引用本文
张静, 张丽, 韩瑞丹, 郑艺. 中东亚干旱区土地覆盖变化和人类占用强度变化特征. 草业科学, 2017,34(5):975-987
Zhang Jing, Zhang Li, Han Rui-dan, Zheng Yi. Change in land cover and human occupancy of the arid region of Central-East Asia. Pratacultural Science,2017,34(5): 975-987  
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《草业科学》编辑部
中东亚干旱区土地覆盖变化和人类占用强度变化特征
张静1,2, 张丽2, 韩瑞丹2, 郑艺2
1.山东农业大学信息科学与工程学院,山东 泰安 271018
2.中国科学院遥感与数字地球研究所,数字地球重点实验室,北京100094 1.College of Information Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Tan’ an 271018, China;
2.Key Laboratory of Digital Earth Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Science, Beijing 100094,川China
通信作者：张丽(1975-),女,新疆伊犁人,研究员,博士,研究方向为植被生态遥感研究。 E-mail:[email protected]

第一作者:张静(1992-),女,山东滨州人,在读硕士生,研究方向为遥感应用。 E-mail:18763895831@163. com

收稿日期: 2016-11-28
基金: 基金项目:国家自然科学基金(41271372); 海南省重点研发计划(ZDYF2016183)
摘要

研究中东亚干旱区2001-2013年期间土地覆盖变化特征和人类活动对潜在自然植被的影响程度,对保护生态环境和合理利用土地资源具有重要意义。本研究首先基于气象数据和综合顺序分类法(comprehensive and sequential classification system,CSCS)模型模拟了中东亚干旱区的潜在自然植被分布状况,其次基于2001-2013年的MODIS土地覆盖数据集分析了土地覆盖变化情况,最后在前两者的基础上研究了潜在自然植被的人类占用强度及其变化特征。结果表明,1)潜在自然植被以林地、草地、冻原、荒漠四大类为主;2)中东亚干旱区土地覆盖变化较大,其中中亚灌丛面积波动增加,中国华北干旱区农田面积扩张明显,蒙古国中西部灌丛和草地覆盖面积明显减少;3)研究区人类占用强度增强。其中,2010-2013年增长较为明显,4年间人类占用面积占研究区面积的比例增长了1.45%。潜在草地人类占用比例在2009-2013年间增幅最大,为2.88%;潜在林地人类占用比例在2001-2005年间增幅最大,为6.99%。4)在北哈萨克斯坦三州(北哈萨克斯坦州、阿克莫拉州、库斯塔奈州),人口迁移是潜在自然植被人类占用强度变化的主要因素,2006-2013年间人类占用强度比例增长了11.38%;中国的呼伦贝尔和山西干旱区,农业开发是人类占用强度增大的主要因素,2001-2013年间人类占用强度比例分别增长了6.62%和17.64%。

关键词: 中东亚干旱区; 土地覆盖变化; 潜在自然植被; 综合顺序分类法; 人类占用强度; 农田; 驱动因素
中图分类号:S151.9 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)05-0975-13 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0422
Change in land cover and human occupancy of the arid region of Central-East Asia
Zhang Jing1,2, Zhang Li2, Han Rui-dan2, Zheng Yi2
Corresponding author: Zhang Li E-mail:[email protected]
Abstract

