1973—2015年塔爾湖農業區土地利用/覆蓋變化分析

葉夢旎 蔡茂堂 傅連珍 楊星辰 李成路 周維 劉超

摘要以河套農業區塔爾湖地區1973—2015年的5期遙感影像為主要數據源，應用分層提取和監督分類方法，獲取了研究區土地利用/覆蓋信息，并對土地利用/覆蓋動態進行了分析。結果表明，近42年來，塔爾湖地區土地利用/覆蓋格局沒有發生顯著變化。耕地面積除在1987—1995年有所降低外，基本保持著每年0.4%的速率增長。城鄉工礦居民用地面積呈逐年增加的趨勢。未利用土地面積逐年減少，其中以沙地面積減少最多。土地鹽堿化總面積在1973—2006年穩步降低，而在2006年后轉為增長。塔爾湖地區土地利用/覆蓋變化受控于自然和人為因素的雙重作用。1973—2015年研究區在土壤鹽堿化改良和沙漠化防治等方面取得良好的效果，但2006—2015年不合理的灌溉和耕地的過度利用使得土壤鹽堿化程度增加。

關鍵詞衛星遙感；土地利用/覆蓋變化；鹽堿化；塔爾湖

中圖分類號F301.2文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）32-0194-06

Land Use/Cover Changes in Tarhu Agricultural Region from 1973 to 2015

YE Mengni1，CAI Maotang2*，FU Lianzhen3 et al（1.Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037；2.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081； 3.Chinese Academy of Land and Resource Economics，Beijing 101149）

AbstractBased on visual interpretation of remote sensing images in 1973，1984，1995，2006 and 2015，the land use/cover databases of Tarhu region was established.Then the process，trends of the land use / cover change and its driving forces were analyzed.The results showed that：The basic pattern of land use/cover of Tarhu region didn't change from 1973 to 2015.The area of farmland and woodland increased in 0.4% annual growth rate，except from 1987 to 1995.The urbanland area increased more rapidly，while the unused land （mainly sandy land） area and water area decreased since 2006.The soil salinization land area steadily reduced from 1973 to 2006，and then changed to increase since 2006.The land use/cover change of Tarhu region was a result of combination of natural and human factors.The soil salinization land improvement and prevention and control of desertification over during 1973-2015 have made good effect，while unreasonable irrigation and the excessive use of cultivated land during 2006-2015 increased land salinization.

Key wordsRemote sensing；Land use/cover change；Soil salinization；Tarhu

土地是地球系統中的重要組成部分，也是農業經濟建設中不可分割的部分，隨著社會經濟的發展，人們對于土地的需求量不斷增加。人類-環境交互作用改變了原來的土地覆蓋，直接影響著生物圈-大氣圈交互作用、生物地球化學循環以及資源環境的可持續利用[1-4]。因此，土地利用/覆蓋變化已成為當前各國學術界的研究熱點[5-7]。對土地利用/覆蓋的變化過程及驅動機制研究，可以揭示出土地利用/覆蓋對人類活動和自然因素的響應，并為土地利用/覆蓋變化及其相關領域的研究提供基礎信息。許多學者已利用遙感與地理信息系統對不同區域的土地利用變化進行了大量研究[8-13]。

資源短缺與生態環境惡化的矛盾日益突出，合理利用鹽堿地成為改良耕地質量與提升糧食產量的核心問題之一。塔爾湖地區位于內蒙古河套農業灌區，是我國主要產糧地區之一，也是我國典型的鹽堿化和沙化土壤地區。土壤鹽堿化和沙化不但造成了土地資源短缺和生態環境惡化，還對該地區的農業發展造成巨大損失[14-15]。因此，開展塔爾湖地區土壤鹽堿化和沙化研究，了解塔爾湖農業區土壤鹽堿化變化特征及其形成機制，對于合理開發利用土地資源，控制鹽堿化和沙化的發生、發展具有重要意義。

