内蒙古十大孔兑区土地利用类型变化与生态环境效应_曾令建.pdf

第 卷第期 年月水土保持通报 ，收稿日期：修回日期：资助项目：内蒙古自治区科技兴蒙行动重点专项“十大孔兑综合治理与水资源集约高效利用集成示范”（）；内蒙古自治区科技计划项目（）；内蒙古自治区自然科学基金项目（）第一作者：曾令建（），男（汉族），甘肃省民勤县人，硕士研究生，主要从事生态系统与服务功能方向的研究。：。通信作者：秦富仓（），男（汉族），教授，内蒙古自治区呼和浩特市人，博士，主要从事水土保持与荒漠化防治教学与研究工作。：。内蒙古十大孔兑区土地利用类型变化与生态环境效应曾令建，杨振奇，秦富仓，郭建英，（内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 ；中国水利水电科学研究院 内蒙古阴山北麓荒漠草原生态水文野外科学观测研究站，北京 ；水利部 牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 ）摘要：目的研究十大孔兑区土地利用变化与生态过程之间的关系，揭示人类活动和土地利用与生态环境效应，为研究区土地利用结构优化和区域生态环境保护提供依据。方法选取 ，年 影像，采用监督分类的方法结合地统计模块来获取不同时期土地利用数据和转移矩阵，对土地利用动态度、土地利用程度综合指数进行分析，在此基础上，运用数理统计等方法，选取 值、生态环境质量指数等指标，对十大孔兑区生态环境质量进行综合评价。结果研究期内，林地和草地面积比例变化幅度最大，水域面积比例最小，各土地利用类型之间转换频繁，林地“涨势”和草地、未利用地“落势”，十分明显。十大孔兑区 ，年土地利用类型转化的生态环境质量指数分别为 ，整体呈现上涨趋势；在空间分布方面，生态环境质量东高西低、南高北低。年平均降水量、年平均风速会对生态环境质量产生显著的正向影响，年平均气温会对生态环境质量产生显著的负向影响。结论 年，城镇化快速发展的同时，十大孔兑区生态环境质量也在向好发展，研究区范围内生态环境质量呈现整体改善，局部恶化的局面，建设用地、林地、草地、未利用地之间的转化是主要原因，退耕还林等环境保护政策使研究区环境质量不断上升。关键词：土地利用变化；土地利用程度；生态环境效应；十大孔兑文献标识码：文章编号：（）中图分类号：，文献参数：曾令建，杨振奇，秦富仓，等内蒙古十大孔兑区土地利用类型变化与生态环境效应水土保持通报，（）：；，（）：，（.，；.，；.，）：，“”“”；，；，：；土地资源是人类生存和可持续发展的主要载体，对维持区域生态稳定起着十分重要的作用，而土地利用变化则影响着区域乃至全球的生态系统过程，对生物多样性、水分循环、气候变化等都有着很大的影响。近年来，随着经济社会的快速发展，工业化水平的提高，致使土地资源的开发强度和利用方式发生了巨大的变化，使人地与自然之间的矛盾更加激烈，由此带来的生态环境问题也不断凸显出来，包括水资源短缺、水土流失加剧、淡水资源污染等，特别是在干旱半干旱区生态环境问题尤为明显。针对土地利用变化和生态环境效应的研究逐渐引起各国学者的普遍关注，并成为自然及社会科学共同关心而感兴趣的热点和核心内容之一。傅伯杰等、郭旭东等开展了黄土丘陵沟壑区等地生态环境效应演变过程及驱动机制的研究，大部分研究指出，土地利用、气候变化、土壤侵蚀等因素是导致区域生态环境效应演变的关键因素，也有部分学者认为，植被覆盖度、环境污染等也导致生态环境质量变化的主导因素。十大孔兑位于黄河内蒙古段，上游为丘陵沟壑区，地表支离破碎，植被稀疏，矿产资源开发频繁，水土流失严重，成为黄河的主要产沙区之一，中游为库布齐沙漠，风沙入黄问题严重，下游为冲积平原区，农业生产经营活动频繁。一系列生态环境问题不仅影响当地广大农民的生存环境和生活水平，而且制约着当地社会可持续发展，从而进一步对黄河流域中下游地区的发展带来一定的影响，通过分析十大孔兑区土地利用变化与生态环境质量之间的关系及其影响因素对于区域发展有着重要意义。