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乌审旗土地利用时空动态演变分析

2022-06-09韩雪莹白翠霞

西北林学院学报 2022年3期
关键词:沙地土地利用草地

张 雨,杨 光*,韩雪莹,刘 峰,白翠霞

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院,内蒙古 呼和浩特 010018;2.武汉市水务科学研究院,湖北 武汉 432100)

我国北方沙漠化分布极广,严重危害的生态环境和经济发展[1-2]。作为我国四大沙地之一的毛乌素沙地,古代时期植被茂密,人类不合理利用和自然环境变化,导致土地利用发生改变,生态环境一再恶化,沙地面积持续扩大[3-4]。

土地利用变化是指由于人为因素和自然因素的影响,土地的利用和管理方式发生改变,致使土地覆被发生改变[5],在全球环境变化与可持续发展研究中作为核心内容之一[6-7]。

20世纪50年代以来,我国采取了大规模的防沙治沙工程[1],遥感技术可以快速、有效地研究土地利用时空变化[8]。众多学者通过遥感技术对毛乌素沙地进行了各种研究:例如,刘淑琴等[9]运用土地利用结构指标与生态环境质量指标定量分析毛乌素沙地盐池县土地利用变化格局与生态环境质量;金海峰等[10]利用沙漠化指数的多元逐步回归分析总结沙漠化时空进程及其沙漠化趋势的主要驱动因素;刘娟等[11]将3S技术和景观指数相结合,研究毛乌素沙地土地利用动态过程与景观格局变化;贾光普等[12]对毛乌素沙地动态变化以及空间自相关进行分析,得出近30 a沙化土地时空动态过程及分布情况;刘峰等[13]通过空间自相关分析了奈曼旗土地利用类型时空演变特征。前人虽然对毛乌素沙地进行了多方位、多角度的研究,但是缺少研究长时间序列演变关系以及关于盐碱地并没有详细的划分,只能片面分析土地利用的时空变化。

乌审旗地处毛乌素沙地腹部,属于生态系统较为脆弱的农牧交错带,土地利用变化类型是我国半干旱区的典型代表[14-15]。本研究选取5期遥感影像,利用RS与GIS技术,运用支持向量机法(SVM)对毛乌素沙地乌审旗进行监督分类,并将未利用土地分为沙地和盐碱地。通过土地利用动态度、土地利用程度空间自相关和地类重心迁移等研究方法,揭示乌审旗土地利用时空演变规律,为毛乌素沙地生态系统重建和可持续发展策略提供科学依据。

1 研究区概况

乌审旗位于内蒙古自治区鄂尔多斯市西南地区(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(图1)。该区地势为西北部偏高,东南部偏低,地貌类型可划分为构造剥蚀地形、堆积地形、风积地形、黄土地形、河成地形5类,按形态划分为波状高原、梁地、内陆湖淖、滩地(冲积湖积平原)、流动与半流动沙丘、固定沙地、黄土梁和河谷地8种地类,其中沙漠、滩地、梁地多呈带状分布。土壤类型以风沙土为主,其余草甸土、栗钙土、盐土、黄绵土、沼泽土等仅占土壤面积的21.6%[16]。主要植被有油蒿(Artemisiaordosica)、麻黄(Ephedrasinica)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)、沙柳(Salixcheilophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等[17]。气候属于典型温带大陆性季风气候,由于全球气候变暖,乌审旗气温逐年升高,年均气温约7.0 ℃[18]。水资源十分充沛,境内天然碱水湖泊很多,河流水系分为黄河水系与内流河水系,主要有无定河、纳林河、海流图河等,水资源总量近5.34亿km3,地表水可利用量约0.71亿km3,地下水可利用量约4.12亿km3,年均降水量为331.5 mm[19]。

2 材料与方法

2.1 材料

2.1.1 影像数据来源与预处理 选取1996、2001、2009年TM影像与2015、2020年OLI影像作为基础数据,5期影像数据获取时间均为乌审旗植被生长茂盛季节(6-8月),利于人工目视解译。为确保地物特征显著,对波段进行不同排列组合,选取最佳波段组合,提高解译准确度。