筆者選取塔爾湖地區1973、1987、1995、2006和2015年5個時期的遙感影像數據，同時根據現場勘察驗證，采用人機交互圖像處理方法，獲取了塔爾湖地區5個時期土地利用/覆蓋現狀及土地利用/覆蓋類型的動態變化特征。并且從土地利用程度、變化速度等方面分析了42年來該地區土地利用/覆蓋變化規律及其可能的自然與人為影響因素。

1數據來源與研究方法

1.1研究區概況 河套平原位于內蒙古西南部，屬黃河沖積平原，地面開闊平坦。塔爾湖鎮在河套平原中北部，北部為色爾騰山，南部為黃河（圖1）。河套農業區東西長250 km，南北寬約50 km ，海拔1 040 m 左右，總面積16 043 km2，地表出露第四系河湖相

交替沖積層，土壤以粉質黏土、黏土為主。加之該地區豐富的黃河地表水資源，為該地區農業發展提供了有力的條件，是內蒙古西部農業經濟發展的主要區域。研究區位于東亞季風邊緣，屬大陸性干旱半干旱氣候，多年平均氣溫 7.1 ℃，多年平均降雨量 140 mm左右，多年平均蒸發量大于2 000 mm，植被類型植被以隱域性的草甸為主，地帶性植被為草原化荒漠和荒漠。受灌溉滲漏影響，灌區地下水埋深較淺，年平均地下水埋深為 1.5 m左右。由于本區降水少，蒸發量大，加上地下水埋深淺，使得本地區成為我國土壤鹽堿化和沙化發育的典型地區[16]。

1.2數據來源主要采用1973年MSS，1987、1995、2006年Landsat TM，2015年Landsat ETM+和2015年SPOT6時相的遙感影像。

1.3研究方法參照《土地利用現狀分類》國家標準[17]，并結合研究區的土地利用特點，把研究區的土地利用/覆蓋類型劃分為4個一級類型和8個二級類型（表1）。一級類型包括耕地、水體、城鄉居民點及工礦用地和未利用土地。

前期遙感圖像處理主要在ENVI 4.8上進行，并選用ArcGIS 10.0作為遙感數字化解譯平臺。首先統一了坐標系和投影參數，運用ArcGIS對影像進行大氣校正和幾何校正，鑲嵌并裁剪得到研究區的遙感影像數據。對研究區影像進行圖像處理，包括彩色合成、線性增強、飽和度拉伸、主成分變換等；對圖像處理結果影像進行計算機監督分類（神經網絡分類）信息提取。結合初步解譯過程，建立遙感解譯標志，以彩色的SPOT6影像為主，輔之以黑白DOM數據、ETM+、TM影像，在ArcGIS 10.0軟件中建庫，進行遙感目視解譯，然后根據野外驗證結果反復修改解譯圖件，得到對應年份的土地利用/覆蓋矢量圖。經分類精度檢驗得到各地類的Kappa系數均超過0.80，表明解譯結果能滿足研究需要。

2結果與分析

2.12015年塔爾湖地區土地利用/覆蓋現狀

總體上看，2015年塔爾湖地區的土地利用/覆蓋格局以耕地為主，占總面積的77.70%，達到278.43 km2。其中優良耕地面積為138.39 km2，占到總面積的38.62%，輕度鹽堿地次之，面積達122.77 km2，占總面積的34.26%。研究區未利用土地達53.79 km2，占土地總面積的15.01%。其中以沙地面積最大，為36.30 km2，占總面積的10.13%；其次為重度鹽堿地，面積為15.91 km2，占總面積的4.44%。城鄉居民點及工礦用地和水體所占比重較小。從耕地、城鄉工礦居民用地和未利用土地的比重看，研究區是以耕地為主的農業區，其中鹽堿化土地比重較高（表2和圖2）。