This paper aimed to study the characteristics of land cover change and the impact of human activities on potential natural vegetation (PNV) in the arid region of Central-East Asia. This information is of great significance for the protection of the ecological environment and the rational use of land resources. Firstly, the study simulated the distribution of PNV in the arid region of Central-East Asia based on meteorological data and a CSCS model. Secondly, the study analysed the land cover change based on the 2001-2013 MODIS land cover datasets. Finally, we studied the variation characteristics of human occupancy intensity on PNV. The results showed that: 1) the PNV in the arid region of Central-East Asia included potential forestland, potential grassland, potential tundra, and potential desert; 2) the shrubland increased dynamically in Central Asia, the croplands expanded significantly in the arid region of China, and the areas of shrubland and grassland in the middle and west of Mongolia decreased; 3) the human occupancy increased in the study area. The human occupancy proportion of the study area was notably increased by 1.45% from 2010 to 2013. The human occupancy proportion of the potential grassland showed the largest increase (2.88%) from 2009 to 2013 and the human occupancy proportion of the potential forest showed the largest increase (6.99%) from 2001 to 2005; 4) in the North Kazakhstan Tri-State(Солтүстiк Казакстаноблысы,Акмолаоблысы,Костанайоблысы), migration was the major factor that affected PNV, as the human occupancy proportion increased by 11.38% from 2006 to 2013; in the arid regions of Hulunbuir and Shanxi, agricultural development was the main factor for increased human occupancy, which increased by 6.62% and 17.64%, respectively, from 2001 to 2013.

Keyword: Central-East Asia arid region; land cover change; potential natural vegetation; comprehensive and sequential classification system; human occupancy; cropland; driving factors

干旱半干旱区占全球陆地总面积的40%以上, 所支撑的复杂多样的生态系统是全球陆地生态系统的重要组成[1]。干旱半干旱区降水少, 蒸发量大于降水量, 荒漠化现象严重, 脆弱的生态环境在人类活动的作用下响应敏感。中东亚干旱区作为世界上最大的非地带性干旱区, 是西风带气候和季风气候相互作用地区, 也是连接赤道和中高纬度地区的过渡地带, 因其地理位置特殊, 使其对全球的气候变化有较大影响[2]。

中东亚干旱区包括了中亚、东亚地区的蒙古国和中国, 其夏季气温、降水量以及植被带, 大体上以沙漠为中心, 沿南北方向对称分布[3]。中东亚干旱区的自然环境恶劣, 经济基础薄弱, 生产水平较低, 社会经济发展缓慢。特别是近半个世纪以来, 在人类活动和全球气候变化的影响下, 由于气温升高和降水减少等自然因素, 以及林地砍伐、农田撂荒、城镇建设、过度放牧等因素的影响, 草地退化, 荒漠、戈壁、沙漠面积增加等生态环境问题日益突出[4]。人类可通过采取有效措施来逐步恢复受损的生态系统, 如严禁滥垦滥伐、严禁滥用水资源、植树造林、轮封轮牧、退耕还林还草等行为, 积极主动地改善土地荒漠化[5]。在自然地理环境基础上, 土地利用结构受人口因素和经济因素的影响, 与土地覆被变化相联系, 反映着干旱区脆弱生态环境中的人类与自然界的相互影响关系[6, 7]。由于中东亚干旱区荒漠化严重, 可利用土地少, 随着人口的增长, 人地供需矛盾激化, 在干旱的环境中, 保持适当的人类占用强度, 仍是解决人地矛盾的主要途径。

任继周[8]于1956年提出我国草原类型划分的标准, 初步将我国草原类型分为森林草原、湿润草原、干旱草原、半沙漠草原和沙漠草原5类。1985年任继周等提出综合顺序分类法, 将量化的气候指标划分为“ 类” , 利用8个热量级和6个湿润度级将中国草原分成48类[9]。1995年, 胡自治和高彩霞[10]以综合顺序分类法为基础, 修正了热量级和湿润度级, 制作了新的分类检索图。2011年, 高怀瀛等[11]利用综合顺序分类法, 制作了世界草地综合顺序分类图, 生成的草地综合顺序类与世界植被带分布相符。2012年, 梁天刚等[12]基于CSCS发展了全球的潜在自然植被图, 与生物地带模型(HLZ)[13]和BIOME4模型[14]制作的植被类型图进行了一致性比较, 总的Kappa系数介于0.62~0.74, 说明潜在自然植被类型之间具有较好的一致性, CSCS模型能较为准确地模拟潜在自然植被的分布。为了定量分析中国人类活动对潜在自然植被的干扰程度, 修丽娜[15]引入“ 人类占用强度” 这一概念, 利用CSCS模型生成的潜在自然植被与土地覆盖数据叠加分析来表征人类活动对自然植被的影响状况。为了研究中东亚干旱区人类活动对潜在自然植被的影响程度, 本研究利用气象数据, 以综合顺序分类法和修丽娜引入的“ 人类占用强度” [15]为基础, 结合遥感数据, 计算中东亚干旱地区的潜在自然植被分布范围并分析其人类占用情况, 总结认识干旱区人类占用强度变化规律, 以期为缓解干旱区人口、资源与环境的矛盾提供参考。