2.1.2 沙漠化土地分类体系 依据中国土地资源分类系统并参考相关文献[20-21],结合乌审旗实际情况,将地类分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、沙地及盐碱地7类。

2.2 方法

2.2.1 土地利用动态度 土地利用动态度指某一区域特定时段内土地利用类型的整体结构变化速率,相比其他动态研究方法,该方法可以简单直接反映人类对生态环境的影响程度[21]。

尊重研究生的个性是个性化培养视角下研究生教育的基本前提。研究生来自不同的地域和家庭,其性格、能力、思维习惯、求学动机和毕业去向意愿等各有差异。导师应将每名研究生视为独立的思维个体,尊重研究生的学习主体地位,深入了解学生的个性特点,依据研究生的个体综合素质、知识兴趣水平和创新能力的差异,采用因材施教教育理念和方法,制定个性化的培养方案(课程计划和论文选题等)、培养方向和循序渐进的任务目标,帮助研究生形成具有个性化特点的研究性思维和专业知识学习能力,激发每个研究生的自主研究意识和潜能,提升短板,升华长板,最终实现研究生创造性、创新性思维和能力的养成。

2.2.1.1 单一土地利用动态度 反映某一区域特定时段内某一地类的数量变化状况,其公式如下

(1)

式中:K为单一土地利用类型动态度;Ua、Ub分别为研究时段初期和末期某种土地利用类型的数量;T为研究时段。

2.2.1.2 综合土地利用动态度 反映区域内土地利用类型的整体变化状况,其公式如下

(2)

式中:LC为综合土地利用动态度;LUi为研究时段初第i类土地利用类型总面积;ΔLUi-j为研究时段内第i类土地利用类型面积转为第j类土地利用类型面积的绝对值。

2.2.2 土地利用程度空间自相关 土地利用程度空间自相关分析可以检验研究区内相同时间不同空间的显著性关系[22]。

2.2.2.1 土地利用程度总体变化 土地利用程度指数可以确定研究区内不同时间土地利用程度的数值大小,通过查阅大量文献,对研究区内土地利用类型进行分级赋值[23-24],赋值的大小直观反映区域内土地利用程度的高低,其公式如下

(3)

式中:La为第a时期内土地利用程度;Ai为土地利用程度分级指数(表1);Ci为该时期内土地利用类型与研究区总面积的比值。

表1 土地利用类型程度分级指数Table 1 Classification index of landuse degree

2.2.2.2 土地利用程度全局空间自相关 全局Moran'sI指数在全局空间自相关研究中被广泛应用,它可以用来分析空间水平上的相关性[25-26],相比其他自相关研究方法,结果更具有准确性和有效性。其公式如下。

(4)

2.2.2.3 土地利用程度热点分析 在土地利用程度全局空间自相关结果呈现显著相关性的背景下,热点分析可以精确土地利用程度不同置信区间的冷点与热点。冷点表明周边位置的土地利用程度高于平均值,属于土地利用程度的高值空间集聚;热点则相反,其公式如下。

(5)

式中:t为空间网格单元数量;s为标准差。

2.3 重心迁移模型

重心迁移模型可以较为直观地反映研究区内土地利用类型时空动态变化情况[27-28],其公式如下

(6)

(7)

式中:Xt与Yt分别为t时期某种土地利用类型的经度和纬度;n为t时期土地利用类型的斑块数;Cti为t时期土地利用类型第i个斑块的面积;Xti与Yti分别为t时期土地利用类型第i个斑块的几何重心经度和纬度坐标。

3 结果与分析

3.1 乌审旗土地利用变化

乌审旗是国家重点治理的旗县,近些年来实行各种生态治理工程和项目,使乌审旗土地利用类型发生了改变(表2、图2)。乌审旗面积比例最大的为草地,南部比北部密集,其次为沙地,多集中在北部地区;最小的为建设用地,零散分布于乌审旗中部地区。整体来看,沙地面积变化最大(-7.35%),盐碱地面积变化最小(-0.03%);耕地面积呈减少趋势(-0.37%);林地面积持续增加(1.51%);草地面积显著增加(6.20%);建设用地呈增加趋势(0.41%)。说明乌审旗生态环境得到了有效治理,北部地区沙漠化面积减少,南部地区林草地面积有所增加,西北部地区沙化较为严重,但整体呈现好转趋势。

