2000—2020年武威市土地利用/覆被时空变化及驱动力分析

张治国,康鸿杰

(甘肃省自然资源规划研究院,兰州 730000)

土地资源是人类生存和社会发展的基础,是人类最宝贵的自然资源之一[1]。土地利用/覆盖变化(land use and cover change,LUCC)是人类活动对自然地表改造的重要载体,是研究碳循环、生物多样性、农业发展等全球气候变化和生态环境问题的基础[2-4]。因此,加强土地利用时空动态变化及驱动机制的研究,对保持自然环境与人类活动平衡及改善区域生态环境有重要意义[5-7]。

土地利用/覆被变化研究的主要内容包括两个方面,一方面利用长时间尺度的遥感影像研究土地利用/覆被时空变化规律[8],另一方面结合研究区人为活动和自然因素探究土地利用/覆被变化的驱动力[9]。已有中外学者利用不同的研究方法和数据源,从多角度对LUCC变化特征及其驱动力进行了分析。Zhao等[10]利用地理探测等方法定量探讨自然和社会经济因素对土地利用程度的影响机制,明确土地利用演变的特征和驱动力。Shi等[11]在多个尺度上分析了土地利用模式与水质之间的关系,并发现了土地利用方式对溪流水质的影响在空间和时间上具有尺度依赖性。Li等[12]利用CA-Markov模型模拟了2025年珠三角城市群3种不同情景下的土地利用格局,研究表明,建设用地扩张必然会影响生态系统的安全。闫志远等[13]研究表明,社会经济的快速发展是驱动锡林郭勒草原土地利用/土地覆被变化的主要因素。但当前研究多集中在城市化进程明显的区域[14-15],针对河西走廊区域的土地利用/覆被变化规律及驱动力的研究鲜有报道,因此河西走廊地区土地利用/覆被动态变化及驱动力研究仍需加强[1]。武威市是中国河西走廊中心城市的重要节点城市,作为丝绸之路经济带的核心区域,工业、农业和城市化进程快速发展,加之受国家生态政策和当地政府发展方向的影响,土地利用/覆被变化受人类活动干扰较为明显,结合气候变化的影响,其空间格局正在不断发生变化。因此,研究武威市土地利用/覆被类型的时空变化特征及其驱动力,对区域规划及经济与生态的和谐发展具有重要的意义。

武威市特殊的地理位置及生态环境的发展进程,使其成为各位学者研究的热点区域[16-17],武威市的土地利用/覆被变化也开展了相关研究工作[18],但研究的年限和方法较为局限,研究无法解决掌握武威市土地利用/覆被变化的核心问题。因此,以2000年、2010年和2020年3期土地利用/覆被数据为研究基础,利用土地利用动态度和转移矩阵等方法,深入分析武威市2000—2020年的土地利用/覆被的时空变化特征,并结合自然条件和社会经济等因素,探讨其变化的驱动力,为武威市城市现代化进展和生态环境的可持续发展提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

武威市位于甘肃省中部,河西走廊的东端,包含武威市、民勤县、古浪县和天祝藏族自治县4个县级行政区(图1)。其地势南高北低,地形可分为三带,南部祁连山区,海拔在2 100～4 800 m,山脉大致呈西北-东南走向,气候冷凉,降水丰富,有利于林业和畜牧业的发展。中部平原绿洲区,海拔1 450～2 100 m,地势平坦,土地肥沃,是甘肃重要的粮、油、瓜果、蔬菜生产基地。北部荒漠区,海拔约1 300 m,干旱少雨,日照充足,是沙生植物、名贵药材的主要产地。武威市地处中国西北内陆腹地,属典型的温带大陆性干旱气候,昼夜温差大,夏季干旱少雨,蒸发量大,年平均气温7.7 ℃,年均降水量212.2 mm,年平均蒸发量2 163.6 mm,具有典型的干旱区气候特点。

