1990—2018年東北地區(qū)綜合區(qū)劃下自然資源動態(tài)變化特征分析

鄭藝文， 張海燕， 劉曉潔， 劉曉煌， 鮑寬樂， 王小天

(1.中國地質大學(武漢)地質調查研究院，湖北武漢 430074； 2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101； 3.中國地質調查局自然資源綜合調查指揮中心，北京 100055；4.中國地質調查局煙臺海岸帶地質調查中心，山東煙臺 264000；5.自然資源要素耦合過程與效應重點實驗室，北京 100055)

0 引言

自然資源是生態(tài)可持續(xù)利用和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要物質基礎，具有組成結構復雜、區(qū)域差異顯著、時空演變快等特點[1]。目前我國對于自然資源的開發(fā)利用仍有許多不合理之處，浪費和破壞嚴重，甚至會引發(fā)惡劣的生態(tài)環(huán)境問題。而自然資源區(qū)劃工作可以加強對自然資源的科學研究，提高其開發(fā)利用效率，在維護自然資源的同時，促進生態(tài)環(huán)境保護工作。近代地理學家霍邁爾[2]闡述了自然區(qū)劃及其單元內部進行逐級劃分的觀點，為現(xiàn)代自然區(qū)劃研究開辟了新的道路。近年來各國學者對生態(tài)系統(tǒng)進行了大量研究，在此基礎上開展了以植被為主體的自然生態(tài)區(qū)劃[3]。劉闖等[4]根據(jù)中國綜合自然地理地域分異規(guī)律和同級不同指標法的基本理論，提出中國生態(tài)地理區(qū)劃4大區(qū)劃分的學術觀點。同時國內陸續(xù)開展了礦產資源區(qū)劃[5]、農業(yè)區(qū)劃[6]、氣候區(qū)劃[7]等。

雖然國內已有較多成熟的區(qū)劃研究，但大多屬單項自然要素區(qū)劃。隨著科學技術、社會經(jīng)濟的發(fā)展和自然區(qū)劃研究工作的深入， 要求自然區(qū)劃必須適應現(xiàn)代區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展, 必須為區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展服務[8]。自然資源綜合區(qū)劃是綜合自然資源學、地質學、地理學、生態(tài)學和經(jīng)濟學等多科學交叉而成的應用學科，根據(jù)區(qū)域內部的自然資源地域分異狀況，輔以植被、地形地貌、氣候、水文等自然環(huán)境要素，綜合自然資源、條件等的相似性和差異性對區(qū)域進行逐級劃分，以助于分析自然資源的本底狀況以及動態(tài)變化特征，對于區(qū)域研究具有重要的意義[1]。

林地和耕地是國家十分重要的資源。東北地區(qū)是我國重要的木材和糧食生產基地。不同于常規(guī)的地理分區(qū)，本文在張海燕等[1]劃分的七大區(qū)之一的東北林耕自然資源大區(qū)基礎上，根據(jù)4期土地利用數(shù)據(jù)，利用GIS等技術方法，從一級到三級單位對研究區(qū)進行自然資源綜合區(qū)劃，分析該區(qū)自然資源動態(tài)變化特征。單位個體的地域遼闊，區(qū)域內部的自然資源差異相對較大，劃分這些差異對于分析這些單位的自然資源狀況以及時空變化特征具有重要意義[9]，并為資源保護及政策制定提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

