張 雨，楊 光*，韓雪瑩，劉 峰，白翠霞

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.武漢市水務(wù)科學(xué)研究院，湖北 武漢 432100)

我國北方沙漠化分布極廣，嚴(yán)重危害的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2]。作為我國四大沙地之一的毛烏素沙地，古代時(shí)期植被茂密，人類不合理利用和自然環(huán)境變化，導(dǎo)致土地利用發(fā)生改變，生態(tài)環(huán)境一再惡化，沙地面積持續(xù)擴(kuò)大[3-4]。

土地利用變化是指由于人為因素和自然因素的影響，土地的利用和管理方式發(fā)生改變，致使土地覆被發(fā)生改變[5]，在全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展研究中作為核心內(nèi)容之一[6-7]。

20世紀(jì)50年代以來，我國采取了大規(guī)模的防沙治沙工程[1]，遙感技術(shù)可以快速、有效地研究土地利用時(shí)空變化[8]。眾多學(xué)者通過遙感技術(shù)對(duì)毛烏素沙地進(jìn)行了各種研究：例如，劉淑琴等[9]運(yùn)用土地利用結(jié)構(gòu)指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)定量分析毛烏素沙地鹽池縣土地利用變化格局與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；金海峰等[10]利用沙漠化指數(shù)的多元逐步回歸分析總結(jié)沙漠化時(shí)空進(jìn)程及其沙漠化趨勢的主要驅(qū)動(dòng)因素；劉娟等[11]將3S技術(shù)和景觀指數(shù)相結(jié)合，研究毛烏素沙地土地利用動(dòng)態(tài)過程與景觀格局變化；賈光普等[12]對(duì)毛烏素沙地動(dòng)態(tài)變化以及空間自相關(guān)進(jìn)行分析，得出近30 a沙化土地時(shí)空動(dòng)態(tài)過程及分布情況；劉峰等[13]通過空間自相關(guān)分析了奈曼旗土地利用類型時(shí)空演變特征。前人雖然對(duì)毛烏素沙地進(jìn)行了多方位、多角度的研究，但是缺少研究長時(shí)間序列演變關(guān)系以及關(guān)于鹽堿地并沒有詳細(xì)的劃分，只能片面分析土地利用的時(shí)空變化。

烏審旗地處毛烏素沙地腹部，屬于生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，土地利用變化類型是我國半干旱區(qū)的典型代表[14-15]。本研究選取5期遙感影像，利用RS與GIS技術(shù)，運(yùn)用支持向量機(jī)法(SVM)對(duì)毛烏素沙地烏審旗進(jìn)行監(jiān)督分類，并將未利用土地分為沙地和鹽堿地。通過土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用程度空間自相關(guān)和地類重心遷移等研究方法，揭示烏審旗土地利用時(shí)空演變規(guī)律，為毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)重建和可持續(xù)發(fā)展策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏審旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西南地區(qū)(108°17′36″-109°40′22″E，37°38′54″-39°23′50″N)，占地11 645 km2，平均海拔1 300 m(圖1)。該區(qū)地勢為西北部偏高，東南部偏低，地貌類型可劃分為構(gòu)造剝蝕地形、堆積地形、風(fēng)積地形、黃土地形、河成地形5類，按形態(tài)劃分為波狀高原、梁地、內(nèi)陸湖淖、灘地(沖積湖積平原)、流動(dòng)與半流動(dòng)沙丘、固定沙地、黃土梁和河谷地8種地類，其中沙漠、灘地、梁地多呈帶狀分布。土壤類型以風(fēng)沙土為主，其余草甸土、栗鈣土、鹽土、黃綿土、沼澤土等僅占土壤面積的21.6%[16]。主要植被有油蒿(Artemisiaordosica)、麻黃(Ephedrasinica)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、沙柳(Salixcheilophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等[17]。氣候?qū)儆诘湫蜏貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，由于全球氣候變暖，烏審旗氣溫逐年升高，年均氣溫約7.0 ℃[18]。水資源十分充沛，境內(nèi)天然堿水湖泊很多，河流水系分為黃河水系與內(nèi)流河水系，主要有無定河、納林河、海流圖河等，水資源總量近5.34億km3，地表水可利用量約0.71億km3，地下水可利用量約4.12億km3，年均降水量為331.5 mm[19]。

