2000—2020年武威市土地利用/覆被時空變化及驅(qū)動力分析

張治國,康鴻杰

(甘肅省自然資源規(guī)劃研究院,蘭州 730000)

土地資源是人類生存和社會發(fā)展的基礎,是人類最寶貴的自然資源之一[1]。土地利用/覆蓋變化(land use and cover change,LUCC)是人類活動對自然地表改造的重要載體,是研究碳循環(huán)、生物多樣性、農(nóng)業(yè)發(fā)展等全球氣候變化和生態(tài)環(huán)境問題的基礎[2-4]。因此,加強土地利用時空動態(tài)變化及驅(qū)動機制的研究,對保持自然環(huán)境與人類活動平衡及改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境有重要意義[5-7]。

土地利用/覆被變化研究的主要內(nèi)容包括兩個方面,一方面利用長時間尺度的遙感影像研究土地利用/覆被時空變化規(guī)律[8],另一方面結(jié)合研究區(qū)人為活動和自然因素探究土地利用/覆被變化的驅(qū)動力[9]。已有中外學者利用不同的研究方法和數(shù)據(jù)源,從多角度對LUCC變化特征及其驅(qū)動力進行了分析。Zhao等[10]利用地理探測等方法定量探討自然和社會經(jīng)濟因素對土地利用程度的影響機制,明確土地利用演變的特征和驅(qū)動力。Shi等[11]在多個尺度上分析了土地利用模式與水質(zhì)之間的關系,并發(fā)現(xiàn)了土地利用方式對溪流水質(zhì)的影響在空間和時間上具有尺度依賴性。Li等[12]利用CA-Markov模型模擬了2025年珠三角城市群3種不同情景下的土地利用格局,研究表明,建設用地擴張必然會影響生態(tài)系統(tǒng)的安全。閆志遠等[13]研究表明,社會經(jīng)濟的快速發(fā)展是驅(qū)動錫林郭勒草原土地利用/土地覆被變化的主要因素。但當前研究多集中在城市化進程明顯的區(qū)域[14-15],針對河西走廊區(qū)域的土地利用/覆被變化規(guī)律及驅(qū)動力的研究鮮有報道,因此河西走廊地區(qū)土地利用/覆被動態(tài)變化及驅(qū)動力研究仍需加強[1]。武威市是中國河西走廊中心城市的重要節(jié)點城市,作為絲綢之路經(jīng)濟帶的核心區(qū)域,工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市化進程快速發(fā)展,加之受國家生態(tài)政策和當?shù)卣l(fā)展方向的影響,土地利用/覆被變化受人類活動干擾較為明顯,結(jié)合氣候變化的影響,其空間格局正在不斷發(fā)生變化。因此,研究武威市土地利用/覆被類型的時空變化特征及其驅(qū)動力,對區(qū)域規(guī)劃及經(jīng)濟與生態(tài)的和諧發(fā)展具有重要的意義。

武威市特殊的地理位置及生態(tài)環(huán)境的發(fā)展進程,使其成為各位學者研究的熱點區(qū)域[16-17],武威市的土地利用/覆被變化也開展了相關研究工作[18],但研究的年限和方法較為局限,研究無法解決掌握武威市土地利用/覆被變化的核心問題。因此,以2000年、2010年和2020年3期土地利用/覆被數(shù)據(jù)為研究基礎,利用土地利用動態(tài)度和轉(zhuǎn)移矩陣等方法,深入分析武威市2000—2020年的土地利用/覆被的時空變化特征,并結(jié)合自然條件和社會經(jīng)濟等因素,探討其變化的驅(qū)動力,為武威市城市現(xiàn)代化進展和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

