21世纪初5年中国土地利用变化的空间格局与驱动因素

21世纪初5年中国土地利用变化的空间格局与驱动因素

1土地利用变化土地使用和土壤覆盖物（luc）的变化越来越被认为是全球环境变化和可持续发展的重要组成部分。1993年“国际地圈与生物圈计划”(theInternationalGeosphere-BiosphereProgramme,IGBP)和“全球变化人类因素计划”(theInternationalHumanDimensionsProgrammeonGlobalEnvironmentalChange,IHDP)两大国际组织共同制订的“土地利用/土地覆被变化(LUCC)科学研究计划”,将其作为全球变化研究的核心内容。在此基础上2005年启动全球土地计划(GlobalLandProject,GLP),强调陆地系统中人类—环境耦合系统的综合集成与模拟研究,以人类—环境耦合系统为核心的土地利用/土地覆盖动态过程的监测与模拟逐渐成为研究关注的焦点问题,并成为新兴领域土地变化科学(LandChangeScience,LCS)研究的热点问题。土地利用/土地覆盖变化对区域生态环境产生重要影响,并以累积的方式影响全球环境变化。经济转型以来,我国土地利用发生快速的变化,空间格局上呈现显著的区域分异特征。区域对比,包括变化过程(Process)、格局(Pattern)与驱动力(Driver)的比较被认为是揭示全球与区域尺度土地利用/覆盖时空变化规律的有效方法。21世纪初期,随着中国社会经济的持续快速发展、产业结构的调整、工业化、城市化进程的加快以及国家重大发展战略与重大工程的实施,特别是国家“西部大开发”,“东北振兴”,“中部崛起”等重大区域发展战略,使中国国土开发空间格局发生重大调整与结构性变化。为了快速准确的掌握中国21世纪初5年(2000-2005年)土地利用变化的时空格局,以卫星遥感数据作为主要信息源,在国家资源环境遥感信息平台支持下,更新2005年土地利用数据并建立21世纪初5年全国土地利用变化1:10万矢量数据库和1km比例成份分类栅格数据库。本研究在土地利用动态区划的基础上,揭示中国21世纪初5年土地利用变化的空间格局与主要驱动力,该研究将为全球与区域环境变化相关领域研究提供有价值的科学信息。2研究方法与数据基础2.1基于fpga-政策数据的土地利用变化监测和立地条件分析2005年土地利用动态信息提取,采取与2000年土地利用数据更新完全一致的工作流程,即通过相隔5年的2000年和2005年两期遥感影像的直接对比,采用土地利用变化分类判读(即直接解译动态斑块)的方式对土地利用动态信息进行提取,进一步勾画出2000-2005年5年内土地利用变化的动态图斑,并加以定性与集成。2005年土地利用现状更新主要信息源包括:1999/2000年成像的LandsatTM数字影像共508景,2004/2005年成像的LandsatTM数字影像共411景,TM数据未有效覆盖的区域,利用中巴地球资源二号卫星(CBERS-2)的CCD数据予以补充,实现了全国范围内遥感影像的完整覆盖。两期遥感影像均进行了几何纠正,平均位置误差不超过50m。2005年土地利用现状更新在全国32个省、市、自治区获取土地利用变化地块221752个,更新过程中通过野外实地调查对更新成果进行了验证和修改,验证结果表明,2005年土地利用变化制图中耕地判别准确率达99%,草地、林地、城乡建设用地准确率达98%,综合精度具有95%以上的定性准确率(图1)。土地利用分类1km栅格百分比成份数据是进行区域尺度土地利用变化监测和驱动力分析的一种有效的空间数据融合方式,在ARCGIS环境下,将2000-2005年土地利用变化动态矢量图与1km网格矢量图进行叠加,得到1km网格内每种土地利用动态变化类型所占的面积百分比,进而生成每种土地利用动态变化类型的1km栅格成份数据。将1km网格内1级类型变化前的类型为增加型,变化后的类型为减少型,生成1级类型1km网格面积变化图,然后将主导类型面积变化图1km成份栅格数据综合到10km栅格上,在保持变化面积精度的同时,增强了成果图件的可视性(图2)。2.2主导转换土地利用动态类型图土地利用变化速率的区域差异可以用土地利用动态度模型来加以表述,即式中:Si为监测开始时间第i类土地利用类型总面积,本研究指栅格单元面积;△Si-j为监测开始至监测结束时段内第i类土地利用类型转换为其他类土地利用类型面积总和;t为土地利用变化时间段,S为与t时段对应的研究区土地利用变化速率。