1 研究区概况

中东亚干旱区由中亚和东亚干旱区组成(46° -116° E, 35° -53° N)[2], 主要包括中亚五国、蒙古国、中国西北和华北西部的干旱半干旱区, 区域中多沙漠和戈壁, 属于典型的干旱内陆区域(图1)。本研究中所指中东亚干旱区由世界沙漠化地图集中半湿润、半干旱、干旱、高度干旱4个湿度类型的范围确定[16]。

图1 中东亚干旱区土地覆盖分类图 注:图像数据来源于2013年MODIS IGBP分类产品 MCD12Q1。Fig. 1 Land cover types of central-East ASIA Note: The image data is derived from the MODIS IGBP classification product MCD12Q1 in 2013.

中东亚干旱区温带大陆性气候明显, 冬冷夏热, 年温差大, 干旱少雨。冬季被极地大陆气团控制, 气候干冷, 最冷月气温多为-15~-10 ℃; 夏季被干热气团控制, 气候干热, 最热月温度为22~26 ℃[2]。气温的年较差和日较差在20~40 ℃。该区域年降水量在100~400 mm, 山区略高, 沙漠地区则在50 mm以下, 年潜在蒸发量为900~15 000 mm, 远远大于年降水量[2]。中亚五国是北温带面积最大的世界干旱区[17]。中亚五国除塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦多数为高山地区, 其它多为荒漠区。其整体地势呈东南高, 西北低。气温年较差小, 日较差大, 光热资源丰富。中国和蒙古国研究区域的植被带大致呈对称分布, 从南往北依次分布着常绿森林、干草原、荒漠草原、荒漠、荒漠草原、干草原、森林草原和针叶森林[18]。中国干旱半干旱区主要包括华北温带草原与西北温带及暖温带荒漠地区。蒙古国深居东亚内陆高原, 是世界上强大的高气压中心, 温带大陆性气候显著, 荒漠化现象严重[19]。

2 方法与数据
2.1 方法

2.1.1 基于CSCS模型的潜在自然植被分布模拟 潜在自然植被(potential natural vegetation, PNV)作为一种与所处立地达到一种平衡的演替终态, 反映的是无人类干扰的情况下, 立地所能发育形成的最稳定成熟的一种顶极植被类型, 是一个地区现状植被的发展趋势[20]。为了模拟潜在自然植被区, 本研究基于气候数据, 计算了1950-2000年的年平均降水量、> 0 ℃的年积温和湿润度, 将具有同一热量级和湿润度相结合的植被划分为“ 类” [21]。其中湿润度计算公式如下:

K=r/(0.1× ∑ θ ) (1)

式中:K为湿润度指数, r为年降水量(mm), ∑ θ 为> 0 ℃年积温(℃· d), 0.1为调节系数。对湿润度级和热量级叠置分析得到代表1950-2000年总体状态下的PNV类型图。根据CSCS模型, 利用气候数据划分为7个热量级和6个湿润度级, 并组合成42类区分不同植被类型, 进一步融合成10类广泛的植被类型[12], 以便在大尺度上更明确地反映潜在自然植被的空间分布。

2.1.2 人类占用范围时序信息提取 本研究所指人类占用范围主要包括农用地、城市和建筑区、农用地/自然植被镶嵌体[22]。基于土地覆盖数据产品(MCD12Q1)的2001-2013年的土地覆盖分类数据, 以潜在自然植被为底图, 从土地覆盖数据中提取人类占用范围区域。基于该区土地覆盖变化及方向, 探讨发生的这种变化和人类活动之间的关系。

