烏審旗土地利用時空動態(tài)演變分析

張 雨，楊 光*，韓雪瑩，劉 峰，白翠霞

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 沙漠治理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.武漢市水務(wù)科學研究院，湖北 武漢 432100)

我國北方沙漠化分布極廣，嚴重危害的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展[1-2]。作為我國四大沙地之一的毛烏素沙地，古代時期植被茂密，人類不合理利用和自然環(huán)境變化，導致土地利用發(fā)生改變，生態(tài)環(huán)境一再惡化，沙地面積持續(xù)擴大[3-4]。

土地利用變化是指由于人為因素和自然因素的影響，土地的利用和管理方式發(fā)生改變，致使土地覆被發(fā)生改變[5]，在全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展研究中作為核心內(nèi)容之一[6-7]。

20世紀50年代以來，我國采取了大規(guī)模的防沙治沙工程[1]，遙感技術(shù)可以快速、有效地研究土地利用時空變化[8]。眾多學者通過遙感技術(shù)對毛烏素沙地進行了各種研究：例如，劉淑琴等[9]運用土地利用結(jié)構(gòu)指標與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標定量分析毛烏素沙地鹽池縣土地利用變化格局與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；金海峰等[10]利用沙漠化指數(shù)的多元逐步回歸分析總結(jié)沙漠化時空進程及其沙漠化趨勢的主要驅(qū)動因素；劉娟等[11]將3S技術(shù)和景觀指數(shù)相結(jié)合，研究毛烏素沙地土地利用動態(tài)過程與景觀格局變化；賈光普等[12]對毛烏素沙地動態(tài)變化以及空間自相關(guān)進行分析，得出近30 a沙化土地時空動態(tài)過程及分布情況；劉峰等[13]通過空間自相關(guān)分析了奈曼旗土地利用類型時空演變特征。前人雖然對毛烏素沙地進行了多方位、多角度的研究，但是缺少研究長時間序列演變關(guān)系以及關(guān)于鹽堿地并沒有詳細的劃分，只能片面分析土地利用的時空變化。

烏審旗地處毛烏素沙地腹部，屬于生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱的農(nóng)牧交錯帶，土地利用變化類型是我國半干旱區(qū)的典型代表[14-15]。本研究選取5期遙感影像，利用RS與GIS技術(shù)，運用支持向量機法(SVM)對毛烏素沙地烏審旗進行監(jiān)督分類，并將未利用土地分為沙地和鹽堿地。通過土地利用動態(tài)度、土地利用程度空間自相關(guān)和地類重心遷移等研究方法，揭示烏審旗土地利用時空演變規(guī)律，為毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)重建和可持續(xù)發(fā)展策略提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏審旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西南地區(qū)(108°17′36″-109°40′22″E，37°38′54″-39°23′50″N)，占地11 645 km2，平均海拔1 300 m(圖1)。該區(qū)地勢為西北部偏高，東南部偏低，地貌類型可劃分為構(gòu)造剝蝕地形、堆積地形、風積地形、黃土地形、河成地形5類，按形態(tài)劃分為波狀高原、梁地、內(nèi)陸湖淖、灘地(沖積湖積平原)、流動與半流動沙丘、固定沙地、黃土梁和河谷地8種地類，其中沙漠、灘地、梁地多呈帶狀分布。土壤類型以風沙土為主，其余草甸土、栗鈣土、鹽土、黃綿土、沼澤土等僅占土壤面積的21.6%[16]。主要植被有油蒿(Artemisiaordosica)、麻黃(Ephedrasinica)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、沙柳(Salixcheilophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等[17]。氣候?qū)儆诘湫蜏貛Т箨懶约撅L氣候，由于全球氣候變暖，烏審旗氣溫逐年升高，年均氣溫約7.0 ℃[18]。水資源十分充沛，境內(nèi)天然堿水湖泊很多，河流水系分為黃河水系與內(nèi)流河水系，主要有無定河、納林河、海流圖河等，水資源總量近5.34億km3，地表水可利用量約0.71億km3，地下水可利用量約4.12億km3，年均降水量為331.5 mm[19]。

2 材料與方法

2.1 材料

2.1.1 影像數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理 選取1996、2001、2009年TM影像與2015、2020年OLI影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，5期影像數(shù)據(jù)獲取時間均為烏審旗植被生長茂盛季節(jié)(6-8月)，利于人工目視解譯。為確保地物特征顯著，對波段進行不同排列組合，選取最佳波段組合，提高解譯準確度。

2.1.2 沙漠化土地分類體系 依據(jù)中國土地資源分類系統(tǒng)并參考相關(guān)文獻[20-21]，結(jié)合烏審旗實際情況，將地類分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、沙地及鹽堿地7類。

