寧夏中部生態(tài)脆弱區(qū)典型縣土地利用時空分異及其沙漠化響應

1系統(tǒng)、綜合對土地沙漠化過程、環(huán)境響應的研究近年來，人類土地利用方式的變化對依賴土地的地球表層系統(tǒng)的影響日益突出，如土地荒漠化、水土流失、全球氣候變化等。土地利用的變化過程和環(huán)境反應逐漸受到重視。學者們主要探討了土地利用變化對生態(tài)環(huán)境、生態(tài)安全、土壤性質(zhì)、土壤侵蝕、自然災害、生物多樣性等方面的影響及其響應,該研究對科學利用有限土地資源及制定針對性的環(huán)境保護策略具有重要意義。但由于土地利用要素作用的非線性和多方向性、土地利用變化模式的空間異質(zhì)性、環(huán)境響應的滯后性、復雜性等使得在研究中應用模型,系統(tǒng)、綜合地對土地利用變化過程和環(huán)境響應的研究還處于探索階段,尤其對生態(tài)脆弱區(qū)沙地景觀演化的響應研究。由于自身環(huán)境條件脆弱,大多是社會經(jīng)濟水平相對落后、以農(nóng)業(yè)土地利用為主的地區(qū),人們長期不合理的土地利用方式導致沙漠化問題日益突出。目前有學者針對該類區(qū)域脆弱的生態(tài)環(huán)境對某類土地利用方式如采礦、公路建設(shè)及防護林建設(shè)等的響應,通過對降水、植被蓋度、土壤質(zhì)地等一系列環(huán)境因子反應特征的研究,建立兩者之間的關(guān)系。但以景觀演變的時空分布特征為線索,綜合、系統(tǒng)地探討區(qū)域內(nèi)特定土地利用方式變化及其沙漠化演變之間的耦合關(guān)系還有待進一步探索,這對于科學合理地進行農(nóng)業(yè)土地資源空間布局具有重要價值。寧夏鹽池縣中北部存在荒漠化潛在威脅,雖然當?shù)卣度氪罅咳肆?、財?但因自然和人為因素的干擾,使得當?shù)赝恋厣郴瘑栴}日趨嚴重,有些地方甚至已經(jīng)達到難以恢復和治理的程度。隨著地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展需求壓力不斷增大,該縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展與生態(tài)重建正面臨嚴峻考驗。本文從其近20年的土地利用動態(tài)變化空間分異特征入手,采用分形模型與景觀空間分異模型,探討該縣土地利用時空分異特征及其沙漠化響應,以期為新農(nóng)村建設(shè)中制定區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略和生態(tài)重建格局提供科學依據(jù)。2東北沿邊地區(qū)鹽池縣地理位置為106°30′~107°47′E,37°04′~38°10′N之間,位于寧夏回族自治區(qū)東部(圖1),總面積7130km2。其東北為內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗,東南與陜西省定邊縣、甘肅省環(huán)縣相鄰,西部與同心、靈武兩縣鄰接,屬于北方農(nóng)牧交錯帶的西部邊緣區(qū)。該縣地處干旱半干旱溫帶大陸性氣候區(qū),干旱少雨,冬春兩季風大沙多,地表植被類型以荒漠草原為主,植被覆蓋率僅為10~15%。該縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的總體特征為以牧為主,農(nóng)、林、副業(yè)等相結(jié)合,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)極不穩(wěn)定,2000年全縣國內(nèi)生產(chǎn)總值為10.13億元,農(nóng)民家庭人均純收入僅1136元。3數(shù)據(jù)來源和研究方法3.1土地、地形及資源圖本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有:中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心據(jù)1985、1995、2000年TM影像分別提取的三期1∶100000土地利用矢量數(shù)據(jù)(該分類系統(tǒng)包括三級土地利用分類,其中一級土地利用類型分為:耕地,林地,草場,水域,城鄉(xiāng)、工礦及居民用地,未利用土地6類)。矢量數(shù)據(jù)還包括該縣1∶100000的地形圖和土地資源圖,沙漠防治區(qū)劃圖及野外采集的GPS數(shù)據(jù)等。