內(nèi)蒙古土地利用覆被變化的時(shí)空特征及驅(qū)動(dòng)因素

內(nèi)蒙古土地利用覆被變化的時(shí)空特征及驅(qū)動(dòng)因素

1土地利用變化內(nèi)蒙古是中國(guó)全球變化最宏觀的敏感地區(qū)之一。1980s中期以來,受農(nóng)產(chǎn)品購(gòu)銷體制及價(jià)格、區(qū)域氣候暖干化趨勢(shì)、生態(tài)保護(hù)政策和工程等因素的影響,該區(qū)域的耕地開墾、草地退化及荒漠化問題日益嚴(yán)重。近幾十年的區(qū)域土地利用/覆被變化引人注目,徐廣才等分析了1995-2000年錫林郭勒盟土地利用變化,采用典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)方法考察了氣候、地形、區(qū)位和人類活動(dòng)等與土地利用變化空間分布的關(guān)系;戰(zhàn)金艷等利用1980s、1990s后期的美國(guó)陸地衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),以動(dòng)態(tài)圖斑分析了內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地利用變化的特征;張峰等用1980s中后期和2000年2期TM/ETM+影像,依托變化轉(zhuǎn)移矩陣,分析了內(nèi)蒙古森林草原交錯(cuò)帶各旗市近15年的土地利用變化;張銀輝等利用1985、2000年土地利用數(shù)據(jù),采用轉(zhuǎn)移矩陣,對(duì)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的土地利用變化總體特征、速度、變化過程、景觀級(jí)別的動(dòng)態(tài)特征以及景觀生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了分析;鄭水林等利用遙感影像,借助于變化速度、動(dòng)態(tài)度、土地利用綜合指數(shù),分析了章古臺(tái)地區(qū)1988-2009年間的土地利用變化及驅(qū)動(dòng)力。相關(guān)的研究成果顯示:1980s中后期至2000年,受人口、降水等因素的影響,內(nèi)蒙古北部山區(qū)草原區(qū)的草地退化較為明顯,內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶、森林草原交錯(cuò)帶的林草地開墾、森林砍伐、水域萎縮幅度較大,但內(nèi)蒙古河套灌區(qū)等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)的土地利用/覆被變化幅度較小;1995-2000年間一批生態(tài)政策與工程的相繼實(shí)施,不僅使得一些主要沙塵源地(如科爾沁沙地)的草地沙化態(tài)勢(shì)得到明顯控制,也有效遏制了農(nóng)牧交錯(cuò)帶、森林草原交錯(cuò)帶的開墾浪潮。這些研究中,多數(shù)是引用指數(shù)模型,側(cè)重于LUCC變化過程和(或)格局的對(duì)比分析,并闡明研究區(qū)“氣候變化和(或)人類活動(dòng)各個(gè)分量”與“區(qū)域土地利用/覆被狀況時(shí)空變化特征和趨勢(shì)”之間的關(guān)系。但是,由于這類研究所涉及的范圍較小,且較少考慮到研究區(qū)的地形分異,加之他們所采用的數(shù)據(jù)及所考慮的因素不一(如,驅(qū)動(dòng)力分析時(shí),多是氣候變化或社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的單方面分析;即便是綜合考慮到自然與人文因子,也多是各因子的簡(jiǎn)單羅列或疊加),因此,研究結(jié)果的科學(xué)性、系統(tǒng)性有待加強(qiáng),也不能在一個(gè)較大的范圍銜接形成較規(guī)律的整體性結(jié)論,較少具有系統(tǒng)確切的實(shí)際指導(dǎo)作用。