2 材料與方法

2.1 材料

2.1.1 影像數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理 選取1996、2001、2009年TM影像與2015、2020年OLI影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，5期影像數(shù)據(jù)獲取時(shí)間均為烏審旗植被生長茂盛季節(jié)(6-8月)，利于人工目視解譯。為確保地物特征顯著，對(duì)波段進(jìn)行不同排列組合，選取最佳波段組合，提高解譯準(zhǔn)確度。

2.1.2 沙漠化土地分類體系 依據(jù)中國土地資源分類系統(tǒng)并參考相關(guān)文獻(xiàn)[20-21]，結(jié)合烏審旗實(shí)際情況，將地類分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、沙地及鹽堿地7類。

2.2 方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用動(dòng)態(tài)度指某一區(qū)域特定時(shí)段內(nèi)土地利用類型的整體結(jié)構(gòu)變化速率，相比其他動(dòng)態(tài)研究方法，該方法可以簡單直接反映人類對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度[21]。

尊重研究生的個(gè)性是個(gè)性化培養(yǎng)視角下研究生教育的基本前提。研究生來自不同的地域和家庭，其性格、能力、思維習(xí)慣、求學(xué)動(dòng)機(jī)和畢業(yè)去向意愿等各有差異。導(dǎo)師應(yīng)將每名研究生視為獨(dú)立的思維個(gè)體，尊重研究生的學(xué)習(xí)主體地位，深入了解學(xué)生的個(gè)性特點(diǎn)，依據(jù)研究生的個(gè)體綜合素質(zhì)、知識(shí)興趣水平和創(chuàng)新能力的差異，采用因材施教教育理念和方法，制定個(gè)性化的培養(yǎng)方案(課程計(jì)劃和論文選題等)、培養(yǎng)方向和循序漸進(jìn)的任務(wù)目標(biāo)，幫助研究生形成具有個(gè)性化特點(diǎn)的研究性思維和專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)能力，激發(fā)每個(gè)研究生的自主研究意識(shí)和潛能，提升短板，升華長板，最終實(shí)現(xiàn)研究生創(chuàng)造性、創(chuàng)新性思維和能力的養(yǎng)成。

2.2.1.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度 反映某一區(qū)域特定時(shí)段內(nèi)某一地類的數(shù)量變化狀況，其公式如下

(1)

式中:K為單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究時(shí)段初期和末期某種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)段。

2.2.1.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度 反映區(qū)域內(nèi)土地利用類型的整體變化狀況，其公式如下

(2)

式中:LC為綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；LUi為研究時(shí)段初第i類土地利用類型總面積；ΔLUi-j為研究時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型面積轉(zhuǎn)為第j類土地利用類型面積的絕對(duì)值。

2.2.2 土地利用程度空間自相關(guān) 土地利用程度空間自相關(guān)分析可以檢驗(yàn)研究區(qū)內(nèi)相同時(shí)間不同空間的顯著性關(guān)系[22]。

2.2.2.1 土地利用程度總體變化 土地利用程度指數(shù)可以確定研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)間土地利用程度的數(shù)值大小，通過查閱大量文獻(xiàn)，對(duì)研究區(qū)內(nèi)土地利用類型進(jìn)行分級(jí)賦值[23-24]，賦值的大小直觀反映區(qū)域內(nèi)土地利用程度的高低，其公式如下

(3)

式中:La為第a時(shí)期內(nèi)土地利用程度；Ai為土地利用程度分級(jí)指數(shù)(表1)；Ci為該時(shí)期內(nèi)土地利用類型與研究區(qū)總面積的比值。

