黄土高原近40年人类活动强度时空格局演变

2019-06-26 11:30刘汉湖
水土保持研究 2019年4期
关键词:冷点黄土高原土地利用

赵 亮, 刘 宇, 罗 勇, 刘汉湖

(1.成都理工大学 地球科学学院, 成都 610059;2.中国科学院 地理科学与资源研究所 生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101)

人类活动是景观变化的主要驱动之一[1-2],重塑土地利用格局是人类改变景观格局的主要方式。因此,土地利用/覆被印刻了人类活动对景观的改造活动,其时空变化反映了人类活动的时空格局[3]。不同的土地利用类型反映了强度各异的人类活动[4-5],因此土地利用/覆被数据常被用来构建人类活动强度指标,以表征人类对区域景观的影响程度。黄土高原地处半干旱半湿润向干旱荒漠的过渡地带,生态环境十分脆弱,长期人类活动导致区内植被破坏严重,水土流失剧烈,成为我国生态环境问题突出的区域,是中国人地关系矛盾极其尖锐的地区之一[6-7]。由于这些原因,过去几十年来,黄土高原成为中国生态恢复、修复和重建的重点区域。在国家生态建设政策和区域社会经济的快速发展的背景下,产业结构调整整体上减轻了对生态系统硬性的破坏,植被得到大规模恢复[8-9]。这改变了土地利用的方式,人类景观改造活动的类型、强度及其空间格局发生了巨大的变化,并直观地反映在土地利用/覆被的空间格局演变上。本研究基于遥感数据提取的长时间序列土地利用/覆被数据构建的人类活动强度指数,揭示黄土高原人类活动强度时空格局演变,探讨黄土高原人类活动变化驱动因素。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

黄土高原地区南抵秦岭北麓,北至阴山,东达太行山脉,西以乌鞘岭—日月山为界,包括陕西、山西、内蒙古、宁夏、青海、甘肃、河南7个省区287个县,总面积62万km2。黄土高原为受大陆性季风气候影响的半湿润半干旱区,多年平均降水量50~700 mm,汛期降水量占全年降水量大部分,多暴雨[10],雨热同期。黄土高原因广布深厚的风成黄土层而闻名,是世界上最大的黄土堆积区,适宜农业生产,具有悠久的农耕历史[11]。黄土层及其上发育的土壤因结构疏松,抗蚀性差,地形起伏破碎,加之农耕等人类生产生活对植被的破坏,使得黄土高原成为水土流失问题突出的区域[6-7],是黄河泥沙的主要来源区。植被恢复与重建是黄土高原水土流失治理的根本性措施。自20世纪90年代末开始,得益于国家生态建设政策、区域社会经济的快速发展和产业结构调整,黄土高原进入植被大规模、快速恢复和重建的历史时期[8-9]。山区坡地是植被恢复重建和保育的主要区域[12]。这些政策、经济和社会驱动的作用推动黄土高原人类活动的方式、强度和空间分布格局发生变化。

1.2 数据来源

本研究采用的数据包括土地利用/覆被数据和DEM数据。基于1975年、2000年、2010年和2015年的土地利用/覆被遥感监测数据计算得到黄土高原人类活动强度指数的空间分布。研究区土地利用/覆被解译自Landsat卫星遥感影像[13],分辨率30 m。地形数据为ASTER GDEM,源自中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据服务平台(http:∥datamirror.csdb.cn),空间分辨率为30 m。

2 研究方法

2.1 人类活动强度定量方法

从土地利用/覆被的角度,人类活动强度可定义为一定地域人类对地表自然覆被的利用、改造和开发程度,它可通过土地利用/覆被得到反映,可用如下公式计算[5]:

(1)

(2)

式中:HAIS为人类活动强度;Si为建设用地当量面积,即将计算单元内各类土地利用/覆被面积折算为等当量的建设用地后的面积;S为计算单元总面积;Ci为计算单元内第i种土地利用/覆被的建设用地当量折算系数;SLi为第i种土地利用/覆被类型的面积;n为计算单元内土地利用/覆被类型数。根据徐勇等[5]的研究,研究区土地利用/覆被的建设用地当量折算系数见表1。

