近20年东乌珠穆沁旗土地利用变化特征及驱动力分析

2022-05-10刘吉德郭建英包雪源杨振奇刘艳萍

绿色科技 2022年7期

刘吉德，郭建英，包雪源，杨振奇，刘艳萍

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古呼和浩特 010020；3.内蒙古自治区林业和草原工作总站，内蒙古呼和浩特 010018)

1 引言

土地资源是人类赖以生存与发展的物质基础[1]，土地利用的方式反映了人类活动与自然环境之间的复杂关系，是全球环境变化的热点领域之一。在我国经济快速发展，人类活动加剧的背景下，科学而又高效地利用土地资源尤为重要。通过分析不同土地类型的时空变化，反映出人类对环境及资源等方面的影响。1995年，国际地学计划(IGCP)和全球变化人文计划(IHDP)一同提出的“土地利用/覆被变化科学”研究计划指出了LUCC研究重点，推动了LUCC研究在全球范围的发展[2]。土地利用变化机制的重点是驱动力研究[3,4]。近年来，国内外的专家学者在土地利用变化及其驱动力因素的方向上，取得了不俗的成就。美国克拉克大学Alkwaid等[5]于2012年提出了通过深入挖掘转移矩阵所蕴含的信息来系统性定量研究土地利用变化的新方法-强度分析法(Intensity Analysis)[6]。李帆等[7]采用景观指数、地形位指数及分布指数等方法分析草原露天煤矿区在不同地形、坡度下的土地利用景观格局，王治良等[8]采用信息熵分析了呼伦贝尔草原区土地利用结构的时空演变规律，Gbint[9]用回归模型分析了影响农业土地利用变化的驱动力；金海珍[10]、赵晨光[11]、常帅[12]等采用回归分析方法分析区域土地利用变化及驱动因素的关系。

内蒙古草原不仅是我国最大的天然牧场和畜牧业生产基地，也是我国重要的能源基地。多年来，在煤炭资源开发、利用、加工过程中，在支撑内蒙古自治区经济和社会发展的同时，也导致资源开采区草原景观破碎化、土壤和植被退化、生物多样性锐减、水土流失、地质灾害加剧等一系列生态问题。以内蒙古自治区东乌珠穆沁旗为例，该旗县土地利用类型以草地为主，畜牧业为该旗县主要产业，但是，降水时空分布不均，自身稳定性较差，抗干扰能力低。2000年东乌珠穆沁旗GDP为71631万元，农牧民收入为5138元，2005年后煤矿大规模开采后GDP达到了243967万元，农牧民人均收入为7084元，截至2020年GDP达到了908932万元，农牧民人均收入为32616元。在矿区开垦前后，部分地区草场退化严重，河湖湿地萎缩。然而目前，国内对于东乌珠穆沁旗土地利用变化研究没有说明变化的驱动机制，缺乏整体性。本研究以东乌珠穆沁旗为研究区，采用土地利用动态度、土地利用转移矩阵、土地利用程度三种方法分析2000～2020年土地利用时空特征变化，运用主成分分析法分析土地利用变化的驱动力因素，为东乌珠穆沁旗优化土地利用方式，合理开发土地资源提供科学数据支撑。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

东乌珠穆沁旗地理坐标北纬45°41′～46°10′，东经115°10′～120°07′，处于自治区东北部。南北最宽149 km，东西长达335 km[13]。全旗土地总面积47554 km2，行政区划由6个镇，2个苏木组成分别为满都呼宝拉格镇、巴音胡硕镇、乌里雅斯太镇、额吉淖尔镇、嘎达布其镇、道特淖尔镇，萨麦苏木、呼热图淖尔苏木。

