農牧交錯帶耕地時空動態變化特征及驅動力分析
——以烏蘭察布市為例

孔 萌, 蘇根成, 遲文峰

(1.內蒙古師范大學, 呼和浩特 010020; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京 100101; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

農牧交錯帶耕地時空動態變化特征及驅動力分析
——以烏蘭察布市為例

孔 萌1, 蘇根成1, 遲文峰2,3

(1.內蒙古師范大學, 呼和浩特 010020; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京 100101; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

采用烏蘭察布市1990—2010年遙感解譯獲取的土地利用變化數據，研究中國北方農牧交錯帶中烏蘭察布市1990年以來耕地時空動態變化過程。結合土地利用動態度模型對不同類型的耕地轉入轉出速度進行計算，并采用空間轉移矩陣等方法分析了烏蘭察布市1990—2010年耕地演化的時空過程，探討了影響耕地變化的驅動因子。結果表明：1990—2010年期間，烏蘭察布市耕地變化主要是以耕地和草地交替變化為主；1990—2000年期間耕地增加，耕地增加以草地變耕地為主，2000—2010年期間耕地減少，減少的耕地以耕地變草地、林地為主；1995—2005年這10 a烏蘭察布市耕地變化最為顯著，平均動態度為0.55%；人口因素、自然因素、政策因素和生態工程的實施是烏蘭察布市耕地變化的主要驅動因子。

農牧交錯帶; 耕地變化; 遙感; 驅動力; 烏蘭察布市

隨著地區經濟的發展、人類活動的加劇與全球氣候變化極端氣候的頻繁發生，土地利用格局發生了巨大的變化，生態服務功能與土地利用模式在很大尺度上發生了重大改變，1995年IGBP和IHDP共同擬定并發表了《土地利用/土地覆蓋變化科學研究計劃》，之后土地利用/覆蓋變化受到了國外國內科學家的廣泛關注[1-2]。土地利用被認為是引起區域生態環境問題的主要因素，越來越成為全球變化研究的焦點[3]，而耕地變化是區域土地利用變化的核心[4]。耕地資源動態變化的空間格局直接反映了城鄉居民點擴展、退耕還林、還草、國土資源開發等宏觀政策對中國土地利用/土地覆蓋變化的影響[5]。

北方農牧交錯帶是我國東部農業區和西部牧業區的過渡地帶，沙漠化、草地退化使其成為我國生態問題最嚴重的農牧交錯帶[6]。烏蘭察布市屬陰山北麓農牧交錯地帶，風蝕水蝕災害嚴重，土地利用類型以草地、耕地為主。以烏蘭察布市為研究區較具典型性。針對北方農牧交錯帶，前人主要對北方農牧交錯帶的土地利用格局進行了研究[7-9]，很少針對某一土地類型進行分析研究。本文結合干暖化氣候，分析近20 a烏蘭察布市耕地時空變化特征及驅動因子，以期為區域土地優化利用及農業可持續發展提供一定決策支持。

1 實驗材料與方法

1.1 研究區概況

烏蘭察布市地處內蒙古自治區中部，轄11個旗、縣、市、區和1個經濟技術開發區，即：集寧區、察哈爾經濟技術開發區、卓資縣、化德縣、商都縣、興和縣、涼城縣、四子王旗、察哈爾右翼前旗、察哈爾右翼中旗、察哈爾右翼后旗和豐鎮市。面積為5.45萬km2，范圍為東經109°—114°49′、北緯39°37′—42°28′，總人口289萬，地處中溫帶，屬大陸性季風干旱、半干旱氣候。年平均降水量150～450 mm。全市從北向南主要土壤為棕鈣土、栗鈣土、栗褐土3大土類。土地利用類型主要有草地、耕地、林地，以草地、耕地為主。

1.2 數據源

本文土地利用變化數據基于中國科學院TM提取制作的全國1∶10萬土地利用數據庫，包括：1990年、1995年、2000年、2005年和2010年研究區土地利用/覆蓋變化(LUCC)數據。