1.2 数据来源及预处理

研究所需数据主要有武威市矢量数据、土地利用/覆被栅格数据、气象数据和社会经济数据。其中土地利用/覆被栅格数据由自然资源部提供的GlobeLand30(http://www.globallandcover.com/)。该数据共包括10个一级类型,分别是耕地、林地、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川积雪,分类系统定义如表1所示。利用ENVI5.3软件对原始影像进行配准、校正、裁剪和镶嵌等预处理,并利用密度分割获取研究区不同时期的土地利用/覆被数据,具体密度分割过程为ENVI Tools→Classification→Raster Color Slices,根据需求获取一级分类的土地利用/覆被数据,结果图2所示。

表1 GlobeLand30分类系统Table 1 Classification system of GlobeLand30

图2 2000—2020年武威市土地利用/覆被时空分布图Fig.2 Spatial and temporal distribution map of land use/cover in Wuwei City from 2000 to 2020

气象数据来源于中国气象数据网(https://data.cma.cn/),研究区内共有3个国家气象站点,分别为民勤站(站点编号:52681)、武威站(站点编号:52679)和乌鞘岭站(站点编号:52787)。选取20年每日气温和降雨量,获取年均气温及年降雨量。社会经济数据来源于武威统计年鉴数据,包括人口、GDP、公路、村镇现有房屋、房地产投资、货运量、农业增加量等相关数据。

1.3 研究方法

1.3.1 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度用于计算某种土地利用/覆被的变化量,可定量描述土地利用/覆被的变化速率[19],其表达式为

(1)

式(1)中:K为研究时段内某一土地利用类型动态度;S1和S2分别为研究时段初期和末期的某种土地利用/覆被类型的面积;T为研究时长。

1.3.2 综合土地利用动态度

综合土地利用动态度用来计算研究区内某种土地利用/覆被类型的变化总量,定量描述研究区土地利用类型变化的剧烈程度[20],计算公式为

(2)

式(2)中:ΔSin为研究时段其他土地利用/覆被类型转变为研究对象的面积之和;ΔSout为研究时段研究对象转变为其他土地利用/覆被类型的面积之和;Lc为研究时段对应的研究区土地利用变化速率。

1.3.3 土地利用/覆被转移矩阵

土地利用转移矩阵是描述区域内不同土地利用类型变化的结构特征和变化方向,是目前土地利用研究中使用最广泛的方法[21]。其计算公式为

(3)

式(3)中:S为研究时段内的转移矩阵;Sij为研究时段内第i种土地利用/土地覆被类型转化为第j种类型的面积;n为土地利用的类型数量。

2 结果与分析

2.1 土地利用/覆被时空变化

2000年、2010年、2020年武威市土地利用/覆被时空分布如图2和表2所示。2020年武威市土地利用类型以裸地、草地和耕地为主,其中裸地面积为17 628.2 km2,占武威市总面积的53.24%,主要分布在研究区的北部荒漠区;草地面积为6 664.1 km2,耕地面积为6 464.4 km2,分别占研究区的20.13%和19.53%,其中草地主要分布在武威市南部祁连山区,耕地分布在中部平原绿洲区及北部荒漠区的中间地区。林地、人造地表、湿地次之,面积分别为1 313.2、669.8、237.2 km2,其中林地分布于武威市南部祁连山区,湿地聚集于东北部,人造地表呈点状分布于中部平原绿洲区。灌木地、水体和冰川积雪面积较小,其中水体分布于绿洲区与荒漠区交界处。

表2 2000—2020年武威市土地利用/覆被面积统计Table 2 Statistics of Land use/cover area in Wuwei City land from 2000 to 2020

近20年间,武威市土地利用/覆盖面积绝对变化量为:草地>裸地>人造地表>林地>耕地>湿地>水体>灌木地>冰川积雪。其中耕地、草地和灌木地面积呈先增后减,林地和人造地表面积呈先减后增,湿地和水体面积呈持续增加,裸地面积呈持续减少的现象。裸地面积减少549.4 km2,人造地表增加477.5 km2,这与近些年开垦荒地、城镇化发展的过程相符,草地面积增加644.9 km2,其主要原因与国家实施防沙治沙等政策相关,湿地和水体面积的增加可能与中国西北地区的气候变化有关,但是耕地和林地分别减少了219.3 km2和389.1 km2。