武威市位于甘肅省中部,河西走廊的東端,包含武威市、民勤縣、古浪縣和天祝藏族自治縣4個縣級行政區(qū)(圖1)。其地勢南高北低,地形可分為三帶,南部祁連山區(qū),海拔在2 100～4 800 m,山脈大致呈西北-東南走向,氣候冷涼,降水豐富,有利于林業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展。中部平原綠洲區(qū),海拔1 450～2 100 m,地勢平坦,土地肥沃,是甘肅重要的糧、油、瓜果、蔬菜生產(chǎn)基地。北部荒漠區(qū),海拔約1 300 m,干旱少雨,日照充足,是沙生植物、名貴藥材的主要產(chǎn)地。武威市地處中國西北內(nèi)陸腹地,屬典型的溫帶大陸性干旱氣候,晝夜溫差大,夏季干旱少雨,蒸發(fā)量大,年平均氣溫7.7 ℃,年均降水量212.2 mm,年平均蒸發(fā)量2 163.6 mm,具有典型的干旱區(qū)氣候特點。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

研究所需數(shù)據(jù)主要有武威市矢量數(shù)據(jù)、土地利用/覆被柵格數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。其中土地利用/覆被柵格數(shù)據(jù)由自然資源部提供的GlobeLand30(http://www.globallandcover.com/)。該數(shù)據(jù)共包括10個一級類型,分別是耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川積雪,分類系統(tǒng)定義如表1所示。利用ENVI5.3軟件對原始影像進行配準、校正、裁剪和鑲嵌等預處理,并利用密度分割獲取研究區(qū)不同時期的土地利用/覆被數(shù)據(jù),具體密度分割過程為ENVI Tools→Classification→Raster Color Slices,根據(jù)需求獲取一級分類的土地利用/覆被數(shù)據(jù),結(jié)果圖2所示。

表1 GlobeLand30分類系統(tǒng)Table 1 Classification system of GlobeLand30

圖2 2000—2020年武威市土地利用/覆被時空分布圖Fig.2 Spatial and temporal distribution map of land use/cover in Wuwei City from 2000 to 2020

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/),研究區(qū)內(nèi)共有3個國家氣象站點,分別為民勤站(站點編號:52681)、武威站(站點編號:52679)和烏鞘嶺站(站點編號:52787)。選取20年每日氣溫和降雨量,獲取年均氣溫及年降雨量。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于武威統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù),包括人口、GDP、公路、村鎮(zhèn)現(xiàn)有房屋、房地產(chǎn)投資、貨運量、農(nóng)業(yè)增加量等相關數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度用于計算某種土地利用/覆被的變化量,可定量描述土地利用/覆被的變化速率[19],其表達式為

(1)

式(1)中:K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度;S1和S2分別為研究時段初期和末期的某種土地利用/覆被類型的面積;T為研究時長。

1.3.2 綜合土地利用動態(tài)度

綜合土地利用動態(tài)度用來計算研究區(qū)內(nèi)某種土地利用/覆被類型的變化總量,定量描述研究區(qū)土地利用類型變化的劇烈程度[20],計算公式為

(2)

式(2)中:ΔSin為研究時段其他土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯繉ο蟮拿娣e之和;ΔSout為研究時段研究對象轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩?覆被類型的面積之和;Lc為研究時段對應的研究區(qū)土地利用變化速率。

1.3.3 土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是描述區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型變化的結(jié)構特征和變化方向,是目前土地利用研究中使用最廣泛的方法[21]。其計算公式為

(3)

式(3)中:S為研究時段內(nèi)的轉(zhuǎn)移矩陣;Sij為研究時段內(nèi)第i種土地利用/土地覆被類型轉(zhuǎn)化為第j種類型的面積;n為土地利用的類型數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用/覆被時空變化

