內(nèi)蒙古陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)分析及預(yù)測

王彥閣

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

區(qū)域土地利用/覆被變化已經(jīng)成為全球的研究熱點(diǎn)之一，不同時(shí)空尺度的土地利用變化研究有助于揭示人類社會(huì)影響下區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的過程和機(jī)理。在分析土地利用變化的基礎(chǔ)上，發(fā)展土地利用模型，預(yù)測未來土地利用變化，可以幫助土地管理者分析不同宏觀政策和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下的土地利用變化趨勢，為區(qū)域土地利用規(guī)劃和決策、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)[1-4]。

陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)是整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)中生態(tài)環(huán)境最為脆弱和貧困的地區(qū)之一，由于地處蒙古高壓的前緣地帶、風(fēng)力作用強(qiáng)烈，沙物質(zhì)來源豐富，且降水量小于蒸發(fā)量，風(fēng)蝕沙化、水土流失現(xiàn)象非常嚴(yán)重。該區(qū)域原始植被為干草原，20 世紀(jì)六七十年代，由于糧食政策的困擾和牲畜數(shù)量的聚增，過度開墾、放牧及粗放經(jīng)營使得草地出現(xiàn)大面積退化和沙化，單純的牧業(yè)區(qū)域變?yōu)檗r(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)；20 世紀(jì)八九十年代后，該地區(qū)幾乎所有的草地都存在著不同程度的退化，且以中、重度退化為主，生物資源急劇減少，生態(tài)環(huán)境的惡化成為制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，同時(shí)，該地區(qū)的日趨荒漠化也直接威脅著周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境[5]；自2000年以來，隨著一系列生態(tài)治理工程的全面實(shí)施，極大地推動(dòng)了該區(qū)域生態(tài)建設(shè)的發(fā)展，農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)環(huán)境有了明顯的改善，土地利用方式也發(fā)生了顯著的變化。目前，對(duì)該區(qū)域土地利用變化的研究較少[5-6]，且研究的空間尺度和時(shí)間跨度較小。鑒于此，本文以陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)為研究對(duì)象，在地理信息系統(tǒng)的支持下，對(duì)2000－2015 年期間土地利用/覆被動(dòng)態(tài)變化過程和規(guī)律進(jìn)行分析，旨在揭示相關(guān)政策干擾下農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用的演變機(jī)制和規(guī)律，同時(shí)運(yùn)用CA-Markov 模型對(duì)區(qū)域土地利用格局的時(shí)空演變趨勢進(jìn)行模擬和預(yù)測，以期為制定土地利用和生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，陰山山脈向蒙古高原的過渡帶，地理坐標(biāo)為107°17′～ 117°30′ E，40°13′～42°28′ N，包括錫盟的多倫縣、太仆寺旗，烏蘭察布市的化德縣、商都縣、察右中旗、察右后旗和四子王旗，包頭市的達(dá)茂旗和固陽縣，呼和浩特市的武川縣以及巴彥淖爾市的烏拉特中旗共11 個(gè)旗或縣，見圖1。該地區(qū)屬中溫帶干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，具有光資源豐富，日照充足，太陽輻射強(qiáng)的特點(diǎn)，多年平均降水量為200～400 mm，由東向西呈遞減趨勢，全年降雨量的60%～ 70%集中在7－9 月，年蒸發(fā)量為降水量的6～ 16 倍，旱季達(dá)7 個(gè)月(10月至翌年5 月)，干旱、低溫、風(fēng)大是該區(qū)主要的氣候特點(diǎn)。地帶性土壤基本上屬于栗鈣土，西部烏拉特中旗有少部分棕鈣土分布，地表土廣泛分布著疏松砂質(zhì)、砂礫質(zhì)沉積物。受氣候條件的限制，原生植被主要是典型草原和荒漠草原，南部地區(qū)大部分被開墾，以旱作農(nóng)業(yè)為主。

圖1 研究區(qū)地理位置Figure 1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

本文所采用的數(shù)據(jù)源是2000 年、2005 年、2010 年和2015 年4 個(gè)時(shí)期的土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（圖2）。在地理信息系統(tǒng)的支持下，對(duì)不同年份的土地利用圖進(jìn)行疊加分析，探討陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)2000－2015 年土地利用的時(shí)空變化規(guī)律，并利用CA-Markov 模型對(duì)2020 年土地利用變化趨勢做預(yù)測模擬。