表2 乌审旗土地利用类型面积变化Table 2 Changes of landuse areas in Wushen Banner

3.2 乌审旗土地利用转移矩阵分析

通过对乌审旗土地利用数据进行转移矩阵分析,得出1996-2020年面积转移矩阵表(表3),各土地利用类型面积转移较为活跃,其中,水域主要转移为草地(41.24%);耕地主要转移为草地(31.23%);建设用地主要转移为草地(28.88%);林地主要转移为草地(26.92%);沙地主要向草地(19.00%)转移;盐碱地主要转移为草地(14.17%);草地转移不明显。

表3 1996-2020年乌审旗土地利用类型面积转移矩阵Table 3 Land use typedistribution in Wushen Banner from 1996 to 2020 km2

3.3 乌审旗土地利用动态变化分析

由表4可知,变化幅度最大的为林地(310.53%),其次为建设用地(88.05%),年变化率最大的为林地(12.42%),其次为建设用地(3.52%),主要是政府实施多项防沙治沙工程,大规模人工林的栽植,有效地遏制住沙漠化趋势,改善了当地生态环境。具体来看,在1996-2001年土地利用类型面积变化幅度最大的为耕地(-12.58%);2001-2009年林地(37.08%)变化幅度最大;2009-2015年林地(178.35%)变化剧烈;2015-2020年水域(15.89%)变化幅度达到最大。这是由于近些年乌审旗GDP大幅度增长,为适应人口持续增加,建设用地面积显著扩大。

表4 乌审旗土地利用类型动态度Table 4 Dynamic degree of land use types in Wushen Banner %

由表5可知,1996-2001年各土地利用类型空间变化较不明显,变化速率最大的为草地(0.07%);2001-2009年各土地利用空间变化较为剧烈,沙地(-0.59%)变化速率最大,其次为草地(0.58%);2009-2015年比上一年段浮动较小,沙地(-0.20)变化速率最大,其次为林地(0.18);2015-2020年各土地利用类型空间变化最为平缓。1996-2020年整体看来乌审旗空间变化速率的土地类型分别为草地与沙地。

表5 乌审旗土地利用类型空间变化率指数Table 5 Index of spatial change rate of land use type of the Wushen Banner

3.4 乌审旗土地利用程度空间自相关分析

3.4.1 乌审旗土地利用程度 土地利用程度的高低变化反映乌审旗自然条件和人类活动与土地利用互相影响的程度。由表6可知,1996-2020年,乌审旗利用程度波动较明显,但整体呈现提高趋势。2001年略有下降,2009年恢复提高趋势,说明乌审旗沙地面积逐年减少,生态环境逐渐恢复,社会经济不断发展。

表6 乌审旗土地利用程度指数Table 6 Land use degree index of Wushen Banner

3.4.2 乌审旗土地利用程度空间自相关 运用ArcMap软件创建渔网功能,将研究区划分成1 419个大小为3 km×3 km的标准网格,对网格赋值,通过对研究区网格进行土地利用程度全局空间自相关和热点分析,观察网格间的显著关系。

3.4.2.1 乌审旗土地利用程度全局空间自相关 全局Moran'sI指数反映土地利用程度在研究区的空间聚集度,z值用来检验假设(图3)。1996-2020年,莫兰指数分别为0.3999、0.4099、0.4591、0.4610和0.487 3,均为正值且变化不大,P均为0,z值均远大于2.58,由此证明99%置信区间显示乌审旗土地利用程度存在较强的空间正向自相关性,具有显著的空间集聚性,莫兰指数持续升高说明乌审旗土地利用程度空间聚集性不断增强。

