新亞歐大陸橋經濟走廊土地覆被變化及驅動力分析

范澤孟,李賽博

1 中國科學院地理科學與資源研究所,資源與環境信息系統國家重點實驗室, 北京 100101 2 中國科學院大學資源與環境學院, 北京 100049 3 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心,南京 210023

土地覆被變化作為人類活動對地球表層系統影響最直接的表現形式[1],其時空格局變化直接引起地表能量平衡、碳循環、水循環和物種多樣性等地球系統要素發生的變化[2- 5],進而影響到國家或區域的生態安全、糧食安全及社會經濟可持續發展。自1995 年國際地圈-生物圈計劃(IGBP)和人文領域計劃(IHDP)研究計劃[6]啟動以來,國內外學者在土地利用覆蓋變化的驅動機理[7-9]、模擬預測[10- 15]等方面開展了大量的研究工作。譬如,Lambin等研究認為人類行為及地區經濟活動對土地利用變化具有巨大驅動作用[15]。馬晴等[16]在對疏勒河下游綠洲土地利用變化的驅動力分析中認為人口、政策、城市化程度和經濟水平等社會經濟因子是綠洲變化的主要驅動因子。劉紀元等[17]認為自然地理、經濟發展與國家宏觀政策的綜合作用是21世紀初中國土地利用變化主要驅動力。另外,隨著 “一帶一路”倡議成為世界上越來越多國家和政治領袖們的一種共識,開展“一帶一路”沿線國家和區域的土地覆蓋空間格局及驅動機理的定量分析,將為“一帶一路”倡議的順利實施提供重要的科學數據和輔助決策依據。自2013年“一帶一路”倡議提出,學術界對“一帶一路”沿線國家及區域的研究也迅速升溫[18],并分析了“一帶一路”生態文明建設與經濟全球化及世界格局變化的關系及空間內涵,認為“一帶一路”是統籌中國全面對外開放的國家戰略[19]。吳紹洪等結合模型模擬、情景預估等技術手段,預估了“一帶一路”未來30年高溫熱浪、干旱等極端事件的災害風險及糧食生產等漸變事件的風險[20]。

綜上所述,目前在土地覆蓋變化的驅動機理研究,在方法上,主要采用主成分分析、灰度關聯分析等,很少考慮研究對象所具有空間分異性；在時間上,主要考慮時間段上的驅動機理,很少考慮年際間的動態性；在空間上,主要以自然區域或行政區域為研究單元,很少從柵格尺度上研究驅動機理。尤其是針對“新亞歐大陸橋經濟走廊”土地覆蓋變化的時空動態特征及驅動機理分析的研究則尤為很少涉及。因此,論文旨在構建土地覆蓋變化的時空動態概率模型的基礎上,定量計算“新亞歐大陸橋經濟走廊”土地覆蓋類型在柵格尺度上的時空動態概率及變化,進而構建土地里覆蓋變化驅動力的綜合分析模型,揭示21世紀以來“新亞歐大陸橋經濟走廊”的經濟發展水平與時空集聚性及其對土地覆蓋類型空間格局的驅動作用和貢獻系數,進而為“一帶一路”倡議中各種重大工程的順利實施提供輔助決策方法和科學數據支撐。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

新亞歐大陸橋經濟走廊(The New Eurasian Continental Bridge Economic Corridor,NECBEC)東起中國江蘇省連云港市,西至荷蘭鹿特丹港,輻射亞歐大陸面積約5071km2,約占世界總面積36%；居住人口42億多,占世界人口的75%左右[21](圖1)。中國國內主要由隴海鐵路和蘭新鐵路組成,出國境后經三條路線抵達荷蘭的鹿特丹港,其西端連接的是西歐經濟發達地區,東端連接的是充滿活力的亞太地區和發展最快的中國東部沿海地區,而大陸橋經過的中部地區則是資源豐富、潛力巨大的中國西部地區、俄羅斯、中亞及東歐國家[17]。另外,隨著國家西部大開發、中部崛起戰略的相繼實施,沿橋經濟區正在迅速崛起,陸橋經濟也呈現出活躍發展勢頭。因此,新亞歐大陸橋在未來亞歐大陸經濟發展及我國東中西部協調發展中將發揮更大的作用。