本模型主要用于单一土地利用类型变化速率的度量。本研究重点对耕地、林地、草地、水域以及城镇工矿建设用地的9种主导转换类型,根据10km网格内主导转换类型的变化最大的类型确定为该栅格的变化类型,形成主导转换土地利用动态类型图(图2)。为了揭示21世纪初5年土地利用变化的地域分异的客观规律,根据近5年土地利用变化的区域分异特征与20世纪90年代中国土地利用变化格局比较,发现近5年与20世纪90年代土地利用空间格局上发生了较大的变化,因此,本研究采用了新的土地利用动态区划结果。区划方法以10km栅格主导转换类型土地利用动态类型图为基础,借鉴20世纪90年代动态区划的主要原则:(1)以土地利用动态类型为首要考虑因素,保证区内土地利用变化方向的一致性;(2)考虑区划单元空间位置的连续性,也考虑地貌与宏观经济环境的差异;(3)参考综合自然条件、土地利用特点,尽量保持区域单元内宏观自然条件与土地利用特征具有一致性。在全数字化环境下,不受行政界限的限制勾画土地利用动态区划界线,形成21世纪初5年土地利用变化特征的15个土地利用动态区(图3)。320不同类型林地和耕地面积扩张2000-2005年我国土地利用变化表现为以下特征与分布格局:(1)耕地面积减少68.65万hm2,其中水田减少94.99万hm2,旱地增加26.34万hm2。总体表现为东南沿海及黄淮海平原等传统耕作区耕地持续减少,其中以水田的减少最为突出,东北、西北和华北等农林、农牧交错区和沙漠绿洲区耕地轻度增加。耕地减少以城乡建设用地侵占耕地资源为主,而新增耕地资源主要来源于未利用土地、以及河、湖滩地的开垦利用,因此总体看我国耕地资源的质量在下降。(2)城乡建设用地增加170.53万hm2,是21世纪初期5年间中国土地利用变化最突出的类型,城乡建设用地增加主要来自于对耕地的占用(即占用耕地127.60万hm2),占新增建设用地的75%。城乡建设用地扩张的区域主要集中于我国广大东部地区。东南沿海及内陆地势平坦地区如黄淮海平原、长江三角洲、珠江三角洲、陇中、东南沿海、四川盆地以及乌鲁木齐―石河子一带城乡建设用地扩张特别显著。(3)林业用地面积增加23.48万hm2(遥感影像上不可识别的新增幼林地和林带不包含在内),包括有林地(郁闭度大于30%)、灌木林、疏林地以及迹地等。新增加的林地主要集中在我国西部地区的贵州、重庆、陕西、宁夏以及内蒙古自治区西南部山区。而我国东部部分省份如浙江、福建、江西、广东、吉林等林地面积减少,减少的林地35%被开垦为耕地,36%转变为草地。(4)草地面积净减少118.61万hm2,主要发生在内蒙中部草原区、新疆沙漠绿洲带、黄土高原农牧交错带,以及西部的贵州、重庆。草地面积减少主要表现为部分草地被开垦为农田,占减少总量的48%以上。此外甘肃南部、陕西北部、四川盆地北缘区退耕还草导致草地面积略有增加。(5)水域面积增加16.22万hm2。主要表现为我国北方地区水域面积减少,如东北平原、京津冀、内蒙古高原以及西北地区水域面积减少,而黄淮平原和长江中下游平原水域面积扩大,尤其是洞庭湖流域水域面积扩张明显。(6)未利用土地的面积减少19.18万hm2,主要集中在我国北方地区,如青海西北部、新疆、甘肃北部以及东北平原,其中42%以上的未利用土地被开垦为农田;而内蒙古地区阴山山脉北部地区未利用土地面积扩展比较明显,主要由于草地退化转变为未利用土地所导致,全国草地退化面积占未利用土地面积增加总量的67%。4优质耕地资源2000-2005年中国土地利用变化具有显著的区域综合分异特征,主要表现为:黄淮海地区与东南部沿海地区(尤其是京津冀、长江三角洲和珠江三角洲)以及四川盆地城镇工矿居民用地呈现显著扩张态势,占用的主要为优质耕地资源;华北山地、黄土高原区、秦岭山区以及内蒙古农牧交错带以退耕还林还草以及草地造林为主;内蒙古东部、西北干旱与传统绿洲农业区绿洲边缘部分草地被开垦为耕地;青藏高原区土地利用变化很小,主要表现为局部地区水域面积的扩大,具体空间格局特征与分区类型转换见表1与表2。5中国土地使用变化的动力分析5.1政府政策扶持进入21世纪我国社会经济持续快速发展,随着城市化水平的提升,全国城乡人口比重不断增大,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9.9×104亿元增长到2005年的18.3×104亿元,增长了近1倍。