近20 年元上都遗址周边土地利用变化及驱动力

刘冠志，甄江红，刘果厚，李红颖，刘哲荣，希吉日

(1．内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古 呼和浩特010019;2．内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特010022)

近年来，土地利用/土地覆被变化(LUCC)已逐渐成为全球环境变化与可持续发展研究的重要内容［1-4］。目前，国内外对土地利用变化的研究主要有3 个方面:一是从全球尺度与区域尺度上对土地利用动态变化过程及宏观影响的研究［5］;二是从定量角度，应用理论模型和动态数量模拟等技术对土地利用的发展趋势进行预测［6-9］;三是从自然与人文的相互作用角度对土地利用变化的驱动力进行综合分析［8-10］。土地利用变化不仅引起了资源安全问题(如草地资源、耕地资源、水资源、生物资源存量的变化)，也引起了自然灾害的加剧(如沙漠化、洪涝、干旱、水土流失、鼠灾、生物入侵等)［11］。因此，区域土地利用变化及其驱动因素的研究，是揭示区域生态环境变化的重要途径，同时，能够促使区域土地利用更趋于合理，达到土地持续利用的目的。

内蒙古草原地处典型的干旱、半干旱气候区，生态系统极为脆弱，而以此为背景的文化遗址，加之其开放性和界线模糊性，致使其正遭受着严重的威胁。特别是近年来，在人类活动的冲击下，这些遗址区正在成为生态退化与破坏的“孤岛”，遗址区的破坏与消失正是璀璨文明消失的前奏。元上都是内蒙古草原文化遗址的典型代表，是蒙元文化的发祥地，是中国农耕文明和游牧文明的融合点，2012 年6 月29日，被正式列入《世界遗产名录》［12］。这里曾是山清水秀的“古老生态城市”［13］。据古籍记载“龙岗蟠其阴，滦江经其阳。四山拱卫，佳气葱郁”(王恽《中堂事记》)。但近年来，周边生态环境的破坏，威胁着遗址的保护与继承。目前，以草原为背景的土地利用变化研究主要以行政单位［14-15］、典型地貌区［16］及农牧交错区［17］为对象，而以文化遗址区为对象进行土地利用变化的研究，及以土地利用变化分析遗址区生态环境状况，并对遗址进行保护的方法尚未见报道。为此，以元上都遗址地为研究区，通过实地调查并结合1990、2000、2010 年TM 影像解译方法对遗址区周边土地利用变化进行分析，并探讨其驱动因素，以期从土地利用类型角度探究区域开发对草原生态环境影响，为草原文化遗址保护提供科学的理论依据和指导。

1 研究区概况与研究方法

1．1 研究区概况

元上都遗址位于锡林郭勒盟正蓝旗政府所在地上都镇东北约20 km，地处滦河上游闪电河北岸水草丰美的著名“金莲川”草原上，北部为浑善达克沙地，中部为草甸草原，周围有连绵的低山丘陵、典型草原和林地。海拔1 262 ～1 281 m，地理坐标为116° 09' 50″ - 116° 11' 40″ E，42° 20' 52″ -42°22'13″ N。遗址所在区域属中温带半干旱大陆性气候，年均气温2．1 ℃，1 月均温-18．3 ℃，7 月均温18．7 ℃;≥10 ℃的积温为1 574 ～2 504 ℃·d;年均降水量366．8 mm，降水量集中且强度大，主要集中在6 ―8 月，占全年降水量的65% ～70%;年蒸发量1 920．5 mm;无霜期104 d，平均风速4．7 m·s-1［18］。

研究区以元上都遗址为中心，向周边扩展至城镇与农村(牧区)居民点或其他大型建设用地边界。即南部以上都镇和多伦县为界;北、西、东界以元上都为中心，分别向周边扩展20 ～40 km，总面积达4 014．70 km2。

1．2 数据来源及研究方法

研究区1990、2000 及2010 年TM(30 m ×30 m)遥感影像由中科院遥感卫星地面接收站提供，以研究区1∶ 50 000 地形图及土地利用二次普查数据作为补充信息，利用ERDAS 遥感影像处理软件和GIS 软件对TM 图像进行几何纠正、配准、遥感影像的波段合成、镶嵌裁剪及图像增强等处理，从中提取出主要的土地利用类型，并结合野外实地踏察结果及各种统计数据，对错分的类型进行修改，采用分类后对比法提取出土地利用变化信息。再次进行实地抽样调查，确定判读正确率在91%以上。通过查阅统计年鉴［19］与文献获取其他自然、经济与人口数据信息。