表1 土地利用類型程度分級(jí)指數(shù)Table 1 Classification index of landuse degree

2.2.2.2 土地利用程度全局空間自相關(guān) 全局Moran'sI指數(shù)在全局空間自相關(guān)研究中被廣泛應(yīng)用，它可以用來分析空間水平上的相關(guān)性[25-26]，相比其他自相關(guān)研究方法，結(jié)果更具有準(zhǔn)確性和有效性。其公式如下。

(4)

2.2.2.3 土地利用程度熱點(diǎn)分析 在土地利用程度全局空間自相關(guān)結(jié)果呈現(xiàn)顯著相關(guān)性的背景下，熱點(diǎn)分析可以精確土地利用程度不同置信區(qū)間的冷點(diǎn)與熱點(diǎn)。冷點(diǎn)表明周邊位置的土地利用程度高于平均值，屬于土地利用程度的高值空間集聚；熱點(diǎn)則相反，其公式如下。

(5)

式中:t為空間網(wǎng)格單元數(shù)量；s為標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 重心遷移模型

重心遷移模型可以較為直觀地反映研究區(qū)內(nèi)土地利用類型時(shí)空動(dòng)態(tài)變化情況[27-28]，其公式如下

(6)

(7)

式中:Xt與Yt分別為t時(shí)期某種土地利用類型的經(jīng)度和緯度；n為t時(shí)期土地利用類型的斑塊數(shù)；Cti為t時(shí)期土地利用類型第i個(gè)斑塊的面積；Xti與Yti分別為t時(shí)期土地利用類型第i個(gè)斑塊的幾何重心經(jīng)度和緯度坐標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 烏審旗土地利用變化

烏審旗是國家重點(diǎn)治理的旗縣，近些年來實(shí)行各種生態(tài)治理工程和項(xiàng)目，使烏審旗土地利用類型發(fā)生了改變(表2、圖2)。烏審旗面積比例最大的為草地，南部比北部密集，其次為沙地，多集中在北部地區(qū)；最小的為建設(shè)用地，零散分布于烏審旗中部地區(qū)。整體來看，沙地面積變化最大(-7.35%)，鹽堿地面積變化最小(-0.03%)；耕地面積呈減少趨勢(-0.37%)；林地面積持續(xù)增加(1.51%)；草地面積顯著增加(6.20%)；建設(shè)用地呈增加趨勢(0.41%)。說明烏審旗生態(tài)環(huán)境得到了有效治理，北部地區(qū)沙漠化面積減少，南部地區(qū)林草地面積有所增加，西北部地區(qū)沙化較為嚴(yán)重，但整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢。

表2 烏審旗土地利用類型面積變化Table 2 Changes of landuse areas in Wushen Banner

3.2 烏審旗土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

通過對(duì)烏審旗土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣分析，得出1996-2020年面積轉(zhuǎn)移矩陣表(表3)，各土地利用類型面積轉(zhuǎn)移較為活躍，其中，水域主要轉(zhuǎn)移為草地(41.24%)；耕地主要轉(zhuǎn)移為草地(31.23%)；建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)移為草地(28.88%)；林地主要轉(zhuǎn)移為草地(26.92%)；沙地主要向草地(19.00%)轉(zhuǎn)移；鹽堿地主要轉(zhuǎn)移為草地(14.17%)；草地轉(zhuǎn)移不明顯。

表3 1996-2020年烏審旗土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land use typedistribution in Wushen Banner from 1996 to 2020 km2

3.3 烏審旗土地利用動(dòng)態(tài)變化分析

由表4可知，變化幅度最大的為林地(310.53%)，其次為建設(shè)用地(88.05%)，年變化率最大的為林地(12.42%)，其次為建設(shè)用地(3.52%)，主要是政府實(shí)施多項(xiàng)防沙治沙工程，大規(guī)模人工林的栽植，有效地遏制住沙漠化趨勢，改善了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。具體來看，在1996-2001年土地利用類型面積變化幅度最大的為耕地(-12.58%)；2001-2009年林地(37.08%)變化幅度最大；2009-2015年林地(178.35%)變化劇烈；2015-2020年水域(15.89%)變化幅度達(dá)到最大。這是由于近些年烏審旗GDP大幅度增長，為適應(yīng)人口持續(xù)增加，建設(shè)用地面積顯著擴(kuò)大。