1.3 研究方法

本研究采用《土地利用現狀分類》國家最新標準，將一級地類屬性劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6大類。基于1990年、1995年、2005年和2010年4期LUCC數據，通過GIS空間分析功能和劉紀遠等提出的綜合土地利用動態度模型[10]，分析烏蘭察布市耕地動態變化。采取定性與定量相結合的方法分析其驅動因子。

綜合土地利用動態度模型，針對某一種土地利用類型在一個時間段內可能存在的新增和減少兩種情況，可以將變化分為轉入和轉出兩部分[11]：

Vout=(ΔSi-j/Si)×(1/T)×100%

(1)

Vin=(ΔSj-i/Si)×(1/T)×100%

(2)

式中：Vout——第i種土地利用類型在監測期間的轉出速率；Vin——第i種土地利用類型在監測期間的轉入速率；ΔSj-i——新轉入的耕地面積，即為耕地開墾面積；ΔSi-j——轉出的耕地面積，即為耕地退耕面積；Si——研究前期耕地面積；T——研究時段長度。

2 結果與分析

2.1 烏蘭察布市耕地的空間分布與面積變化

2010年烏蘭察布市耕地面積171.65萬hm2，占市面積的31.50%。從各旗縣內部土地利用結構來看，除四子王旗和察哈爾右翼后旗外，其余各旗縣的耕地比例最大。2010年烏蘭察布市耕地空間分布如圖1所示，耕地廣泛分布于烏蘭察布市各旗縣，烏蘭察布市耕地以旱地為主，主要集中在烏蘭察布市的南部地區。

圖1 2010年烏蘭察布市耕地分布

從圖2看出，前10 a間，烏蘭察布市耕地先減少后增加，變化總趨勢表現為面積的凈增加，新增耕地1.20萬hm2。2000—2010年10 a間，烏蘭察布市耕地變化的總特點為耕地面積持續減少，整個時段內，耕地減少3.71萬hm2，其中，2000—2005年間減少3.62萬hm2，年均減少0.72萬hm2。

圖2 1990-2010年烏蘭察布市耕地總面積

2.2烏蘭察布市耕地轉換的時空特征

根據1990—2010年烏蘭察布市耕地與其他土地利用類型交替演變數據(表1)，其耕地收縮與擴張特征表現為：除未利用地之外，20 a間耕地在與其他土地利用類型轉換過程中均處于凈轉出狀態，其中以耕地與草地相互轉變為主。耕地轉變為草地是耕地減少的主流方向，20 a期間耕地因轉變為草地減少了1.67萬hm2，占耕地轉出總面積的73.88%。其次是耕地轉為林地和建設占用耕地。耕地開墾主要以草地開墾為主，20 a期間草地開墾為耕地面積4.23萬hm2，占耕地轉入總面積的77.07%；其次為未利用地的開墾。

表1 1990-2010年烏蘭察布市耕地轉入轉出

為了更好地反映耕地總體變化狀況和時空差異，利用土地利用動態度模型[11]，以與耕地轉換的其他土地利用類型為劃分單元，計算1995—2000年、2000—2005年和2005—2010年三個時間段耕地動態變化度。結合表2，1995—2000年耕地變化最為激烈，動態度1.45%，2000—2005年同比 1995—2000年動態度低0.7%。2005—2010年耕地變化動態度趨于0。1995—2000年新增耕地8.72萬hm2，退耕面積3.66萬hm2，耕地凈增加5.06萬hm2；2000—2005年新增耕地1.46萬hm2，退耕面積5.09萬hm2，耕地凈減少3.36萬hm2；2005—2010年耕地變化不大，新增耕地總面積0.08萬hm2，退耕面積0.17萬hm2，耕地凈減少0.09萬hm2。1995—2005年10 a間耕地變化呈倒“V”型變化。

