农牧交错带耕地时空动态变化特征及驱动力分析——以乌兰察布市为例

孔 萌, 苏根成, 迟文峰

(1.内蒙古师范大学, 呼和浩特 010020; 2.中国科学院 地理科学与资源研究所, 北京 100101; 3.中国科学院大学, 北京 100049)

农牧交错带耕地时空动态变化特征及驱动力分析
——以乌兰察布市为例

孔 萌1, 苏根成1, 迟文峰2,3

(1.内蒙古师范大学, 呼和浩特 010020; 2.中国科学院 地理科学与资源研究所, 北京 100101; 3.中国科学院大学, 北京 100049)

采用乌兰察布市1990—2010年遥感解译获取的土地利用变化数据，研究中国北方农牧交错带中乌兰察布市1990年以来耕地时空动态变化过程。结合土地利用动态度模型对不同类型的耕地转入转出速度进行计算，并采用空间转移矩阵等方法分析了乌兰察布市1990—2010年耕地演化的时空过程，探讨了影响耕地变化的驱动因子。结果表明：1990—2010年期间，乌兰察布市耕地变化主要是以耕地和草地交替变化为主；1990—2000年期间耕地增加，耕地增加以草地变耕地为主，2000—2010年期间耕地减少，减少的耕地以耕地变草地、林地为主；1995—2005年这10 a乌兰察布市耕地变化最为显著，平均动态度为0.55%；人口因素、自然因素、政策因素和生态工程的实施是乌兰察布市耕地变化的主要驱动因子。

农牧交错带; 耕地变化; 遥感; 驱动力; 乌兰察布市

随着地区经济的发展、人类活动的加剧与全球气候变化极端气候的频繁发生，土地利用格局发生了巨大的变化，生态服务功能与土地利用模式在很大尺度上发生了重大改变，1995年IGBP和IHDP共同拟定并发表了《土地利用/土地覆盖变化科学研究计划》，之后土地利用/覆盖变化受到了国外国内科学家的广泛关注[1-2]。土地利用被认为是引起区域生态环境问题的主要因素，越来越成为全球变化研究的焦点[3]，而耕地变化是区域土地利用变化的核心[4]。耕地资源动态变化的空间格局直接反映了城乡居民点扩展、退耕还林、还草、国土资源开发等宏观政策对中国土地利用/土地覆盖变化的影响[5]。

北方农牧交错带是我国东部农业区和西部牧业区的过渡地带，沙漠化、草地退化使其成为我国生态问题最严重的农牧交错带[6]。乌兰察布市属阴山北麓农牧交错地带，风蚀水蚀灾害严重，土地利用类型以草地、耕地为主。以乌兰察布市为研究区较具典型性。针对北方农牧交错带，前人主要对北方农牧交错带的土地利用格局进行了研究[7-9]，很少针对某一土地类型进行分析研究。本文结合干暖化气候，分析近20 a乌兰察布市耕地时空变化特征及驱动因子，以期为区域土地优化利用及农业可持续发展提供一定决策支持。

1 实验材料与方法

1.1 研究区概况

乌兰察布市地处内蒙古自治区中部，辖11个旗、县、市、区和1个经济技术开发区，即：集宁区、察哈尔经济技术开发区、卓资县、化德县、商都县、兴和县、凉城县、四子王旗、察哈尔右翼前旗、察哈尔右翼中旗、察哈尔右翼后旗和丰镇市。面积为5.45万km2，范围为东经109°—114°49′、北纬39°37′—42°28′，总人口289万，地处中温带，属大陆性季风干旱、半干旱气候。年平均降水量150～450 mm。全市从北向南主要土壤为棕钙土、栗钙土、栗褐土3大土类。土地利用类型主要有草地、耕地、林地，以草地、耕地为主。

1.2 数据源

本文土地利用变化数据基于中国科学院TM提取制作的全国1∶10万土地利用数据库，包括：1990年、1995年、2000年、2005年和2010年研究区土地利用/覆盖变化(LUCC)数据。