內(nèi)蒙古地處我國(guó)地勢(shì)第一、二階梯的交界處,區(qū)內(nèi)東西差異較大,因此,本文在考慮到地形因素的基礎(chǔ)上,交叉采用區(qū)域?qū)Ρ确椒ā⑾到y(tǒng)論的相關(guān)方法,分析了研究區(qū)近30年來“土地利用/覆被變化過程、時(shí)空格局、驅(qū)動(dòng)因素”的大尺度差異及類同特征,以便為該地區(qū)的農(nóng)、林、牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供切實(shí)有用的輔助決策科學(xué)依據(jù)。2研究區(qū)域的特征和數(shù)據(jù)2.1原牧業(yè)區(qū)向平原耕作農(nóng)業(yè)區(qū)轉(zhuǎn)變的分布特征內(nèi)蒙古(37°24′~53°23′N,97°12′~126°04′E)位于我國(guó)北疆,下轄9個(gè)地級(jí)市、3個(gè)盟,總面積118.3萬km2。全區(qū)自西南向東北呈狹長(zhǎng)弧形斜伸,地勢(shì)總體呈西北-東南方向自山區(qū)草原牧業(yè)區(qū)向平原耕作農(nóng)業(yè)區(qū)轉(zhuǎn)變的分布特征:全區(qū)地貌以蒙古高原為主體,高原四周的大興安嶺、陰山、賀蘭山等山脈構(gòu)成了內(nèi)蒙古高原地貌的脊梁;在大興安嶺的東麓、陰山腳下和黃河岸邊,有嫩江西岸平原、西遼河平原、土默川平原、河套平原及黃河南岸平原。內(nèi)蒙氣候以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?自西南向東北,全區(qū)依次穿越西北內(nèi)陸干旱、半干旱區(qū),而向東南沿海半濕潤(rùn)、濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)過渡。該區(qū)自西向東,年平均氣溫從10℃降至-5℃,年均降水由35mm增至530mm。區(qū)域內(nèi)植被帶為近經(jīng)向的空間分異特征:從西到東依次為荒漠帶、荒漠草原帶、典型草原帶、森林草原帶、山地針葉林和闊葉林帶,形成自西向東階梯變好的“氣候-植被-土壤帶”。2.2土地資源分類系統(tǒng)本文采用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的(1980s末、2000年和2005年)3期1:10萬土地利用/覆被矢量數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)集基于LandsatTM和ETM遙感圖像,經(jīng)人機(jī)交互解譯、野外實(shí)地考察驗(yàn)證,準(zhǔn)確率分別達(dá)到92%和95%;該數(shù)據(jù)集所采用的土地資源分類系統(tǒng)包括6個(gè)一級(jí)類型和25個(gè)二級(jí)類型:其中,一級(jí)類型包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地;二級(jí)類型則根據(jù)土地的覆蓋特征、覆蓋度和人為利用方式上的差異作了進(jìn)一步的細(xì)分。為便于協(xié)同計(jì)算,將研究區(qū)的主要土地利用/覆被類型調(diào)整為如表1所示的10類。3內(nèi)蒙古地區(qū)的土地利用、時(shí)間特征的分析3.1土地利用動(dòng)態(tài)度模型為了表征研究區(qū)土地利用/覆被的變化量、變化方向、變化空間形式,本文采用變化率指數(shù)計(jì)算了單一地類的面積變化,用轉(zhuǎn)移矩陣分析了地類間的面積轉(zhuǎn)移,以動(dòng)態(tài)度指數(shù)突出了熱點(diǎn)地區(qū)各地類間變化的空間形式,較為完整地展示出其土地利用/覆被變化的時(shí)空變化及轉(zhuǎn)移規(guī)律。