圖1 研究區Fig.1 Boundary map of study area

1.2 數據與處理

研究數據主要包括2001—2017年的500m分辨率的土地覆被數據(MCD12Q1)及沿線國家的社會經濟數據,分別源于美國NASA 網站的MODIS 數據集(https://www.nasa.gov)、聯合國糧食及農業組織(http://www.fao.org)及世界銀行集團(https://data.worldbank.org)。根據馬里蘭大學(UMD)植被分類系統,并結合國內外的其他土地土地覆被分類系統[22-24],對土地覆被數據合并為耕地、林地、草地、水域和濕地、建設用地、未利用地六種類型。

1.3 土地覆被變化時空動態概率模型

土地覆蓋變化是各種自然要素、氣候條件、人為作用等諸多因子共同作用的一個復雜過程[20]，如果僅對自然區域或行政區域上某一時間段的土地覆被變化面積量及驅動機理進行研究，而忽略柵格異質性和年際間不確定性，往往會加大空間和時間粗糙度，將導致機理研究分辨率不足。針對此問題，在柵格層次上構建了土地覆被變化的時空動態概率模型，其理論公式可表達如下：

DTk=(|ΔSk,in|+|ΔSk,out|)/Sk,t

(1)

(2)

DM(x,y)k=(1/T,0)

(3)

(4)

式中，(x,y)是柵格單元坐標，k為某一種土地覆蓋類型；i為1到6的土地覆蓋類型編碼；j為t到t+1時段的年度時間間隔值；DTk和DWk分別代表t到t+1時段內第k類土地覆蓋類型的動態趨勢和權重指數；ΔSk,in和ΔSk,out分別代表t到t+1時段內第k類土地覆蓋類型的增加和減少值；Sk,t為t時期第k類土地覆蓋的總面積；DTi代表t到t+1時段內第i類土地覆蓋類型的動態趨勢;DM(x,y)k表t到t+1時段內第k類土地覆蓋類型在柵格(x,y)處的年際間動態變化值；T是t和t+1時段內兩個時段內的年度間隔值；STDP(x,y)k為t到t+1時段內第k類土地覆蓋類型在柵格(x,y)處的綜合時空動態概率，其值在0到1之間。

1.4 土地覆被變化驅動機理綜合分析模型

考慮到土地覆被變化的空間分異性，基于K-Means聚類分級后的因子，運用地理探測器對土地覆蓋變化的驅動機理進行動態分析。同時針對“新亞歐大陸橋經濟走廊”各個國家經濟發展水平的時空差異性，采用主成分分析和局部Moran′s I分析方法，對NECBEC區域的社會經濟發展水平及時空集聚性進行綜合識別。地理探測器(http://www.geodetector.org)作為探測空間分異性及其驅動因子的統計學方法，能夠在度量空間分異性的同時，對空間分異性所隱含的獨特信息解釋[25-26]。公式如下：

(5)

2 結果分析

2.1 土地覆被空間分布格局及其轉換趨勢

2001—2017年的新亞歐大陸橋經濟走廊土地覆被類型時空分布(圖2)顯示：草地、林地和未利用地是最主要的用地類型。其中,草地主要分布在中國內蒙古高原、青藏高原及南部丘陵地區,俄羅斯的中西伯利亞高原與東西伯利亞山地地區,以及蒙古國的北部地區和哈薩克斯坦半干旱區,占整個區域的44.53%；未利用地主要分布在中國西北地區,蒙古國南部地區,伊朗高原及中亞的卡庫拉姆沙漠和克孜勒庫姆沙漠地區,占整個區域的9.05%。而林地、耕地、建設用地及水域和濕地總共僅占整個區域的46.42%,其中林地主要分布在俄羅斯的東歐平原、北部地區,中國東北地區、東南丘陵地區及歐洲西部地區,占整個區域的33.89%；耕地主要分布在中國的東北平原、華北平原、長江中下游平原與四川盆地地區,以及歐洲西部和俄羅斯西南地區,占整個區域的7.92%；建設用地主要分布在與耕地鄰近的區域,其面積僅占整個區域的4.63%。

圖2 新亞歐大陸橋的土地覆被的時空分布格局Fig.2 Spatio-temproal pattern of land cover change in NECBEC