從與其他土地利用類型相互轉換的動態度看，耕地與草地相互轉換的動態度最大，1995—2010年間動態度值達到0.93%。期間，1995—2000年最為激烈，草地轉向耕地6.75萬hm2，動態度為0.79%，耕地轉向草地3.48萬hm2，動態度為0.41%。2000—2005年退耕還林、還草的面積大于林地、草地開墾為耕地的面積。尤其是林地，1995—2000年林地開墾為耕地的面積為0.93萬hm2，而2000—2005年退耕還林面積達到0.94萬hm2。1995—2005年期間，耕地用于建設用地的面積為0.42萬hm2，主要集中在2000—2005年期間，耕地轉為建設用地的面積達到0.37萬hm2。2005—2010年有0.001 8萬hm2的建設用地轉為耕地。1995—2010年耕地撂荒面積為0.20萬hm2，未利用地開墾為耕地面積為1.02萬hm2，未利用地變廢為寶變為耕地主要集中在1995—2000年，0.96萬hm2未利用地轉為耕地。

表2 不同時期耕地轉入轉出類型及面積

2.3 耕地變化驅動力分析

縱觀國內外耕地變化驅動力的研究，主要包括人口變化、社會經濟、政策調控和自然因素[12-17]。通過收集到的烏蘭察布市的資料及文獻得知，烏蘭察布市的耕地變化主要受人口變動[18]、宏觀政策[19-20]和氣候[21]的影響。

(1) 自然因素影響。烏蘭察布市特殊的地理位置和地形條件造成了多旱少澇、多風低溫、無霜期短、局部性暴雨、冰雹等氣象災害,而以旱災最為頻繁,是影響當地農牧業生產不穩定的主要原因[17]。而降水和氣溫的變化與當地旱作為主的種植有密切的關系，也間接影響了耕地的變化。烏蘭察布市1980—2009年30 a平均降水量為353.04 mm，平均氣溫為4.33℃。30 a期間，年平均降水量處于線性下降的態勢，而氣溫一直處于線性上升的發展趨勢，烏蘭察布市的干暖化現象導致部分土地荒漠化，使耕地、草地及其他用地的用地面積減少。20 a間耕地撂荒面積為0.28萬hm2。以2000—2005年耕地撂荒面積最大(表2)，達到0.17萬hm2，占此5 a間耕地減少總面積的3.3%。

(2) 人口因素。人口增長是耕地變化不可忽視的驅動力之一。1990—2009年烏蘭察布市人口由269.74萬人增加到289.72萬人，近20年一直處于持續增長的態勢。不斷增加的人口對土地造成了壓力，加劇了糧食需求，大面積的毀林開荒、墾草種糧，使耕地面積不斷增加，1995—2000年，5 a間毀林開荒0.93萬hm2、墾草種糧6.75萬hm2。2000年耕地面積達到峰值175.37萬hm2。2000年以后耕地面積持續減少。城市化的發展，加速農村人口向城市的流動，導致部分耕地轉變為建設用地。2000年以后耕地轉變建設用地的速率明顯增加，至2010年建設用地占耕地面積0.47萬hm2，占2000—2010年耕地減少總面積的8.9%。2005—2010年，耕地轉為建設用地是此期間耕地減少的主要原因。

(3) 政策因素。烏蘭察布市耕地變化與政策性因素關系很大。國家及烏蘭察布市政府出臺的一系列政策直接影響了烏蘭察布市土地利用的變化。20世紀六七十年代“以糧為綱”的口號使得人們大面積的毀林墾草種糧，耕地面積迅速增加，但由于對大自然的過度索取，再加上人們對土地的不合理利用使烏蘭察布市的生態環境惡化，使烏蘭察布市陷入了“糧化—沙化—貧困化”的惡性循環中。為了擺脫這種惡性循環，1994年烏蘭察布市政府提出了“進一退二還三”戰略，即每人保證0.067 hm2水澆地、每人退掉0.133 hm2旱地、對不宜農的坡耕地退耕還林、還草、還牧。2000年國家開始實施西部大開發戰略,退耕還林(草)、京津風沙源治理、天然林保護等一系列國家生態建設工程的相繼啟動，耕地面積開始減少，尤其在2000—2005年期間耕地面積迅速減少(圖2)，退耕還林0.94萬hm2、還草3.57萬hm2，分別占此期間耕地減少總面積的18.5%和70.16%，可見，退耕還草是耕地減少的主要原因；2005—2010年耕地減少速度較為緩慢。