2.2土地利用/覆蓋變化時間序列

通過遙感解譯得出各

從表3可以看出，1973—2015年塔爾湖地區的土地利用/覆蓋總體格局未發生明顯的變化，都是以耕地為主，其次為未利用土地。鹽堿地中以輕度鹽堿地為主，未利用土地中主要為沙地。1973年塔爾湖地區耕地占總面積的比例為69.90%，未利用土地占24.20%，水體和城鄉居民及工礦用地分別占3.12%和2.78%。此外，鹽堿地面積總占53.59%，其中輕度和中度鹽堿地分別占31.64%和20.12%，重度鹽堿地占1.83%。沙地占總面積的21.59%。經過14年的時間，到1987年塔爾湖地區耕地面積增加到73.42%，未利用土地和水體面積分別下降到20.23%和2.78%，城鄉居民點及工礦用地面積也有所上升到3.57%。鹽堿地總面積明顯下降到44.89%，其中中度鹽堿地下降最明顯為12.61%，輕度和重度鹽堿地分別下降到30.8%和1.48%；沙地面積也減少到18.07%。到1995年，塔爾湖地區耕地面積和未利用土地都略微減少，分別為71.41%和19.80%，水體和城鄉居民及工礦用地面積明顯增加，分別為4.43%和4.36%。鹽堿地總面積進一步下降到39.53%，其中輕度鹽堿地明顯下降為26.35%，中度鹽堿地也有所下降到11.36%，而重度鹽堿地有所增加為1.82%；沙地面積進一步減少為16.92%。再經過11年的時間，到2006年塔爾湖地區耕地和城鄉居民及工礦用地面積分別明顯上升到75.28%和4.81%，而未利用土地面積持續下降到18.02%，水體面積也明顯降低到1.89%。鹽堿地總面積持續下降到37.68%，其中中度鹽堿地明顯下降為5.41%，而輕度和重度鹽堿地分別上升到29.34%和2.93%；沙地面積進一步減少為14.65%。2015年塔爾湖地區耕地和城鄉居民及工礦用地面積分別進一步增加為77.70%和5.67%，而未利用土地面積明顯下降到15.01%，水體面積略微下降到1.62%。鹽堿地總面積有所上升到43.52%，其中輕度和重度鹽堿地分別上升到34.26%和4.44%，中度鹽堿地下降到4.82%。總體來說，從1973—2015年，塔爾湖地區耕地面積（除去1995年略微減少外）和城鄉居民及工礦用地面積呈逐步增加的趨勢。而未利用土地面積和水體面積（除去1995年稍微增加外）呈逐步減少的趨勢（圖3）。

2.3土地利用/覆蓋變化速率分析

通過引入土地利用/覆蓋面積變化率來反映研究區土地利用/覆蓋變化時間序列特征。土地利用/覆蓋面積變化率（AVR）是指研究區內土地利用/覆蓋類型在單位時間內的變化，是時間的函數，能夠很

由表4可知，1973—1987 年，耕地和城鄉工礦居民用地面積增加，分別增加了 12.61和 2.83 km2，城鄉工礦居民用地的面積變化率較大，為2.03%。耕地增加速度較慢，在 0.36%左右。未利用土地和水體面積減少，減少速率分別為1.18%和0.79%。這一階段城鄉工礦居民用地面積增加迅速，表明人類活動加強。而未利用土地中的沙地以每年1.16%明顯減少，減小面積為12.61 km2，因此耕地面積的增加主要是人類活動對未利用土地（主要為沙地）的開發利用。這一階段鹽堿地總面積呈減小趨勢，以每年1.16%的速度減小。鹽堿地減少面積為31.18 km2，輕度、中度和重度鹽堿地面積都減少，其中中度鹽堿地面積減少速率較大為 2.67%，減小面積為 26.91 km2。

1987—1995 年，水體面積增加速度強度最大，面積增加 5.93 km2，增加速率為 7.44%，其次為城鄉工礦居民用地的面積呈持續增加，在 8年時間里，面積整體增加了 2.83km2，增加速率為 2.77%，增速較上一時間段顯著提高。耕地面積減少7.20 km2，減少速率為0.34%，未利用土地面積也持續減少，減少面積1.56km2，減少速率為0.27%，較上一時間段放慢。這一階段鄉工礦居民用地面積持續迅速增加，表明人類活動持續增強，未利用土地面積減少也證明了這一點。而同時耕地卻有所減少，主要是由水體面積迅速增加造成的。這一階段鹽堿地總面積持續減小，減小速率接近 1.5%，減小面積為 19.21km2，其中輕度和中度鹽堿地面積減少速率分別為1.81%和1.24%，而重度鹽堿地面積卻增加1.22 km2，增加速率為2.87%。

