干旱和土地利用變化對耕地自然生產(chǎn)潛力的影響

干旱和土地利用變化對耕地自然生產(chǎn)潛力的影響

1干旱化與土地利用變化過程對土地自然生產(chǎn)潛力的影響土地自然生產(chǎn)潛力是指單位面積在一定條件下的產(chǎn)量。根據(jù)土壤條件。它表示的是在其它條件充分滿足的假設(shè)下,光、溫、水等氣候資源及土壤的自然肥力能完全轉(zhuǎn)化為干物質(zhì)時土地的產(chǎn)量。土地生產(chǎn)潛力作為土地最本質(zhì)的屬性,關(guān)系到一個區(qū)域的社會經(jīng)濟發(fā)展方向,是區(qū)域開發(fā)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要基礎(chǔ)條件。耕地作為一種重要的土地資源,是土地自然生產(chǎn)潛力的主要載體。氣候變化通過改變農(nóng)作物生長發(fā)育進程中光照、熱量,以及光熱和水分的匹配狀況影響耕地的自然生產(chǎn)潛力;而土地利用/土地覆蓋變化則通過直接改變耕地資源的數(shù)量、質(zhì)量和農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)影響其自然生產(chǎn)潛力。從20世紀(jì)70年代末期以來,我國北方地區(qū)持續(xù)的氣候和環(huán)境干旱問題,既是全球增溫過程對我國區(qū)域生存環(huán)境綜合影響的結(jié)果,也是該區(qū)域不合理人類活動短期和長期效應(yīng)綜合累積的結(jié)果。它影響著區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,改變著區(qū)域糧食生產(chǎn)、水資源供需和土地資源利用格局,是我國目前面臨的嚴(yán)重生存環(huán)境問題之一。馬柱國等的研究指出20世紀(jì)80年代以后,西北東部、華北和東北地區(qū)極端干旱發(fā)生的頻率明顯增加,這與這些地區(qū)降水減少和氣溫升高密切相關(guān),而區(qū)域凈初級生產(chǎn)力的變化受溫度和降水量的變化影響顯著。干旱日益嚴(yán)重的同時,土地利用變化日益劇烈。20世紀(jì)90年代中國各地區(qū)的土地利用發(fā)生了很大變化,耕地北增南減,該過程直接導(dǎo)致中國農(nóng)田光溫生產(chǎn)潛力增加2622×104t。在北方草地與農(nóng)牧交錯帶,土地利用結(jié)構(gòu)對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有更加深刻的影響,適宜的土地利用空間結(jié)構(gòu)和數(shù)量結(jié)構(gòu)是保證該地區(qū)生態(tài)安全和糧食安全的關(guān)鍵問題。相關(guān)結(jié)果表明,在北方農(nóng)牧交錯帶典型地區(qū),1975～2005年耕地面積整體上增加,并且1995～2000年間耕地的土地利用動態(tài)度最大。持續(xù)的北方干旱過程以及日益尖銳的用地矛盾已經(jīng)對我國耕地資源的自然生產(chǎn)潛力帶來了深刻的影響。因此,客觀評估干旱化與土地利用變化過程對區(qū)域耕地自然生產(chǎn)潛力的綜合影響,是促進耕地資源科學(xué)管理,尋求北方干旱過程適應(yīng)對策的重要基礎(chǔ)。目前,關(guān)于氣候和土地利用對自然生產(chǎn)潛力影響的研究主要有以下幾個方面。趙昕奕等在中國北方農(nóng)牧交錯帶中段進行了區(qū)域土地生產(chǎn)潛力對全球氣候變化的響應(yīng)評價,探討了氣候?qū)ιa(chǎn)潛力的影響問題;劉紀(jì)遠(yuǎn)等在氣候觀測數(shù)據(jù)和遙感土地利用動態(tài)觀測數(shù)據(jù)的支持下,計算了中國20世紀(jì)90年代農(nóng)田光溫生產(chǎn)潛力的變化,主要研究了土地利用變化對生產(chǎn)潛力的影響問題;高志強等利用氣象、土地利用數(shù)據(jù)以及由遙感數(shù)據(jù)生成的NPP數(shù)據(jù),分析了中國北方20年來氣候和土地利用變化對區(qū)域凈初級生產(chǎn)力的影響的時空特征,更深一步對問題進行了研究。