2.2 土地利用/覆被动态度

表3为2000—2020年武威市土地利用/覆被类型单一动态度和综合动态度,可以看出,2000—2010年林地和人造地表的单一动态度明显高于其他土地利用/覆被类型,但两者均为负值,表明该时期林地和人造地表面积均有大幅度下降。2010—2020年人造地表的单一动态度达441.0%,明显高于上个10 a,说明该时期武威市近年来城镇化现代化建设发展速度十分可观。耕地和裸地的动态度变化不明显,与其面积基数较大有关;水体和湿地因面积较小,受自然因素影响较为明显,因此动态度变化幅度明显高于耕地和裸地。整体来看,2000—2020年,武威市灌木地、林地综合动态度最高,表明两者稳定度较低,其次是人造地表、水体和冰川积雪,裸地、耕地、草地和湿地4种土地利用/覆盖类型在20年内动态度较低,相对比较稳定。

表3 2000—2020年武威市土地利用/覆被动态度Table 3 The dynamic index of land use/cover in Wuwei City from 2000 to 2020

2.3 土地利用/覆被转移矩阵

通过不同时期的土地利用转移矩阵,可以进一步掌握武威市土地利用/覆盖的转移变化情况。基于2000年、2010年和2020年武威市土地利用/覆被数据,利用ENVI密度分割和基于地面真像的混淆矩阵模块,制作武威市2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年的土地利用转移矩阵(表4～表6),明晰武威市不同时期土地利用/覆被之间的转移方向。

表4 2000—2010年武威市土地利用转移矩阵Table 4 Land use transfer matrix of Wuwei City from 2000 to 2010

表5 2010—2020年武威市土地利用转移矩阵Table 5 Land use transfer matrix of Wuwei City from 2010 to 2010

表6 2000—2020年武威市土地利用转移矩阵Table 6 Land use transfer matrix of Wuwei City from 2000 to 2020

2000—2010年,耕地面积增加了69.5 km2,主要来自与人造地表的互转。林地主要以转出为主,其中最主要的转出方向为草地,面积为698.4 km2,占总转出面积的97.8%,分布在南部祁连山区的中部;转入面积为53.3 km2,主要来自草地、灌木地和裸地。草地是武威市土地利用类型变化最大的类型,草地增加的面积为1 111.2 km2,主要来自林地和裸地的转入,分别为698.4 km2和558.4 km2;草地转出方向主要为裸地和林地,分别为138.7 km2和22.5 km2。人造地表在2000—2010年出现负增长,主要是与耕地的相互转化。裸地面积明显减少,主要转化为草地和湿地。灌木地面积变化不大,主要是与林地的互相转化,湿地和水体在此期间有小幅度增加,冰川积雪无变化。

在2010—2020年耕地面积减少288.7 km2,主要转出方向为人造地表、草地和裸地,其转出面积分别为428.0、77.4、76.1 km2;耕地转入面积主要来自裸地和草地,分别为195.5 km2和95.6 km2。林地面积增加了271.5 km2,主要与草地的相互转化。草地面积减少466.3 km2,主要转出方向为裸地和林地,转出面积分别有422.9 km2和360.4 km2。人造地表面积增加速度较快,增加面积为546.0 km2,主要来自耕地和裸地。裸地面积持续减少,但减少速度明显放缓,主要来自与草地、耕地的互相转化和转化为建设用地。灌木地面积变化与2000—2010年较为相似,主要是与林地的互相转化,湿地和水体面积持续小幅度增加。整体而言,2000—2020年武威市土地利用主要转移方向呈现耕地转入人造地表、林地转入草地、裸地转入耕地和人造地表的现象。

2.4 土地利用/覆被变化驱动因素

土地利用/覆被变化是自然条件、气候变化、经济发展、社会环境和人口变化5个方面的因素,总体上是自然因素和社会经济因素影响的综合体现。

2.4.1 自然因素

自然因素主要是水热条件即气温和降水,该因素是土地利用/覆被变化的基础性条件。图3为2000—2020年武威市年降雨量和年均气温多年变化,可以看出,20 a间武威市年均气温变化波动较小,呈上升趋势,但上升幅度平缓;年降雨量波动较大,整体呈上升趋势,其中,2000—2010年,年降雨量呈下降趋势,下降速率为4.03 mm/a;2010—2020年,年降雨量呈上升趋势,上升速率为2.79 mm/a。整体来看,武威市气温和降水量均有小幅度上升,这与武威市湿地和水体持续增加的变化趋势相符。武威市林地呈现先减后增的趋势,与年降雨量的变化趋势相近,也说明了在干旱区,降雨量是影响林地变化的主要因素。从研究区其他土地利用/覆被变化情况来看,气温和降雨量对武威市土地利用/覆被变化的影响相对有限,只对湿地、水体和林地等土地利用/覆被类型有一定影响。