東北林耕自然資源大區(qū)主要位于中國七大自然地理分區(qū)之一的東北地區(qū)，主要包括黑龍江、遼寧和吉林3個省及內蒙古東部地區(qū)(圖1)，面積約為104.12×104km2，占全國陸地面積的10.98 %。2018年，森林資源面積為45.20×104km2，占該大區(qū)總面積的43.41%，主要分布在大興安嶺和長白山等山地。植被類型主要為落葉闊葉林與針葉林混交。其中落葉闊葉林分布區(qū)四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷，植被主要為冬季完全落葉的闊葉樹。針葉林主要分布在夏季溫涼、冬季嚴寒的區(qū)域，植被以松、杉等針葉樹為主。東北林耕自然資源大區(qū)地形主要為平原，土壤類型主要有黑土、黑鈣土及草甸土，土壤肥沃，是我國重要的商品糧生產基地。農作物主要有大豆、高粱、玉米、小麥等旱地作物，近年來，平原主要以耕地為主，在靠近江河湖泊的平原地帶種植了大量水稻。2018年，耕地資源面積為35.73×104km2，占該大區(qū)總面積的34.32%。

圖1 東北林耕自然資源大區(qū)土地類型概況

東北林耕自然資源大區(qū)降水較豐富，2018年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示該大區(qū)年降水量約為547.69 mm。除遼東半島外，大部分地區(qū)熱量不足，且濕潤度較大，絕大部分地區(qū)濕潤指數(shù)都在1.50以上，大區(qū)內平均濕潤指數(shù)約為2.90，氣候屬溫帶季風型大陸氣候，大區(qū)內≥10 ℃年積溫為2 399.12 ℃。大區(qū)內植被狀況良好，其中歸一化差分植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)均值為0.80，植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)以碳計的含量均值為256.64 g/m2。

2 數(shù)據(jù)與技術方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源主要包括如下2類。

(1) 環(huán)境地理數(shù)據(jù)。包括氣候條件(溫度、降水、濕度、風速、日照時數(shù)、蒸發(fā)量等)、地形地貌(地貌類型、海拔、坡度、坡向等)、基礎地理(國界線、中國各級行政邊界、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫等)、土壤、水文、植被生長狀況、土地利用(耕地、森林、草原、水域、居民地和未利用土地)等。

(2) 自然資源數(shù)據(jù)。包括遙感影像數(shù)據(jù)(航天遙感影像、航空攝影成果、無人機影像等)、土地資源(農業(yè)地、牧業(yè)地、林業(yè)地、灘地等)、森林資源(森林類型及空間分布等)、草地資源、水資源、濕地資源等。

2.2 區(qū)劃指標體系與權重

建立自然資源定量評價指標體系對保證區(qū)劃的科學性與客觀性具有重要意義[1]。東北林耕自然資源大區(qū)區(qū)劃指標體系主要包括地形地貌要素、氣候要素、植被要素、流域要素和陸表資源要素(表1)。

表1 東北林耕自然資源大區(qū)區(qū)劃要素權重系數(shù)

2.3 技術方法

技術方法采取定量與定性相結合(圖2)，其中定量方法主要有主成分分析法和聚類分析法等，定性方法主要有判別分析法和專家經(jīng)驗等； 同時采取“自上而下”演繹法與“自下而上”歸納法相結合。根據(jù)主導劃分要素以及輔助決策要素研究高層次的地域分異，進行大區(qū)域(地區(qū)) 的劃分, 在此基礎上依次從高到低、由大至小地進行較低層次的小區(qū)域(地區(qū))的劃分，通過分析自然資源分區(qū)的異同，提出自然資源綜合區(qū)劃方案提取研究區(qū)1990年、2000年、2010年、2018年土地利用信息，利用地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)等技術手段，輔以氣候、地形、流域等數(shù)據(jù)分析自然資源時空變化特征及其驅動因素。

圖2 東北林耕自然資源大區(qū)綜合區(qū)劃流程

3 區(qū)劃分級及資源動態(tài)變化特征

3.1 東北林耕自然資源大區(qū)二級和三級區(qū)劃

東北林耕自然資源大區(qū)共劃分至三級，一級為自然資源大區(qū)，二級為自然資源亞區(qū)(7個)，三級為自然資源地區(qū)(14個)(圖3)。二級區(qū)劃命名根據(jù)“自然地理位置+地貌形態(tài)的組合特征+溫濕情況/氣候類型+自然資源一級類型+亞區(qū)”規(guī)則[1]，三級區(qū)劃命名根據(jù)“具體自然地理位置+地貌形態(tài)的組合特征+自然資源二級類型+地區(qū)”規(guī)則[1]。