2000年、2010年、2020年武威市土地利用/覆被時空分布如圖2和表2所示。2020年武威市土地利用類型以裸地、草地和耕地為主,其中裸地面積為17 628.2 km2,占武威市總面積的53.24%,主要分布在研究區(qū)的北部荒漠區(qū);草地面積為6 664.1 km2,耕地面積為6 464.4 km2,分別占研究區(qū)的20.13%和19.53%,其中草地主要分布在武威市南部祁連山區(qū),耕地分布在中部平原綠洲區(qū)及北部荒漠區(qū)的中間地區(qū)。林地、人造地表、濕地次之,面積分別為1 313.2、669.8、237.2 km2,其中林地分布于武威市南部祁連山區(qū),濕地聚集于東北部,人造地表呈點狀分布于中部平原綠洲區(qū)。灌木地、水體和冰川積雪面積較小,其中水體分布于綠洲區(qū)與荒漠區(qū)交界處。

表2 2000—2020年武威市土地利用/覆被面積統(tǒng)計Table 2 Statistics of Land use/cover area in Wuwei City land from 2000 to 2020

近20年間,武威市土地利用/覆蓋面積絕對變化量為:草地>裸地>人造地表>林地>耕地>濕地>水體>灌木地>冰川積雪。其中耕地、草地和灌木地面積呈先增后減,林地和人造地表面積呈先減后增,濕地和水體面積呈持續(xù)增加,裸地面積呈持續(xù)減少的現(xiàn)象。裸地面積減少549.4 km2,人造地表增加477.5 km2,這與近些年開墾荒地、城鎮(zhèn)化發(fā)展的過程相符,草地面積增加644.9 km2,其主要原因與國家實施防沙治沙等政策相關,濕地和水體面積的增加可能與中國西北地區(qū)的氣候變化有關,但是耕地和林地分別減少了219.3 km2和389.1 km2。

2.2 土地利用/覆被動態(tài)度

表3為2000—2020年武威市土地利用/覆被類型單一動態(tài)度和綜合動態(tài)度,可以看出,2000—2010年林地和人造地表的單一動態(tài)度明顯高于其他土地利用/覆被類型,但兩者均為負值,表明該時期林地和人造地表面積均有大幅度下降。2010—2020年人造地表的單一動態(tài)度達441.0%,明顯高于上個10 a,說明該時期武威市近年來城鎮(zhèn)化現(xiàn)代化建設發(fā)展速度十分可觀。耕地和裸地的動態(tài)度變化不明顯,與其面積基數(shù)較大有關;水體和濕地因面積較小,受自然因素影響較為明顯,因此動態(tài)度變化幅度明顯高于耕地和裸地。整體來看,2000—2020年,武威市灌木地、林地綜合動態(tài)度最高,表明兩者穩(wěn)定度較低,其次是人造地表、水體和冰川積雪,裸地、耕地、草地和濕地4種土地利用/覆蓋類型在20年內(nèi)動態(tài)度較低,相對比較穩(wěn)定。

表3 2000—2020年武威市土地利用/覆被動態(tài)度Table 3 The dynamic index of land use/cover in Wuwei City from 2000 to 2020

2.3 土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣

通過不同時期的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,可以進一步掌握武威市土地利用/覆蓋的轉(zhuǎn)移變化情況?；?000年、2010年和2020年武威市土地利用/覆被數(shù)據(jù),利用ENVI密度分割和基于地面真像的混淆矩陣模塊,制作武威市2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表4～表6),明晰武威市不同時期土地利用/覆被之間的轉(zhuǎn)移方向。

表4 2000—2010年武威市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Land use transfer matrix of Wuwei City from 2000 to 2010

表5 2010—2020年武威市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Land use transfer matrix of Wuwei City from 2010 to 2010

表6 2000—2020年武威市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 6 Land use transfer matrix of Wuwei City from 2000 to 2020