东乌珠穆沁旗共有矿床44处，铅、锌、银矿床15处，铜、铅、锌矿床18处，钼、银矿床1处，银、金矿床7处，多金属矿床1处，钨矿床2处，铜、金、钨矿床主要分布在研究区西部；中部主要为银、铅、锌、金、钼、铁、铜矿床，乌兰陶勒盖—查干敖包一带是金属矿床分布的密集区；东北部朝不楞-阿尔哈达一带，代表性矿床主要是朝不楞铁多金属矿床和阿尔哈达铅锌银矿床[14]。2020年，全旗总人口81577人，其中城镇人口50194人，农村牧区人口31384人，是一个以蒙古族为多数的边疆多民族聚集区[15]。

2.2 数据来源及处理

东乌珠穆沁旗土地利用数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn),数据集以研究区2000年、2005年、2010年、2015年、2020年Landsat-5 TM影像和Landsat-8 OLI影像为数据源，且均选用7～9月份植被长势较好，云量低于10%的影像。借助ENVI5.3对影像进行正射校正、辐射定标、大气校正和图像融合的预处理，再通过非监督分类划分地类。借助Arcgis10.7对划分好的影像进行重分类，参考国土资源部颁发的《土地利用现状分类》(GB-T21010-2017)结合研究区实地情况并参考邓信翠，陈洋波[16]的地类划分将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、城乡建设用地、工矿仓储用地和未利用地共7类。为了避免解译时主观因素的影响，可以通过Google Earth软件以及实地观测的方法进行复核。东乌珠穆沁旗社会经济数据来源于2000～2020年东乌珠穆沁旗统计年鉴，气象数据来源于2000～2020年中国气象数据网(http://data.cma.cn)以及东乌珠穆沁旗周边气象站点。本研究运用东乌珠穆沁旗的统计年鉴和气象数据将总人口(X1)、地区生产总值(X2)、人均地区生产总值(X3)、第一产业生产总值(X4)、第二产业生产总值(X5)、第三产业生产总值(X6)、工业总产值(X7)、农作物播种面积(X8)、社会消费品零售总额(X9)、年平均降水量(X10)、年平均气温(X11)这11类指标进行驱动力因素分析。

2.3 研究方法

2.3.1 土地利用类型动态度

土地利用动态度可以体现出东乌珠穆沁旗近20年各土地利用类型的动态变化情况，可定量描述其变化的速度，揭示土地利用结构在时间上的变化。其公式为：

(1)

式(1)中，K表示研究区某一土地利用类型的动态度，Ua为研究期初期某一土地利用类型的面积，Ub为研究期末期某一土地利用类型的面积，t为研究期时间。

2.3.2 土地利用变化程度

土地利用程度反映了人类对土地资源的开发程度，是衡量未来土地可持续利用的起点。本文参考刘纪元[17]的研究方法，将土地利用分为4级(表1)，级数越高表示土地利用受人类活动影响越大并在此基础下计算土地利用程度综合指数、土地利用程度变化量和变化率。

表1 土地利用程度赋值

土地利用程度综合指数计算公式：

(2)

土地利用程度变化量计算公式：

(3)

土地利用程度变化率计算公式：

(4)

式(2)～式(4)中：Lj为土地利用程度综合指数；Ai为第i级土地类型分级指数；Ci为第i级土地面积占比(%)；n为土地利用程度分级数；ΔLb-a为土地利用程度变化量；R为土地利用程度变化率；La、Lb为分别为年度a、b所对应的土地利用程度综合指数。若结果为ΔLb-a>0，或R>0，表示该时期研究区土地利用处在发展阶段，反之则处于衰退期[18]。

2.3.3 土地利用类型转入/转出贡献率

土地利用类型转入/转出贡献率是在转移矩阵的基础上用于分析各土地利用类型在转入转出过程中空间格局与数量特征的变化[19]。

土地利用类型转入贡献率，计算公式如下：

(5)

式(5)中：Lij为某一时间段内j类土地利用类型向i类土地利用类型转移的面积；S为某一时期土地利用类型产生转入的总面积；n为土地利用类型的数量。

土地利用类型转出贡献率，计算公式如下：

(6)