由此可見,在時空尺度上定量分析典型生態(tài)邊緣區(qū)氣候干旱和土地利用變化對耕地自然生產(chǎn)潛力綜合影響的研究還比較薄弱。本文利用1990～2000年氣象數(shù)據(jù),采用地表濕潤指數(shù)和桑斯維特紀(jì)念模型(Thornthwaite-Memorialmodel)來計算我國北方草地與農(nóng)牧交錯帶的干旱化和土地自然生產(chǎn)潛力情況,在此基礎(chǔ)上評估1990～2000年該地區(qū)在干旱化與人類活動共同壓力下耕地自然生產(chǎn)潛力動態(tài)變化過程,分析北方干旱化與人類活動共同壓力下我國北方草地與農(nóng)牧交錯帶耕地資源的風(fēng)險變化水平。目的在于努力認(rèn)識和理解北方干旱化過程對我國北方土地資源的深刻影響,探討干旱脅迫和經(jīng)濟發(fā)展壓力下我國北方地區(qū)土地資源的綜合優(yōu)化管理策略。2資料與數(shù)據(jù)說明研究區(qū)(圖1)位于內(nèi)蒙古高原東南邊緣和黃土高原北部,經(jīng)緯度范圍為:100°～125°E,35°～50°N,總面積約117×104km2,包括內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、甘肅、寧夏、青海10個省(自治區(qū))。該區(qū)域地處半濕潤大陸性季風(fēng)氣候向干旱典型大陸性氣候過渡地區(qū),年平均氣溫2～8℃,年平均降水量在300～450mm。研究區(qū)內(nèi)的典型區(qū)農(nóng)牧交錯帶出現(xiàn)于更新世中期現(xiàn)代季風(fēng)格局形成以后,是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)域與畜牧業(yè)區(qū)域相交匯和過渡的地帶,是一個水分差異明顯的典型生態(tài)邊緣區(qū)。該區(qū)域氣候?qū)θ蜃兓瘶O為敏感,而且脆弱的農(nóng)牧、生態(tài)、經(jīng)濟、土地利用對氣候變化的響應(yīng)比較強烈。研究區(qū)內(nèi)人均占有耕地0.25hm2,高于全國0.09hm2的水平。平均復(fù)種指數(shù)僅在90%～120%左右,低于全國的150%。研究區(qū)受人類活動影響十分劇烈,歷史上為純牧區(qū),土地利用以牧草地為主,到了近代由于人口的大量增加逐漸演變?yōu)榘朕r(nóng)半牧區(qū),耕地面積不斷擴大,到了20世紀(jì)后半葉,逐步演變?yōu)橐赞r(nóng)為主的農(nóng)牧結(jié)合區(qū)。使用的數(shù)據(jù)及處理主要包括:(1)氣象數(shù)據(jù)。本文研究所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于中國氣象局,時段為1970-01～2006-12,數(shù)據(jù)內(nèi)容為85個站點的經(jīng)、緯度,各站點的地面月平均溫度及月降雨量。(2)土地利用數(shù)據(jù)。本研究中1990、1995、2000年3期土地利用數(shù)據(jù)來自于“中國資源環(huán)境遙感數(shù)據(jù)庫”。分類系統(tǒng)包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用土地6個一級類型和25個二級類型。本文使用的數(shù)據(jù)是僅包括一級類型的抽樣后的1km數(shù)據(jù)。3干旱化和土地利用變化對耕地自然生產(chǎn)潛力的影響研究工作主要包括以下步驟:分析干旱化特征、提取土地利用變化信息、計算耕地自然生產(chǎn)潛力并分析干旱化和土地利用變化對耕地自然生產(chǎn)潛力的綜合影響(圖2)。3.1研究區(qū)的干旱化趨勢目前比較常用的綜合類的干旱化指標(biāo)有帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和地表濕潤指數(shù)(SWI)。