2.1.3 潜在自然植被占用强度计算 人类占用强度的引入是为了量化人类活动对潜在自然植被的影响程度, 是潜在自然植被范围内的人类占用面积占潜在自然植被面积的百分比[22], 用Ti表示:

Ti=(Xi/Yi)× 100% (2)

式中:Xi是指某种潜在自然植被的人类占用面积, 人类占用面积包括农田、建设用地和农田/自然植被交错的地带, 潜在自然植被的人类占用面积即在四大类潜在自然植被的基础上计算土地覆盖分类中的人类占用面积。Yi是指某种潜在自然植被(潜在草地、潜在林地、潜在冻原和潜在荒漠)的面积, 由四大类潜在自然植被范围得出。

2.2 数据

2.2.1 气候数据 为了获得潜在自然植被的分布范围, 采用CSCS模型和气候数据对中东亚干旱区进行模拟。本研究使用的气候数据来源于全球30 arc sec空间分辨率(约1 km)的近50年(1950-2000年)worldclim月平均降水量及温度数据(http://www.worldclim.org)。该数据集是由Hijmans等[23]发展的全球气候数据集(worldclim), 用经度、纬度和海拔作为独立变量, 利用ANUSPLIN软件包实施薄板平滑样条算法内插。相比以往10 arc min分辨率的全球气候学数据, 该数据空间分辨率更高(400倍以上), 使用了更多气象站记录和改进的高程数据, 并且在数据里可获得不确定性空间模式的更多信息。

2.2.2 土地覆盖分类数据 土地覆盖数据来源于MODIS陆地标准产品(MCD12Q1, Version 5.1)。研究选取了2001-2013年期间每年一次的国际地圈生物圈计划(International Geosphere-Biosphere Program, IGBP)土地覆盖分类数据, 空间分辨率为500 m。MODIS土地覆盖类型产品使用的是决策树分类算法, 通过反复估算决策树, 同时系统地改变训练样本, 提高了分类精度, 全球范围多领域分类精度为78.3%[24]。本研究将IGBP土地覆盖分类类型(16类)进行归并, 整合成林地(常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林), 灌丛(稠密灌丛、稀疏灌丛), 草地(木本热带稀树草原、热带稀树草原、草地), 农田(农用地、农用地/自然植被镶嵌体), 其它(水、永久湿地、城市和建筑区、雪和冰、稀疏植被)五大类。

2.2.3 辅助数据 国外地区的农作物面积数据来自于(United Nations Environment Programme, http://www.unescap.org)[25], 农作物面积是指临时种植农作物土地和永久用来种植草本饲料作物土地的总和。国内的农作物总播种面积数据来自于中国国家统计局农业年度数据(http://www.stats.gov.cn/), 农作物播种面积是指在日历年度内收获农作物在全部土地(耕地或非耕地)上的播种或移植面积。

3 结果与讨论
3.1 潜在自然植被类型分布

利用1950-2000年的气候数据划分热量级和湿润度级, 对其进行叠置分析得到代表2000年(50年平均水平)植被分布范围状况的中东亚干旱区潜在自然植被类型图(图2)。经CSCS模型计算, 中东亚干旱区共分为9个潜在植被类型。本研究根据“ 改进的综合顺序分类法” [12]中CSCS广泛的植被种类和类之间的关系, 将CSCS潜在自然植被类型合并为冻原、荒漠、草地和林地4类(表1)。

图2 基于CSCS模型的中东亚干旱区潜在自然植被模拟图Fig. 2 Potential natural vegetation simulated by CSCS model

表1 潜在自然植被类型合并 Table 1 Classification of CSCS potential natural vegetation(PNV)