通过以下指标进行土地利用变化动态分析:

(1)单一土地利用类型动态度:指某一研究区域一定时期范围内某种土地利用类型的数量变化［20-22］，其表达式为:

式中，K 为研究时段内某一土地利用类型动态度;Ua、Ub分别为研究初期及末期某一土地利用类型的数量;T 为研究时段长，当T 的时段设定为年时，K值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。

(2)综合土地利用动态度:指某一研究区域一定时间内综合土地利用类型的数量变化［20-22］。其表达式为:式中，ΔLUi为监测起始时间第i 类土地利用类型面积，ΔLUi-j为监测时段内第i 类土地利用类型转为非i 类土地利用类型面积的绝对值;T 为监测时段长度，当T 的时段设为年时，LC 值即为研究区的土地利用年变化率。

(3)土地利用程度综合指数及其变化模型:根据刘纪远［23］提出的土地利用程度的综合分析方法，将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分为若干等级，并赋予分级指数(表1)，从而给出土地利用程度变化模型。

土地利用程度变化模型为:

式中，ΔLb-a为土地利用程度变化量;R 为土地利用程度变化率;Lb和La分别为研究末期和初期的区域土地利用程度综合指数;Al为第l 级土地利用程度分级指数;Cl，b和Ll，a分别为研究末期和初期第l 级土地利用程度面积百分比。如果R ＞0，则说明该区域处于土地非农化调整时期;否则处于农业用地结构调整时期。

表1 土地利用类型分级表Table 1 Land use/cover classification

2 元上都遗址区域土地利用变化分析

2．1 土地利用数量变化动态分析

基于元上都遗址区的土地利用现状及生态环境特征，将研究区的土地利用类型划分为12 类(图1)，即耕地、林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、居民点与工矿用地、草原文化遗址区、水域、沙地、裸地、盐碱地、沼泽与湿地。

对1990、2000 和2010 年元上都遗址周边土地利用情况进行分析(表2)，结果表明，3 个时期，研究区面积比重最大的均为草地(高/中/低覆盖草地)，即基质景观为草地［24］，但20 年间草地总体呈递减趋势，所占比例减少6．28%;其次是耕地，总体呈递增趋势，所占比例增加1．92%;沙地比重仅次于耕地，总体亦呈递增趋势，所占比例增加3．33%。林地、城镇与工矿用地、裸地面积在20 年间逐渐增大;低覆盖草地、沼泽与湿地面积在20 年间逐渐减少。说明1990 -2010 年元上都遗址周边土地利用面积有较明显的变动。

2．2 土地利用变化速度分析

根据单一土地利用类型动态度和综合土地利用动态度指数，对研究区不同时期内土地利用变化进行分析(表3)。

20 年来土地利用综合变化速度较快，年变化率达0．72%。其中，1990 -2000 年，研究区土地利用变化的速度相对较快，年变化率为0．92%。耕地、林地、城镇居民点与工矿用地、水域、沙地和裸地面积均有不同程度的增加，其中沙地面积的增加速度最快，年均增长率为12．43%;其次是水域面积，年均增长率为5．70%。高、中、低覆盖草地，盐碱地及沼泽与湿地面积则有所减少，尤其低覆盖草地减少速度最快，年均递减率为2．95%。2000 -2010 年，城镇化建设与工业快速发展的同时，生态环境保护得到一定的关注。研究区土地利用变化速度趋于缓慢，年变化率为0．42%。沙地、耕地、沼泽与湿地有所减少，年递减率分别为2．66%、0．21%和0．11%。林地，高、中覆盖草地，城镇居民点与工矿用地，裸地及盐碱地面积有所增加，其中裸地面积增加速度最快，年增长率为7．05%;林地增加速度次之，增加率为3．40%;城镇与工矿用地面积增长也相对较快，增长率为1．98%。

