我國東北地區(qū)土地資源變化態(tài)勢分析

李曉燕,趙廣敏,李寶毅

（吉林大學地球科學學院,長春 130061）

人類的土地利用對土地覆被和整個陸地生態(tài)系統的影響,已遠遠大于任何自然要素的作用,在“國際地圈與生物圈計劃”(IGBP)和“全球環(huán)境變化人文計劃”(IHDP)的共同推動下,有關土地利用/土地覆被(LUCC)的研究已成為當前全球環(huán)境變化研究領域的核心內容之一[1-2]。東北地區(qū)位于我國東北部,包括遼寧、吉林、黑龍江三省,位于歐亞大陸的東部,南、東兩面接近太平洋,北、西兩面與蒙古高原和西伯利亞高原接壤;地處東北亞的中央部位,太平洋西岸的中央環(huán)節(jié);農業(yè)自然條件優(yōu)越,工業(yè)自然資源豐富,地緣關系與戰(zhàn)略地位十分突出。但是由于近代以來,人口不斷增加和大規(guī)模的以資源過度消耗為代價的經濟開發(fā),導致區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化,東北地區(qū)成為為全球范圍具有典型的短時限、高強度作用特征的地區(qū),直接表現在土地利用上。本文在遙感與地理信息系統支持下,應用土地資源空間分析方法與模型,分析地區(qū)農業(yè)土地資源數量、分布格局及態(tài)勢,完成東北三省的耕地、林地、草地、未利用地1986年、1995年、2000年的變化趨勢,分析東北地區(qū)土地資源動態(tài)過程的區(qū)域分異、動態(tài)過程與驅動機制,為區(qū)域土地資源管理與生態(tài)環(huán)境保護提供依據。

1 數據處理與分析方法

1.1 土地利用數據獲取方法

所用基本數據為覆蓋遼寧省、吉林省和黑龍江省的1986年、1995年和2000年的 Landsat TM 影像。數據處理過程如下:將MSS和TM數據進行糾正;與1∶10萬地形圖配準,建立解譯標志;在Arc/View GIS 3.2環(huán)境下,進行人機交互式判讀解譯;進行外業(yè)精度驗證;將所得數據在GIS軟件Arc/Info 8.1環(huán)境下進行編輯和修改,得到東北地區(qū)1986年、1995年和2000年土地利用數據。參照國家通用的土地利用分類系統[3],根據土地的利用方式屬性,將其分為水田、旱地、林地、草地、水域、居民地沼澤和未利用地8個一級類型。

1.2 土地利用變化矩陣

在Arc/info 8.1環(huán)境下將兩期土地利用圖進行空間疊加,求出土地利用變化矩陣。然后根據原始轉移矩陣得到兩個時期不同土地利用類型之間的相互轉化率,得到土地利用轉換矩陣表。

1.3 土地利用類型重心遷移

不同土地利用類型不僅數量存在較大差異,而且其空間上的分布也各有側重。通過以下公式[4]來計算各種土地利用類型的重心分布及其遷移狀況。

式中:Xt,Yt——表示t類土地利用用地的重心坐標;Cti——t類土地利用用地的第 i個圖斑的面積;Xi,Yi——表示第i個圖斑的重心坐標。

2 東北地區(qū)各土地利用類型重心遷移

通過計算可得東北地區(qū)各種土地利用類型的重心分布及遷移距離,如表1所示。1986-2000年,水田重心的遷移距離最大,20 a間向東北移動了84 367 m,這與東北北部地區(qū)氣候變暖,大面積開發(fā)水田有著密切的關系。草地重心的遷移距離為19 908 m,遷移方向為西北方向,草地減少的區(qū)域主要分布于松嫩平原地區(qū),過去20 a間,松嫩平原地區(qū)草地開墾較多,因此導致東北地區(qū)草地重心向西偏北方向遷移。由于沼澤濕地的開墾,導致沼澤重心從1986-2000年向東南方向移動了14 234 m。旱地、居民地、未利用地和水域重心的遷移距離分別為6 473,5 469,4 304,2 785 m。林地中心遷移不大,僅向西南移動1 775 m。由此可見,各種土地利用類型重心現在的分布模式的形成,主要是東北地區(qū)人類開發(fā)活動集中程度的區(qū)域差異造成的。