統(tǒng)計資料包括該縣1991~2000年分鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟統(tǒng)計資料、1990~2000年該縣治沙站觀測資料及“三北”防護林局提供的防治沙漠化等方面研究報告中相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)及部分農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)。3.2景觀指數(shù)模型在Arcgis平臺上提取并整理土地利用變化數(shù)據(jù)、沙地景觀數(shù)據(jù)。具體步驟:利用Arcgis空間疊加分析功能對三期土地利用數(shù)據(jù)進行分類疊加后,重建多邊形拓樸;利用GIS的空間分析和統(tǒng)計分析功能,從PAT表中提取屬性代碼、地類面積等信息,結(jié)合ARCVIEW及EXCEL軟件,得到所需土地利用斑塊矢量數(shù)據(jù)。在描述鹽池縣土地利用時空分異時采用的模型包括:可表達區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型數(shù)量變化的單一土地利用動態(tài)度模型。景觀指數(shù)模型選取了反映土地利用變化斑塊數(shù)量的斑塊密度指數(shù)(patchdensity);反映斑塊粒度化程度的平均斑塊面積指數(shù);反映擴散過程(能流、物流和物種流)可能性的邊界密度指數(shù)(perimeterdensity);反映景觀面積異質(zhì)性的景觀破碎度指數(shù);反映沙化斑塊形狀復雜性程度的分形維數(shù)。其中分形維數(shù)指數(shù)用以解釋具有破碎的和不規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象,目前該指數(shù)在城市擴展、土地利用動態(tài)研究中應用很廣。利用分形維數(shù)對不規(guī)則沙地景觀的擴散方向及程度分析,可更接近客觀描述沙地景觀對土地利用變化的響應。本文采用的該指數(shù)模型為適用于景觀斑塊空間維度測算(周長和面積)的拓展后模型。具體如下:①斑塊密度指數(shù)(km2·個-1)=景觀斑塊總數(shù)/景觀總面積②邊界密度指數(shù)(km-1)=景觀總周長/景觀總面積③景觀破碎度指數(shù):FN1=(Np-1)/Nc式中:FN1為景觀破碎度,Np為景觀斑塊總數(shù),Nc為景觀面積。④分形維數(shù)指數(shù):lnA(r)=2Dln(P(r)+C)lnA(r)=2Dln(Ρ(r)+C)式中:D為沙化斑塊的分形維數(shù);A(r)為沙化斑塊面積,P(r)為斑塊周長,C為常數(shù)(截矩)。D值反映沙地斑塊的復雜性,理論值域為1~2,當D=1時,邊界最規(guī)則,當D值越大表明沙化景觀結(jié)構(gòu)越復雜,邊界越不規(guī)則。當D=1.5時,表明沙化景觀處于布朗隨機運動狀態(tài),越接近該值,穩(wěn)定性越差;當D>1.5時,沙地景觀處于極不穩(wěn)定的復雜狀態(tài),更為脆弱。4結(jié)果與分析4.1草原退化嚴重通過對比分析表1與圖版2圖2鹽池縣1985~2000年的土地利用狀況,結(jié)果表明:1985~1995年間土地利用結(jié)構(gòu)在總體趨勢上變化率均小于2%。具體表現(xiàn)為:草場面積減少,且多轉(zhuǎn)變?yōu)槠皆蹈亍⑸车?。從其細化結(jié)構(gòu)來看,中覆蓋度草場轉(zhuǎn)變最多,主要流轉(zhuǎn)為沙地和低覆蓋度草場,低覆蓋度草場流轉(zhuǎn)為沙地或少數(shù)改造為林地,其中位于鄂爾多斯緩坡丘陵流沙帶附近的縣域北部和中部地區(qū)草場變化的斑塊面積最大,在沙地周圍的草場潛在沙化威脅最大。雖然該縣在上世紀80年代中期曾投入大量人力、物力進行沙漠化監(jiān)測和治理,但由于自然條件惡劣、未加強對中覆蓋度草場的保護和管理,加之人口壓力等社會因素,使得該區(qū)域草場退化相當嚴重;林地面積減少近4850公頃,土地利用動態(tài)度最大,且變化的斑塊較破碎,多集中在北部,該區(qū)淺層地下水條件較好,適宜林木生長,但在該時期內(nèi)流轉(zhuǎn)為旱耕田和中低覆蓋度草場,還有少量轉(zhuǎn)變?yōu)樯车?期間耕地面積增加了近4700公頃,其增加的斑塊在各土地利用類型中最為破碎,分散在該縣中南部地區(qū)。