1973—2015年塔尔湖农业区土地利用/覆盖变化分析

叶梦旎 蔡茂堂 傅连珍 杨星辰 李成路 周维 刘超

摘要以河套农业区塔尔湖地区1973—2015年的5期遥感影像为主要数据源，应用分层提取和监督分类方法，获取了研究区土地利用/覆蓋信息，并对土地利用/覆盖动态进行了分析。结果表明，近42年来，塔尔湖地区土地利用/覆盖格局没有发生显著变化。耕地面积除在1987—1995年有所降低外，基本保持着每年0.4%的速率增长。城乡工矿居民用地面积呈逐年增加的趋势。未利用土地面积逐年减少，其中以沙地面积减少最多。土地盐碱化总面积在1973—2006年稳步降低，而在2006年后转为增长。塔尔湖地区土地利用/覆盖变化受控于自然和人为因素的双重作用。1973—2015年研究区在土壤盐碱化改良和沙漠化防治等方面取得良好的效果，但2006—2015年不合理的灌溉和耕地的过度利用使得土壤盐碱化程度增加。

关键词卫星遥感；土地利用/覆盖变化；盐碱化；塔尔湖

中图分类号F301.2文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）32-0194-06

Land Use/Cover Changes in Tarhu Agricultural Region from 1973 to 2015

YE Mengni1，CAI Maotang2*，FU Lianzhen3 et al（1.Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037；2.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081； 3.Chinese Academy of Land and Resource Economics，Beijing 101149）

AbstractBased on visual interpretation of remote sensing images in 1973，1984，1995，2006 and 2015，the land use/cover databases of Tarhu region was established.Then the process，trends of the land use / cover change and its driving forces were analyzed.The results showed that：The basic pattern of land use/cover of Tarhu region didn't change from 1973 to 2015.The area of farmland and woodland increased in 0.4% annual growth rate，except from 1987 to 1995.The urbanland area increased more rapidly，while the unused land （mainly sandy land） area and water area decreased since 2006.The soil salinization land area steadily reduced from 1973 to 2006，and then changed to increase since 2006.The land use/cover change of Tarhu region was a result of combination of natural and human factors.The soil salinization land improvement and prevention and control of desertification over during 1973-2015 have made good effect，while unreasonable irrigation and the excessive use of cultivated land during 2006-2015 increased land salinization.

Key wordsRemote sensing；Land use/cover change；Soil salinization；Tarhu

土地是地球系统中的重要组成部分，也是农业经济建设中不可分割的部分，随着社会经济的发展，人们对于土地的需求量不断增加。人类-环境交互作用改变了原来的土地覆盖，直接影响着生物圈-大气圈交互作用、生物地球化学循环以及资源环境的可持续利用[1-4]。因此，土地利用/覆盖变化已成为当前各国学术界的研究热点[5-7]。对土地利用/覆盖的变化过程及驱动机制研究，可以揭示出土地利用/覆盖对人类活动和自然因素的响应，并为土地利用/覆盖变化及其相关领域的研究提供基础信息。许多学者已利用遥感与地理信息系统对不同区域的土地利用变化进行了大量研究[8-13]。

资源短缺与生态环境恶化的矛盾日益突出，合理利用盐碱地成为改良耕地质量与提升粮食产量的核心問题之一。塔尔湖地区位于内蒙古河套农业灌区，是我国主要产粮地区之一，也是我国典型的盐碱化和沙化土壤地区。土壤盐碱化和沙化不但造成了土地资源短缺和生态环境恶化，还对该地区的农业发展造成巨大损失[14-15]。因此，开展塔尔湖地区土壤盐碱化和沙化研究，了解塔尔湖农业区土壤盐碱化变化特征及其形成机制，对于合理开发利用土地资源，控制盐碱化和沙化的发生、发展具有重要意义。

笔者选取塔尔湖地区1973、1987、1995、2006和2015年5个时期的遥感影像数据，同时根据现场勘察验证，采用人机交互图像处理方法，获取了塔尔湖地区5个时期土地利用/覆盖现状及土地利用/覆盖类型的动态变化特征。并且从土地利用程度、变化速度等方面分析了42年来该地区土地利用/覆盖变化规律及其可能的自然与人为影响因素。

1数据来源与研究方法

1.1研究区概况 河套平原位于内蒙古西南部，属黄河冲积平原，地面开阔平坦。塔尔湖镇在河套平原中北部，北部为色尔腾山，南部为黄河（图1）。河套农业区东西长250 km，南北宽约50 km ，海拔1 040 m 左右，总面积16 043 km2，地表出露第四系河湖相

