閆國振, 張 征, 梁 康, 婁華君

(1.北京林業(yè)大學林學院 北京 100083; 2.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室北京 100101)

鄂爾多斯高原泊江海子流域土地利用動態(tài)變化及驅(qū)動因素分析*

閆國振1,2, 張 征1, 梁 康2**, 婁華君2

(1.北京林業(yè)大學林學院 北京 100083; 2.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室北京 100101)

土地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的載體, 其利用方式的變化直接影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)服務功能的種類和強度。泊江海子流域位于鄂爾多斯高原干旱半干旱區(qū), 生態(tài)系統(tǒng)脆弱, 流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能在近十幾年嚴重退化。本文基于Landsat影像數(shù)據(jù)提取了研究區(qū)1990—2015年間的6期土地利用數(shù)據(jù), 分析研究區(qū)土地利用時空變化特征及其驅(qū)動因素。結果顯示: 研究期內(nèi)主要的土地利用類型為草地、耕地和未利用地, 土地利用總體變化顯著?？臻g變化上呈東西部及中北部耕地增加、南部未利用地減少的主要趨勢。各土地利用類型面積變化及轉(zhuǎn)換特征不一。草地整體處于動態(tài)轉(zhuǎn)換平衡狀態(tài), 約占流域總面積的 70%。耕地和未利用地分別呈增加和減少的趨勢, 變化面積分別占流域總面積的6.05%和7.62%, 其各自的主要來源或去向均為草地。水域面積減少了總面積的1.45%, 主要轉(zhuǎn)出去向為灘地。1995—2000年是土地利用轉(zhuǎn)換最為頻繁的時段, 2005—2010年間土地利用變化呈動態(tài)不平衡狀態(tài)的表現(xiàn)最為突出。研究期內(nèi)流域土地利用變化受降雨減少、氣溫升高等氣候變化和生態(tài)恢復工程建設、水利工程建設等人類活動的綜合驅(qū)動影響。合理規(guī)劃土地利用, 限制種植高耗水樹種及作物, 減少河流上游匯水區(qū)耕地等, 是保障研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)健康發(fā)展的重要措施。

泊江海子流域; 土地利用變化; 趨勢與狀態(tài)指數(shù); 驅(qū)動因素; 生態(tài)系統(tǒng)服務功能; 鄂爾多斯遺鷗國家級自然保護區(qū)

土地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的載體, 其利用方式的變化引發(fā)各類陸地生態(tài)系統(tǒng)在類型、面積及空間分布格局上的改變, 進而使得陸地生態(tài)系統(tǒng)服務功能的種類和強度受到影響[1-2]。同時, 土地利用變化在加劇流域水循環(huán)、改變流域水量平衡等方面對流域水資源分布有著重要影響[3-4]。而在驅(qū)動機制上, 土地利用變化主要受到氣候變化和人類活動的綜合作用[5-7]。土地利用變化和氣候變化間的聯(lián)系十分緊密, 兩者相互作用、相互影響[8-9]。人類活動的劇烈干擾導致近些年來全球及區(qū)域尺度上的土地利用變化顯著, 并對地表下墊面形態(tài)及水文過程產(chǎn)生明顯影響[10]。