表1 土地利用/覆被类型建设用地当量折算系数[5]

2.2 人类活动时空格局分析

人类活动强度演变具有空间差异和时间变异。在空间尺度上按县级行政单元统计每个单元的平均人类活动强度,分析人类活动强度的空间分布和演变特征。采用空间关联分析技术对人类活动强度演变的空间依赖性和异质性进行分析,以识别空间联系的热点或集聚区域。采用热点分析(Getis-Ord Gi*)识别人类活动的热点与冷点区域的空间分布,Getis-Ord局部统计可以表示为:

(3)

为每个单元的统计数据Gi计算z得分。对于具有显著统计学意义的正的z得分,z得分越高,高值(热点)的聚类就越紧密。对于统计学上的显著性负z得分,z得分越低,低值(冷点)的聚类就越紧密。将置信区间为1%的极显著县级行政单元划分热点和冷点区域,90%的单元次划为次热点区域、次冷点区域,其余不显著区域为无意义区。

时间尺度上,采用长时间序列(1975—2015年)对人类活动强度变化进行分析,统计人类活动强度整体和区域变化,同时结合人类活动变化特征与地形、生态政策、社会经济因素等关系分析人类活动强度的时空演变驱动因素。

3 结果与分析

3.1 土地利用/覆被的时空动态

黄土高原的土地利用/覆被包括草地、森林、灌丛、耕地、水域、聚落和荒漠7种类型,以林草地为主。由图1可知,黄土高原土地利用/覆被类型结构总体变化大致以2000年为界,1975—2000年变化较小,2000年以后变化较为明显。40年来森林、灌丛、草地面积总和持续增加,由55.8%增长到75.83%,其中2010—2015年增量最大。与人类活动密切的耕地和聚落面积总和持续减少,由1975年的36.17%减少到2015年的20.19%,表明人类活动空间得到了较大压缩。其中,耕地面积持续减少,聚落面积增加。荒漠和水域面积在40年间呈减少趋势变化。

坡度影响地表水热条件、风沙作用方式和水力侵蚀强度[14-15],也是影响土壤肥力和土地适宜性的重要因素[15],对土地利用有着明显的控制作用。1975—2015年,不同坡度带土地利用/覆被的组成发生了显著变化。按0°~2°,2°~6°,6°~15°,15°~25°,>25°分为5类坡度带统计土地利用/覆被类型组成。1975—2015年黄土高原土地利用/覆被坡度分异特征较明显(图2),5个坡度带所占区域面积比例分别为28.97%,17.72%,30.99%,17.56%,4.76%。1975年0°~2°,2°~6°,6°~15°,15°~25°共4个坡度带土地利用/覆被以草地和耕地为主(总和>70%)。至2015年这些坡度带草地所占比例均增加,耕地所占比例均减少,6°~15°耕地占比由34.8%减少至9.41%。0°~2°坡度带聚落和荒漠变化也较大,聚落由4.68%上升至10.99%,荒漠由13.94%降低至7.52%。6°~15°坡度带森林占比由8.93%增加至19.04。1975年15°~25°坡度带主要土地利用/覆被类型为草地(47.55%),其次为耕地(22.37%)和林地(15.72%)。到2015年林地增至31.29%,而耕地仅占4.14%。>25°的坡度带主要土地利用/覆被类型为森林和草地,各土地利用/覆被类型占比均减少,仅森林面积增加。

图1 1975-2015年黄土高原土地利用/覆被类型变化

1975—2015年黄土高原土地利用/覆被的变化的空间分异鲜明(图3)。关中平原、汾渭谷地、河套平原、银川盆地、大同盆地、长治盆地、洛阳盆地等平原谷地区居民地面积持续增加,形成连片的城市群。青藏高原东部丘陵区、陇东—渭北黄土台塬区、吕梁山地区森林增加,草地、灌丛面积减少。黄土丘陵、塬面区耕地面积大幅减少,草地面积。毛乌素沙地荒漠面积减少,沙地东部东胜区、伊金霍洛旗、神木县等居民地面积增加。