1.3 研究方法

本研究采用《土地利用现状分类》国家最新标准，将一级地类属性划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6大类。基于1990年、1995年、2005年和2010年4期LUCC数据，通过GIS空间分析功能和刘纪远等提出的综合土地利用动态度模型[10]，分析乌兰察布市耕地动态变化。采取定性与定量相结合的方法分析其驱动因子。

综合土地利用动态度模型，针对某一种土地利用类型在一个时间段内可能存在的新增和减少两种情况，可以将变化分为转入和转出两部分[11]：

Vout=(ΔSi-j/Si)×(1/T)×100%

(1)

Vin=(ΔSj-i/Si)×(1/T)×100%

(2)

式中：Vout——第i种土地利用类型在监测期间的转出速率；Vin——第i种土地利用类型在监测期间的转入速率；ΔSj-i——新转入的耕地面积，即为耕地开垦面积；ΔSi-j——转出的耕地面积，即为耕地退耕面积；Si——研究前期耕地面积；T——研究时段长度。

2 结果与分析

2.1 乌兰察布市耕地的空间分布与面积变化

2010年乌兰察布市耕地面积171.65万hm2，占市面积的31.50%。从各旗县内部土地利用结构来看，除四子王旗和察哈尔右翼后旗外，其余各旗县的耕地比例最大。2010年乌兰察布市耕地空间分布如图1所示，耕地广泛分布于乌兰察布市各旗县，乌兰察布市耕地以旱地为主，主要集中在乌兰察布市的南部地区。

图1 2010年乌兰察布市耕地分布

从图2看出，前10 a间，乌兰察布市耕地先减少后增加，变化总趋势表现为面积的净增加，新增耕地1.20万hm2。2000—2010年10 a间，乌兰察布市耕地变化的总特点为耕地面积持续减少，整个时段内，耕地减少3.71万hm2，其中，2000—2005年间减少3.62万hm2，年均减少0.72万hm2。

图2 1990-2010年乌兰察布市耕地总面积

2.2乌兰察布市耕地转换的时空特征

根据1990—2010年乌兰察布市耕地与其他土地利用类型交替演变数据(表1)，其耕地收缩与扩张特征表现为：除未利用地之外，20 a间耕地在与其他土地利用类型转换过程中均处于净转出状态，其中以耕地与草地相互转变为主。耕地转变为草地是耕地减少的主流方向，20 a期间耕地因转变为草地减少了1.67万hm2，占耕地转出总面积的73.88%。其次是耕地转为林地和建设占用耕地。耕地开垦主要以草地开垦为主，20 a期间草地开垦为耕地面积4.23万hm2，占耕地转入总面积的77.07%；其次为未利用地的开垦。

表1 1990-2010年乌兰察布市耕地转入转出

为了更好地反映耕地总体变化状况和时空差异，利用土地利用动态度模型[11]，以与耕地转换的其他土地利用类型为划分单元，计算1995—2000年、2000—2005年和2005—2010年三个时间段耕地动态变化度。结合表2，1995—2000年耕地变化最为激烈，动态度1.45%，2000—2005年同比 1995—2000年动态度低0.7%。2005—2010年耕地变化动态度趋于0。1995—2000年新增耕地8.72万hm2，退耕面积3.66万hm2，耕地净增加5.06万hm2；2000—2005年新增耕地1.46万hm2，退耕面积5.09万hm2，耕地净减少3.36万hm2；2005—2010年耕地变化不大，新增耕地总面积0.08万hm2，退耕面积0.17万hm2，耕地净减少0.09万hm2。1995—2005年10 a间耕地变化呈倒“V”型变化。