1.2.1 土地利用數(shù)量變化 土地利用變化包括土地利用類型的面積變化、空間變化和質(zhì)量變化。土地利用動(dòng)態(tài)度可用來定量描述區(qū)域土地利用變化的速度、土地利用變化的區(qū)域差異，對(duì)預(yù)測未來土地利用變化趨勢有著積極的作用。本文用單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度來描述[7]。

圖2 陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用圖Figure 2 Land use of the study area in 2000,2005,2010 and 2015

單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度表達(dá)式為：

式中，K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua，Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)段長，當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K的值就是該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算公式為：

式中，LUi為監(jiān)測起始時(shí)間第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監(jiān)測時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值；T為監(jiān)測時(shí)段長度。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，LC的值就是該研究區(qū)土地利用的年變化率。

1.2.2 土地利用程度變化 根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)等[8]提出的數(shù)量化土地利用程度分析方法，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會(huì)因素影響下自然平衡保持狀態(tài)分為4 級(jí)，結(jié)合研究區(qū)土地利用類型進(jìn)行分級(jí)并賦予指數(shù)（表1），選取土地利用程度綜合指數(shù)、土地利用程度變化量及其變化率對(duì)該區(qū)土地利用程度變化進(jìn)行定量分析。計(jì)算公式如下：

上述各式中，Lj為某研究區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)，Ai為研究區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)，Ci為研究區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積百分比，n為土地利用程度分級(jí)數(shù)；La，Lb分別為土地利用變化前和變化后的土地利用程度綜合指數(shù)，ΔLb-a為區(qū)域土地利用程度變化量，Cia，Cib分別為a時(shí)間和b時(shí)間第i級(jí)土地利用類型的面積百分比；R為區(qū)域土地利用程度變化率。若Lb-a＞ 0 或R＞ 0，表示區(qū)域土地利用處于發(fā)展期，否則處于調(diào)整期或衰退期[9]。

表1 土地利用類型及分級(jí)Table 1 Land use type and classification value

1.2.3 土地利用轉(zhuǎn)移特征 對(duì)不同年份的土地利用圖進(jìn)行疊加分析，建立轉(zhuǎn)移矩陣，對(duì)區(qū)域土地利用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行定量和定向分析。

1.2.4 CA-Markov 模型 Markov 模型和CA 模型是目前土地利用格局模擬預(yù)測研究中最常用的方法。傳統(tǒng)Markov 模型中沒有空間因子[10]，CA 模型的狀態(tài)變量則與空間位置緊密相連[11]，兼具M(jìn)arkov 理論的時(shí)間序列和CA 理論的空間預(yù)測優(yōu)點(diǎn)的CA-Markov 模型，既保留了Markov 長期數(shù)量預(yù)測的優(yōu)勢，又綜合了CA 模擬復(fù)雜時(shí)空系統(tǒng)變化的能力，能較好地從時(shí)間和空間上模擬土地利用格局的變化[12-13]。IDRISI 軟件中的CA-Markov模塊集成了CA 濾波器與Markov 程序的功能，利用轉(zhuǎn)換面積表及條件概率轉(zhuǎn)換圖來預(yù)測土地利用變化情況，可較好地進(jìn)行土地利用變化模擬[13-14]，同時(shí)能有效地納入地理信息系統(tǒng)和遙感數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的科學(xué)性與實(shí)用性。本文采用IDRISI軟件的CA-Markov模型對(duì)2020年陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用格局變化趨勢進(jìn)行模擬預(yù)測。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用數(shù)量變化分析

在土地利用專題圖的基礎(chǔ)上，對(duì)4 個(gè)時(shí)期土地利用類型面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。由表2 可知，陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用類型以草地、耕地和未利用地為主，其中，以草地的占比最大，其主要分布在研究區(qū)北部烏拉特中旗、達(dá)爾罕茂名安聯(lián)合旗和四子王旗境內(nèi)，耕地主要分布在南部地區(qū)。2000－2015 年，耕地面積逐漸減少，共減少了532.9 km2，尤以2000－2005 年減少的幅度最大；林地、居民工礦用地面積逐漸增加，其中，林地面積增加了357.5 km2，尤以2000－2005 年增加的幅度最大；居民工礦用地面積增加了259.5 km2，以2010－2015 年增加的幅度最大；草地面積在2000－2010 年逐漸增加，共增加了405.4 km2，2010－2015 年又呈減少的趨勢，使得2015 年草地面積比2000 年減少了1 721.6 km2；未利用地2000－2010 年逐漸減少，共減少了308.4 km2，2010－2015 年又增加了1 945.5 km2。

