近20年東烏珠穆沁旗土地利用變化特征及驅動力分析

劉吉德，郭建英，包雪源，楊振奇，劉艷萍

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020；3.內蒙古自治區林業和草原工作總站，內蒙古 呼和浩特 010018)

1 引言

土地資源是人類賴以生存與發展的物質基礎[1]，土地利用的方式反映了人類活動與自然環境之間的復雜關系，是全球環境變化的熱點領域之一。在我國經濟快速發展，人類活動加劇的背景下，科學而又高效地利用土地資源尤為重要。通過分析不同土地類型的時空變化，反映出人類對環境及資源等方面的影響。1995年，國際地學計劃(IGCP)和全球變化人文計劃(IHDP)一同提出的“土地利用/覆被變化科學”研究計劃指出了LUCC研究重點，推動了LUCC研究在全球范圍的發展[2]。土地利用變化機制的重點是驅動力研究[3,4]。近年來，國內外的專家學者在土地利用變化及其驅動力因素的方向上，取得了不俗的成就。美國克拉克大學Alkwaid等[5]于2012年提出了通過深入挖掘轉移矩陣所蘊含的信息來系統性定量研究土地利用變化的新方法-強度分析法(Intensity Analysis)[6]。李帆等[7]采用景觀指數、地形位指數及分布指數等方法分析草原露天煤礦區在不同地形、坡度下的土地利用景觀格局，王治良等[8]采用信息熵分析了呼倫貝爾草原區土地利用結構的時空演變規律，Gbint[9]用回歸模型分析了影響農業土地利用變化的驅動力；金海珍[10]、趙晨光[11]、常帥[12]等采用回歸分析方法分析區域土地利用變化及驅動因素的關系。

內蒙古草原不僅是我國最大的天然牧場和畜牧業生產基地，也是我國重要的能源基地。多年來，在煤炭資源開發、利用、加工過程中，在支撐內蒙古自治區經濟和社會發展的同時，也導致資源開采區草原景觀破碎化、土壤和植被退化、生物多樣性銳減、水土流失、地質災害加劇等一系列生態問題。以內蒙古自治區東烏珠穆沁旗為例，該旗縣土地利用類型以草地為主，畜牧業為該旗縣主要產業，但是，降水時空分布不均，自身穩定性較差，抗干擾能力低。2000年東烏珠穆沁旗GDP為71631萬元，農牧民收入為5138元，2005年后煤礦大規模開采后GDP達到了243967萬元，農牧民人均收入為7084元，截至2020年GDP達到了908932萬元，農牧民人均收入為32616元。在礦區開墾前后，部分地區草場退化嚴重，河湖濕地萎縮。然而目前，國內對于東烏珠穆沁旗土地利用變化研究沒有說明變化的驅動機制，缺乏整體性。本研究以東烏珠穆沁旗為研究區，采用土地利用動態度、土地利用轉移矩陣、土地利用程度三種方法分析2000～2020年土地利用時空特征變化，運用主成分分析法分析土地利用變化的驅動力因素，為東烏珠穆沁旗優化土地利用方式，合理開發土地資源提供科學數據支撐。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

東烏珠穆沁旗地理坐標北緯45°41′～46°10′，東經115°10′～120°07′，處于自治區東北部。南北最寬149 km，東西長達335 km[13]。全旗土地總面積47554 km2，行政區劃由6個鎮，2個蘇木組成分別為滿都呼寶拉格鎮、巴音胡碩鎮、烏里雅斯太鎮、額吉淖爾鎮、嘎達布其鎮、道特淖爾鎮，薩麥蘇木、呼熱圖淖爾蘇木。

東烏珠穆沁旗共有礦床44處，鉛、鋅、銀礦床15處，銅、鉛、鋅礦床18處，鉬、銀礦床1處，銀、金礦床7處，多金屬礦床1處，鎢礦床2處，銅、金、鎢礦床主要分布在研究區西部；中部主要為銀、鉛、鋅、金、鉬、鐵、銅礦床，烏蘭陶勒蓋—查干敖包一帶是金屬礦床分布的密集區；東北部朝不楞-阿爾哈達一帶，代表性礦床主要是朝不楞鐵多金屬礦床和阿爾哈達鉛鋅銀礦床[14]。2020年，全旗總人口81577人，其中城鎮人口50194人，農村牧區人口31384人，是一個以蒙古族為多數的邊疆多民族聚集區[15]。