研究區(qū)泊江海子流域位于鄂爾多斯黃河中游干旱半干旱區(qū)過渡帶, 區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱, 水土流失嚴重且水資源貧乏[11]。近10多年來, 在氣候變化的背景下, 大規(guī)模生態(tài)恢復措施的實施, 如天然林保護工程, 退耕還林/還草工程等, 黃河中游地區(qū)土地利用格局變化顯著[10,12]。羅婭等[13]對黃河中游地區(qū)1998—2010年間土地利用變化的研究顯示, 生態(tài)恢復工程的有效實施使研究區(qū)內(nèi)農(nóng)用地明顯減少, 林草面積明顯增加。劉曉林等[14]研究指出 20世紀 80年代至2010年黃河內(nèi)蒙古段十大孔兌流域的土地利用變化呈現(xiàn)出草地面積逐漸增加、未利用地逐漸減少的趨勢, 且1998年以后土地利用變化幅度和速度較前期有變快的趨勢。泊江海子流域最重要的生態(tài)服務功能之一是保護流域內(nèi)的珍稀物種鄂爾多斯遺鷗(Larus relictus)。泊江海子湖泊水面中的湖心島即是遺鷗的繁殖棲息地, 但在氣候變化和人類活動干擾下, 湖泊中的湖心島在近些年間因湖泊水位下降和湖面萎縮而使其可供遺鷗繁殖棲息的生態(tài)功能不斷退化甚至消失。何芬奇等[15]的研究顯示, 2004年之后未再發(fā)現(xiàn)遺鷗在此繁殖棲息。泊江海子湖泊的萎縮在很大程度上反映出整個流域陸地生態(tài)系統(tǒng)及其服務功能的嚴重退化, 這已然成為流域當前面臨的最主要的生態(tài)問題。泊江海子流域?qū)儆谌辟Y料地區(qū), 當前對泊江海子流域的研究, 主要集中在氣候環(huán)境變遷[16-18]、生物多樣性[19-20]和水資源特征[21-25]等方面, 針對泊江海子流域土地利用格局變化以及驅(qū)動因素等方面的研究比較薄弱。在土地利用變化方面, 僅有梁犁麗等[23]在研究區(qū)植被-水資源模擬研究中對1996—2005年間的不同植被類型面積進行了統(tǒng)計, 另有部分研究對泊江海子湖區(qū)及周邊的植被群落[26]及植被覆蓋方式的變化[24,27]進行過簡單的描述。綜合考慮研究區(qū)所面臨的突出生態(tài)問題以及研究現(xiàn)狀, 同時結合研究區(qū)為閉流盆地的地理特征以及生態(tài)恢復和水土保持工程等國家和地方政策的影響,本文基于30 m空間分辨率的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)對研究區(qū)泊江海子流域1990—2015年間的土地利用進行分類提取, 并對其時空變化特征及其驅(qū)動因素進行針對性的系統(tǒng)分析, 旨在一定程度上完善研究區(qū)的土地利用變化方面的科學基礎數(shù)據(jù), 為泊江海子流域陸地生態(tài)系統(tǒng)服務功能改善、流域水資源合理利用以及遺鷗自然保護區(qū)的保護與管理提供一定的科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

泊江海子流域地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)以西約 45 km 處(圖 1), 地理位置介于109°6′30″～109°32′50″E 和 39°41′40″～39°56′2″N。流域位于鄂爾多斯波狀高原區(qū), 海拔在1 360～1 600 m,屬溫帶干旱半干旱大陸性氣候, 降雨主要集中在每年的7月和8月, 約占全年降水量的65%。流域年均氣溫約 5.2 ℃, 多年平均降水量約為 345 mm, 蒸發(fā)量約為2 524 mm。草地是流域內(nèi)最主要的植被類型。泊江海子流域?qū)偎闹芨?、中間低的閉合盆地, 流域面積約745 km2。鄂爾多斯遺鷗國家級自然保護區(qū)位于流域中部, 面積約156 km2。泊江海子湖泊位于流域和保護區(qū)的中心, 是流域內(nèi)最大的湖泊, 水面面積約 10 km2。雞溝河和烏爾圖河是流域內(nèi)最大的兩條季節(jié)性河流, 分別從西側(cè)和東側(cè)匯集流入泊江海子湖泊。

圖1 研究區(qū)位置及概略圖Fig.1 Location and sketch map of the study area of the Bojiang Lake Baisn

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 土地利用數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)來源于 Landsat遙感影像數(shù)據(jù)(下載地址: https://earthexplorer.usgs.gov/)的人工解譯,數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m。分別對研究區(qū)1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年共6期的土地利用類型數(shù)據(jù)進行了解譯。在綜合研究區(qū)氣候特征、土地利用特點及遙感影像數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎上, 各期影像數(shù)據(jù)的時間見表1, 表中的平均云量是指本文研究區(qū)域的云量。

表1 用于土地利用分類數(shù)據(jù)提取的遙感影像信息Table 1 Remote sensing image information used for the extraction of land use type

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)

利用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)提供的降雨和氣溫數(shù)據(jù)對研究區(qū)土地利用變化的氣候驅(qū)動進行了分析。本文所利用的氣象數(shù)據(jù)為鄂爾多斯市東勝氣象站1990—2015年的降雨和氣溫月數(shù)據(jù), 經(jīng)求和平均后獲得年值, 進而分析研究區(qū)的降水和氣溫變化。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用類型數(shù)據(jù)獲取

利用Landsat TM和OLI遙感影像數(shù)據(jù), 經(jīng)過幾何校正、大氣校正等圖像預處理, 在ENVI 5.2軟件中采用監(jiān)督分類中的最大似然法對研究區(qū)1990—2015年間的 6期土地利用類型進行分類提取。在參考我國《土地利用現(xiàn)狀分類》標準的基礎上, 結合研究區(qū)土地利用特征及本文研究目的, 將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、水域、灘地、建設用地及未利用地共 9類。根據(jù)筆者前期對研究區(qū)的野外實地調(diào)查記錄對本次土地利用分類提取的結果進行了精度驗證, 9種類別共75個樣本點, 驗證精度為93.33%, 本次土地利用分類提取數(shù)據(jù)可信。

