巴音河流域土地利用變化及驅(qū)動力分析

王佳楠，張 志

（1.青海省青藏高原北部地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810000；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

土地利用∕土地覆蓋變化與地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化密切相關(guān)[1]，反映著人類與環(huán)境的相互作用關(guān)系[2]，被認(rèn)為是全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)[3]。對區(qū)域土地的變化過程及驅(qū)動因素進(jìn)行探究，有利于獲取土地利用時(shí)空變化規(guī)律[4]。國內(nèi)外學(xué)者以流域[5]、城市群[6]、干旱區(qū)[7]為研究區(qū)，采用土地利用模型[8]、演變及預(yù)測模型[9]、景觀生態(tài)學(xué)理論[10]等方式方法從不同尺度就土地利用動態(tài)變化監(jiān)測展開了大量的研究[11-12]。從各地類面積變化、類型及空間格局轉(zhuǎn)化入手，利用土地利用動態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和重心遷移模型，可以還原近30 a來流域土地利用時(shí)空變化過程，揭示導(dǎo)致區(qū)域土地發(fā)生變化的驅(qū)動因素。

研究區(qū)位于青海省海西州德令哈市，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，上游工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水不斷擠占下游的生態(tài)需水，人地矛盾突出，影響流域生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。分析土地利用的時(shí)空變化情況及其驅(qū)動力，了解區(qū)域生態(tài)發(fā)展演化的規(guī)律，對巴音河流域的經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，巴音河流域土地利用變化分析的研究較少，嚴(yán)應(yīng)存[13]等利用1988年和2006年兩期Landsat影像，分析18 a以來巴音河流域土地利用變化情況，發(fā)現(xiàn)降水是影響該地生態(tài)面積變化的主要驅(qū)動因素；段紅騰[14]等通過探究近10 a 巴音河流域土地利用變化特征發(fā)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)活動影響著土地利用的演變過程。前人對巴音河流域土地利用變化進(jìn)行的研究沒有充分考慮經(jīng)濟(jì)、政策等人為因素及自然因素對土地利用變化的驅(qū)動作用，缺少長時(shí)間序列對流域土地利用變化及驅(qū)動因素的定量分析，且獲取數(shù)據(jù)的客觀性、研究尺度的針對性等方面還有待提升。

本研究選取4期Landsat影像，在野外實(shí)地考察流域的基礎(chǔ)上，使用隨機(jī)森林監(jiān)督分類算法獲取各期土地利用分類信息，從面積變化、類型轉(zhuǎn)化、空間格局變化方面分析其時(shí)空變化特征，以剖析流域生態(tài)系統(tǒng)變化及分異規(guī)律，探討土地利用變化成因，為干旱地區(qū)保護(hù)與治理、生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供空間信息支持。

1 研究區(qū)概況

巴音河流域地處青海柴達(dá)木盆地東北緣，介于37°4′～37°31′N，97°4′～98°8′E之間，總面積2 200 km2，發(fā)源于祁連山的哈爾科山南坡，上游為阿讓郭勒，下游為巴音郭勒，行政區(qū)劃包括德令哈市、克魯克鎮(zhèn)、尕海鎮(zhèn)和蓄集鄉(xiāng)。巴音河流經(jīng)蓄集鄉(xiāng)、德令哈市、尕海鎮(zhèn)，最終流入托素湖與可魯克湖。研究區(qū)多年平均降雨量181.1 mm，全年蒸發(fā)量達(dá)2 439.4 mm，為降雨量的16.4倍，年平均氣溫3.6 ℃。

2 材料與方法

2.1 數(shù) 據(jù)

本文遙感數(shù)據(jù)為1990 年、2000 年、2010 年及2017 年4 期Landsat 影像（表1），遙感數(shù)據(jù)與30 m 分辨率DEM 來自美國地質(zhì)調(diào)查局(https:∕∕www.usgs.gov∕)。年平均溫度和年平均降雨量數(shù)據(jù)來自WorldClim v2.0(http:∕∕www.worldclim.org∕)，人口、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)搜集自對應(yīng)年份的《青海省統(tǒng)計(jì)年鑒》。利用ENVI5.3對原始影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、融合、裁剪等預(yù)處理工作。4期影像色調(diào)均勻、云覆蓋低于5%。

表1 遙感影像信息

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用信息提取方法

參照《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，將流域土地利用類型劃分為：耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地、未利用地6 類，在ENVI5.3 平臺對遙感影像進(jìn)行隨機(jī)森林分類獲取4 期土地利用結(jié)果，根據(jù)隨機(jī)點(diǎn)精度檢驗(yàn)，總體分類精度OA 均超過90%，分類效果較好。