然而，在以往的研究中，大多数国内外学者以行政区划为研究单位，人为地分割了生态系统的整体性，也使得研究结果产生了一定的误差。基于上述背景和科学问题，本文基于 （）数据平台以及相应的处理技术，采用监督分类的方法，选取十大孔兑区 ，年的 历史影像数据，进行土地利用变化分析，同时，基于遥感影像，运用生态环境质量指数，对 ，年十大孔兑区土地利用变化多引起的生态环境效应展开研究，以期为十大孔兑区土地资源开发利用及区域生态环境保护提供依据。研究区概况十大孔兑发源于鄂尔多斯高原北缘，位于黄河内蒙古段右岸，横穿库布齐沙漠，经过下游冲洪积平原后汇入黄河的 条季节性河流，人们称之为“十大孔兑”。十大孔兑水流自南向北直接注入黄河宁蒙段，是黄河内蒙古段的主要泥沙来源地，各流域主河道沿着南北走向大致平行排列，涉及鄂尔多斯市的达拉特旗（的流域面积位于达旗）、杭锦旗、东胜区、准格尔旗个旗（区），条河流的流域面积变化于 ，总面积达 。研究区降水少，且时空分布不均，蒸发十分强烈约为降水量的倍，气候干燥，多年平均降水量 ，年均降水量 。降水年际变化大，月降水量占全年的 左右。由于降水量少，气候干旱，常有大风大沙天气出现，大风天气一般集中在月，年平均大风日数为，风速达第期曾令建等：内蒙古十大孔兑区土地利用类型变化与生态环境效应，最多可持续，瞬间最大风速可达，相当于 级大风。十大孔兑区土壤和植被类型分布特征具有极强的地带性，上游丘陵沟壑区以黄土、栗钙土为主，中游风沙区以流动、固定半固定风沙土为主，下游冲积平原区土壤以灌淤土、盐土、碱土、草甸土为主，植被类型从东南部的典型草原逐渐向西北部的荒漠草原、草原化荒漠过渡。区内植被以旱生与半早生灌丛和草原植被为主。研究方法数据来源及处理本文以十大孔兑区为研究区，选用 ，年 影像，基于 平台的 编程，筛选成像时间为月，云量小于，分辨率为，并进行遥感影像预处理。本文 数据来源于美国国家航天局 提 供 的 级 产 品（：），合成的归一化植被指数（），空间分辨率为 ，选取植被生长季（月）作为研究时段，数据通过 云平台变成完成下载（表）。表 系列卫星影像产品信息 卫星传感器影像获取时间 空间分辨率行号列号 土地利用分类方法基于 平台运用随机森林分类方法，将研究区 的 土 地 利 用 类 型 按 照 土 地 利 用 现 状 分 类（）标准划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地类，未利用地主要为沙地和盐碱地。本次试验数据为 ，年。分别选取样本数为 ，个，其中 为训练样本，为测试样本（表）。表土地利用分类精度验证结果 年份 系数总体精度 平 均 在精度验证中，选取 系数、总体精度、用户精度和生产者精度个指标进行验证，对土地分类数据结果进行验证，年平均 系数为 ，年 平 均 总 体 精 度 为 ，精度较高，满足研究需求。指标计算（）土地利用动态度。表达特定区域一定时间范围内某种土地利用类型变化情况。（）式中：为某一土地利用类型动态度；，分别为研究初期和研究末期某一土地利用类型的面积；为研究期时长。（）土地利用程度综合指数。该指数反映人类对区域土地开发利用的程度，是衡量区域土地利用深度和广度的重要指标。（）式中：为土地利用程度综合指数；为第级土地利用程度分级指数；为第级土地利用程度面积所占比例。（）生态环境质量指数。通过构建土地利用变化与生态环境质量之间的定量关系，来表征区域内生态环境质量的总体特征。（）式中：为时期环境质量指数；为时期第种土地利用类型面积；为第种土地利用类型的生态质量指数；为研究区的总面积；为土地利用类型数。（）土地利用类型转化的生态贡献率。该指标指某种土地利用变化类型所导致的区域生态质量的改变，可表征土地利用之间的相互转换对区域生态环境质量的影响（表）。（）（）式中：，分别为研究末期和初期的土地利用类型生态环境指数；为土地利用类型的转化面积；为研究区总面积。表不同土地利用类型及其生态环境质量指数 土地利用类型耕 地林 地草 地水 域建设用地 未利用地生态质量指数 生态环境效应（）差值分析。