2000—2010年,耕地面積增加了69.5 km2,主要來自與人造地表的互轉(zhuǎn)。林地主要以轉(zhuǎn)出為主,其中最主要的轉(zhuǎn)出方向為草地,面積為698.4 km2,占總轉(zhuǎn)出面積的97.8%,分布在南部祁連山區(qū)的中部;轉(zhuǎn)入面積為53.3 km2,主要來自草地、灌木地和裸地。草地是武威市土地利用類型變化最大的類型,草地增加的面積為1 111.2 km2,主要來自林地和裸地的轉(zhuǎn)入,分別為698.4 km2和558.4 km2;草地轉(zhuǎn)出方向主要為裸地和林地,分別為138.7 km2和22.5 km2。人造地表在2000—2010年出現(xiàn)負增長,主要是與耕地的相互轉(zhuǎn)化。裸地面積明顯減少,主要轉(zhuǎn)化為草地和濕地。灌木地面積變化不大,主要是與林地的互相轉(zhuǎn)化,濕地和水體在此期間有小幅度增加,冰川積雪無變化。

在2010—2020年耕地面積減少288.7 km2,主要轉(zhuǎn)出方向為人造地表、草地和裸地,其轉(zhuǎn)出面積分別為428.0、77.4、76.1 km2;耕地轉(zhuǎn)入面積主要來自裸地和草地,分別為195.5 km2和95.6 km2。林地面積增加了271.5 km2,主要與草地的相互轉(zhuǎn)化。草地面積減少466.3 km2,主要轉(zhuǎn)出方向為裸地和林地,轉(zhuǎn)出面積分別有422.9 km2和360.4 km2。人造地表面積增加速度較快,增加面積為546.0 km2,主要來自耕地和裸地。裸地面積持續(xù)減少,但減少速度明顯放緩,主要來自與草地、耕地的互相轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)化為建設用地。灌木地面積變化與2000—2010年較為相似,主要是與林地的互相轉(zhuǎn)化,濕地和水體面積持續(xù)小幅度增加。整體而言,2000—2020年武威市土地利用主要轉(zhuǎn)移方向呈現(xiàn)耕地轉(zhuǎn)入人造地表、林地轉(zhuǎn)入草地、裸地轉(zhuǎn)入耕地和人造地表的現(xiàn)象。

2.4 土地利用/覆被變化驅(qū)動因素

土地利用/覆被變化是自然條件、氣候變化、經(jīng)濟發(fā)展、社會環(huán)境和人口變化5個方面的因素,總體上是自然因素和社會經(jīng)濟因素影響的綜合體現(xiàn)。

2.4.1 自然因素

自然因素主要是水熱條件即氣溫和降水,該因素是土地利用/覆被變化的基礎性條件。圖3為2000—2020年武威市年降雨量和年均氣溫多年變化,可以看出,20 a間武威市年均氣溫變化波動較小,呈上升趨勢,但上升幅度平緩;年降雨量波動較大,整體呈上升趨勢,其中,2000—2010年,年降雨量呈下降趨勢,下降速率為4.03 mm/a;2010—2020年,年降雨量呈上升趨勢,上升速率為2.79 mm/a。整體來看,武威市氣溫和降水量均有小幅度上升,這與武威市濕地和水體持續(xù)增加的變化趨勢相符。武威市林地呈現(xiàn)先減后增的趨勢,與年降雨量的變化趨勢相近,也說明了在干旱區(qū),降雨量是影響林地變化的主要因素。從研究區(qū)其他土地利用/覆被變化情況來看,氣溫和降雨量對武威市土地利用/覆被變化的影響相對有限,只對濕地、水體和林地等土地利用/覆被類型有一定影響。

圖3 2000—2020年武威市年均氣溫與和年降雨量變化Fig.3 The variations of annual temperature and precipitation in Wuwei City from 2000 to 2020

