21世紀(jì)初5年中國土地利用變化的空間格局與驅(qū)動因素

21世紀(jì)初5年中國土地利用變化的空間格局與驅(qū)動因素

1土地利用變化土地使用和土壤覆蓋物（luc）的變化越來越被認(rèn)為是全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。1993年“國際地圈與生物圈計劃”(theInternationalGeosphere-BiosphereProgramme,IGBP)和“全球變化人類因素計劃”(theInternationalHumanDimensionsProgrammeonGlobalEnvironmentalChange,IHDP)兩大國際組織共同制訂的“土地利用/土地覆被變化(LUCC)科學(xué)研究計劃”,將其作為全球變化研究的核心內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上2005年啟動全球土地計劃(GlobalLandProject,GLP),強(qiáng)調(diào)陸地系統(tǒng)中人類—環(huán)境耦合系統(tǒng)的綜合集成與模擬研究,以人類—環(huán)境耦合系統(tǒng)為核心的土地利用/土地覆蓋動態(tài)過程的監(jiān)測與模擬逐漸成為研究關(guān)注的焦點(diǎn)問題,并成為新興領(lǐng)域土地變化科學(xué)(LandChangeScience,LCS)研究的熱點(diǎn)問題。土地利用/土地覆蓋變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響,并以累積的方式影響全球環(huán)境變化。經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型以來,我國土地利用發(fā)生快速的變化,空間格局上呈現(xiàn)顯著的區(qū)域分異特征。區(qū)域?qū)Ρ?包括變化過程(Process)、格局(Pattern)與驅(qū)動力(Driver)的比較被認(rèn)為是揭示全球與區(qū)域尺度土地利用/覆蓋時空變化規(guī)律的有效方法。21世紀(jì)初期,隨著中國社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快以及國家重大發(fā)展戰(zhàn)略與重大工程的實(shí)施,特別是國家“西部大開發(fā)”,“東北振興”,“中部崛起”等重大區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略,使中國國土開發(fā)空間格局發(fā)生重大調(diào)整與結(jié)構(gòu)性變化。為了快速準(zhǔn)確的掌握中國21世紀(jì)初5年(2000-2005年)土地利用變化的時空格局,以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作為主要信息源,在國家資源環(huán)境遙感信息平臺支持下,更新2005年土地利用數(shù)據(jù)并建立21世紀(jì)初5年全國土地利用變化1:10萬矢量數(shù)據(jù)庫和1km比例成份分類柵格數(shù)據(jù)庫。本研究在土地利用動態(tài)區(qū)劃的基礎(chǔ)上,揭示中國21世紀(jì)初5年土地利用變化的空間格局與主要驅(qū)動力,該研究將為全球與區(qū)域環(huán)境變化相關(guān)領(lǐng)域研究提供有價值的科學(xué)信息。2研究方法與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)2.1基于fpga-政策數(shù)據(jù)的土地利用變化監(jiān)測和立地條件分析2005年土地利用動態(tài)信息提取,采取與2000年土地利用數(shù)據(jù)更新完全一致的工作流程,即通過相隔5年的2000年和2005年兩期遙感影像的直接對比,采用土地利用變化分類判讀(即直接解譯動態(tài)斑塊)的方式對土地利用動態(tài)信息進(jìn)行提取,進(jìn)一步勾畫出2000-2005年5年內(nèi)土地利用變化的動態(tài)圖斑,并加以定性與集成。2005年土地利用現(xiàn)狀更新主要信息源包括:1999/2000年成像的LandsatTM數(shù)字影像共508景,2004/2005年成像的LandsatTM數(shù)字影像共411景,TM數(shù)據(jù)未有效覆蓋的區(qū)域,利用中巴地球資源二號衛(wèi)星(CBERS-2)的CCD數(shù)據(jù)予以補(bǔ)充,實(shí)現(xiàn)了全國范圍內(nèi)遙感影像的完整覆蓋。兩期遙感影像均進(jìn)行了幾何糾正,平均位置誤差不超過50m。2005年土地利用現(xiàn)狀更新在全國32個省、市、自治區(qū)獲取土地利用變化地塊221752個,更新過程中通過野外實(shí)地調(diào)查對更新成果進(jìn)行了驗證和修改,驗證結(jié)果表明,2005年土地利用變化制圖中耕地判別準(zhǔn)確率達(dá)99%,草地、林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地準(zhǔn)確率達(dá)98%,綜合精度具有95%以上的定性準(zhǔn)確率(圖1)。