北方農牧交錯帶的生態脆弱區

土地使用變化研究是全球環境變化的研究項目之一，引起了人們的關注。區域土地利用變化動態、變化特征、預測與模擬、驅動機制等研究,是當前國內外土地利用變化研究的重要內容。借助遙感影像和GIS分析工具,結合社會經濟數據等資料,共同研究某地區的土地利用時空變化特征及其驅動機制,是目前主要的研究方法。北方農牧交錯帶是農業區與牧業區之間的過渡地帶,也是我國重要的生態脆弱區域。在全球環境變化的背景下,農牧交錯帶內面臨諸多的生態環境問題,如沙漠化等。生態脆弱區土地利用變化與自然因素如降水、氣溫變化和人類活動因素有關,但具有區域差異性,如位于陜西省境內農牧交錯帶的榆林地區,能源經濟發展迅速,人類活動對當地的土地利用變化產生直接影響。本文對位于榆林地區的靖邊縣土地利用時空變化和驅動因素進行了分析,旨在為該區域土地資源的合理開發和生態環境改善提供理論指導和依據。1地形地貌條件靖邊縣位于陜西省北部榆林市西南部,無定河上游,毛烏素沙漠南沿,地跨長城南北,縣城距榆林市184km。地勢南高北低,海拔1123~1823m,地處東經108°17′15″—109°20′15″,北緯36°58′45″—38°03′15″,地形呈菱形,按地貌分為北部風沙灘區、中部梁峁澗區和南部丘陵溝壑區,分別約占總面積的1/3。全縣屬半干旱內陸性季風氣候,年平均降水量395.4mm,四季變化明顯,年平均氣溫7.8℃,無霜期125~179d,晝夜溫差大。1.1數據處理根據靖邊縣2009年土地利用變更數據庫,對靖邊縣1990,2000和2010年3期30m分辨率,6景TM/ETM+影像,利用ERDAS9.3軟件進行解譯,將判讀結果與野外調查結果進行對比,解譯精度在80%以上,分類結果可靠。研究區土地利用類型分別為耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地。驅動因素分析所用數據來自靖邊縣統計年鑒、靖邊縣國民經濟和社會發展統計公報以及陜西年鑒等。1.2計算某時段內某土地利用類型變化速度的動態度土地利用動態度表征區域土地利用類型的變化劇烈程度,單一土地利用類型動態度是研究區域在一定時間范圍內某種土地利用類型的變化速度情況。動態度絕對值越大,表示某段時間內某種土地利用類型變化越劇烈。計算公式如下:K=(Ub-Ua)/(Ua×T)×100%(1)式中:K——研究時段內某一土地利用類型的動態度;Ua,Ub——研究時段初期和末期某一土地利用類型的數量;T——研究時段長度。1.3土地利用轉移矩陣利用ERDAS9.3軟件,對研究區1990年和2010年解譯的土地利用柵格圖像進行空間疊加分析,得到靖邊縣20a的土地利用轉移矩陣,用以研究20a來靖邊縣土地利用面積的變化情況,并利用空間疊加的統計結果制作土地利用轉移矩陣。2結果與討論2.1建設用地和草地、未利用地面積變化1990—2010年,靖邊縣全縣林地、建設用地面積呈現增加態勢,耕地、草地、水域和未利用地面積為減少態勢(圖1)。由1990—2000年和2000—2010年2個階段可以看出,耕地和水域面積前一階段減少較少,態勢不明顯,后一階段減少態勢較為明顯;草地、未利用地在2個階段均為減少態勢;林地和建設用地面積在2個階段均為增加態勢(圖1a)。從靖邊縣3個地貌單元來看,1990—2010年北部風沙灘區耕地和水域面積變化較小,態勢不明顯;林地為持續增加態勢,草地相反,為減少態勢;建設用地在1990—2000年變化態勢不明顯,后一階段2000—2010年呈顯著增加態勢;未利用地經歷了先減少后增加的變化過程(圖1b)。中部梁峁澗區耕地與未利用地變化態勢一致,同為1990—2000年面積增加,2000—2010年面積減少,總體為減少態勢;水域變化態勢不明顯,而建設用地在后期表現為略微的增加;林地總體增加,草地總體面積變化較小(圖1c)。