PDSI在干旱的量化準(zhǔn)確度上比較高,具有很高的可信度,但是具體計算的復(fù)雜程度也高,不利于快速進行干旱程度的評價。SPI假定了所有地點旱澇發(fā)生概率相同,無法標(biāo)識頻發(fā)地區(qū),而且沒有考慮水分的支出。基于這些考慮,本文采用了一個計算簡便,既考慮降水,又考慮溫度變化對潛在蒸發(fā)影響的指數(shù)——地表濕潤指數(shù)來分析研究區(qū)的干旱化趨勢。地表濕潤指數(shù)可以表示為:Η=ΡΡeH=PPe其中,H為干濕指標(biāo),P是年降水總量(mm),Pe為年潛在蒸發(fā)總量(mm),降水量為觀測值,月潛在蒸發(fā)量Pei為根據(jù)桑斯維特改進的月潛在最大蒸發(fā)量,計算方法為:Ρe=12∑i=1ΡeiPe=∑i=112PeiΡei={0Τi≤1℃1.6d(10ΤiΙ)a×101℃<Τi<26.5℃a1+a2Τi+a3Τi2Τi≥26.5℃Pei=???????01.6d(10TiI)a×10a1+a2Ti+a3Ti2Ti≤1℃1℃<Ti<26.5℃Ti≥26.5℃其中,d為每月的天數(shù)除以30(12個月均除以30),當(dāng)月天數(shù)為28或29天時,d小于1,當(dāng)月天數(shù)為31時,d大于1。a=0.49239+1.792×10-2I-7.71×10-5I2+6.75×10-7I3,Ι=12∑1I=∑112i為月總加熱指數(shù),i=(Τi5)1.514為月平均加熱指數(shù),Ti為第i個月的月平均溫度(℃),a1=-415.8547,a2=32.2441,a3=-0.4325。參考相關(guān)研究,在干旱變化趨勢分析過程中將研究區(qū)分為4個子區(qū)域:東北區(qū)、華北北部區(qū)、華北南部區(qū)和西北區(qū)(圖1)。若地表濕潤指數(shù)計算數(shù)據(jù)為研究區(qū)所有氣象站點數(shù)據(jù)的平均值,會掩蓋各個子區(qū)域的特征信息,因此從4個子區(qū)域中提取有代表性的氣象站(分別為索倫、朱日和、蔚縣和西吉氣象站)數(shù)據(jù)加以分析,得到4個子區(qū)域的干旱趨勢。3.2桑斯維特紀(jì)念模型本文計算土地生產(chǎn)潛力應(yīng)用桑斯維特紀(jì)念模型(ThornthwaiteMemorialmodel)。該模型為Lieth根據(jù)世界五大洲50個地點的凈第一性生產(chǎn)力資料和桑斯維特可能蒸散模型,采用最小二乘法建立的。蒸散量包括蒸發(fā)與蒸騰的總和,而蒸騰與植物的光合作用有關(guān)。該模型中的蒸發(fā)量受太陽輻射、溫度、降水、飽和差、氣壓和風(fēng)速等一系列氣候因素的影響,包含的因子較全面,因而對植物凈第一性生產(chǎn)力的估算較為合理。桑斯維特紀(jì)念模型具體表示為:ΤSΡ(v)=3000[1-e-0.0009695(v-20)]式中,TSP(v)為以年平均蒸散量為自變量計算出的植物干物質(zhì)總量(g·m-2·a-1),v為年平均實際蒸散量(mm)。年平均實際蒸散量可由下式計算得出:v=1.05p√1+(1.05p/l)2式中,p為年降雨量(單位:mm),l為年平均最大蒸散量,可用下面的公式計算:l=300+25t+0.05t3式中,t為年平均溫度(℃)。3.3干旱化對生產(chǎn)潛力的影響在未變化的耕地信息的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計兩個時段內(nèi)未變化耕地的生產(chǎn)潛力及潛力總量變化,此變化不受土地利用變化的影響即為干旱化對生產(chǎn)潛力的影響。統(tǒng)計中,主要采用如下公式:Δtsp=tspΤ2-tspΤ1式中,△tsp為耕地自然生產(chǎn)潛力變化量;tspT1和tspT2表示T1和T2年份的自然生產(chǎn)潛力。