1995—2006 年，耕地面積由減變增，增加了 13.86 km2，增速較大，為0.49%，城鄉工礦居民用地的面積進一步增加1.61 km2，變化率為0.94%，增速較上一時間段放慢。水體面積顯著減少9.11 km2，減少速率為 5.21%。未利用土地面積進一步減少6.37 km2，減少速率為0.82%，較上一時間段減少更快。總之，這一階段城鄉居民點及工礦用地面積增加，表明人類活動進一步增強，但增速有所放緩。水體面積減少和對未利用土地進一步開發，使得該階段耕地面積顯著增加。這一階段總鹽堿地面積進一步減少面積6.63 km2，減少速率為0.43%。鹽堿地中中度鹽堿地面積顯著減少21.32 km2，減少速率為 4.76%，較上一階段顯著提高。重度鹽堿地面積增加3.98 km2，增速明顯提高為5.54%；輕度鹽堿地面積由前2個階段的減少開始變為增加，增加面積10.71 km2，增速為1.03%。

2006—2015 年，耕地面積持續增加8.67 km2，增速為0.36%，城鄉工礦居民用地面積也持續增加3.09 km2，變化率為1.99%，增速較上一階段顯著上升。水體面積略微減少0.97 km2，減少速率為1.59%。未利用土地面積顯著減少10.78 km2，減少速率為1.85%，較上一時間段減少更快。總之，這一階段鄉工礦居民用地面積增速明顯，表明人類活動顯著增強。該階段耕地面積的增加，主要是人類活動增強對未利用土地的大力開發開發。總鹽堿地面積由此前的減少轉為顯著增加，增加面積20.93 km2，增加速率為1.72%。其中主要為輕度鹽堿地面積顯著增加17.63 km2，增速為1.86%；重度鹽堿地面積也增加5.41 km2，增速提高為5.73%；中度鹽堿地面積持續減少，減少面積2.11 km2，減少速率為1.21%。

總體來說，塔爾湖地區耕地除在1987—1995年有所降低外，基本保持在0.4%的年速率增長。城鄉居民點及工礦用地面積呈逐年增加的趨勢，其中1987—1995年增速最快。未利用土地面積逐年減少，其中沙地面積減少最多，并在2006—2015 年減少速率最大。塔爾湖地區土地鹽堿化總面積在1973—2006年穩步降低，而在2006—2015年迅速轉為增長，其主要是由于近9年來輕度鹽堿化土地面積迅速增加造成的。輕度鹽堿化土地面積由前22年的逐步減少轉為從1995年開始增加，2006—2015年變化速率最快；中度鹽堿地一直穩步減少，在1995—2006年間減少速率最大；重度鹽堿化土地面積從1987年來不斷增加，2006—2015年其擴張速度最快（圖4）。

2.4土地利用/覆蓋變化和鹽堿化驅動力分析

土地利用/覆蓋變化是自然與人類活動雙重驅動因素綜合作用的結果，自然因素（氣候、土壤、水文等）是影響土地利用結構的基本要素，而人類活動（開墾、灌溉等）在短時間尺度內的強烈程度與合理度對土地利用結構將也會產生顯著影響[20-21]。塔爾湖地區為農業區，其耕地的變化對人們生活有著較大的影響。1973—2015年塔爾湖地區耕地的增長，主要由人類活動增強對未利用土地的開發利用。而1987—1995年耕地的下降是由于自然環境因素中降雨的增多，使得水域面積增大，占據了一部分耕地。對未利用土地的開發主要是沙地，沙地面積近42年來不斷減少，其中在1987—1995和2006—2015年這2個十年左右時間內減少顯著，而2006—2015年降幅最為明顯（圖4）。1987—1995年沙地減少主要是由人類活動開發為耕地，而2006—2015年減少的沙地大多數開發成為了居民地村莊和工礦用地（表4）。水體面積總體上也是逐年減少，其主要是由于近42年來降雨量逐漸減少，加上人類對水源的過度利用開發，而1987—1995年水體面積的增加主要是由于1995年當年降水量增加造成的（圖4）。