交替冲积层，土壤以粉质黏土、黏土为主。加之该地区丰富的黄河地表水资源，为该地区农业发展提供了有力的条件，是内蒙古西部农业经济发展的主要区域。研究区位于东亚季风边缘，属大陆性干旱半干旱气候，多年平均气温 7.1 ℃，多年平均降雨量 140 mm左右，多年平均蒸发量大于2 000 mm，植被类型植被以隐域性的草甸为主，地带性植被为草原化荒漠和荒漠。受灌溉渗漏影响，灌区地下水埋深较浅，年平均地下水埋深为 1.5 m左右。由于本区降水少，蒸发量大，加上地下水埋深浅，使得本地区成为我国土壤盐碱化和沙化发育的典型地区[16]。

1.2数据来源主要采用1973年MSS，1987、1995、2006年Landsat TM，2015年Landsat ETM+和2015年SPOT6时相的遥感影像。

1.3研究方法參照《土地利用现状分类》国家标准[17]，并结合研究区的土地利用特点，把研究区的土地利用/覆盖类型划分为4个一级类型和8个二级类型（表1）。一级类型包括耕地、水体、城乡居民点及工矿用地和未利用土地。

前期遥感图像处理主要在ENVI 4.8上进行，并选用ArcGIS 10.0作为遥感数字化解译平台。首先统一了坐标系和投影参数，运用ArcGIS对影像进行大气校正和几何校正，镶嵌并裁剪得到研究区的遥感影像数据。对研究区影像进行图像处理，包括彩色合成、线性增强、饱和度拉伸、主成分变换等；对图像处理结果影像进行计算机监督分类（神经网络分类）信息提取。结合初步解译过程，建立遥感解译标志，以彩色的SPOT6影像为主，辅之以黑白DOM数据、ETM+、TM影像，在ArcGIS 10.0软件中建库，进行遥感目视解译，然后根据野外验证结果反复修改解译图件，得到对应年份的土地利用/覆盖矢量图。经分类精度检验得到各地类的Kappa系数均超过0.80，表明解译结果能满足研究需要。

2结果与分析

2.12015年塔尔湖地区土地利用/覆盖现状

总体上看，2015年塔尔湖地区的土地利用/覆盖格局以耕地为主，占总面积的77.70%，达到278.43 km2。其中优良耕地面积为138.39 km2，占到总面积的38.62%，轻度盐碱地次之，面积达122.77 km2，占总面积的34.26%。研究区未利用土地达53.79 km2，占土地总面积的15.01%。其中以沙地面积最大，为36.30 km2，占总面积的10.13%；其次为重度盐碱地，面积为15.91 km2，占总面积的4.44%。城乡居民点及工矿用地和水体所占比重较小。从耕地、城乡工矿居民用地和未利用土地的比重看，研究区是以耕地为主的农业区，其中盐碱化土地比重较高（表2和图2）。

2.2土地利用/覆盖变化时间序列

通过遥感解译得出各

从表3可以看出，1973—2015年塔尔湖地区的土地利用/覆盖总体格局未发生明显的变化，都是以耕地為主，其次为未利用土地。盐碱地中以轻度盐碱地为主，未利用土地中主要为沙地。1973年塔尔湖地区耕地占总面积的比例为69.90%，未利用土地占24.20%，水体和城乡居民及工矿用地分别占3.12%和2.78%。此外，盐碱地面积总占53.59%，其中轻度和中度盐碱地分别占31.64%和20.12%，重度盐碱地占1.83%。沙地占总面积的21.59%。经过14年的时间，到1987年塔尔湖地区耕地面积增加到73.42%，未利用土地和水体面积分别下降到20.23%和2.78%，城乡居民点及工矿用地面积也有所上升到3.57%。盐碱地总面积明显下降到44.89%，其中中度盐碱地下降最明显为12.61%，轻度和重度盐碱地分别下降到30.8%和1.48%；沙地面积也减少到18.07%。到1995年，塔尔湖地区耕地面积和未利用土地都略微减少，分别为71.41%和19.80%，水体和城乡居民及工矿用地面积明显增加，分别为4.43%和4.36%。盐碱地总面积进一步下降到39.53%，其中轻度盐碱地明显下降为26.35%，中度盐碱地也有所下降到11.36%，而重度盐碱地有所增加为1.82%；沙地面积进一步减少为16.92%。再经过11年的时间，到2006年塔尔湖地区耕地和城乡居民及工矿用地面积分别明显上升到75.28%和4.81%，而未利用土地面积持续下降到18.02%，水体面积也明显降低到1.89%。盐碱地总面积持续下降到37.68%，其中中度盐碱地明显下降为5.41%，而轻度和重度盐碱地分别上升到29.34%和2.93%；沙地面积进一步减少为14.65%。2015年塔尔湖地区耕地和城乡居民及工矿用地面积分别进一步增加为77.70%和5.67%，而未利用土地面积明显下降到15.01%，水体面积略微下降到1.62%。盐碱地总面积有所上升到43.52%，其中轻度和重度盐碱地分别上升到34.26%和4.44%，中度盐碱地下降到4.82%。总体来说，从1973—2015年，塔尔湖地区耕地面积（除去1995年略微减少外）和城乡居民及工矿用地面积呈逐步增加的趋势。而未利用土地面积和水体面积（除去1995年稍微增加外）呈逐步减少的趋势（图3）。