1.3.2 土地利用變化分析

運用ArcGIS 10.2軟件的空間分析模塊, 對6期土地利用數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和疊加分析, 得到各期之間的土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣, 在此基礎上采用趨勢與狀態(tài)指數(shù)、凈變化速度、總趨勢與狀態(tài)指數(shù)和總凈變化速度分析泊江海子流域26年間土地利用類型變化的過程和趨勢。主要指數(shù)的計算方法如下:

1)趨勢與狀態(tài)指數(shù):

其中,

式中:Ps為某研究時段內(nèi)各土地利用類型變化的趨勢與狀態(tài)指數(shù),Nc和Tc分別為各土地利用類型的面積凈變化和總變化,Ua、Ub分別為研究初期和末期某一土地利用類型的面積, ΔUin為時段內(nèi)其他土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)槟惩恋乩妙愋偷拿娣e之和, ΔUout為同時段某一土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋偷拿娣e之和。

2)凈變化速度:

式中:Rs為某研究時段內(nèi)各土地利用類型的凈變化速度,T為研究時段。

3)總趨勢與狀態(tài)指數(shù):

其中,

式中:Pt為某研究時段內(nèi)所有土地利用類型變化的總趨勢與狀態(tài)指數(shù),Sa和Ss分別為所有土地利用類型的面積凈變化和總變化,Uai、Ubi分別為研究初期和末期第i種土地利用類型的面積, ΔUout–i為研究時段內(nèi)第i種土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e之和, ΔUin–i為其他土地類型轉(zhuǎn)變?yōu)榈趇種類型的面積之和,n為土地型總數(shù)。

4)總凈變化速度:

式中:Rt為某研究時段內(nèi)所有土地利用類型的總凈變化速度;T為研究時段。

1.3.3 氣象數(shù)據(jù)分析

在提取研究區(qū)年均降雨和氣溫數(shù)據(jù)的基礎上,利用累積距平法對研究區(qū)研究期內(nèi)的年均降雨和氣溫變化特征和趨勢進行了分析。累積距平的計算方法如下：

式中: ADi為研究期內(nèi)某年的年均氣溫或降水量的累積距平值,xi為某年的年均氣溫或者降水量,為研究期內(nèi)的多年平均氣溫或降水量。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型的變化特征

1990—2015年泊江海子流域不同時期土地利用空間分布和變化分別見圖2和圖3。

圖 2顯示, 流域最主要的土地利用類型為草地,其次為耕地和未利用地。圖3顯示1990—1995年間流域土地利用空間變化主要發(fā)生在西部和南部,1995—2000年間流域內(nèi)土地利用空間變化分布廣泛,2000—2005年間流域土地利用空間變化主要發(fā)生在中部, 2005—2010年間流域土地利用空間變化主要發(fā)生在西部和中北部, 2010—2015年間流域土地利用空間變化主要發(fā)生在流域中部。各時段發(fā)生土地利用變化的面積占流域總面積的比例依次分別為54.90%、90.43%、12.08%、15.76%和 9.65%。在1990—2015年間流域土地利用空間變化分布廣泛, 變化面積占流域總面積的66.67%。綜合圖2和圖3, 研究期內(nèi)流域西部區(qū)域呈耕地面積增加, 高覆蓋度草地減少趨勢; 流域東部區(qū)域耕地面積增加, 高覆蓋度草地和未利用地面積減少; 流域中北部區(qū)域耕地和建設用地面積增加、高覆蓋度草地和林地面積減少;流域南部區(qū)域則呈林地和低覆蓋度草地增加、高覆蓋度草地和未利用減少的趨勢。

1990—2015年間流域各土地利用類型在流域中的面積占比變化見表 2。研究期內(nèi)草地面積較為穩(wěn)定, 約占流域總面積的70%。其中, 高覆蓋度草地整體呈減少趨勢, 26年間面積占比減少7.59%; 中、低覆蓋度草地呈增長趨勢, 26年間面積占比分別增長2.95%和5.23%。耕地面積占比在26年間增長6.05%,未利用地面積占比則減少 7.62%。林地面積占比微弱增長, 水域面積占比減少 1.45%, 灘地面積占比增長1.59%, 建設用地面積占比增長0.49%。