表1 東北地區(qū)1986-2000年各土地利用類型重心轉移

圖1 遼寧省1986-2000年土地利用變化趨勢

3 土地利用動態(tài)與轉化特征比較

3.1 遼寧省土地利用動態(tài)及各類型之間轉換特征

從遼寧省各土地利用類型變化的面積來看,變化的主要特征為水田和林地的減少及旱地的大面積增加。1986-2000年水田減少了2 786 km2,減少率為21.43%。主要原因為1986-1995年期間發(fā)生的水田向旱田的轉化。林地減少了2 043 km2,減少率為3.47%,主要原因為毀林開荒,即林地向耕地的轉化。草地減少了309 km2,減少率為3.22%。主要原因為其向耕地的轉化,1986-1995年期間和1995-2000年期間分別有12.59%和7.23%的草地轉化為旱地。旱地增加了4 958 km2,增加率為9.94%。居民地增加了405 km2,增長率為4.71%。另有一定比例的沼澤濕地被開墾為水田和旱地(圖1)。遼寧省1986-1995年和1995-2000年各土地利用類型所占的比例變化及各類型之間的相互轉化結果見表2和表3。

表2 遼寧省1986-1995年各土地利用類型之間轉換特征 %

表3 遼寧省1995-2000年各土地利用類型之間轉換特征 %

圖2 吉林省1986-2000年土地利用變化趨勢

圖3 黑龍江省1986-2000年土地利用變化趨勢

3.2 吉林省土地利用動態(tài)及各類型之間轉換特征

吉林省土地利用變化的最主要特征為水田和旱地的增加與草地的大幅度減少,其中水田和旱地分別增加了2 670.47 hm2和 1 569.75 hm2,與此同時,草地面積減少了3 649.57 hm2(圖2)。根據吉林省土地利用轉換變化幅度的大小,依次為草地轉耕地、未利用地轉耕地、林地轉耕地、草地轉未利用地、水域轉未利用地、未利用地轉草地、耕地轉城鎮(zhèn)等。1986-2000年,吉林省耕地增加了4 340.21 km2,主要來自于草地、未利用地、林地和水域的轉化。在此期間,有28.19%的草地轉化為耕地,主要分布在吉林省的西北部。林地轉耕地主要分布在東部低山丘陵區(qū)與西部平原區(qū)的交錯區(qū),位于森林的邊緣地帶。由于經濟利益的驅動,一些山區(qū)河谷、溝谷、坡地及丘陵崗地等水熱條件較好的地區(qū)林地被開墾為耕地。水域轉耕地主要分布在吉林西部部分河流的沿岸區(qū)域,由于當地農民引進水稻導致水域被開發(fā)為水田。草地和水域轉為未利用地主要分布在吉林西部生態(tài)脆弱區(qū),由于不合理開墾使得草地沙化、鹽堿化,部分水域水位下降,導致草地和水域向未利用地轉化。耕地轉草地主要分布在通榆縣中部、鎮(zhèn)賚縣北部、洮南縣南部。未利用地轉草地主要分布在鎮(zhèn)賚縣西部、大安市中部、通榆縣西南部。耕地轉為城鎮(zhèn)工礦居民用地占1.59%,沿吉林市-長春市-四平市一線呈帶狀分布見表4-5。由于該區(qū)域是吉林省重要城市分布區(qū),近年來經濟發(fā)展迅速,導致大量耕地被占用為城鎮(zhèn)用地。