2.4.2 社會經(jīng)濟因素

表7為2000—2020年武威市社會經(jīng)濟因素統(tǒng)計結(jié)果。可以看出,2000—2020年,武威市GDP由2000年的642 815.0萬元增加到2020年的5 264 142.0萬元,經(jīng)濟的快速增長,城鎮(zhèn)現(xiàn)代化進程快速推進,房地產(chǎn)投資從2000年的7 815.0萬元增長到2020年的529 383萬元,村鎮(zhèn)現(xiàn)有房屋面積增加了100.9%,貨運量增加了674.5%,居民用地、工況用地及交通用地的急劇擴張,解釋了武威市人造地表面積在20年內(nèi)增加了248.4%的原因。21世紀初,武威市居民工業(yè)發(fā)展相對落后,人民以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主,開墾耕地是農(nóng)民最有效的致富方式,因此2000—2010年耕地出現(xiàn)增加、未利用地減少的規(guī)律。但西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境相對脆弱,國家實施退耕還林還草、植樹造林工程,加上2010年后城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設的快速發(fā)展,導致大量耕地、草地、未利用地被占用,與2000—2020年耕地、草地和灌木地面積呈先增后減的變化趨勢的相符。2000—2020年武威市人口減少了45.1萬人,并不影響房地產(chǎn)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,也表明在近20 a內(nèi),人口不是影響武威市土地利用/覆被類型變化的主要因素。

表7 2000—2020年武威市社會經(jīng)濟因素統(tǒng)計Table 7 Statistics of socio-economic factors in Wuwei City from 2000 to 2020

綜上所述,武威市土地利用/覆被變化的主要驅(qū)動力為社會經(jīng)濟因素,其中GDP、房地產(chǎn)投資、政府政策對土地利用/覆被類型的變化影響顯著。因此,經(jīng)濟增長和房地產(chǎn)投資等社會經(jīng)濟因素和國家宏觀政策是2000—2020年武威市土地利用結(jié)構調(diào)整和變化的主要驅(qū)動力。

3 結(jié)論

(1)2020年武威市土地利用類型以裸地為主,裸地面積為17 628.2 km2,占武威市總面積的53.24%,主要分布在研究區(qū)的北部荒漠區(qū)。武威市土地利用/覆蓋面積絕對變化量為:草地>裸地>人造地表>林地>耕地>濕地>水體>灌木地>冰川積雪。其中耕地、草地和灌木地面積呈先增后減,林地和人造地表面積呈先減后增,濕地和水體面積呈持續(xù)增加,裸地面積呈持續(xù)減少的現(xiàn)象。

(2)2010—2020年人造地表的單一動態(tài)度達441.0%,明顯高于上個10 a,說明該時期武威市近年來城鎮(zhèn)化現(xiàn)代化建設發(fā)展速度十分可觀。2000—2020年,武威市灌木地、林地綜合動態(tài)度最高,表明兩者穩(wěn)定度較低,其次是人造地表、水體和冰川積雪,裸地、耕地、草地和濕地4種土地利用/覆蓋類型在20 a內(nèi)動態(tài)度較低,相對比較穩(wěn)定。

(3)2000—2010年,耕地面積增加了69.5 km2,主要來自與人造地表的互轉(zhuǎn)。草地是武威市土地利用類型變化最大的類型,草地增加的面積為1 111.2 km2,主要來自林地和裸地的轉(zhuǎn)入。在2010—2020年耕地面積減少288.7 km2,主要轉(zhuǎn)出方向為人造地表、草地和裸地。人造地表面積增加速度較快,增加面積為546.0 km2,主要來自于耕地和裸地。整體而言,2000—2020年武威市土地利用主要轉(zhuǎn)移方向呈現(xiàn)耕地轉(zhuǎn)入人造地表、林地轉(zhuǎn)入草地、裸地轉(zhuǎn)入耕地和人造地表的現(xiàn)象。

(4)氣溫和降雨量對武威市土地利用/覆被變化的影響相對有限,只對濕地、水體和林地等土地利用/覆被類型有一定影響。武威市土地利用/覆被變化的主要驅(qū)動力為社會經(jīng)濟因素,其中GDP、房地產(chǎn)投資、政府政策對土地利用/覆被類型的變化影響顯著。因此,經(jīng)濟增長和房地產(chǎn)投資等社會經(jīng)濟因素和國家宏觀政策是2000—2020年間武威市土地利用結(jié)構調(diào)整和變化的主要驅(qū)動力。