利用趨勢與狀態(tài)指數(shù)和凈變化速度分析了泊江海子流域不同土地利用類型在研究期不同時段內(nèi)的變化情況, 結果見表 3。1990—1995年間流域內(nèi)面積變化最大的土地利用類型為高覆蓋度草地, 增加了31.96 km2, 主要來源于中覆蓋度草地、耕地和林地。水域是此時期內(nèi)變化程度最強的土地利用類型,其趨勢與狀態(tài)指數(shù)達 0.73, 面積增加的來源主要為未利用地。同期內(nèi)耕地和林地的變化程度也較突出,其趨勢與狀態(tài)指數(shù)均為-0.49, 面積減少的轉(zhuǎn)出去向主要為高覆蓋度草地。灘地在此時期內(nèi)的凈變化速度最快, 且處于動態(tài)轉(zhuǎn)出狀態(tài), 轉(zhuǎn)出去向主要為低覆蓋度草地和未利用地。在1995—2000年的研究時段內(nèi), 高覆蓋度草地面積減少81.63 km2, 轉(zhuǎn)出去向主要為中覆蓋度草地和耕地。此研究時段內(nèi)的耕地、水域和灘地的土地利用變化程度也較強烈, 趨勢與狀態(tài)指數(shù)分別為0.71、-0.81和0.97。耕地和灘地呈面積增加的趨勢, 耕地的轉(zhuǎn)入來源主要為高、中覆蓋度草地, 灘地的轉(zhuǎn)入來源主要為未利用地和草地。水域面積減少的轉(zhuǎn)出去向主要為未利用地。2000—2005年間水域和灘地兩種土地利用類型在面積、趨勢與狀態(tài)指數(shù)及凈變化速度上均較突出。由于在此時段內(nèi)泊江海子湖泊發(fā)生萎縮, 流域水域面積減少, 其主要轉(zhuǎn)出去向為灘地。未利用地是2005—2010年間變化最突出的土地利用類型, 其面積減少 26.05 km2, 凈變化速度為 9.20%, 主要轉(zhuǎn)換為低覆蓋度草地。在2010—2015年間變化最為突出的土地利用類型為建設用地(Ps=0.91,Rs=10.89%),其面積增加的主要來源為中、低覆蓋度草地。

1990—2015年間流域內(nèi)各土地利用類型間互相轉(zhuǎn)換明顯。耕地、高覆蓋度草地、未利用地、水域、灘地及建設用地在 26年間的趨勢與狀態(tài)指數(shù)均大于 0.5。水域(Rs=24.82%)和建設用地(Rs=20.19%)的凈變化速度較快, 26年間水域面積處于減少狀態(tài),轉(zhuǎn)出去向主要為灘地、低覆蓋度草地和未利用地;建設用地則呈現(xiàn)明顯的增加趨勢, 其轉(zhuǎn)入來源主要為草地。耕地、未利用地和灘地在研究期內(nèi)的凈變化速度也均超過10%。耕地和灘地面積呈增加趨勢, 其主要轉(zhuǎn)入來源分別為草地和水域。未利用地面積處于減少狀態(tài), 其轉(zhuǎn)出去向主要為中、低覆蓋度草地。林地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地在研究期內(nèi)也處于面積增加的狀態(tài), 高覆蓋度草地則呈面積減少趨勢。林地的轉(zhuǎn)入來源主要為高覆蓋度草地, 中覆蓋度草地的轉(zhuǎn)入來源主要為高覆蓋草地和未利用地, 低覆蓋度草地的轉(zhuǎn)入來源主要為未利用地, 高覆蓋度草地的轉(zhuǎn)出去向主要為耕地和中覆蓋度草地。

2.2 土地利用類型綜合變化特征

利用總趨勢與狀態(tài)指數(shù)和總凈變化速度分析了泊江海子流域土地利用類型綜合變化特征, 結果見表4。泊江海子流域在1990—2015年總時間段內(nèi)土地利用類型總體面積凈變化(Sa=16.66%)和總凈變化速度(Rt=3.13%)兩個指標均高于各子研究時段。這表明泊江海子流域土地利用類型在 25年間變化明顯。1995—2000年的總變化指數(shù)超過45.22%, 表明流域土地利用變化在此研究時段內(nèi)動態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁。2005—2010年的總趨勢與狀態(tài)指數(shù)達到了 0.85, 表明此時段相比于其他研究時段的流域土地利用變化呈現(xiàn)出明顯的動態(tài)不平衡狀態(tài), 各土地利用類型呈單向轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)出的變化趨勢。

圖2 泊江海子流域1990—2015年間的土地利用空間分布Fig.2 Spatial distribution of land use types in the Bojiang Lake Basin in 1990-2015

2.3 土地利用變化驅(qū)動因素分析

2.3.1 氣候變化驅(qū)動

氣候變化對土地利用變化的作用較緩慢且相對穩(wěn)定, 具有累積效應[28]。氣溫和降雨量的變化是氣候變化的主要表現(xiàn)[29]。研究區(qū)1990—2015年間氣溫和降雨量變化趨勢見圖 4。研究區(qū)年均氣溫整體呈升高趨勢, 1990—1996年呈降低趨勢, 1997年后升高。26年間的多年平均氣溫為6.6 ℃, 1990—1996年和1997—2015年的多年平均氣溫分別為 5.9 ℃和6.8 ℃, 后一階段年平均氣溫升高了 0.9 ℃。研究區(qū)年降雨量整體呈減少趨勢, 1998年之后減少趨勢更為明顯。26年間的多年平均降雨量為333.4 mm, 1990—1998年和1999—2015年的多年平均降雨量分別為355.7 mm和321.6 mm, 后一階段減少9.59%。