2.2 數據來源及處理

東烏珠穆沁旗土地利用數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn),數據集以研究區2000年、2005年、2010年、2015年、2020年Landsat-5 TM影像和Landsat-8 OLI影像為數據源，且均選用7～9月份植被長勢較好，云量低于10%的影像。借助ENVI5.3對影像進行正射校正、輻射定標、大氣校正和圖像融合的預處理，再通過非監督分類劃分地類。借助Arcgis10.7對劃分好的影像進行重分類，參考國土資源部頒發的《土地利用現狀分類》(GB-T21010-2017)結合研究區實地情況并參考鄧信翠，陳洋波[16]的地類劃分將研究區土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、城鄉建設用地、工礦倉儲用地和未利用地共7類。為了避免解譯時主觀因素的影響，可以通過Google Earth軟件以及實地觀測的方法進行復核。東烏珠穆沁旗社會經濟數據來源于2000～2020年東烏珠穆沁旗統計年鑒，氣象數據來源于2000～2020年中國氣象數據網(http://data.cma.cn)以及東烏珠穆沁旗周邊氣象站點。本研究運用東烏珠穆沁旗的統計年鑒和氣象數據將總人口(X1)、地區生產總值(X2)、人均地區生產總值(X3)、第一產業生產總值(X4)、第二產業生產總值(X5)、第三產業生產總值(X6)、工業總產值(X7)、農作物播種面積(X8)、社會消費品零售總額(X9)、年平均降水量(X10)、年平均氣溫(X11)這11類指標進行驅動力因素分析。

2.3 研究方法

2.3.1 土地利用類型動態度

土地利用動態度可以體現出東烏珠穆沁旗近20年各土地利用類型的動態變化情況，可定量描述其變化的速度，揭示土地利用結構在時間上的變化。其公式為：

(1)

式(1)中，K表示研究區某一土地利用類型的動態度，Ua為研究期初期某一土地利用類型的面積，Ub為研究期末期某一土地利用類型的面積，t為研究期時間。

2.3.2 土地利用變化程度

土地利用程度反映了人類對土地資源的開發程度，是衡量未來土地可持續利用的起點。本文參考劉紀元[17]的研究方法，將土地利用分為4級(表1)，級數越高表示土地利用受人類活動影響越大并在此基礎下計算土地利用程度綜合指數、土地利用程度變化量和變化率。

表1 土地利用程度賦值

土地利用程度綜合指數計算公式：

(2)

土地利用程度變化量計算公式：

(3)

土地利用程度變化率計算公式：

(4)

式(2)～式(4)中：Lj為土地利用程度綜合指數；Ai為第i級土地類型分級指數；Ci為第i級土地面積占比(%)；n為土地利用程度分級數；ΔLb-a為土地利用程度變化量；R為土地利用程度變化率；La、Lb為分別為年度a、b所對應的土地利用程度綜合指數。若結果為ΔLb-a>0，或R>0，表示該時期研究區土地利用處在發展階段，反之則處于衰退期[18]。

2.3.3 土地利用類型轉入/轉出貢獻率

土地利用類型轉入/轉出貢獻率是在轉移矩陣的基礎上用于分析各土地利用類型在轉入轉出過程中空間格局與數量特征的變化[19]。

土地利用類型轉入貢獻率，計算公式如下：

(5)

式(5)中：Lij為某一時間段內j類土地利用類型向i類土地利用類型轉移的面積；S為某一時期土地利用類型產生轉入的總面積；n為土地利用類型的數量。

土地利用類型轉出貢獻率，計算公式如下：

(6)

式(6)中：Loj為轉出貢獻率，Sji為某一時間段內j類土地利用類型向i類土地利用類型轉移的面積；S為某一時期土地利用類型產生轉入的總面積；n為土地利用類型的數量。

2.3.4 土地利用變化驅動力分析

大量研究顯示，在北方草原地區影響土地利用變化的驅動因素主要有自然環境因素和社會經濟因素兩大驅動因素。為了找出致使土地利用隨時間變化的驅動力因素，選取各種可能影響土地利用變化的因素進行分析，借助SPSS 26.0運用主成分分析方法，確定主要的影響因素及指標。主成分分析法基本思路是降維，將驅動力因子中的冗余信息剔除，用較少的指標代替并表達出原來較多的信息[20]。本研究運用主成分分析法對東烏珠穆沁旗土地利用變化驅動力因素進行分析。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構變化分析