表4 吉林省1986-1995年各土地利用類型之間轉換特征 %

表5 吉林省1995-2000年各土地利用類型之間轉換特征 %

表6 黑龍江省1986-1995年各土地利用類型之間轉換特征 %

表7 黑龍江省1995-2000年各土地利用類型之間轉換特征 %

3.3 黑龍江省土地利用動態(tài)及各類型之間轉換特征

1986-2000年,黑龍江省土地利用變化的最主要特征為:水田與旱田大幅度增加,林地、草地與沼澤大面積縮減。耕地增長率達13%。新增加耕地的來源為林地、草地和沼澤地。耕地內部之間的轉換非常顯著,有59.69萬hm2旱地轉變?yōu)樗?。林地大面積減少和退化,1986-2000年,林地凈減少83.79萬hm2,減少率為3.88%。林地大面積轉換為耕地,這表明在黑龍江省毀林開荒現象非常嚴重。在林地面積減少的同時,也有相當面積的有林地發(fā)生了不同程度的退化,主要表現為有 36.79萬 hm2、11.98萬hm2、6.84萬hm2的有林地分別轉變?yōu)橘|量較差的灌木林、疏林地和其它林地。草地大幅度減少。從1986-2000年,草地凈減少59.05萬hm2,減少率為15.59%。減少的草地絕大部分轉換為林地和其它草地利用類型。沼澤地喪失嚴重。在研究時段內,由于對沼澤濕地的作用和生態(tài)功能與價值認識不足,加上不合適的政策導向,導致在此期間濕地喪失和退化嚴重。沼澤地凈減少38.50萬hm2,其中轉換為水田的面積為14.04萬hm2,轉換為旱地的面積為20.34萬hm2,見圖 3,表 6-7。

4 東北地區(qū)土地利用轉換特征及空間分布

東北地區(qū)各土地利用類型之間的轉換特征見表8。

表8 東北地區(qū)各土地利用類型之間的轉換特征

表9 東北地區(qū)各土地利用類型變化面積及變化率分析

就全國范圍來說,東北地區(qū)屬于土地利用急劇變化型,由于人類活動的增加,導致林地、草地、水域和沼澤的大量減少。東北山區(qū)和內蒙古東部地區(qū)以林地和草地的開墾為顯著特點,東北平原地區(qū)以旱地、水田的相互轉換為主。從1986-2000年,東北地區(qū)水田增加速度最快,20 a間增加7 339 km2,增長率為20.4%。旱田增加了17 193 km2,增長率達到7.18%,居民地增加了2.96%。草地減少最多,20 a間共計減少了9 864 km2,減少率為 16.71%,年減少率達到1.65%。沼澤濕地減少了3 973 km2,減少率為11.84%,水域減少了1 367 km2,減少率為5.27%。林地減少10 052 km2,減少率為2.80%。東北地區(qū)耕地增加的原因是盲目蠶食林地、開墾草地和沼澤濕地的結果。由于種植水稻的經濟效益比種植旱田作物的效益高,東北地區(qū)水田面積增加較快,其中黑龍江省的水田面積增加最快,吉林次之,這是發(fā)展旱改水田和開發(fā)濕地和鹽堿地種稻的結果。林地、草地面積在減少,集中分布在大、小興安嶺林區(qū),這與林業(yè)職工和部分外地人員伐林種地有關。由于毀草開荒,黑龍江省和吉林省草地面積分別減少了7.70萬 hm2和 7.81萬hm2。