圖3 泊江海子流域1990—2015年間不同時段的土地利用空間變化Fig.3 Spatial variations of land use types changes at different periods in the Bojiang Lake Basin during 1990-2015

表2 泊江海子流域1990—2015年不同土地利用類型的面積占比變化Table 2 Variations in area percentages of different land use types in the Bojiang Lake Basin during 1990-2015 %

表3 1990—2015年不同時段泊江海子流域各土地利用類型面積及指數(shù)變化Table 3 Variations in areas and indexes of land use types in the Bojiang Lake Basin in different periods from 1990 to 2015

表4 1990—2015年不同時段泊江海子流域土地利用變化綜合趨勢與狀態(tài)指數(shù)及變化速度Table 4 Comprehensive indexes of trend and status and the rate of land use changes in the Bojiang Lake Basin in different periods from 1990 to 2015

降雨、氣溫等氣候要素始終處于動態(tài)變化的過程中, 且共同對土地利用的變化產(chǎn)生影響。以研究期內(nèi)單個時段為例, 1990—1995年間的低溫氣候使地處高原的研究區(qū)內(nèi)耕地面積減少, 而因其引起的農(nóng)業(yè)用水量的下降, 也使得在降雨量未增加的條件下研究區(qū)內(nèi)水域面積增加。而受1996年后氣溫升高及1998年后降雨量減少的影響, 水域面積減少成為2000—2005年間研究區(qū)土地利用變化的突出特征之一。在整個研究期內(nèi), 研究區(qū)降雨量減少、氣溫升高及伴隨的蒸發(fā)增大, 是氣候因素對研究區(qū)土地利用變化產(chǎn)生驅(qū)動作用的主要表現(xiàn)形式。由于氣候暖干化使得流域范圍內(nèi)蒸散發(fā)增加, 流域徑流及入湖徑流量的減少, 使得水域面積顯著減少而灘地面積增加。1990—2015年間研究區(qū)高覆蓋度草地面積減少而中、低覆蓋度草地面積的增加, 也在一定程度上反映出流域土地利用變化受到氣候變化的驅(qū)動。

圖4 泊江海子流域1990—2015年間年均氣溫(a)和降雨量(b)變化趨勢Fig.4 Change trends of annual mean temperature (a) and precipitation (b) in 1990-2015 in the Bojiang Lake Basin

2.3.2 人類活動驅(qū)動

人類活動是影響土地利用結構變化的重要因子,人為因素如社會經(jīng)濟、制度政策、人類生產(chǎn)生活建設等對土地利用格局變化也起到了重要作用[30]。綜合本文對研究區(qū)土地利用變化分析以及已有的研究資料, 本文選取生態(tài)恢復工程建設和水利工程建設兩個指標, 對1990—2015年間流域土地利用變化受人類活動驅(qū)動的影響進行分析。

1)生態(tài)恢復工程建設

研究區(qū)所在的鄂爾多斯市東勝區(qū)是天然林保護工程、退耕還林/還草工程等生態(tài)恢復工程的建設區(qū)。泊江海子鎮(zhèn)位于東勝區(qū)西部, 屬沙漠、沙化區(qū)治理的重點區(qū)域[31]。1998年建立的鄂爾多斯遺鷗國家級自然保護區(qū), 雖然沒有直接的生態(tài)恢復工程建設, 但禁牧等措施在作用上與生態(tài)恢復工程建設是同向的。在生態(tài)恢復工程建設和禁牧等措施的實施之下,東勝區(qū)的林業(yè)生態(tài)狀況全面好轉(zhuǎn)[32]。2000—2003年東勝區(qū)荒漠化面積減少10.92%[31], 2004—2007年間東勝區(qū)完成天然林保護工程任務 40 km2, “三北”四期防護林工程人工造林約5.33 km2[32]。