南部丘陵溝壑區1990—2010年耕地、水域總體為減少態勢;林地、草地和建設用地總體表現為增加態勢;未利用地總體呈減少態勢(圖1d)。2.2土地利用變化表1根據式(1)計算得到,表1中“-”表示某種土地利用類型在某一階段為減少態勢,“+”表示增加態勢。1990—2010年,靖邊縣耕地、草地、水域和未利用地減少,其中以未利用地減少幅度最大,耕地減少幅度最小,二者相差近5倍;林地和建設用地增加,以建設用地增加幅度最大,增加16.4%。1990—2000年和2000—2010年2個階段中,除未利用地前一階段減少速度快于后一階段外,其他土地利用類型后一階段增加或減少速度都要快于前一階段(表1)。以上結果反映出2000—2010年是靖邊縣土地利用發生變化的主要階段,建設用地的快速增加是研究時段內土地利用變化的主要特征。北部風沙灘區1990—2010年林地、建設用地為增加態勢,仍以建設用地的較高增幅為主要特征,高于靖邊縣平均增加幅度;草地、水域、未利用地減少,草地減少幅度大于未利用地,水域減少幅度最小;耕地變化幅度最小。1990—2000年和2000—2010年2個階段中,耕地、未利用地面積先減少后增加,增減幅度基本相當;草地、水域持續減少,減少幅度有逐漸增大之態勢;林地增加在前一階段幅度較大,而建設用地增加主要集中于后一階段。中部梁峁澗區1990—2010年建設用地增加幅度大于北部風沙灘區,是其近2.5倍,遠高于靖邊縣平均增加幅度;林地、草地變化幅度小于北部風沙灘區;耕地、水域和未利用地中,以未利用地減少幅度最大。1990—2000年和2000—2010年2個階段中,建設用地的增加主要集中于前一階段,這一特征與北部風沙灘區具有較大的差異;除水域表現為2個階段的持續減少外,中部梁峁澗區域的各土地利用類型前一階段與后一階段的變化態勢相反。南部丘陵溝壑區1990—2010年建設用地增加幅度是3個區域當中最小的,僅是靖邊縣平均增加幅度的1/3;耕地、水域和未利用地中,耕地減少幅度最小,未利用地最大;林地增加幅度略高于草地。1990—2000年和2000—2010年2個階段中,建設用地持續增加,后一階段增加幅度明顯,是前一階段的2倍;水域減少幅度2個階段基本相同;其他各土地利用類型,在2個階段中表現出相反的變化態勢,但均表現出增加幅度高于減少幅度的態勢。2.3土地利用類型的轉變在ArcGIS10軟件中,對1990年和2010年靖邊縣土地利用圖進行疊加分析,并進行數據統計得到1990—2010年的土地利用變化轉移矩陣如表2所示。土地利用變化轉移矩陣可以直觀地表明在研究時段內各種土地利用類型之間的相互轉變情況?；?990年和2010年靖邊縣土地利用疊加分析結果,可以得到2010年耕地、林地、草地和建設用地由1990年其他土地利用類型轉變的空間分布圖(附圖1)。從表2和附圖1可以看出,靖邊縣1990—2010年,耕地依次主要向林地、草地和建設用地轉變;林地依次向草地、耕地、未利用地和建設用地的轉變也較為明顯;草地表現出依次向林地、耕地、未利用地和建設用地轉變的特征;水域、建設用地轉變為其他土地利用類型的面積較少;未利用地最為顯著的是向林地、草地的轉變,轉變為耕地的面積較少。以上反映出,研究時段內靖邊縣土地利用類型之間的轉變,以耕地、林地、草地之間的轉變,以及三者向建設用地的轉變和未利用地向林地的大面積轉變為主要特征。從區域來看,北部風沙灘區在1990—2010年,耕地向林地、草地和建設用地轉變,其中向建設用地的轉變數量高于向草地的轉變;林地以向耕地和草地轉變為主,向建設用地轉變的數量也較為可觀;草地向林地和耕地轉變為主,與林地向建設用地轉變的數量較為相近;未利用地向林地轉變數量較大,占全縣的比例接近2/3。中部梁峁澗區在1990—2010年,耕地向林地、草地轉化居多,向建設用地轉變的面積不及向林地、草地轉變面積的8%;林地主要向耕地、草地和未利用地轉變;草地以向耕地、林地和未利用地轉變為主;未利用地主要向林地和草地轉變?？