黑河中游水資源空間分布對(duì)綠洲核心景觀類型變化的驅(qū)動(dòng)分析

王祺 蒙吉軍

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黑河中游水資源空間分布對(duì)綠洲核心景觀類型變化的驅(qū)動(dòng)分析

王祺 蒙吉軍?

北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871; ?通信作者, E-mail: jijunm@pku.edu.cn

以西北內(nèi)陸黑河中游綠洲為研究區(qū), 基于土地利用數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及 DEM、土壤、氣候和DMSP/OLS 燈光數(shù)據(jù), 采用多時(shí)序 Logistic 逐步回歸方法, 分析 1986—1995, 1995—2000 和 2000—2010 年景觀類型變化的驅(qū)動(dòng)力, 揭示水資源空間分布對(duì)耕地和建設(shè)用地變化的約束范圍。結(jié)果表明: 1) 各時(shí)段耕地增加不存在共性驅(qū)動(dòng)因子, 但耕地減少有共性驅(qū)動(dòng)因子(海拔和人類活動(dòng)); 建設(shè)用地增加的共性驅(qū)動(dòng)因子是海拔、距離和人類活動(dòng), 但不同時(shí)段驅(qū)動(dòng)效應(yīng)不同; 2) 機(jī)井和河渠對(duì)耕地和建設(shè)用地變化的影響機(jī)理類似, 影響范圍為 1000~1500 m, 但河渠比機(jī)井更具約束力; 3) 海拔對(duì)耕地和建設(shè)用地的影響范圍在3500 m以下, 其主要限制來(lái)自地形起伏的約束。研究結(jié)果對(duì)優(yōu)化綠洲水土資源空間配置、提高綠洲水資源利用率具有重要的指導(dǎo)意義。

景觀變化; 多時(shí)序; 水資源; 驅(qū)動(dòng)力; Logistic回歸模型; 黑河中游

土地利用變化研究是理解全球變化的重要窗口。土地利用/覆被變化(land use and cover change, LUCC)是全球環(huán)境變化和全球可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容[1], 也是自然要素和人文要素最為密切的交叉過(guò)程[2]。自 1995 年 IGBP (國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃)和IHDP (全球環(huán)境變化中的人文因素計(jì)劃)聯(lián)合提出LUCC研究計(jì)劃, LUCC 驅(qū)動(dòng)力的研究在解釋土地利用/覆被變化中一直起著關(guān)鍵作用[3–4]。2005 年, IGBP 和 IHDP 聯(lián)合推出全球土地計(jì)劃(Global Land Project, GLP), 強(qiáng)調(diào)“生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化的多驅(qū)動(dòng)力(生物物理和社會(huì)–經(jīng)濟(jì)方面)的影響需要在不同時(shí)空尺度進(jìn)行評(píng)估”, “從定性和定量角度, 理解土地覆蓋的轉(zhuǎn)移和土地利用強(qiáng)度的變化如何從定性和定量角度改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的傳遞”[5]。干旱區(qū)是我國(guó)西北地區(qū)典型的氣候區(qū), 因其成因復(fù)雜、變化過(guò)程快、恢復(fù)能力弱、環(huán)境敏感性強(qiáng)[6]、水資源系統(tǒng)脆弱[7]等特點(diǎn)而成為土地利用/覆被變化研究的熱點(diǎn)區(qū)域。水是干旱區(qū)一切生態(tài)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力, 水資源分布的特殊性亦使其景觀類型表現(xiàn)出與濕潤(rùn)區(qū)截然不同的分布特點(diǎn)[8]。揭示景觀變化的驅(qū)動(dòng)力、提高水資源利用效率成為干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理的關(guān)鍵。

近年來(lái), 許多學(xué)者對(duì)干旱/半干旱區(qū)景觀變化的驅(qū)動(dòng)力從多方法、多角度展開研究。張鳳榮[9]從定性的角度, 梳理政策對(duì)伊金霍洛旗景觀變化的驅(qū)動(dòng)影響, 認(rèn)為人類活動(dòng)是造成荒漠化的主要原因。蒙吉軍等[10]從地理環(huán)境和土地利用主體角度分析內(nèi)蒙古烏審旗景觀變化的驅(qū)動(dòng)力, 表明耕地受地形、水源和人口等宏觀因素影響, 建設(shè)用地主要分布在水源充足的地區(qū)。毛彥成等[11]和陳忠升等[12]采用相關(guān)分析、主成分分析和回歸分析等方法, 分別對(duì)張掖市甘州區(qū)和新疆和田河流域景觀變化的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行研究, 表明由于干旱區(qū)人口大量集中于綠洲, 農(nóng)田水利建設(shè)對(duì)耕地和建設(shè)用地發(fā)展有顯著的影響; 馮異星等[13]基于景觀格局, 對(duì)瑪納斯河流域的土地利用變化進(jìn)行評(píng)估, 發(fā)現(xiàn)過(guò)度開墾耕地和建設(shè)用地, 會(huì)增加景觀異質(zhì)性, 對(duì)綠洲穩(wěn)定性具有負(fù)面影響; 戴聲佩等[14]基于 AutoLogistic 回歸和 CLUE-S模型, 對(duì)張掖市甘州區(qū)的景觀變化驅(qū)動(dòng)力和變化趨勢(shì)進(jìn)行研究, 亦發(fā)現(xiàn)水資源對(duì)景觀變化的制約非常明顯。