新亞歐大陸橋土地覆被的變化速率在2001、2005、2009、2013及2017年均呈現不同的時空分異性(表1,圖3)。分析結果顯示,土地覆被無論是在變化量上,還是在變化速率上都具有明顯的時空分異性：在2001—2017年期間,呈現三增三減趨勢,即草地、耕地及建設用地動態度(土地利用年均變化率)均為正,表明土地覆被均有所增加,分別增加11457 萬hm2、841 萬hm2及396 萬hm2,其年增加幅度大小依次為建設用地>草地>耕地。其中,新增草地主要來源于林地(貢獻70%),增加區域主要集中在西歐的溫帶大陸性氣候、地中海氣候區,俄羅斯的林草用地交錯區,尤其是斯洛文尼亞增長幅度最大,而草地的減少也以林地擴張為主(貢獻69.72%)；另外,建設用地的增加主要來自于對耕地的占用(貢獻50%),尤其是中國東部沿海地區及天山北坡經濟帶,這與21世紀以來中國經濟水平快速發展密切相關,其次是土耳其,阿塞拜疆和俄羅斯。耕地擴張幾乎全來源于草地(貢獻98%),其中,中國西北區域耕地輕度增加,東歐地區耕地增加顯著。林地、未利用地及水域和濕地均有所減少,分別減少7409 萬hm2、4659 萬hm2及626 萬hm2。未利用地減少面積的80%轉為草地,新增草地主要分布在中國的西北、黃土高原及青藏高原區,中亞及伊朗地區,林地減少區域主要分布在俄羅斯和中國的四川盆地、廣西及廣東區域,尤其是阿塞拜疆和瑞士減少幅度最大。

2001—2005、2005—2009、2009—2013及2013—2017年的新亞歐大陸橋土地覆被變化對比分析表明(表1,圖3)：除草地外,其余各個地類在2013—2017年的變更劇烈程度均大于其他3個時期。其中,耕地雖然在2005—2009年及2009—2013年有減少趨勢,但是2013—2017年增加明顯,尤其是黑山共和國增加最快；水域和濕地在2013年前一直處于減少狀態(水域和濕地草化),而2013年后有所增加,其中斯洛文尼亞變化速率最顯著；建設用地在4個時期一直呈現擴張趨勢,中國最為明顯。自2013年“一帶一路”倡議啟動以來,新亞歐大陸橋的土地覆被變化動態度整體呈增速趨勢,尤其是建設用地、耕地、草地及林地之間的轉換強度明顯高于2013年前的土地覆被轉換強度。

表1 土地覆被轉移矩陣/104hm2

表中括號外面的值表示土地覆被轉換面積，括號里面的值表示括號外面的值占總轉出面積的百分比

圖3 新亞歐大陸橋土地覆被變化的動態度Fig.3 Dynamic degree of land cover change in the New Eurasian Continental Bridge Economic Corridor (NECBEC) area圖中的橫坐標表示新亞歐大陸橋區域的國家編號(其中,1—28代表的國家編號與圖1相同,29 代表整個研究區); 左圖例：代表左縱坐標表示的土地覆被動態度；右圖例：代表右縱坐標表示的土地覆被動態度

2.2 土地覆被變化的時空動態概率分析

運用土地覆被變化時空動態概率模型對2001—2005、2005—2009、2009—2013和2013—2017年4個時段的土地覆被類型的動態轉換概率進行計算分析表明(表2)：除建設用地外,其他土地覆被類型在所有時期均存在潛在轉換的可能性。其中,草地的潛在轉換面積最大,其次是林地和耕地。在2001—2005年間,未發生變更的水域和濕地存在較大的STDP值,表明其在空間分布上的不穩定性較強；未利用地雖然轉出面積較大,但是未發生轉換的區域的STDP值較小,表明其在空間分布上的穩定性好。2005—2013時段與2001—2005年時段,耕地及水域和濕地的STDP值呈減少趨勢,而未利用地的STDP值則有所增加,表明未利用地的潛在穩定性逐漸降低；在2013—2017年間,林地、草地及耕地的STDP值呈減少狀態,而未利用地及水域和濕地的STDP值呈增加趨勢,但是各個地類的潛在變更面積都有明顯增加,表明各個地類的不穩定范圍在逐漸擴張。