雖然筆者沒有查閱到研究區(qū)所在的泊江海子鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)恢復工程造林面積, 且本文的土地利用變化分析也顯示研究區(qū)林草面積占流域的比例僅由1990年的73.15%增加到2015年的74.09%, 但有報道指出, 1999—2007年間泊江海子鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)的牧草高度增加了50～60 cm[33]。筆者先前也曾對本文研究區(qū)的植被覆蓋變化進行過相關研究[34], 結果顯示研究區(qū) 1999—2013年間的年均歸一化植被指數(shù)(NDVI)相比1982— 1998年間增長了25.23%。在先前的研究中, 筆者對研究區(qū)2000年和2013年的250 m空間分辨率的植被指數(shù)數(shù)據(jù)進行疊加, 得到了研究區(qū)14年間植被指數(shù)的空間變化(圖5)。2000—2013年間幾乎整個研究區(qū)內(nèi)的植被指數(shù)都呈增加趨勢, 增加值在0.1以上的面積達211.88 km2, 占研究區(qū)總面積的 28.46%, 且主要分布在河流兩側(cè)。而在1982—1998年間研究區(qū)平均植被指數(shù)值也僅為0.18左右, 由此可見在生態(tài)恢復工程建設和禁牧等措施的影響下, 研究區(qū)的植被得到了良好的生長。林草面積及植被覆蓋度的增加、未利用地面積的減少等土地利用變化與研究區(qū)內(nèi)生態(tài)恢復工程建設具有一定的緊密聯(lián)系, 是研究區(qū)土地利用變化受人類活動驅(qū)動的直觀表現(xiàn)。

研究區(qū)生態(tài)恢復工程建設主要是以沙柳為主,與檸條、沙棘等樹種混交造林[31]。而沙柳屬于高耗水植被, 相比其他低耗水的固沙樹種如油蒿等, 相同面積的沙柳多消耗近 20%的水分[23]。圖 5顯示,2000—2013年間植被生長最好的區(qū)域主要分布在河流沿岸。這在一定程度上使得研究區(qū)在此時段內(nèi)的植被耗水增加。同時, 草地面積約占流域總面積的70%, 研究區(qū)牧草高度的增加[33]也會導致流域內(nèi)地表徑流的減小[3,35]。而本文的土地利用變化分析也顯示, 研究區(qū)內(nèi)的水域面積在 2000—2005年間由13.61 km2減少到6.71 km2, 且在后續(xù)的10年內(nèi)一直呈減少的趨勢。由此分析可知, 生態(tài)恢復工程建設對流域內(nèi)水域面積的減少也產(chǎn)生了一定的驅(qū)動作用。

圖5 2000—2013年間研究區(qū)植被指數(shù)空間變化Fig.5 Spatial variation of NDVI in 2000-2013 in the study area

2)水利工程建設

研究區(qū)屬西北干旱半干旱區(qū), 其所在的泊江海子鎮(zhèn)為鄂爾多斯市東勝區(qū)的重點農(nóng)業(yè)鎮(zhèn)。2000年前后, 開展了大量水利工程建設[36]。為了更好地分析研究區(qū)內(nèi)水利工程建設對土地利用變化的驅(qū)動, 筆者利用地面分辨率較高的 GoogleEarth對研究區(qū)內(nèi)的攔水壩和大口井兩種水利工程的數(shù)量進行了粗略統(tǒng)計, GoogleEarth影像日期為2009年11月27日,統(tǒng)計結果如圖6所示。

圖6 2009年研究區(qū)內(nèi)的攔水壩和大口井空間分布Fig.6 Spatial distribution of dams and open wells in 2009 in the study area

筆者共統(tǒng)計到攔水壩 13座, 截流面積約為60.83 km2, 占流域總面積的8.15%。同時統(tǒng)計到大口井28處, 寬度為10～30 m, 長度為50～100 m。攔水壩截水和大口井水方便了農(nóng)田的灌溉, 對研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的推動作用。同時, 攔水壩使研究區(qū)內(nèi)地表水流量及湖泊補給量減少, 大口井也使研究內(nèi)水面無效蒸發(fā)增大。大口井的井水主要來自于工程開挖而滲出的地下潛水, 這在一定程度上勢必會引起研究區(qū)內(nèi)地下水位的下降, 進而影響到研究區(qū)內(nèi)根系較淺的草地的生長。本文的土地利用變化分析也顯示, 耕地面積在研究期內(nèi)呈增加趨勢,其中2000—2010年間耕地面積增加了16.39 km2, 10年間年均增長率為15.71%。高覆蓋度草地和水域面積在研究期內(nèi)呈減少趨勢, 分別減少了流域總面積的7.59%和1.45%。

綜合氣候變化和人類活動對研究區(qū)土地利用變化的驅(qū)動, 降雨減少、氣溫升高及伴隨的蒸發(fā)增大是氣候因素對研究區(qū)土地利用變化的主要驅(qū)動形式,生態(tài)恢復工程和水利工程建設是人類活動對研究區(qū)土地利用變化的主要驅(qū)動形式。研究區(qū)土地利用變化是氣候變化和人類活動綜合驅(qū)動的結果。

3 結論與討論

3.1 討論

土地利用變化主要受氣候變化和人類活動兩大要素驅(qū)動, 已成為相關領域眾多研究者的共識。但在具體的驅(qū)動形式上, 因地形地貌、水文條件、流域面積等客觀因素以及人口數(shù)量、制度政策、經(jīng)濟發(fā)展等社會基礎條件上的差異, 氣候變化和人類活動在不同地區(qū)對土地利用變化驅(qū)動上的表現(xiàn)形式也會有差異。

