王 鵬，王亞娟,2*，劉小鵬,2，溫勝?gòu)?qiáng)

(1.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,寧夏 銀川 750021；2.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評(píng)價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750021)

土地利用是人類活動(dòng)與自然環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的綜合產(chǎn)物，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，具有特定的時(shí)間和空間屬性，包括“時(shí)間過(guò)程”的動(dòng)態(tài)變化以及“空間格局”的動(dòng)態(tài)特征，展現(xiàn)了地球表面景觀的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[1-4]。土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)表征了人地關(guān)系在不同地域空間上的作用強(qiáng)度與模式隨時(shí)間推移的演替特點(diǎn)和規(guī)律性[5-6]，是土地利用變化的重要內(nèi)容，也是全球氣候變化和環(huán)境變化研究關(guān)注的重要問(wèn)題，當(dāng)前地理學(xué)研究的熱點(diǎn)話題之一。而景觀格局變化是生態(tài)環(huán)境變化的綜合反映，可有效地揭示區(qū)域生態(tài)狀況及空間變異特征[7-8]。而土地利用景觀格局具有典型的空間異質(zhì)性，在空間上表現(xiàn)為不同土地利用類型斑塊的鑲嵌，反映了土地生態(tài)過(guò)程的作用結(jié)果[9-10]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類活動(dòng)在一定程度上改變著區(qū)域土地利用的結(jié)構(gòu)和方式，而區(qū)域土地利用景觀格局的變化對(duì)人類活動(dòng)具有反作用。因此把土地利用景觀格局的空間特征與時(shí)間過(guò)程緊密聯(lián)系起來(lái)，有助于了解各土地類型、景觀要素的形狀、大小、數(shù)量和空間組合，更好地分析土地利用景觀格局的時(shí)空演變規(guī)律，從而更有效地探討土地利用景觀格局的空間變化格局與地理生態(tài)過(guò)程的關(guān)系[11-13]。目前，學(xué)術(shù)界不同領(lǐng)域的專家學(xué)者對(duì)區(qū)域土地利用景觀格局變化進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐富的研究成果[14-18]。在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)運(yùn)用土地利用動(dòng)態(tài)度模型、土地利用程度模型以及土地利用多樣性、均勻度指數(shù)等景觀格局指數(shù)對(duì)寧夏沙坡頭區(qū)土地利用景觀格局變化及其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析研究，以期為沙坡頭區(qū)土地利用規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沙坡頭區(qū)地處寧夏中西部(圖1)，介于36°58′-37°42′N，104°17′-105°34′E，全區(qū)東西長(zhǎng)115.3 km，南北寬81.4 km，區(qū)域總面積為5 922.4 km2，總?cè)丝诩s40萬(wàn)。其地形由西向東、由南向北傾斜，分為沙漠、黃河沖積平原、臺(tái)地、山地和盆地五大地貌單元，平均海拔在2 000 m左右，屬于半干旱氣候，具有典型的大陸性季風(fēng)氣候的特點(diǎn)。年平均氣溫在8.5℃左右，年均降水量約186.2 mm，年蒸發(fā)量約為1 829.6 mm。2015年全區(qū)GDP為146.2億元，其中第一、二、三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重分別為15.9%、38.3%和45.8%，人均GDP約為36 394元。

圖1 研究區(qū)位

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

以沙坡頭區(qū)1995年、2000年、2007年和2013年4期TM遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在ENVI5.0軟件支持下進(jìn)行幾何校正、圖像配準(zhǔn)等多項(xiàng)綜合處理，然后進(jìn)行圖像波段合成，依據(jù)研究區(qū)行政邊界區(qū)范圍對(duì)經(jīng)過(guò)處理的遙感影像進(jìn)行裁剪，提取研究區(qū)影像數(shù)據(jù)。依據(jù)全國(guó)土地資源分類系統(tǒng)，再結(jié)合研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀特點(diǎn)，將研究區(qū)分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類土地利用類型，然后進(jìn)行監(jiān)督分類，而后對(duì)監(jiān)督分類結(jié)果進(jìn)行后期處理，經(jīng)過(guò)處理得到研究區(qū)三期土地利用數(shù)據(jù)。最后經(jīng)過(guò)GPS野外采樣點(diǎn)實(shí)地考察校正并結(jié)合實(shí)地調(diào)查采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示總精確度和Kappa指數(shù)均接近或>0.82，達(dá)到研究所需要求。

