張 靜，張 麗，韓瑞丹，鄭 藝

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

中東亞干旱區(qū)土地覆蓋變化和人類占用強(qiáng)度變化特征

張 靜1,2，張 麗2，韓瑞丹2，鄭 藝2

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

研究中東亞干旱區(qū)2001-2013年期間土地覆蓋變化特征和人類活動(dòng)對潛在自然植被的影響程度，對保護(hù)生態(tài)環(huán)境和合理利用土地資源具有重要意義。本研究首先基于氣象數(shù)據(jù)和綜合順序分類法(comprehensive and sequential classification system,CSCS)模型模擬了中東亞干旱區(qū)的潛在自然植被分布狀況，其次基于2001-2013年的MODIS土地覆蓋數(shù)據(jù)集分析了土地覆蓋變化情況，最后在前兩者的基礎(chǔ)上研究了潛在自然植被的人類占用強(qiáng)度及其變化特征。結(jié)果表明,1)潛在自然植被以林地、草地、凍原、荒漠四大類為主；2)中東亞干旱區(qū)土地覆蓋變化較大，其中中亞灌叢面積波動(dòng)增加，中國華北干旱區(qū)農(nóng)田面積擴(kuò)張明顯，蒙古國中西部灌叢和草地覆蓋面積明顯減少；3)研究區(qū)人類占用強(qiáng)度增強(qiáng)。其中，2010-2013年增長較為明顯，4年間人類占用面積占研究區(qū)面積的比例增長了1.45%。潛在草地人類占用比例在2009-2013年間增幅最大，為2.88%；潛在林地人類占用比例在2001-2005年間增幅最大，為6.99%。4)在北哈薩克斯坦三州(北哈薩克斯坦州、阿克莫拉州、庫斯塔奈州)，人口遷移是潛在自然植被人類占用強(qiáng)度變化的主要因素，2006-2013年間人類占用強(qiáng)度比例增長了11.38%；中國的呼倫貝爾和山西干旱區(qū)，農(nóng)業(yè)開發(fā)是人類占用強(qiáng)度增大的主要因素，2001-2013年間人類占用強(qiáng)度比例分別增長了6.62%和17.64%。

中東亞干旱區(qū)；土地覆蓋變化；潛在自然植被；綜合順序分類法；人類占用強(qiáng)度；農(nóng)田；驅(qū)動(dòng)因素

干旱半干旱區(qū)占全球陸地總面積的40%以上，所支撐的復(fù)雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成[1]。干旱半干旱區(qū)降水少，蒸發(fā)量大于降水量，荒漠化現(xiàn)象嚴(yán)重，脆弱的生態(tài)環(huán)境在人類活動(dòng)的作用下響應(yīng)敏感。中東亞干旱區(qū)作為世界上最大的非地帶性干旱區(qū)，是西風(fēng)帶氣候和季風(fēng)氣候相互作用地區(qū)，也是連接赤道和中高緯度地區(qū)的過渡地帶，因其地理位置特殊，使其對全球的氣候變化有較大影響[2]。

中東亞干旱區(qū)包括了中亞、東亞地區(qū)的蒙古國和中國，其夏季氣溫、降水量以及植被帶，大體上以沙漠為中心，沿南北方向?qū)ΨQ分布[3]。中東亞干旱區(qū)的自然環(huán)境惡劣，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，生產(chǎn)水平較低，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢。特別是近半個(gè)世紀(jì)以來，在人類活動(dòng)和全球氣候變化的影響下，由于氣溫升高和降水減少等自然因素，以及林地砍伐、農(nóng)田撂荒、城鎮(zhèn)建設(shè)、過度放牧等因素的影響，草地退化，荒漠、戈壁、沙漠面積增加等生態(tài)環(huán)境問題日益突出[4]。人類可通過采取有效措施來逐步恢復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng)，如嚴(yán)禁濫墾濫伐、嚴(yán)禁濫用水資源、植樹造林、輪封輪牧、退耕還林還草等行為，積極主動(dòng)地改善土地荒漠化[5]。在自然地理環(huán)境基礎(chǔ)上，土地利用結(jié)構(gòu)受人口因素和經(jīng)濟(jì)因素的影響，與土地覆被變化相聯(lián)系，反映著干旱區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境中的人類與自然界的相互影響關(guān)系[6-7]。由于中東亞干旱區(qū)荒漠化嚴(yán)重，可利用土地少，隨著人口的增長，人地供需矛盾激化，在干旱的環(huán)境中，保持適當(dāng)?shù)娜祟愓加脧?qiáng)度，仍是解決人地矛盾的主要途徑。