表2 陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)Table 2 Area of different land use types in studied area

由表3 可知，單一土地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算結(jié)果顯示，耕地、林地面積的變化主要發(fā)生在2000－2005 年，在2000－2005 年，耕地面積的年均減少率為0.54%，林地面積的年均增加率為3.03%；草地、居民工礦用地、未利用地面積變化主要發(fā)生在2010－2015 年，在2010－2015 年，草地面積的年均減少率為0.64%，居民工礦用地面積的年均增加率為2.39%，未利用地面積的年均增加率為4.88%。

表3 陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)2000－2015 年土地利用動(dòng)態(tài)度Table 3 Dynamic of different land use types in studied area

從綜合土地利用動(dòng)態(tài)度來看，陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)2010－2015 年的土地利用變化速率（0.46%）最大，2000－2005 年的土地利用變化速率次之（0.13%），2005－2010 年的土地利用變化速率（0.03%）最小。

2.2 土地利用程度變化分析

根據(jù)公式（3）、（4）、（5）計(jì)算得出陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)2000－2015 年土地利用變化綜合程度指數(shù)及其變化量和變化率，見表4。由表4 可知，陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)2000－2015 年的土地利用程度均接近全國平均水平231.92[15]，處于中等利用水平，土地利用程度總體較高。從階段性變化來看，2000－2005 年，由于退耕還林還草等生態(tài)工程的實(shí)施，使得分級(jí)指數(shù)為3 的耕地減少，分級(jí)指數(shù)為2 的林地、草地雖有增加，但其增加的幅度小于耕地減少的幅度，因此，該時(shí)段土地利用程度變化量為負(fù)值（－0.28），變化率為－0.13%；2005－2010年，分級(jí)指數(shù)為2 的草地、水域，分級(jí)指數(shù)為3 的耕地以及分級(jí)指數(shù)為4 的居民工礦用地都有輕微的增加，導(dǎo)致該時(shí)段內(nèi)土地利用程度變化量為正值（0.18），變化率為0.09%；2010－2015 年，由于分級(jí)指數(shù)為2 的草地、水域顯著減少和分級(jí)指數(shù)為3 的耕地的減少，導(dǎo)致土地利用程度變化量為負(fù)值（－1.61），變化率為－0.76%。

表4 土地利用程度變化指數(shù)Table 4 Variability index of land use degree in different periods

2.3 土地利用空間轉(zhuǎn)移規(guī)律分析

對(duì)不同年份土地利用專題圖進(jìn)行空間疊加，提取出土地利用類型空間轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果見表5。

表5 陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Land use transfer matrix of studied area

由表5 可知，2000－2005 年，由其他地類轉(zhuǎn)化為耕地的面積有131.4 km2，主要來源為草地，由耕地轉(zhuǎn)化為其他地類的面積有604.6 km2，主要去向?yàn)榱值睾筒莸兀挥善渌仡愞D(zhuǎn)化為林地的面積有340.5 km2，主要來源為耕地和草地，由林地轉(zhuǎn)化為其他地類的面積有13.8 km2；由其他地類轉(zhuǎn)化為草地的面積有716.4 km2，主要來源為耕地和未利用地，由草地轉(zhuǎn)化為其他地類的面積有447.8 km2，主要去向?yàn)槲蠢玫亍⒘值睾透兀莸孛娣e共增加了268.6 km2，主要來源為耕地和未利用地；由其他地類轉(zhuǎn)化為未利用地的面積有196.1 km2，主要來源為草地，由未利用地轉(zhuǎn)化為其他地類的面積有351.0 km2，主要去向?yàn)椴莸兀凰蚝途用窆さV用地的變化幅度不大。2005－2010 年，由其他地類轉(zhuǎn)化為草地的面積有168.8 km2，主要來源為未利用地，由草地轉(zhuǎn)化為其他地類的面積有32.0 km2，主要去向?yàn)楦兀挥晌蠢玫剞D(zhuǎn)化為其他地類的面積有351.0 km2，主要去向?yàn)椴莸兀桓亍⒘值亍⑺蚝途用窆さV用地的面積變化較輕微。