3.2 人类活动强度的时间动态

由图4可看出,1975—2000年人类活动强度指数大致以0.5为界,低于该指数的区县强度指数几乎无变化,高于该强度指数的区县人类活动强度均增强。2000—2015年人类活动强度大致以0.4为界,人类活动强度指数低于0.4的区县人类活动强度大多降低,人类活动强度高于0.4的区域主要变化形式为增强,尤其是人类活动指数高于0.6的区县增加较剧烈。

图2 1975-2015年黄土高原不同坡度带土地利用/覆被面积比

人类活动强度的时间动态变化如图5所示,黄土高原平均人类活动强度呈减弱趋势。人类活动强度变化大致以2000年为界线,2000年以前人类活动强度变化较小,黄土高原平均人类活动强度几乎没有变化,仅有较少数县级行政单元发生强度等级变化。2000年以后,人类活动强度变化剧烈,黄土高原平均人类活动强度由0.19降低到0.15,各县级行政单元人类活动强度变异较大。

基于县级行政单元,计算每个单元平均人类活动强度,将人类活动强度按<0.1,0.1~0.2,0.2~0.3,>0.5分为低、较低、中等、较高、高5种强度等级,各等级人类活动强度区县数量时间变化序列见图5。从人类活动强度等级来看,1975年人类活动强度以较低和中等为主,2015年变为中等为主。其中,中等和较高人类活动的区县个数减少,其余人类活动强度等级的区县个数均增加。中等和低强度的个数变化较大,其他等级变化较小。1975—2015年低强度区县由24个增至74个,低强度人类活动的县级行政单元主要来源于较低强度人类活动强度,1975—2015年由较低转化为低强度的区县为44个,其余由中等强度人类活动转化。中等强度区县个数由120个减少至49个,主要转变形式为较低(图6),1975—2015年由中等转为低等的县有61个。高强度和较高强度人类活动单元主要转变形势为少量较高强度转化为高强度人类活动。

3.3 人类活动强度的空间格局演变

如图6所示,人类活动强度空间分布具有集聚特征。人类活动强度较高以上等级的空间变异特征不明显,大部分连片分布于关中平原—汾渭谷地、河套平原、大同盆地、长治盆地,豫西北亦有少数高和较高强度的县级行政单元分布。21世纪前,较低强度和低强度人类活动主要分布在青藏高原东部丘陵区、陕北黄土丘陵区、东部山地区及毛乌素沙地。2000年后,低强度、较低强度人类活动区域急剧增大,黄土丘陵沟壑、山地丘陵区等丘陵山及毛乌素沙地均为低强度、较低强度人类活动。1975年中等强度人类活动广泛分布于黄土丘陵沟壑区和平原谷地区,2000年以后仅少量分布于平原谷地区。黄土高原334个县级行政单元中大多数区县人类活动强度降低,仅少部分人类活动强度增强。人类活动强度增加的区域主要包括毛乌素沙地、河套平原、关中平原—汾渭谷地、豫西北,增幅较大的地区主要为西安、银川、包头等城区。人类活动强度降低较快区域为六盘山地区和陕北(图7)。

图3 1975-2015年黄土高原土地利用/覆被变化

图4 1975-2015年黄土高原人类活动强度指数变化

图5 1975-2015年各人类活动强度等级县级单元数量及平均人类活动强度指数变化

如图8所示,近40年来,黄土高原人类活动强度的冷热点区域发生迁移。1975年人类活动强度冷点区域可以分为3块——毛乌素沙地、西宁—同仁、西峰—离石—延安。西峰—离石—延安具有显著意义的冷点区县分布较集中,毛乌素沙地冷点区县分布零散且均为次冷点。热点区域主要有以西安为中心的关中平原热点区域和洛阳为中心的洛阳盆地热点区域。随时间变化,毛乌素沙地人类活动冷点集聚区区县数量急剧较少,至2010年彻底消失。西宁—同仁冷点区域发生了较大变化,西宁逐渐退出冷点区域,至2015年缩减为伊通为中心的冷点区域。1975—2015年西峰—离石—延安冷点区域迅速扩张,向西南方向囊括六盘山区,沿东西方向陕北拓展,至2015年形成六盘山—陕北的大范围冷点区域。河套平原形成以包头为中心的人类活动热点区域,关中平原和洛阳盆地变化不明显,但两区域之间有逐渐相连的趋势。