任繼周[8]于1956年提出我國草原類型劃分的標(biāo)準(zhǔn)，初步將我國草原類型分為森林草原、濕潤草原、干旱草原、半沙漠草原和沙漠草原5類。1985年任繼周等提出綜合順序分類法，將量化的氣候指標(biāo)劃分為“類”，利用8個(gè)熱量級和6個(gè)濕潤度級將中國草原分成48類[9]。1995年，胡自治和高彩霞[10]以綜合順序分類法為基礎(chǔ)，修正了熱量級和濕潤度級，制作了新的分類檢索圖。2011年，高懷瀛等[11]利用綜合順序分類法，制作了世界草地綜合順序分類圖，生成的草地綜合順序類與世界植被帶分布相符。2012年，梁天剛等[12]基于CSCS發(fā)展了全球的潛在自然植被圖，與生物地帶模型(HLZ)[13]和BIOME4模型[14]制作的植被類型圖進(jìn)行了一致性比較，總的Kappa系數(shù)介于0.62～0.74，說明潛在自然植被類型之間具有較好的一致性，CSCS模型能較為準(zhǔn)確地模擬潛在自然植被的分布。為了定量分析中國人類活動(dòng)對潛在自然植被的干擾程度，修麗娜[15]引入“人類占用強(qiáng)度”這一概念，利用CSCS模型生成的潛在自然植被與土地覆蓋數(shù)據(jù)疊加分析來表征人類活動(dòng)對自然植被的影響狀況。為了研究中東亞干旱區(qū)人類活動(dòng)對潛在自然植被的影響程度，本研究利用氣象數(shù)據(jù)，以綜合順序分類法和修麗娜引入的“人類占用強(qiáng)度”[15]為基礎(chǔ)，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)，計(jì)算中東亞干旱地區(qū)的潛在自然植被分布范圍并分析其人類占用情況，總結(jié)認(rèn)識干旱區(qū)人類占用強(qiáng)度變化規(guī)律，以期為緩解干旱區(qū)人口、資源與環(huán)境的矛盾提供參考。

1 研究區(qū)概況

中東亞干旱區(qū)由中亞和東亞干旱區(qū)組成(46°-116° E，35°-53° N)[2]， 主要包括中亞五國、蒙古國、中國西北和華北西部的干旱半干旱區(qū)，區(qū)域中多沙漠和戈壁，屬于典型的干旱內(nèi)陸區(qū)域(圖1)。本研究中所指中東亞干旱區(qū)由世界沙漠化地圖集中半濕潤、半干旱、干旱、高度干旱4個(gè)濕度類型的范圍確定[16]。

圖1 中東亞干旱區(qū)土地覆蓋分類圖

中東亞干旱區(qū)溫帶大陸性氣候明顯，冬冷夏熱，年溫差大，干旱少雨。冬季被極地大陸氣團(tuán)控制，氣候干冷，最冷月氣溫多為-15～-10 ℃；夏季被干熱氣團(tuán)控制，氣候干熱，最熱月溫度為22～26 ℃[2]。氣溫的年較差和日較差在20～40 ℃。該區(qū)域年降水量在100～400 mm，山區(qū)略高，沙漠地區(qū)則在50 mm以下，年潛在蒸發(fā)量為900～15 000 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于年降水量[2]。中亞五國是北溫帶面積最大的世界干旱區(qū)[17]。中亞五國除塔吉克斯坦和吉爾吉斯斯坦多數(shù)為高山地區(qū)，其它多為荒漠區(qū)。其整體地勢呈東南高，西北低。氣溫年較差小，日較差大，光熱資源豐富。中國和蒙古國研究區(qū)域的植被帶大致呈對稱分布，從南往北依次分布著常綠森林、干草原、荒漠草原、荒漠、荒漠草原、干草原、森林草原和針葉森林[18]。中國干旱半干旱區(qū)主要包括華北溫帶草原與西北溫帶及暖溫帶荒漠地區(qū)。蒙古國深居?xùn)|亞內(nèi)陸高原，是世界上強(qiáng)大的高氣壓中心，溫帶大陸性氣候顯著，荒漠化現(xiàn)象嚴(yán)重[19]。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 方法

2.1.1 基于CSCS模型的潛在自然植被分布模擬 潛在自然植被(potential natural vegetation，PNV)作為一種與所處立地達(dá)到一種平衡的演替終態(tài)，反映的是無人類干擾的情況下，立地所能發(fā)育形成的最穩(wěn)定成熟的一種頂極植被類型，是一個(gè)地區(qū)現(xiàn)狀植被的發(fā)展趨勢[20]。為了模擬潛在自然植被區(qū)，本研究基于氣候數(shù)據(jù)，計(jì)算了1950-2000年的年平均降水量、>0 ℃的年積溫和濕潤度，將具有同一熱量級和濕潤度相結(jié)合的植被劃分為“類”[21]。其中濕潤度計(jì)算公式如下:

