寧夏中部干旱帶土地利用覆被變化特征研究
——以鹽池縣為例

劉文娟，安瑞平，田 佳，卞瑩瑩，鄧江茹

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

土地利用變化是全球環(huán)境變化研究的重要領(lǐng)域，對(duì)全球生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、氣候變化及陸地表層物質(zhì)循環(huán)都有重大的影響[1-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在土地利用覆被變化[5-6]、生態(tài)環(huán)境效益、驅(qū)動(dòng)因素分析[7-8]和模型預(yù)測(cè)[9-11]等方面已經(jīng)有了不少研究成果，并逐漸形成了較為成熟的研究體系。Turner等[12]分析了對(duì)土地系統(tǒng)變化的原因和過(guò)程，模擬了土地系統(tǒng)的可持續(xù)性，從而判斷人類環(huán)境系統(tǒng)的變化。通過(guò)進(jìn)一步合理配置土地資源，優(yōu)化土地利用模式，最終實(shí)現(xiàn)土地利用可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。彭建等[13]、蔡云龍[14]、Jan等[15]研究發(fā)現(xiàn)，土地利用變化系統(tǒng)具有非線性、多方向性、時(shí)空尺度異質(zhì)性等特點(diǎn)。土地利用變化過(guò)程不僅包括土地類型數(shù)量變化，也包括土地類型之間轉(zhuǎn)移方向的變化。過(guò)去，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要側(cè)重于數(shù)量特征的分析，而對(duì)內(nèi)部地類間轉(zhuǎn)移的方向性特征關(guān)注不夠。然而土地利用變化過(guò)程是隱含大量屬性信息的復(fù)雜轉(zhuǎn)化體系，內(nèi)部關(guān)系轉(zhuǎn)化頻繁需要深入挖掘[10,16-17]。而傳統(tǒng)的土地轉(zhuǎn)移矩陣是對(duì)土地利用變化結(jié)果的評(píng)價(jià)，通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)可以評(píng)價(jià)土地類型變化過(guò)程和態(tài)勢(shì)變量，可以明確內(nèi)部的轉(zhuǎn)化關(guān)系[18-19]。

鹽池縣地處我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，屬于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，該地區(qū)是寧夏中部干旱帶荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)[20]，也是我國(guó)荒漠化的主要發(fā)生區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境的好壞關(guān)系到周邊地區(qū)的發(fā)展。2003年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)鹽池退耕還林還草和禁牧封育等工程的實(shí)施，土地利用覆被類型發(fā)生了較大的變化。因此，對(duì)鹽池縣土地利用覆被特征及土地利用進(jìn)程內(nèi)部關(guān)系進(jìn)行研究，對(duì)有效改善研究區(qū)生態(tài)環(huán)境和合理配置土地資源具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義。已有學(xué)者，對(duì)鹽池縣土地利用變化進(jìn)行研究。龐吉林等利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)反演了鹽池縣的植被蓋度進(jìn)行研究。呂曉芳等[21]對(duì)鹽池縣土地利用變化及沙漠化響應(yīng)方面進(jìn)行研究。但研究主要針對(duì)土地利用變化及荒漠動(dòng)態(tài)等方面[22]，對(duì)各地類之間的內(nèi)部轉(zhuǎn)化關(guān)系及大規(guī)模生態(tài)工程建設(shè)實(shí)施前后草地覆蓋度研究較為少見(jiàn)。

本研究在禁牧封育的大背景下，選取鹽池縣為研究對(duì)象，采用土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣及土地利用轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究區(qū)的土地利用變化過(guò)程，探明各類土地利用類型的轉(zhuǎn)化關(guān)系、轉(zhuǎn)換程度及均衡狀態(tài)。增強(qiáng)對(duì)土地系統(tǒng)復(fù)雜變化過(guò)程的認(rèn)識(shí)，從而為鹽池縣土地利用變化機(jī)制研究、土地資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有力的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)的東部，面積6 769 km2。北與毛烏素沙漠相連，南接黃土高原，是典型的農(nóng)牧交錯(cuò)過(guò)渡地帶[22]。地勢(shì)南高北低，平均海拔為1 600 m。以麻黃山為界，北部大部分屬鄂爾多斯高原，南部為黃土丘陵區(qū)。該縣地處干旱半干旱溫帶大陸性氣候區(qū),年平均風(fēng)速2.8 m/s,干旱少雨,年降水量?jī)H為250～350 mm，但年蒸發(fā)量為降水量的5倍，地表植被類型以荒漠草原為主[21]。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