2.2.2 土地利用變化分析方法

1）土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[15]可以展現(xiàn)各地類面積變化的特征和轉(zhuǎn)移去向，以便更好地了解土地類型的時(shí)空變化過程。

式中，Sij為研究期內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化成第j類土地利用類型的面積；n為土地利用類型的總數(shù)。

2）土地利用重心遷移模型[16]可從空間上描繪各土地類型的變化軌跡，直觀地反映流域土地利用變化的方向和速度。

式中，Xt、Yt分別為第t年某種土地利用類型分布重心的坐標(biāo)；Xi、Yi分別為研究區(qū)某土地類型的第i個(gè)圖斑的重心坐標(biāo)；n為圖斑總數(shù)；Ati、Aij為第t年第i個(gè)圖斑的面積。

2.2.3 土地利用驅(qū)動力分析方法

主成分分析[16]就是將影響因子通過降維，簡化為少量的幾個(gè)彼此之間相互獨(dú)立的分量。運(yùn)用多元回歸分析法，用降維后兩個(gè)主成分建立多元線性回歸模型。

式中，a0,a1,a2為相關(guān)性系數(shù)；F1,F1,F2,F2為主成分得分系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用面積變化

近30 a 間巴音河流域各地類主要表現(xiàn)為以下特征：1990—2000年，建設(shè)用地、耕地、未利用地面積均小幅度增加，分別增加了1.34 km2、6.03 km2、15.32 km2，與此對應(yīng)的林地、水域、草地均呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢，分別減少了4.84 km2、1.07 km2、17.00 km2，生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)一定惡化趨勢，人類活動對土地利用的影響還不明顯。2000—2010 年為研究區(qū)高速發(fā)展時(shí)期，除未利用地外所有地類均呈現(xiàn)增加趨勢，其中建設(shè)用地增加幅度最大，10 a 內(nèi)共增加58.45 km2（287.79%），同時(shí)耕地面積增加了31.21km2，城鎮(zhèn)化進(jìn)程大幅推進(jìn)，與此同時(shí)，生態(tài)環(huán)境也呈總體向好趨勢，林地、水域、草地面積在該時(shí)間段內(nèi)分別增加了21.33 km2、19.78 km2、75.89 m2，這與經(jīng)濟(jì)與人口數(shù)的增加密切相關(guān)。2010—2017 年變化幅度最大的是建設(shè)用地和耕地。建設(shè)用地面積持續(xù)增加，從78.76 km2增加到103.15 km2。由于施行退耕政策，耕地面積急劇減少61.52 km2，而林地、水域、未利用地、草地在該時(shí)段內(nèi)變化幅度較小，基本趨于穩(wěn)定。研究區(qū)的土地利用程度呈增加趨勢（圖1、2）。

圖1 土地利用面積變化情況

圖2 不同時(shí)期土地利用圖

3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)化

1990—2017年，建設(shè)用地面積變化較大，未利用地和耕地分別向其轉(zhuǎn)化了66.26 km2和19.21 km2，占比較大。而草地、林地、水域面積在此期間均保持增加趨勢，其中草地由耕地和未利用地轉(zhuǎn)化35.80 km2、99.69 km2；林地大部分由未利用地轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化了39.2 km2，占林地增加面積的83%；水域的增加面積主要由未利用地轉(zhuǎn)化（17.13 km2），林地轉(zhuǎn)化（9.14 km2）。

1990—2000年各地類變化幅度較小，林地和草地面積分別減少了29.98 km2和75.48 km2，二者主要轉(zhuǎn)化為未利用地24.54 km2和62.13 km2。2000—2010 年是土地類型轉(zhuǎn)化較為活躍的時(shí)期，除未利用地外，各地類面積均有不同程度的增加。建設(shè)用地增幅較大，主要由未利用地轉(zhuǎn)化47.64 km2，耕地轉(zhuǎn)化12.72 km2。2010—2017年耕地、建設(shè)用地變化明顯，由于國家推行退耕還草政策，耕地向草地轉(zhuǎn)化36 km2，占耕地減少面積的39%。建設(shè)用地面積繼續(xù)增加48.6 1km2，由未利用地轉(zhuǎn)化24.79 km2，耕地轉(zhuǎn)化18.75 km2。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，近年來，研究區(qū)耕地向林地與草地轉(zhuǎn)化較多，同時(shí)未利用地的減少面積最大。這說明在該區(qū)推行的大面積造林植草、退耕還林等措施實(shí)施的效果良好，部分未利用土地得到了有效開發(fā)，使得植被覆蓋面積有所增加，整體生態(tài)環(huán)境得到改善。