K=r/(0.1×∑θ)

(1)

式中：K為濕潤度指數(shù)，r為年降水量(mm)，∑θ為>0 ℃年積溫(℃·d)，0.1為調(diào)節(jié)系數(shù)。對濕潤度級和熱量級疊置分析得到代表1950-2000年總體狀態(tài)下的PNV類型圖。根據(jù)CSCS模型，利用氣候數(shù)據(jù)劃分為7個(gè)熱量級和6個(gè)濕潤度級，并組合成42類區(qū)分不同植被類型，進(jìn)一步融合成10類廣泛的植被類型[12]，以便在大尺度上更明確地反映潛在自然植被的空間分布。

2.1.2 人類占用范圍時(shí)序信息提取 本研究所指人類占用范圍主要包括農(nóng)用地、城市和建筑區(qū)、農(nóng)用地/自然植被鑲嵌體[22]?；谕恋馗采w數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MCD12Q1)的2001-2013年的土地覆蓋分類數(shù)據(jù)，以潛在自然植被為底圖，從土地覆蓋數(shù)據(jù)中提取人類占用范圍區(qū)域?；谠搮^(qū)土地覆蓋變化及方向，探討發(fā)生的這種變化和人類活動(dòng)之間的關(guān)系。

2.1.3 潛在自然植被占用強(qiáng)度計(jì)算 人類占用強(qiáng)度的引入是為了量化人類活動(dòng)對潛在自然植被的影響程度，是潛在自然植被范圍內(nèi)的人類占用面積占潛在自然植被面積的百分比[22]，用Ti表示：

Ti=(Xi/Yi)×100%

(2)

式中:Xi是指某種潛在自然植被的人類占用面積，人類占用面積包括農(nóng)田、建設(shè)用地和農(nóng)田/自然植被交錯(cuò)的地帶，潛在自然植被的人類占用面積即在四大類潛在自然植被的基礎(chǔ)上計(jì)算土地覆蓋分類中的人類占用面積。Yi是指某種潛在自然植被(潛在草地、潛在林地、潛在凍原和潛在荒漠)的面積，由四大類潛在自然植被范圍得出。

2.2 數(shù)據(jù)

2.2.1 氣候數(shù)據(jù) 為了獲得潛在自然植被的分布范圍，采用CSCS模型和氣候數(shù)據(jù)對中東亞干旱區(qū)進(jìn)行模擬。本研究使用的氣候數(shù)據(jù)來源于全球30 arc sec空間分辨率(約1 km)的近50年(1950-2000年)worldclim月平均降水量及溫度數(shù)據(jù)(http://www.worldclim.org)。該數(shù)據(jù)集是由Hijmans等[23]發(fā)展的全球氣候數(shù)據(jù)集(worldclim)，用經(jīng)度、緯度和海拔作為獨(dú)立變量，利用ANUSPLIN軟件包實(shí)施薄板平滑樣條算法內(nèi)插。相比以往10 arc min分辨率的全球氣候?qū)W數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)空間分辨率更高(400倍以上)，使用了更多氣象站記錄和改進(jìn)的高程數(shù)據(jù)，并且在數(shù)據(jù)里可獲得不確定性空間模式的更多信息。

2.2.2 土地覆蓋分類數(shù)據(jù) 土地覆蓋數(shù)據(jù)來源于MODIS陸地標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(MCD12Q1，Version 5.1)。研究選取了2001-2013年期間每年一次的國際地圈生物圈計(jì)劃(International Geosphere-Biosphere Program，IGBP)土地覆蓋分類數(shù)據(jù)，空間分辨率為500 m。MODIS土地覆蓋類型產(chǎn)品使用的是決策樹分類算法，通過反復(fù)估算決策樹，同時(shí)系統(tǒng)地改變訓(xùn)練樣本，提高了分類精度，全球范圍多領(lǐng)域分類精度為78.3%[24]。本研究將IGBP土地覆蓋分類類型(16類)進(jìn)行歸并，整合成林地(常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林)，灌叢(稠密灌叢、稀疏灌叢)，草地(木本熱帶稀樹草原、熱帶稀樹草原、草地)，農(nóng)田(農(nóng)用地、農(nóng)用地/自然植被鑲嵌體)，其它(水、永久濕地、城市和建筑區(qū)、雪和冰、稀疏植被)五大類。

