東北地區典型農區土地利用變化對農業擴張和氣候變化的響應研究

張雪，吳班*

（1. 環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094；2. 環境保護部信息中心，北京 100029）

東北地區典型農區土地利用變化對農業擴張和氣候變化的響應研究

張雪1，吳班2*

（1. 環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094；2. 環境保護部信息中心，北京 100029）

大規模的農業擴張和全球氣候變化導致東北地區發生劇烈的土地利用/土地覆蓋變化。本研究分析了研究區1976—2008年的土地利用變化和生長季各月氣溫的變化趨勢，并結合農業擴張程度，探究LUCC對農業擴張和氣候變化的響應，為指導農業發展規劃和保障國家糧食安全提供理論依據。結果表明，1976—2008年農田面積逐步增加，生長季氣溫一直呈上升趨勢。1976—2001年生長季氣溫的上升趨勢不穩定，氣溫變化程度較大；2001—2008年，農業擴張放緩，生長季氣溫上升趨勢顯著，且上升趨勢一直增加，氣溫變化比上一時期更穩定；且這兩個時期農業擴張和氣候變化對土地利用強度的影響在南北和東西方向上均存在明顯差異。

LUCC；農業擴張；氣候變化；NDVI

引言

隨著全球氣候變暖和異常氣候事件的頻繁發生，氣候變化對土地利用的影響，尤其是對農田的影響，日益受到政府和社會各界的普遍關注。在東北地區，中華人民共和國成立以來經歷了大規模的農業擴張，包括農田開墾和農田改造，導致劇烈的土地利用/土地覆蓋變化（land use and land cover change，LUCC）。遙感來源的歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）是監測全球或地區植被和生態環境的有效指標，是植被生長狀況及植被覆蓋度的最佳指示因子[1-3]，故NDVI的變化能夠表征LUCC。對NDVI植被指數變化與氣溫、降水、濕度、風速、日照的相關關系進行分析，結果表明，氣溫是影響植被生長的主要因素[4,5]。使用重心模型，結合矢量合成法則，研究LUCC對氣候變化和人為活動的響應，得出不同方向上氣候和人類活動的影響程度[6,7]。

近年來，東北地區的平均每年增溫達0.02℃以上，45年內氣溫上升0.8～1.2℃[8]，甚至東北的半干旱地區也有變干的趨勢[12]。東北地區作為重要的商品糧生產基地，農業生態系統對自然條件尤其是氣候條件的依賴程度很強，氣候變化會對農業生產造成很大的影響。研究東北地區LUCC對農業擴張和氣候變化的響應，不僅在區域土地利用/土地覆蓋變化和氣候變化領域具有代表性，對更大尺度的全球變化研究提供典型案例，而且對農業發展規劃的制定有指導意義。

1 數據與方法

1.1 研究區域概況

為系統探究東北農區土地利用變化對農業擴張和氣候變化的響應特征，本研究選取三江平原撓力河流域典型 農 區（北 緯 45°57′～47°4′， 東 經 131°52′～133°39′）開展案例研究。研究區夏季炎熱濕潤，冬季寒冷干燥，年均氣溫約1.6 ℃，降水量約565 mm。該區域地勢平坦，以農田和林地為主要土地利用類型，是我國重要的糧食生產基地。

1.2 土地利用和NDVI數據

本研究選用1976年、2001年和2008年的土地利用和NDVI數據，其中1976年的數據為TM解譯所得，2001年和2008年的數據來自于MODIS遙感影像。圖像分辨率為500m。土地利用和植被生長圖像均采用GCS_WGS_1984地理坐標系統，投影統一采用UTM_ZONE_N53。這三期的土地利用數據均按照東北地區土地覆蓋分類系統一級類型進行合并，分為林地、草地、農田、水體/濕地、聚落和荒漠6種土地利用類型。

1.3 土地利用程度分級技術

根據土地利用程度的綜合分析方法[10]，本研究將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態分為若干級，并賦予分級指數，從而給出了土地利用程度綜合指數及土地利用程度變化模型的定量化表達式。根據研究區的土地利用數據，本研究將全區分為未利用土地級，土地自身再生利用級、土地人為再生利用級林、土地非再生利用級四大類型，分別賦以1、2、3、4作為土地利用程度高低的權重。根據式（1）所示的土地利用程度綜合指數模型，得到1km×1km像元上的土地利用程度指數。計算方法如下：

式中，La為土地利用程度綜合指數；i為土地利用程度分級，取值1～4；Ai為第i級土地利用程度分級指數；Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比。運用該指數模型可使離散的土地利用分類類型變為連續的土地利用程度指數，便于分析人類活動對土地利用影響的大小。