2.2 方法

2.2.1 土地利用動態(tài)度 土地利用動態(tài)度指某一區(qū)域特定時段內(nèi)土地利用類型的整體結(jié)構(gòu)變化速率，相比其他動態(tài)研究方法，該方法可以簡單直接反映人類對生態(tài)環(huán)境的影響程度[21]。

尊重研究生的個性是個性化培養(yǎng)視角下研究生教育的基本前提。研究生來自不同的地域和家庭，其性格、能力、思維習慣、求學動機和畢業(yè)去向意愿等各有差異。導師應(yīng)將每名研究生視為獨立的思維個體，尊重研究生的學習主體地位，深入了解學生的個性特點，依據(jù)研究生的個體綜合素質(zhì)、知識興趣水平和創(chuàng)新能力的差異，采用因材施教教育理念和方法，制定個性化的培養(yǎng)方案(課程計劃和論文選題等)、培養(yǎng)方向和循序漸進的任務(wù)目標，幫助研究生形成具有個性化特點的研究性思維和專業(yè)知識學習能力，激發(fā)每個研究生的自主研究意識和潛能，提升短板，升華長板，最終實現(xiàn)研究生創(chuàng)造性、創(chuàng)新性思維和能力的養(yǎng)成。

2.2.1.1 單一土地利用動態(tài)度 反映某一區(qū)域特定時段內(nèi)某一地類的數(shù)量變化狀況，其公式如下

(1)

式中:K為單一土地利用類型動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究時段初期和末期某種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段。

2.2.1.2 綜合土地利用動態(tài)度 反映區(qū)域內(nèi)土地利用類型的整體變化狀況，其公式如下

(2)

式中:LC為綜合土地利用動態(tài)度；LUi為研究時段初第i類土地利用類型總面積；ΔLUi-j為研究時段內(nèi)第i類土地利用類型面積轉(zhuǎn)為第j類土地利用類型面積的絕對值。

2.2.2 土地利用程度空間自相關(guān) 土地利用程度空間自相關(guān)分析可以檢驗研究區(qū)內(nèi)相同時間不同空間的顯著性關(guān)系[22]。

2.2.2.1 土地利用程度總體變化 土地利用程度指數(shù)可以確定研究區(qū)內(nèi)不同時間土地利用程度的數(shù)值大小，通過查閱大量文獻，對研究區(qū)內(nèi)土地利用類型進行分級賦值[23-24]，賦值的大小直觀反映區(qū)域內(nèi)土地利用程度的高低，其公式如下

(3)

式中:La為第a時期內(nèi)土地利用程度；Ai為土地利用程度分級指數(shù)(表1)；Ci為該時期內(nèi)土地利用類型與研究區(qū)總面積的比值。

表1 土地利用類型程度分級指數(shù)Table 1 Classification index of landuse degree

2.2.2.2 土地利用程度全局空間自相關(guān) 全局Moran'sI指數(shù)在全局空間自相關(guān)研究中被廣泛應(yīng)用，它可以用來分析空間水平上的相關(guān)性[25-26]，相比其他自相關(guān)研究方法，結(jié)果更具有準確性和有效性。其公式如下。

(4)

2.2.2.3 土地利用程度熱點分析 在土地利用程度全局空間自相關(guān)結(jié)果呈現(xiàn)顯著相關(guān)性的背景下，熱點分析可以精確土地利用程度不同置信區(qū)間的冷點與熱點。冷點表明周邊位置的土地利用程度高于平均值，屬于土地利用程度的高值空間集聚；熱點則相反，其公式如下。

(5)

式中:t為空間網(wǎng)格單元數(shù)量；s為標準差。

2.3 重心遷移模型

重心遷移模型可以較為直觀地反映研究區(qū)內(nèi)土地利用類型時空動態(tài)變化情況[27-28]，其公式如下

(6)

(7)

式中:Xt與Yt分別為t時期某種土地利用類型的經(jīng)度和緯度；n為t時期土地利用類型的斑塊數(shù)；Cti為t時期土地利用類型第i個斑塊的面積；Xti與Yti分別為t時期土地利用類型第i個斑塊的幾何重心經(jīng)度和緯度坐標。

3 結(jié)果與分析

3.1 烏審旗土地利用變化

烏審旗是國家重點治理的旗縣，近些年來實行各種生態(tài)治理工程和項目，使烏審旗土地利用類型發(fā)生了改變(表2、圖2)。烏審旗面積比例最大的為草地，南部比北部密集，其次為沙地，多集中在北部地區(qū)；最小的為建設(shè)用地，零散分布于烏審旗中部地區(qū)。整體來看，沙地面積變化最大(-7.35%)，鹽堿地面積變化最小(-0.03%)；耕地面積呈減少趨勢(-0.37%)；林地面積持續(xù)增加(1.51%)；草地面積顯著增加(6.20%)；建設(shè)用地呈增加趨勢(0.41%)。說明烏審旗生態(tài)環(huán)境得到了有效治理，北部地區(qū)沙漠化面積減少，南部地區(qū)林草地面積有所增加，西北部地區(qū)沙化較為嚴重，但整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢。