首先,在全區(qū)尺度上,采用式(1)的土地利用動(dòng)態(tài)度模型表述研究區(qū)單一土地利用/覆被類型的時(shí)空變化,及其主導(dǎo)轉(zhuǎn)變類型:式(1)中,S表示與t時(shí)段對(duì)應(yīng)的研究區(qū)土地利用/覆被變化速率;Si表示前期第i類土地利用/覆被類型的總面積;ΔSij表示前、后兩期間第i類土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩?覆被類型的面積總和;t是前、后期間的年數(shù)。繼而,將3期LUCC數(shù)據(jù)分別疊加內(nèi)蒙古地級(jí)市行政界線,采用轉(zhuǎn)移矩陣法表征(近30年來)兩個(gè)時(shí)期各研究分區(qū)研究期初各主要LUCC類型的流失去向和研究期末各主要LUCC類型的來源與構(gòu)成。轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)形式為:式(2)中,S代表面積;n代表土地利用/覆被的類型數(shù);i、j分別代表研究期初、研究期末的土地利用/覆被類型。最后,從自然因素和人為因素兩個(gè)方面,在考慮到地形差異的基礎(chǔ)上,考察引起這些主要轉(zhuǎn)變的相關(guān)因素。3.2ucc類型覆被類型分布受制于自西向東逐漸降低的地形地勢(shì)、階梯變好的氣候-植被-土壤帶,內(nèi)蒙古地區(qū)從西到東“荒漠-草原-森林”相繼轉(zhuǎn)變的植被帶空間分布分異格局(圖1)極為明顯。全區(qū)近30年來各LUCC類型總面積百分比占比(表2)相對(duì)穩(wěn)定:草地面積占比維持在46%~47%,其中,高覆蓋、中覆蓋、低覆蓋草地分別保持20%~22%、16.2%、9.2%的占比;其他覆被面積較大的沙地與戈壁及裸地、林地、耕地的覆被面積占比分別占研究區(qū)總面積的25.3%、12.6%、9.7%左右;土地覆被類型面積較小的灌叢、水體與沼澤和建設(shè)用地分別僅占研究區(qū)總面積的1.8%、3.1%和1%左右;荒漠的面積不足1km2。據(jù)此,本文主要分析:林地、高覆蓋草地、耕地、中覆蓋草地、低覆蓋草地、沙地戈壁及裸地6類土地利用類型的變化情況。3.3土地使用類型的時(shí)空變化特征3.3.1耕地、林草地、中低覆蓋度草地的增加與減少近30年來,在1980s末至2000年的第一階段(表3、圖2):耕地、中覆蓋草地、低覆蓋草地在某些地區(qū)有明顯或顯著的增加;同時(shí),林地、高覆蓋草地、耕地、中覆蓋草地、低覆蓋草地在另一些地區(qū)則明顯減少,這些轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出最終使得研究區(qū)的林地、高覆蓋草地分別以每年0.18%、0.28%的速度明顯減少,而耕地以每年0.67%的速度顯著增加。其中,嫩江平原及遼河平原不少“林地、高覆蓋草地被開墾為耕地”、河套平原則多有“中低覆蓋度草地被開墾為耕地”;呼倫貝爾高原“林地、高覆蓋草地、耕地或退化(或退耕)為中低覆蓋草地”;鄂爾多斯高原部分地區(qū)多是“林地、高覆蓋草地退化為中低覆蓋草地”;此外,錫林郭勒高原與烏蘭察布高原結(jié)合部“中低覆蓋草地明顯增加”,而各高覆蓋草地退化區(qū)零散夾雜著“中低覆蓋草地的減少”。在2000-2005年的第二階段(表3、圖3):除耕地(增加)、林地(減少)外的所有類型間的轉(zhuǎn)變均較前一階段更為快速,最終使得該時(shí)段研究區(qū)累計(jì)動(dòng)態(tài)度最高的LUCC類型轉(zhuǎn)變?yōu)?中低覆蓋度草地的-0.26%/a、-0.34%/a,以及耕地、沙地戈壁及裸地的0.14%/a、0.21%/a。其中,在大興安嶺北部,“林地、高覆蓋草地的增加與減少基本保持動(dòng)態(tài)平衡”;在大青山及鄂爾多斯高原東北部分地區(qū),有較為明顯的“耕地退為林地、高覆蓋草地”的跡象;而鄂爾多斯高原“中低覆蓋度草地顯著減少”,但其西部地區(qū)“中低覆蓋度草地明顯增加”,其東南部“沙地戈壁及裸地明顯增加”;錫林郭勒高原“中低覆蓋度草地較顯著的減少”;遼河平原、呼倫貝爾高原中部條帶地區(qū)“耕地較顯著增加”;而各山區(qū)草原區(qū)多夾雜著林地、高覆蓋草地的明顯增加。