东北黑土区近半世纪土地利用变化时空特征分析

肖红叶，刘国栋，杨泽，房娜娜，戴慧敏，刘凯，韩晓萌，朱恒

(1.中国地质调查局 沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034；2.自然资源部 黑土地演化与生态效应重点实验室，辽宁 沈阳 110034；3.辽宁省黑土地演化与生态效应重点实验室，辽宁 沈阳 110034)

0 引言

黑土作为世界上最肥沃的土壤之一[1]，素有“土中之王”的美誉。自然黑土是在适宜的气候、水文和植被覆盖条件下，以黄土状黏土、洪积物、冲积物、冰碛物及风积物等松散沉积物为成土母质，历经第四纪全新世以来漫长的发育，形成具有独特自然属性的土壤类型，其表土层有大量黑色或暗黑色腐殖质，有机质含量高，是一种性状好、肥力强、适宜农耕的珍贵稀缺土地资源[2-3]。曾经农民只能根据土壤的颜色、地力以及厚度是否超过一犁厚来辨别肥沃的黑土[4]，经过国内外学者的持续关注和多年系统研究，专家认为黑土的特征主要包括深厚的暗沃表层、含量丰富的有机质、适宜的容重、良好的团粒结构、较高的盐基饱和度和适宜的pH值等[3]。目前，全球黑土区总面积约占地球陆地表面的7%，主要分布在世界四大黑土区：俄罗斯—乌克兰大平原、北美洲密西西比河流域、中国东北平原以及南美洲的潘帕斯草原[5]。我国政府历来高度关注黑土地的保护和利用，2020年习近平总书记在东北考察时指示“切实把黑土地这个‘耕地中的大熊猫’保护好、利用好，使之永远造福人民”[6]。

土地利用包括土地的使用情况及其社会经济属性[7]。随着全球经济的高速发展、人口爆炸式增长以及生态资源压力的日益严峻，受自然条件及人类活动的综合影响，世界范围内30%以上土地的利用格局发生着剧烈的变化[8]。土地利用/覆盖变化易引发土壤微生物、土壤碳储量的变化[9-11]，从而改变生态系统的结构和功能[12-13]，影响生态环境健康和生态服务价值[14]。据研究表明，全球人类活动排放的二氧化碳中有1/3是由土地利用/覆盖变化造成的，仅次于化石燃料的燃烧[15]。土地利用/覆盖变化是人类活动作用于地球表层系统最为显著的表现形式和人与自然关系最为密切的环节之一[16-17]，分析研究土地利用变化特征对实现土地资源的可持续利用具有重要意义，也是当代全球变化研究领域的重点课题[18]。

1 研究区概况

根据2021年中国科学院发布的《黑土地白皮书》，中国东北黑土区包括黑龙江省、吉林省、辽宁省东北部以及内蒙古“东四盟”地区，东邻俄罗斯、东南紧靠朝鲜，西与蒙古交界，南抵辽河，共含246个县(市、旗)，面积达109万km2，占全球黑土总面积的12%[5]。东北黑土区位于中纬度亚洲大陆东部，属温带季风性气候，四季分明、雨热同季[19]。中国东北地区的黑土是以砂砾和黄土状黏土为主要成土母质，并在其特有的气候条件和植被的相互作用下形成的土壤类型[4，20]。夏季旺盛生长的植被进入秋冬后大量枯死，低温又抑制了土壤中的微生物活性，使植物残体分解缓慢，长此以往土壤表层积累了厚厚的腐殖层，最终发育成肥沃的黑土[3，19]。

东北黑土区是全球最适宜耕作的地区之一，也是我国最大的商品粮生产基地[2]，玉米和大豆产量占全国38.2%和45.8%[21]，粮食总产量占全国的四分之一，粮食调出量占全国的三分之一[22]，人均粮食占有量比全国人均量高一倍以上[23]，享有“中国粮仓”和粮食安全“稳压器”的美誉[24-25]。根据2010年国务院发布的《全国主体功能区规划》，东北黑土区涵盖了大、小兴安岭森林生态功能区、三江平原湿地生态功能区、长白山森林生态功能区、呼伦贝尔草原草甸生态功能区及部分科尔沁草原生态功能区[26]；作为我国重要的老工业基地，东北黑土区是我国重要的能源、木材、冶金生产基地，几十年间先后经历了经济发展、衰落到再振兴的过程[13]。