2.3土地利用/覆盖变化速率分析

通过引入土地利用/覆盖面积变化率来反映研究区土地利用/覆盖变化时间序列特征。土地利用/覆盖面积变化率（AVR）是指研究区内土地利用/覆盖类型在单位时间内的变化，是时间的函数，能够很

由表4可知，1973—1987 年，耕地和城乡工矿居民用地面积增加，分别增加了 12.61和 2.83 km2，城乡工矿居民用地的面积变化率较大，为2.03%。耕地增加速度较慢，在 0.36%左右。未利用土地和水体面积减少，减少速率分别为1.18%和0.79%。这一阶段城乡工矿居民用地面积增加迅速，表明人类活动加强。而未利用土地中的沙地以每年1.16%明显减少，减小面积为12.61 km2，因此耕地面积的增加主要是人类活动对未利用土地（主要为沙地）的开发利用。这一阶段盐碱地总面积呈减小趋势，以每年1.16%的速度减小。盐碱地减少面积为31.18 km2，轻度、中度和重度盐碱地面积都减少，其中中度盐碱地面积减少速率较大为 2.67%，减小面积为 26.91 km2。

1987—1995 年，水体面积增加速度强度最大，面积增加 5.93 km2，增加速率为 7.44%，其次为城乡工矿居民用地的面积呈持续增加，在 8年时间里，面积整体增加了 2.83km2，增加速率为 2.77%，增速较上一时间段显著提高。耕地面积减少7.20 km2，减少速率为0.34%，未利用土地面积也持续减少，减少面积1.56km2，减少速率为0.27%，较上一时间段放慢。这一阶段乡工矿居民用地面积持续迅速增加，表明人类活动持续增强，未利用土地面积减少也证明了这一点。而同时耕地却有所减少，主要是由水体面积迅速增加造成的。这一阶段盐碱地总面积持续减小，减小速率接近 1.5%，减小面积为 19.21km2，其中轻度和中度盐碱地面积减少速率分别为1.81%和1.24%，而重度盐碱地面积却增加1.22 km2，增加速率为2.87%。

1995—2006 年，耕地面积由减变增，增加了 13.86 km2，增速较大，为0.49%，城乡工矿居民用地的面积进一步增加1.61 km2，变化率为0.94%，增速较上一时间段放慢。水体面积显著减少9.11 km2，減少速率为 5.21%。未利用土地面积进一步减少6.37 km2，减少速率为0.82%，较上一时间段减少更快。总之，这一阶段城乡居民点及工矿用地面积增加，表明人类活动进一步增强，但增速有所放缓。水体面积减少和对未利用土地进一步开发，使得该阶段耕地面积显著增加。这一阶段总盐碱地面积进一步减少面积6.63 km2，减少速率为0.43%。盐碱地中中度盐碱地面积显著减少21.32 km2，减少速率为 4.76%，较上一阶段显著提高。重度盐碱地面积增加3.98 km2，增速明显提高为5.54%；轻度盐碱地面积由前2个阶段的减少开始变为增加，增加面积10.71 km2，增速为1.03%。

2006—2015 年，耕地面积持续增加8.67 km2，增速为0.36%，城乡工矿居民用地面积也持续增加3.09 km2，变化率为1.99%，增速较上一阶段显著上升。水体面积略微减少0.97 km2，减少速率为1.59%。未利用土地面积显著减少10.78 km2，减少速率为1.85%，较上一时间段减少更快。总之，这一阶段乡工矿居民用地面积增速明显，表明人类活动显著增强。该阶段耕地面积的增加，主要是人类活动增强对未利用土地的大力开发开发。总盐碱地面积由此前的减少转为显著增加，增加面积20.93 km2，增加速率为1.72%。其中主要为轻度盐碱地面积显著增加17.63 km2，增速为1.86%；重度盐碱地面积也增加5.41 km2，增速提高为5.73%；中度盐碱地面积持续减少，减少面积2.11 km2，减少速率为1.21%。

总体来说，塔尔湖地区耕地除在1987—1995年有所降低外，基本保持在0.4%的年速率增长。城乡居民点及工矿用地面积呈逐年增加的趋势，其中1987—1995年增速最快。未利用土地面积逐年减少，其中沙地面积减少最多，并在2006—2015 年减少速率最大。塔尔湖地区土地盐碱化总面积在1973—2006年穩步降低，而在2006—2015年迅速转为增长，其主要是由于近9年来轻度盐碱化土地面积迅速增加造成的。轻度盐碱化土地面积由前22年的逐步减少转为从1995年开始增加，2006—2015年变化速率最快；中度盐碱地一直稳步减少，在1995—2006年间减少速率最大；重度盐碱化土地面积从1987年来不断增加，2006—2015年其扩张速度最快（图4）。