選取寧夏中部干旱帶鹽池縣2個(gè)時(shí)期的Landsat遙感影像，分別為2003年第227天的Landsat TM和2015年第212天的Landsat OLI數(shù)據(jù)，由地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http://www.geodata.cn/Portal/?isCookieChecked=true) 提供，軌道號(hào)129 034。對(duì)影像分別進(jìn)行幾何糾正，用矢量行政邊界進(jìn)行裁剪，再結(jié)合鹽池縣土地資源利用現(xiàn)狀及野外考察結(jié)果，將其土地利用覆被類型分成6個(gè)大類 (亞類)，即耕地(水澆地、旱地)、林地、草地(高、中、低覆蓋度)、建設(shè)用地、水域、未利用地[23-24]。在ERDAS支持下，對(duì)不同波段進(jìn)行組合提取各類地物信息，依據(jù)土地利用分類系統(tǒng)建立解譯標(biāo)志。土地利用數(shù)據(jù)的獲取是采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法。2015年5月下旬，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，采用GPS定位記錄土地利用樣點(diǎn)，在分類結(jié)束后于2015年8月進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證調(diào)查。2003年的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，主要應(yīng)用Google Earth歷史影像驗(yàn)證。應(yīng)用野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，驗(yàn)證解譯結(jié)果，并對(duì)錯(cuò)誤的地類進(jìn)行修正，最終分類精度為82%，分類結(jié)果符合相關(guān)要求。利用ARCGIS10.0軟件生成研究區(qū)2期土地利用圖。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用動(dòng)態(tài)度可以定量地描述區(qū)域土地利用變化的速度和區(qū)域差異，可以預(yù)測(cè)土地利用的變化趨勢(shì)[25]。單一土地利用動(dòng)態(tài)度(K)指研究區(qū)內(nèi)某一土地利用類型在一定時(shí)期內(nèi)發(fā)生的數(shù)量變化[26-27]，表達(dá)式為

(1)

式中:K為研究期內(nèi)土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究開(kāi)始和結(jié)束時(shí)土地利用類型的面積；T為研究時(shí)長(zhǎng)，若T的時(shí)段定為年，則K表示土地利用類型的年變化率。

1.3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣分析 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣用來(lái)描述土地利用變化過(guò)程的結(jié)果，可以對(duì)各種地類型轉(zhuǎn)移的數(shù)量，來(lái)源及去向進(jìn)行描述。應(yīng)用ARCGIS10.0軟件對(duì)2期土地利用/覆被圖進(jìn)行空間疊加分析，得到各時(shí)段的土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)移矩陣[28-29]。

(2)

1.3.3 土地利用轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)分析 土地利用轉(zhuǎn)移網(wǎng) 絡(luò)是將轉(zhuǎn)移矩陣作為一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)來(lái)分析[29]描述各土地類型變化過(guò)程和態(tài)勢(shì),變量包括:轉(zhuǎn)移凈變化量,轉(zhuǎn)移總變化量、轉(zhuǎn)移狀態(tài)和趨勢(shì)度[30]。轉(zhuǎn)移凈變化量為轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出面積差；轉(zhuǎn)移總變化量為一定時(shí)間段內(nèi)地類的轉(zhuǎn)入面積與轉(zhuǎn)出面積之和；轉(zhuǎn)移狀態(tài)反映土地變化動(dòng)力學(xué)特征，分為4種類型：平衡型、弱平衡型、不平衡型和極不平衡型[28]；趨勢(shì)度表示土地利用類型面積正向增大或負(fù)向縮小的程度，反映了某一地類土地面積的擴(kuò)大或縮小。

