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        黃河寧蒙段河岸帶土地利用變化及驅(qū)動力分析

        2023-04-29 00:00:00楊雅楠郭建英楊振奇劉海龍楊鋒劉吉德
        人民黃河 2023年4期

        摘 要:以氣候和人類活動影響最為敏感的沿黃河岸帶為研究區(qū),基于1999—2018 年黃河寧蒙段河岸帶土地利用、氣候、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù),運用灰色關聯(lián)和逐步回歸分析方法對土地利用變化驅(qū)動力進行分析。結(jié)果表明:1999—2018 年黃河流域?qū)幟啥魏影稁恋乩妙愋鸵愿?、草地和沙漠為主;1999—201?年研究區(qū)土地利用處于快速發(fā)展階段,開發(fā)利用程度逐漸加大;氣候變化和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展是黃河流域?qū)幟啥魏影稁恋乩棉D(zhuǎn)變的主要驅(qū)動力。

        關鍵詞:灰色關聯(lián)法;土地利用變化;驅(qū)動力;黃河寧蒙段

        中圖分類號:S157;TP79 文獻標志碼:Adoi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2023.04.014

        引用格式:楊雅楠,郭建英,楊振奇,等.黃河寧蒙段河岸帶土地利用變化及驅(qū)動力分析[J].人民黃河,2023,45(4):81-86.

        土地作為自然生態(tài)系統(tǒng)的基礎載體,其利用類型變化顯著影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞,進而對全球環(huán)境變化產(chǎn)生復雜而深刻的影響[1-3] 。關于土地利用變化國內(nèi)外專家學者已有較為成熟的研究,這些研究多集中在土地利用遙感影像分類方法探索挖掘、土地利用分類系統(tǒng)優(yōu)化改進、各級城市土地利用模式及驅(qū)動因素分析、土地利用對生態(tài)要素的影響、土地利用模型構建及改進等方面[4-14] ,但對自然與經(jīng)濟發(fā)展條件獨特區(qū)域土地利用的研究尚顯不足,因此從國土資源空間規(guī)劃視角出發(fā),研究復雜地理單元土地利用變化特征,并分析其驅(qū)動力,從而研判其對生態(tài)環(huán)境的影響。

        黃河流域?qū)幭闹羶?nèi)蒙古段(簡稱寧蒙段)是黃河上游重要的糧食產(chǎn)區(qū)和能源基地,生產(chǎn)建設和資源開發(fā)活動頻繁,劇烈的土地利用變化影響著該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構,間接導致水沙關系轉(zhuǎn)變、水土流失和水旱災害等突出問題[10-12] 。近年來,部分專家學者從景觀格局、生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境效應角度出發(fā),針對寧夏和內(nèi)蒙古土地利用變化及驅(qū)動力開展了研究[15-17] ,但多以縣級行政區(qū)、灌區(qū)或典型流域為研究對象,對行政區(qū)上下游空間位置的潛在影響考慮不足,缺乏對寧蒙段生態(tài)特征的關注。鑒于此,選取對氣候和人類活動影響最為敏感的沿黃河岸帶作為研究區(qū),對黃河寧蒙段河岸帶土地利用變化特征及其驅(qū)動力進行分析,以期為黃河寧蒙段國土空間規(guī)劃和水沙關系調(diào)控提供基礎數(shù)據(jù),為沿黃兩岸類似地區(qū)水土流失治理、生態(tài)環(huán)境修復和資源合理利用等提供科學依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        以黃河上游寧夏惠農(nóng)區(qū)為起點,準格爾旗大路鎮(zhèn)為終點,全長677 km,參考前人的研究成果[18-21] ,選取對氣候和人類活動影響最為敏感的沿黃河岸帶建立10 km 緩沖區(qū)作為研究區(qū)。研究區(qū)氣候以溫帶大陸性季風氣候為主,年降水量150~200 mm,降水量年際變率大于30%,降水集中在7—9 月,降水時空分布不均[22] 。研究區(qū)河道善淤、善決,局部地段密集分布著高大沙丘,是入黃泥沙的主要沙源,區(qū)域水土流失問題嚴重[23] 。研究區(qū)煤炭、稀土等礦產(chǎn)資源豐富,生產(chǎn)開發(fā)建設活動頻繁。