2.3 社會經濟發展水平與時空集聚性

通過聯合國糧食及農業組織(http://www.fao.org)及世界銀行集團(https://data.worldbank.org)收集研究區各個國家17年的社會經濟指標數據：GDP、農村人口(占總人口比)、城鎮人口(占總人口比)、交通(鐵路公里數)、嬰幼兒死亡率(每千例活產兒)、服務業就業人員(占就業總數的百分比)、農業增加值(占 GDP 的百分比)、工業增加值(占 GDP 的百分比)、預期壽命(歲)及GDP單位能源使用量(購買力平價美元/kg石油當量),對其降維分析并計算綜合得分的基礎上,進行局部Moran′s I分析,結果表明(圖4)：自2001年以來,新亞歐大陸橋社會經濟發展的全局Moran′s I呈現先增后減趨勢,說明經濟發展水平空間集聚性呈現先增大后減小趨勢,經濟發展綜合得分較高的區域不斷擴大。雖然各個國家經濟發展水平有明顯的時空分異性,但是出現高高聚集和低低聚集區域無明顯變化,分別分布在西歐(瑞士、德國、荷蘭、法國及奧地利等)和中亞北部(烏茲別克斯坦、吉爾吉斯斯塔及土庫曼斯坦等)。此外,2001—2017年,土庫曼斯坦、中國、阿塞拜疆及羅馬尼亞經濟發展水平增幅最大,尤其是以石油和天然氣(儲量世界第四)為支柱產業的土庫曼斯坦在2017年被歸類為高低聚集區,這可能與其引進外資提高自然資源開發能力,不斷拓寬能源輸出通道有很大關系,而烏克蘭、俄羅斯、伊朗及白俄羅斯經濟水平有輕度降低趨勢。

表2 土地覆蓋變化的時空動態概率/104 hm2

表中的STDP是時空動態概率的英文縮寫(STDP is the abbreviation of Spatiotemporal Dynamic Probability in this table)

2.4 土地覆被變化驅動力的定量分析

隨著人類技術水平的進步,人們對于自然環境的改造和適應能力顯著增強,各種社會經濟發展因素對于土地覆被驅動效應逐漸增加。為了定量分析各類社會經濟驅動因子對土地覆被變化的貢獻系數,分別選擇GDP(X1)、城鎮人口(X2)、鐵路公里數(X3)、人口密度(X4)、服務業就業人員(X5)、農業增加值(X6)、工業增加值(X7)和GDP單位能源使用量(X8)等社會經濟指標參數進行K-Means聚類分析,應用地理探測器定量分析它們對土地覆被變化的作用強度(表3)。結果表明：21世紀以來,人口密度、服務業就業人員及GDP單位能源使用量對耕地的影響整體呈明顯上升趨勢,GDP、城鎮人口和工業增加值的影響則整體呈減弱趨勢,農業增加值的驅動影響整體高于其他因素。GDP和交通對建設用地增加的驅動作用呈顯著增加趨勢,而城鎮人口增長對建設用地增長的驅動影響則呈降低趨勢。人口密度、農業發展、工業水平、服務業及交通發展對于林地的驅動影響整體呈上升趨勢。其中,人口密度對林地變化影響高于其他因素的影響；GDP單位能源使用量對草地變化的影響整體上高于其他因素的影響；GDP、城鎮人口、人口密度、交通及服務業增長對水域和濕地及未利用地的影響整體呈增加趨勢,而且2013—2017年期間的影響要高于其他時段的影響。

表3 不同時期各社會經濟因素對土地覆蓋變化作用強度變化趨勢

表中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8 分別代表GDP、城鎮人口、鐵路公里數、人口密度、服務業就業人員、農業增加值、工業增加值和GDP單位能源使用量(In this table, X1, X2, X3, X4, X5, X6, X7 and X8 represent GDP, urban population, railway kilometers, population density, service workers, agriculture value added, industrial value added and GDP unit energy use

3 討論

21世紀以來,中國的草地減少、林地增加、建設用地增加、未利用地減少的時空趨勢這一結果與現有研究[27- 31]一致。耕地轉換趨勢總體與已有研究結果一致,但由于時間跨度、數據來源[32- 34]及土地覆被分類體系不同,使得研究結論也存在一定差異。如劉紀元等[35]基于Landsat 8 OLI、GF—2 等遙感圖像獲取的土地覆被分類數據發現2010—2015年耕地面積處于減少趨勢,而文中基于500m的數據及馬里蘭大學(UMD)植被分類方案,并根據已有研究[36-38],將UMD分類體系的農田—自然植被混合地類歸為耕地,結果發現2013—2017年耕地面積處于增長趨勢。因此,在利用大尺度數據進行局部區域分析時需要首先進行降尺度處理[39-41]。運用土地覆被時空動態概率模型和驅動力綜合分析模型對新亞歐大陸橋經濟走廊的土地覆被空間格局時空變化及驅動力影響的定量分析表明,在2001—2017年期間,隨著研究區社會經濟綜合水平發展和亞歐大陸環境變化[19,42],建設用地的擴張的面積主要來自于耕地,林地和草地之間的相互轉換最為明顯,水域和濕地以及未利用地及整體呈減少趨勢。