2 数据来源

本研究所需的土地利用/覆盖数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，分别选取20世纪70年代(按1970年统计)、90年代中期(按1995年统计)、2010年、2020年四期1∶10万比例尺土地利用/土地覆盖数据。70年代数据的重建主要使用Landsat-MSS遥感影像，90年代中期、2010年数据的遥感解译主要使用Landsat-TM/ETM遥感影像，2020年土地利用/覆盖数据更新主要使用Landsat 8遥感影像。本研究根据《全国土地分类标准》[27]，结合研究区具体情况以及湿地定义[28]，将中国1∶10万比例尺土地利用/土地覆盖遥感监测数据库(LUCC)中25种土地资源的自然属性和利用属性划分为耕地、林地、草地、湿地、建设用地及未利用地共6种土地利用类型(表1)，此处湿地指天然湿地，不包括人工湿地。

表1 土地利用类型归类Table 1 Land use type classification table

3 研究方法

3.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵(马尔可夫模型)反映了某一区域在一定时段内期初和期末各种土地利用类型的变化[29-30]。表2中，P代表某一地类占区域面积的百分比，Pii表示第i种地类未变化面积占区域面积的百分比，Pi+表示第i种地类的期初面积占区域面积的百分比，P+i表示第i种地类的期末面积占区域面积的百分比，Pij表示由第i种地类转化为第j种地类的面积占区域面积的百分比，表中行元素之和表示某地类期初面积占区域面积的百分比，列元素之和表示其期末面积占区域面积的百分比。

表2 土地利用转移矩阵Table 2 Land use transfer matrix

3.2 土地净变化量

土地净变化量反映某一时段内某种地类面积的绝对变化量[31-32]，由于它无法反映土地利用类型在空间位置上的转移，易低估地类间转化程度。土地净变化量B1计算公式为：

(1)

3.3 土地交变化量

土地交变化量反映某一时段内某种土地利用类型空间位置上的变化，它与土地净变化量加和构成土地总变化量[31-32]。土地交变化量B2计算公式为：

(2)

3.4 土地利用类型转移网络

基于土地利用类型转移矩阵, 引入“土地利用转移流”指标, 测算各土地利用类型的“转出流”及“转入流”，将得到土地利用类型转移网络[8]，它可以直观地表明一段周期内土地利用类型间的相互转换情况，有助于揭示土地利用类型的转移方向和空间演化进程。土地利用转移流B3及土地转移流净值B4计算公式为：

B3=Pout+Pin，

(3)

B4=Pin-Pout，

(4)

式中：Pout为转出流，Pin为转入流。当B4值为正时，表示净流入，其值为负时，表示净流出。

3.5 单项地类面积变化率

单项地类面积变化率表示一段时间内某一地类变化面积占期初面积的比值，在分区的基础上计算各小区单项地类面积变化率，有助于揭示不同地类土地利用变化剧烈程度的空间分布特征[31]。单项地类面积变化率B5计算公式为：

B5=(P+i-Pi+)/Pi+。

(5)

3.6 单一土地利用类型动态度

单一土地利用类型动态度可定量描述研究区在一定的时间间隔内，土地利用类型的变化速度[7，29]。若结果为正值，即为土地利用开发度(LUD)，代表单位时间内某类型土地利用实际新开发的程度(不适用未利用地)，若结果为负值，即为土地利用耗减度(LUC)，指单位时间内某类型土地利用被实际消耗的程度[33]。计算公式为：

(6)

式中：B6为第i种地类单一土地利用类型动态度；T为研究时段，此处以年为单位。

3.7 土地利用综合动态度

土地利用综合动态度反映研究区内部总土地活动动态度[31]。当土地利用演变驱动以人为因素主导时，能反映人类活动对土地利用程度的综合影响[34]。某一时段内研究区的土地利用综合动态度B7计算公式为：