在不受人类干扰、自然演变的状况下, 中国的新疆、甘肃北部、内蒙古西部, 蒙古国南部, 中亚的土库曼斯坦、乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦的西南部气候恶劣, 不适合植被的生长, 多为冻原和荒漠; 草地广泛分布于哈萨克斯坦北部、内蒙古东北部、蒙古东部等地区; 林地分布于中国干旱区东南部(图2)。潜在自然植被中草地面积最大, 占研究区总面积的51.20%, 其次为荒漠、冻原和林地, 占研究区的比例依次为29.92%、13.29%和5.60%(表1)。整个研究区除林地集中分布于中国干旱区的东南部之外, 植被类型大致沿南北方向呈现草地-冻原-荒漠-冻原-草地对称分布。整体表现出一定的垂直地域分异, 如冻原多分布于3 000 m以上的高山地区, 沙漠多分布于内陆山间盆地和高原面上的洼地和低平地区, 草地和林地在平原、山地等多个地形都有分布; 同时还表现出明显的纬度地带性, 例如在中国, 林地分布的气候类型为温带季风气候, 草地为温带大陆气候, 冻原和荒漠为高原山地气候。

3.2 潜在自然植被区土地覆盖变化特征分析

人类的干扰建立在原始土地覆盖格局上, 受干旱环境的控制与制约, 天然植被的生长和人类活动表现出明显的地域性(即自然条件较好及自然资源丰富的地区)[26]。2001-2013年, 土地覆盖类型变化的区域主要分布在中亚的土库曼斯坦、乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦北部, 中国的内蒙古呼伦贝尔、山西、陕西中部、宁夏南部、新疆西北部, 蒙古国干旱区西部和中部等地区(图3)。林地增长区主要分布在内蒙古的呼伦贝尔; 灌丛增长区主要分布在土库曼斯坦和乌兹别克斯坦中部; 草地退化区主要分布在蒙古国中西部等地区; 农田增长区主要分布在北哈萨克斯坦三州(北哈萨克斯坦州、阿克莫拉州、库斯塔奈州)和中国的呼伦贝尔中部、山西、陕西北部、甘肃的兰州以及南部地区。土地覆盖类型变化区域大多为海拔较低的平原、低山丘陵或临近河流等水源较丰富的地区, 是草地、林地分布的资源地, 适合人类生存; 同时, 受水资源承载力的制约, 人类对自然的开发利用程度有限。在全球气候变暖的背景下, 人类活动对区域植被类型的转化有直接促进作用, 在原有人类占用范围的基础上, 表现出向外围延伸的趋势, 较为明显的是北哈萨克斯坦三州农田的扩张。

表2 中东亚干旱区潜在自然植被区农田与其它土地覆盖类型转移百分比 Table 2 Percentage of croplands area transferring to other land cover type

图3 2001-2013年中东亚干旱区潜在自然植被区土地覆盖类型转化空间分布图Fig. 3 Distribution of PNV changes in land cover types from 2001 to 2013

统计分析得到(图4), 研究区林地面积持续稳步增长, 灌丛变动较大, 草地呈现出先增后减的趋势, 农田则先减后增。结合土地覆盖类型空间分布图, 发现草地与农田转化范围最广。林地大部分位于中国内蒙古的呼伦贝尔干旱区, 在13年间增长了44.78%, 这与1998年我国实施的天然林保护工程有密不可分的关系[27]。另外, 灌丛化现象明显, 在13年间增长了33.66%, 人类过度放牧和气候变化等综合因素导致的灌丛化体现了干旱区土地退化及荒漠化的趋势[28]。草地作为自然环境严苛、生态系统稳定性相对脆弱的生态系统, 近几年退化严重, 研究区的草地面积在2013年较草地面积最高年份(2008年)减少了2.69%。研究区的农田面积仅次于草地, 2001-2010年大幅下降, 而2010-2013年大幅回升, 总体2013年较2001年增长了9.79%。

图4 2001-2013年中东亚干旱区潜在自然植被区主要地类面积变化图Fig. 4 Variation of area of the main classes from 2001 to 2013