3.2 東北林耕自然資源大區(qū)自然資源動態(tài)變化特征

1990—2018年間，東北林耕自然資源大區(qū)的耕地面積占比由29.60%升到34.32%，森林面積占比由45.54%降為43.41%，草原面積占比由13.48%降為7.59%，濕地和水體面積占比由6.53%變?yōu)?.18%，建設用地面積占比由2.48%變?yōu)?.18%。其中耕地面積占比逐漸增加，森林面積占比逐漸減少，草原面積占比在2000—2010年之間略有增加，其他時間段在減少，水體與濕地面積占比在1990—2010年逐漸減少，在2010—2018年期間大幅度增加，建設用地的面積占比在逐漸增加。1990—2018年該大區(qū)最主要的變化是森林變?yōu)楦兀s有4.50×104km2森林轉變?yōu)楦?，同時僅有約2.86×104km2的耕地轉為森林； 其次是草原的變化，約有3.40×104km2草原轉變?yōu)楦兀瑑H有1.16×104km2耕地轉變?yōu)椴菰?表2)。

(a) 二級區(qū)劃(b) 三級區(qū)劃

表2 大區(qū)1990—2018年自然資源動態(tài)變化轉移矩陣

2018年，東北大區(qū)水體與濕地資源面積為9.56×104km2，占該區(qū)總面積的9.18%； 草原資源面積為7.90×104km2，占該大區(qū)總面積的7.59%； 建設用地面積為3.31×104km2，占該大區(qū)總面積的3.18%； 荒漠面積2.45×104km2，占該大區(qū)總面積的2.36%。

3.3 二級及三級區(qū)劃自然資源動態(tài)變化特征

東北林耕自然資源大區(qū)分為7個自然資源亞區(qū)，分別為三江平原溫帶耕地亞區(qū)(Ⅰ1)、長白山山地溫帶森林亞區(qū)(Ⅰ2)、遼東平原溫帶森林亞區(qū)(Ⅰ3)、大興安嶺寒溫帶丘陵森林亞區(qū)(Ⅰ4)、小興安嶺山地溫帶森林亞區(qū)(Ⅰ5)、山前平原溫帶耕地亞區(qū)(Ⅰ6)和松遼平原溫帶草耕亞區(qū)(Ⅰ7)。

根據(jù)研究區(qū)在1990—2000、2000—2010、2010—2018以及1990—2018年間的自然資源動態(tài)變化狀況，分析得出區(qū)劃小區(qū)的自然資源變化特征(圖4)。

(a) 1990—2000年 (b) 2000—2010年

三江平原溫帶耕地亞區(qū)(Ⅰ1)在黑龍江省東北部，主要的陸表資源類型是耕地、水體與濕地和森林，2018年在該亞區(qū)的面積占比分別為74.05%、12.72%和8.66%(表3)。1990—2018年間，三江平原溫帶耕地亞區(qū)耕地的面積占比由55.92%上升到74.05%，增加了18.14%，增幅最大的時間段為2000—2018年； 森林的面積占比由13.39%降為8.66%(表3)。

表3 二級區(qū)劃自然資源面積占比統(tǒng)計表

長白山山地溫帶森林亞區(qū)(Ⅰ2)在黑龍江、吉林和遼寧3個省的東部，三級區(qū)劃小區(qū)長白山山地南部灌木林地區(qū)(Ⅰ21)、長白山山地北部灌木林旱地地區(qū)(Ⅰ22)和長白山山地灌木林旱地地區(qū)(Ⅰ23)，主導資源均為森林資源，其次為耕地資源，且資源面積占比在1990—2018年間總體變化不大。