3.4土地利用變化貢獻率在基于氣象站點的泰森多邊形基礎(chǔ)上,對每個泰森多邊形內(nèi)的耕地自然生產(chǎn)潛力變化進行具體分析,分析方法為計算每個泰森多邊形內(nèi)的氣候因素導(dǎo)致潛力變化的絕對變化貢獻率,在這里,氣候絕對貢獻率定義如下:r=|tspw1|+|tspw2||tspw1|+|tspw2|+|tspl1|+|tspl2|×100%式中,r為氣候變化對生產(chǎn)潛力變化貢獻率;|tspw1|和|tspw2|分別表示由氣候引起的耕地自然生產(chǎn)潛力增加值和減少值;|tspl1|和|tspl2|分別表示由土地利用變化引起的耕地自然生產(chǎn)潛力變化的增加值和減少值。在這里計算的貢獻率為氣候因素在總變化中的貢獻率,其與土地利用變化貢獻率之和為1。視比例大于55%的為受氣候影響顯著的區(qū)域,小于45%則為受土地利用變化影響顯著的區(qū)域,45%～55%之間的區(qū)域為受兩者影響相當(dāng)?shù)膮^(qū)域。本論文研究區(qū)內(nèi)所有土地單元的溫度、降雨數(shù)據(jù)由85個氣象站點的數(shù)據(jù)經(jīng)過克里格(Kriging)插值獲得。柵格單元大小均為1km×1km,投影為雙標(biāo)準(zhǔn)緯線等面積割圓錐投影。計算主要在ArcGIS9.0下進行。4結(jié)果與分析4.11耕地自然生產(chǎn)潛力利用桑斯維特紀(jì)念模型計算了北方草地與農(nóng)牧交錯帶的自然生產(chǎn)潛力,對結(jié)果進行了分級處理,以便更清楚地理解各耕地單元生產(chǎn)潛力大小(圖3)。從整體來看,1990～2000年耕地自然生產(chǎn)潛力有減少趨勢。生產(chǎn)潛力比較高的地區(qū)一般都處于西北東部和華北南部,而東北和華北北部耕地的自然生產(chǎn)潛力較低。在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計各年生產(chǎn)潛力均值及總量:1990～2000年,單位生產(chǎn)潛力由1990年的811g·m-2·a-1降低到1995年的743g·m-2·a-1和2000年的663g·m-2·a-1;潛力總量由1990年188×106t減少到1995年的177×106t和2000年的162×106t(圖3)。4.2干旱化對研究區(qū)生產(chǎn)潛力的影響從圖4中明顯可見,整個研究區(qū)地表濕潤指數(shù)在1970～2006年波動頻繁,但總體呈下降趨勢,即干旱情況在加劇?？梢钥闯?研究區(qū)東北部即內(nèi)蒙古索倫氣象站的地表干濕情況變化最劇烈,由濕潤(地表濕潤指數(shù)大于1)向干旱(地表濕潤指數(shù)小于1)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象明顯;華北南部即河北蔚縣氣象站和北部內(nèi)蒙古朱日和氣象站數(shù)據(jù)相比,后者干旱情況嚴(yán)重;西北東部即寧夏西吉氣象站的干旱趨勢是最輕微的。由此可見,盡管存在比較明顯的波動,1970～2006年研究區(qū)總體上仍然呈現(xiàn)出較強的變干趨勢。圖5顯示了1990～1995年和1995～2000年由干旱化引起的生產(chǎn)潛力變化?？梢钥闯?1990～2000年研究區(qū)耕地自然生產(chǎn)潛力表現(xiàn)出明顯的減少趨勢。在氣候變化影響下,每個耕地單元上生產(chǎn)潛力變化程度不同。1990～1995年,生產(chǎn)潛力平均減少54g·m-2·a-1,未變化耕地上自然生產(chǎn)潛力總量減少了約14.22×106t,土地利用變化中的氣候影響使?jié)摿偭繙p少了2.38×106t,最終研究區(qū)由氣候引起的潛力總量變化為16.61×106t;1995～2000年間,生產(chǎn)潛力平均降低69g·m-2·a-1,未變化耕地自然生產(chǎn)潛力總量約減少了17.11×106t,而土地利用變化中的氣候影響使?jié)摿偭繙p少了2.44×106t,所以最終由氣候引起的潛力減少量為19.55×106t。此結(jié)果結(jié)合干旱趨勢可以分析出1990～2000年明顯的干旱過程使耕地的自然生產(chǎn)潛力明顯減少。