自2001年以來,中國城鎮化的快速發展[43],以及“西部大開發”和“中原崛起”等一系列政策的實施,使得建設用地呈快速增長趨勢,并占用了一定耕地資源[44- 45]。在亞歐大陸[46- 47]及全球[48- 50]的土地覆蓋變化研究中也有類似結論。西亞各國耕地面積波動較大,則主要受石油爭端、領土紛爭等國家安全形式的影響[51]。中亞地區自1991年遭受蘇聯解體的后,農產品市場由計劃經濟轉為市場經濟,并受到國際市場的沖擊導致該地區出現大批棄耕現象[52-54],但是進入21世紀后,隨著俄羅斯的國家制度穩定和灌溉農業技術的快速發展,耕地面積呈現增加趨勢。西歐地區憑借發達的陸路和海路交通系統及相對完善的基礎設施建設,推動經濟快速發展和城市擴張[55-56],從而引起該區域耕地面積呈增加趨勢,而且適宜的水熱條件和機械化農場式的生產模式提高了耕地的開發利用程度[57]。近年來,東歐地區憑借相對廉價的勞動力、比較寬松的生產環境,成為西歐制造業轉型升級的主要承接國,在制造業的帶動下經濟踏上了發展快車道,城市擴張也隨之而來[58]。同時,擁有廣袤的大草原的東歐地區,草地與耕地之間出現明顯的相互轉換趨勢,即耕地的增加主要來源于草地的減少。西伯利亞平原及廣大遠東地區多為高原和山地,土地貧瘠[59],耕作條件差,耕地開發程度低[60],使得耕地面積呈減少趨勢。關于林地、草地和未利用地的變化趨勢研究結果,Song(2018)等通過繪制1982—2016年全球土地覆被圖集,發現亞洲的裸地面積約減少了11600萬hm2。Chen(2019)等發現,自2001年以來,全球三分之一的植被區呈變綠趨勢,綠葉面積增加了5%,相當于一個亞馬遜熱帶雨林,其中中國至少貢獻25%,而全球5%的土地也正在荒漠化[61]。

新亞歐大陸橋區域不同的土地覆被類型的主要驅動因子在不同時段呈現不同差異,但整體上隨著社會經濟的發展,人類活動對土地覆被變化的干擾程度呈增加趨勢[17, 25]。尤其是進入21世紀以來,建設用地和耕地受人類活動的干擾程度日益增大,而林地、草地、水域和濕地,以及未利用地等土地覆被類型的變化則主要受自然氣候變化的影響。文中土地覆被時空動態概率模型的模擬結果也與上述結果一直。在未來研究過程中,進一步提高土地覆被數據的分辨率和精度,綜合考慮自然因素與人文因素的耦合驅動作用,將更加有效地揭示和闡述土地覆蓋變化的驅動機理。

4 結論

新亞歐大陸橋土地覆被類型面積的大小順序依次為草地、林地、未利用地、耕地、水域和濕地、建設用地。其中,草地面積為整個區域面積的44.53%,而建設用地的比例則不足5%。在2001—2017年間,草地、耕地及建設用地面積分別增加11457 萬hm2、841 萬hm2及396 萬hm2,而林地、未利用地及水域和濕地面積分別減少7409 萬hm2、4659萬 hm2及626萬 hm2。

2001—2013年與2013—2017年兩個時段相比,后一時段的耕地、林地、建設用地、未利用地及水域和濕地的年變化幅度整體上均大于前一時段。自2013年以后,水域和濕地,以及未利用地的潛在穩定性總體呈減少趨勢,而草地、林地和耕地的潛在穩定性則呈增加趨勢。新亞歐大陸橋沿線各個國家的社會經濟發展綜合水平存在較強的集聚性,而且這種集聚性總體呈先增后減趨勢。以上表明,隨著“一帶一路”倡議的啟動和規劃實施,在新亞歐大陸橋沿線各國的社會經濟快速發展過程中,土地覆被資源的開發利用主要趨向于草地和未利用地等土地覆被類型,從而引起這兩種土地覆被類型呈現減少趨勢,而對于現有的耕地和林地則處于保護開發狀態,這也體現了“一帶一路”倡議發展規劃中需要強調的在推動“一帶一路”沿線各國的社會經濟快速發展的同時,也要加強生態環境保護的可持續發展戰略思想。