80年代中期至90年代中期,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中開墾草場的現(xiàn)象突出,還有北部少量林地的開墾;未利用地面積增加較多,且82.83%都是沙地,其余為少量鹽堿地和沼澤地;居民、工礦及城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加不多,集中在北部地區(qū),多為城鎮(zhèn)建設(shè)用地。1995~2000年間變化相對較大,其中草場面積減少和耕地面積增加幅度大。具體表現(xiàn)為:耕地面積5年內(nèi)凈增4.07%,是前10年增長率的6倍左右,轉(zhuǎn)為耕地的斑塊比前一個研究階段面積更大,范圍更集中,主要分布在西北部和中部,這與該區(qū)相對高的人口自然增長率及寧夏引黃灌渠的建設(shè)有關(guān),當?shù)匾蚤_墾中覆蓋度草場為主,占總耕地增加面積的53.20%,低覆蓋度草場開墾近23.89%;林地面積略有增加,多灌木林地,分布在中北部沙地附近,是當?shù)剌^成熟的防沙化生物工程措施之一;草場面積減少幅度大,多分布在北部和中部灌渠附近,西南部也有斑塊密度較大的草場減少,其流向主要是丘陵旱耕地,近10%的草場退化為鹽堿地和沙地,還有部分草場被用于農(nóng)村居民點住宅建設(shè);水域面積增加快,其土地利用動態(tài)度達6.5%,體現(xiàn)了當時水利工程設(shè)施擴建的效果。4.2沙化階段20—沙地景觀變化的時空特征通過表2、3及圖3,結(jié)合當?shù)胤乐紊衬芯繄蟾?分析鹽池縣沙地景觀變化過程和格局,其中空間上按該縣農(nóng)業(yè)區(qū)劃報告中的自然地理分區(qū)將研究區(qū)域劃分為北部風沙地貌區(qū)、中部緩坡丘陵區(qū)、南部黃土丘陵區(qū)三個子區(qū)進一步深入探討,分析結(jié)果表明:20世紀80年代中期沙地多分布在北部風沙地貌區(qū),占整個區(qū)域土地面積的17.37%,且斑塊數(shù)量少,面積大。該區(qū)分布著5條偏東西向的流沙帶,除了一部分流動沙丘外,尚有許多半固定沙丘與一部分固定沙丘和浮沙。覆蓋在北部風沙地貌區(qū)的梁地和緩坡丘陵上的沙丘水源缺乏,治理較困難。1985~1995年期間,沙地面積增加幅度大,而景觀破碎度則從0.613減少到0.573,該時期沙地的擴張?zhí)卣魇前邏K面積不斷增大,局部沙化危害擴張明顯。從其擴張的空間上看,北部地區(qū)的沙地面積增加很快,至1995年末,沙地面積凈增65.86km2,占整個縣域增加沙地面積的95.3%。沙化斑塊數(shù)量變化較少,表現(xiàn)為西北部出現(xiàn)小面積沙化斑塊,且已形成連通性擴張條帶,多分布在該時期內(nèi)農(nóng)業(yè)活動增長較大的北部各鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)域偏南地區(qū)原始的大流沙帶控制較好,沙化擴張不明顯;中部緩坡丘陵區(qū)的沙化面積比例為10.34%,僅次于北部風沙地貌區(qū),沙化特征為斑塊面積小,但相當破碎,景觀破碎度達0.98,其潛在沙化威脅很大,且該區(qū)的人口較為密集,加之揚黃灌渠開通后當?shù)剞r(nóng)墾需求旺盛,在缺乏科學指導就進行不合理的開墾下,零散的沙化斑塊較容易連通,易引起整體性擴張,南部黃土丘陵區(qū)沙化面積很少,為1.52km2,至1995年末,該區(qū)沙地幾乎未增加,其景觀破碎度很大,需引起重視。1995~2000年期間,沙地減少明顯,近42km2,景觀破碎度略有增加,該階段沙地的擴張?zhí)卣魇瞧骄郴邏K面積少,沙化隱患較明顯。從其空間分布上看,北部風沙地貌區(qū)沙化面積顯著減少,近38.59km2,減少的沙化斑塊面積大,集中在中部和西部,表明該區(qū)大力度的沙漠化治理效果顯著,中部緩坡丘陵區(qū)沙化面積減少幅度小,主要集中在該區(qū)的糧食生產(chǎn)基地附近,沙地景觀破碎度繼續(xù)增大,增加的沙化斑塊零星分散在中部灌渠附近,該區(qū)的沙漠化正處于敏感狀態(tài),亟待治理。4.3土地利用類型沙化的土化趨勢人類利用土地方式的改變引起各種土地利用類型微環(huán)境的變化,例如土壤有機質(zhì)含量、土壤鹽堿化程度、植被覆蓋度等,本文主要探討研究區(qū)域土地沙化的響應。從表4、5來分析鹽池縣各類一級土地利用類型及主要二級土地利用類型流轉(zhuǎn)為沙地的數(shù)量,結(jié)果表明:在1985~1995年,鹽池縣的沙地除了85%為原有沙地,其余近126km2的沙地來自其他一級土地利用類型。