東北地區(qū)土地利用類型的變化特點是在該區(qū)地理環(huán)境背景的條件下,在人類活動的直接作用下,形成了近期土地變化格局。耕地增加的分布區(qū)域是大興安嶺、小興安嶺、長白山地的山地丘陵,三江平原和黑龍江、吉林的半干旱、半濕潤地區(qū)。主要分布地區(qū)有黑龍江省的黑河地區(qū)、三江平原,吉林省的白城市、四平市和延邊朝鮮族自治州。主要通過蠶食林地和開墾草地與濕地而增加耕地。林地減少的分布區(qū)域是大興安嶺、小興安嶺、長白山地的山地丘陵。主要分布地區(qū)有黑龍江省的黑河地區(qū)、牡丹江市和雙鴨山市,吉林省的延邊朝鮮族自治州、四平市和通化市,遼寧省丹東市。草地減少的分布區(qū)域主要在黑龍江、吉林、遼寧與內蒙古東部的交接地帶,主要是半干旱、半濕潤的草原地區(qū)。由于種植業(yè)短期內收益較高的利益驅動,草地大量被開墾為耕地。主要分布地區(qū)有黑龍江省的齊齊哈爾市、大慶市,吉林省的白城市和松原市。

5 東北地區(qū)土地利用變化的驅動因素

土地利用變化是人類活動作用于自然資源和環(huán)境的一種最為顯著的表現形式,它的產生有兩個必要的前提:一是環(huán)境資源的允許,二是人類的活動。環(huán)境資源表現在區(qū)域所處的自然地理地帶性,主要是溫度、濕潤度、地形、土壤等,以及原生植被的類型。人類活動則表現為人類影響的可達性以及對土地利用方式的選擇,人口密度、交通、城鎮(zhèn)居民分布、社會需求以及經濟產業(yè)結構等都會對此產生影響。東北地區(qū)土地利用變化受自然因素和人文因素的綜合影響。這兩方面的作用不是孤立的,而是相互作用、相輔相成的。

5.1 自然因素-氣候條件對土地利用變化的影響

自然條件是人類一切活動的前提,包括地質、地貌、土壤、植被、氣象、氣候、水文等方面的因素。不同的自然條件下適宜人類社會、經濟活動的方式是不同的;且不同的地域決定土地利用的主導性因子也是不同的。東北地區(qū)地形復雜,坡度、高程以及土壤是限制土地利用的數量、結構、方式和強度的關鍵因子。自然條件基本上是人類無法控制和改變的,尤其是大區(qū)域范圍內的自然環(huán)境。因而違背自然規(guī)律的不合理的土地利用方式必然帶來環(huán)境退化、水土流失、荒漠化等一系列自然災害。土壤對土地利用方式的影響也是不言而喻的,不同的土壤類型適宜不同的土地利用方式。氣候條件對土地利用有制約作用,主要表現在其對農作物、牧草和林木種類選擇及其分布、組合、耕作制度和產量的影響上。對東北地區(qū)而言,氣溫與降水狀況是主要限制因子。在東北地區(qū),由于氣候變暖使傳統的牧草地轉向耕地成為可能,這在一定程度上導致了牧草地資源的開墾。本文收集東北地區(qū)均勻分布的66個氣象站點的氣候數據進行平均,得到東北地區(qū)過去20 a年平均氣溫的變化趨勢,見圖4。可以看出,過去20 a期間,東北地區(qū)氣溫增加的趨勢是非常明顯的,這一趨勢為農業(yè)開墾提供了有利的前提條件。在東北地區(qū),受比較利益的驅動(稻谷的平均單產收益高于其他旱作作物),在引進新的耐寒稻種和其他技術保障的前提下,作為市場經營主體的農民紛紛在條件適宜的地區(qū)實行旱改水工程,將旱地轉為水田;與此同時,局部區(qū)域也因降水變率大及勞動力不足的影響,出現了水田轉為旱地的現象。水旱互換成為20世紀90年代東北地區(qū)耕地變化較為明顯的一個區(qū)域特征。