(7)

3.8 土地利用程度综合指数

土地利用程度综合指数反映研究区内土地利用类型和方式转变导致研究区土地利用强度发生的综合变化[16，29]。计算公式为：

B8={∑Ai(Si/S)}/n×100%，

(8)

式中：B8为研究区土地利用程度综合指数；Ai为第i级土地利用程度分级指数；Si为第i级土地利用面积；S为该区域内土地总面积；n为土地利用总分类数。

3.9 土地利用空间变化模型

基于人口地理学中常见的人口分布重心原理，通过比较期初和期末研究区内不同地类的分布重心, 最终得到土地利用空间变化模型[7，35]。

(9)

(10)

式中：XB、YB分别表示在t年份某一地类分布重心的经度和纬度坐标；Cti表示在t年份研究区内第i种地类的面积；Xi、Yi分别表示研究区内第i个小区域的几何中心(或旗县所在地)的经纬度坐标。

4 结果与分析

4.1 土地利用空间变化、面积变化

4.1.1 面积变化

近半个世纪以来，东北黑土区各类土地利用面积均发生不同程度和趋势的变化(图1)。其中，湿地面积整体大幅降低，2020年黑土区湿地面积较1970年降低了41.2%，除1995～2010时段湿地面积显著增加外，1970～1995年、2010～2020年均持续降低；50年间黑土区耕地(含水田和旱田)面积整体增加24.88%，除2010～2020年受退耕还林、退耕还草、退耕还湿政策，生态保护红线划定及城市建设用地快速扩张的影响，耕地面积小幅降低以外，其他各期均呈增长趋势；50年间黑土区林地面积较期初下降6.94%，且近半个世纪以来各期变化均呈现持续降低趋势；50年间黑土区草地面积整体增加9.75%，除1995～2010时段呈降低趋势，其他各期面积均程增加态势；50年间黑土区建设用地面积整体增加25.69%，且各期均呈持续增长态势；50年间黑土区未利用土地面积整体下降7.69%，除1995～2010年面积增加外，其他各期面积均呈现降低趋势。

图1 1970～2020年各类土地利用面积变化Fig.1 Line chart of land use area changes for various types from 1970 to 2020

4.1.2 空间变化

1970～2020年间，黑土区土地利用空间转移主要集中于三江平原北部、松嫩平原西北部及西辽河平原地区等(图2)。其中，草地主要向耕地和林地转化，草地转化为耕地主要分布于三江平原、嫩江中上游、呼伦贝尔市周边、松原市南部、通辽市西部等地；草地转化为林地主要分布于兴安盟西部、科尔沁草原南部、呼伦贝尔草原南部及大小兴安岭地区；耕地主要向林地和草地转化，其中，耕地转化为林地主要分布于齐齐哈尔市西北部、白城市北部、通辽市东部及延吉市周边等区域，耕地转化为草地主要分布于呼伦贝尔草原北部及西辽河平原等地区；林地主要向耕地和草地转化，其中，林地转化为耕地主要分布于大小兴安岭南部、三江平原部分区域及长白山部分地区，林地转化为草地主要分布于兴安盟西南部及呼伦贝尔草原南部；湿地主要向耕地和草地转化，其中，湿地转化为耕地主要分布于三江平原及嫩江周边地区，湿地转化为草地主要分布于大小兴安岭及呼伦贝尔大草原；建设用地主要向耕地转化，呈零散分布；未利用地主要向草地转化，主要分布于呼伦贝尔市西南部及松嫩平原西部。

图2 1970～2020年各类土地利用空间转移情况Fig.2 The spatial transfer of land use for various types from 1970 to 2020