其中草場沙化面積最大,達84.96km2,多為中覆蓋度草場和低覆蓋度草場的退化,而中覆蓋度草場占一半以上,集中在北部風沙地貌區(qū)中部,成東北西南走向的寬條帶狀,沙化草場的斑塊連通性強,斑塊數(shù)量少但平均面積大。低覆蓋度草場退化了近30km2,零散分布在北部風沙地貌區(qū)中部,大部分緊鄰原有沙地,只有少量分布在農(nóng)業(yè)活動密集區(qū)的低覆蓋度草場由于不合理的利用方式而導致沙化;林地沙化現(xiàn)象次之,1985~1995年,該縣林地沙化面積占1985年林地面積的6.29%,灌木林地沙化嚴重,占林地沙化面積的97.8%,分布在北部風沙地貌區(qū)東北邊緣,該區(qū)域地下水位較淺,適宜林木生長,尤其是灌木林地對當?shù)貕A灘地改良、防風固沙、提高土壤肥力都有好的效果,但受到人為干擾后,灌木林地沙化嚴重;耕地沙化現(xiàn)象也不容忽視,雖然其沙化面積只占沙地面積的2.01%,但其分布相當零散,多為中北部的平原旱耕地,與中覆蓋度草場沙化的方位相似,在中部灌渠附近也出現(xiàn)了耕地沙化,這與不合理的農(nóng)作灌溉方式有關(guān),需要進行積極的恢復和重建。1995~2000年其他土地利用類型轉(zhuǎn)為沙地較少,就其流轉(zhuǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對比分析,本階段草場的沙化還是很明顯,中、低覆蓋度草場沙化面積占各自沙化總面積的83.47%,中覆蓋度草場沙化依然最為劇烈(圖4)。空間上表現(xiàn)為原沙化草場周圍中覆蓋度草場的沙化蔓延;平原旱耕地的沙化問題依然存在,但其速度和幅度減少,主要散布在中北部原沙化耕地周圍;林地沙化防治措施效果明顯,1995~2000年灌木林地沙化只有0.14km2,分布在相對干旱的東北部,自然因素干擾更為明顯。為了對三期各土地利用斑塊的動態(tài)變化特征和沙地景觀的變化特征進行對比分析,進一步探討各土地利用類型的沙化響應趨勢,利用景觀模型算出各地類的分形維數(shù)、邊界密度和斑塊密度指數(shù)(表6)。對比分析斑塊密度指數(shù)和邊界密度指數(shù),表明在1985~2000年中北部地區(qū)平原旱耕地雖然斑塊數(shù)量變化不大,但邊界復雜程度有所減少,這與揚黃灌渠工程后大范圍開墾農(nóng)田有關(guān),耕地的邊界形狀較前規(guī)則;灌木林地的斑塊破碎度在1995年出現(xiàn)一個高峰值,主要原因是1985~1995年當?shù)貙嗄玖值亻_荒,使得原來連片發(fā)展的灌木林地斑塊在開墾后破碎化程度加大,相應地該時期林地沙化的面積比例也最大,但到90年代中末期退耕還林還草工程的開展,2000年灌木林地斑塊密度有明顯回落;中覆蓋度草場的斑塊破碎化程度在各土地利用類型最低,這與該縣中北部荒漠草原區(qū)大面積的草場分布有關(guān),從表中可以看出其破碎度呈現(xiàn)增長的態(tài)勢,低覆蓋度草場變化也較活躍;沙地面積雖然在減少,但其邊界擴散程度有所增強。分形維數(shù)表征土地利用類型空間分布的復雜性和不穩(wěn)定性程度,分形維數(shù)越大,土地利用類型的不穩(wěn)定性越高。對比三個時期的沙地流轉(zhuǎn)中四類主要土地利用類型的分形維數(shù)(表6),并根據(jù)計算結(jié)果繪制各類型的動態(tài)變化曲線圖(圖5),從總的趨勢上看三個時期的中、低覆蓋度草場斑塊不穩(wěn)定性程度較高,平原旱耕地和灌木林地斑塊則較穩(wěn)定,按其不穩(wěn)定性排序為:中覆蓋度草場>低覆蓋度草場>沙地>平原旱耕地>灌木林地。中覆蓋度草場的不穩(wěn)定性呈逐漸增加趨勢,這主要是由該類草場的農(nóng)業(yè)開墾及沙化現(xiàn)象導致的,也表明此類斑塊屬該區(qū)域中對自然條件變化、人為干擾最為敏感的類型,需要加強管理和建立科學的生態(tài)恢復重建格局;低覆蓋度草場的不穩(wěn)定性曲線與沙地曲線最為接近,呈現(xiàn)出1985年緩慢增加到1995年時出現(xiàn)平穩(wěn)下滑的趨勢;平原旱耕地的不穩(wěn)定程度雖然呈現(xiàn)先降再穩(wěn)的態(tài)勢,但其沙化的潛在威脅仍然不容忽視。5沙地沙化現(xiàn)狀(1)1985~1995年土地利用結(jié)構(gòu)在總體上變化小,中覆蓋度草場減少最多,主要流轉(zhuǎn)為沙地和低覆蓋度草場,林地面積減少幅度大,多轉(zhuǎn)為旱耕田和中低覆蓋度草場;耕地面積增加大部分來自中覆蓋度草場開墾;1995~2000年耕地面積5年內(nèi)凈增4.07%,集中分布在西北部和中部,以開墾中覆蓋度草場為主;灌木林地增加