2000～2020年東烏珠穆沁旗土地類型以草地為主，占研究區總面積85%以上，工礦倉儲用地占比最小，僅有0.05%。2000～2020年土地利用結構變化表現為耕地、未利用地、建設用地和工礦倉儲用地逐年增加，其中未利用地2015年后變化平緩，2000～2015年林地、草地面積持續減少，在2015～2020年有所回升。東烏珠穆沁旗耕地面積在2000～2020年期間的增加了20.19%。林地面積在2000～2015年期間減少了2.98%，2015～2020年期間回升了14.83%。草地面積在2000～2015年期間減少了5.22%，2015～2020年期間回升了0.83%。建設用地面積在2000～2020年期間增加了98.12%。未利用地面積在2000～2015年期間增加了42.83%，2015～2020年幾乎沒有變化。工礦倉儲用地在2000～2020年期間增加了763.14%。

基于東烏珠穆沁旗DEM高程數據繪制出2000～2020年各土地利用類型在不同海拔和年份占總面積的百分比，將研究區海拔分為5級，1級(758～883 m),2級(883～958 m),3級(958～1043 m)，4級(1043～1176 m),5級(1176～1482 m)，如圖1～7所示。烏拉蓋管理區總面積為5321.88 km2,2000～2020年期間耕地、林地、建設用地、未利用地、工礦倉儲用地的面積分別增加了42.17%、51.78%、91.72%、51.73%、294.82，草地面積減少了19.19%。研究區耕地多處于海拔958～1043 m的地帶，主要分布在烏拉蓋河東南側的河谷平原。林地多處于海拔在958～1482 m的地帶，主要分布在東北部巴龍馬格陸低山丘陵和部分靠近大興安嶺的山地。草地在各個海拔地段都有分布，在758～1043 m地帶的低山丘陵分布較為廣泛。建設用地、未利用地和工礦倉儲用地基本處于758～958 m的地帶。其中工礦倉儲用地處于烏拉蓋河兩側以及大興安嶺和內蒙古高原接壤地帶，部分礦區處于色也勒欽河沿岸的低洼地帶，例如賀斯格烏拉露天礦。

圖1 耕地面積變化

圖2 林地面積變化

圖3 草地面積變化

圖4 水域面積變化

圖5 建設用地面積變化

圖6 未利用地面積變化

圖7 采礦倉儲用地面積變化

如表2所示，2000～2020年研究區單一土地利用動態度來看，耕地、建設用地規模在持續擴大。林地在2010年后逐步回升。草地在2015年之前持續減少，之后有所緩和。水域只在2010～2015年期間稍有增加。未利用地在2015年之前持續增加，之后幾乎沒有變化。工礦倉儲用地動態度最大，2000～2015年一直處于擴張的態勢，2015～2020年略微降低。根據劉紀元前輩提出的土地利用動態特征劃分標準,急劇變化型(21～24) 、快速變化型(13～20) 、緩慢變化型(4～12)和極緩慢變化型(0～3)[21]。東烏珠穆沁旗2000～2020年期間的土地利用動態度基本在(0～3)這個區間，研究區土地利用屬于極緩慢變化型，任處于極低水平。從小范圍來看，以東烏珠穆沁旗烏拉蓋管理區為例，2000～2020年期間耕地、林地、建設用地、未利用地、工礦倉儲用地動態度分別為0.021、0.024、0.044、0.025、0.1403，增加速度緩慢。草地在2000～2020年期間動態度為-0.0091。其中工礦倉儲用地增加速度最快，2005～2010年期間出現很多煤礦，動態度達到0.1860。

3.3 土地利用程度分析

由表3可知，2000～2015年期間研究區土地利用程度綜合指數從193.03降低至189.35，2015～2020年回升至189.69。2000～2015年這個時間段的土地利用程度變化率均小于0，這表明此時間段研究區土地利用程度未達到發展階段，處于調整期。