2.2.3 輔助數(shù)據(jù) 國外地區(qū)的農(nóng)作物面積數(shù)據(jù)來自于(United Nations Environment Programme, http://www.unescap.org)[25]，農(nóng)作物面積是指臨時(shí)種植農(nóng)作物土地和永久用來種植草本飼料作物土地的總和。國內(nèi)的農(nóng)作物總播種面積數(shù)據(jù)來自于中國國家統(tǒng)計(jì)局農(nóng)業(yè)年度數(shù)據(jù)(http://www.stats.gov.cn/)，農(nóng)作物播種面積是指在日歷年度內(nèi)收獲農(nóng)作物在全部土地(耕地或非耕地)上的播種或移植面積。

3 結(jié)果與討論

3.1 潛在自然植被類型分布

利用1950-2000年的氣候數(shù)據(jù)劃分熱量級和濕潤度級，對其進(jìn)行疊置分析得到代表2000年(50年平均水平)植被分布范圍狀況的中東亞干旱區(qū)潛在自然植被類型圖(圖2)。經(jīng)CSCS模型計(jì)算，中東亞干旱區(qū)共分為9個(gè)潛在植被類型。本研究根據(jù)“改進(jìn)的綜合順序分類法”[12]中CSCS廣泛的植被種類和類之間的關(guān)系，將CSCS潛在自然植被類型合并為凍原、荒漠、草地和林地4類(表1)。

圖2 基于CSCS模型的中東亞干旱區(qū)潛在自然植被模擬圖

表1 潛在自然植被類型合并

在不受人類干擾、自然演變的狀況下，中國的新疆、甘肅北部、內(nèi)蒙古西部，蒙古國南部，中亞的土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦的西南部氣候惡劣，不適合植被的生長，多為凍原和荒漠；草地廣泛分布于哈薩克斯坦北部、內(nèi)蒙古東北部、蒙古東部等地區(qū)；林地分布于中國干旱區(qū)東南部(圖2)。潛在自然植被中草地面積最大，占研究區(qū)總面積的51.20%，其次為荒漠、凍原和林地，占研究區(qū)的比例依次為29.92%、13.29%和5.60%(表1)。整個(gè)研究區(qū)除林地集中分布于中國干旱區(qū)的東南部之外，植被類型大致沿南北方向呈現(xiàn)草地-凍原-荒漠-凍原-草地對稱分布。整體表現(xiàn)出一定的垂直地域分異，如凍原多分布于3 000 m以上的高山地區(qū)，沙漠多分布于內(nèi)陸山間盆地和高原面上的洼地和低平地區(qū)，草地和林地在平原、山地等多個(gè)地形都有分布；同時(shí)還表現(xiàn)出明顯的緯度地帶性，例如在中國，林地分布的氣候類型為溫帶季風(fēng)氣候，草地為溫帶大陸氣候，凍原和荒漠為高原山地氣候。

3.2 潛在自然植被區(qū)土地覆蓋變化特征分析

人類的干擾建立在原始土地覆蓋格局上，受干旱環(huán)境的控制與制約，天然植被的生長和人類活動(dòng)表現(xiàn)出明顯的地域性(即自然條件較好及自然資源豐富的地區(qū))[26]。2001-2013年，土地覆蓋類型變化的區(qū)域主要分布在中亞的土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦北部，中國的內(nèi)蒙古呼倫貝爾、山西、陜西中部、寧夏南部、新疆西北部，蒙古國干旱區(qū)西部和中部等地區(qū)(圖3)。林地增長區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古的呼倫貝爾；灌叢增長區(qū)主要分布在土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦中部；草地退化區(qū)主要分布在蒙古國中西部等地區(qū)；農(nóng)田增長區(qū)主要分布在北哈薩克斯坦三州(北哈薩克斯坦州、阿克莫拉州、庫斯塔奈州)和中國的呼倫貝爾中部、山西、陜西北部、甘肅的蘭州以及南部地區(qū)。土地覆蓋類型變化區(qū)域大多為海拔較低的平原、低山丘陵或臨近河流等水源較豐富的地區(qū)，是草地、林地分布的資源地，適合人類生存；同時(shí)，受水資源承載力的制約，人類對自然的開發(fā)利用程度有限。在全球氣候變暖的背景下，人類活動(dòng)對區(qū)域植被類型的轉(zhuǎn)化有直接促進(jìn)作用，在原有人類占用范圍的基礎(chǔ)上，表現(xiàn)出向外圍延伸的趨勢，較為明顯的是北哈薩克斯坦三州農(nóng)田的擴(kuò)張。