2010－2015 年，由其他地類轉(zhuǎn)化為耕地的面積有2 293.8 km2，主要來源為草地，其次為居民工礦用地、未利用地和林地，由耕地轉(zhuǎn)化為其他地類的面積有2 365.9 km2，主要去向?yàn)椴莸兀浯螢榫用窆さV用地和林地；由其他地類轉(zhuǎn)化為林地的面積有540.5 km2，主要來源為草地和林地，由林地轉(zhuǎn)化為其他地類的面積有504.0 km2，主要去向?yàn)椴莸睾透兀挥善渌仡愞D(zhuǎn)化為水域的面積有299.3 km2，主要來源為草地、耕地和未利用地，由水域轉(zhuǎn)化為其他地類的面積有309.5 km2，主要去向?yàn)椴莸亍⒏睾臀蠢玫兀挥善渌仡愞D(zhuǎn)化為居民工礦用地的面積有780.5 km2，主要來源為耕地和草地，由居民工礦用地轉(zhuǎn)化為其他地類的面積有553.1 km2，主要去向?yàn)楦睾筒莸兀挥善渌仡愞D(zhuǎn)化為未利用地的面積有3 320.3 km2，主要來源為草地，由未利用地轉(zhuǎn)化為其他地類的面積有1 374.8 km2，主要去向?yàn)椴莸睾透亍?/p>

2.4 基于 CA-Markov 模型的土地利用變化模擬

為檢驗(yàn)CA-Markov 模型在陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)應(yīng)用的適用性和準(zhǔn)確性，以2000 年和2005 年的土地利用圖作為起始點(diǎn)，分別以2000－2005 年和2005－2010 年的土地利用轉(zhuǎn)移規(guī)律作為模型的模擬依據(jù)對(duì)2010 年和2015年土地利用狀況進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果和實(shí)際狀況進(jìn)行比較，結(jié)果見圖3。

圖3 陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用模擬結(jié)果和現(xiàn)實(shí)比較Figure 3 Comparison between simulating and reality of different land use types in studied area

以2000 年為起始年，以2000－2005 年之間土地利用的變化規(guī)律為模擬依據(jù)的2010 年模擬圖和2010 年實(shí)際圖之間的kappa 系數(shù)為0.942 6；以2005 年為起始年，以2005－2010 年之間土地利用的變化規(guī)律為依據(jù)模擬所得的2015 年模擬圖和2015 年實(shí)際圖之間的kappa 系數(shù)為0.881 7。說明CA-Markov 模型模擬精度較高，適宜于該區(qū)域的土地利用變化模擬。

依據(jù)陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)2010 年和2015 年的土地利用格局，利用CA-Markov 模型進(jìn)行2020 年土地利用格局變化趨勢預(yù)測，結(jié)果見圖4 和表6。由圖4 可以看出，除草地外，其他土地利用類型在2015－2020 年都呈增加的趨勢，5 年間耕地面積增加了838.9 km2、林地面積增加了366.1 km2、水域面積增加了236.4 km2、居民工礦用地面積增加了639.2 km2、未利用地面積增加了3 408.2 km2；草地面積在2015－2020 年大幅度減少，5 年間減少了3 408.2 km2。總體來看，2020 年土地利用的變化趨勢和2010－2015年這5年間的變化趨勢大體相同，主要變化發(fā)生在草地和未利用土地上，且變化幅度顯著增加。

3 討論

圖4 2020 年陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用模擬圖Figure 4 Simulating map of land use types in studied arar in 2020

