黃土高原近40年人類活動強度時空格局演變

趙 亮, 劉 宇, 羅 勇, 劉漢湖

(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 成都 610059;2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101)

人類活動是景觀變化的主要驅(qū)動之一[1-2]，重塑土地利用格局是人類改變景觀格局的主要方式。因此，土地利用/覆被印刻了人類活動對景觀的改造活動，其時空變化反映了人類活動的時空格局[3]。不同的土地利用類型反映了強度各異的人類活動[4-5]，因此土地利用/覆被數(shù)據(jù)常被用來構(gòu)建人類活動強度指標(biāo)，以表征人類對區(qū)域景觀的影響程度。黃土高原地處半干旱半濕潤向干旱荒漠的過渡地帶，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，長期人類活動導(dǎo)致區(qū)內(nèi)植被破壞嚴(yán)重，水土流失劇烈，成為我國生態(tài)環(huán)境問題突出的區(qū)域，是中國人地關(guān)系矛盾極其尖銳的地區(qū)之一[6-7]。由于這些原因，過去幾十年來，黃土高原成為中國生態(tài)恢復(fù)、修復(fù)和重建的重點區(qū)域。在國家生態(tài)建設(shè)政策和區(qū)域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展的背景下，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整整體上減輕了對生態(tài)系統(tǒng)硬性的破壞，植被得到大規(guī)?；謴?fù)[8-9]。這改變了土地利用的方式，人類景觀改造活動的類型、強度及其空間格局發(fā)生了巨大的變化，并直觀地反映在土地利用/覆被的空間格局演變上。本研究基于遙感數(shù)據(jù)提取的長時間序列土地利用/覆被數(shù)據(jù)構(gòu)建的人類活動強度指數(shù)，揭示黃土高原人類活動強度時空格局演變，探討黃土高原人類活動變化驅(qū)動因素。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原地區(qū)南抵秦嶺北麓，北至陰山，東達(dá)太行山脈，西以烏鞘嶺—日月山為界，包括陜西、山西、內(nèi)蒙古、寧夏、青海、甘肅、河南7個省區(qū)287個縣，總面積62萬km2。黃土高原為受大陸性季風(fēng)氣候影響的半濕潤半干旱區(qū)，多年平均降水量50～700 mm,汛期降水量占全年降水量大部分，多暴雨[10]，雨熱同期。黃土高原因廣布深厚的風(fēng)成黃土層而聞名，是世界上最大的黃土堆積區(qū)，適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，具有悠久的農(nóng)耕歷史[11]。黃土層及其上發(fā)育的土壤因結(jié)構(gòu)疏松，抗蝕性差，地形起伏破碎，加之農(nóng)耕等人類生產(chǎn)生活對植被的破壞，使得黃土高原成為水土流失問題突出的區(qū)域[6-7]，是黃河泥沙的主要來源區(qū)。植被恢復(fù)與重建是黃土高原水土流失治理的根本性措施。自20世紀(jì)90年代末開始，得益于國家生態(tài)建設(shè)政策、區(qū)域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，黃土高原進(jìn)入植被大規(guī)模、快速恢復(fù)和重建的歷史時期[8-9]。山區(qū)坡地是植被恢復(fù)重建和保育的主要區(qū)域[12]。這些政策、經(jīng)濟和社會驅(qū)動的作用推動黃土高原人類活動的方式、強度和空間分布格局發(fā)生變化。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)包括土地利用/覆被數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)?；?975年、2000年、2010年和2015年的土地利用/覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)計算得到黃土高原人類活動強度指數(shù)的空間分布。研究區(qū)土地利用/覆被解譯自Landsat衛(wèi)星遙感影像[13]，分辨率30 m。地形數(shù)據(jù)為ASTER GDEM，源自中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(http:∥datamirror.csdb.cn)，空間分辨率為30 m。

2 研究方法

2.1 人類活動強度定量方法

從土地利用/覆被的角度，人類活動強度可定義為一定地域人類對地表自然覆被的利用、改造和開發(fā)程度，它可通過土地利用/覆被得到反映，可用如下公式計算[5]：

(1)

(2)

式中：HAIS為人類活動強度；Si為建設(shè)用地當(dāng)量面積，即將計算單元內(nèi)各類土地利用/覆被面積折算為等當(dāng)量的建設(shè)用地后的面積；S為計算單元總面積；Ci為計算單元內(nèi)第i種土地利用/覆被的建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)；SLi為第i種土地利用/覆被類型的面積；n為計算單元內(nèi)土地利用/覆被類型數(shù)。根據(jù)徐勇等[5]的研究，研究區(qū)土地利用/覆被的建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)見表1。

表1 土地利用/覆被類型建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)[5]