傮w上,中部梁峁澗區各土地利用類型向建設用地轉變的數量都比較小。南部丘陵溝壑區在1990—2010年,耕地以向林地和草地轉變為主,向建設用地和未利用地轉變的數量相近;林地向草地和耕地轉變為主,向未利用地轉變的數量高于向建設用地轉變數量;草地向林地和耕地轉變,向未利用地轉變的數量是向建設用地轉變數量的2倍;未利用地向耕地、林地和草地的轉變居多,向建設用地轉變的數量較少。從以上分析可以看出,靖邊縣1990—2010年土地利用類型轉變的特點主要包括:(1)耕地、林地和草地之間的相互轉變數量較大,是主要土地利用轉變類型;(2)耕地、林地和草地向建設用地的轉變是研究時段內該區域的主要特征;(3)未利用地向林地和草地的轉變數量較大;(4)區域分布上,北部風沙灘區耕地、林地和草地之間相互轉變的規模和數量高于中部梁峁澗區和南部丘陵溝壑區,中部梁峁澗區高于南部丘陵溝壑區;(5)耕地、林地和草地向建設用地的轉變主要集中于北部風沙灘區,未利用地向林地的轉變也主要集中在該區域。2.4土地使用變化驅動因素分析2.4.1居民用地需求持續增長1990—2010年,靖邊縣人口持續增長(圖2)。人口由1990年的24.06萬人上升到2010年的32.86萬人,人口年均增長率達2.20%,人口增長必然導致對居住地、公共用地以及水資源的需求加大,居民用地需求不斷增長,從而推動建設用地范圍進一步擴展及其用地結構的相應變化。比較明顯的是交通用地和工礦用地的增加,而人們對地表水資源的開采導致靖邊縣水域面積萎縮,人口增加所引起的對土地的需求,促進人們加大對未利用土地的規劃、使用,導致未利用地減少,人口增加是靖邊縣土地利用變化的驅動因素之一。2.4.2出臺了建設用地擴展的主要產業經濟發展是土地利用變化的重要驅動因素,主要表現為建設用地的迅速增加。圖3表明,1990—2010年靖邊縣GDP呈指數增長,尤其是2000年之后,經濟發展迅速。結合表2中靖邊縣建設用地變化主要發生在2000—2010年,充分反映出建設用地擴展主要是經濟發展所推動。圖3表示1990—2010年第1,2,3產業占GDP的變化情況,可以看出第1產業呈逐年下降的態勢,第3產業呈現先增加后減少的趨勢,反映出2000年之前,靖邊縣第1產業比重迅速減少,第2,3產業發展較快,所占比例保持上升態勢。2000—2010年,第2產業逐漸成為靖邊縣的主要產業,所占比例達到GDP的80%以上。以上分析表明,靖邊縣建設用地的快速增加主要是由第2產業的快速發展所驅動。建設用地包括居住地、交通用地、工礦用地等類型。靖邊縣在國家政策“發展中小城鎮”以及縣政府“兩基地、兩中心、一樞紐”政策的推動下,城市化進程加快,城鎮面積逐年增加。靖邊縣第2產業的發展主要源自該地區石油、天然氣開采和石油加工為主導的工業迅猛發展。2.4.3政策導向對耕地轉化加1990—2010年,對靖邊縣土地利用變化影響較為重要的政策有“三北”防護林體系建設、退耕還林還草工程的實施等,這些政策導向驅動了該地區耕地向林地、草地的轉化。“三北”防護林體系的建設,促進了該區域北部風沙灘區林地面積數量的增加。西部大開發等國家層面政策因素促進了靖邊縣油氣資源的快速開發和開采,興建油井、氣井以及公路的修建等是驅動靖邊縣建設用地面積增加的主要因素。3不同地區建設用地的變化(1)1990—2010年,靖邊縣林地、建設用地面積呈現增加態勢,耕地、草地、水域和未利用地面積為減少態勢。北部風沙灘區林地增加和草地減少態勢明顯。中部梁峁澗區耕地面積減少,林地增加態勢明顯。南部丘陵溝壑區耕地減少,林地、草地增加態勢明顯。建設用地的增加主要集中于2000—2010年。(2)1990—2010年,靖邊縣土地利用變化主要發生在2000年之后,其中尤以建設用地的快速增加為特點。北部風沙灘區和中部梁峁澗區建設用地增加速度高于南部丘陵溝壑