草原退化往往是多種因素疊加耦合作用的復(fù)雜過程，2010－2015 年，年均氣溫和前兩個(gè)時(shí)間段相比沒有明顯的變化，年降水量也沒有明顯的減少趨勢，因此，氣溫和降水并不是引起草原退化的主要因素，而烏拉特中旗牲畜總數(shù)在2010－2015 年逐年增加（圖5），該區(qū)草原處于長期的超載放牧狀態(tài)，退耕還林后農(nóng)民短期內(nèi)無法找到其他謀生途徑，只能從事草地畜牧業(yè)，超載放牧可能是引起草地退化、沙化的主要因素。近年來，陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)草原開墾現(xiàn)象日益突出，由此帶來的草地退化愈加嚴(yán)重[18]。生態(tài)移民政策可能是導(dǎo)致居民工礦用地增加的主要原因。

由土地利用程度變化分析結(jié)果顯示，研究區(qū)2000－2015 年的土地利用程度均處于中等利用水平，土地利用程度總體較高。從階段性變化來看，2000－2005 年土地利用程度變化量為－0.28，可理解為退耕還林還草等生態(tài)工程實(shí)施的擾動(dòng)，使得土地利用方式處于調(diào)整期；2005－2010 年，土地利用程度變化量為0.18，土地利用方式處于穩(wěn)定期；2010－2015 年，草地面積大幅度退化，土地利用處于衰退期，土地利用程度變化量為－1.61。利用CA-Markov 模型模擬2010 年和2015 年的土地利用結(jié)果和實(shí)際情況進(jìn)行比較，模擬精度都較高，表明CA-Markov 模型適用于陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用/覆被變化模擬，能夠較好地反應(yīng)區(qū)域土地利用的動(dòng)態(tài)變化，模擬結(jié)果有較高的可信度，可為土地資源管理及相關(guān)政策規(guī)劃提供依據(jù)。

按照2010－2015 年陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用的變化規(guī)律進(jìn)行2020 年土地利用景觀格局變化趨勢預(yù)測模擬。結(jié)果表明，2020 年土地利用的變化趨勢和2010－2015 年這5 年間的變化趨勢大體相同，主要變化發(fā)生在草地和未利用土地上，且變化幅度有顯著增加，說明如果按照當(dāng)前的土地利用方式，草地可能會(huì)進(jìn)一步退化。

表6 2020 年陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用模擬結(jié)果Table 6 Simulating result of land use types in 2020 in studied area

圖5 烏拉特中旗2010－2015 年人口數(shù)量和牲畜總數(shù)的變化Figure 5 Population and livestock in Urad Zhongqi from 2010 to 2015

4 結(jié)論

（1）陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用類型以草地、耕地和未利用地為主，其中以草地的占比最大，主要分布在北部烏拉特中旗、達(dá)爾罕茂名安聯(lián)合旗和四子王旗境內(nèi)，耕地主要分布在南部地區(qū)。由于國家退耕還林還草工程等一系列以林草建設(shè)為核心的植被恢復(fù)工程在該區(qū)域的實(shí)施，在2000－2015 年，耕地面積逐漸減少，林地、居民工礦用地面積逐漸增加，草地面積在2000－2010 年有所恢復(fù)，而在2010－2015 年烏拉特中旗境內(nèi)草地大幅度退化，超載過牧是草地退化的主要誘因。

（2）研究區(qū)土地利用程度總體較高。從階段性變化來看，2000－2005 年，由于生態(tài)工程實(shí)施的擾動(dòng)，土地利用方式處于調(diào)整期；2005－2010 年，土地利用處于穩(wěn)定期；2010－2015 年，草地面積大幅度減少，土地利用處于衰退期。

（3）CA-Markov 模型適用于陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用/覆被變化模擬，能夠較好地反應(yīng)區(qū)域土地利用的動(dòng)態(tài)變化，模擬結(jié)果有較高的可信度。2020 年土地利用的變化趨勢和2010－2015 年這5 年間的變化趨勢大體相同，主要變化發(fā)生在草地和未利用土地上，但變化幅度有顯著增加。

本研究中CA-Markov模型模擬是基于自然慣性進(jìn)行的，并未將政策影響因子的干擾強(qiáng)度納入其轉(zhuǎn)換規(guī)則中，因此，模擬得到的結(jié)果可以視為是由前一時(shí)段內(nèi)相同的外界干擾下演化而來的。如何納入驅(qū)動(dòng)因子，豐富CA-Markov 模型模擬復(fù)雜系統(tǒng)空間變化的能力，有待進(jìn)一步的深入研究。