圖3 2001-2013年中東亞干旱區(qū)潛在自然植被區(qū)土地覆蓋類型轉(zhuǎn)化空間分布圖

統(tǒng)計(jì)分析得到(圖4)，研究區(qū)林地面積持續(xù)穩(wěn)步增長，灌叢變動(dòng)較大，草地呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，農(nóng)田則先減后增。結(jié)合土地覆蓋類型空間分布圖，發(fā)現(xiàn)草地與農(nóng)田轉(zhuǎn)化范圍最廣。林地大部分位于中國內(nèi)蒙古的呼倫貝爾干旱區(qū)，在13年間增長了44.78%，這與1998年我國實(shí)施的天然林保護(hù)工程有密不可分的關(guān)系[27]。另外，灌叢化現(xiàn)象明顯，在13年間增長了33.66%，人類過度放牧和氣候變化等綜合因素導(dǎo)致的灌叢化體現(xiàn)了干旱區(qū)土地退化及荒漠化的趨勢[28]。草地作為自然環(huán)境嚴(yán)苛、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性相對脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，近幾年退化嚴(yán)重，研究區(qū)的草地面積在2013年較草地面積最高年份(2008年)減少了2.69%。研究區(qū)的農(nóng)田面積僅次于草地，2001-2010年大幅下降，而2010-2013年大幅回升，總體2013年較2001年增長了9.79%。

2001年，中國、蒙古國、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦、烏茲別克斯坦和土庫曼斯坦的干旱區(qū)人類占用面積，分別占其國土干旱區(qū)總面積的16.49%、1.20%、11.57%、16.03%、25.79%、14.03%和2.62%。至2013年，這些地區(qū)的人類占用比例較2001年變化了3.53%、0.24%、-1.91%、-4.39%、-3.77%、0.69%和0.83%?；诮y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，中國干旱區(qū)的人類占用比例增加，這主要表現(xiàn)為中國干旱區(qū)農(nóng)田的擴(kuò)張。如易浪等[29]發(fā)現(xiàn)中國西北部的典型草原區(qū)，農(nóng)牧耕作等現(xiàn)象嚴(yán)重，人類活動(dòng)干擾作用使植被歸一化差分植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)顯著減少。蒙古國的人類占用強(qiáng)度變化較小。中亞五國總體人類占用面積比例降低，主要是棄耕所致，然而在不同區(qū)域人類占用面積變化存在地域差異，如哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦干旱區(qū)人類占用面積減少，而烏茲別克斯坦、土庫曼斯坦人類占用面積增加。

基于中東亞干旱區(qū)土地覆蓋范圍，得到林地、灌叢、草地、農(nóng)田4類土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(表2)，從主要地類之間的轉(zhuǎn)移變化可以看出，人類占用強(qiáng)度變化存在著明顯的階段性，2001-2010年新增農(nóng)田的比例(17.95%)遠(yuǎn)小于農(nóng)田轉(zhuǎn)出的比例(29.03%)，人類占用強(qiáng)度降低；而2010-2013年農(nóng)田面積百分比回升(1.58%)，人類占用強(qiáng)度增強(qiáng)，總體人類占用強(qiáng)度增強(qiáng)。隨著農(nóng)田面積的增加，人類開發(fā)利用土地導(dǎo)致人類占用強(qiáng)度比例增加，而人類占用強(qiáng)度的增加會改變土地覆蓋結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

3.3 潛在自然植被人類占用強(qiáng)度變化特征分析

農(nóng)田作為人類占用的重要組成部分，其面積在2001-2013年呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，總體人類占用比例與農(nóng)田面積變化的趨勢一致，而建設(shè)用地變化甚微，可忽略其對人類占用強(qiáng)度變化特征的貢獻(xiàn)。中亞五國城市化表現(xiàn)出上升趨勢，然而其城市發(fā)展強(qiáng)度不大，發(fā)展較為緩慢[30]，因此建設(shè)用地人類占用強(qiáng)度變化不大，而以農(nóng)田的占用為主。潛在自然植被類型圖與土地覆蓋分類圖疊加分析，計(jì)算得到2001-2013年中東亞干旱區(qū)潛在自然植被人類占用強(qiáng)度比例圖(圖5)。其中潛在草地和潛在林地人類占用強(qiáng)度較高，受人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響較大。因此，本研究主要研究潛在草地和潛在林地分布范圍內(nèi)的土地覆蓋和人類占用強(qiáng)度變化情況。

圖4 2001-2013年中東亞干旱區(qū)潛在自然植被區(qū)主要地類面積變化圖

年份Year農(nóng)田Cropland土地覆蓋類型Landcovertype林地Forestland灌叢Shrubland草地Grassland其它Other2001-2010減少decrease(29．03%)1．82%1．17%25．81%0．23%增加increase(17．95%)6．26%6．73%4．80%0．17%2010-2013減少decrease(13．22%)4．09%3．19%5．87%0．08%增加increase(14．79%)1．43%0．67%12．51%0．18%