2.2 研究方法

土地利用變化過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，因此本文采用土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用程度、土地利用結(jié)構(gòu)多樣性和均勻度4個(gè)指標(biāo)對(duì)研究區(qū)土地利用變化進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度變化 土地利用動(dòng)態(tài)變化度可以反映某一時(shí)間段內(nèi)的土地利用類型的數(shù)量變化，通過(guò)分析土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化度，能夠很好地掌握土地利用變化的劇烈程度和變化趨勢(shì)[19-20]。其計(jì)算公式為：

(1)

式中，K為不同土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化度；Ua和Ub分別為研究初期和末期不同土地利用類型的數(shù)量；T為時(shí)間。

2.2.2 土地利用程度模型 按照劉紀(jì)遠(yuǎn)[21]提出的綜合分析法，將土地利用程度劃分為4個(gè)級(jí)別，第1類為未利用地；第2類為林地、草地和水域；第3類為耕地；第4類為建設(shè)用地。其計(jì)算公式為：

(2)

式中，L為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)，其中未利用地取值為1，林地、草地和水域取值為2，耕地取值為3，建設(shè)用地取值為4；Ci為第級(jí)土地利用類型面積比率。

土地利用程度變化模型：

(3)

式中，ΔLb-a為土地利用程度變化量，R為土地利用程度變化率，La和Lb分別為研究初期和末期綜合土地利用程度指數(shù)。若ΔLb-a>0或R>0，則該區(qū)土地利用處于發(fā)展期，若ΔLb-a<0或R<0，則該區(qū)土地利用處于衰退期。

2.2.3 土地多樣性、均勻度模型 本文引進(jìn)信息熵，利用土地利用結(jié)構(gòu)信息熵指數(shù)考量土地利用的多樣性，其熵值越大，土地利用類型越多，面積相差越小，結(jié)構(gòu)越均勻[22]。其計(jì)算公式為：

(4)

式中，i為某一種土地利用類型，n為土地利總類型數(shù)，pi為第i類土地利用的面積比例。

土地均勻度指數(shù)是指空間上各土地利用類型分配的平均程度，均勻度指數(shù)越大，土地類型越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜[23]。其計(jì)算公式為：

(5)

式中，i為某一種土地利用類型，n為土地利總類型數(shù)，pi為第i類土地利用的面積比例。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)土地利用變化分析

沙坡頭區(qū)1995-2013年土地利用變化如表1所示。從中可以看出1995-2013年間林地、草地、水域以及建設(shè)用地面積增加，耕地和未利用地面積下降是研究區(qū)土地利用變化的主要特征之一，其中建設(shè)用地、草地和未利用地面積變化最大。研究期間沙坡頭區(qū)草地面積增加量最大，18 a共增加了241 679.95 hm2，其次是建設(shè)用地、林地和水域面積，分別增加了32 036.2、5 198.08 hm2和2 326.85 hm2，而且建設(shè)用地、水域和林地在研究期間呈穩(wěn)定增加的變化態(tài)勢(shì)。耕地和未利用地面積研究期間呈逐年下降趨勢(shì)，且面積下降明顯，分別減少39 951.9 hm2和241 289.24 hm2，而耕地和未利用面積向其他土地利用類型轉(zhuǎn)化成為該區(qū)域土地利用變化的主要特征之一。