4.2 土地利用转移矩阵及各项变化

4.2.1 土地利用转移矩阵

根据土地利用转移矩阵(表3、表4)，近半个世纪以来，东北黑土区耕地未变化面积占20.3%，耕地向其他用地类型转化面积共占2.58%，其他用地类型向耕地转化面积共占8.26%；林地未变化面积占38.92%，林地向其他用地类型转化面积共占7.08%，其他用地类型向林地转化面积共占3.87%；草地未变化面积占10.53%，草地向其他用地类型转化面积共占6.17%，其他用地类型向草地转化面积共占7.74%；湿地未变化面积占4.33%，湿地向其他用地类型转化面积共占6.18%，其他用地类型向湿地转化面积共占1.85%；建设用地未变化面积占1.4%，建设用地向其他用地类型转化面积共占0.36%，其他用地类型向建设用地转化面积共占0.82%；未利用地未变化面积占1.23%，未利用地向其他用地类型转化面积共占0.91%，其他用地类型向未利用地转化面积共占0.75%。

表3 1970～2020年黑土区土地利用面积转移矩阵Table 3 The transfer matrix of land use area in black soil area from 1970 to 2020 104hm2

表4 1970～2020年黑土区土地利用转移率矩阵Table 4 Matrix of land use transfer rate in black soil area from 1970 to 2020 %

4.2.2 土地变化量

两组患者同样采用黄体酮进行治疗，(湖北葛店人福药业有限责任公司，国药准字H20066109)。在剂量方面两组存在区别，观察组病人采用高剂量：每天入睡前用药一次，剂量为200毫克，连服10天后停止用药，之后监测病人的出血状况，并于月经结束后三天回院复诊。对照组采用低剂量组：每天入睡前用药一次，剂量为100毫克，连服10天后停止用药，之后监测病人的是否出血及出血量，之后在月经结束后三天回院复诊。

根据式(1)、式(2)计算1970～2020年黑土区各时段、各用地类型变化量，从各地类变化量图(图3)可知，50年间各地类均是交变化量占主导地位，各地类的变化中存在着大量空间位置上的转移，说明各地类所处的空间位置较为不稳定。在3个时段中，1970～1995年各用地类型总变化量最大，1995～2010年次之，2010～2020年最小，说明东北黑土区土地利用变化在1970～1995年最为剧烈，随时间推移逐渐降低。

图3 各地类变化量Fig.3 Variation of each land type

4.2.3 单项地类面积变化率

单项地类面积变化率显示各地类在某一时段内面积变化的剧烈程度。1970～2020年黑土区单项地类面积变化最为剧烈的依次是：湿地>建设用地>耕地>草地>未利用地>林地(图4)，其中，湿地减少41.21%，建设用地增加25.68%，耕地增加24.83%，草地增加9.34%，未利用地减少7.75%，林地减少6.96%。1970～2020年黑土区耕地、林地、草地、湿地、建设用地及未利用地的年均变化速率，即单一土地利用类型动态度分别为0.5%、-0.14%、0.19%、-0.82%、0.51%及-0.15%。其中，耕地、草地、建设用地开发度为0.5%、0.19%、0.51%，林地、湿地未利用地耗减度为0.14%、0.82%、0.15%。

图4 1970～2020年黑土区单项地类面积变化率Fig.4 The area change rate of each land type in the black soil area from 1970 to 2020

4.2.4 土地利用综合动态度

近半世纪以来，东北黑土区总土地利用综合动态度为23.28%，由图5可见，各时期土地利用综合动态变化程度由高到低依次是1970～1995年、1995～2010年、2010～2020年，说明1970～1995年各类土地利用类型面积变化相对剧烈，内部空间转化较其他两期更为频繁，与前文图3结果相符。

图5 土地利用综合动态度曲线Fig.5 Curve diagram of comprehensive dynamicdegree of land use

4.2.5 土地利用程度综合指数

利用庄大方等提出的土地利用程度分级办法[36]，结合研究区及本研究实际需要，制定土地利用程度分级赋值表(表5)。根据式(8)计算1970年、1995年、2010年及2020年东北黑土区土地利用程度综合指数分别为37.38%、38.18%、38.42%及38.5%(图6)，土地利用程度呈逐年小幅增长态势，整体处于持续发展期，但仍低于全国平均水平50.5%[29]，说明东北黑土区原始及生态用地占比较大，建设用地占比较小，近半世纪以来土地利用逐渐呈集约化利用趋势，但受经济发展及人口密度影响，土地利用类型变化引起的强度变化不明显，土地开发利用的潜力很大。