基于多時(shí)間序列的驅(qū)動(dòng)力分析, 通過(guò)縱向?qū)Ρ? 揭示研究區(qū)景觀變化的共性驅(qū)動(dòng)因子, 在此基礎(chǔ)上剔除隨機(jī)因素, 關(guān)注核心驅(qū)動(dòng)因子, 是實(shí)現(xiàn)綠洲土地資源持續(xù)利用的關(guān)鍵。從現(xiàn)有研究可以看出, 基于多時(shí)序?qū)Ω珊祬^(qū)核心景觀類型變化驅(qū)動(dòng)力的研究相對(duì)較少, 尤其是關(guān)于水資源對(duì)集約度較高的耕地和建設(shè)用地的約束和影響強(qiáng)度的研究還較少見(jiàn)。

黑河是西北內(nèi)陸干旱區(qū)的內(nèi)陸河, 中游集中了全流域 80%的綠洲、91%的人口、95%的耕地和80%的GDP[15]。多年來(lái), 黑河中游綠洲擴(kuò)張[16]、水資源分配與管理[17]、城市化[18]、荒漠化[19]等問(wèn)題一直較為突出。本文基于多時(shí)序驅(qū)動(dòng)力分析, 借助多元 Logistic 回歸模型擬合的高效性和簡(jiǎn)明性[20], 對(duì)黑河中游的核心景觀類型, 即土地利用集約度較高的耕地和建設(shè)用地變化驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行定量研究, 并以此為基礎(chǔ), 確定水資源空間分布對(duì)景觀變化的約束范圍, 以期為提高研究區(qū)用水效率和生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)處理

黑河中游位于河西走廊中段, 地理坐標(biāo)為97°20′—102°12′E, 37°28′—39°57′N。行政區(qū)包括張掖市甘州區(qū)、高臺(tái)縣、臨澤縣、民樂(lè)縣、山丹縣和肅南縣明花區(qū), 總面積約 1.96 萬(wàn) km2(圖 1)。研究區(qū)南北依山, 中部平坦, 地貌以高山、中山、低山丘陵和走廊平原等為主, 平均海拔為 1234~4886 m。走廊平原和北部山地為溫帶大陸性干旱氣候, 祁連山為高寒半干旱氣候, 年降水僅 104~328 mm, 但區(qū)域分布不均。由于獨(dú)特的地貌條件, 黑河中游水資源豐富, 河渠密布, 農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)[21]。長(zhǎng)期以來(lái), 水資源問(wèn)題一直是困擾黑河中游土地利用的瓶頸, 出現(xiàn)諸如水資源供需矛盾突出[22–23]、農(nóng)業(yè)用水過(guò)大[24]、用水效率不高[25]等問(wèn)題。

本文所用土地利用數(shù)據(jù)包括 1986, 1995, 2000和 2010 年的 4 期(圖2)。其中, 前三期矢量數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院“八五”項(xiàng)目[26], 2010 年數(shù)據(jù)以Landsat TM 影像為基礎(chǔ), 利用ENVI 4.7, 通過(guò)人機(jī)交互目視解譯獲得, 提取出耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地 6 類, 精度均在 90%以上?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)(包括行政區(qū)劃、道路、居民點(diǎn)、水系、灌渠等)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所科學(xué)數(shù)據(jù)中心的“數(shù)字黑河”項(xiàng)目[27–30]; 降水?dāng)?shù)據(jù)亦由該數(shù)據(jù)中心提供的 14 個(gè)氣象站 48 年間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并插值得到; 土壤數(shù)據(jù)來(lái)自聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織 (FAO) 基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集[31]; DEM (數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)由美國(guó)馬里蘭大學(xué)全球土地覆被數(shù)據(jù)提供, 分辨率為30 m × 30 m; 1995, 2000 和2010年DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(National Geophysical Data Center)。

2 研究方法

2.1 多時(shí)序景觀類型變化的驅(qū)動(dòng)力研究

Logistic 逐步回歸是景觀類型變化研究中的一種常用方法, 可以篩選對(duì)景觀格局影響較為顯著的因素, 同時(shí)剔除不顯著的因素。假設(shè)一個(gè)柵格某一景觀類型變化的條件概率為P=(y=1|x), Logistic回歸模型假定這個(gè)概率能表達(dá)為如下的Logistic函數(shù)形式:

式中,P表示景觀類型變化的概率,表示各備選驅(qū)動(dòng)因素。Logistic 函數(shù)是協(xié)變的非線性函數(shù), 并且能轉(zhuǎn)換成線性函數(shù)形式:

式中,是各影響因子的回歸系數(shù)。

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在黑河中游, 耕地和建設(shè)用地是集約度最高的景觀類型, 也是綠洲景觀的核心組分。本文分別選擇 1986—1995, 1995—2000 和 2000—2010 年 3 個(gè)時(shí)段的耕地增加、耕地減少、建設(shè)用地增加為二元因變量, 并根據(jù)數(shù)據(jù)的代表性和可得性, 選擇地理要素(包括海拔、坡度、土壤質(zhì)地和降水)、距離要素(包括距河渠、距機(jī)井、距道路、距居民點(diǎn))和人類活動(dòng)強(qiáng)度(1995, 2000 和 2010 年燈光數(shù)據(jù))共 9個(gè)驅(qū)動(dòng)因素(圖 3)。在各種景觀類型柵格上分別選取 1000 個(gè)采樣點(diǎn), 變動(dòng)設(shè)為 1, 未變動(dòng)設(shè)為 0, 使用 SPSS 19.0 進(jìn)行多元 Logistic 逐步回歸, 定量揭示耕地和建設(shè)用地的驅(qū)動(dòng)因素。通過(guò)對(duì)比 3 個(gè)時(shí)段的驅(qū)動(dòng)因素, 識(shí)別驅(qū)動(dòng)耕地和建設(shè)用地變化的共性因子, 并據(jù)此提出土地利用管理措施。

2.2 水資源對(duì)景觀類型空間約束的研究

在黑河中游, 水資源主要由地表水和地下水組成, 且地表水和地下水不斷轉(zhuǎn)換和循環(huán)。其中, 地表水利用主要通過(guò)自然徑流和人工灌渠引水, 地下水則主要是機(jī)井抽取利用[32]。在干旱區(qū)山地, 一方面, 隨著海拔的升高, 水分有增加趨勢(shì), 能夠在一定程度上滿足草地、林地、耕地等景觀對(duì)水分不足的需求; 另一方面, 隨著海拔的增加, 地形起伏度較大, 對(duì)耕地、建設(shè)用地的利用則產(chǎn)生較大的限制作用。因此, 海拔對(duì)耕地和建設(shè)用地的影響, 體現(xiàn)在水分條件和地形限制博弈的結(jié)果?；诖? 本文選取河渠和機(jī)井以及海拔要素, 采用緩沖區(qū)分析方法, 揭示河渠和機(jī)井對(duì)景觀變化的輻射影響、海拔高度對(duì)景觀類型的制約作用, 確定水資源對(duì)景觀變化的約束能力。

為揭示水資源對(duì)景觀類型空間約束的趨勢(shì), 應(yīng)用 ArcGIS 10.0 中的緩沖區(qū)分析工具和腳本語(yǔ)言工具, 分別以200, 300, 400和500 m為間距, 生成連續(xù)緩沖區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn), 500 m 緩沖區(qū)能夠有效降低數(shù)據(jù)冗余, 消除變化率的波動(dòng), 能更直觀地表現(xiàn)景觀類型的變化趨勢(shì), 且當(dāng)最大緩沖距離大于 5000 m 后, 景觀類型變化趨于穩(wěn)定。因此, 以研究區(qū)機(jī)井和河渠為對(duì)象, 以 500 m 為緩沖距離, 分別對(duì)所有機(jī)井和河渠以半徑(或?qū)挾?依次增加 500 m 生成 10 個(gè)緩沖區(qū), 統(tǒng)計(jì)耕地增加、耕地減少和建設(shè)用地增加的情況, 并計(jì)算相鄰兩個(gè)緩沖區(qū)之間景觀類型變化率的大小, 確定水源對(duì)景觀變化的影響輻射范圍。為確定海拔對(duì)核心景觀的影響范圍, 以 500 m 為間隔, 將研究區(qū)海拔分為 8 個(gè)海拔區(qū)間, 分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間耕地和建設(shè)用地的數(shù)量和變化趨勢(shì)。為避免地類絕對(duì)數(shù)量差異造成的假象, 用海拔區(qū)間景觀類型變化與未變化的比值R來(lái)表征相對(duì)變化的程度, 公式如下:

R表示第個(gè)區(qū)間景觀類型的相對(duì)變化率,C表示第個(gè)區(qū)間景觀類型的變化量,U表示第個(gè)海拔區(qū)間景觀類型的不變量。

3 結(jié)果分析

3.1 耕地和建設(shè)用地動(dòng)態(tài)變化

從表 1 可看出, 首先, 未利用地和草地是研究區(qū)最大宗的景觀類型, 二者之和占總面積的 70%以上, 其中, 未利用地在 4 個(gè)年份中占總面積的比例均接近 50%, 草地基本上維持在 23.19%~24.86%。其次, 耕地和建設(shè)用地是研究區(qū)變化最為劇烈的景觀類型, 耕地面積比例在 16.53%~19.15%之間變動(dòng), 1986 年以來(lái), 經(jīng)歷了先減、后增、再減少的波動(dòng)性變化; 建設(shè)用地面積雖然最小, 但增加較快, 特別是 2000 年后, 從 1.64%增加到 2010 年的 4.11%, 共增長(zhǎng) 2.5 倍。第三, 林地面積比例相對(duì)較穩(wěn)定, 在6.23%~6.64%間小幅波動(dòng)。第四, 水域面積比例也較小, 在 1.72%~3.06%間變化, 經(jīng)歷了先增后減的變化趨勢(shì)。

表1 黑河中游1986, 1995, 2000和2010年景觀類型

1986—1995 年期間, 耕地面積略微減少, 建設(shè)用地幾乎不變。林地、草地、水域和未利用地面積變化較小。其中, 耕地主要轉(zhuǎn)化為草地和未利用地, 其增加主要來(lái)自水域的轉(zhuǎn)換, 體現(xiàn)了耕地一方面被荒棄, 另一方面向著水源地開墾的、較為原始的發(fā)展模式。