2000-2005年在经济快速发展与人口向城市集聚过程中,中国国土开发与区域发展出现新的政策导向,2000年中央实施“西部大开发”战略,2004年实施“东部振兴”战略。在国家宏观政策的带动下,固定资产投资增加以及大规模的开发区的兴建导致城乡与工矿建设用地大面积增加。2000年西部开发政策实施以来,在城市建设、土地管理、人口及劳动力流动、重大基础设施建设和重要产业布局等方面均出台了一系列鼓励政策,带动了城乡建设用地的增加。国家持续快速的经济发展带动城市快速发展,2000年以来中国进入了新一轮快速的城市化与工业化进程中,这一时段土地城市化速度高于人口城市化的速度,我国大部分城市,特别是中小城市的人均建设用地超过了100m2/人,被专家学者视为城市建设用地呈现“冒进式”增长状态。特别是在全球化、国际化潮流引领下的“大气派”规划,豪华住宅以及大型、超大型项目建设带动下在我国东部、东南部沿海地区的京津冀、长江三角洲与珠江三角洲特大城市群进入城镇化快速发展时期,城市和工业的发展对建设用地需求的增加,导致这一时段城乡建设用地大规模增加。这些地区主要位于我国优质农田分布区,特别是以水田分布为主。各地政府片面追求GDP的增长,盲目扩建工业园区,导致城镇周遍大量优质耕地资源被蚕食。城乡建设用地侵占耕地主要发生在我国经济比较发达的南方优质农田集中分布区,黄淮海粮食主产区与东南沿海地区尤为突出。5.2全面依法实施阶段“西部大开发”政策实施以来,中国林地面积大规模增加,主要以西部地区的贵州、重庆、陕西、宁夏以及内蒙古自治区西南部山区,其中大部分林地增加来源于退耕还林政策。2003年国家颁布了《退耕还林条例》,退耕还林进入全面依法实施的阶段。生态退耕减少的耕地主要是坡耕地和旱地,主要分布在坡度大于25度的丘陵山区,以华北地区、黄土高原以及农牧交错带为主。1998年特大洪灾之后,天然林保护工程的启动,使天然林的经营利用由木材生产转向森林保护、可持续经营和生态建设方面。2000年经国务院正式批准实施天然林资源保护工程是中国6大林业重点工程之一,实施范围包括以三峡库区为界的长江上游地区、以小浪底库区为界的黄河上中游地区和东北、内蒙古、新疆、海南重点国有林区等,覆盖我国17省份。受西部开发“生态退耕”政策的影响西部地区林地面积显著增加,国家退耕还林还草政策成效明显,对区域土地覆盖状况的改善产生积极的影响。5.3对土地的按需分布的影响由于气候变暖导致积温的增加促进了传统的牧草地向耕地的转变,加之,当地农牧民和外来投资者通过垦殖草原而短期获益的驱动,导致北方地区耕地面积持续增加。中国东北与西北地区,作为全球环境变化敏感区域,近年来气温有所增加,使地区光热资源更符合农作物生长,在地方政府鼓励以及经济利益驱动下,大面积的草地开垦为耕地。在中国西北地区,特别是在新疆,政策和技术驱动,现代农业技术的试验成功和大面积推广,农业龙头企业与农户的密切合作等驱动因素促进了区域内耕地面积的迅速扩大。土地利用变化表征了该时段人地关系相互作用的结果,是人类活动与自然环境相互作用的主要表现形式,一方面土地利用的变化受到自然地理环境的制约,包括气候、地形地貌、土壤等地理因子的限制,另一方面是受人类活动的影响,毁林开荒、城市扩张等人类活动主导下地表由自然覆盖状态转变为人工覆盖状态。但是,区域尺度上的土地利用变化在国家宏观政策的引导下可以向着积极的方面发展,在本研究阶段由于国家整体生态保护意识的增强,在区域尺度上土地覆盖状况明显改善。该时段土地利用变化是人类活动与环境变化共同作用的结果,期间我国实施的国家宏观政策与区域发展政策,以及社会经济的高速发展是这一时段土地利用变化的主要驱动力。6土地利用的动态变化格局土地利用/土地覆被变化(LUCC)是人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形式,土地利用变化的空间格局表征了该时段人-地关系在不同地域空间上的作用强度与作用模式。在国家资源环境遥感信息平台支持下,对中国21世纪初5年土地利用动态过程进行更新,应用土地利用动态区划的方法研究土地利用变化的空间格局与时空特征,综合自然地理、经济发展与国家宏观政策解释土地利用变化的主要驱动力,不仅对提高21世纪初5年中国土地利用变化机制认识具有重要应用价值,而且对地理科学的“过程”与“格局”集成研究具有重要理论