土地利用分類1km柵格百分比成份數(shù)據(jù)是進(jìn)行區(qū)域尺度土地利用變化監(jiān)測和驅(qū)動力分析的一種有效的空間數(shù)據(jù)融合方式,在ARCGIS環(huán)境下,將2000-2005年土地利用變化動態(tài)矢量圖與1km網(wǎng)格矢量圖進(jìn)行疊加,得到1km網(wǎng)格內(nèi)每種土地利用動態(tài)變化類型所占的面積百分比,進(jìn)而生成每種土地利用動態(tài)變化類型的1km柵格成份數(shù)據(jù)。將1km網(wǎng)格內(nèi)1級類型變化前的類型為增加型,變化后的類型為減少型,生成1級類型1km網(wǎng)格面積變化圖,然后將主導(dǎo)類型面積變化圖1km成份柵格數(shù)據(jù)綜合到10km柵格上,在保持變化面積精度的同時,增強(qiáng)了成果圖件的可視性(圖2)。2.2主導(dǎo)轉(zhuǎn)換土地利用動態(tài)類型圖土地利用變化速率的區(qū)域差異可以用土地利用動態(tài)度模型來加以表述,即式中:Si為監(jiān)測開始時間第i類土地利用類型總面積,本研究指柵格單元面積;△Si-j為監(jiān)測開始至監(jiān)測結(jié)束時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)換為其他類土地利用類型面積總和;t為土地利用變化時間段,S為與t時段對應(yīng)的研究區(qū)土地利用變化速率。本模型主要用于單一土地利用類型變化速率的度量。本研究重點(diǎn)對耕地、林地、草地、水域以及城鎮(zhèn)工礦建設(shè)用地的9種主導(dǎo)轉(zhuǎn)換類型,根據(jù)10km網(wǎng)格內(nèi)主導(dǎo)轉(zhuǎn)換類型的變化最大的類型確定為該柵格的變化類型,形成主導(dǎo)轉(zhuǎn)換土地利用動態(tài)類型圖(圖2)。為了揭示21世紀(jì)初5年土地利用變化的地域分異的客觀規(guī)律,根據(jù)近5年土地利用變化的區(qū)域分異特征與20世紀(jì)90年代中國土地利用變化格局比較,發(fā)現(xiàn)近5年與20世紀(jì)90年代土地利用空間格局上發(fā)生了較大的變化,因此,本研究采用了新的土地利用動態(tài)區(qū)劃結(jié)果。區(qū)劃方法以10km柵格主導(dǎo)轉(zhuǎn)換類型土地利用動態(tài)類型圖為基礎(chǔ),借鑒20世紀(jì)90年代動態(tài)區(qū)劃的主要原則:(1)以土地利用動態(tài)類型為首要考慮因素,保證區(qū)內(nèi)土地利用變化方向的一致性;(2)考慮區(qū)劃單元空間位置的連續(xù)性,也考慮地貌與宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境的差異;(3)參考綜合自然條件、土地利用特點(diǎn),盡量保持區(qū)域單元內(nèi)宏觀自然條件與土地利用特征具有一致性。在全數(shù)字化環(huán)境下,不受行政界限的限制勾畫土地利用動態(tài)區(qū)劃界線,形成21世紀(jì)初5年土地利用變化特征的15個土地利用動態(tài)區(qū)(圖3)。320不同類型林地和耕地面積擴(kuò)張2000-2005年我國土地利用變化表現(xiàn)為以下特征與分布格局:(1)耕地面積減少68.65萬hm2,其中水田減少94.99萬hm2,旱地增加26.34萬hm2。總體表現(xiàn)為東南沿海及黃淮海平原等傳統(tǒng)耕作區(qū)耕地持續(xù)減少,其中以水田的減少最為突出,東北、西北和華北等農(nóng)林、農(nóng)牧交錯區(qū)和沙漠綠洲區(qū)耕地輕度增加。耕地減少以城鄉(xiāng)建設(shè)用地侵占耕地資源為主,而新增耕地資源主要來源于未利用土地、以及河、湖灘地的開墾利用,因此總體看我國耕地資源的質(zhì)量在下降。(2)城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加170.53萬hm2,是21世紀(jì)初期5年間中國土地利用變化最突出的類型,城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加主要來自于對耕地的占用(即占用耕地127.60萬hm2),占新增建設(shè)用地的75%。城鄉(xiāng)建設(shè)用地擴(kuò)張的區(qū)域主要集中于我國廣大東部地區(qū)。東南沿海及內(nèi)陸地勢平坦地區(qū)如黃淮海平原、長江三角洲、珠江三角洲、隴中、東南沿海、四川盆地以及烏魯木齊―石河子一帶城鄉(xiāng)建設(shè)用地擴(kuò)張?zhí)貏e顯著。(3)林業(yè)用地面積增加23.48萬hm2(遙感影像上不可識別的新增幼林地和林帶不包含在內(nèi)),包括有林地(郁閉度大于30%)、灌木林、疏林地以及跡地等。新增加的林地主要集中在我國西部地區(qū)的貴州、重慶、陜西、寧夏以及內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部山區(qū)。