1995—2000 年期間, 耕地和建設(shè)用地都略有增加, 分別為 2.38%和 0.11%。耕地增加主要來(lái)自林地、草地和水域的轉(zhuǎn)化, 部分耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地; 而建設(shè)用地的增加來(lái)自其他各景觀類型?？傮w上看, 該時(shí)段內(nèi)景觀類型變化程度較為緩和。

2000—2010 年期間, 耕地有所減少, 建設(shè)用地成倍增加。林地、草地和未利用地面積變動(dòng)不大。其中, 耕地的增加來(lái)自水域和草地的減少, 而耕地減少主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和未利用地, 反映出城市化過(guò)程中耕地不斷被占用, 繼而耕地不斷向外圍草地和荒漠?dāng)U張的態(tài)勢(shì)。建設(shè)用地?cái)?shù)量劇增主要來(lái)自耕地、林地、草地、水域的轉(zhuǎn)化。

3.2 景觀類型變化的驅(qū)動(dòng)力

3.2.1 耕地增加的驅(qū)動(dòng)力

從表2可以看出, 耕地增加的驅(qū)動(dòng)因素主要是地形和距離因素。1986—1995年期間, 耕地增加的概率隨坡度的增加而增大, 但隨機(jī)井距離的增加而減小, 說(shuō)明耕地的開墾, 一是向著水源較為充沛的坡地?cái)U(kuò)張, 二是主要集聚在機(jī)井周圍, 反映出該時(shí)段耕地增加主要依賴于穩(wěn)定的水源。1995—2000 年期間, 影響耕地增加的驅(qū)動(dòng)因子強(qiáng)度依次為河渠距離、海拔、坡度、距居民點(diǎn)距離。耕地增加量隨海拔和坡度的增加而增大, 隨河渠距離的增加而減小, 說(shuō)明地形和河渠對(duì)耕地的分布有重要的影響。耕地增加量還隨居民點(diǎn)距離的增加而增大, 說(shuō)明該時(shí)期耕地開墾并不趨向于居民點(diǎn)附近, 而是表現(xiàn)出向綠洲邊緣擴(kuò)張的趨勢(shì)。2000—2010 年期間, 重要的影響因子是海拔和距居民點(diǎn)距離。耕地增加量隨海拔的增加而減小, 說(shuō)明該時(shí)期內(nèi)耕地增加趨于相對(duì)平坦的區(qū)域, 隨居民點(diǎn)距離的增加而增加, 同樣表現(xiàn)出向外擴(kuò)張的趨勢(shì)。另外, 還表現(xiàn)出降水多的區(qū)域耕地增加明顯, 粗質(zhì)土壤對(duì)耕地增加有抑制作用。

表2 黑河中游耕地增加回歸結(jié)果

可以看出, 3 個(gè)時(shí)段不存在共性因子對(duì)耕地增加起持續(xù)影響作用, 但總體看來(lái), 地形、距水源距離和人類活動(dòng)強(qiáng)度是影響耕地增加的主要因素。

3.2.2 耕地減少的驅(qū)動(dòng)力

從表 3 可以看出, 耕地減少的驅(qū)動(dòng)因子是海拔、距離和人類活動(dòng)。1986—1995年期間, 距河渠距離的影響程度最大, 其次是海拔和距居民點(diǎn)距離。耕地減少的概率隨海拔、居民點(diǎn)距離、人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加而增大, 隨河渠距離的增加而減小, 說(shuō)明耕地減少主要發(fā)生在河渠周圍, 靠近人類活動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域。1995—2000年期間, 海拔是耕地減少的最主要影響因素, 其次是距機(jī)井距離和人類活動(dòng)強(qiáng)度。耕地減少的概率在高海拔地區(qū)相對(duì)較大, 穩(wěn)定性較差。同時(shí), 在機(jī)井附近及人類活動(dòng)強(qiáng)的區(qū)域耕地減少概率較高, 主要由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)用地不斷占用耕地所致。2000—2010年期間, 最主要的影響因素是距河渠距離和距道路距離, 其次是距機(jī)井距離、海拔和坡度。與距河渠和機(jī)井距離的關(guān)系表現(xiàn)為耕地發(fā)展對(duì)水源的依賴。耕地的減少多發(fā)生在人類活動(dòng)為主的區(qū)域以及海拔較高和坡度較陡的區(qū)域。

表3 黑河中游耕地減少回歸結(jié)果

海拔和人類活動(dòng)強(qiáng)度是3個(gè)時(shí)段耕地減少的共性影響因子, 且具有一致的驅(qū)動(dòng)方向: 海拔越高耕地減少的概率越大, 人類活動(dòng)強(qiáng)度越大耕地減少的概率也越大, 說(shuō)明退耕還林還草政策的實(shí)施及建設(shè)用地對(duì)耕地的占用是耕地減少的主要原因。