式(6)中：Loj为转出贡献率，Sji为某一时间段内j类土地利用类型向i类土地利用类型转移的面积；S为某一时期土地利用类型产生转入的总面积；n为土地利用类型的数量。

2.3.4 土地利用变化驱动力分析

大量研究显示，在北方草原地区影响土地利用变化的驱动因素主要有自然环境因素和社会经济因素两大驱动因素。为了找出致使土地利用随时间变化的驱动力因素，选取各种可能影响土地利用变化的因素进行分析，借助SPSS 26.0运用主成分分析方法，确定主要的影响因素及指标。主成分分析法基本思路是降维，将驱动力因子中的冗余信息剔除，用较少的指标代替并表达出原来较多的信息[20]。本研究运用主成分分析法对东乌珠穆沁旗土地利用变化驱动力因素进行分析。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构变化分析

2000～2020年东乌珠穆沁旗土地类型以草地为主，占研究区总面积85%以上，工矿仓储用地占比最小，仅有0.05%。2000～2020年土地利用结构变化表现为耕地、未利用地、建设用地和工矿仓储用地逐年增加，其中未利用地2015年后变化平缓，2000～2015年林地、草地面积持续减少，在2015～2020年有所回升。东乌珠穆沁旗耕地面积在2000～2020年期间的增加了20.19%。林地面积在2000～2015年期间减少了2.98%，2015～2020年期间回升了14.83%。草地面积在2000～2015年期间减少了5.22%，2015～2020年期间回升了0.83%。建设用地面积在2000～2020年期间增加了98.12%。未利用地面积在2000～2015年期间增加了42.83%，2015～2020年几乎没有变化。工矿仓储用地在2000～2020年期间增加了763.14%。

基于东乌珠穆沁旗DEM高程数据绘制出2000～2020年各土地利用类型在不同海拔和年份占总面积的百分比，将研究区海拔分为5级，1级(758～883 m),2级(883～958 m),3级(958～1043 m)，4级(1043～1176 m),5级(1176～1482 m)，如图1～7所示。乌拉盖管理区总面积为5321.88 km2,2000～2020年期间耕地、林地、建设用地、未利用地、工矿仓储用地的面积分别增加了42.17%、51.78%、91.72%、51.73%、294.82，草地面积减少了19.19%。研究区耕地多处于海拔958～1043 m的地带，主要分布在乌拉盖河东南侧的河谷平原。林地多处于海拔在958～1482 m的地带，主要分布在东北部巴龙马格陆低山丘陵和部分靠近大兴安岭的山地。草地在各个海拔地段都有分布，在758～1043 m地带的低山丘陵分布较为广泛。建设用地、未利用地和工矿仓储用地基本处于758～958 m的地带。其中工矿仓储用地处于乌拉盖河两侧以及大兴安岭和内蒙古高原接壤地带，部分矿区处于色也勒钦河沿岸的低洼地带，例如贺斯格乌拉露天矿。

图1 耕地面积变化

图2 林地面积变化

图3 草地面积变化

图4 水域面积变化

图5 建设用地面积变化

图6 未利用地面积变化

图7 采矿仓储用地面积变化

如表2所示，2000～2020年研究区单一土地利用动态度来看，耕地、建设用地规模在持续扩大。林地在2010年后逐步回升。草地在2015年之前持续减少，之后有所缓和。水域只在2010～2015年期间稍有增加。未利用地在2015年之前持续增加，之后几乎没有变化。工矿仓储用地动态度最大，2000～2015年一直处于扩张的态势，2015～2020年略微降低。根据刘纪元前辈提出的土地利用动态特征划分标准,急剧变化型(21～24) 、快速变化型(13～20) 、缓慢变化型(4～12)和极缓慢变化型(0～3)[21]。东乌珠穆沁旗2000～2020年期间的土地利用动态度基本在(0～3)这个区间，研究区土地利用属于极缓慢变化型，任处于极低水平。从小范围来看，以东乌珠穆沁旗乌拉盖管理区为例，2000～2020年期间耕地、林地、建设用地、未利用地、工矿仓储用地动态度分别为0.021、0.024、0.044、0.025、0.1403，增加速度缓慢。草地在2000～2020年期间动态度为-0.0091。其中工矿仓储用地增加速度最快，2005～2010年期间出现很多煤矿，动态度达到0.1860。