4.3土地利用變化利用研究區(qū)3期土地利用/覆蓋數(shù)據(jù),得到1990～2000年研究區(qū)土地利用變化情況。1990～2000年,耕地,城鄉(xiāng)、工礦、居民用地顯著增加,林地和草地減少趨勢明顯(表1)。耕地由1990年的231907km2增加到1995年的238032km2和2000年的244109km2,比例由1990年的19.69%增加到1995年的20.21%和2000年的20.73%(圖6)。研究區(qū)的土地利用變化導(dǎo)致了耕地自然生產(chǎn)潛力的變化。1990～1995年,剔除氣候影響的2.38×106t,耕地的增加使研究區(qū)的自然生產(chǎn)潛力增加了約24.69×106t,而耕地的減少使研究區(qū)自然生產(chǎn)潛力損失了約19.33×106t,由土地利用變化引起的耕地自然生產(chǎn)潛力的凈增長約為5.36×106t;1995～2000年,剔除氣候影響的2.44×106t,增加的耕地使研究區(qū)耕地的自然生產(chǎn)潛力增加了約18.75×106t,減少的耕地使研究區(qū)自然生產(chǎn)潛力損失了約14.27×106t,由土地利用變化導(dǎo)致的耕地自然生產(chǎn)潛力的凈增長約為4.48×106t。4.4土地利用變化導(dǎo)致的耕地自然生產(chǎn)潛力總量和含量(1)從整個研究區(qū)的尺度上來綜合分析氣候和土地利用變化給耕地自然生產(chǎn)潛力帶來的影響,具體計算結(jié)果如表2,表中定量地列出了1990～1995年和1995～2000年耕地自然生產(chǎn)潛力的具體變化量。1990～1995年,自然生產(chǎn)潛力總量減少約11.24×106t,其中,氣候變化導(dǎo)致耕地生產(chǎn)潛力減少約16.61×106t,土地利用變化導(dǎo)致潛力凈增長約5.36×106t;1995～2000年,生產(chǎn)潛力總量減少約15.08×106t,氣候變化因素導(dǎo)致耕地自然生產(chǎn)潛力減少約19.55×106t,土地利用變化導(dǎo)致潛力凈增長約為4.48×106t。(2)在基于氣象站點的泰森多邊形基礎(chǔ)上分析各氣候特征區(qū)內(nèi)耕地自然生產(chǎn)潛力變化圖7表示的是氣候變化在總變化中的貢獻率,圖8為各貢獻率區(qū)域的面積比例。從兩圖中可以看出,1990～2000年受氣候變化主導(dǎo)的區(qū)域面積都遠(yuǎn)小于受土地利用主導(dǎo)的區(qū)域。1990～1995年,研究區(qū)內(nèi)的西北區(qū)域,主要包括陜西省、青海省、寧夏回族自治區(qū)和甘肅省部分地區(qū)的耕地自然生產(chǎn)潛力主要受到氣候因素的影響;包括山西、河北部分地區(qū)的華北南部區(qū)域以及內(nèi)蒙古自治區(qū)主要受到土地利用變化的影響。1995～2000年,受氣候主導(dǎo)的地區(qū)面積加大。寧夏回族自治區(qū)、甘肅和陜西部分地區(qū)、遼寧以及其附近的內(nèi)蒙古部分地區(qū)的耕地生產(chǎn)潛力主要受到氣候因素的影響,而其余受土地利用主導(dǎo)的地區(qū)的氣候因素貢獻率也有所加大。可見,氣候因素在耕地自然生產(chǎn)潛力的變化中起到的作用越來越大。5土地利用變化本文利用中國北方草地與農(nóng)牧交錯帶85個氣象站點的溫度、降雨量數(shù)據(jù),對研究區(qū)的干旱情況進行了計算,同時得到1980、1990、2000年的土地利用及其變化數(shù)據(jù),并利用桑斯維特紀(jì)念模型進行了耕地自然生產(chǎn)潛力計算,進而分析了北方干旱和土地利用變化對研究區(qū)耕地自然生產(chǎn)潛力的影響。主要結(jié)論如下:(1)1970～2006年研究區(qū)干濕情況盡管存在比較明顯的波動,但總體上呈現(xiàn)出較強的變干趨勢。干旱化導(dǎo)致研究區(qū)耕地自然生產(chǎn)潛力在1990～1995年和1995～2000年分別減少了約16.61×106t和19.55×106t。(2)1990～2000