3.2.3 建設(shè)用地增加的驅(qū)動(dòng)力

從表 4 可以看出, 建設(shè)用地增加的主要驅(qū)動(dòng)因素是地形、降水、距離和人類活動(dòng)強(qiáng)度。1986—1995年期間, 最顯著的兩個(gè)影響因子是距河渠距離和距機(jī)井距離, 其次是海拔和距居民點(diǎn)距離。建設(shè)用地增加趨向于在高海拔、近河渠和機(jī)井的區(qū)域, 說(shuō)明水源對(duì)建設(shè)用地的增加起關(guān)鍵作用。建設(shè)用地增加量隨距居民點(diǎn)距離的增加而減小, 說(shuō)明建設(shè)用地以集聚增長(zhǎng)為主。1995—2000年期間, 建設(shè)用地增長(zhǎng)最顯著的影響因素是距機(jī)井距離、距居民點(diǎn)距離和海拔。同上期相似, 建設(shè)用地的增加量隨海拔的增加而增加, 隨距機(jī)井和居民點(diǎn)距離的增加而減小, 在人類活動(dòng)強(qiáng)度大的區(qū)域表現(xiàn)出不明顯的下降趨勢(shì)。2000—2010年期間, 最顯著的影響因子是距居民點(diǎn)距離, 其他因子影響程度較為平均。建設(shè)用地增長(zhǎng)量隨距居民點(diǎn)距離的增大而增加, 呈現(xiàn)擴(kuò)散增長(zhǎng)而非聚集增長(zhǎng)的模式, 水源對(duì)其增長(zhǎng)趨勢(shì)分布的影響依然顯著, 仍然趨向于河渠和機(jī)井周圍。

表4 黑河中游建設(shè)用地增加回歸結(jié)果

海拔、距機(jī)井距離、距居民點(diǎn)距離和人類活動(dòng)強(qiáng)度是3個(gè)時(shí)段建設(shè)用地增加的共性驅(qū)動(dòng)因子。前兩時(shí)段建設(shè)用地增加是高海拔導(dǎo)向, 而第三時(shí)段變?yōu)榈秃０螌?dǎo)向; 距機(jī)井距離和人類活動(dòng)強(qiáng)度在 3 個(gè)時(shí)段內(nèi)對(duì)建設(shè)用地增長(zhǎng)的影響方向一致, 其概率在靠近機(jī)井和偏離人類活動(dòng)強(qiáng)度(不顯著)的區(qū)域較高; 距居民點(diǎn)距離在前兩期表現(xiàn)出負(fù)向作用, 而在第三期表現(xiàn)出正向作用, 說(shuō)明前兩期建設(shè)用地為聚集增長(zhǎng), 而第三期主要以擴(kuò)散增長(zhǎng)為主。

3.3 水資源空間分布對(duì)景觀類型變化的影響

綜合3個(gè)時(shí)段景觀類型變化的驅(qū)動(dòng)力分析可以看出, 距水源距離、地形和人類活動(dòng)是驅(qū)動(dòng)耕地和建設(shè)用地變化的主要因素。對(duì)干旱區(qū)綠洲而言, 人類活動(dòng)主要集中在水源區(qū)附近, 由于黑河中游特定的地貌格局與水文過(guò)程之間的關(guān)系, 耕地和建設(shè)用地的變化多在地貌限制和水源供給間取得平衡。所以, 穩(wěn)定的水源成為干旱區(qū)綠洲景觀類型變化的最主要的影響因素, 也表現(xiàn)出與濕潤(rùn)區(qū)截然不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)理。

3.3.1 機(jī)井

圖 4 為以 500 m 為緩沖區(qū)間隔的景觀類型數(shù)量變化及其變化率?？梢钥闯? 耕地和建設(shè)用地的變動(dòng)與距機(jī)井距離有明顯的關(guān)系。其中, 機(jī)井對(duì)耕地增加的影響范圍主要在 1500 m 之內(nèi), 增加量從316.9 km2迅速減小到 44.2 km2, 變化率最高達(dá)到56.0%, 當(dāng)超過(guò) 1500 m 時(shí), 耕地增加的數(shù)量變化不大; 對(duì)耕地減少的影響范圍則主要在 1000 m 以內(nèi), 減少量從296.6 km2迅速減小到 77.2 km2, 變化率最高為56.7%。對(duì)于建設(shè)用地而言, 機(jī)井所能影響的范圍也主要在 1500 m 之內(nèi), 建設(shè)用地增加量從 269.7 km2迅速減小到 37.5 km2, 變化率最高至52.0%, 其后隨著距離的增加, 變化率不斷減小。綜合看來(lái), 機(jī)井對(duì)耕地和建設(shè)用地變化的影響范圍在 1000~1500 m之間。

3.3.2 河渠

與機(jī)井類似, 距河渠距離也同樣影響耕地和建設(shè)用地的變化(圖5), 但變化率的變化趨勢(shì)不同: 對(duì)于耕地增加和建設(shè)用地增加, 距離較近和距離較遠(yuǎn)的變化率較大, 而中等距離的變化率較小, 變化率曲線呈“倒U形”, 說(shuō)明在遠(yuǎn)離河渠及高海拔的地區(qū), 耕地和建設(shè)用地增加量很小, 因此變化率表現(xiàn)較為敏感。