4 讨 论

黄土高原人类活动强度时空分异是自然环境、社会经济发展和国家政策等多因素共同作用的结果。2000年以前黄土高原人类活动强度变化缓慢,2000年以后人类活动急剧降低,空间的集聚和转移是人类活动变化的主要方式。国家生态建设政策和产业结构调整是近40年来影响黄土高原区域人类活动的主要社会经济因素[8-9]。自20世纪90年代末开始,退耕还林还草等生态政策大规模实施和产业结构的调整使大量耕地转为草地、林地(图3)。同时区域社会经济的快速发展使大量的人口由农村向城市转移。黄土沟壑丘陵区是退耕还林还草工程实施的重点区域,人类对土地的开发活动的强度减弱的幅度最大,呈现空间高度集聚的变化过程(图7)。

地形条件也是人类活动转移的重要驱动力。地形对生态环境、人类经济承载力具有重要指示作用[16],是驱动人类空间活动转移的重要因子。黄土丘陵沟壑区虽然是传统的农耕区,但该区域地形破碎化且地形起伏较大造成土地的人口和经济承载力较低,且开发提高收益的难度大,推动着大量人口向条件优越的地区流动,使该地人口急剧流失。平原谷地因其优越的自然条件,人口迅速增长,社会经济快速发展,城区面积不断扩张,吸引着人口的转入,使得人类活动强度迅速增强。此外,21世纪以来北部风沙区毛乌素沙地区人活动强度增强,人类活动扰动作用增强,其主要原因是耕地开垦、资源开采和道路修建等活动不断增强导致[17-18]。

图6 1975-2015年黄土高原人类活动强度空间格局

图7 1975-2015年黄土高原人类活动强度空间变化

1975—2015年黄土高原地区人类活动强度与地形起伏度的回归关系(图9)进一步说明:政策和经济发展的导向性作用使得人类活动强度的空间格局与地形格局的一致性在不断增强,平原和谷地等地形条件优越的地方成为人类开发利用活动高度集中的地形位置。

5 结 论

近40年来,黄土高原人类活动强度总体呈减弱趋势,局部地区增强。以2000年为界,前期人类活动强度变化较小,后期人类活动强度发生剧烈的时空变异。关中平原—汾渭谷地、河套平原、大同盆地、长治盆地及豫西北等平原谷地区人类活动持续增强,人类活动空间具有空间集聚特征。毛乌素沙地人类活动强度也略微增加,但人类活动强度仍处于较低水平。黄土丘陵沟壑区、青藏高原山地丘陵区、东部山地区等山地丘陵区人类活动强度减弱,尤其是六盘山地区和黄土丘陵沟壑区人类活动强度减弱幅度较大。

图8 1975-2015年黄土高原人类活动强度热点分析

图9 1975-2015年黄土高原地区人类活动强度与地形起伏度的相关关系

黄土高原人类活动强度演变具有较强的时空分异性。空间分异性主要依赖于黄土高原的地形地貌,时间分异性产生的主要因素是国家生态政策、产业结构调整及社会经济发展。地形地貌差异、国家生态政策、产业结构及社会经济发展共同推动黄土高原人类对土地开发利用的优化。总体上以部分区域人类活动强度的持续增强换取大部分区域人类活动的减弱,使黄土高原向人地协调的可持续方向发展。

猜你喜欢
冷点黄土高原土地利用
赵红云的国画——黄土高原系列(二)
赵红云的国画——黄土高原系列(一)
热点需强化 冷点无漠视
世界家庭医生组织(WONCA)研究论文摘要汇编
——居住在“冷点社区”与健康欠佳、享有卫生服务质量欠佳间的关系
“冷点”除湿方法在变电站室外箱体中的应用
土地利用生态系统服务研究进展及启示
滨海县土地利用挖潜方向在哪里
洒向黄土高原的爱
论低碳经济与转变土地利用方式
土地利用变化与碳循环