2001年, 中国、蒙古国、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦、乌兹别克斯坦和土库曼斯坦的干旱区人类占用面积, 分别占其国土干旱区总面积的16.49%、1.20%、11.57%、16.03%、25.79%、14.03%和2.62%。至2013年, 这些地区的人类占用比例较2001年变化了3.53%、0.24%、-1.91%、-4.39%、-3.77%、0.69%和0.83%。基于统计数据可以看出, 中国干旱区的人类占用比例增加, 这主要表现为中国干旱区农田的扩张。如易浪等[29]发现中国西北部的典型草原区, 农牧耕作等现象严重, 人类活动干扰作用使植被归一化差分植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)显著减少。蒙古国的人类占用强度变化较小。中亚五国总体人类占用面积比例降低, 主要是弃耕所致, 然而在不同区域人类占用面积变化存在地域差异, 如哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦干旱区人类占用面积减少, 而乌兹别克斯坦、土库曼斯坦人类占用面积增加。

基于中东亚干旱区土地覆盖范围, 得到林地、灌丛、草地、农田4类土地利用类型转移矩阵(表2), 从主要地类之间的转移变化可以看出, 人类占用强度变化存在着明显的阶段性, 2001-2010年新增农田的比例(17.95%)远小于农田转出的比例(29.03%), 人类占用强度降低; 而2010-2013年农田面积百分比回升(1.58%), 人类占用强度增强, 总体人类占用强度增强。随着农田面积的增加, 人类开发利用土地导致人类占用强度比例增加, 而人类占用强度的增加会改变土地覆盖结构, 进而影响农业产业结构。

3.3 潜在自然植被人类占用强度变化特征分析

农田作为人类占用的重要组成部分, 其面积在2001-2013年呈现出先减后增的趋势, 总体人类占用比例与农田面积变化的趋势一致, 而建设用地变化甚微, 可忽略其对人类占用强度变化特征的贡献。中亚五国城市化表现出上升趋势, 然而其城市发展强度不大, 发展较为缓慢[30], 因此建设用地人类占用强度变化不大, 而以农田的占用为主。潜在自然植被类型图与土地覆盖分类图叠加分析, 计算得到2001-2013年中东亚干旱区潜在自然植被人类占用强度比例图(图5)。其中潜在草地和潜在林地人类占用强度较高, 受人类社会经济发展的影响较大。因此, 本研究主要研究潜在草地和潜在林地分布范围内的土地覆盖和人类占用强度变化情况。

图5 2001-2013年中东亚干旱区潜在自然植被人类占用强度比例Fig. 5 Human occupancy proportion of potential natural vegetation from 2001 to 2013

研究区总的人类占用强度先降低后增强, 总体上人类占用比例增加。2010-2013年, 人类占用强度增幅明显, 这可能源于人们对土地粗放型开发, 干旱区人口增多、经济利益需求增长、人口素质较低以及人文环境因素对人类占用活动水平的制约等综合因素[31]。潜在林地的人类占用强度呈小幅动态变化, 2005年达到最大, 约占潜在林地的74.22%, 2013年小幅下降, 约占潜在林地的71.52%。潜在草地的人类占用强度自2001-2010年呈减小趋势, 2010年降到最低, 约占潜在草地的12.79%; 2010-2013年有小幅增强趋势, 2013年达到最高, 约占潜在草地的15.67%。

对比中国、中亚和蒙古国(图6), 中国干旱区和中亚干旱区的人类占用强度较强, 蒙古国干旱区人类占用强度较弱。蒙古国干旱区多为潜在荒漠和潜在冻原, 自然条件恶劣, 人类占用比例低。中亚干旱区在2001-2010年农田占用比例减小, 到2010-2013年表现出增长趋势, 2001年最高, 约为中亚干旱区的11.76%, 到2013年有所增长, 但是没有恢复到之前的水平。在全球变暖的背景下, 中亚气候响应复杂, 再加上人类活动的影响, 尤其是苏联解体所导致的政策变动及人口变迁[32], 中亚土地资源利用变动显著。由于农业技术进步和政策激励[33], 中国干旱区的人类占用强度波动增长, 2001年最低, 人类占用比例约为16.55%, 2013年最高, 增长到20.10%。在研究中国林草面积变化与人类占用强度[15]时发现, 农田和草地面积减少, 林地面积增加, 人类占用强度总体增强。这与本研究中国干旱区人类占用强度整体增长的趋势相同。