而我國東部部分省份如浙江、福建、江西、廣東、吉林等林地面積減少,減少的林地35%被開墾為耕地,36%轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍?4)草地面積凈減少118.61萬hm2,主要發(fā)生在內(nèi)蒙中部草原區(qū)、新疆沙漠綠洲帶、黃土高原農(nóng)牧交錯帶,以及西部的貴州、重慶。草地面積減少主要表現(xiàn)為部分草地被開墾為農(nóng)田,占減少總量的48%以上。此外甘肅南部、陜西北部、四川盆地北緣區(qū)退耕還草導(dǎo)致草地面積略有增加。(5)水域面積增加16.22萬hm2。主要表現(xiàn)為我國北方地區(qū)水域面積減少,如東北平原、京津冀、內(nèi)蒙古高原以及西北地區(qū)水域面積減少,而黃淮平原和長江中下游平原水域面積擴(kuò)大,尤其是洞庭湖流域水域面積擴(kuò)張明顯。(6)未利用土地的面積減少19.18萬hm2,主要集中在我國北方地區(qū),如青海西北部、新疆、甘肅北部以及東北平原,其中42%以上的未利用土地被開墾為農(nóng)田;而內(nèi)蒙古地區(qū)陰山山脈北部地區(qū)未利用土地面積擴(kuò)展比較明顯,主要由于草地退化轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢猛恋厮鶎?dǎo)致,全國草地退化面積占未利用土地面積增加總量的67%。4優(yōu)質(zhì)耕地資源2000-2005年中國土地利用變化具有顯著的區(qū)域綜合分異特征,主要表現(xiàn)為:黃淮海地區(qū)與東南部沿海地區(qū)(尤其是京津冀、長江三角洲和珠江三角洲)以及四川盆地城鎮(zhèn)工礦居民用地呈現(xiàn)顯著擴(kuò)張態(tài)勢,占用的主要為優(yōu)質(zhì)耕地資源;華北山地、黃土高原區(qū)、秦嶺山區(qū)以及內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶以退耕還林還草以及草地造林為主;內(nèi)蒙古東部、西北干旱與傳統(tǒng)綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)綠洲邊緣部分草地被開墾為耕地;青藏高原區(qū)土地利用變化很小,主要表現(xiàn)為局部地區(qū)水域面積的擴(kuò)大,具體空間格局特征與分區(qū)類型轉(zhuǎn)換見表1與表2。5中國土地使用變化的動力分析5.1政府政策扶持進(jìn)入21世紀(jì)我國社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展,隨著城市化水平的提升,全國城鄉(xiāng)人口比重不斷增大,城市人口所占比例由2000年的36.22%上升到2005年的42.99%。GDP由2000年的9.9×104億元增長到2005年的18.3×104億元,增長了近1倍。2000-2005年在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與人口向城市集聚過程中,中國國土開發(fā)與區(qū)域發(fā)展出現(xiàn)新的政策導(dǎo)向,2000年中央實(shí)施“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略,2004年實(shí)施“東部振興”戰(zhàn)略。在國家宏觀政策的帶動下,固定資產(chǎn)投資增加以及大規(guī)模的開發(fā)區(qū)的興建導(dǎo)致城鄉(xiāng)與工礦建設(shè)用地大面積增加。2000年西部開發(fā)政策實(shí)施以來,在城市建設(shè)、土地管理、人口及勞動力流動、重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和重要產(chǎn)業(yè)布局等方面均出臺了一系列鼓勵政策,帶動了城鄉(xiāng)建設(shè)用地的增加。國家持續(xù)快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動城市快速發(fā)展,2000年以來中國進(jìn)入了新一輪快速的城市化與工業(yè)化進(jìn)程中,這一時段土地城市化速度高于人口城市化的速度,我國大部分城市,特別是中小城市的人均建設(shè)用地超過了100m2/人,被專家學(xué)者視為城市建設(shè)用地呈現(xiàn)“冒進(jìn)式”增長狀態(tài)。特別是在全球化、國際化潮流引領(lǐng)下的“大氣派”規(guī)劃,豪華住宅以及大型、超大型項目建設(shè)帶動下在我國東部、東南部沿海地區(qū)的京津冀、長江三角洲與珠江三角洲特大城市群進(jìn)入城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時期,城市和工業(yè)的發(fā)展對建設(shè)用地需求的增加,導(dǎo)致這一時段城鄉(xiāng)建設(shè)用地大規(guī)模增加。這些地區(qū)主要位于我國優(yōu)質(zhì)農(nóng)田分布區(qū),特別是以水田分布為主。各地政府片面追求GDP的增長,盲目擴(kuò)建工業(yè)園區(qū),導(dǎo)致城鎮(zhèn)周遍大量優(yōu)質(zhì)耕地資源被蠶食。