表4 烏審旗土地利用類型動(dòng)態(tài)度Table 4 Dynamic degree of land use types in Wushen Banner %

由表5可知，1996-2001年各土地利用類型空間變化較不明顯，變化速率最大的為草地(0.07%)；2001-2009年各土地利用空間變化較為劇烈，沙地(-0.59%)變化速率最大，其次為草地(0.58%)；2009-2015年比上一年段浮動(dòng)較小，沙地(-0.20)變化速率最大，其次為林地(0.18)；2015-2020年各土地利用類型空間變化最為平緩。1996-2020年整體看來烏審旗空間變化速率的土地類型分別為草地與沙地。

表5 烏審旗土地利用類型空間變化率指數(shù)Table 5 Index of spatial change rate of land use type of the Wushen Banner

3.4 烏審旗土地利用程度空間自相關(guān)分析

3.4.1 烏審旗土地利用程度 土地利用程度的高低變化反映烏審旗自然條件和人類活動(dòng)與土地利用互相影響的程度。由表6可知，1996-2020年，烏審旗利用程度波動(dòng)較明顯，但整體呈現(xiàn)提高趨勢。2001年略有下降，2009年恢復(fù)提高趨勢，說明烏審旗沙地面積逐年減少，生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展。

表6 烏審旗土地利用程度指數(shù)Table 6 Land use degree index of Wushen Banner

3.4.2 烏審旗土地利用程度空間自相關(guān) 運(yùn)用ArcMap軟件創(chuàng)建漁網(wǎng)功能，將研究區(qū)劃分成1 419個(gè)大小為3 km×3 km的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，對(duì)網(wǎng)格賦值，通過對(duì)研究區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行土地利用程度全局空間自相關(guān)和熱點(diǎn)分析，觀察網(wǎng)格間的顯著關(guān)系。

3.4.2.1 烏審旗土地利用程度全局空間自相關(guān) 全局Moran'sI指數(shù)反映土地利用程度在研究區(qū)的空間聚集度，z值用來檢驗(yàn)假設(shè)(圖3)。1996-2020年，莫蘭指數(shù)分別為0.3999、0.4099、0.4591、0.4610和0.487 3，均為正值且變化不大，P均為0，z值均遠(yuǎn)大于2.58，由此證明99%置信區(qū)間顯示烏審旗土地利用程度存在較強(qiáng)的空間正向自相關(guān)性，具有顯著的空間集聚性，莫蘭指數(shù)持續(xù)升高說明烏審旗土地利用程度空間聚集性不斷增強(qiáng)。

3.4.2.2 烏審旗土地利用程度熱點(diǎn)分析 以單元網(wǎng)格為基礎(chǔ)，運(yùn)用熱點(diǎn)分析功能，選取置信度大于90%的冷點(diǎn)與熱點(diǎn)(圖4)，冷點(diǎn)區(qū)主要位于西北部，形成土地利用程度的低值集聚區(qū)；熱點(diǎn)區(qū)多位于南部區(qū)域，形成土地利用程度的高值集聚區(qū)。南部增值熱點(diǎn)網(wǎng)格在2009年略有縮小，在2015年增大，證明烏審旗封山造林、退耕還林存在一定的效果。2009年起，北部損失冷點(diǎn)區(qū)呈斑點(diǎn)狀擴(kuò)大，說明北部地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)合理化。自1996年以來，增值熱點(diǎn)區(qū)持續(xù)小幅度擴(kuò)大，這是由于近年來，烏審旗實(shí)行了大量防沙治沙工程修復(fù)生態(tài)環(huán)境，使土地利用結(jié)構(gòu)趨于合理化。