通过差值分析的方法，可 水土保持通报第 卷以得到 ，年 的变化趋势，差异大于意味着栅格的 趋势在增加，相反则意味着 趋势在减少，而差值等于意味着栅格的 值在没有变化。（）生态环境质量指数时空分布。依据采样区尺度，研究区采用 的正方形网格，以相等的间隔取样，并在取样区的中心点赋予生态环境质量指数值，通过 插值法得到整个研究区的生态质量空间分布。按照自然断面点法将生态质量分为 个等级：低质量区（）、较低质量区（）、中质量区（）、较高质量区（）和高质量区（）。在生态环境质量指数分级的基础上，对各年的不同等级质量区的变化进行转移矩阵分析，进而得到十大孔兑区生态环境质量的动态变化，利用 中的重分类工具，将 ，年的生态环境质量指数变化划分为明显恶化、恶化、稳定、改善和明显改善个等级。逐步回归分析生态环境质量改善与恶化与土地利用类型变化有着密切的关系，而自然因素、社会经济因素又影响着土地利用的变化。因此本文按照逐步分析回归的思路和要求，以及十大孔兑区现有的资料情况，选取耕地面积、未利用地面积、林地面积、年平均降水量、年平均气温、年平均风速、人口密度、国内生产总值 等影响因素，运用 软件回归分析功能，对土地利用与生态环境质量进行回归分析。结果与分析土地利用变化分析土地利用空间分布特征由图可知，十大孔兑区的耕地主要分布在下游的冲积平原区，而上游的丘陵沟壑区和中游的风沙区主要分布在沿河地带，占研究区总面积的比重为 ；林地主要集中在中游风沙区的东部和南北两侧；草地在丘陵沟壑区分布更为广泛，在下游冲积平原区也有小块的草地分布；水域面积主要是黄河，呈带状分布；建设用地集中分布于达拉特旗政府位置以及研究区上游丘陵沟壑区的矿区，其他区域呈现零星分布的特征；未利用地以中游风沙区为主，分布面积较为集中。图十大孔兑区 年土地利用变化特征 土地利用时间分布特征在 年期间，各地类都有或多或少的波动，在土地利用数量的变化方面，也有明显的上升和下降趋势。由图可见，从 年，十大孔兑区不同类型的土地利用变化量显示，面积变化最大的土地利用类型是林地，增 加 了 ，其 次 是 草 地，减 少 了 ，耕地、水域和建设用地都有不同程度的增加，未利用土地减少了 。从土地利用动态度来看，年林地土地利用动态度最大，动态度为 ，所占面积比 年增加 倍；其次为建设用地，土地利用动态度为 ，这一变化与城市的快速发展和矿产开采密切相关；耕地面积总体呈现增加的趋势，土地利用动态度为 ，年耕地面积增加主要是由于人口增加而导致，在十大孔兑所在的达拉特旗 年末总人口为 人，年末总人口为 人，较 年增长了 ，是导致耕地面积增加的主要因素，年耕地面积增长速度较前 的增长速度明显减缓，这一变化与人口增加和经济发展以及退耕还林还草等政策实施相关，但由于近几年的退林还耕、退草还耕政策、保护耕地红线等措施致使耕地面积有小幅度增加；水域面积 年相较于 年面积增加了 ，主要是水利工程、水库的修建以及黄河流域的治理措施致使水域面积有些许上升；未利用地面积在 年面积较大，但此后面积逐年下降，到 年面积仅为 ；草地面积逐年下降，年，减少面积达 ；总体来看，未利用地面积的不断减少，灌木林及林地面积的增加说明研究区各项治理措施起到了有效的作用，生态环境得到了极大地改善（表）。第期曾令建等：内蒙古十大孔兑区土地利用类型变化与生态环境效应表十大孔兑区 年土地利用动态度变化 年 份动态度耕 地林 地草 地水 域建设用地未利用地 图十大孔兑区 ，年土地利用面积 ，土地利用转移矩阵根据十大孔兑区土地利用转移矩阵可知，间，十大孔兑区各类土地利用类型相互之间转化较为频繁，均有转入和转出。在 年，草地转出面积最大，分别有 ，转为耕地和林地，其次是未利用地，分别有 ，转为草原和林地。转入林地的面积最大，转入 ，主要来自草原和耕地；其次是草地，转入 ，主要来自未利用地和林地（见图）。年，草地面积转出最多，为 ，同时有 转为草地，最终导致草地面积减少了 ，转出草地的土地利用类型以林地为主，转出面积 ，占转出草原面积的 ；林地转出面积为 ，转入面积为 ，年 林 地 面 积 净 增 加 。图十大孔兑区 年土地利用转移矩阵图 土地利