从与其他土地利用类型相互转换的动态度看，耕地与草地相互转换的动态度最大，1995—2010年间动态度值达到0.93%。期间，1995—2000年最为激烈，草地转向耕地6.75万hm2，动态度为0.79%，耕地转向草地3.48万hm2，动态度为0.41%。2000—2005年退耕还林、还草的面积大于林地、草地开垦为耕地的面积。尤其是林地，1995—2000年林地开垦为耕地的面积为0.93万hm2，而2000—2005年退耕还林面积达到0.94万hm2。1995—2005年期间，耕地用于建设用地的面积为0.42万hm2，主要集中在2000—2005年期间，耕地转为建设用地的面积达到0.37万hm2。2005—2010年有0.001 8万hm2的建设用地转为耕地。1995—2010年耕地撂荒面积为0.20万hm2，未利用地开垦为耕地面积为1.02万hm2，未利用地变废为宝变为耕地主要集中在1995—2000年，0.96万hm2未利用地转为耕地。

表2 不同时期耕地转入转出类型及面积

2.3 耕地变化驱动力分析

纵观国内外耕地变化驱动力的研究，主要包括人口变化、社会经济、政策调控和自然因素[12-17]。通过收集到的乌兰察布市的资料及文献得知，乌兰察布市的耕地变化主要受人口变动[18]、宏观政策[19-20]和气候[21]的影响。

(1) 自然因素影响。乌兰察布市特殊的地理位置和地形条件造成了多旱少涝、多风低温、无霜期短、局部性暴雨、冰雹等气象灾害,而以旱灾最为频繁,是影响当地农牧业生产不稳定的主要原因[17]。而降水和气温的变化与当地旱作为主的种植有密切的关系，也间接影响了耕地的变化。乌兰察布市1980—2009年30 a平均降水量为353.04 mm，平均气温为4.33℃。30 a期间，年平均降水量处于线性下降的态势，而气温一直处于线性上升的发展趋势，乌兰察布市的干暖化现象导致部分土地荒漠化，使耕地、草地及其他用地的用地面积减少。20 a间耕地撂荒面积为0.28万hm2。以2000—2005年耕地撂荒面积最大(表2)，达到0.17万hm2，占此5 a间耕地减少总面积的3.3%。

(2) 人口因素。人口增长是耕地变化不可忽视的驱动力之一。1990—2009年乌兰察布市人口由269.74万人增加到289.72万人，近20年一直处于持续增长的态势。不断增加的人口对土地造成了压力，加剧了粮食需求，大面积的毁林开荒、垦草种粮，使耕地面积不断增加，1995—2000年，5 a间毁林开荒0.93万hm2、垦草种粮6.75万hm2。2000年耕地面积达到峰值175.37万hm2。2000年以后耕地面积持续减少。城市化的发展，加速农村人口向城市的流动，导致部分耕地转变为建设用地。2000年以后耕地转变建设用地的速率明显增加，至2010年建设用地占耕地面积0.47万hm2，占2000—2010年耕地减少总面积的8.9%。2005—2010年，耕地转为建设用地是此期间耕地减少的主要原因。

(3) 政策因素。乌兰察布市耕地变化与政策性因素关系很大。国家及乌兰察布市政府出台的一系列政策直接影响了乌兰察布市土地利用的变化。20世纪六七十年代“以粮为纲”的口号使得人们大面积的毁林垦草种粮，耕地面积迅速增加，但由于对大自然的过度索取，再加上人们对土地的不合理利用使乌兰察布市的生态环境恶化，使乌兰察布市陷入了“粮化—沙化—贫困化”的恶性循环中。为了摆脱这种恶性循环，1994年乌兰察布市政府提出了“进一退二还三”战略，即每人保证0.067 hm2水浇地、每人退掉0.133 hm2旱地、对不宜农的坡耕地退耕还林、还草、还牧。2000年国家开始实施西部大开发战略,退耕还林(草)、京津风沙源治理、天然林保护等一系列国家生态建设工程的相继启动，耕地面积开始减少，尤其在2000—2005年期间耕地面积迅速减少(图2)，退耕还林0.94万hm2、还草3.57万hm2，分别占此期间耕地减少总面积的18.5%和70.16%，可见，退耕还草是耕地减少的主要原因；2005—2010年耕地减少速度较为缓慢。