圖4 東北地區(qū)過去20 a年平均氣溫變化趨勢

5.2 社會經濟條件分析

盡管從長時間尺度上看,自然和人為因素都驅動著土地利用/覆蓋變化,但在短時間尺度上,人類活動無疑是土地利用最主要的驅動因素。按照中國土地利用變化驅動力的空間分異特征,東北地區(qū)屬于以最優(yōu)經濟福利-糧食安全驅動為主,多種驅動力量并存的地區(qū)[5],這一地區(qū)是人口稠密,農業(yè)發(fā)展水平高;同時由于區(qū)域經濟的發(fā)展,在市場和比較利益驅動下,大量耕地轉化為非農業(yè)建設用地。

在土地利用/覆蓋的可量化驅動力中,人口是一個非常重要的因素。人口的增加會引發(fā)一系列問題,驅使人們大量開荒。人口壓力可以分兩個方面來闡述。人口增加必然增加對糧食與住房及公共設施的需求,導致建設用地和耕地擴張,一方面,建設用地的增加造成優(yōu)質耕地減少;另一方面,耕地的擴張導致林、草地被破壞,從而加速了生態(tài)環(huán)境惡化。東北地區(qū)大規(guī)模移民開荒是土地利用變化的重要驅動因素之一。自19世紀清朝末期起,移民墾邊、開荒開始形成浪潮。1897年時東北人口為700萬,1911年增至1 841萬;民國時期又增至 2 659萬,至今已達1.3億人口。1900-2000年,東北人口增長了14倍,人口增長迅猛。

以三江平原為例,自1949年以來,隨著經濟建設的發(fā)展和國家對開發(fā)邊疆、建設邊疆的高度重視,大批農民、解放軍轉業(yè)官兵和知識青年相繼遷入本區(qū),人口數量迅速增長。1949年,全區(qū)僅有139.9萬人,平均人口密度為12.84人/km2;到2000年全區(qū)人口已增至851.97萬人,平均人口密度達78.39人/km2。三江平原人口增長了5.09倍,而同期黑龍江全省和東北全區(qū)分別增長了2.66倍和1.74倍,人口增長速度明顯高于黑龍江省和東北全區(qū)。隨著人口的增長和國家對糧豆的需求,加上某些集體和個人利益的驅動,三江平原出現了三次開荒高潮。由于大面積墾荒,該區(qū)耕地由1965年的59.7 hm2增至1991年的10 569.3 hm2,耕地面積擴大了176倍,而同期濕地面積則由15 004.3 hm2減至6 483.1 hm2。

據對草原的監(jiān)測,每開墾1 hm2草原,就會造成3 hm2土地沙化。土地利用的強度逐年加大,輪作制由往常的十幾年間隔減為幾年或隔年,甚至連年耕作,這樣一來不但加大了土地資源利用的壓力,也破壞了傳統土地利用的合理性。傳統的牧區(qū),尤其是東北西部一些畜產品基地,當地日益增長的人口壓力以及市場對畜產品需求增長的拉動,使得單位面積草地載畜量超過其本身的載畜能力。過牧導致了草場的破壞,加劇了草地的沙漠化趨勢,使得天然優(yōu)良草場的面積銳減。經濟的發(fā)展改變了土地利用的數量、結構、方式和強度。通常而言,經濟持續(xù)高速發(fā)展的初期多以生態(tài)環(huán)境的惡化為代價。經濟規(guī)模的擴大,建設用地(城鎮(zhèn)、農村居民點、工礦、道路等)的擴張導致優(yōu)質耕地減少,坡地、陡坡地的開墾(林、草地的破壞)造成生態(tài)環(huán)境的惡化。在東北農林-農牧交錯帶,人們受經濟利益的驅動,同時又因為將草地和林地開墾為耕地的代價較低,因此大面積毀林毀草開墾為耕地。農作物與牧業(yè)產品價格比的變化也為因素之一。在東北林區(qū),由于經濟利益的驅動,一些山區(qū)河谷、溝谷、坡地及丘陵崗地等水熱自然條件較好的地區(qū)林地被開墾為耕地;在東南丘陵農田與林地交錯區(qū),在1990-1995年期間有3.27萬hm2林地轉變成耕地,而在最近的5 a中大約有6.54萬hm2林地轉變?yōu)楦?。另?由于人類消費水平以及消費結構的改變,1986-2000年本區(qū)養(yǎng)殖的大牲畜的數量有很大增長,使草原的負擔日益加重,草原過度放牧,草原沙化和鹽堿化普遍發(fā)生,也是導致草地減少甚至破壞的重要原因。