2.2 人類活動時空格局分析

人類活動強度演變具有空間差異和時間變異。在空間尺度上按縣級行政單元統(tǒng)計每個單元的平均人類活動強度，分析人類活動強度的空間分布和演變特征。采用空間關(guān)聯(lián)分析技術(shù)對人類活動強度演變的空間依賴性和異質(zhì)性進(jìn)行分析，以識別空間聯(lián)系的熱點或集聚區(qū)域。采用熱點分析(Getis-Ord Gi*)識別人類活動的熱點與冷點區(qū)域的空間分布，Getis-Ord局部統(tǒng)計可以表示為：

(3)

為每個單元的統(tǒng)計數(shù)據(jù)Gi計算z得分。對于具有顯著統(tǒng)計學(xué)意義的正的z得分，z得分越高，高值(熱點)的聚類就越緊密。對于統(tǒng)計學(xué)上的顯著性負(fù)z得分，z得分越低，低值(冷點)的聚類就越緊密。將置信區(qū)間為1%的極顯著縣級行政單元劃分熱點和冷點區(qū)域，90%的單元次劃為次熱點區(qū)域、次冷點區(qū)域，其余不顯著區(qū)域為無意義區(qū)。

時間尺度上，采用長時間序列(1975—2015年)對人類活動強度變化進(jìn)行分析，統(tǒng)計人類活動強度整體和區(qū)域變化，同時結(jié)合人類活動變化特征與地形、生態(tài)政策、社會經(jīng)濟因素等關(guān)系分析人類活動強度的時空演變驅(qū)動因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆被的時空動態(tài)

黃土高原的土地利用/覆被包括草地、森林、灌叢、耕地、水域、聚落和荒漠7種類型，以林草地為主。由圖1可知，黃土高原土地利用/覆被類型結(jié)構(gòu)總體變化大致以2000年為界，1975—2000年變化較小，2000年以后變化較為明顯。40年來森林、灌叢、草地面積總和持續(xù)增加，由55.8%增長到75.83%，其中2010—2015年增量最大。與人類活動密切的耕地和聚落面積總和持續(xù)減少，由1975年的36.17%減少到2015年的20.19%，表明人類活動空間得到了較大壓縮。其中，耕地面積持續(xù)減少，聚落面積增加。荒漠和水域面積在40年間呈減少趨勢變化。

坡度影響地表水熱條件、風(fēng)沙作用方式和水力侵蝕強度[14-15]，也是影響土壤肥力和土地適宜性的重要因素[15]，對土地利用有著明顯的控制作用。1975—2015年，不同坡度帶土地利用/覆被的組成發(fā)生了顯著變化。按0°～2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°分為5類坡度帶統(tǒng)計土地利用/覆被類型組成。1975—2015年黃土高原土地利用/覆被坡度分異特征較明顯(圖2)，5個坡度帶所占區(qū)域面積比例分別為28.97%，17.72%，30.99%，17.56%，4.76%。1975年0°～2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°共4個坡度帶土地利用/覆被以草地和耕地為主(總和>70%)。至2015年這些坡度帶草地所占比例均增加，耕地所占比例均減少，6°～15°耕地占比由34.8%減少至9.41%。0°～2°坡度帶聚落和荒漠變化也較大，聚落由4.68%上升至10.99%，荒漠由13.94%降低至7.52%。6°～15°坡度帶森林占比由8.93%增加至19.04。1975年15°～25°坡度帶主要土地利用/覆被類型為草地(47.55%)，其次為耕地(22.37%)和林地(15.72%)。到2015年林地增至31.29%，而耕地僅占4.14%。>25°的坡度帶主要土地利用/覆被類型為森林和草地，各土地利用/覆被類型占比均減少，僅森林面積增加。

圖1 1975-2015年黃土高原土地利用/覆被類型變化

1975—2015年黃土高原土地利用/覆被的變化的空間分異鮮明(圖3)。關(guān)中平原、汾渭谷地、河套平原、銀川盆地、大同盆地、長治盆地、洛陽盆地等平原谷地區(qū)居民地面積持續(xù)增加，形成連片的城市群。青藏高原東部丘陵區(qū)、隴東—渭北黃土臺塬區(qū)、呂梁山地區(qū)森林增加，草地、灌叢面積減少。黃土丘陵、塬面區(qū)耕地面積大幅減少，草地面積。毛烏素沙地荒漠面積減少，沙地東部東勝區(qū)、伊金霍洛旗、神木縣等居民地面積增加。

3.2 人類活動強度的時間動態(tài)