表5 土地利用程度分级赋值Table 5 Land use degree classification assignment table

图6 不同年份土地利用程度综合指数Fig.6 Comprehensive index of land use degree in different years

4.2.6 土地利用转移网络

图7 东北黑土区近半世纪不同时段土地利用转移网络(1×104hm2)Fig.7 Land use transfer network for different timeperiods in the black soil area of NortheastChina in the past half century

最多的土地利用类型是林地，被砍伐的林地主要转化为草地和耕地，转出面积次之的相继为草地和湿地；东北黑土区转入面积最多的土地利用类型是草地，主要由林地和湿地转化而来；转入面积次之的为耕地，主要由林地、草地和湿地转化而来。1995～2010年间，东北黑土区转出最多的土地利用类型为草地，主要转化为林地、湿地和耕地；转出面积次之的为林地，主要转化为耕地和草地；东北黑土区转入面积最多的土地利用类型是耕地，主要由林地和草地转化而来。2010～2020年间，东北黑土区转出最多的土地利用类型为湿地；转入最多的土地利用类型为草地。

4.2.7 重心变化

根据土地利用的空间变化模型得出50年间东北黑土区各地类重心变化情况(图8)，其中：

图8 不同地类50年间重心变化Fig.8 The change of the gravity center for each land type in 50 years

1)未利用地重心。东北黑土区近50年来未利用地重心除1995年在吉林省通榆境内外，1970、2010及2020年均在吉林省洮南市境内。其中1995年与1970年相比，未利用地重心向东南方向偏移32.61 km，2010年与1995年相比，重心向西北移动41.54 km，2020年与2010年相比，重心向东南推移37.66 km。东北黑土区未利用地重心相对稳定，近半个世纪以来，整体向东南方向偏移了34.37 km。

2)湿地重心：东北黑土区近50年湿地重心均在黑龙江省境内，其中1970年湿地重心在克山县，2010年在讷河市域内，1995年与2020年重心坐标在明水县内重合。1995年与1970年相比，湿地重心向西南方向偏移85.96 km，2010年与1995年相比，重心向西北方向移动115.34 km，2020年移回原1995年重心。东北黑土区湿地较其他用地类型而言，重心移动更为剧烈，近半个世纪以来，整体向西南方向偏移了85.96 km。

3)林地重心：东北黑土区近50年来林地重心均在黑龙江省明水县境内，1995年与1970年相比，林地重心向东北方向偏移13.32 km，2010年与1995年相比，重心向西南方向移动19.80 km，2020年与2010年相比，重心向东北方向推移14.51 km。东北黑土区林地重心较为稳定，近半个世纪以来，整体向东北方向偏移了7.67 km。

4)建设用地重心：东北黑土区近50年来建设用地重心均在吉林省扶余县境内，1995年与1970年相比，建设用地重心向正北方向偏移23.71 km，2010年与1995年相比，重心向正南方向移动2.3 km，2020年与2010年相比，重心向西南方向推移13.72 km。东北黑土区建设用地重心较为稳定，近半个世纪以来，整体向西北方向偏移了11.25 km。

5)耕地重心变化：东北黑土区近50年来耕地重心均在黑龙江省肇东市境内，1995年与1970年相比，草地重心向东北方向偏移33.82 km，2010年与1995年相比，重心继续向西北方向偏移9.75 km，2020年与2010年相比，重心向东南方向推移6.59 km。东北黑土区耕地重心较为稳定，近半个世纪以来，整体向东北方向偏移了41.32 km。

6)草地重心变化：东北黑土区近50年来草地重心均在内蒙古扎兰屯市境内，1995年与1970年相比，草地重心向西北方向偏移28.76 km，2010年与1995年相比，重心继续向西北方向偏移7.61 km，2020年与2010年相比，重心向正北方向推移15.41 km。因此，东北黑土区草地重心较为稳定，近半个世纪以来，整体向西北方向偏移了48.25 km。