3.3 土地利用重心轉(zhuǎn)移

由圖3 可知，1990—2017 年，耕地重心向西南方向偏移，27 a間遷移距離為6.16 km；后7 a的遷移距離大于前20 a的遷移距離，結(jié)合上文得出耕地面積先增后減的變化趨勢，研究區(qū)內(nèi)耕地增加，其主要來源為西部區(qū)域未利用地的開墾；后7 a耕地面積負(fù)增長，可以歸因于流域上游退耕還林還草政策的落實(shí)，部分耕地向林地與草地轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致其重心向西南方向移動。林地與草地重心總體向西南的方向偏移，遷移距離分別為2.06 km 和2.37 km，整體遷移方向與耕地相近，更偏向于南部，這與巴音河流域的徑流量有較大的關(guān)系，研究區(qū)氣候在27 a間變暖變濕，上游耕地減少需水量降低，使草地重心整體向南移動。水域重心向北偏東方向偏移，遷移距離5.43 km。水域的面積經(jīng)歷了先減少后增加的過程，流域水域的面積發(fā)生了較大幅度的變化導(dǎo)致其重心向北轉(zhuǎn)移。建設(shè)用地重心向西南方向偏移，遷移距離為7.81 km。每個(gè)時(shí)間段的遷移方向大致一致。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程迅速，使建設(shè)用地整體向西南移動，且幅度較大。由于流域下游經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得大量其他土地被開發(fā)為建設(shè)用地及耕地，致使未利用地整體向東北小幅移動。

圖3 土地利用重心轉(zhuǎn)移空間變化

3.4 驅(qū)動力分析

3.4.1 人類活動因素

土地利用的變化是氣候變化與人類活動共同作用的結(jié)果，其中氣候變化因素較為穩(wěn)定，因此人類活動因素一般為直接驅(qū)動因素。本文結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況及現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料分別選取驅(qū)動力因子：農(nóng)業(yè)產(chǎn)值（X1）、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（X2）、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（X3）、生產(chǎn)總值（X4）、人均GDP（X5）、總?cè)丝冢╔6）。運(yùn)用SPSS進(jìn)行主成分分析，得到指標(biāo)得分矩陣（表2）。

表2 各指標(biāo)得分矩陣

運(yùn)用多元回歸分析法，計(jì)算土地利用類型變化與提取出的兩個(gè)主成分之間的函數(shù)關(guān)系。以各年份主成分系數(shù)F1、F2作為自變量構(gòu)建回歸矩陣，進(jìn)而建立起多元線性回歸模型。借助SPSS 軟件，對已經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸計(jì)算，回歸分析結(jié)果見表3。

表4 線性回歸結(jié)果

通過回歸方程及模型可以看出不同土地類型的主要影響因素：

1）耕地：耕地變化與F1、F2均呈正相關(guān)，且與F2的相關(guān)系數(shù)較高（R2=1.093）。根據(jù)主成分因子所代表的含義可知，人口變化是耕地面積變化的主要原因。從1990—2010 年，巴音河流域人口數(shù)從4.62萬人增長至7.66萬人，耕地面積呈上升趨勢。2010—2017 年人口數(shù)下降0.26 萬。農(nóng)村勞動力大量涌入城鎮(zhèn)，城鎮(zhèn)發(fā)展進(jìn)一步占用農(nóng)村土地，用于城市化及工業(yè)化的建設(shè)，耕地面積下降。

2）林地：與F1、F2均呈正相關(guān)，且與F1的相關(guān)性較高（R2=0.990），可以看出在該時(shí)間段內(nèi)，巴音河流域林地面積的增加受經(jīng)濟(jì)發(fā)展的促進(jìn)作用較強(qiáng)。這主要與當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的快速發(fā)展且設(shè)立濕地公園有關(guān)，巨大的經(jīng)濟(jì)效益使得當(dāng)?shù)馗⒅貙Νh(huán)境的保護(hù)。

3）草地：從回歸方程可以看出，草地面積與F1呈正相關(guān)，與F2呈負(fù)相關(guān)，且與F1的相關(guān)系數(shù)高（R2=0.897），所以影響草地面積變化的主要原因經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高，生態(tài)環(huán)境保護(hù)的意識也會越強(qiáng)烈；同時(shí)綜合國力的提升也為退耕還林提供了充足的物質(zhì)支撐。