就本文研究區(qū)而言, 因四周高、中間低的地形特點, 泊江海子湖泊不僅是研究區(qū)內(nèi)地表水的主要匯集區(qū), 同時也得到研究區(qū)內(nèi)淺層地下水的補給[22]。研究區(qū)地處西北內(nèi)陸高原, 降雨量少而蒸發(fā)強烈。研究區(qū)的這種水文氣象條件使得區(qū)內(nèi)各類陸地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化和人類活動干擾更為敏感。而在社會條件方面, 研究區(qū)所在的泊江海子鎮(zhèn)人口總量約為23 000人, 但其常住人口卻呈下降趨勢, 2015年的常住人口僅為 1 000人左右[37]。泊江海子鎮(zhèn)距東勝區(qū)約45 km, 其常住人口數(shù)量的下降, 除因生活水平提高而主動外遷的人口之外, 也與當?shù)氐纳鷳B(tài)移民政策有關。2006—2010年間泊江海子鎮(zhèn)共轉(zhuǎn)移農(nóng)村人口 7 340人[37]。而在退耕還林、退牧還草的生態(tài)建設工程政策實施的影響之下, 泊江海子鎮(zhèn)的牲畜存欄量由2005年的12萬頭減少到2010年的不足3萬頭[37]。基于研究區(qū)的自然環(huán)境和社會環(huán)境特征,本文未采用人口數(shù)量、牲畜存欄量、國民生產(chǎn)總值等社會經(jīng)濟基礎指標, 而是選取了更加具有針對性和代表性的生態(tài)恢復工程建設和水利工程建設兩個主要指標對研究區(qū)土地利用變化的驅(qū)動因素進行分析, 以便更加清晰地呈現(xiàn)研究區(qū)人類活動與土地利用變化的關系。

水資源不合理利用是引發(fā)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能退化的最主要原因之一, 而因生態(tài)系統(tǒng)服務功能不斷退化導致泊江海子湖泊中的湖心島作為遺鷗繁殖棲息地功能的喪失, 使得如何合理分配水資源以改善區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務功能, 成為研究區(qū)當前面臨的最緊迫問題。合理規(guī)劃研究區(qū)的土地利用, 如發(fā)展種植低耗水的固沙林種、減少河流上游匯水區(qū)的耕地等, 合理分配流域水資源, 提高水資源利用效率, 是改善研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能、保障研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)健康發(fā)展的重要措施。

3.2 結論

泊江海子流域生態(tài)系統(tǒng)脆弱, 流域內(nèi)土地利用方式和格局的變化直接影響著流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能的種類和強度。近十幾年來, 因流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能退化, 遺鷗繁殖棲息地受到極大威脅。本文基于Landsat影像數(shù)據(jù), 對研究區(qū)1990—2015年間的 6期土地利用數(shù)據(jù)進行分類提取, 利用趨勢與狀態(tài)指數(shù)及凈變化速度等方法分析了研究區(qū) 26年間土地利用變化特征, 并對其驅(qū)動因素進行分析, 得出如下結論:

1)泊江海子流域1990—2015年間土地利用變化顯著。在空間分布變化上, 研究區(qū)東部、西部及中北部區(qū)域呈耕地面積增加、高覆蓋度草地減少的趨勢, 南部呈林地和低覆蓋度草地增加、高覆蓋度草地和未利用地減少的趨勢。在面積變化上, 研究期內(nèi)草地整體面積約占流域總面積的 70%, 高覆蓋度草地面積減少, 中、低覆蓋度草地面積增加。耕地面積增加, 占流域總面積的比例由1990年的9.85%增加到2015年的15.90%。未利用地面積減少, 占流域總面積的比例由1990年的13.24%減少到2015年的 5.62%。研究期內(nèi)水域面積減少了流域總面積的1.45%, 灘地面積增加了流域總面積的 1.41%, 林地和建設用地面積均呈弱增加趨勢。

2)在土地利用類型轉(zhuǎn)換上, 3種覆蓋度草地之間及草地與其他土地利用類型之間處于動態(tài)平衡狀態(tài)。草地是耕地、林地和建設用地面積增加的主要轉(zhuǎn)入來源, 同時也是未利用地的主要轉(zhuǎn)出去向。水域面積減少是灘地面積增加的主要原因。1995—2000年是研究期內(nèi)各土地利用類型間轉(zhuǎn)換最為頻繁的研究時段。2005—2010年間土地利用變化動態(tài)不平衡狀態(tài)最為突出, 研究區(qū)各土地利用類型間呈單向轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)出的變化趨勢。