图3 2000—2020年武威市年均气温与和年降雨量变化Fig.3 The variations of annual temperature and precipitation in Wuwei City from 2000 to 2020

2.4.2 社会经济因素

表7为2000—2020年武威市社会经济因素统计结果。可以看出,2000—2020年,武威市GDP由2000年的642 815.0万元增加到2020年的5 264 142.0万元,经济的快速增长,城镇现代化进程快速推进,房地产投资从2000年的7 815.0万元增长到2020年的529 383万元,村镇现有房屋面积增加了100.9%,货运量增加了674.5%,居民用地、工况用地及交通用地的急剧扩张,解释了武威市人造地表面积在20年内增加了248.4%的原因。21世纪初,武威市居民工业发展相对落后,人民以农业发展为主,开垦耕地是农民最有效的致富方式,因此2000—2010年耕地出现增加、未利用地减少的规律。但西北地区生态环境相对脆弱,国家实施退耕还林还草、植树造林工程,加上2010年后城镇现代化建设的快速发展,导致大量耕地、草地、未利用地被占用,与2000—2020年耕地、草地和灌木地面积呈先增后减的变化趋势的相符。2000—2020年武威市人口减少了45.1万人,并不影响房地产和农业的快速发展,也表明在近20 a内,人口不是影响武威市土地利用/覆被类型变化的主要因素。

表7 2000—2020年武威市社会经济因素统计Table 7 Statistics of socio-economic factors in Wuwei City from 2000 to 2020

综上所述,武威市土地利用/覆被变化的主要驱动力为社会经济因素,其中GDP、房地产投资、政府政策对土地利用/覆被类型的变化影响显著。因此,经济增长和房地产投资等社会经济因素和国家宏观政策是2000—2020年武威市土地利用结构调整和变化的主要驱动力。

3 结论

(1)2020年武威市土地利用类型以裸地为主,裸地面积为17 628.2 km2,占武威市总面积的53.24%,主要分布在研究区的北部荒漠区。武威市土地利用/覆盖面积绝对变化量为:草地>裸地>人造地表>林地>耕地>湿地>水体>灌木地>冰川积雪。其中耕地、草地和灌木地面积呈先增后减,林地和人造地表面积呈先减后增,湿地和水体面积呈持续增加,裸地面积呈持续减少的现象。

(2)2010—2020年人造地表的单一动态度达441.0%,明显高于上个10 a,说明该时期武威市近年来城镇化现代化建设发展速度十分可观。2000—2020年,武威市灌木地、林地综合动态度最高,表明两者稳定度较低,其次是人造地表、水体和冰川积雪,裸地、耕地、草地和湿地4种土地利用/覆盖类型在20 a内动态度较低,相对比较稳定。

(3)2000—2010年,耕地面积增加了69.5 km2,主要来自与人造地表的互转。草地是武威市土地利用类型变化最大的类型,草地增加的面积为1 111.2 km2,主要来自林地和裸地的转入。在2010—2020年耕地面积减少288.7 km2,主要转出方向为人造地表、草地和裸地。人造地表面积增加速度较快,增加面积为546.0 km2,主要来自于耕地和裸地。整体而言,2000—2020年武威市土地利用主要转移方向呈现耕地转入人造地表、林地转入草地、裸地转入耕地和人造地表的现象。

(4)气温和降雨量对武威市土地利用/覆被变化的影响相对有限,只对湿地、水体和林地等土地利用/覆被类型有一定影响。武威市土地利用/覆被变化的主要驱动力为社会经济因素,其中GDP、房地产投资、政府政策对土地利用/覆被类型的变化影响显著。因此,经济增长和房地产投资等社会经济因素和国家宏观政策是2000—2020年间武威市土地利用结构调整和变化的主要驱动力。