿地面積回升50.69，35.71 km2的現(xiàn)象。

圖2 巴音河流域2006-2016年降雨量及氣溫變化

表5 巴音河流域2006-2016年干燥度指數(shù)

2.4.3 政府政策因素 政策是影響著土地利用變化，德令哈市政府在此期間開展了多項生態(tài)環(huán)境保護工程，如：《青海省德令哈市巴音河(Ⅰ級—Ⅱ級水電站區(qū)段)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急治理工程》的開展極大地促進了當?shù)厮亮魇У木C合治理。生態(tài)自然保護區(qū)的建立、退耕還林等政策的落實對土地利用變化也產(chǎn)生了強制性的影響。研究期間林地面積增長24.22 km2，生態(tài)環(huán)境得到較為直觀的改善。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

自然氣候是土地利用格局演變過程中的根本條件，社會經(jīng)濟活動則為土地利用短時間內(nèi)發(fā)生急劇變化的直接影響因素[16]。根據(jù)巴音河流域土地利用變化及驅(qū)動力分析結(jié)果可知：流域總?cè)丝谏仙?、農(nóng)村人口下降，人口分布呈現(xiàn)出不斷向城市聚集的趨勢，期間農(nóng)村有效勞動力的大量流失致使耕地荒廢逐漸演變?yōu)椴莸?。此外，土地利用格局轉(zhuǎn)變的影響因素是相互交叉作用關(guān)系而非單一對應(yīng)，具有復(fù)雜性及復(fù)合性[17]。流域內(nèi)土地利用類型的轉(zhuǎn)變不僅與人口因素有關(guān)而且與流域內(nèi)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口素質(zhì)、政府政策等緊密關(guān)聯(lián)。近10 a德令哈市旅游業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)得以迅猛發(fā)展，旅游業(yè)所帶來的巨大收益致使政府部門更加注重生態(tài)環(huán)境保護建設(shè)，同時人們的經(jīng)濟來源方式及價值觀的改變也直接或間接影響著土地利用格局的轉(zhuǎn)化。此外，該流域是柴達木盆地最為重要的綠色生態(tài)農(nóng)耕牧業(yè)區(qū)，在提升農(nóng)業(yè)科技水平的同時應(yīng)積極發(fā)展優(yōu)勢農(nóng)副產(chǎn)品，以有限的耕地資源創(chuàng)造更大的經(jīng)濟價值。建議政府相關(guān)部門在進行土地利用規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)結(jié)合土地利用狀況及經(jīng)濟發(fā)展模式，發(fā)展優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，處理協(xié)調(diào)好土地利用與社會經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系。

本文針對巴音河流域土地利用演變的時效性及完整性進行了補充完善，并定量分析了近10 a來該流域社會經(jīng)濟對土地利用變化的影響方向和程度。但在主成分荷載矩陣分析過程中因統(tǒng)計數(shù)據(jù)資源有限，選取的變量指標相對較少，往后研究過程中應(yīng)綜合選取多因子探討其對土地利用變化的影響規(guī)律。

3.2 結(jié) 論

(1) 2006—2016年，巴音河流域的不同土地利用類型的變化軌跡均處于一個交替擴張和縮減的發(fā)展過程。最終演變結(jié)果表現(xiàn)為：耕地、裸地、鹽堿地面積減少，水域、林地、居民地、草地面積增加。

(2) 研究期間，該流域土地類型轉(zhuǎn)移特征為：2006—2011年林地、耕地主要轉(zhuǎn)化為草地和裸地。2011—2016年林地面積在此期間增幅較大主要來源于草地，草地面積大幅減少，居民建設(shè)用地及耕地則主要來源于裸地和草地。

(3) 2006—2016年，土地利用均處于合理開發(fā)狀態(tài)。2011年以后土地利用程度綜合指數(shù)的變化量較之前減小，土地利用狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，土地壓力得以緩解。

(4) 社會經(jīng)濟活動是巴音河流域土地利用變化的主要驅(qū)動因素，其中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，特別是第三產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展對該地區(qū)土地利用格局的演變具有重要影響。自然氣候、政府政策也不同程度影響著土地利用類型的轉(zhuǎn)變。