3.3.2土地利用/覆被變化細(xì)化到12個(gè)研究分區(qū),可以看到(表4):在1980s-2000時(shí)段,發(fā)生在呼倫貝爾、興安盟、赤峰市、通遼市等嫩江遼河平原耕作區(qū)的“高覆蓋草地開墾”和發(fā)生在錫林郭勒、鄂爾多斯、巴彥淖爾、阿拉善盟等山區(qū)草原區(qū)的“草地退化及荒漠化”尤為集中;在2000-2005時(shí)段,平原耕作區(qū)的耕地開墾浪潮已明顯弱化,山區(qū)草原區(qū)盡管還存在較嚴(yán)重的草地退化及荒漠化,但在一些重點(diǎn)區(qū)域,或是得益于一系列“退耕還林(草)”和“草地恢復(fù)”工程,已經(jīng)開始出現(xiàn)大面積的林地、草地轉(zhuǎn)好現(xiàn)象。根據(jù)表4所列空間格局特征,將12個(gè)地級(jí)市的主要土地利用/覆被變化歸結(jié)為如下4種主要LUCC轉(zhuǎn)變類型(表5):林草地開墾、耕地退耕或撂荒、草地退化及荒漠化、草地好轉(zhuǎn)。各研究分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:2000年之后,平原耕作區(qū)的耕地開墾得到明顯的控制,但草地退化及荒漠化趨勢(shì)加強(qiáng),在山區(qū)草原區(qū),草地退化及荒漠化仍未得到有效抑制。4生態(tài)系統(tǒng)概念框架目前,在土地利用/覆被及生態(tài)狀況變化驅(qū)動(dòng)力研究中,越來越多的研究與實(shí)踐是基于“自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)”這一復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)概念框架,綜合考慮“氣候變化等自然因素和政府、社會(huì)個(gè)體或群體追求效益最大化的人類生產(chǎn)活動(dòng)及其與區(qū)域自然條件的相互影響”。近30年來,內(nèi)蒙古地區(qū)6種主要土地利用/覆被類型一直主導(dǎo)著平原耕作區(qū)(林草地開墾、耕地退耕或撂荒)和山區(qū)草原區(qū)(草地退化及荒漠化、草地好轉(zhuǎn))的4類土地利用/覆被變化過程。4.1宏觀生態(tài)功能下降,制約了社會(huì)可持續(xù)發(fā)展自1978年開始,內(nèi)蒙古自治區(qū)政府逐步有效控制了前期人口快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭,但由于人口基數(shù)已經(jīng)變大,而且近30年來,包頭、呼和浩特等西部7市的5年平均人口增長(zhǎng)率(1980s-2000時(shí)段平均為9%;2000-2010時(shí)段平均為8.18%)一直高于除興安盟外的東部其他4市(1980s-2000時(shí)段平均為5.8%;2000-2010時(shí)段平均為0.23%),使得西部7市的糧食、能源除部分來自平原區(qū)的調(diào)配,還在較大程度上依賴于本區(qū)過度放牧、過度采樵等不合理資源利用方式,進(jìn)而使得多數(shù)地級(jí)市宏觀生態(tài)功能明顯下降,轉(zhuǎn)而威脅到了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。面對(duì)這種情況,國(guó)家相繼推動(dòng)了“三北防護(hù)林”、“退耕還林(草)”等一批生態(tài)工程的實(shí)施。