土地鹽堿化程度與自然環境因素和人類對土地的耕作方式有著直接的關系[22-23]。通過將

1973—2015年

塔爾湖地區氣象、水文多個因素序列（數據來自中國氣象局）與鹽堿地面積和變化速率序列進行對比分析，得出影響鹽堿地變化的可能因素（圖4）。自然因素方面，塔爾湖地區主要土壤主要為古河道相砂質沉積，這種土質粒度顆粒較粗，孔隙度和滲透率高，當地下水位埋藏較淺時，鹽類物質更容易通過土壤毛細管運移到地表，通過蒸發析出、凝結并覆于地表形成鹽堿土[16]。氣候方面，通過對比發現，土壤總鹽堿化比例與當年的相對濕度和當年降水量呈明顯的正相關關系（圖4）。這可能是降水增加造成地下水水位抬升，使得溶解于地下水中的土壤鹽分運移到表層，而較高的濕度表明蒸發強烈，因此，使得更多的鹽堿在表層土中析出，從而造成鹽堿化程度加重。人為因素方面，人類活動尤其是農村土地耕作方式，與土地鹽堿化關系密切，一方面，人類不合理的灌溉排水方式，導致地下水水位抬升，鹽分易隨地下水運動向地表聚積，加之蒸發強烈，加重土地鹽堿化，這從研究區重度鹽堿化土地與黃河引水渠空間分布關系可以看出[24]。另一方面人工固沙和鹽堿灘、荒漠的開發治理在一定程度上改善了土地狀況，減輕了鹽堿程度。節水改造措施的實施，使得研究區土壤剖面鹽分類型向均布型發展，且整體上土壤鹽分有所降低[25]。

3結論

利用遙感手段和數理統計方法對比分析了塔爾湖農業區1973—2015年的5期遙感解譯結果，并對土地利用/覆蓋變化的驅動力進行了探討，得出以下結論。

（1）42年來塔爾湖地區的土地利用/覆蓋格局未發生顯著的變化。土地類型以耕地為主，占總面積的近70%以上；其次為未利用土地，主要為沙地；鹽堿地面積占40%以上，其中以輕度鹽堿地為主。

（2）42年來塔爾湖地區耕地除在1987—1995年略微降低外，基本保持著0.4%的年速率增長；城鄉工礦居民用地面積呈逐年增加的趨勢，其中1987—1995年增速最快；未利用土地面積逐年減少，其中沙地面積減少最多，并在2006—2015 年減少速率最大；水體面積除在1995稍微增加外，也呈逐步減少的趨勢。

（3）1973—2006年塔爾湖地區土地鹽堿化總面積穩步降低，而在2006以后轉為增長。輕度鹽堿化土地面積從1995年開始由之前逐步減少轉為增加，2006—2015年變化速率最快；中度鹽堿地一直穩步減少，在1995—2006年減少速率最大；重度鹽堿化土地面積1987年來不斷增加，2006—2015年擴張速度最快。

（4）塔爾湖地區土地利用/覆蓋變化受到自然和人為因素的雙重作用，1973—2015年研究區在土壤鹽堿化土地改良和沙漠化防治等方面取得良好的效果，但2006—2015年不合理灌溉和耕地的過度利用使得土地鹽堿化程度增加。

參考文獻

[1]

MOONEY H A，DURAIAPPAH A，LARIGAUDERIE A.Evolution of natural and social science interactions in global change research programs[J].PNAS，2013，110（S1）：3665-3672.

[2] STERLING S M，DUCHARNE A，POLCHER J.The impact of global land-cover change on the terrestrial water cycle[J].Nature climate change，2012，3（4）：385-390.