遼東平原溫帶耕地亞區(qū)(Ⅰ3)主要分布在遼寧省南部，三級區(qū)劃小區(qū)遼東平原旱地地區(qū)(Ⅰ31)的主導資源為耕地資源，其次為森林資源，這2類資源在該小區(qū)的面積占比在1990年和2018年間分別為49.66%～47.76%、34.17%～28.23%，耕地資源總體變化不大，森林資源減少了5.94%(表3)。

大興安嶺寒溫帶丘陵森林亞區(qū)(Ⅰ4)位于黑龍江省西北部和內蒙古自治區(qū)東北部，面積約為24.02×104km2，主要的陸表資源類型是森林、濕地和草原資源，在1990—2018年間該亞區(qū)森林面積變動不大，濕地面積占比增加了13.79%，草原資源減少了11.68%，變化主要發(fā)生在1990—2000年間(圖4)。三級區(qū)劃小區(qū)大興安嶺丘陵有林地灌木林地區(qū)(Ⅰ41)在1990—2018年間草原資源減少了該亞區(qū)的15.55%； 大興安嶺丘陵灌木林高覆蓋草原地區(qū)(Ⅰ42)在1990—2018年間森林資源減少了該亞區(qū)的16.15%。

小興安嶺山地溫帶森林亞區(qū)(Ⅰ5)主要分布在黑龍江省北部，該亞區(qū)主要的陸表資源是森林、耕地、濕地和草原資源。三級區(qū)劃小區(qū)小興安嶺山地灌木林地區(qū)(Ⅰ51)的主導資源為森林資源，其次為耕地資源，這2類資源在該小區(qū)的面積占比在1990—2018年間總體變化不大； 小興安嶺山地灌木林旱地地區(qū)(Ⅰ52)總面積約0.83×104km2，該區(qū)的主導資源為森林資源，其次為耕地資源，在1990—2018年間，森林資源減少了該亞區(qū)的14.85%，耕地資源增加了12.27%，變化主要發(fā)生在1990—2000年間(圖4)。

山前平原溫帶耕地亞區(qū)(Ⅰ6)主要分布在黑龍江省中部和吉林、遼寧省西部，陸表資源類型主要是耕地、森林和濕地。三級區(qū)劃小區(qū)遼河平原南部旱地地區(qū)(Ⅰ61)和山前平原北部旱地地區(qū)(Ⅰ62)的主導資源均為耕地資源，其次為森林資源，且主導資源面積占比在1990—2018年間均變化不大。

松遼平原溫帶草耕亞區(qū)(Ⅰ7)主要分布在內蒙古自治區(qū)東和遼寧、吉林省西部，主要的陸表資源類型是耕地、草原資源、荒漠和水與濕地資源，在1990—2018年間耕地面積占比由33.70%變?yōu)?2.43%、草原資源面積占比由35.16%變?yōu)?5.59%。三級區(qū)劃小區(qū)松遼平原南部中覆蓋草原旱地地區(qū)(Ⅰ73)總面積約1.93×104km2，該區(qū)主導資源為耕地和草原資源，在1990—2018年間均變化不大； 松遼平原北部旱地水田地區(qū)(Ⅰ71)在1990—2018年間耕地資源增加了該亞區(qū)的10.08%，草原資源減少了8.69%； 松遼平原中部低覆蓋草原旱地地區(qū)(Ⅰ72)在1990—2018年間草原資源減少了10.94%，耕地資源增加了7.52%。

4 驅動力因素分析

東北林耕自然資源大區(qū)的自然資源變化驅動力因素可從人文因素和自然因素2個方面進行分析，這兩方面因素的作用是相互作用、相輔相成的[10]。在較短的時間尺度內，自然驅動力因素相對穩(wěn)定，所以東北大區(qū)自然資源動態(tài)變化的驅動力因素多集中于人文因素。