        1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

        研究區(qū)遙感影像采用1999—2018 年5 期共20 景分辨率為30 m 的Landsat 系列衛(wèi)星遙感影像,為提高解譯精度,將2018 年植被長勢較好的6—9 月24 景分辨率為2 m 的高分一號衛(wèi)星遙感影像作為輔助解譯數(shù)據(jù)。對獲取的數(shù)據(jù)利用ENVI 5.3 進行正射校正、輻射定標、大氣校正和圖像融合等預處理,采用非監(jiān)督分類工具進行地物類型劃分。以《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/ T 21010—2017)為基礎,結(jié)合研究區(qū)實際情況,將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)建設用地、工礦倉儲用地、河流水面、其他水面、內(nèi)陸灘涂、沙漠和未利用地共10 類[24-25] 。經(jīng)混淆矩陣檢驗得出分類結(jié)果的Kappa 指數(shù)均大于0.82,可用于進一步分析。參考已有研究成果[26-28] ,從氣象因素、社會因素、經(jīng)濟因素三方面篩選沿黃河岸帶土地利用變化驅(qū)動因素。根據(jù)寧蒙段黃河流經(jīng)旗縣級統(tǒng)計年鑒和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù),共選取15 個指標,見表1。

        1.3 研究方法

        土地利用轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出貢獻率反映了土地利用類型在轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出過程中空間格局與數(shù)量特征的變化[29] 。__

        當-1≤Ps≤0 時,表示i 類土地利用類型向規(guī)模縮小的方向發(fā)展,處于縮減狀態(tài);當0<Ps ≤1 時,表示土地利用類型向規(guī)模擴大的方向發(fā)展,處于擴張狀態(tài)。Pt越接近0,說明各土地利用類型的雙向轉(zhuǎn)換頻繁,且表現(xiàn)出均衡轉(zhuǎn)換的態(tài)勢;Pt 越接近于1,表明各土地利用類型的轉(zhuǎn)換方向主要為單向極端不均衡轉(zhuǎn)換。

        土地利用程度是表征土地被利用深度、廣度及各因素驅(qū)動效應的重要參數(shù)[13] ,包括土地利用程度綜合指數(shù)、土地利用程度變化量ΔLb-a和土地利用程度變化率R。

        式中:Ai為研究區(qū)第i 級土地利用程度分級指數(shù);Ci 為研究區(qū)第i 級土地利用程度分級面積百分比;n 為土地利用程度分級數(shù)(n =4),參照土地利用程度定量模型[31] ,將土地利用類型分為未利用土地級、林草水用地級、農(nóng)業(yè)用地級和城鎮(zhèn)聚落用地級;La 、Lb 分別為時間a 和時間b 研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù);Cia 、Cib分別為研究區(qū)時間a 和時間b 第i 級土地利用程度面積百分比。

        分析方法采用灰色關聯(lián)法和逐步回歸分析法,模型參數(shù)和回歸方程的準確性都已通過t 檢驗和F 檢驗,使用SPSS 26 軟件對模型進行參數(shù)估計。

        2 結(jié)果分析

        2.1 土地利用動態(tài)變化總體特征

        黃河寧蒙段河岸帶土地利用類型以耕地、草地和沙漠為主,3 種土地利用類型總面積占研究區(qū)總面積的50%以上,見圖1。1999—2018 年耕地面積基本穩(wěn)定,面積占比在25.24% ~29.42%范圍內(nèi);草地面積逐年增大,面積占比由1999 年的16.22%增大至2018 年的21.53%;城鄉(xiāng)建設用地和工礦倉儲用地面積也呈增大趨勢, 2018 年的面積分別比1999 年的增大了59.55%和107.26%;林地面積增長速度最快,增長率達614.17%;沙漠面積則明顯下降,面積占比從1999 年的21.13%減小至2018 年的12.71%;未利用地面積呈減小趨勢,面積減小了51.71%。

        2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移貢獻率

        不同時段黃河寧蒙段河岸帶土地利用類型轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出貢獻率見表2,各土地利用類型中草地、耕地、城鄉(xiāng)建設用地的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出貢獻率較高,說明其土地利用類型在轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出過程中表現(xiàn)活躍,而其他水面轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出貢獻率最低,沒有發(fā)生明顯數(shù)量特征的轉(zhuǎn)變過程。草地轉(zhuǎn)入最為活躍的時期是2013—2018 年,轉(zhuǎn)入貢獻率為31.81%,轉(zhuǎn)出最為活躍的時期是1999—2003 年,轉(zhuǎn)出貢獻率為29.83%。耕地轉(zhuǎn)入最為活躍的時期同樣是2013—2018 年,轉(zhuǎn)入貢獻率為21.38%,轉(zhuǎn)出最為活躍的時期是1999—2008 年,轉(zhuǎn)出貢獻率為19.63%~19.68%。