城鄉(xiāng)建設(shè)用地侵占耕地主要發(fā)生在我國經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的南方優(yōu)質(zhì)農(nóng)田集中分布區(qū),黃淮海糧食主產(chǎn)區(qū)與東南沿海地區(qū)尤為突出。5.2全面依法實(shí)施階段“西部大開發(fā)”政策實(shí)施以來,中國林地面積大規(guī)模增加,主要以西部地區(qū)的貴州、重慶、陜西、寧夏以及內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部山區(qū),其中大部分林地增加來源于退耕還林政策。2003年國家頒布了《退耕還林條例》,退耕還林進(jìn)入全面依法實(shí)施的階段。生態(tài)退耕減少的耕地主要是坡耕地和旱地,主要分布在坡度大于25度的丘陵山區(qū),以華北地區(qū)、黃土高原以及農(nóng)牧交錯帶為主。1998年特大洪災(zāi)之后,天然林保護(hù)工程的啟動,使天然林的經(jīng)營利用由木材生產(chǎn)轉(zhuǎn)向森林保護(hù)、可持續(xù)經(jīng)營和生態(tài)建設(shè)方面。2000年經(jīng)國務(wù)院正式批準(zhǔn)實(shí)施天然林資源保護(hù)工程是中國6大林業(yè)重點(diǎn)工程之一,實(shí)施范圍包括以三峽庫區(qū)為界的長江上游地區(qū)、以小浪底庫區(qū)為界的黃河上中游地區(qū)和東北、內(nèi)蒙古、新疆、海南重點(diǎn)國有林區(qū)等,覆蓋我國17省份。受西部開發(fā)“生態(tài)退耕”政策的影響西部地區(qū)林地面積顯著增加,國家退耕還林還草政策成效明顯,對區(qū)域土地覆蓋狀況的改善產(chǎn)生積極的影響。5.3對土地的按需分布的影響由于氣候變暖導(dǎo)致積溫的增加促進(jìn)了傳統(tǒng)的牧草地向耕地的轉(zhuǎn)變,加之,當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民和外來投資者通過墾殖草原而短期獲益的驅(qū)動,導(dǎo)致北方地區(qū)耕地面積持續(xù)增加。中國東北與西北地區(qū),作為全球環(huán)境變化敏感區(qū)域,近年來氣溫有所增加,使地區(qū)光熱資源更符合農(nóng)作物生長,在地方政府鼓勵以及經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動下,大面積的草地開墾為耕地。在中國西北地區(qū),特別是在新疆,政策和技術(shù)驅(qū)動,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的試驗成功和大面積推廣,農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)與農(nóng)戶的密切合作等驅(qū)動因素促進(jìn)了區(qū)域內(nèi)耕地面積的迅速擴(kuò)大。土地利用變化表征了該時段人地關(guān)系相互作用的結(jié)果,是人類活動與自然環(huán)境相互作用的主要表現(xiàn)形式,一方面土地利用的變化受到自然地理環(huán)境的制約,包括氣候、地形地貌、土壤等地理因子的限制,另一方面是受人類活動的影響,毀林開荒、城市擴(kuò)張等人類活動主導(dǎo)下地表由自然覆蓋狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯じ采w狀態(tài)。但是,區(qū)域尺度上的土地利用變化在國家宏觀政策的引導(dǎo)下可以向著積極的方面發(fā)展,在本研究階段由于國家整體生態(tài)保護(hù)意識的增強(qiáng),在區(qū)域尺度上土地覆蓋狀況明顯改善。該時段土地利用變化是人類活動與環(huán)境變化共同作用的結(jié)果,期間我國實(shí)施的國家宏觀政策與區(qū)域發(fā)展政策,以及社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展是這一時段土地利用變化的主要驅(qū)動力。6土地利用的動態(tài)變化格局土地利用/土地覆被變化(LUCC)是人類活動與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式,土地利用變化的空間格局表征了該時段人-地關(guān)系在不同地域空間上的作用強(qiáng)度與作用模式。在國家資源環(huán)境遙感信息平臺支持下,對中國21世紀(jì)初5年土地利用動態(tài)過程進(jìn)行更新,應(yīng)用土地利用動態(tài)區(qū)劃的方法研究土地利用變化的空間格局與時空特征,綜合自然地理、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國家宏觀政策解釋土地利用變化的主要驅(qū)動力,不僅對提高21世紀(jì)初5年中國土地利用變化機(jī)制認(rèn)識具有重要應(yīng)用價值,而且對地理科學(xué)的“過程”與“格局”集成研究具有重要理論