5 结论与讨论

土地作为一个自然—人文综合体，其利用方式主要受自然环境及人类活动的制约[35]，具有很强的综合性和地域性。区域所处的自然地理地带性，如水文条件、温湿度、降雨量、地形地貌、光照条件、植被类型及土壤类型等，与社会经济发展水平、人口数量、经济产业结构布局与政策制度等人文因素，共同影响着区域土地利用结构及程度变化[36-37]。东北黑土区自然资源禀赋极佳，域内林地、草地、湿地等生态用地面积占比较大，是我国重要的生态功能区，19世纪前，该区域较为原始，人类活动干扰少，生态服务功能较强，进入20世纪后，受人口增长、气候变暖及现代农业迅猛发展的影响，东北黑土地逐渐被开荒利用，过去几百年间，东北黑土区历经土地开发、利用与保护的波动扩张过程[20]。中国加入WTO后东北地区在粮食生产方面的优势得到提升，在不断发展的商品化农业的刺激下，东北地区农民对扩大耕地规模增加收入的需求更加迫切，曾出现大规模的毁林开荒与未利用地开发活动，特别是在三江平原等水土资源丰富、生产潜力大的地区，黑土地开发进入快速扩张期，盲目的高强度机械开垦导致区域生态环境不断恶化[37]。近年来，我国政府高度注重生态保护与环境质量，东北黑土区土地利用进入开发与保护并重阶段[5]。本文主要研究东北黑土区土地利用波动最为显著的近半个世纪以来的土地利用结构及程度变化，主要结论如下：

1)东北黑土区建设用地、耕地及草地面积总体增加，增幅分别为25.96%、24.88%及9.75%，湿地、林地及未利用地面积总体降低，降幅分别为41.2%、6.94%及7.69%，其中三江平原北部、松嫩平原西北部及西辽河平原地区地类变化较为明显。

2)东北黑土区各地类变化中均是交变化量占主导优势，土地利用变化中存在着大量空间位置上的转移，土地利用变化在1970～1995年期间最为剧烈，后随时间推移趋于稳定，单项地类面积变化剧烈程度依次为湿地>建设用地>耕地>草地>未利用地及林地。

3)东北黑土区土地利用程度呈逐年小幅增长的趋势，但仍低于全国平均水平，土地开发利用的潜力很大。

4)东北黑土区各地类重心变化除湿地外，均较为稳定。

东北黑土区是我国重要的商品粮基地、生态功能区与老工业基地，随着社会经济的发展，城镇化水平持续提高，哈大齐工业走廊及长吉图开发开放先导区的建设，域内农用地、生态用地及建设用地在扩张时易发生冲突，粮食生产、生态保护、经济发展三者间冲突关系的消长使不同时段农用地、生态用地、建设用地相对重要性产生变化[35]。不同地类在空间上由冲突到协调的持续性重构过程为东北黑土地近半个世纪以来的土地利用程度及格局带来改变[38]。50年间东北黑土区土地利用变化控制因子以农业生产为主，区域功能定位、经济社会发展及城镇化发展等多种驱动力量并存，导致域内农业用地及建设用地呈持续增加态势，增加用地主要源于未利用地及生态用地[39]。然而，土地利用结构呈单一化发展趋势，不利于黑土资源的可持续利用，甚至会影响到农业可持续发展和粮食产能的稳定与提升[40]，针对部分盲目追求农用地面积扩大和城镇化发展而占用生态用地的现象，应加大土地调控力度，寻求黑土地利用与保护的平衡。未来，应深入研究东北黑土区土地利用变化时空特征、机制及其对生境、生态服务功能、碳收支平衡的影响，实现“把黑土地用好养好”，保护黑土区生态安全和国土资源，优化土地开发结构，加强国土空间格局管控和生态保护，强化多种政策间的综合协调，以科学的政策设计引导区域土地资源开发向可持续方向转型，寻求东北黑土区资源、环境、经济社会的可持续发展，实现东北全面振兴[37]。