2．3 土地利用程度分析

对元上都遗址区周边土地利用程度变化量及变化率进行分析(表4)，结果表明，1990 -2000 年间研究区土地利用程度变化率R ＜0，表明，土地利用变化是以农牧业用地为主。2000 -2010 年间土地利用程度变化率R ＞0，表明土地利用处于非农牧化调整时期，这主要与近年来研究区内城镇化发展及工矿建设有关。

3 元上都遗址周边土地利用变化驱动力分析

3．1 气候变化与地理因素是导致土地利用结构变化最基本因素

分析1959-2012 年元上都遗址周边气温与降水量变化(图2)，可以得出，元上都遗址周边年均气温和年均降水量分别呈逐渐增高和下降趋势，即暖干化。其中，2000-2010 年10 年的年均气温和降水量分别为3．2 ℃和341．9 mm，1990-2000 年10 年的年均气温和降水量分别为2．7 ℃和395 mm，前者较后者的年均气温升高0．5 ℃，年均降水量下降53．1 mm。

暖干化的气候变化趋势导致了草地退化、水域面积缩小，20 年内草地、水域向各地类转化面积分别为131．56 和8．01 km2。同时，农民在保证耕地利用的情况下，大量开采地下水进行灌溉，造成地下水减少，地下水位下降，加速了农牧交错地带草地不同程度的退化。因此，元上都遗址周边土地利用结构总体受气候暖干化影响。

沙地是元上都遗址周边土地利用变化速度最快的地类，变化率为3．23%，其面积变化与草地面积变化呈显著负相关关系(F= -0．99，P ＜0．05)。浑善达克沙地位于元上都遗址以北，其本身是环境变化的敏感区和生态脆弱区，在气候变化与人类活动的驱动下，20 世纪80 年代中期至90 年代末其荒漠化发展迅速，21 世纪以来开始发生逆转，荒漠化逐渐得到遏制［25］。作为元上都遗址北面最大的地貌类型，浑善达克沙地的变化动态影响和威胁着元上都遗址及周边的土地利用。

图1 1990、2000 和2010 年元上都遗址周边土地利用现状Fig．1 Land use of the area around Xanadu site in 1990、2000 and 2010

表2 1990 －2010 年元上都遗址周边土地利用数量变化Table 2 Land use area change in the area around Xanadu site during 1990 －2010

表3 1990 －2010 年元上都遗址周边土地利用动态变化Table 3 Land use dynamic change in the area around Xanadu site during 1990 －2010 %

表4 元上都遗址周边土地利用程度变化量与变化率Table 4 Quantity and rates of land use degree in the area around Xanadu site

图2 1959 －2012 年元上都遗址周边气温和降水量Fig．2 The temperature and precipitation of the surrounding aeras of Xanadu site during 1959 －2012

3．2 制度因素是导致土地利用变化的主要因素

制度政策在驱动区域土地利用变化中发挥着重要作用［22］。元上都遗址周边乡镇、苏木在20 世纪90 年代开始响应自治区农牧业发展的总目标［19］，大面积的垦草种粮和饲养牲畜。1990 -2000 年耕地总面积达到663． 49 km2，占研究区总面积的16．53%。耕地的增加主要由草地、沼泽与湿地转化而来。以元上都遗址所在地五一种畜场为例，其载畜量在1980 ―1995 年呈逐渐上升趋势，并在1995年达最大值，为43 329 头(图3)。载畜量的增加需要大量的草地，部分贫瘠的耕地被迫转为草地或饲料地，同时，载畜量也增大了草地的压力，导致草地不同程度的遭到破坏，使较高覆盖草地向较低覆盖草地，甚至沙地和裸地转化。由于对大自然的过度索取，再加上土地的不合理利用导致生态环境恶化。2000 年国家开始实施退耕还林(草)、京津风沙源治理等一系列生态建设工程，耕地和沙地面积开始减少;林地、草地面积增加。同期，为加快城镇化建设，引进开发建设项目，研究区内先后建成了发电厂、水泥加工厂等大型企业，并在2008 年完成了旅游环线建设。以五一种畜场为例，城镇化的发展为当地居民提供了更多的就业岗位，扭转了人口流失的局面，在2000 年以后，人口数量不断增加(图4)。城镇与工矿企业的发展使得建设用地不断增加，驱动了耕地、草地等向城镇工矿用地转化。1999 年为进行元上都遗址保护和修复工作，将遗址内五一种畜场原四分场103 户职工进行搬迁，部分耕地、草地被征为城镇建设用地。