河渠對(duì)耕地增加的影響范圍主要在 1000 m 之內(nèi), 增加量從537.9 km2迅速減小到73.1 km2, 變化率最高達(dá)64.7%; 對(duì)耕地減少的影響范圍也在1000 m以內(nèi), 減少量從654.1 km2迅速減小到101.9 km2, 變化率最高為 61.8%。對(duì)于建設(shè)用地而言, 河渠影響范圍也在1000 m之內(nèi), 建設(shè)用地增加量從438.9 km2迅速減小到55.7 km2, 變化率最高至65.0%, 其后隨著距離的增加, 變化率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。綜合來(lái)看, 河渠對(duì)耕地和建設(shè)用地的影響與機(jī)井相似, 但其影響的范圍為 1000 m, 同等距離下景觀類型變化量也較機(jī)井更大, 說(shuō)明河渠作為水源有著更強(qiáng)的約束作用。

3.3.3 海拔

圖 6 為耕地和建設(shè)用地分布的海拔高度統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯? 耕地和建設(shè)用地基本上分布在海拔 3000 m以下, 尤其在 1240~1750 m 之間分布較為集中, 超過(guò)85%的景觀類型分布在 1300~2500 m 之間。從圖 7 可以看出, 耕地在海拔 3500 m 以上不再增加, 海拔超過(guò) 3000 m 后, 耕地的相對(duì)變化率R大于1, 表現(xiàn)較為敏感, 間接說(shuō)明耕地?cái)?shù)量較少。耕地減少量隨著海拔的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì): 2500 m以下耕地減少量隨海拔升高而增加, 2500 m以上耕地減少量不斷減小。從相對(duì)變化率也可以看出, 海拔在 2500 m 時(shí)耕地減少最為明顯, 超過(guò)3500 m 則不再有耕地的減少, 因?yàn)楹０?3500 m 以上幾乎沒(méi)有耕地的分布。建設(shè)用地在海拔 3500 m以上不再增加, 說(shuō)明高海拔對(duì)建設(shè)用地的擴(kuò)張仍然存在抑制作用。從海拔高度的角度看, 水分供給并不是景觀變化的主要原因, 地形起伏、便捷度和可達(dá)性是山區(qū)影響景觀類型變化和分布的主要原因。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

水資源是干旱區(qū)綠洲維系的最重要因子, 也是驅(qū)動(dòng)干旱區(qū)綠洲景觀類型變化的主要原因, 水資源的空間分布和開發(fā)利用直接關(guān)系到干旱區(qū)綠洲景觀格局及動(dòng)態(tài)變化。本文以干旱區(qū)黑河中游為研究區(qū), 利用多元Logistic回歸模型及緩沖區(qū)分析方法, 來(lái)揭示水資源對(duì)干旱區(qū)綠洲核心景觀類型變化的影響及范圍。主要結(jié)論如下。

1) 耕地和建設(shè)用地是研究區(qū)內(nèi)變化最劇烈的景觀類型。耕地面積經(jīng)歷了先減、后增、再減的變化, 這種波動(dòng)性變化的數(shù)量和空間發(fā)展, 受到自然環(huán)境和人類活動(dòng)雙重作用的影響。建設(shè)用地面積占比最小, 但變化最劇烈, 特別是近 10 年來(lái)增長(zhǎng)達(dá)2.5 倍?？傮w上, 呈現(xiàn)在城市化過(guò)程中, 由于建設(shè)用地不斷擴(kuò)張, 導(dǎo)致耕地不斷向外圍擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)。

2) 基于多時(shí)序景觀類型變化驅(qū)動(dòng)力分析發(fā)現(xiàn), 耕地增加不存在共性驅(qū)動(dòng)因子; 海拔和人類活動(dòng)是耕地減少的共性驅(qū)動(dòng)因子, 且具有一致的驅(qū)動(dòng)方向; 海拔、距機(jī)井距離、距居民點(diǎn)距離和人類活動(dòng)強(qiáng)度是驅(qū)動(dòng)建設(shè)用地增長(zhǎng)的共性因子, 但時(shí)間不同, 驅(qū)動(dòng)效應(yīng)不同。地形、距離水源距離和人類活動(dòng)是耕地和建設(shè)用地變化的主要驅(qū)動(dòng)因素, 表明水源對(duì)干旱區(qū)綠洲景觀類型變化具有重要的約束作用。

3) 通過(guò)對(duì)水源進(jìn)行緩沖區(qū)景觀類型變化統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn), 機(jī)井對(duì)耕地和建設(shè)用地變化的影響范圍為1000~1500 m之內(nèi), 影響范圍內(nèi)景觀類型變化隨距離變化明顯; 河渠對(duì)耕地和建設(shè)用地變化的影響范圍為1000 m, 但比機(jī)井有著更強(qiáng)的約束力; 耕地和建設(shè)用地的增加隨海拔的增加而減少, 且海拔3500 m以上不再有耕地的增減和建設(shè)用地的增加, 景觀類型的分布主要受地形起伏和便捷度的制約。