3 結論與討論

(1) 近20 a間，耕地總面積保持先增加后減少的變化趨勢。1990—2000年期間耕地整體增加，凈增耕地1.20萬hm2，以草地變耕地為主；2000—2010年期間耕地整體減少，凈減少耕地3.71萬hm2，減少的耕地以耕地變草地、林地為主。1990—2000年期間耕地增加的速度低于2000—2010年期間耕地減少的速度。

(2) 1995—2000年、2000—2005年和2005—2010年三個時間段中，1995—2000年耕地變化最為激烈，耕地變化動態度為1.45%，而2005—2010年耕地變化動態度趨于0。

(3) 近20 a期間，烏蘭察布市耕地與其他土地利用類型相互轉換過程中,轉換動態度由大到小為草地、林地、未利用地、建設用地、水域。動態度依次為1.75%，0.26%，0.14%，0.06%，0.03%。

北方農牧交錯帶是中國北方生態環境極端脆弱的地區之一[5]。內蒙古烏蘭察布市是我國北方農牧交錯帶生態治理的重點區域, 同時也是國家啟動的風沙源治理、退耕還林還草等各類生態環境治理建設工程的實施地點，土地利用格局多樣突出且干暖化效應突出，代表性很強。通過研究發現，土地利用格局的變化是影響生態系統脆弱性的重要因素之一。近年來人類活動的加劇，特別是耕地開墾引起的土地退化等問題，并伴隨氣候變化帶來的干旱化氣候正使得原本脆弱的農牧交錯帶生態環境面臨巨大壓力，在耕地的變化與大部分區域氣溫升高的干暖化趨勢共同作用下激化了資源、生態環境與社會經濟發展之間的矛盾。因此，針對北方農牧交錯帶生態系統脆弱性，應結合氣候特征，因地制宜調整各地土地利用方式，合理利用土地，提高土地利用率，以保障北方農牧交錯帶的生態安全。

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SpatiotemporalVariationandDrivingForcesonCultivatedLandChangeinTransitionalAreabetweenPastoralandAgricutural—ACaseofCultivatedLandChangeofUlanqab

KONG Meng1, SU Gen-cheng1, CHI Wen-feng2,3

(1.InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010020,China; 2.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,Beijing100101,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

According to the land use change data by remote sensing images from 1990 to 2010, this paper studied the quantitative dynamic changes of cultivated land in Ulanqab City in the farming-pastoral zone of north China. Some mathematic models were used to study the spatiotemporal change of cultivated land from 1990 to 2010 in Ulanqab City, such as land use dynamic degree model, land use type transferring matrix model, and discussed its driving factors. The results indicate that the change of cultivated land in Ulanqab City from 1990 to 2010, was mainly the cultivated land and grass land changes alternately; the increase of cultivated land from 1990 to 2000,was mainly from grassland, and the cultivated land was decreased in 2000—2010, which was changed into grassland and woodland; during years of 1995—2005, cultivated land change was most significant and the average dynamic degree of land use was 0.55%; population growth, nature conditions, policies and the implementation of ecological engineering were the major driving factors.

ecotone; cultivated land; remote sensing; driving forces; Ulanqab City

2013-09-30

：2013-11-05

國家自然基金西部地區基金“耕地動態與干暖化對北方農牧交錯帶生態系統干擾作用以及影響機理——以烏蘭察布市為例”(41161015);中國科學院重點部署項目課題(編號KSZD-EW-Z-021-02);“全球變化與區域可持續發展耦合模型及調控對策”項目(2014CB954300)之第二課題“區域生態系統服務和人類福祉關系模型”專題

孔萌(1989—),女(蒙古族),內蒙古鄂爾多斯人,碩士研究生,研究方向:土地資源開發利用與管理。E-mail:meng15849182177@163.com

蘇根成(1957—),男,陜西府谷人,教授,研究方向:土地資源開發利用與管理。E-mail:sugc1128@sina.com

F301.2

：A

：1005-3409(2014)02-0269-04