對(duì)于某土地類型A，計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中:Nc(%)為轉(zhuǎn)移凈變化量、TC(%)為轉(zhuǎn)移總變化量、PS為轉(zhuǎn)移的狀態(tài)和趨勢(shì)度；Ua和Ub為地類A研究期內(nèi)的初始面積和結(jié)束面積；ΔUin為研究期間其他土地類型轉(zhuǎn)化為A類土地的總面積，ΔUout為研究期間內(nèi)A地類轉(zhuǎn)化為其他土地類型的總面積。0

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化特征分析

隨著人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境影響的增加，鹽池縣土地利用格局發(fā)生了顯著變化。由表1和圖2可以看出，從2003-2015年鹽池土地利用變化情況為高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、水體、建設(shè)用地和水澆地的面積呈增加趨勢(shì)，而未利用地、林地、旱地和低覆蓋度草地面積呈減少趨勢(shì)。2003年研究區(qū)土地利用類型中中覆蓋度草地面積最大，為257 197.95 hm2，占鹽池縣面積的近38%。2015年，這一比例達(dá)到47.27%，面積比2003年增加62 729.37 hm2,單一土地動(dòng)態(tài)度為2.03。2003年高覆蓋度草地面積為36 072.81 hm2，2015年增加到162 198.18 hm2，從5.33%增加到23.97%，單一土地動(dòng)態(tài)度為29.14，說(shuō)明高覆蓋度草地的增加幅度最大。由表1可以看出，建設(shè)用地面積增加，增加面積為2 160.18 hm2，單一土地動(dòng)態(tài)度為18.57。

圖2 研究區(qū)2003-2015年土地利用覆被變化

表1 鹽池縣2003-2015土地利用類型面積變化

由表2可以看出，研究區(qū)土地利用覆被類型發(fā)生了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移。鹽池縣的土地利用類型主要為草地。3種不同覆蓋度的草地占總面積的從65.53%(2003)提升到76.66%(2015)，土地利用類型轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在這3個(gè)不同覆蓋度草地間。高覆蓋度草地的增加主要由中覆蓋度草地轉(zhuǎn)化而來(lái)，轉(zhuǎn)化面積達(dá)62 388.3 hm2。低覆蓋度草地面積減少，主要轉(zhuǎn)移為中覆蓋度草地，轉(zhuǎn)化面積達(dá)到88 299.72 hm2。近12 a來(lái)，面積變化最大的土地利用類型是草地，草地的主要轉(zhuǎn)入來(lái)源是未利用土地和旱地，旱地有36 411.3 hm2轉(zhuǎn)為中覆蓋度草。研究期間大面積的未利用土地轉(zhuǎn)化為中覆蓋度草地，轉(zhuǎn)化面積達(dá)到利用土地的面積顯著減少。19 925.28 hm2，未說(shuō)明鹽池縣土地利用方式得到合理調(diào)整,以草地為主的土地利用方式開(kāi)始發(fā)揮積極生態(tài)作用。

2.2 土地利用變化過(guò)程及態(tài)勢(shì)分析

通過(guò)表3可知，水澆地和林地屬于平衡狀態(tài)(|Ps|≈0)，水體、中覆蓋度草地為基本平衡狀態(tài)(|Ps|<0.25)。由表2可知，中覆蓋度草地有62 388.36 hm2轉(zhuǎn)為高覆蓋度草地，同時(shí)低覆蓋度草地有88 299.72 hm2轉(zhuǎn)為中覆蓋度草地，中覆蓋度草地雙向轉(zhuǎn)換頻繁。旱地、未利用地為弱平衡狀態(tài)(0.25<|Ps|<0.50)，主要轉(zhuǎn)出方向?yàn)椴莸?。高覆蓋度草地、低覆蓋度草地及建設(shè)用地為不平衡狀態(tài)(0.5<|Ps|<0.75)。高覆蓋度草地的趨勢(shì)度為0.64，反映該地類是面積大幅度擴(kuò)張態(tài)勢(shì)；低覆蓋度草地的趨勢(shì)度為-0.61，反映該地類是面積大幅度減少態(tài)勢(shì)，為不平衡型。在整個(gè)研究期內(nèi)，高低覆蓋度草地顯著增加(約126 125.37 hm2)，凈變化(Nc=3.50%)和總變化(Tc=5.50%)均為最大，主要由中覆蓋度草地轉(zhuǎn)換而來(lái)；建設(shè)用地增加顯著，凈變化(Nc=2.23%)和總變化(Tc=4.23%)均為第2。