4.2 討論

黑河中游水資源分配利用是黑河流域穩(wěn)定發(fā)展的基本前提。多年來(lái), 黑河中游水資源利用效率低下、水土資源匹配不平衡等問(wèn)題十分突出, 因此, 揭示水資源空間分布對(duì)干旱區(qū)綠洲景觀類型變化的驅(qū)動(dòng)和約束范圍, 對(duì)實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)管理具有直接的指導(dǎo)意義。生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性管理需要實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域的長(zhǎng)期追蹤和監(jiān)控, 多時(shí)序土地利用驅(qū)動(dòng)力分析能夠識(shí)別黑河中游景觀類型變化的共性驅(qū)動(dòng)因子, 并能夠作為生態(tài)系統(tǒng)管理的脅迫因子納入指標(biāo)體系。對(duì)于黑河中游, 地形和人類活動(dòng)是耕地發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)因素, 也是制約耕地的脅迫因素。因此, 通過(guò)對(duì)地形要素和人類活動(dòng)的綜合考量, 引導(dǎo)耕地生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的雙重健康發(fā)展, 實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)耕地穩(wěn)定發(fā)展的可持續(xù)目標(biāo)。

黑河中游水資源空間分布利用研究, 能夠?yàn)樗临Y源配置和土地利用規(guī)劃提供依據(jù)。鑒于河渠、機(jī)井對(duì)耕地和建設(shè)用地變化的約束作用和影響范圍, 在黑河中游土地利用規(guī)劃中, 應(yīng)合理劃分土地利用功能區(qū)和灌溉渠系的配置, 提高灌區(qū)的土地利用效率。例如, 河渠約束范圍大致為 1000 m, 在河渠規(guī)劃或調(diào)整時(shí), 應(yīng)控制河渠間的影響范圍不大于1000 m。機(jī)井雖然具有更廣的約束范圍, 但因供水能力有限, 其配置必須結(jié)合水文地質(zhì)條件。耕地和建設(shè)用地盡量控制在海拔 2500 m 以下, 在山麓地帶結(jié)合機(jī)井建設(shè), 合理布局水利工程, 提高水資源利用效率。分析水資源空間分布對(duì)綠洲景觀格局輻射影響, 對(duì)協(xié)調(diào)研究區(qū)景觀空間布局、科學(xué)用地規(guī)劃、提高用水效率以及實(shí)現(xiàn)水土資源優(yōu)化配置具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Turner Ⅱ B L, Lambin E F, Reenberg A. The emergence of land change science for global envi-ronmental change and sustainability. PNAS, 2007, 104(52): 20666–20671

[2]蔡運(yùn)龍. 自然地理學(xué)的創(chuàng)新視角. 北京大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2000, 36(4): 576–582

[3]Lambin E F, Geist H J. Global land-use/land-cover change — What have we learned so far?. Stockolm: IGBP Global Change Newsletter, 2001: 27–30

[4]Ojima D, Lavorel S, Graumlich L et al. Terrestrial human-environment systems: the future of land research in IGBP Ⅱ. Stockolm: IGBP Global Change Newsletter, 2002: 31–34

[5]Moran E, Ojima D, Buchmann N, et al. Global land project: science plan and implementation strategy. Stockolm: IGBP Report No.53/ HDP ReportNo.19. 2005

要加強(qiáng)科技集成創(chuàng)新，利用揚(yáng)州市農(nóng)業(yè)科研力量較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在秸稈高值深加工、畜禽糞便低成本處理利用、蔬菜尾菜資源化利用和水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水凈化等方面展開攻關(guān)科研。要著力增強(qiáng)推廣服務(wù)能力，加大技術(shù)培訓(xùn)與成果轉(zhuǎn)化力度，提升技術(shù)普及度和到位率。要加大人才培養(yǎng)力度，培育留得住的鄉(xiāng)土人才，使其成為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用和生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新者、推廣者和應(yīng)用者。通過(guò)推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，加快生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的快速轉(zhuǎn)變。

[6]陳亞寧, 李稚, 范煜婷, 等. 西北干旱區(qū)氣候變化對(duì)水文資源影響研究進(jìn)展. 地理學(xué)報(bào), 2014, 69(9): 1295–1304

[7]陳亞寧, 楊青, 羅毅, 等. 西北干旱區(qū)水資源問(wèn)題研究思考. 干旱區(qū)地理, 2012, 35(1): 1–9

[8]頡耀文, 陳發(fā)虎. 干旱區(qū)土地利用/土地覆蓋變化與全球環(huán)境變化. 地域研究與開發(fā), 2002, 21(2): 22–26

[9]張鳳榮. 半干旱區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力與土地可持續(xù)利用: 基于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗的案例分析. 資源科學(xué), 2011, 33(11): 2041–2046

[10]蒙吉軍, 朱利凱, 毛熙彥. 近30年來(lái)毛烏素沙地土地利用變化驅(qū)動(dòng)力的多尺度研究: 以內(nèi)蒙古烏審旗為例. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 20(增刊 1): 54–66

[11]毛彥成, 張勃, 張華. 綠洲土地利用/覆蓋變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然驅(qū)動(dòng)力分析: 以張掖市甘州區(qū)為例. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2007, 21(2): 90–94

[12]陳忠升, 陳亞寧, 李衛(wèi)紅. 新疆和田河流域土地利用/覆被變化及其驅(qū)動(dòng)力分析. 中國(guó)沙漠, 2010, 30(2): 326–333

[13]馮異星, 羅格平, 周德成等. 近 50 a 土地利用變化對(duì)干旱區(qū)典型流域景觀格局的影響: 以新疆瑪納斯河流域?yàn)槔? 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(16): 4295–4305