4.2土地開發(fā)實(shí)踐近年來,內(nèi)蒙古地區(qū)的氣溫有所變暖,使地區(qū)光熱資源更符合農(nóng)作物生長(zhǎng),在短期利益的驅(qū)動(dòng)下,1980s末起,地方政府、當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民、外來投資者充分調(diào)動(dòng)自身可利用資源,競(jìng)相投入到耕地開墾浪潮中,促進(jìn)了傳統(tǒng)的林草地向耕地的轉(zhuǎn)變:1980s中期至1990s初期,畜牧產(chǎn)品價(jià)格受市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的影響下跌、糧食價(jià)格因購(gòu)銷體制尚未放開而繼續(xù)實(shí)行保護(hù)價(jià)收購(gòu),使得開荒種地比經(jīng)營(yíng)畜牧業(yè)更有利可圖,而且在全國(guó)新一輪后備土地資源開發(fā)浪潮的推動(dòng)下,許多牧民紛紛棄牧從農(nóng),大面積開墾區(qū)內(nèi)開發(fā)成本較小、見效較快的林地及高覆蓋草地,十幾年間累計(jì)開墾各類土地141萬hm2。另外,過度開發(fā)致使研究區(qū)1990s后期的生態(tài)環(huán)境日趨惡化,最終引發(fā)了2000年北方春季沙塵暴災(zāi)害。鑒此,有關(guān)部門相繼推動(dòng)實(shí)施了“三北防護(hù)林”、“退耕還林還草”等自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程,至2004年12月,已累退耕74.3萬hm2,累計(jì)新造林124.9萬hm2,初步扭轉(zhuǎn)了相關(guān)地區(qū)耕地持續(xù)快速增加的勢(shì)頭,使得全區(qū)宏觀生態(tài)環(huán)境有所恢復(fù)。4.3植被恢復(fù)增加下草地群落1982-2000年,北部山區(qū)草原區(qū)的草地退化在較大程度上,受制于區(qū)域年際降水的變化;另外,盡管大牲畜的數(shù)量有所減少,但1994年以來,經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的羊等畜種明顯增加,加之因人口急劇增加所導(dǎo)致的大量新增能源需求,使得(主要是廣大農(nóng)村地區(qū)的)過度放牧、過度采樵等引起研究區(qū)64.4萬hm2的高中覆蓋草地退化和43.4萬hm2的高中低覆蓋草地沙漠化。2000年北方春季沙塵暴之后,盡管植樹種草、禁牧輪牧和防沙治沙等生態(tài)措施的實(shí)施,使得一些主要沙塵源地(如毛烏素沙地和科爾沁沙地)48.4萬hm2的草地覆蓋狀況持續(xù)好轉(zhuǎn),但這一時(shí)段該地區(qū)年牲畜總頭數(shù)急劇上升,不斷增長(zhǎng)的放牧壓力使得草原區(qū)中部的大部分區(qū)域5年間71.9萬hm2的草地覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。5草地退化、荒荒地開發(fā)趨勢(shì)本文分析了近30年來內(nèi)蒙古全區(qū)及12個(gè)地級(jí)市2個(gè)時(shí)間段內(nèi)LUCC的過程及時(shí)空格局,得出如下結(jié)論:(1)受地形及氣候-植被-土壤帶的影響,內(nèi)蒙古地區(qū)高中低覆蓋度草地、沙地與戈壁及裸地、林地、耕地占據(jù)了全區(qū)97%以上的面積。(2)內(nèi)蒙古地區(qū)土地利用/覆被的劇烈變化表現(xiàn)出如下特點(diǎn):(1)2000年以前,研究區(qū)的土地利用覆被變化,以平原耕作區(qū)每年9.4萬hm2的“林地、高覆蓋草地開墾”和山區(qū)草原區(qū)每年7.2萬hm2的“草地退化及荒漠化”為主;(2)2000年以后,平原耕作區(qū)的耕地開墾得到明顯的控制,開墾速度下降至每年6.1萬hm2,但草地退化及荒漠化速度提高到1.1萬hm2/a,與此同時(shí),山區(qū)草原區(qū)的草地退化及荒漠化速度達(dá)到每年13.3萬hm2,生態(tài)退化態(tài)勢(shì)尚未得到有效抑制。(3)2000年以前,經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)、國(guó)家宏觀政策是平原耕作區(qū)耕地開墾的主要因素,經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)、氣候變化共同驅(qū)動(dòng)了山區(qū)草原區(qū)的