由圖4可看出，1975—2000年人類活動強度指數(shù)大致以0.5為界，低于該指數(shù)的區(qū)縣強度指數(shù)幾乎無變化，高于該強度指數(shù)的區(qū)縣人類活動強度均增強。2000—2015年人類活動強度大致以0.4為界，人類活動強度指數(shù)低于0.4的區(qū)縣人類活動強度大多降低，人類活動強度高于0.4的區(qū)域主要變化形式為增強，尤其是人類活動指數(shù)高于0.6的區(qū)縣增加較劇烈。

圖2 1975-2015年黃土高原不同坡度帶土地利用/覆被面積比

人類活動強度的時間動態(tài)變化如圖5所示，黃土高原平均人類活動強度呈減弱趨勢。人類活動強度變化大致以2000年為界線，2000年以前人類活動強度變化較小，黃土高原平均人類活動強度幾乎沒有變化，僅有較少數(shù)縣級行政單元發(fā)生強度等級變化。2000年以后，人類活動強度變化劇烈，黃土高原平均人類活動強度由0.19降低到0.15，各縣級行政單元人類活動強度變異較大。

基于縣級行政單元，計算每個單元平均人類活動強度，將人類活動強度按<0.1，0.1～0.2，0.2～0.3，>0.5分為低、較低、中等、較高、高5種強度等級，各等級人類活動強度區(qū)縣數(shù)量時間變化序列見圖5。從人類活動強度等級來看，1975年人類活動強度以較低和中等為主，2015年變?yōu)橹械葹橹?。其中，中等和較高人類活動的區(qū)縣個數(shù)減少，其余人類活動強度等級的區(qū)縣個數(shù)均增加。中等和低強度的個數(shù)變化較大，其他等級變化較小。1975—2015年低強度區(qū)縣由24個增至74個，低強度人類活動的縣級行政單元主要來源于較低強度人類活動強度，1975—2015年由較低轉(zhuǎn)化為低強度的區(qū)縣為44個，其余由中等強度人類活動轉(zhuǎn)化。中等強度區(qū)縣個數(shù)由120個減少至49個，主要轉(zhuǎn)變形式為較低(圖6)，1975—2015年由中等轉(zhuǎn)為低等的縣有61個。高強度和較高強度人類活動單元主要轉(zhuǎn)變形勢為少量較高強度轉(zhuǎn)化為高強度人類活動。

3.3 人類活動強度的空間格局演變

如圖6所示，人類活動強度空間分布具有集聚特征。人類活動強度較高以上等級的空間變異特征不明顯，大部分連片分布于關(guān)中平原—汾渭谷地、河套平原、大同盆地、長治盆地，豫西北亦有少數(shù)高和較高強度的縣級行政單元分布。21世紀(jì)前，較低強度和低強度人類活動主要分布在青藏高原東部丘陵區(qū)、陜北黃土丘陵區(qū)、東部山地區(qū)及毛烏素沙地。2000年后，低強度、較低強度人類活動區(qū)域急劇增大，黃土丘陵溝壑、山地丘陵區(qū)等丘陵山及毛烏素沙地均為低強度、較低強度人類活動。1975年中等強度人類活動廣泛分布于黃土丘陵溝壑區(qū)和平原谷地區(qū)，2000年以后僅少量分布于平原谷地區(qū)。黃土高原334個縣級行政單元中大多數(shù)區(qū)縣人類活動強度降低，僅少部分人類活動強度增強。人類活動強度增加的區(qū)域主要包括毛烏素沙地、河套平原、關(guān)中平原—汾渭谷地、豫西北，增幅較大的地區(qū)主要為西安、銀川、包頭等城區(qū)。人類活動強度降低較快區(qū)域為六盤山地區(qū)和陜北(圖7)。

圖3 1975-2015年黃土高原土地利用/覆被變化

圖4 1975-2015年黃土高原人類活動強度指數(shù)變化

圖5 1975-2015年各人類活動強度等級縣級單元數(shù)量及平均人類活動強度指數(shù)變化

如圖8所示，近40年來，黃土高原人類活動強度的冷熱點區(qū)域發(fā)生遷移。1975年人類活動強度冷點區(qū)域可以分為3塊——毛烏素沙地、西寧—同仁、西峰—離石—延安。西峰—離石—延安具有顯著意義的冷點區(qū)縣分布較集中，毛烏素沙地冷點區(qū)縣分布零散且均為次冷點。熱點區(qū)域主要有以西安為中心的關(guān)中平原熱點區(qū)域和洛陽為中心的洛陽盆地?zé)狳c區(qū)域。隨時間變化，毛烏素沙地人類活動冷點集聚區(qū)區(qū)縣數(shù)量急劇較少，至2010年徹底消失。西寧—同仁冷點區(qū)域發(fā)生了較大變化，西寧逐漸退出冷點區(qū)域，至2015年縮減為伊通為中心的冷點區(qū)域。1975—2015年西峰—離石—延安冷點區(qū)域迅速擴張，向西南方向囊括六盤山區(qū)，沿東西方向陜北拓展，至2015年形成六盤山—陜北的大范圍冷點區(qū)域。河套平原形成以包頭為中心的人類活動熱點區(qū)域，關(guān)中平原和洛陽盆地變化不明顯，但兩區(qū)域之間有逐漸相連的趨勢。