[14]戴聲佩, 張勃. 基于CLUE-S模型的黑河中游土地利用情景模擬研究: 以張掖市甘州區(qū)為例. 自然資源學(xué)報(bào), 2013, 28(2): 336–348

[15]王曉君, 石敏俊, 王磊. 黑河中游水資源空間動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置: 基于分布式水資源管理模型//發(fā)揮資源科技優(yōu)勢(shì), 保障西部創(chuàng)新發(fā)展: 中國(guó)自然資源學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(下冊(cè)). 2011: 479–486

[16]廖杰, 王濤, 薛嫻. 近 55 a 來(lái)黑河流域綠洲演變特征的初步研究. 中國(guó)沙漠, 2012, 32(5): 1426–1441

[17]肖生春, 肖洪浪, 藍(lán)永超, 等. 近 50 a 來(lái)黑河流域水資源問(wèn)題與流域集成管理. 中國(guó)沙漠, 2011, 31 (2): 529–535

[18]唐志強(qiáng), 曹瑾, 黨婕. 水資源約束下西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境與城市化的響應(yīng)關(guān)系研究: 以張掖市為例. 干旱區(qū)地理, 2014, 37(3): 520–531

[19]劉蔚, 王濤, 曹生奎, 等. 黑河流域土地沙漠化變遷及成因. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2009, 23(1): 35–43

[20]Bui D T, Lofman O, Revhug I, et al. Landslide susceptibility analysis in the HoaBinh province of Vietnam using statistical index and logistic regres-sion. Natural Hazards, 2011, 59(3): 1413–1444

[21]藍(lán)永超, 康爾泗, 張濟(jì)世, 等. 黑河流域水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題分析. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2003, 17(6): 34–39

[22]孫棟元, 李元紅, 胡想全, 等. 黑河流域水資源供需平衡與配置研究. 水土保持研究, 2014, 21(3): 217–221

[23]張軍, 周冬梅, 張任陟. 黑河流域2004—2010年水足跡和水資源承載力動(dòng)態(tài)特征分析. 中國(guó)沙漠, 2012, 32(6): 1779–1785

[24]孫琦偉, 吳普特, 王玉寶, 等. 黑河流域農(nóng)業(yè)用水健康新及其評(píng)價(jià)方法研究. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2010, 28(3): 231–235

[25]蔡國(guó)英, 徐中民. 黑河流域中游地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水投入產(chǎn)出分析: 以張掖市為例. 冰川凍土, 2013, 35(3): 770–775

[26]Liu Jiyuan, Liu Mingliang, Zhuang Dafang, et al. Study on spatial pattern of land-use change in China during 1995–2000. Science in China: Ser D, 2003, 46(4): 373–384

[27]黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心. 黑河流域邊界數(shù)據(jù)集. 蘭州: 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 2011

[28]黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心. 黑河流域河流分布數(shù)據(jù)集. 蘭州: 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 2011

[29]Zhou J, Hu B X, Cheng G D, et al. Development of a three-dimensional watershed modeling system for water cycle in the middle part of the Heihe river-shed, in the west of China. Hydrological Processes, 2011, 25(12): 1964–1978

[30]劉小軍, 馬明國(guó). 張掖灌溉渠系數(shù)據(jù)集. 張掖市水務(wù)局, 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 2011

[31]Fischer G, Nachtergaele F, Prieler S, et al. Global agro-ecological zones assessment for agriculture (GAEZ 2008). IIASA, Laxenburg, Austria and FAO, Rome, 2008

[32]吉喜斌, 康爾泗, 趙文智, 等. 黑河中游典型灌區(qū)水資源供需平衡及其安全評(píng)估. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2005, 38(5): 974–982

Driving Analysis of Oasis Key Landscape Types Changes Based on Water Resource Spatial Distribution in Middle Reaches of Heihe Basin

WANG Qi, MENG Jijun?

Laboratory for Earth Surface Processes (MOE), School of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871; ?Corresponding author, E-mail: jijunm@pku.edu.cn

This research takes oasis in the middle reaches of Heihe Basin in northwestern inland as study area, based on land use data, basic geographic information database, DEM, soil database, climatic data and DEMSP/ OLS night light database, applies multiple time-series Logistic stepwise regression model to analyze driving factors for landscape types changes during 1986–1995, 1995–2000, 2000–2010, and reveals to what extent that water resource spatial distribution constrains to cropland and construction land. Conclusions are obtained as follows. 1) No general driving factors affect cropland increasing during each time period, while elevation and human activities present general driving factors for cropland decreasing. General driving factors for construction land increasing are elevation, distance and human activities, which have different driving directions based on different time periods. 2) Pumped wells and waterways share similar influential pattern on cropland and construction land changes with influential scope from 1 km to 1.5 km. Waterways constrain more than pumped wells. 3) The elevation influential scope on cropland and construction land is beneath 3500 m, with main constraint from topographic relief effect. The research results reveal the key instructional meanings for optimizing water and land resources spatial distribution, and improving utilization of water resource in oasis area.

landscape types changes; multiple time-series; water resource; driving forces; Logistic regression model; middle reaches of Heihe Basin

10.13209/j.0479-8023.2016.035

F301; P942

2015-03-30;

2015-06-29; 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-09-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(41371097)資助