城市化進程是社會經濟發(fā)展的必然產物,隨著國民經濟的進一步發(fā)展,城市擴張和居民地增加是現在乃至將來的趨勢。東北林草-耕地轉換區(qū)氣候嚴寒,人口稀少,地勢不平,造成城鎮(zhèn)發(fā)展的空間較小,主要是近幾年東北地區(qū)經濟發(fā)展緩慢和過去城鎮(zhèn)占用土地面積大,近幾年的用地方式為居民地內部填充,東南丘陵地區(qū)城鎮(zhèn)面積擴張速度也不高,反映了地形對城市范圍的直接約束作用。

5.3 宏觀政策、法規(guī)及工程的影響分析

宏觀政策對土地利用也是有重要影響的,它引導著社會的經濟生產活動,進而影響土地利用的方式和強度。例如,在20世紀80年代中期,由于畜牧產品價格下跌,而糧食價格受到國家政策的保護,使得開荒種地比經營畜牧業(yè)更有利可圖,加上全國新一輪開發(fā)后備土地資源浪潮的影響,許多牧民棄牧從農,導致草地減少,耕地增加。經過長期的過度開墾,脆弱的環(huán)境條件在20世紀90年代后期更加惡化,因此,受到國家及各級政府的高度關注,退耕還林還草等生態(tài)保護措施得到加強,使耕地急劇增加、環(huán)境持續(xù)惡化的勢頭得到一定程度的遏制。

6 結論

1986-2000年東北地區(qū)土地資源變化的主要特征為耕地的大量增加和林地、草地、水域、沼澤的大量減少。東北地區(qū)土地利用類型的變化特點是在地理環(huán)境背景的條件下,在人類活動的直接作用下形成的。土地利用變化是人類活動作用于自然資源和環(huán)境的一種最為顯著的表現形式,人文驅動力是該區(qū)域土地利用變化的主要驅動力。人口增加是造成東北地區(qū)耕地增加及一系列土地利用變化的根本原因;經濟發(fā)展也是土地利用變化的重要人文驅動力;國家和省級政府的宏觀政策也是影響土地利用變化的驅動力之一。草地和沼澤濕地是重要的自然資源,1986-2000年期間,東北地區(qū)草地和沼澤面積分別減少了9 864 km2和3 973 km2,由于自然生態(tài)系統的嚴重破壞,導致一系列環(huán)境問題的產生。隨著東北各省生態(tài)省建設目標的確立,草地和沼澤濕地向耕地轉移的趨勢得到一定控制。要有效保護自然生態(tài)環(huán)境,除加強保護措施外,應該控制人口增長,提高農業(yè)集約化程度,大力發(fā)展二、三產業(yè),減輕人口和經濟發(fā)展對土地資源的壓力。

[1]Lambin E F,Bockstael N.Land-Use and Land-Cover Change,Implementation Strategy[R].IGBP Report No.48/IHDP Report No.10.Stochkholm:IGBP,1999.

[2]TurnerⅡB L,Skole D,Fischer G,et al.Land-use and land-cover change:science/research plan[R].IGBP Report No.7.Stockholm and Geneva,1995.

[3]劉紀遠.國家資源環(huán)境遙感宏觀調查與動態(tài)監(jiān)測研究[J].遙感學報,1997,31(1):225-230.

[4]王秀蘭,包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學進展,1999,18(1):81-87.

[5]李平,李秀彬,劉學軍.我國現階段土地利用變化驅動力的宏觀分析[J].地理研究,2001,20(2):129-138.