3 结论与讨论

(1) 近20 a间，耕地总面积保持先增加后减少的变化趋势。1990—2000年期间耕地整体增加，净增耕地1.20万hm2，以草地变耕地为主；2000—2010年期间耕地整体减少，净减少耕地3.71万hm2，减少的耕地以耕地变草地、林地为主。1990—2000年期间耕地增加的速度低于2000—2010年期间耕地减少的速度。

(2) 1995—2000年、2000—2005年和2005—2010年三个时间段中，1995—2000年耕地变化最为激烈，耕地变化动态度为1.45%，而2005—2010年耕地变化动态度趋于0。

(3) 近20 a期间，乌兰察布市耕地与其他土地利用类型相互转换过程中,转换动态度由大到小为草地、林地、未利用地、建设用地、水域。动态度依次为1.75%，0.26%，0.14%，0.06%，0.03%。

北方农牧交错带是中国北方生态环境极端脆弱的地区之一[5]。内蒙古乌兰察布市是我国北方农牧交错带生态治理的重点区域, 同时也是国家启动的风沙源治理、退耕还林还草等各类生态环境治理建设工程的实施地点，土地利用格局多样突出且干暖化效应突出，代表性很强。通过研究发现，土地利用格局的变化是影响生态系统脆弱性的重要因素之一。近年来人类活动的加剧，特别是耕地开垦引起的土地退化等问题，并伴随气候变化带来的干旱化气候正使得原本脆弱的农牧交错带生态环境面临巨大压力，在耕地的变化与大部分区域气温升高的干暖化趋势共同作用下激化了资源、生态环境与社会经济发展之间的矛盾。因此，针对北方农牧交错带生态系统脆弱性，应结合气候特征，因地制宜调整各地土地利用方式，合理利用土地，提高土地利用率，以保障北方农牧交错带的生态安全。

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SpatiotemporalVariationandDrivingForcesonCultivatedLandChangeinTransitionalAreabetweenPastoralandAgricutural—ACaseofCultivatedLandChangeofUlanqab

KONG Meng1, SU Gen-cheng1, CHI Wen-feng2,3

(1.InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010020,China; 2.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,Beijing100101,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

According to the land use change data by remote sensing images from 1990 to 2010, this paper studied the quantitative dynamic changes of cultivated land in Ulanqab City in the farming-pastoral zone of north China. Some mathematic models were used to study the spatiotemporal change of cultivated land from 1990 to 2010 in Ulanqab City, such as land use dynamic degree model, land use type transferring matrix model, and discussed its driving factors. The results indicate that the change of cultivated land in Ulanqab City from 1990 to 2010, was mainly the cultivated land and grass land changes alternately; the increase of cultivated land from 1990 to 2000,was mainly from grassland, and the cultivated land was decreased in 2000—2010, which was changed into grassland and woodland; during years of 1995—2005, cultivated land change was most significant and the average dynamic degree of land use was 0.55%; population growth, nature conditions, policies and the implementation of ecological engineering were the major driving factors.

ecotone; cultivated land; remote sensing; driving forces; Ulanqab City

2013-09-30

：2013-11-05

国家自然基金西部地区基金“耕地动态与干暖化对北方农牧交错带生态系统干扰作用以及影响机理——以乌兰察布市为例”(41161015);中国科学院重点部署项目课题(编号KSZD-EW-Z-021-02);“全球变化与区域可持续发展耦合模型及调控对策”项目(2014CB954300)之第二课题“区域生态系统服务和人类福祉关系模型”专题

孔萌(1989—),女(蒙古族),内蒙古鄂尔多斯人,硕士研究生,研究方向:土地资源开发利用与管理。E-mail:meng15849182177@163.com

苏根成(1957—),男,陕西府谷人,教授,研究方向:土地资源开发利用与管理。E-mail:sugc1128@sina.com

F301.2

：A

：1005-3409(2014)02-0269-04