        2.3 土地利用變化動態(tài)度分析

        不同時段黃河寧蒙段河岸帶單一、綜合土地利用類型變化動態(tài)度見表3,綜合土地利用類型變化動態(tài)度反映了區(qū)域內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)換的頻繁程度和均衡性。1999—2018 年研究區(qū)綜合土地利用類型變化動態(tài)度Pt為0.24,較為接近于0,基本呈現(xiàn)出均衡轉(zhuǎn)換的狀態(tài)。2008—2013 年Pt最低(為0.11),表明此時期各土地利用類型的雙向轉(zhuǎn)換頻繁,且表現(xiàn)出均衡轉(zhuǎn)換的態(tài)勢。2003—2008 年Pt值最大(為0.27),表明各土地利用類型的轉(zhuǎn)換方向為單向且不均衡。

        不同時段不同土地利用類型的單一土地利用類型變化動態(tài)度不同,選取綜合土地利用類型變化動態(tài)度最大的2003—2008 年進行說明。單一土地利用類型變化動態(tài)度可以分析某一地類的發(fā)展態(tài)勢,2003—2008 年耕地、草地、沙漠、工礦倉儲用地、河流水面和其他水面Ps <0,分別為-0.24、-0.04、-0.76、-0.02、-0.11、-0.30,表示上述地類在2003—2008 年向規(guī)模縮小的方向發(fā)展,處于縮減狀態(tài);林地、未利用地、城鄉(xiāng)建設用地、內(nèi)陸灘涂Ps >0,表明這幾種土地利用類型向規(guī)模擴大的方向發(fā)展,處于擴張狀態(tài)。

        2.4 土地利用程度分析

        1999 年、2003 年、2008 年、2013 年、2018 年研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)分別為232.20、213.49、248.80、270.49、257.36,土地利用程度變化量和變化率見表4。

        土地利用程度綜合指數(shù)反映了人類對土地開發(fā)利用的程度,1999—2018 年研究區(qū)土地利用程度接近全國平均水平[32] ,屬中等利用水平,且20 a 間土地利用程度綜合指數(shù)由232.20 增大至257.36,表明該時段黃河寧蒙段河岸帶土地資源開發(fā)處于發(fā)展階段,土地資源開發(fā)速度逐漸提升。從不同時段土地利用程度變化量和變化率來看,1999—2003 年土地利用程度變化量為-18.71,土地利用程度變化率為-8.06%,表明該時段研究區(qū)土地利用處于調(diào)整期,這可能與同期退耕還林還草政策的實施,研究區(qū)林地和草地面積增加有關。在經(jīng)歷過短暫調(diào)整期后,2003—2013 年研究區(qū)土地利用進入發(fā)展期,這一時期土地利用程度變化量和變化率均大于0。2013—2018 年研究區(qū)土地利用程度變化量為-13.14,土地利用程度變化率為-4.86%,這可能與該時期生態(tài)移民工程的實施以及研究區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整,未利用地面積大幅度減小,耕地面積大幅度增大有關。

        2.5 土地利用變化驅(qū)動力分析

        以1999—2018 年研究區(qū)各土地利用類型變化面積為因變量,自然環(huán)境因素和社會經(jīng)濟因素為自變量進行灰色關聯(lián)度分析。土地利用類型面積變化與驅(qū)動力因子之間的關聯(lián)度見表5,由表5 可以看出,耕地、草地、河流水面、內(nèi)陸灘涂面積變化與年平均氣溫關聯(lián)度最高,分別為0.98、0.97、0.98、0.99;林地與農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值和第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值關聯(lián)度最高,均為0.87;沙漠與全年供水總量和年平均氣溫關聯(lián)度最高,均為0.96;未利用地與第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、總?cè)丝陉P聯(lián)度最高,均為0.93;城鄉(xiāng)建設用地與農(nóng)作物總播種面積關聯(lián)度最高,為0.98;工礦倉儲用地與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值關聯(lián)度最高,均為0.93;其他水面與農(nóng)作物總播種面積和全年供水總量關聯(lián)度最高,均為0.92。

        由上述分析可知,研究區(qū)各土地利用類型面積變化關聯(lián)度最高的驅(qū)動力因子不同,因而篩選出與研究區(qū)各土地利用類型關聯(lián)度最高的前5 種因子作為自變量,將1999—2018 年研究區(qū)各土地利用類型面積變化作為因變量,構建影響土地利用變化驅(qū)動力的多元線性回歸方程,該回歸方程均通過了準確性檢驗,見表6。耕地面積變化與全年供水總量正相關,與農(nóng)作物總播種面積負相關;草地面積變化與年平均降水量正相關,與農(nóng)作物總播種面積負相關;林地面積變化與農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值正相關;沙漠面積變化與年平均氣溫正相關,與年平均相對濕度負相關;未利用地面積變化與第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值正相關;城鄉(xiāng)建設用地面積變化與農(nóng)作物總播種面積正相關;工礦倉儲用地面積變化與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和全年供水總量正相關。由此可見,研究區(qū)土地利用類型面積變化的驅(qū)動因素主要為研究區(qū)氣候及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平。