研究區(qū)總的人類占用強(qiáng)度先降低后增強(qiáng)，總體上人類占用比例增加。2010-2013年，人類占用強(qiáng)度增幅明顯，這可能源于人們對土地粗放型開發(fā)，干旱區(qū)人口增多、經(jīng)濟(jì)利益需求增長、人口素質(zhì)較低以及人文環(huán)境因素對人類占用活動(dòng)水平的制約等綜合因素[31]。潛在林地的人類占用強(qiáng)度呈小幅動(dòng)態(tài)變化，2005年達(dá)到最大，約占潛在林地的74.22%，2013年小幅下降，約占潛在林地的71.52%。潛在草地的人類占用強(qiáng)度自2001-2010年呈減小趨勢，2010年降到最低，約占潛在草地的12.79%；2010-2013年有小幅增強(qiáng)趨勢，2013年達(dá)到最高，約占潛在草地的15.67%。

對比中國、中亞和蒙古國(圖6)，中國干旱區(qū)和中亞干旱區(qū)的人類占用強(qiáng)度較強(qiáng)，蒙古國干旱區(qū)人類占用強(qiáng)度較弱。蒙古國干旱區(qū)多為潛在荒漠和潛在凍原，自然條件惡劣，人類占用比例低。中亞干旱區(qū)在2001-2010年農(nóng)田占用比例減小，到2010-2013年表現(xiàn)出增長趨勢，2001年最高，約為中亞干旱區(qū)的11.76%，到2013年有所增長，但是沒有恢復(fù)到之前的水平。在全球變暖的背景下，中亞氣候響應(yīng)復(fù)雜，再加上人類活動(dòng)的影響，尤其是蘇聯(lián)解體所導(dǎo)致的政策變動(dòng)及人口變遷[32]，中亞土地資源利用變動(dòng)顯著。由于農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和政策激勵(lì)[33]，中國干旱區(qū)的人類占用強(qiáng)度波動(dòng)增長，2001年最低，人類占用比例約為16.55%，2013年最高，增長到20.10%。在研究中國林草面積變化與人類占用強(qiáng)度[15]時(shí)發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田和草地面積減少，林地面積增加，人類占用強(qiáng)度總體增強(qiáng)。這與本研究中國干旱區(qū)人類占用強(qiáng)度整體增長的趨勢相同。

圖5 2001-2013年中東亞干旱區(qū)潛在自然植被人類占用強(qiáng)度比例

圖6 2001-2013年中亞、蒙古國和中國干旱區(qū)潛在自然植被人類占用強(qiáng)度比例

3.4 典型區(qū)人類占用強(qiáng)度分析

3.4.1 北哈薩克三州 北哈薩克三州包括北哈薩克斯坦州、阿克莫拉州、克斯塔奈州，流經(jīng)伊希姆河和托博爾河兩條河流。該地區(qū)的植被類型以農(nóng)田和草地為主。農(nóng)田面積在2001-2010年持續(xù)下降，潛在草地的人類占用強(qiáng)度呈現(xiàn)2001-2010年降低、2010-2013年增強(qiáng)的趨勢(圖7)。從農(nóng)作物面積來看，哈薩克斯坦干旱區(qū)2001-2009年呈下降趨勢，2009-2013年呈上升趨勢，這也體現(xiàn)了人類占用強(qiáng)度先減小后增加的變化特點(diǎn)。1990-2010年間哈薩克斯坦農(nóng)田面積持續(xù)減小[34]，人類占用強(qiáng)度降低。2010年以后北哈薩克三州人類占用強(qiáng)度動(dòng)態(tài)增強(qiáng)，哈薩克斯坦政府近年來非常重視農(nóng)業(yè)發(fā)展，加上2004年以后人口回遷，增強(qiáng)的農(nóng)牧業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致人類占用強(qiáng)度增強(qiáng)，3年間人類占用比例增長了12.84%。由此可見，人類占用在土地覆蓋中存在一定的主動(dòng)性，即為了滿足人類社會的發(fā)展需求，人們開發(fā)自然資源的能動(dòng)性增強(qiáng)，影響了自然環(huán)境的變化。