3.4.2.2 乌审旗土地利用程度热点分析 以单元网格为基础,运用热点分析功能,选取置信度大于90%的冷点与热点(图4),冷点区主要位于西北部,形成土地利用程度的低值集聚区;热点区多位于南部区域,形成土地利用程度的高值集聚区。南部增值热点网格在2009年略有缩小,在2015年增大,证明乌审旗封山造林、退耕还林存在一定的效果。2009年起,北部损失冷点区呈斑点状扩大,说明北部地区土地利用结构合理化。自1996年以来,增值热点区持续小幅度扩大,这是由于近年来,乌审旗实行了大量防沙治沙工程修复生态环境,使土地利用结构趋于合理化。

3.5 乌审旗土地利用重心迁移分析

运用ArcMap软件重心迁移模型对乌审旗1996-2020年5期影像进行计算(图5),分析乌审旗土地利用类型空间迁移情况。1996-2020年间,乌审旗重心迁移距离最大为盐碱地,向西南迁移7.05 km;沙地次之,向西南迁移3.34 km;草地重心迁移距离最小,仅向东北迁移1.08 km,归因于东北部的退耕还林还草,生态环境恢复,耕地重心向西南迁移,沙地与盐碱地重心向西南迁移。由于东北部地区林地与草地面积增大,水资源较少,因此水域重心向南迁移;建设用地重心向西北部地区迁移,人类活动频繁,加大开垦放牧,增加土地压力,因此西北部地区沙化较为严重。

4 结论与讨论

1996-2001年间沙地面积显著减少(-7.35%),主要向草地转移(929.59 km2);耕地面积持续减少(-0.37%),主要转移为草地(74.46 km2)。变化幅度最大的土地利用类型为林地(310.29%),其次为建设用地(88.05%),年变化率最大的为林地(12.41%),其次为建设用地(3.52%),乌审旗空间变化速率的主要土地利用类型分别为草地与沙地。这主要是政府实施多项防沙治沙工程,大规模人工林的栽植有效地遏制住沙漠化趋势,改善了当地生态环境。

1996-2020年乌审旗利用程度浮动较大,但整体呈现提高趋势。2015年略有下降,2020年恢复提高趋势,证明乌审旗沙漠化面积逐年减少,生态环境逐渐恢复,社会经济不断发展。乌审旗土地利用程度呈稳步上升趋势,具有显著的空间集聚性;热点分析图展示了乌审旗土地利用程度具有明显的区域划分,冷点区主要位于西北部,形成土地利用程度的低值集聚区;热点区多位于南部区域,形成土地利用程度的高值集聚区。南部增值热点网格在2009年略有缩小,在2015年增大,证明乌审旗封山造林、退耕还林存在一定的效果。2009年起,北部损失冷点区呈斑点状扩大,说明北部地区土地利用结构合理化。自1996年以来,增值热点区持续小幅度扩大,这是由于近年来乌审旗实行了大量防沙治沙工程修复生态环境,使土地利用结构趋于合理化。

1996-2020年间,乌审旗重心迁移距离最大为盐碱地,向西南迁移7.05 km;沙地次之,向西南迁移3.34 km;草地重心迁移距离最小,仅向东北迁移1.08 km,归因于东北部的退耕还林还草,生态环境恢复;耕地重心向西南迁移,沙地与盐碱地重心向西南迁移。由于东北部地区林地与草地面积增大,水资源较少,因此水域重心向南迁移;建设用地重心向西北部地区迁移,人类活动频繁,加大开垦放牧,增加土地压力,因此西北部地区沙化较为严重,应加强生态保护与治理。

前人对毛乌素沙地进行了多方位、多角度的研究,但在土地利用变化研究方面并未将盐碱地划分开来,本研究通过监督分类,解译各土地利用类型,将沙地与盐碱地区分开。结合前人对土地利用时空动态研究的方法与经验,采用土地利用动态度、转移矩阵分析土地利用类型面积变化;全局莫兰指数(Moran'sI)与热点分析研究乌审旗土地空间相关性;土地利用类型重心迁移探索各土地利用类型重心空间变化,综合分析其土地利用变化规律,更好地体现乌审旗土地利用时空格局演变过程及其内在规律。

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