表2 烏審旗土地利用類型面積變化Table 2 Changes of landuse areas in Wushen Banner

3.2 烏審旗土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

通過對烏審旗土地利用數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)移矩陣分析，得出1996-2020年面積轉(zhuǎn)移矩陣表(表3)，各土地利用類型面積轉(zhuǎn)移較為活躍，其中，水域主要轉(zhuǎn)移為草地(41.24%)；耕地主要轉(zhuǎn)移為草地(31.23%)；建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)移為草地(28.88%)；林地主要轉(zhuǎn)移為草地(26.92%)；沙地主要向草地(19.00%)轉(zhuǎn)移；鹽堿地主要轉(zhuǎn)移為草地(14.17%)；草地轉(zhuǎn)移不明顯。

表3 1996-2020年烏審旗土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land use typedistribution in Wushen Banner from 1996 to 2020 km2

3.3 烏審旗土地利用動態(tài)變化分析

由表4可知，變化幅度最大的為林地(310.53%)，其次為建設(shè)用地(88.05%)，年變化率最大的為林地(12.42%)，其次為建設(shè)用地(3.52%)，主要是政府實施多項防沙治沙工程，大規(guī)模人工林的栽植，有效地遏制住沙漠化趨勢，改善了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。具體來看，在1996-2001年土地利用類型面積變化幅度最大的為耕地(-12.58%)；2001-2009年林地(37.08%)變化幅度最大；2009-2015年林地(178.35%)變化劇烈；2015-2020年水域(15.89%)變化幅度達到最大。這是由于近些年烏審旗GDP大幅度增長，為適應(yīng)人口持續(xù)增加，建設(shè)用地面積顯著擴大。

表4 烏審旗土地利用類型動態(tài)度Table 4 Dynamic degree of land use types in Wushen Banner %

由表5可知，1996-2001年各土地利用類型空間變化較不明顯，變化速率最大的為草地(0.07%)；2001-2009年各土地利用空間變化較為劇烈，沙地(-0.59%)變化速率最大，其次為草地(0.58%)；2009-2015年比上一年段浮動較小，沙地(-0.20)變化速率最大，其次為林地(0.18)；2015-2020年各土地利用類型空間變化最為平緩。1996-2020年整體看來烏審旗空間變化速率的土地類型分別為草地與沙地。

表5 烏審旗土地利用類型空間變化率指數(shù)Table 5 Index of spatial change rate of land use type of the Wushen Banner

3.4 烏審旗土地利用程度空間自相關(guān)分析

3.4.1 烏審旗土地利用程度 土地利用程度的高低變化反映烏審旗自然條件和人類活動與土地利用互相影響的程度。由表6可知，1996-2020年，烏審旗利用程度波動較明顯，但整體呈現(xiàn)提高趨勢。2001年略有下降，2009年恢復提高趨勢，說明烏審旗沙地面積逐年減少，生態(tài)環(huán)境逐漸恢復，社會經(jīng)濟不斷發(fā)展。

表6 烏審旗土地利用程度指數(shù)Table 6 Land use degree index of Wushen Banner

3.4.2 烏審旗土地利用程度空間自相關(guān) 運用ArcMap軟件創(chuàng)建漁網(wǎng)功能，將研究區(qū)劃分成1 419個大小為3 km×3 km的標準網(wǎng)格，對網(wǎng)格賦值，通過對研究區(qū)網(wǎng)格進行土地利用程度全局空間自相關(guān)和熱點分析，觀察網(wǎng)格間的顯著關(guān)系。

3.4.2.1 烏審旗土地利用程度全局空間自相關(guān) 全局Moran'sI指數(shù)反映土地利用程度在研究區(qū)的空間聚集度，z值用來檢驗假設(shè)(圖3)。1996-2020年，莫蘭指數(shù)分別為0.3999、0.4099、0.4591、0.4610和0.487 3，均為正值且變化不大，P均為0，z值均遠大于2.58，由此證明99%置信區(qū)間顯示烏審旗土地利用程度存在較強的空間正向自相關(guān)性，具有顯著的空間集聚性，莫蘭指數(shù)持續(xù)升高說明烏審旗土地利用程度空間聚集性不斷增強。