圖7 北哈薩克斯坦三州人類占用強(qiáng)度比例和哈薩克斯坦農(nóng)田面積、潛在草地人類占用比例

3.4.2 呼倫貝爾干旱區(qū) 根據(jù)土地覆蓋數(shù)據(jù)，呼倫貝爾干旱區(qū)位于潛在草地范圍內(nèi)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，農(nóng)作物總播種面積持續(xù)增長。本研究發(fā)現(xiàn)，人類占用強(qiáng)度(潛在草地人類占用強(qiáng)度)動(dòng)態(tài)增強(qiáng)，在2001-2013年間增長了6.62%(圖8)。由于呼倫貝爾市嶺東、嶺西低山丘陵與呼倫貝爾平原東部交接的林草結(jié)合帶的草地和濕地被開墾成農(nóng)田，農(nóng)田由東南向西北持續(xù)擠占林地和草地，林草地的開墾表現(xiàn)出人類活動(dòng)具有明顯的時(shí)空性特征，此外，城市化導(dǎo)致建設(shè)用地占用草地，呼倫貝爾草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田和建設(shè)用地的總體趨勢明顯[35]。總體而言，呼倫貝爾市農(nóng)業(yè)開發(fā)及建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致人類占用強(qiáng)度波動(dòng)增強(qiáng)。

3.4.3 山西干旱區(qū) 山西干旱區(qū)潛在草地和潛在林地人類占用強(qiáng)度集中在10%～20%，呈現(xiàn)出“增-減-增”的變化趨勢，山西農(nóng)作物總播種面積動(dòng)態(tài)增長，和人類占用趨勢大體一致，可以從一定程度上反映人類占用強(qiáng)度的增加。潛在草地人類占用強(qiáng)度和總體人類占用強(qiáng)度趨勢一致，潛在林地人類占用強(qiáng)度在2001-2005年增強(qiáng)，2005-2013年比較穩(wěn)定，變化不明顯。2007年之前山西干旱區(qū)農(nóng)田有明顯的降低趨勢，一方面，城市建設(shè)大量占用農(nóng)田[36]，另一方面，2003年1月20日起施行“退耕還林條例”，為農(nóng)田減少的又一重要原因[37]。近年來，由于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口、農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步、糧食安全保障等因素導(dǎo)致人類不再受自然環(huán)境的制約，主動(dòng)改造自然環(huán)境，成為影響環(huán)境變化的重要驅(qū)動(dòng)因素。人類活動(dòng)的主動(dòng)性使人類占用強(qiáng)度增加。

圖8 呼倫貝爾人類占用強(qiáng)度比例和呼倫貝爾農(nóng)作物總播種面積、潛在草地人類占用比例

圖9 山西人類占用強(qiáng)度比例和山西農(nóng)作物總播種面積、潛在草地和潛在林地人類占用比例

4 討論與結(jié)論

目前，對人類占用強(qiáng)度的研究較少，人類活動(dòng)對干旱區(qū)的作用程度尚不清楚[31]。干旱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，人類活動(dòng)對干旱區(qū)的負(fù)效應(yīng)導(dǎo)致土地荒漠化加劇。本研究以人類占用強(qiáng)度為核心，采用了綜合順序分類法和氣候數(shù)據(jù)，分析了中東亞干旱區(qū)近13年土地覆蓋變化特征及人類占用強(qiáng)度變化特征，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，土地覆蓋變化區(qū)多為植被類型交錯(cuò)地帶和人類密集區(qū)或其邊緣，如中國干旱區(qū)草地大面積轉(zhuǎn)為農(nóng)田，哈薩克斯坦三州邊緣地區(qū)草地大面積轉(zhuǎn)成農(nóng)田；部分地區(qū)的人類占用強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，如中國干旱區(qū)農(nóng)田擴(kuò)張明顯，除了氣候條件影響，還反映了國家惠農(nóng)政策的扶持及農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步對干旱區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的綜合影響。然而，部分地區(qū)的人類占用強(qiáng)度也明顯降低，如中亞干旱區(qū)在2010年前農(nóng)田減少，是由于人口遷移導(dǎo)致撂荒地增加，大量農(nóng)田轉(zhuǎn)化為草地；2010年后隨著人口的回遷，農(nóng)田的面積又有了大幅增加，人類占用強(qiáng)度明顯增強(qiáng)?？偟膩碚f，由于地理環(huán)境的區(qū)域分異規(guī)律，在不同人文因素的影響下，各區(qū)域的土地覆蓋表現(xiàn)出不同的變化趨勢及轉(zhuǎn)換特征，人類占用強(qiáng)度在中東亞干旱區(qū)表現(xiàn)出明顯的地域差異。結(jié)合典型區(qū)分析發(fā)現(xiàn)，人類占用的變化特征表現(xiàn)出明顯的主動(dòng)性、時(shí)空性和有限性。人類需求的增加導(dǎo)致占用土地資源的主動(dòng)性增強(qiáng)，其活動(dòng)范圍多發(fā)生于自然條件較好的地區(qū)，但是人類對自然資源的開發(fā)是有限的，過度開墾會造成水源枯竭、土地荒漠化等問題。因此，可結(jié)合干旱區(qū)土地類型的空間結(jié)構(gòu)及其變化特征，發(fā)展適合當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)土地利用模式。