3)研究區(qū)土地利用變化受氣候變化和人類活動兩個驅(qū)動因素綜合作用的表現(xiàn)明顯。降雨減少、氣溫升高及伴隨的蒸發(fā)增大是氣候變化驅(qū)動研究區(qū)土地利用變化的主要表現(xiàn)形式, 生態(tài)恢復工程和水利工程建設是人類活動驅(qū)動研究區(qū)土地利用變化的主要表現(xiàn)形式。耕地、建設用地、林地面積的增加及未利用地面積的減少主要受人類活動的驅(qū)動影響,水域、高覆蓋度草地面積的減少及灘地、中、低覆蓋度草地面積的增加是氣候變化和人類活動綜合驅(qū)動的結果。

致謝: 感謝中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心在本文土地利用類型數(shù)據(jù)驗證過程中提供的數(shù)據(jù)支撐;特別感謝中國科學院地理科學與資源研究所的徐新良研究員在土地利用類型遙感解譯及驗證方面中提供的指導和幫助。

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Characteristics and driving factors of land use change in the Bojiang Lake Basin in Ordos Plateau, China*

YAN Guozhen1,2, ZHANG Zheng1, LIANG Kang2**, LOU Huajun2
(1.College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land
Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Land use change can directly affect the variety and intensity of terrestrial ecosystem service functions.The Bojiang Lake Basin (BLB) is located in the Ordos Plateau in China and it belongs to the fragile ecosystem of the arid/semi-arid region.In the last decade, degradation of ecosystem services function in BLB has further jeopardized the endangeredLarus relictusbirds.Land use structure and pattern in BLB have changed significantly in recent decades.However, few studies have been done on land use change and the related driving factors.This study aimed to investigate the characteristics and the related driving factors of land use change in BLB during 1990–2015 to provide a reference base for the improvement of ecosystem services function and the protection ofL.relictusbirds.In the study, six periods (1990, 1995, 2000, 2005, 2010 and 2015) of 30 m resolution of land use data were extracted from Landsat remote sensing images.Land use change was investigated using trend and status index methods and then the main driving factors (i.e., climate change and human activity) analyzed.The results showed that grassland, farmland and unused land were the main land use types in 1990–2015, and there was significant change in land use in the BLB study area.Based on spatial variation, there was an increasing trend in farmland in the eastern,western and north-central regions, and then a decreasing trend in unused land in the southern region.The characteristics of the variation in area and dynamic conversion of each land use type were different.There was a dynamic balance in transformation in high, medium and low coverage grasslands, occupying some 70% of the lake basin.Farmland and unused land respectively had an apparent increase and decrease in trend.There was 6.05% increase in farmland area and 7.62% decrease in unused land area in the lake basin.Grassland was the main source of income for farmlands and therefore the main export for unused lands.The water area was decreased by 1.45% of the total area in 1990–2015, with bottomland as the main export.In the period 1995–2000 there was frequently transformation in land use, which in 2005–2010 had the most dynamic imbalance in land use change.Both climatic factors and human activities significantly affected land use change in the BLB study area.Specifically in 1990–2015, the transformation in land use types was due to the combined effects of warming and drying climate (expressed as declining precipitation and rising temperature) and intensifying anthropogenic disturbances (expressed as ecological restoration and water conservancy projects).The increase in farmland, woodland and buildup area and the decrease in unused land were more affected by anthropogenic disturbances.The decrease in water body and high coverage grassland and the increase in medium and low coverage grasslands were due to both climatic factors and human activities.Therefore, a reasonable land use planning such as restricting planting of forest with high water use, reducing the area of farmland in the catchment of the upper reaches of the rivers was critical for the protection for healthy and sustainable development of the study area.

Jan.4, 2017; accepted May 18, 2017

Bojiang Lake Basin; Land use change; Trend and status index; Driving factor; Ecosystem services function; ErdosLarus relictusNational Nature Reserve

F301

A

1671-3990(2017)11-1693-14

10.13930/j.cnki.cjea.170012

閆國振, 張征, 梁康, 婁華君.鄂爾多斯高原泊江海子流域土地利用動態(tài)變化及驅(qū)動因素分析[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報,2017, 25(11): 1693-1706

Yan G Z, Zhang Z, Liang K, Lou H J.Characteristics and driving factors of land use change in the Bojiang Lake Basin in Ordos Plateau, China[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(11): 1693-1706

* 國家自然科學基金項目(41501032)資助

** 通訊作者: 梁康, 主要從事流域水文過程變化機理與水資源安全研究。E-mail: liangk@igsnrr.ac.cn

閆國振, 主要研究方向為生態(tài)學。E-mail: ygzh4161@163.com

2017-01-04 接受日期: 2017-05-18

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41501032).

** Corresponding author, E-mail: liangk@igsnrr.ac.cn