表2 土地利用動態度

表3 土地利用程度綜合指數、變化量和變化率

2015～2020年該時間段土地利用變化率大于0，此時間段研究區土地利用程度處于發展期階段。從總體上看，東烏珠穆沁旗的土地利用程度都很低，即便在2015～2020年的發展階段，變化率也僅有0.14%。從小范圍來看，以東烏珠穆沁旗烏拉蓋管理區為例，2000年土地利用程度綜合指數為197.52,2020年土地利用程度綜合指數為194.28。土地利用程度變化量為-3.24。土地利用程度變化率-0.02%。烏拉蓋管理區處于調整期，造成這一結果，也是由于草地面積基數過大。

3.4 土地利用類型轉移貢獻率分析

由表4可知，轉入貢獻率最高的是草地，平均轉入貢獻率為54.77%，其次是未利用地，平均轉入貢獻率為29.29%。耕地和林地的轉入貢獻率較為接近分別為5.39%，6.14%。建設用地和工礦倉儲用地的轉入貢獻率極少。轉出貢獻率最高的是草地，平均轉出貢獻率為42.04%，其次是未利用地，平均轉出貢獻率為35.75%。耕地和林地的轉出貢獻率分比為7.88%，5.25%。建設用地和工礦倉儲用地的轉出貢獻率極少。

總體上看，草地和耕地在轉移過程中最為活躍，耕地和林地轉入轉出過程較為平衡，建設用地和工礦倉儲用地面積雖逐年增加，但轉移過程中的變化微乎其微。從小范圍上看，以烏拉蓋管理區為例，2005～2020年耕地、草地、工礦倉儲用地在轉移過程中最為活躍，耕地轉入率10.24%，轉出率1.92%，草地轉入率29.72%，轉出率為41.52%，工礦倉儲用地轉入率為1.10%，轉出率為0.06%。相比整個東烏珠穆沁旗，烏拉蓋管理區轉入轉出的變化還是比較明顯的。

表4 土地利用轉移貢獻 %

3.5 土地利用驅動力分析

3.5.1 主成分分析

通過SPSS軟件對11個因子進行分析得到初始特征值、各主成分的貢獻率與累計貢獻率。由表5可知，總計大于1的主成分有兩個，累計特征值為94.933%，說明這兩個主成分對以上11個因子的解釋能力為94.933%。

表5 總方差解釋

由圖8可知，當提取1、2成分時特征值變化明顯，再提取之后的成分時，特征值變化趨于平緩，所以，這兩個成分基本能代表原變量中所有方差。

圖8 碎石圖

由表6可得，第一主成分與X8(農作物播種面積)、X2(地區生產總值)、X10(年平均降水量)、X1(總人口)、X6(第三產業生產總值)、X4(第一產業生產總值)、X9(社會消費品零售總額)有明顯正相關，第二主成分與X11(年平均氣溫)有明顯正相關。

根據兩個主成分系數得到的線性組合分別為：

y1=0.327x1+0.336x2+0.248x3+0.322x4

+0.308x5+0.324x6+0.295x7+0.342x8

+0.314x9+0.334x10+0.010x11

(7)

y2=0.146x1+0.093x2+0.411x3+0.237x4

+0.174x5-0.231x6+0.330x7-0.068x8

-0.281x9+0.057x10+0.682x11

(8)

表6 主成分載荷矩陣

由式(7)、(8)可知，在主成分中y1，X8(農作物播種面積)、X2(地區生產總值)、X10(年平均降水量)、X1(總人口)、X6(第三產業生產總值)、X4(第一產業生產總值)、X9(社會消費品零售總額)系數的絕對值大于其他系數的絕對值，說明主成分y1是這7個指標的綜合反映。在主成分y2中，X11(年平均氣溫)、人均地區生產總值(X3)、工業總產值(X7)系數的絕對值大于其他系數的絕對值，說明主成分y2是這3個指標的綜合反映。

根據各主成分方差貢獻率占總方差貢獻率的比率為權重，計算得到2000～2020年東烏珠穆沁旗土地利用變化驅動力總得分：

y=0.7663y1+0.1831y2

(9)