1995-2000年，未利用地面積下降顯著，共減少了26 992.37 hm2；除此之外，其他各類土地利用類型均呈現(xiàn)出增加的變化趨勢(shì)，其中草地面積增加最多，共增加了11 920.18 hm2，其次是建設(shè)用地和耕地面積，分別增加了7 724.58 hm2和4 659.71 hm2，水域面積增加量最小，僅增加了619.17 hm2。這一時(shí)期為促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大面積的開墾荒地進(jìn)行種植，致使未利用地面積下降明顯，其他土地利用類型面積增加。2000-2007年沙坡頭區(qū)積極響應(yīng)國(guó)家退耕還林、還草政策的號(hào)召，在此期間取得了顯著的成果，草地面積增加了76 627.37 hm2；耕地和未利用地面積則呈下降變化趨勢(shì)，其中耕地減少最多，7 a間共減少23 841.29 hm2，而未利用地面積減少67 557.75 hm2；林地、水域和建設(shè)用地面積不斷增加，7 a間分別增加了1 801.72、889.26 hm2和12 081.57 hm2。2007-2013年是生態(tài)移民工程建設(shè)的重點(diǎn)期，也是寧夏中衛(wèi)市大型水利工程建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)期，同時(shí)我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策頒布和實(shí)施以及自治區(qū)生態(tài)移民政策的出臺(tái)，使得沙坡頭區(qū)土地利用變化發(fā)生明顯變化。耕地和未利用地面積持續(xù)下降，分別下降16 110.61 hm2和173 731.49 hm2，而其他土地利用類型面積增加明顯，其中草地和建設(shè)用地面積增加量較大，分別增加165 052.58 hm2和19 954.67 hm2。

表1 沙坡頭區(qū)1995-2013年土地利用變化

3.2 研究區(qū)土地利用變化速度分析

為了掌握不同土地利用類型的變化速度，將其進(jìn)行對(duì)比分析，而土地利用的變化速度可以用土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)反映，通過(guò)上述公式計(jì)算得到不同土地利用類型的變化率如表2所示。從表2可看出，沙坡頭區(qū)不同時(shí)期的土地利用變化速度不同，且存在較大差異。1995-2013年耕地和未利用地變化率都在下降，分別為-3.735 6%和-4.454 9%，而其他土地利用類型變化率均在增加，其中增加最快的是建設(shè)用地，其變化率為10.724 6%；其次是草地，變化率為8.604 2%；而林地增加速度較慢，僅為2.437 2%。1995-2000年未利用地變化率在下降，主要是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，大量地開發(fā)和利用未利用地，使得其面積減少。2000-2007年，國(guó)家退耕還林還草政策的實(shí)施，使得耕地變化率下降，草地和林地變化率增加顯著，而寧夏大型水利工程的建設(shè)是水域變化率增加的主要原因。2007-2013年生態(tài)移民的推進(jìn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的頒布、實(shí)施，使得林地、草地、水域以及建設(shè)用地變化率持續(xù)增加，而耕地和未利用變化率在下降。因此，區(qū)域城市化水平的提高，住房條件的改善，生態(tài)移民工程的推進(jìn)，退耕還林還草、封山育林等政策的實(shí)施和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)是研究區(qū)土地利用發(fā)生變化的主要原因。

3.3 研究區(qū)土地利用程度變化及多樣性分析

根據(jù)上述公式計(jì)算得到研究區(qū)不同年份土地利用程度變化量及變化率如表3所示。由此可知，1995-2013年，沙坡頭區(qū)的土地利用程度由1995年的159.326 8增加至2013年的212.094 4，表明人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響程度逐步加深，而土地利用程度變化量和變化率(R)均>0，說(shuō)明土地利用表現(xiàn)為發(fā)展期。從土地利用多樣性來(lái)看，1995-2007年研究區(qū)土地利用多樣性指數(shù)不斷增加，由1995年的0.306 7增加至2007年的0.329 6，并在2007年達(dá)到峰值，說(shuō)明這一時(shí)期研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)趨于多樣化，而在2007-2013年研究區(qū)土地利用多樣性指數(shù)呈下降趨勢(shì)，下降至2013年的0.233 8，表明這一時(shí)期研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)較為單一。從景觀均勻度來(lái)看，研究區(qū)景觀均勻度指數(shù)整體水平呈下降變化趨勢(shì)，說(shuō)明研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜化程度較低。