3.4.2.2 烏審旗土地利用程度熱點分析 以單元網(wǎng)格為基礎(chǔ)，運用熱點分析功能，選取置信度大于90%的冷點與熱點(圖4)，冷點區(qū)主要位于西北部，形成土地利用程度的低值集聚區(qū)；熱點區(qū)多位于南部區(qū)域，形成土地利用程度的高值集聚區(qū)。南部增值熱點網(wǎng)格在2009年略有縮小，在2015年增大，證明烏審旗封山造林、退耕還林存在一定的效果。2009年起，北部損失冷點區(qū)呈斑點狀擴大，說明北部地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)合理化。自1996年以來，增值熱點區(qū)持續(xù)小幅度擴大，這是由于近年來，烏審旗實行了大量防沙治沙工程修復生態(tài)環(huán)境，使土地利用結(jié)構(gòu)趨于合理化。

3.5 烏審旗土地利用重心遷移分析

運用ArcMap軟件重心遷移模型對烏審旗1996-2020年5期影像進行計算(圖5)，分析烏審旗土地利用類型空間遷移情況。1996-2020年間，烏審旗重心遷移距離最大為鹽堿地，向西南遷移7.05 km；沙地次之，向西南遷移3.34 km；草地重心遷移距離最小，僅向東北遷移1.08 km，歸因于東北部的退耕還林還草，生態(tài)環(huán)境恢復，耕地重心向西南遷移，沙地與鹽堿地重心向西南遷移。由于東北部地區(qū)林地與草地面積增大，水資源較少，因此水域重心向南遷移；建設(shè)用地重心向西北部地區(qū)遷移，人類活動頻繁，加大開墾放牧，增加土地壓力，因此西北部地區(qū)沙化較為嚴重。

4 結(jié)論與討論

1996-2001年間沙地面積顯著減少(-7.35%)，主要向草地轉(zhuǎn)移(929.59 km2)；耕地面積持續(xù)減少(-0.37%)，主要轉(zhuǎn)移為草地(74.46 km2)。變化幅度最大的土地利用類型為林地(310.29%)，其次為建設(shè)用地(88.05%)，年變化率最大的為林地(12.41%)，其次為建設(shè)用地(3.52%)，烏審旗空間變化速率的主要土地利用類型分別為草地與沙地。這主要是政府實施多項防沙治沙工程，大規(guī)模人工林的栽植有效地遏制住沙漠化趨勢，改善了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

1996-2020年烏審旗利用程度浮動較大，但整體呈現(xiàn)提高趨勢。2015年略有下降，2020年恢復提高趨勢，證明烏審旗沙漠化面積逐年減少，生態(tài)環(huán)境逐漸恢復，社會經(jīng)濟不斷發(fā)展。烏審旗土地利用程度呈穩(wěn)步上升趨勢，具有顯著的空間集聚性；熱點分析圖展示了烏審旗土地利用程度具有明顯的區(qū)域劃分，冷點區(qū)主要位于西北部，形成土地利用程度的低值集聚區(qū)；熱點區(qū)多位于南部區(qū)域，形成土地利用程度的高值集聚區(qū)。南部增值熱點網(wǎng)格在2009年略有縮小，在2015年增大，證明烏審旗封山造林、退耕還林存在一定的效果。2009年起，北部損失冷點區(qū)呈斑點狀擴大，說明北部地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)合理化。自1996年以來，增值熱點區(qū)持續(xù)小幅度擴大，這是由于近年來烏審旗實行了大量防沙治沙工程修復生態(tài)環(huán)境，使土地利用結(jié)構(gòu)趨于合理化。

1996-2020年間，烏審旗重心遷移距離最大為鹽堿地，向西南遷移7.05 km；沙地次之，向西南遷移3.34 km；草地重心遷移距離最小，僅向東北遷移1.08 km，歸因于東北部的退耕還林還草，生態(tài)環(huán)境恢復；耕地重心向西南遷移，沙地與鹽堿地重心向西南遷移。由于東北部地區(qū)林地與草地面積增大，水資源較少，因此水域重心向南遷移；建設(shè)用地重心向西北部地區(qū)遷移，人類活動頻繁，加大開墾放牧，增加土地壓力，因此西北部地區(qū)沙化較為嚴重，應(yīng)加強生態(tài)保護與治理。

前人對毛烏素沙地進行了多方位、多角度的研究，但在土地利用變化研究方面并未將鹽堿地劃分開來，本研究通過監(jiān)督分類，解譯各土地利用類型，將沙地與鹽堿地區(qū)分開。結(jié)合前人對土地利用時空動態(tài)研究的方法與經(jīng)驗，采用土地利用動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣分析土地利用類型面積變化；全局莫蘭指數(shù)(Moran'sI)與熱點分析研究烏審旗土地空間相關(guān)性；土地利用類型重心遷移探索各土地利用類型重心空間變化，綜合分析其土地利用變化規(guī)律，更好地體現(xiàn)烏審旗土地利用時空格局演變過程及其內(nèi)在規(guī)律。