图3 五一种畜场牲畜数量Fig．3 Wuyi breeding stock farm’s livestock amount

图4 五一种畜场总人口数Fig．4 Wuyi breeding stock farm’s total population

3．3 经济与技术因素是导致土地利用变化的关键因素

元上都遗址周边乡镇、苏木在响应国家致富奔小康的政策制度下，大力发展农牧业，不断的追求经济的发展。然而，粗放的放牧管理，落后的耕作制度，导致草畜失衡、水资源枯竭，从而导致草地退化、耕地沙化。20 世纪90 年代开始设施农业和规模化种植，科学经营饲草料基地，降低畜牧业成本，提高经营效益。以五一种畜场为例，2007 年种植经济作物面积占耕地总面积的98．1%，主要以马铃薯(Solanum tuberosum)为主。2012 年以来共建立大型喷灌设施52 套，小机电井247 眼，灌溉面积达90%，极大地促进了农牧业发展。科学技术推动了经济发展的同时，使单位面积耕地、草地的产出增大，减缓了土地利用类型的转变。同时，科学的耕作制度与合理的放牧管理，也降低了耕地沙化、草地退化的风险。经济的发展离不开第二产业的发展，2007 年正蓝旗第二产业增速为59%，生产总值占总产值的77．6%。第二产业的发展，如采矿业，严重影响着土地类型的转变，对遗址周边生态环境造成了一定的威胁。自元上都开始申请世界文化遗产以来，带动周边旅游景点及服务设施建设，如元上都遗址博物馆、旅游环线公路等，当地旅游业的发展十分迅速，年均接待旅客7．5 万人次，2012 年申遗成功，当年接待旅客9．1 万人次，比上一年增加了2．1 万人次(图5)。元上都申遗的成功必然会带动当地旅游业长远的发展。旅游业配套设施建设用地的不断增加，致使大面积草地、耕地被占用。然而，不合理的管理制度以及游客的不良行为，又增加了遗址内外草地生态环境破坏的风险。因此，旅游业的发展将成为研究区土地利用结构变化的重要驱动力。

图5 元上都遗址旅游人数Fig．5 The tourist number of Xanadu site

4 讨论与结论

元上都遗址周边土地利用结构是该区一定时期的自然生物因素、制度因素、经济与技术因素共同作用的结果［17］。在全球气候变化的背景下，草原气候变化是对其局部的响应。气候暖干化导致了草地的退化和沙地面积的增加，是影响该区域土地利用结构的最基本要素，控制着土地利用变化的基本趋势与过程。北缘沙地的扩展与蔓延也是导致土地利用结构变化的主要原因。退耕还林还草、城镇化建设等制度因素发挥着巨大的驱动作用，宏观调控着人类对土地的主要开发类型，使各种土地类型之间相互转变。农牧业、工业的发展等经济建设，以及先进技术的引进，决定着土地利用方式与程度的变化，它们通过供给和需求形成研究区的土地利用格局。元上都遗址被列入世界文化遗产后，带动了该区旅游业的迅猛发展，将会成为其重要的经济产业，相关的设施建设将成为研究区土地利用类型变化的重要驱动力。滥砍乱伐、过度放牧等人类活动贯穿于自然、制度、经济与技术因素，如不进行有效管理和控制，也会导致土地利用结构的变化。元上都遗址周边土地利用类型的变化是其生态环境变化的潜在危机，如不进行合理规划和管理，将会造成生态文明的丧失。

研究区始终以草地、耕地为主，沙地及其他土地类型镶嵌分布。但是，20 年间草地总体呈减少趋势，所占比例减少6．28%;耕地与沙地总体呈增加趋势，所占比例分别增加1．92%和3．33%。土地利用类型变化速度较快，具有明显波动性。1990 ―2000 年土地综合动态度为0．92%，2000 ―2010 年为0．42%。其中，沙地变化速度最为迅速，年均变化速度达3．23%。土地利用程度逐渐增大，由农牧业转变为非农牧业。气候暖干化、北缘沙地的扩展与蔓延、退耕还林还草、城镇化建设、农牧业、工业与旅游业的发展、滥砍乱伐、过度放牧等因素相互作用，共同影响着元上都周边土地利用的变化。

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