图6 2001-2013年中亚、蒙古国和中国干旱区潜在自然植被人类占用强度比例Fig. 6 Human occupancy proportion of Central Asia, Mongolia, China and potential natural vegetation in arid region from 2001 to 2013

3.4 典型区人类占用强度分析

3.4.1 北哈萨克三州 北哈萨克三州包括北哈萨克斯坦州、阿克莫拉州、克斯塔奈州, 流经伊希姆河和托博尔河两条河流。该地区的植被类型以农田和草地为主。农田面积在2001-2010年持续下降, 潜在草地的人类占用强度呈现2001-2010年降低、2010-2013年增强的趋势(图7)。从农作物面积来看, 哈萨克斯坦干旱区2001-2009年呈下降趋势, 2009-2013年呈上升趋势, 这也体现了人类占用强度先减小后增加的变化特点。1990-2010年间哈萨克斯坦农田面积持续减小[34], 人类占用强度降低。2010年以后北哈萨克三州人类占用强度动态增强, 哈萨克斯坦政府近年来非常重视农业发展, 加上2004年以后人口回迁, 增强的农牧业活动导致人类占用强度增强, 3年间人类占用比例增长了12.84%。由此可见, 人类占用在土地覆盖中存在一定的主动性, 即为了满足人类社会的发展需求, 人们开发自然资源的能动性增强, 影响了自然环境的变化。

图7 北哈萨克斯坦三州人类占用强度比例和哈萨克斯坦农田面积、潜在草地人类占用比例Fig. 7 Human occupancy proportion, agricultural area, and human occupancy proportion of potential grassland in North Kazakhstan Tri-State

3.4.2 呼伦贝尔干旱区 根据土地覆盖数据, 呼伦贝尔干旱区位于潜在草地范围内。根据统计资料, 农作物总播种面积持续增长。本研究发现, 人类占用强度(潜在草地人类占用强度)动态增强, 在2001-2013年间增长了6.62%(图8)。由于呼伦贝尔市岭东、岭西低山丘陵与呼伦贝尔平原东部交接的林草结合带的草地和湿地被开垦成农田, 农田由东南向西北持续挤占林地和草地, 林草地的开垦表现出人类活动具有明显的时空性特征, 此外, 城市化导致建设用地占用草地, 呼伦贝尔草地转变为农田和建设用地的总体趋势明显[35]。总体而言, 呼伦贝尔市农业开发及建设用地扩张导致人类占用强度波动增强。

图8 呼伦贝尔人类占用强度比例和呼伦贝尔农作物总播种面积、潜在草地人类占用比例Fig. 8 Human occupancy proportion, total planting area of crops, and human occupancy proportion of potential grassland in Hulunbuir, China

3.4.3 山西干旱区 山西干旱区潜在草地和潜在林地人类占用强度集中在10%~20%, 呈现出“ 增-减-增” 的变化趋势, 山西农作物总播种面积动态增长, 和人类占用趋势大体一致, 可以从一定程度上反映人类占用强度的增加。潜在草地人类占用强度和总体人类占用强度趋势一致, 潜在林地人类占用强度在2001-2005年增强, 2005-2013年比较稳定, 变化不明显。2007年之前山西干旱区农田有明显的降低趋势, 一方面, 城市建设大量占用农田[36], 另一方面, 2003年1月20日起施行“ 退耕还林条例” , 为农田减少的又一重要原因[37]。近年来, 由于社会经济发展、人口、农业技术进步、粮食安全保障等因素导致人类不再受自然环境的制约, 主动改造自然环境, 成为影响环境变化的重要驱动因素。人类活动的主动性使人类占用强度增加。