3.5 烏審旗土地利用重心遷移分析

運(yùn)用ArcMap軟件重心遷移模型對(duì)烏審旗1996-2020年5期影像進(jìn)行計(jì)算(圖5)，分析烏審旗土地利用類型空間遷移情況。1996-2020年間，烏審旗重心遷移距離最大為鹽堿地，向西南遷移7.05 km；沙地次之，向西南遷移3.34 km；草地重心遷移距離最小，僅向東北遷移1.08 km，歸因于東北部的退耕還林還草，生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，耕地重心向西南遷移，沙地與鹽堿地重心向西南遷移。由于東北部地區(qū)林地與草地面積增大，水資源較少，因此水域重心向南遷移；建設(shè)用地重心向西北部地區(qū)遷移，人類活動(dòng)頻繁，加大開墾放牧，增加土地壓力，因此西北部地區(qū)沙化較為嚴(yán)重。

4 結(jié)論與討論

1996-2001年間沙地面積顯著減少(-7.35%)，主要向草地轉(zhuǎn)移(929.59 km2)；耕地面積持續(xù)減少(-0.37%)，主要轉(zhuǎn)移為草地(74.46 km2)。變化幅度最大的土地利用類型為林地(310.29%)，其次為建設(shè)用地(88.05%)，年變化率最大的為林地(12.41%)，其次為建設(shè)用地(3.52%)，烏審旗空間變化速率的主要土地利用類型分別為草地與沙地。這主要是政府實(shí)施多項(xiàng)防沙治沙工程，大規(guī)模人工林的栽植有效地遏制住沙漠化趨勢，改善了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

1996-2020年烏審旗利用程度浮動(dòng)較大，但整體呈現(xiàn)提高趨勢。2015年略有下降，2020年恢復(fù)提高趨勢，證明烏審旗沙漠化面積逐年減少，生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展。烏審旗土地利用程度呈穩(wěn)步上升趨勢，具有顯著的空間集聚性；熱點(diǎn)分析圖展示了烏審旗土地利用程度具有明顯的區(qū)域劃分，冷點(diǎn)區(qū)主要位于西北部，形成土地利用程度的低值集聚區(qū)；熱點(diǎn)區(qū)多位于南部區(qū)域，形成土地利用程度的高值集聚區(qū)。南部增值熱點(diǎn)網(wǎng)格在2009年略有縮小，在2015年增大，證明烏審旗封山造林、退耕還林存在一定的效果。2009年起，北部損失冷點(diǎn)區(qū)呈斑點(diǎn)狀擴(kuò)大，說明北部地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)合理化。自1996年以來，增值熱點(diǎn)區(qū)持續(xù)小幅度擴(kuò)大，這是由于近年來烏審旗實(shí)行了大量防沙治沙工程修復(fù)生態(tài)環(huán)境，使土地利用結(jié)構(gòu)趨于合理化。

1996-2020年間，烏審旗重心遷移距離最大為鹽堿地，向西南遷移7.05 km；沙地次之，向西南遷移3.34 km；草地重心遷移距離最小，僅向東北遷移1.08 km，歸因于東北部的退耕還林還草，生態(tài)環(huán)境恢復(fù)；耕地重心向西南遷移，沙地與鹽堿地重心向西南遷移。由于東北部地區(qū)林地與草地面積增大，水資源較少，因此水域重心向南遷移；建設(shè)用地重心向西北部地區(qū)遷移，人類活動(dòng)頻繁，加大開墾放牧，增加土地壓力，因此西北部地區(qū)沙化較為嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)與治理。

前人對(duì)毛烏素沙地進(jìn)行了多方位、多角度的研究，但在土地利用變化研究方面并未將鹽堿地劃分開來，本研究通過監(jiān)督分類，解譯各土地利用類型，將沙地與鹽堿地區(qū)分開。結(jié)合前人對(duì)土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)研究的方法與經(jīng)驗(yàn)，采用土地利用動(dòng)態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣分析土地利用類型面積變化；全局莫蘭指數(shù)(Moran'sI)與熱點(diǎn)分析研究烏審旗土地空間相關(guān)性；土地利用類型重心遷移探索各土地利用類型重心空間變化，綜合分析其土地利用變化規(guī)律，更好地體現(xiàn)烏審旗土地利用時(shí)空格局演變過程及其內(nèi)在規(guī)律。