式(9)中：y1、y2分別為第1、2主成分的表達式。從主成分得分和綜合得分來看(9)，在2000～2015年東烏珠穆沁旗土地利用變化驅動力第一主成分得分逐年增加，2015年之后增加速度減慢。在2000～2015年期間X8(農作物播種面積)、X2(地區生產總值)、X10(年平均降水量)、X1(總人口)、X6(第三產業生產總值)、X4(第一產業生產總值)、X9(社會消費品零售總額)分別增加了20.19%、90.13%、25.75%、23.54%、1648.97%、433.39%、764.85%，在2015～2020年期間，X8(農作物播種面積)、X1(總人口)、X6(第三產業生產總值)、X4(第一產業生產總值)、X9(社會消費品零售總額)分別增加了12.40%、0.52%、16.87%、11.94%、28.35%，X2(地區生產總值)、X10(年平均降水量)分別減少了33.26%、7.18%。第二主成分得分在2000～2005年以及2015～2020年期間減少，2005～2015年期間增加，在2000～2005年人均地區生產總值(X3)、工業總產值(X7)分別增加了510.2%、397.17%，X11(年平均氣溫)下降了16.77%，2005～2015期間，X11(年平均氣溫)、人均地區生產總值(X3)、工業總產值(X7)分別增加了31.34%、128.97%、1243.03%，2015～2020年期間X11(年平均氣溫)、人均地區生產總值(X3)、工業總產值(X7)分別減少了39.77%、72.86%、68.07%。由此可以看出影響第一、第二主成分主要因素為X2(地區生產總值)、X10(年平均降水量)和X11(年平均氣溫)。

綜上所述，將影響東烏珠穆沁旗土地利用變化驅動因素歸納為經濟因素和氣候因素。

年份

4 討論與結論

4.1 討論

通過對東烏珠穆沁旗土地利用變化分析可知，經濟因素是土地利用方式改變的重要動力，氣候因素是制約其土地利用方式的主導因素[22,23]。東烏珠穆沁旗土地利用變化小，處于極緩慢階段。東烏珠穆沁旗草地持續減少，直至2015～2020年有所緩和，總體上還是趨于退化，這與部分學者的研究結果表現基本相近[24～26]。近20年間，東烏珠穆沁旗經濟建設發展迅速，城市，交通，采礦用地等規模的擴大，致使草地面積減少，但主導因素還是氣候，2015～2020年東烏珠穆沁旗平均降水量較往期要多，這也是該時間段草地退化速度減緩的原因。草地的常年退化，建設用地及工礦倉儲用地的增加導致產業結構的變化，所以耕地的逐年增加是必然的，既彌補了草地退化帶來的經濟損失，又能滿足城市、工礦增加后的糧食需求。

另外。政策因素在土地利用變化中也發揮了重要作用。東烏珠穆沁旗在2009年實施“工業強旗”戰略，以工業經濟先行突破帶動旗域經濟實力整體提升，工業增加值占全旗GDP比重達到60%，同比提高3.2%[27]。之后陸續實施了“六大基地”工程，著力建設草產業帶，加快培育打草場，加快大中型儲草基地等飼草儲備基礎設施建設。這也是2010～2015年東烏珠穆沁旗工礦倉儲用地顯著增加的根本原因。2018年，京津風沙源治理二期工程在東烏珠穆沁旗開展，迄今為止，在林草資源合理利用，全面實現草畜平衡，取得了重大進展，這也與2015～2020年草地轉入面積增加的情況相吻合。

4.2 結論

(1)研究區在2000～2020年期間，耕地、林地、建設用地、未利用地、工礦倉儲用地的面積都有不同程度的增加，其中工礦倉儲用地增加幅度最多，增加了763.14%。草地減少了和水域面減少了4.44%，水域也有所減少。

(2)從土地利用動態度來看，工礦倉儲用地動態度最大，在2000～2020年動態度達到1.27。從土地利用程度來看，2000～2015年期間研究區未達到發展階段，在2015～2020年期間處于發展階段，整體土地利用程度較低。從轉移貢獻率來看，草地和未利用地在轉入轉出過程中較為活躍。

(3)從驅動力分析來看，影響研究區土地利用變化的主要因素是經濟因素和氣候因素。本文對研究區提出以下發展策略：采礦業要邊開采，邊治理，提高回采率，減少尾礦。對于畜牧業，在生態脆弱區進行圍欄封育，同時管控牛羊馬的數量，避免超載放牧。農業要在對土地資源破壞最小的前提進行規范化、規模化生產。