表2 沙坡頭區(qū)1995-2013年土地利用變化率

表3 沙坡頭區(qū)土地利用程度變化及變化率

4 驅(qū)動(dòng)力分析

4.1 自然因素

沙坡頭區(qū)地處寧夏中部干旱半干旱地區(qū)，由于其位于我國(guó)大陸內(nèi)部，遠(yuǎn)離海洋，且靠近沙漠，因此具有典型的大陸性季風(fēng)氣候和沙漠氣候的特點(diǎn)。氣溫、降水和熱量為特征的氣候變化過(guò)程在一定程度上影響和改變了區(qū)域水系統(tǒng)和水環(huán)境，進(jìn)而影響區(qū)域內(nèi)景觀的空間分布格局。其中氣溫和降水是主要的限制性因子。對(duì)沙坡頭區(qū)1995-2013年的平均氣溫和降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，研究期間，沙坡頭區(qū)年平均氣溫起伏不一，具有顯著的波動(dòng)變化，但整體看來(lái)呈現(xiàn)出增加的變化趨勢(shì)，年平均氣溫增加率為0.24/18 a，具有明顯的增溫現(xiàn)象。對(duì)降水量而言，由于氣候的暖干化趨勢(shì)的加劇，氣溫的上升，使得研究區(qū)蒸發(fā)量較大，且蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，土壤含水量下降(圖2)。2000年以來(lái)研究區(qū)降水量增加明顯，水資源是沙坡頭區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和改善實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力源泉，是研究區(qū)景觀格局發(fā)生變化的主要自然因素。

圖2 沙坡頭區(qū)年平均氣溫、降水量與蒸發(fā)量變化

4.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素

通常來(lái)說(shuō)，在小尺度時(shí)間范圍內(nèi)，自然因素對(duì)土地覆被景觀格局的影響較小，而人類生產(chǎn)生活的影響是其面積、分布格局發(fā)生改變的主要原因。本文利用研究區(qū)統(tǒng)計(jì)年間數(shù)據(jù)資料，選取對(duì)土地覆被景觀格局有影響的14項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行主成分分析(表4)，得到各因子方差貢獻(xiàn)率以及累計(jì)貢獻(xiàn)率，并進(jìn)行球型檢驗(yàn)，顯著性概率為0.000，樣本系數(shù)為0.826，效果顯示良好。按照特征值>1和累計(jì)貢獻(xiàn)率>85%的原則來(lái)提取主因子，前4個(gè)主成分方差貢獻(xiàn)率分別為48.56%、23.17%、10.24%和7.62%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為89.59%，期特征值分別為7.327、4.629、2.114和1.046。由圖4可知，第1主成分在總?cè)丝谏系妮d荷最大，因此，可將其視為人口影響因子；第2主成分在農(nóng)業(yè)人口、第一產(chǎn)值和糧食產(chǎn)量上的載荷較大，因此可將其視為農(nóng)業(yè)影響因子；第3主成分在地區(qū)生產(chǎn)總值上的載荷較大，因此可將其視為經(jīng)濟(jì)發(fā)展因子；而第4主成分在人均GDP和農(nóng)民人均純收入上的載荷最大，可將其視為社會(huì)發(fā)展因子。人口因素對(duì)區(qū)域土地利用景觀格局變化有很大的影響，沙坡頭區(qū)1995年總?cè)丝跀?shù)為31.73萬(wàn)，2013年全區(qū)總?cè)丝跀?shù)達(dá)到41.03萬(wàn)，增加了近10萬(wàn)。但從農(nóng)業(yè)人口來(lái)看，農(nóng)業(yè)人口數(shù)量不斷下降，由1995年的25.35萬(wàn)下降至2013年的18.37萬(wàn)，年變化幅度為1.3%，說(shuō)明研究區(qū)城市化水平不斷提高，建設(shè)用地面積增加迅速，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的完善不斷侵占周邊其他土地利用類型，使得研究區(qū)土地覆被景觀格局不斷改變。而沙坡頭區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值由1995年的7.51億元增加至2013年的146.2億元，其中第三產(chǎn)值由2.68億元增加至2013的66.98億元，尤其是隨著沙坡頭旅游景區(qū)的開發(fā)和發(fā)展以及沙坡頭區(qū)特色產(chǎn)業(yè)—沙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得研究區(qū)未利用地面積變化顯著。