本研究在分析人類占用強(qiáng)度上還存在局限性。人類占用面積包括農(nóng)田、建設(shè)用地以及農(nóng)田/自然植被交錯(cuò)的地帶。然而本研究所采用的MODIS土地覆蓋數(shù)據(jù)，受數(shù)據(jù)分類精度的限制，其城市和建筑區(qū)區(qū)分不明顯[38]。盡管濕地的開發(fā)也潛在導(dǎo)致人類占用強(qiáng)度的增加，但由MODIS土地覆蓋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到，中東亞干旱區(qū)濕地面積占總研究區(qū)的面積不到0.1%。綜上，本研究僅著重基于農(nóng)田面積變化情況來反映人類占用強(qiáng)度。另外，本研究僅對潛在自然植被進(jìn)行“類”的劃分，未將其劃分為“類”的下一級“型”(草地植物的經(jīng)濟(jì)類群)。針對載畜量增加等人類活動(dòng)問題，由于劃分出型的空間分布，才能判定一個(gè)輪牧分區(qū)內(nèi)草地的生態(tài)因素及草產(chǎn)量，因此無法根據(jù)草地承載能力分析人類占用強(qiáng)度。隨著遙感產(chǎn)品質(zhì)量和精度的提高，可借助更高精度的時(shí)序土地覆蓋分類數(shù)據(jù)集研究人類占用面積，以提高人類占用強(qiáng)度的精度。

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(責(zé)任編輯 王芳)

Change in land cover and human occupancy of the arid region of Central-East Asia

Zhang Jing1,2， Zhang Li2， Han Rui-dan2， Zheng Yi2

(1.College of Information Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Tan’ an 271018, China;2.Key Laboratory of Digital Earth Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth,Chinese Academy of Science, Beijing 100094,川China)

This paper aimed to study the characteristics of land cover change and the impact of human activities on potential natural vegetation (PNV) in the arid region of Central-East Asia. This information is of great significance for the protection of the ecological environment and the rational use of land resources. Firstly, the study simulated the distribution of PNV in the arid region of Central-East Asia based on meteorological data and a CSCS model. Secondly, the study analysed the land cover change based on the 2001-2013 MODIS land cover datasets. Finally, we studied the variation characteristics of human occupancy intensity on PNV. The results showed that: 1) the PNV in the arid region of Central-East Asia included potential forestland, potential grassland, potential tundra, and potential desert; 2) the shrubland increased dynamically in Central Asia, the croplands expanded significantly in the arid region of China, and the areas of shrubland and grassland in the middle and west of Mongolia decreased; 3) the human occupancy increased in the study area. The human occupancy proportion of the study area was notably increased by 1.45% from 2010 to 2013. The human occupancy proportion of the potential grassland showed the largest increase (2.88%) from 2009 to 2013 and the human occupancy proportion of the potential forest showed the largest increase (6.99%) from 2001 to 2005; 4) in the North Kazakhstan Tri-State(Солт?стiк Казакстаноблысы，Акмолаоблысы，Костанайоблысы), migration was the major factor that affected PNV, as the human occupancy proportion increased by 11.38% from 2006 to 2013; in the arid regions of Hulunbuir and Shanxi, agricultural development was the main factor for increased human occupancy, which increased by 6.62% and 17.64%, respectively, from 2001 to 2013.

Central-East Asia arid region; land cover change; potential natural vegetation; comprehensive and sequential classification system; human occupancy; cropland; driving factors

Zhang Li E-mail:zhangli@radi.ac.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0422

張靜,張麗,韓瑞丹,鄭藝.中東亞干旱區(qū)土地覆蓋變化和人類占用強(qiáng)度變化特征.草業(yè)科學(xué),2017,34(5)：975-987.

Zhang J,Zhang L,Han R D,Zheng Y.Change in land cover and human occupancy of the arid region of Central-East Asia.Pratacultural Science，2017,34(5)：975-987.

2016-08-08 接受日期：2016-11-28

國家自然科學(xué)基金(41271372)；海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(ZDYF2016183)

張靜(1992-)，女，山東濱州人，在讀碩士生，研究方向?yàn)檫b感應(yīng)用。 E-mail：18763895831@163. com

張麗(1975-)，女，新疆伊犁人，研究員，博士，研究方向?yàn)橹脖簧鷳B(tài)遙感研究。 E-mail：zhangli@radi.ac.cn

S151.9

A

1001-0629(2017)05-0975-13