3.3 土地利用程度分析

由表3可知，2000～2015年期间研究区土地利用程度综合指数从193.03降低至189.35，2015～2020年回升至189.69。2000～2015年这个时间段的土地利用程度变化率均小于0，这表明此时间段研究区土地利用程度未达到发展阶段，处于调整期。

表2 土地利用动态度

表3 土地利用程度综合指数、变化量和变化率

2015～2020年该时间段土地利用变化率大于0，此时间段研究区土地利用程度处于发展期阶段。从总体上看，东乌珠穆沁旗的土地利用程度都很低，即便在2015～2020年的发展阶段，变化率也仅有0.14%。从小范围来看，以东乌珠穆沁旗乌拉盖管理区为例，2000年土地利用程度综合指数为197.52,2020年土地利用程度综合指数为194.28。土地利用程度变化量为-3.24。土地利用程度变化率-0.02%。乌拉盖管理区处于调整期，造成这一结果，也是由于草地面积基数过大。

3.4 土地利用类型转移贡献率分析

由表4可知，转入贡献率最高的是草地，平均转入贡献率为54.77%，其次是未利用地，平均转入贡献率为29.29%。耕地和林地的转入贡献率较为接近分别为5.39%，6.14%。建设用地和工矿仓储用地的转入贡献率极少。转出贡献率最高的是草地，平均转出贡献率为42.04%，其次是未利用地，平均转出贡献率为35.75%。耕地和林地的转出贡献率分比为7.88%，5.25%。建设用地和工矿仓储用地的转出贡献率极少。

总体上看，草地和耕地在转移过程中最为活跃，耕地和林地转入转出过程较为平衡，建设用地和工矿仓储用地面积虽逐年增加，但转移过程中的变化微乎其微。从小范围上看，以乌拉盖管理区为例，2005～2020年耕地、草地、工矿仓储用地在转移过程中最为活跃，耕地转入率10.24%，转出率1.92%，草地转入率29.72%，转出率为41.52%，工矿仓储用地转入率为1.10%，转出率为0.06%。相比整个东乌珠穆沁旗，乌拉盖管理区转入转出的变化还是比较明显的。

表4 土地利用转移贡献 %

3.5 土地利用驱动力分析

3.5.1 主成分分析

通过SPSS软件对11个因子进行分析得到初始特征值、各主成分的贡献率与累计贡献率。由表5可知，总计大于1的主成分有两个，累计特征值为94.933%，说明这两个主成分对以上11个因子的解释能力为94.933%。

表5 总方差解释

由图8可知，当提取1、2成分时特征值变化明显，再提取之后的成分时，特征值变化趋于平缓，所以，这两个成分基本能代表原变量中所有方差。

图8 碎石图

由表6可得，第一主成分与X8(农作物播种面积)、X2(地区生产总值)、X10(年平均降水量)、X1(总人口)、X6(第三产业生产总值)、X4(第一产业生产总值)、X9(社会消费品零售总额)有明显正相关，第二主成分与X11(年平均气温)有明显正相关。

根据两个主成分系数得到的线性组合分别为：

y1=0.327x1+0.336x2+0.248x3+0.322x4

+0.308x5+0.324x6+0.295x7+0.342x8

+0.314x9+0.334x10+0.010x11

(7)

y2=0.146x1+0.093x2+0.411x3+0.237x4

+0.174x5-0.231x6+0.330x7-0.068x8

-0.281x9+0.057x10+0.682x11

(8)