4.3 政策因素

寧夏自20世紀(jì)80年代初以來(lái)先后實(shí)施了1983-2000年的“吊莊移民”、2001-2007年的易地生態(tài)移民、2007-2011年的中部干旱帶縣內(nèi)生態(tài)移民和2011年以來(lái)的中南部地區(qū)生態(tài)移民4個(gè)階段的生態(tài)移民工程，截止2013年沙坡頭區(qū)共承接和安置貧困人口2.5萬(wàn)余人，隨著安置區(qū)建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使得建設(shè)用地面積不斷擴(kuò)大。而2005年寧夏實(shí)施的沙坡頭水利樞紐工程建設(shè)，促使了沙坡頭區(qū)水域面積不斷擴(kuò)張。生態(tài)移民政策的實(shí)施和國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視促使沙坡頭區(qū)生態(tài)用地面積增加。除此之外，歷屆政府能夠始終立足于實(shí)際，把防風(fēng)固沙、做好沙區(qū)治理工程作為改善生態(tài)環(huán)境的重點(diǎn)工作，不僅鞏固了沙區(qū)防沙治沙工程的建設(shè)，還促進(jìn)了當(dāng)?shù)厣钞a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而沙坡頭北部地區(qū)形成的林紙一體化的產(chǎn)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式及其建立的以生產(chǎn)紙漿原料林為主的速生林基地等林地建設(shè)項(xiàng)目的形成改變了沙坡頭區(qū)土地利用景觀格局的分布[24]。

表4 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

5 結(jié)論與討論

1995-2013年沙坡頭區(qū)土地利用景觀格局變化較為顯著。除耕地和未利用地面積下降外，林地、草地、水域以及建設(shè)用地面積不斷增加，其中草地面積增加量最大，18年共增加了241 679.95 hm2，其次是建設(shè)用地、林地和水域面積，分別增加了32 036.2、5 198.08 hm2和2 326.85 hm2。耕地和未利用地面積研究期間呈逐年下降趨勢(shì)，且面積下降明顯，分別減少39 951.9 hm2和241 289.24 hm2，而耕地和未利用面積向其他土地利用類型轉(zhuǎn)化成為該區(qū)域土地利用變化的主要特征之一。

沙坡頭區(qū)不同時(shí)期的土地利用變化速度不同，且存在較大差異。1995-2013年耕地和未利用地變化率都在下降，而林地、草地、水域以及建設(shè)用地變化率均在增加，其中增加最快的是建設(shè)用地。不同時(shí)期的土地利用變化率說(shuō)明區(qū)域城市化水平的提高，住房條件的改善，生態(tài)移民工程的推進(jìn)，退耕還林還草、封山育林等政策的實(shí)施和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)是研究區(qū)土地利用發(fā)生變化的主要原因。而沙坡頭區(qū)的土地利用程度由1995年的159.326 8增加至2013年的212.094 4，表明人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響程度逐步加深，而土地利用程度變化量和變化率(R)均>0，說(shuō)明土地利用表現(xiàn)為發(fā)展期。從土地利用多樣性來(lái)看，研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)趨于多樣化。從景觀均勻度來(lái)看，研究區(qū)景觀均勻度指數(shù)整體水平不高，且研究期內(nèi)呈下降變化趨勢(shì)，說(shuō)明研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜化程度較低。從土地利用景觀格局的驅(qū)動(dòng)因素看，沙坡頭區(qū)氣溫和降水等自然因素對(duì)研究區(qū)土地覆被景觀格局的變化具有影響作用，人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度以及政策導(dǎo)向是沙坡頭區(qū)土地覆被景觀格局變化的主要原因。