4.1 人文因素的影響

人文因素錯綜復雜，宏觀政策、經(jīng)濟產業(yè)結構、人口分布、科技等社會因素都會對當?shù)刈匀毁Y源變動產生很大影響[11]。在東北大區(qū)自然資源變化的可量化驅動力因素中，人口是非常重要的因素，人口的劇增勢必會對糧食以及住房設施等的需求大大增加，導致大量的森林和草原資源被開墾為農田和建設用地。由于人口持續(xù)增長的壓力，加上人類從事各種社會經(jīng)濟活動的加劇，如各大農場加大資金投入，導致一部分低海拔地區(qū)的天然林被開墾為耕地，一些河谷、溝谷、坡地及丘陵崗地等水熱自然條件較好的地區(qū)林地被開墾為耕地，這種現(xiàn)象在1995—2000年間尤其突出[12]。城市化進程是社會經(jīng)濟發(fā)展的必然產物，隨著國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展，城市的持續(xù)擴展將會成為現(xiàn)在和將來的一大趨勢。宏觀政策的引導對于自然資源變動的方式和強度也有著非常大的影響。

4.2 自然因素的影響

人類的一切活動都是在自然條件基礎之上進行的，自然因素包括地質、水文、土壤、氣象和氣候等。其中氣候條件是很重要的因素，對土地利用有明顯的制約作用，主要表現(xiàn)在其對農作物、牧草和林木種類選擇及其分布、組合、耕作制度和產量的影響上[10]。東北地區(qū)作為全球環(huán)境變化敏感區(qū)，全球氣候變暖使積溫增加,促進不適宜作物等積溫線北移，為耕地增長提供了重要的前提條件[13]。如對于積溫水平較高的區(qū)域，更加符合農作物生長，此地區(qū)的森林和草原便可能被開墾為耕地。東北地區(qū)濕地分布于地勢平坦、海拔較低的平原地區(qū)[14]，這些濕地地勢較平緩且水資源豐富，可以為水稻等農作物提供優(yōu)越的生長條件，促使耕地面積的增加。以上均是驅動自然資源變化的重要自然因素。

5 結論

(1)利用環(huán)境地理要素和自然資源要素的數(shù)據(jù)，通過定量方法計算與定性方法分析相結合的方式，構建區(qū)劃思路，形成東北地區(qū)自然資源綜合區(qū)劃方案，將東北林耕自然資源大區(qū)初步劃分為7個二級自然資源亞區(qū)和 14個三級自然資源地區(qū)。

(2)通過對1990—2018年期間的各級分區(qū)的自然資源時空動態(tài)特征作定量分析，得到對東北地區(qū)自然資源時空變化特征的認識： 1990—2018年間，東北地區(qū)主導資源森林資源面積減少了約239.48×104km2，耕地資源面積增加了約491.45×104km2，最主要的變化是森林與耕地之間的轉變，約有4.50×104km2森林轉變?yōu)楦?，同時僅有約2.86×104km2的耕地轉為森林。二級自然資源亞區(qū)三江平原溫帶耕地亞區(qū)(Ⅰ1)耕地面積增幅最大，高達該亞區(qū)的18.14%。三級自然資源地區(qū)的大興安嶺丘陵灌木林高覆蓋草原地區(qū)(Ⅰ42)，1990—2018年間森林資源減少了該亞區(qū)的16.15%； 小興安嶺山地灌木林旱地地區(qū)(Ⅰ52)森林資源減少了該亞區(qū)的14.85%，耕地資源增加了12.27%； 松遼平原北部旱地水田地區(qū)(Ⅰ71)耕地資源增加了該亞區(qū)的10.08%。

(3)自然驅動力因素對東北地區(qū)自然資源動態(tài)變化有一定影響，但政策調控、人口增長、科技發(fā)展、城市擴張等人文因素仍是自然資源時空動態(tài)分異的主要驅動因素。