1.4 Mann-Kendall檢驗分析方法

對于x1，x2，…xn的時間序列變量X，n為時間序列的長度，需要根據變量X構建一個包含X中所有對偶值（xi，xj，i 〉 j）的時間序列：

式中，當 xi＞xj時，ri= 1；當 xi≤xj時，ri= 0（j=1,，2，…，i）。

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量：

式中，UF1=0，Var（Sk）、E（Sk）是累計量 ks的均值和方差。在x1，x2…，xn相互獨立，且有相同連續分布時，可由下式算出：

對于隨機的序列 X＝（x1，x2，…，xn），隨著n的增加（n〉10），UFk將很快收斂于標準正態分布。當原假設為序列不存在某變化趨勢時，一般采用雙邊趨勢檢驗，在給定顯著性水平α下，當，則接受原假設，即趨勢不顯著；當則拒絕原假設，表明序列存在明顯的趨勢變化。

1.5 氣溫變化的相對變率分析方法

氣象要素的相對變率反映了氣象要素的穩定程度。相對變率越小，說明該要素越穩定；反之亦然。利用常用相對變率來比較不同地區或同一地區不同時段氣候要素的變化特征和穩定程度。

式中，xi為氣象要素的觀測值；為氣象要素的多年平均值；d1，d2，…，di…，dn為相應的距平序列。當di＞0時，為正距平，當di＜0時，為負距平。

1.6 LUCC的成因分析方法

為了進一步分析氣候和農業擴張對農區LUCC的作用程度，本研究將NDVI與土地利用程度指數相結合，利用重心模型分別計算兩個時期的土地利用重心變化，從而得到在氣候變化和農業擴張影響下研究區LUCC的空間偏移及趨勢。

重心的運動方向、速度和強度是表征某一物質在空間上變化的最好指標[9]，通過分析研究區域土地利用程度重心的變化，可以得到研究時期內土地利用空間格局的變化規律，以進一步探求區域土地利用變化的驅動因素。土地利用程度重心的計算公式為：

式中，Xt、Yt分別表示第t年某種土地利用類型分布重心的坐標；Cti表示第i個小區域NDVI值或土地利用程度綜合指數；Xi、Yi分別表示第i個小區域的幾何中心的坐標。

2 分析與討論

2.1 土地利用類型變化

從圖1可以看出，1976—2001年，研究區域土地利用最顯著的變化是農田面積的增加和水體、濕地面積的減少。農田面積由29.85%增加到77.31%，面積增加了4746.92 km2，增幅最大。水體、濕地面積由25.71%減少到0.17%，面積減少了2520.16 km2，2001年面積僅有16.54 km2。林地面積由33.27%減少到21.71%，面積減少了1122.84 km2。草地面積由10.32%減少至0.53%，面積減少了965.5 km2，2001年草地面積僅有52.71 km2。1976—2001年的土地利用轉移矩陣分析表明，水體、濕地、林地、草地減少的面積，基本都轉化為農田。可見，在1976—2001年，研究區域絕大多數的水體、濕地和草地以及大約1/3的林地基本都被開發為農田，農田成為最主要的土地利用類型。

圖1 1976—2008年各類土地利用面積變化柱狀圖

2001—2008年，研究區域土地利用比較明顯的變化是農田面積的增加和林地面積的減少。農田面積增加了155.22 km2，林地面積減少了142.83 km2。可見，在2001—2008年，農區農田面積有所增加，但是由于前一階段農業擴張程度已近飽和，這一時期的農業擴張放緩。

2.2 土地利用程度變化

如圖2所示，1976年的土地利用程度指數在100～200的區域占61.02%，主要為北部的濕地和東部的林地；土地利用程度指數在200～300的農田占36.62%，主要分布在南部地區；土地利用程度指數大于300的聚落散布在農田地區，僅占2.36%。與1976年相比，2001年的土地利用程度加大。81.59%的區域土地利用程度指數在200～300，其中大部分地區為農田；土地利用程度指數在100至200的區域占17.83%，主要為東部的林地；土地利用程度指數在300～400的區域僅占0.54%。2001—2008年的土地利用程度指數變化不顯著，土地利用程度指數在200～300的區域面積增加了1.26%，100～200的區域面積減少了1.30%。

隨著農業開發活動，農區的土地利用程度指數發生變化。將三期土地利用程度指數兩兩相減，得到農區1976—2001年和2001—2008年的土地利用程度空間格局的變化（圖3）。從圖中可以看出，1976—2001年的土地利用程度指數變化顯著，大約60%的區域土地利用程度指數增加在50～100，主要分布在北部的濕地和東部的農林交錯地帶，其余地區的土地利用程度指數基本未發生變化；2001—2008年的土地利用程度變化小于上一時期，絕大多數區域土地的利用程度未發生變化，土地利用程度指數變化在0～100，主要分布在農林交錯帶，主要由于林地開發為農田導致土地利用程度變大。