4 討 論

黃土高原人類活動強度時空分異是自然環(huán)境、社會經(jīng)濟發(fā)展和國家政策等多因素共同作用的結(jié)果。2000年以前黃土高原人類活動強度變化緩慢，2000年以后人類活動急劇降低，空間的集聚和轉(zhuǎn)移是人類活動變化的主要方式。國家生態(tài)建設(shè)政策和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是近40年來影響黃土高原區(qū)域人類活動的主要社會經(jīng)濟因素[8-9]。自20世紀(jì)90年代末開始，退耕還林還草等生態(tài)政策大規(guī)模實施和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整使大量耕地轉(zhuǎn)為草地、林地(圖3)。同時區(qū)域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展使大量的人口由農(nóng)村向城市轉(zhuǎn)移。黃土溝壑丘陵區(qū)是退耕還林還草工程實施的重點區(qū)域，人類對土地的開發(fā)活動的強度減弱的幅度最大，呈現(xiàn)空間高度集聚的變化過程(圖7)。

地形條件也是人類活動轉(zhuǎn)移的重要驅(qū)動力。地形對生態(tài)環(huán)境、人類經(jīng)濟承載力具有重要指示作用[16]，是驅(qū)動人類空間活動轉(zhuǎn)移的重要因子。黃土丘陵溝壑區(qū)雖然是傳統(tǒng)的農(nóng)耕區(qū)，但該區(qū)域地形破碎化且地形起伏較大造成土地的人口和經(jīng)濟承載力較低，且開發(fā)提高收益的難度大，推動著大量人口向條件優(yōu)越的地區(qū)流動，使該地人口急劇流失。平原谷地因其優(yōu)越的自然條件，人口迅速增長，社會經(jīng)濟快速發(fā)展，城區(qū)面積不斷擴張，吸引著人口的轉(zhuǎn)入，使得人類活動強度迅速增強。此外，21世紀(jì)以來北部風(fēng)沙區(qū)毛烏素沙地區(qū)人活動強度增強，人類活動擾動作用增強，其主要原因是耕地開墾、資源開采和道路修建等活動不斷增強導(dǎo)致[17-18]。

圖6 1975-2015年黃土高原人類活動強度空間格局

圖7 1975-2015年黃土高原人類活動強度空間變化

1975—2015年黃土高原地區(qū)人類活動強度與地形起伏度的回歸關(guān)系(圖9)進(jìn)一步說明：政策和經(jīng)濟發(fā)展的導(dǎo)向性作用使得人類活動強度的空間格局與地形格局的一致性在不斷增強，平原和谷地等地形條件優(yōu)越的地方成為人類開發(fā)利用活動高度集中的地形位置。

5 結(jié) 論

近40年來，黃土高原人類活動強度總體呈減弱趨勢，局部地區(qū)增強。以2000年為界，前期人類活動強度變化較小，后期人類活動強度發(fā)生劇烈的時空變異。關(guān)中平原—汾渭谷地、河套平原、大同盆地、長治盆地及豫西北等平原谷地區(qū)人類活動持續(xù)增強，人類活動空間具有空間集聚特征。毛烏素沙地人類活動強度也略微增加，但人類活動強度仍處于較低水平。黃土丘陵溝壑區(qū)、青藏高原山地丘陵區(qū)、東部山地區(qū)等山地丘陵區(qū)人類活動強度減弱，尤其是六盤山地區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)人類活動強度減弱幅度較大。

圖8 1975-2015年黃土高原人類活動強度熱點分析

圖9 1975-2015年黃土高原地區(qū)人類活動強度與地形起伏度的相關(guān)關(guān)系

黃土高原人類活動強度演變具有較強的時空分異性?？臻g分異性主要依賴于黃土高原的地形地貌，時間分異性產(chǎn)生的主要因素是國家生態(tài)政策、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及社會經(jīng)濟發(fā)展。地形地貌差異、國家生態(tài)政策、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及社會經(jīng)濟發(fā)展共同推動黃土高原人類對土地開發(fā)利用的優(yōu)化?？傮w上以部分區(qū)域人類活動強度的持續(xù)增強換取大部分區(qū)域人類活動的減弱，使黃土高原向人地協(xié)調(diào)的可持續(xù)方向發(fā)展。