表2 鹽池縣2003-2015年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

表3 2003-2015年鹽池縣土地利用變化過(guò)程和態(tài)勢(shì)

3 討論

2003-2015年鹽池縣土地利用類型中草地面積變化最大，其中，高覆蓋度草地面積顯著增加，低覆蓋度草地面積明顯減少。分析認(rèn)為，2003年前，研究區(qū)農(nóng)業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致天然植被開(kāi)墾，同時(shí)傳統(tǒng)放牧飼養(yǎng)模式加重草地負(fù)載，導(dǎo)致草地覆蓋度低。2003年后，研究區(qū)開(kāi)始禁牧封育等生態(tài)建設(shè)工程，使得草地面積不斷擴(kuò)大，覆蓋度不斷提高。而且研究區(qū)的林地主要以灌木林地為主，存在和高覆蓋度草地混淆的可能。大量未利用地、耕地(旱地)向草地轉(zhuǎn)化，以草地為主導(dǎo)的土地利用格局逐步形成。過(guò)去大片的沙地荒漠景觀逐漸萎縮直至基本消失,土地 沙化的程度大幅減少,這與王曼曼等[30]研究成果相一致。未利用地面積的減少反映了研究區(qū)土地沙化的減少和后備土地資源的開(kāi)發(fā)。說(shuō)明開(kāi)展禁牧封育生態(tài)建設(shè)工程以來(lái)，研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)效果顯著，研究區(qū)政策的導(dǎo)向使人類活動(dòng)正以積極的方式優(yōu)化土地利用格局。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，研究區(qū)城鎮(zhèn)化也明顯加快，建設(shè)用地面積大幅增加，增加面積為2 160.18 hm2，單一土地動(dòng)態(tài)度為18.57。雖然建設(shè)用地增加面積主要來(lái)源是草地，但主要由低覆蓋度草地轉(zhuǎn)化，而且由于退耕還林還草，禁牧封育等生態(tài)保護(hù)政策的大力實(shí)施，對(duì)建設(shè)用地的合理規(guī)劃，草地面積沒(méi)有因建設(shè)用地面積增加而減少。研究結(jié)果表明，雖然建設(shè)用地面積增加對(duì)低覆蓋度草地和中覆蓋度草地有一定的影響，但鹽池北部風(fēng)沙區(qū)土地利用更加合理，草地面積和草地覆蓋度大幅提高。因此，人類活動(dòng)會(huì)對(duì)草地可持續(xù)利用起到推動(dòng)作用。

4 結(jié)論

鹽池縣土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，總體呈現(xiàn)為草地、建設(shè)用地、水體面積增加，同時(shí)耕地、未利用地減少。其中，高覆蓋度草地的增幅最大。

水澆地和林地屬于平衡狀態(tài)，水體、中覆蓋度草地處于基本平衡狀態(tài)，低、高覆蓋度草地則處于不平衡狀態(tài)。研究區(qū)不同土地利用類型之間存在不同程度的相互轉(zhuǎn)移。草地、耕地、未利用地之間的相互轉(zhuǎn)移是鹽池主要轉(zhuǎn)移關(guān)系。其中，草地呈嚴(yán)重?cái)U(kuò)張態(tài)勢(shì)，耕地與未利用地整體呈縮減態(tài)勢(shì)。

草地面積增加最大，主要轉(zhuǎn)入源為旱地和未利用地。3種不同覆蓋度之間的草地轉(zhuǎn)換強(qiáng)烈，中覆蓋度草地雙向轉(zhuǎn)換頻繁，草地覆蓋度明顯提高，逐漸形成了以草地為主導(dǎo)的土地利用格局，降低了土地沙化程度。表明鹽池縣生態(tài)恢復(fù)取得了明顯成效，已經(jīng)逐漸形成了以草地為主導(dǎo)的土地利用格局，降低了土地沙化程度，土地利用格局得到優(yōu)化。