2.3 氣溫變化趨勢分析線性擬合分析結果

農區生長季氣溫的長期變化對農業產生深遠的影響，氣溫長期變化過程中呈現出上升或下降的趨勢，不同階段的變化趨勢不同，變化程度有差異。圖4表示了研究區生長季5～9月平均氣溫在過去50年中的波動曲線和一次線性擬合。

研究區5～9月平均氣溫的一次線性擬合結果如表1所示。

表1 5～9月份平均氣溫的一次線性擬合結果

2.4 Mann-Kendall檢驗結果

采用Mann-Kendall非參數檢驗統計方法分析研究區氣溫時間序列的變化趨勢與突變，結果如圖5所示。Mann-Kendall檢驗的置信水平α=0.05，得到Ua/2=1.96。

圖2 1976年、2001年和2008年的土地利用程度空間分布

圖3 1976—2001年和2001—2008年農區土地利用程度指數變化圖

從圖5可以看出，研究區域各月平均氣溫在過去50年里，在整體上具有上升趨勢和局部的波動變化，此外還在個別年份表現出突變特征，即突變點前后平均氣溫發生陡增或陡減。Mann-Kendall檢驗統計圖中，UFk和UBk的交點即為突變點。根據農區5月份的Mann-Kendall突變檢驗結果，1990年以前UFk和UBk曲線波動較大，表現為有多個交點，氣溫突變規律比較復雜，比較有意義的5月氣溫突變點在1990年，氣溫由波動上升趨勢變為上升趨勢明顯增強。6月份的Mann-Kendall突變檢驗結果表明，氣候突變點首先在1988年，氣溫由前一時期波動上升的趨勢，變為上升趨勢不斷下降；其次是在1993年，氣溫上升趨勢由不斷下降，變為明顯上升。7月份的Mann-Kendall突變檢驗結果表明，1969年是氣溫由下降變為上升的突變點，1983年氣溫上升趨勢由整體上的增加，轉變為不斷下降、1988年是氣溫上升趨勢由下降進入不斷增加的狀態。8月份的Mann-Kendall突變檢驗結果表明，1980年氣溫由下降趨勢改變為上升趨勢，表現為波動的上升狀態；2004年氣溫上升趨勢由波動上升進入不斷上升。9月份的Mann-Kendall突變檢驗結果表明，1998年是僅有的氣溫突變點，氣溫由上升趨勢增強。

圖4 1960—2012年生長季各月平均氣溫變化

氣溫在5～9月的氣候突變基本發生在20世紀80～90年代，這一時期增溫趨勢波動變化較大，主要是由于農業擴張加劇，土地利用發生了很大的變化。

2.5 氣溫變化的相對變率

研究區域2001—2008年的5月、6月、8月氣溫的相對變率比1976—2001年大，氣溫變化的穩定性更低；2001—2008年的7月、9月氣溫的相對變率比1976—2001年小，氣溫變化的穩定性更高。綜合兩個時期各月氣溫的相對變率，5月氣溫的相對變率最高，其次是6月的氣溫，7月的相對變率最低（表2）。由兩個時期的氣溫相對變率可知，2001—2008年的生長季氣溫比1976—2001年的更加穩定，氣溫變化程度更小。

圖5 1960—2012年5～9月平均氣溫Mann-Kendall統計量曲線

表2 不同時期生長季氣溫變化的相對變率

2.6 LUCC的成因分析

基于UTM投影，利用式（9）和（10）計算得出，1976年基于NDVI的土地利用程度重心為O（335.7 km，5150.45 km），2001年的土地利用程度的重心為P1（322.76 km，5159.1 km），2008年的土地利用程度的重心為Q1（322.5 km，5158.83 km）。以1976年的重心為基準，1976—2001年的土地利用重心由北偏西56度移動了15.56 km，2001—2008年的土地利用重心由南偏西44度移動了0.37 km。

假設土地利用程度的變化不受氣候影響，僅由農業擴張造成，2001年記為P2（318.29 km，5158.55 km），2008年記為Q2（319.07 km，5159.02 km）。1976—2001年間農業擴張使土地利用重心由北偏西65度移動了19.20 km，2001—2008年間的農業擴張使土地利用重心由南偏西89度移動了3.69 km。