        3 討 論

        研究區(qū)黃河寧蒙段地勢相對平緩,但區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)復雜多樣,既有寧夏平原、河套平原等重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地,也分布著烏蘭布和與庫布齊兩大沙漠,同時也有青銅峽灌區(qū)和三盛公灌區(qū)兩大人工荒漠綠洲,研究區(qū)自1949 年以來掀起了一輪又一輪耕地開墾浪潮,積累了大面積的耕地資源[33] ,近年來隨著生態(tài)文明建設的逐步開展,黃河流域陸續(xù)實施了退耕還林還草和生態(tài)移民等政策,啟動了“三北防護林”“京津風沙源治理”等生態(tài)工程,促使研究區(qū)土地利用結(jié)構發(fā)生了轉(zhuǎn)變,林地和草地面積逐年增大,區(qū)域土地利用結(jié)構得以優(yōu)化。1999—2003 年退耕還林還草政策實施,耕地轉(zhuǎn)出最為活躍,總體土地利用程度變化量和變化率均為負值,表明該時段土地利用處于調(diào)整期。沙漠作為研究區(qū)特有地類,其面積變化受氣候和人為因素影響較大,其轉(zhuǎn)出貢獻率呈先增大后減小再增大趨勢,表明隨著各大生態(tài)工程的持續(xù)推進,水肥條件較好的沙漠轉(zhuǎn)變?yōu)榱植莸?,剩余部分沙漠大多難以治理,因此轉(zhuǎn)變速度放緩,最終形成當前耕地、草地和沙漠占主導地位的土地利用格局。

        氣候是決定北方農(nóng)牧區(qū)土地利用方式和經(jīng)濟作物種植模式的主導因素,研究區(qū)氣溫、降水以及濕度分別在2003—2008 年和2013—2018 年有不同程度的波動,研究區(qū)主要農(nóng)作物為玉米、蕎麥、小麥、薯類、豆類和蔬菜等,這類作物的生長需要匹配良好的水熱條件,因此研究區(qū)短期內(nèi)氣溫和光熱條件的變化可能促使農(nóng)業(yè)種植結(jié)構發(fā)生改變,進而影響耕地回報率,間接導致勞動力外流,出現(xiàn)大量耕地撂荒轉(zhuǎn)向草地或林地等現(xiàn)象,這也進一步促進了該時期土地利用類型的轉(zhuǎn)換。研究區(qū)水源雖充沛,但水資源利用較為粗放,農(nóng)業(yè)用水效率不高,水土資源配置限制了農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。研究區(qū)部分區(qū)域農(nóng)業(yè)基礎設施落后、標準低、配套性差,灌溉渠道長期失修,水利設施投入不足,再加上部分農(nóng)田立地條件差,不利于機械化操作,農(nóng)藥施用量較大,導致農(nóng)業(yè)面源污染嚴重,這些都是研究區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的限制因素。氣候雖然影響研究區(qū)土地利用類型面積變化,但作用效果在短期內(nèi)無法直接顯現(xiàn),而人為因素的影響往往是突發(fā)的、顯著的,結(jié)合驅(qū)動力灰色關聯(lián)和回歸分析的進一步論證,可以認為研究區(qū)土地利用類型面積變化主要受氣候變化背景下農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平的驅(qū)動。

        4 結(jié) 論

        1999—2018 年黃河流域?qū)幟啥魏影稁恋乩妙愋鸵愿亍⒉莸睾蜕衬疄橹?,1999—200?年是耕地、草地和沙漠三大地類轉(zhuǎn)變較為活躍的時期。1999—2018年黃河流域?qū)幟啥魏影稁恋乩锰幱诳焖侔l(fā)展階段,開發(fā)利用程度逐漸加大。1999—2003 年、2013—2018 年是土地利用的調(diào)整階段,各土地利用類型的雙向轉(zhuǎn)換較為頻繁。氣候變化和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展是黃河流域?qū)幟啥魏影稁恋乩棉D(zhuǎn)變的主要驅(qū)動力。

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        【責任編輯 呂艷梅】

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