表6 主成分载荷矩阵

由式(7)、(8)可知，在主成分中y1，X8(农作物播种面积)、X2(地区生产总值)、X10(年平均降水量)、X1(总人口)、X6(第三产业生产总值)、X4(第一产业生产总值)、X9(社会消费品零售总额)系数的绝对值大于其他系数的绝对值，说明主成分y1是这7个指标的综合反映。在主成分y2中，X11(年平均气温)、人均地区生产总值(X3)、工业总产值(X7)系数的绝对值大于其他系数的绝对值，说明主成分y2是这3个指标的综合反映。

根据各主成分方差贡献率占总方差贡献率的比率为权重，计算得到2000～2020年东乌珠穆沁旗土地利用变化驱动力总得分：

y=0.7663y1+0.1831y2

(9)

式(9)中：y1、y2分别为第1、2主成分的表达式。从主成分得分和综合得分来看(9)，在2000～2015年东乌珠穆沁旗土地利用变化驱动力第一主成分得分逐年增加，2015年之后增加速度减慢。在2000～2015年期间X8(农作物播种面积)、X2(地区生产总值)、X10(年平均降水量)、X1(总人口)、X6(第三产业生产总值)、X4(第一产业生产总值)、X9(社会消费品零售总额)分别增加了20.19%、90.13%、25.75%、23.54%、1648.97%、433.39%、764.85%，在2015～2020年期间，X8(农作物播种面积)、X1(总人口)、X6(第三产业生产总值)、X4(第一产业生产总值)、X9(社会消费品零售总额)分别增加了12.40%、0.52%、16.87%、11.94%、28.35%，X2(地区生产总值)、X10(年平均降水量)分别减少了33.26%、7.18%。第二主成分得分在2000～2005年以及2015～2020年期间减少，2005～2015年期间增加，在2000～2005年人均地区生产总值(X3)、工业总产值(X7)分别增加了510.2%、397.17%，X11(年平均气温)下降了16.77%，2005～2015期间，X11(年平均气温)、人均地区生产总值(X3)、工业总产值(X7)分别增加了31.34%、128.97%、1243.03%，2015～2020年期间X11(年平均气温)、人均地区生产总值(X3)、工业总产值(X7)分别减少了39.77%、72.86%、68.07%。由此可以看出影响第一、第二主成分主要因素为X2(地区生产总值)、X10(年平均降水量)和X11(年平均气温)。

综上所述，将影响东乌珠穆沁旗土地利用变化驱动因素归纳为经济因素和气候因素。

年份

4 讨论与结论

4.1 讨论

通过对东乌珠穆沁旗土地利用变化分析可知，经济因素是土地利用方式改变的重要动力，气候因素是制约其土地利用方式的主导因素[22,23]。东乌珠穆沁旗土地利用变化小，处于极缓慢阶段。东乌珠穆沁旗草地持续减少，直至2015～2020年有所缓和，总体上还是趋于退化，这与部分学者的研究结果表现基本相近[24～26]。近20年间，东乌珠穆沁旗经济建设发展迅速，城市，交通，采矿用地等规模的扩大，致使草地面积减少，但主导因素还是气候，2015～2020年东乌珠穆沁旗平均降水量较往期要多，这也是该时间段草地退化速度减缓的原因。草地的常年退化，建设用地及工矿仓储用地的增加导致产业结构的变化，所以耕地的逐年增加是必然的，既弥补了草地退化带来的经济损失，又能满足城市、工矿增加后的粮食需求。

另外。政策因素在土地利用变化中也发挥了重要作用。东乌珠穆沁旗在2009年实施“工业强旗”战略，以工业经济先行突破带动旗域经济实力整体提升，工业增加值占全旗GDP比重达到60%，同比提高3.2%[27]。之后陆续实施了“六大基地”工程，着力建设草产业带，加快培育打草场，加快大中型储草基地等饲草储备基础设施建设。这也是2010～2015年东乌珠穆沁旗工矿仓储用地显著增加的根本原因。2018年，京津风沙源治理二期工程在东乌珠穆沁旗开展，迄今为止，在林草资源合理利用，全面实现草畜平衡，取得了重大进展，这也与2015～2020年草地转入面积增加的情况相吻合。