2.4土地利用/覆盖变化和盐碱化驱动力分析

土地利用/覆盖变化是自然与人类活动双重驱动因素综合作用的结果，自然因素（气候、土壤、水文等）是影响土地利用结构的基本要素，而人类活动（开垦、灌溉等）在短时间尺度内的强烈程度与合理度对土地利用结构将也会产生显著影响[20-21]。塔尔湖地区为农业区，其耕地的变化对人们生活有着较大的影响。1973—2015年塔尔湖地区耕地的增长，主要由人类活动增强对未利用土地的开发利用。而1987—1995年耕地的下降是由于自然环境因素中降雨的增多，使得水域面积增大，占据了一部分耕地。对未利用土地的开发主要是沙地，沙地面积近42年来不断减少，其中在1987—1995和2006—2015年这2个十年左右时间内减少显著，而2006—2015年降幅最为明显（图4）。1987—1995年沙地减少主要是由人类活动开发为耕地，而2006—2015年减少的沙地大多数开发成为了居民地村庄和工矿用地（表4）。水体面积总体上也是逐年减少，其主要是由于近42年来降雨量逐渐减少，加上人类对水源的过度利用开发，而1987—1995年水体面积的增加主要是由于1995年当年降水量增加造成的（图4）。

土地盐碱化程度与自然环境因素和人类对土地的耕作方式有着直接的关系[22-23]。通过将

1973—2015年

塔尔湖地区气象、水文多个因素序列（数据来自中国气象局）与盐碱地面积和变化速率序列进行对比分析，得出影响盐碱地变化的可能因素（图4）。自然因素方面，塔尔湖地区主要土壤主要为古河道相砂质沉积，这种土质粒度颗粒较粗，孔隙度和渗透率高，当地下水位埋藏较浅时，盐类物质更容易通过土壤毛细管运移到地表，通过蒸发析出、凝结并覆于地表形成盐碱土[16]。气候方面，通过对比发现，土壤总盐碱化比例与当年的相对湿度和当年降水量呈明显的正相关关系（图4）。这可能是降水增加造成地下水水位抬升，使得溶解于地下水中的土壤盐分运移到表层，而较高的湿度表明蒸发强烈，因此，使得更多的盐碱在表层土中析出，从而造成盐碱化程度加重。人为因素方面，人类活动尤其是农村土地耕作方式，与土地盐碱化关系密切，一方面，人类不合理的灌溉排水方式，导致地下水水位抬升，盐分易随地下水运动向地表聚积，加之蒸发强烈，加重土地盐碱化，这从研究区重度盐碱化土地与黄河引水渠空间分布关系可以看出[24]。另一方面人工固沙和盐碱滩、荒漠的开发治理在一定程度上改善了土地状况，减轻了盐碱程度。节水改造措施的实施，使得研究区土壤剖面盐分类型向均布型发展，且整体上土壤盐分有所降低[25]。

3结论

利用遥感手段和数理统计方法对比分析了塔尔湖农业区1973—2015年的5期遥感解译结果，并对土地利用/覆盖变化的驱动力进行了探讨，得出以下结论。

（1）42年来塔尔湖地区的土地利用/覆盖格局未发生显著的变化。土地类型以耕地为主，占总面积的近70%以上；其次为未利用土地，主要为沙地；盐碱地面积占40%以上，其中以轻度盐碱地为主。

（2）42年来塔尔湖地区耕地除在1987—1995年略微降低外，基本保持着0.4%的年速率增长；城乡工矿居民用地面积呈逐年增加的趋势，其中1987—1995年增速最快；未利用土地面积逐年减少，其中沙地面积减少最多，并在2006—2015 年减少速率最大；水体面积除在1995稍微增加外，也呈逐步减少的趋势。

（3）1973—2006年塔尔湖地区土地盐碱化总面积稳步降低，而在2006以后转为增长。轻度盐碱化土地面积从1995年开始由之前逐步减少转为增加，2006—2015年变化速率最快；中度盐碱地一直稳步减少，在1995—2006年减少速率最大；重度盐碱化土地面积1987年来不断增加，2006—2015年扩张速度最快。

（4）塔尔湖地区土地利用/覆盖变化受到自然和人为因素的双重作用，1973—2015年研究区在土壤盐碱化土地改良和沙漠化防治等方面取得良好的效果，但2006—2015年不合理灌溉和耕地的过度利用使得土地盐碱化程度增加。

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