將1976年的土地利用程度重心點O設為原點，2001年的重心點 依 次為 O（0，0），P1（–12.94 km，8.65 km），P2（–17.41 km，8.10 km）；將2008年的土地利用程度重心點O設為原點，2008年的重心點為O（0，0），Q1（–0.26 km，–0.27 km），Q2（–3.69 km，–0.08 km）。由前面的分析可知，是 1976—2001 年氣候和農業擴張共同影響下的土地利用程度偏移量，是1976—2001年僅由農業擴張引起的土地利用程度偏移量，為1976—2001年由氣候變化引起的土地利用程度偏移量（圖6）；是 2001—2008 年氣候和農業擴張共同影響下的土地利用程度偏移量，是 2001—2008年僅由農業擴張引起的土地利用程度偏移量，為2001—2008年由氣候變化引起的土地利用程度偏移量（圖7）。根據矢量合成原理，有設 P3（x，y），將P1、P2、P3三個點的值代入上式，可得到P3的坐標（4.47 km，0.55 km），同理由得出Q3坐標（3.43 km，–0.19 km）。根據余弦定理，1976—2001年氣候變化導致的土地利用重心由北偏東83度移動了4.51 km，2001—2008年氣候變化導致的土地利用重心由南偏東87度移動了3.44 km。

圖6 1976—2001年土地利用重心位移

根據矢量合成原理計算得，1976—2001年的土地利用程度在南北方向偏移強度上，人為影響占94%，氣候影響占6%；東西方向偏移強度上氣候影響占20%，農業擴張影響占80%。2001—2008年土地利用程度在南北方向偏移強度上，人為影響占30%，氣候影響占70%；東西方向偏移強度上氣候影響占48%，農業擴張影響占52%。

3 結論

（1）研究區域1976—2008年最主要的土地利用類型是農田，影響LUCC最主要的人類活動是農業擴張。1976—2001年的土地利用最顯著的變化是農田面積的增加和水體、濕地面積的減少。2001—2008年林地和農田相互轉化，林地轉化為農田的面積較大，農業擴張放緩。

（2）研究區域1976—2001年的土地利用程度增加顯著，2001—2008年的土地利用程度增加不明顯。

（3）研究區域1976—2008年生長季氣溫一直呈上升趨勢。1976—2001年生長季氣溫的上升趨勢不穩定，氣溫變化程度較大；2001—2008年生長季氣溫上升趨勢顯著，且上升趨勢一直增加，氣溫變化比上一時期更穩定，氣溫變化程度較小。

（4）研究區域1976—2001年的土地利用重心由北偏西56度移動了15.56 km；土地利用程度在南北方向偏移強度上農業擴張的影響占94%，氣候影響占6%；土地利用程度在東西方向偏移強度上氣候影響占20%，農業擴張的影響占80%。2001—2008年的土地利用重心由南偏西44度移動了0.37 km；土地利用程度在南北方向偏移強度上，農業擴張的影響占30%，氣候影響占70%；土地利用程度在東西方向偏移強度上氣候影響占48%，農業擴張的影響占52%。

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Response of the Land Use Change to Agricultural Expansion and Climate Change in Typical Agricultural Areas of Northeast China

ZHANG Xue1, WU Ban2*
( 1. Satellite Environment Center, MEP, Beijing 100094; 2. Environmental Information Center, MEP, Beijing 100029 )

Large-scale agricultural expansion and global climate change lead to drastic Land Use and Land Cover Change in northeast China. This paper analyzed the land use change and monthly temperature change trend of growing season in research area from 1976 to 2008. Combined with agricultural expansion degree, the paper explored the response of LUCC to the agricultural expansion and climate change, and provided a theoretical basis for guiding agricultural development planning and national food security. The results showed that the farmland area gradually increased, and the temperature of growing season has been on the rise from 1976 to 2008. The rising trend of growing season temperature was not stable, and the temperature fluctuated greatly from 1976 to 2001. The agricultural expansion was slowed down, and the rising trend of growing season temperature has been increased from 2001 to 2008, and the temperature change was more stable than the previous period. The impact on land use intensity of agricultural expansion and climate change was obviously different in north-south and east-west direction in the two periods.

LUCC; agricultural expansion; climate change; NDVI

X2；F301.24< class="emphasis_bold">文章編號：1674-6252（2017）05-0057-07

1674-6252（2017）05-0057-07

A< class="emphasis_bold">DOI：10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.05.057

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.05.057

張雪（1980—），女，高級工程師，主要從事衛星遙感及系統軟件設計與開發研究。

*責任作者：吳班（1979—），男，高級工程師，主要從事環境信息技術研究，E-mail: wu.ban@mep.gov.cn。