[3] TIAN H Q，CHEN G，ZHANG C，et al.Centuryscale response of ecosystem carbon storage to multifactorial global change in the Southern United States[J].Ecosystems，2012，15：674-694.

[4] MEYFROIDT P，LAMBIN E F，ERB K H，et al.Globalization of land use：Distant drivers of land change and geographic displacement of land use[J].Current opinion in environmental sustainability，2013，5（5）：438-444.

[5] 劉紀遠，匡文慧，張增祥，等.20 世紀80 年代末以來中國土地利用變化的基本特征與空間格局[J].地理學報，2014，69（1）：3-14.

[6] 劉紀遠，張增祥，徐新良，等.21 世紀初中國土地利用變化的空間格局與驅動力分析[J].地理學報，2009，64（12）：1411-1420.

[7] 陳菁，謝曉玲.海峽西岸快速城市化中土地利用變化的影響因素[J].經濟地理，2010，30（11）：1885-1889.

[8] 劉紀遠，劉明亮，莊大方，等.中國近期土地利用變化的空間格局分析[J].中國科學（D輯·地球科學），2002，32（12）：1031-1040.

[9] 宋開山，劉殿偉，王宗明，等.1954 年以來三江平原土地利用變化及驅動力[J].地理學報，2008，63（1）：93-104.

[10] 方秀琴，任立良，李瓊芳.近40 年老哈河流域土地利用變化監測與分析[J].國土資源遙感，2012，24（2）：125-131.

[11] 賈科利，常慶瑞，張俊華.陜北農牧交錯帶沙漠化土地時空變化特征分析[J].中國沙漠，2009，29（2）：223-228.

[12] 李小玉，張峰，肖篤寧.石羊河流域中、下游綠洲景觀動態變化的比較研究[J].水土保持學報，2004，18（5）：151-154.

[13] 鄭曉，王乃昂，李卓侖，等.1990-2005 年疏勒河流域土地利用/覆蓋變化分析[J].中國沙漠，2010，30（4）：857-861.

[14] 郭姝姝，阮本清，管孝艷，等.內蒙古河套灌區近30年鹽堿化時空演變及驅動因素分析[J].中國農村水利水電，2016（9）：159-162，167.

[15] 郭嬌，王偉，葉浩，等.河套平原鹽漬化土地時空動態變化及影響因子[J].南水北調與水利科技，2014，12（3）：59-64.

[16] 侯玉明，王剛，王二英，等.河套灌區鹽堿土成因、類型及有效的治理改良措施[J].現代農業， 2011（1）：92-93.

[17] 陳百明，周小萍.《土地利用現狀分類》國家標準的解讀[J].自然資源學報，2007，22（6）：994-1003.

[18] 王秀蘭，包玉海.土地利用動態變化研究方法探討[J].地理科學進展，1999，18（1）：81-87.

[19] 朱會義，李秀彬.關于區域土地利用變化指數模型方法的討論[J].地理學報，2003，58（5）：643-650.

[20] VELDKAMP A，FRESCO L O.Reconstructing land use drivers and their spatial scale dependence for Costa Rica （1973 and 1984）[J].Agricultural systems，1997，55（1）：19-43.

[21] 章予舒，王立新，張紅旗，等.疏勒河流域土地利用變化驅動力分析：以安西縣為例[J].地理科學進展，2003，22（3）：270-278.

[22] 裘善文.吉林霍洮、兩河中下游地區土地鹽漬化的特征、成因及治理的實用技術研究[J].土壤通報，2001，32（S1）：18-22.

[23] 王嵩，馮平，李建柱.地下水生態環境控制指標問題的研究現狀[J].干旱區資源與環境，2005，19（4）：99-103.

[24] 晉南，王學東，劉震寧.后套：“河神”締造米糧川[J].中國國家地理，2012（10）：334-344.

[25] 李彬，史海濱，妥德寶，等.節水改造前后土壤鹽分剖面特征及其空間分布：以內蒙古河套灌區中游臨河區為例[J].干旱區研究，2015，32（4）：663-673.