4）水域：水域面積與主成分F1、F2均為正相關(guān)。說明巴音河流域近30 a來，無論是經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口數(shù)量的改變，都對水域面積的增大起了一定的推動作用，與研究區(qū)實(shí)際情況相符。

5）建設(shè)用地：第一、第二主成分與建設(shè)用地面積分別呈正相關(guān)與負(fù)相關(guān)關(guān)系，但第一主成分F1仍是其中最主要的因素（R2=0.962），這體現(xiàn)了近年來巴音河流域經(jīng)濟(jì)的快速增長對建設(shè)用地的發(fā)展起到了巨大的推動作用。區(qū)域GDP增長率在近15 a來上升了20個(gè)百分點(diǎn)，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，最終促使居住用地與工礦用地面積不斷擴(kuò)張。

6）未利用地：未利用地面積與F1、F2均呈負(fù)相關(guān)，且與F1相關(guān)系數(shù)較高（R2=-1.067），這說明影響巴音河流域未利用地面積的主要因素是代表經(jīng)濟(jì)發(fā)展的F2。此外人口數(shù)量及結(jié)構(gòu)的變化也使流域內(nèi)土地利用更加緊張，所以需要更加合理、高效地對未利用地進(jìn)行開發(fā)。

3.4.2 氣候變化因素

全球氣候變化是造成研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化的一個(gè)重要因素。隨著氣候變化，年降水量與平均溫度都呈現(xiàn)上升趨勢（圖4）。1990—2017年降水量和氣溫分別以4.13 mm∕a和0.03 ℃∕a的速度顯著上升，暖濕化趨勢日益明顯。溫度的上升帶來了北部宗務(wù)隆山冰川融水量增大，補(bǔ)給巴音河上游，林地及水域面積在2000 年后顯著增加，這也與降水量在2000 年后波動上升的情況相一致。林地及水域面積在1990—2000年間經(jīng)歷了小幅度減少，土地荒漠化程度加劇，這可能也與氣溫及降水在1995 年前后的下降有關(guān)。草地類型是氣候變化和環(huán)境特征的標(biāo)志性指示物。研究區(qū)草地以草本植物及灌木為優(yōu)勢類型，灌木以白刺和梭梭為主，草本植物以苦馬豆和駱駝蓬為主。大氣降水增加、平均溫度穩(wěn)定上升對沙漠草地生長發(fā)育較為有利，這與草地面積在2000 年后所保持的上升趨勢吻合。

圖4 氣候變化線性回歸情況

4 結(jié) 論

1）1990—2000 年巴音河流域林地、水域、草地均呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢，生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)惡化趨勢。2000—2010年為研究區(qū)高速發(fā)展時(shí)期，建設(shè)用地增加幅度最大。2010—2017年耕地面積減少，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，其他地類趨于穩(wěn)定。土地利用程度呈增加趨勢。

2）1990—2017 年巴音河流域土地利用類型重心均發(fā)生不同程度的遷移，耕地、水域、建設(shè)用地重心遷移距離較長，耕地與建設(shè)用地重心向西南方向遷移，水域重心向東北方向遷移。

3）人類活動是導(dǎo)致流域土地利用變化最主要的原因，經(jīng)濟(jì)發(fā)展極大地影響了流域耕地、建設(shè)用地以及未利用地等用地類型的面積、轉(zhuǎn)變方向與速度，且這種影響的力度正在逐年增大。氣候變化是近年來研究區(qū)土地利用類型發(fā)生變化的重要因素。

分析土地利用時(shí)空變化規(guī)律，是揭示人類活動程度的有效方式，人類活動對環(huán)境的影響具有兩面性，土地受人類影響可能表現(xiàn)改善趨勢，也可能導(dǎo)致退化。近年來人們的經(jīng)濟(jì)來源方式及價(jià)值觀的改變直接或間接地影響著土地利用格局轉(zhuǎn)化。此外，該流域是柴達(dá)木盆地最為重要的綠色生態(tài)農(nóng)耕牧業(yè)區(qū)，建議政府相關(guān)部門在進(jìn)行土地利用規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合土地利用狀況及經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，發(fā)展枸杞種植等優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，以綠色濕地旅游業(yè)帶動區(qū)域發(fā)展，同時(shí)處理協(xié)調(diào)好土地利用與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，維持區(qū)域生產(chǎn)、生活、生態(tài)安全。