图9 山西人类占用强度比例和山西农作物总播种面积、潜在草地和潜在林地人类占用比例Fig. 9 Human occupancy proportion, total planting area of crops, and human occupancy proportion of potential grassland and potential forestland in Shanxi, China

4 讨论与结论

目前, 对人类占用强度的研究较少, 人类活动对干旱区的作用程度尚不清楚[31]。干旱区的生态系统稳定性差, 人类活动对干旱区的负效应导致土地荒漠化加剧。本研究以人类占用强度为核心, 采用了综合顺序分类法和气候数据, 分析了中东亚干旱区近13年土地覆盖变化特征及人类占用强度变化特征, 经研究发现, 土地覆盖变化区多为植被类型交错地带和人类密集区或其边缘, 如中国干旱区草地大面积转为农田, 哈萨克斯坦三州边缘地区草地大面积转成农田; 部分地区的人类占用强度明显增强, 如中国干旱区农田扩张明显, 除了气候条件影响, 还反映了国家惠农政策的扶持及农业科技进步对干旱区土地利用结构的综合影响。然而, 部分地区的人类占用强度也明显降低, 如中亚干旱区在2010年前农田减少, 是由于人口迁移导致撂荒地增加, 大量农田转化为草地; 2010年后随着人口的回迁, 农田的面积又有了大幅增加, 人类占用强度明显增强。总的来说, 由于地理环境的区域分异规律, 在不同人文因素的影响下, 各区域的土地覆盖表现出不同的变化趋势及转换特征, 人类占用强度在中东亚干旱区表现出明显的地域差异。结合典型区分析发现, 人类占用的变化特征表现出明显的主动性、时空性和有限性。人类需求的增加导致占用土地资源的主动性增强, 其活动范围多发生于自然条件较好的地区, 但是人类对自然资源的开发是有限的, 过度开垦会造成水源枯竭、土地荒漠化等问题。因此, 可结合干旱区土地类型的空间结构及其变化特征, 发展适合当地的可持续土地利用模式。

本研究在分析人类占用强度上还存在局限性。人类占用面积包括农田、建设用地以及农田/自然植被交错的地带。然而本研究所采用的MODIS土地覆盖数据, 受数据分类精度的限制, 其城市和建筑区区分不明显[38]。尽管湿地的开发也潜在导致人类占用强度的增加, 但由MODIS土地覆盖数据统计得到, 中东亚干旱区湿地面积占总研究区的面积不到0.1%。综上, 本研究仅着重基于农田面积变化情况来反映人类占用强度。另外, 本研究仅对潜在自然植被进行“ 类” 的划分, 未将其划分为“ 类” 的下一级“ 型” (草地植物的经济类群)。针对载畜量增加等人类活动问题, 由于划分出型的空间分布, 才能判定一个轮牧分区内草地的生态因素及草产量, 因此无法根据草地承载能力分析人类占用强度。随着遥感产品质量和精度的提高, 可借助更高精度的时序土地覆盖分类数据集研究人类占用面积, 以提高人类占用强度的精度。

(责任编辑 王芳)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 李新荣, 张志山, 王新平, 刘立超, 黄磊. 干旱区土壤-植被系统恢复的生态水文学研究进展. 中国沙漠, 2009, 29(5): 845-852.
Li X R, Zhang Z S, Wang X P, Liu L C, Huang L. The ecohydrology of the soil vegetation system restoration in arid zones: A review. Journal of Desert Research, 2009, 29(5): 845-852. (in Chinese) [本文引用:1]
[2] 王劲松. 近100年来中东亚干旱区对全球变暖的区域气候响应研究. 兰州: 兰州大学硕士学位论文, 2006.
Wang J S. Study on regional climate response to global warming in the arid Central-East Asia over the past 10years. Master Thesis. Lanzhou: Lanzhou University, 2006. (in Chinese) [本文引用:4]
[3] 王丽霞, 李心清, 郭兰兰. 中东亚干旱半干旱区C3植物δ13C 值的分布及其对气候的响应. 第四纪研究, 2006, 26(6): 955-961.
Wang L X, Li X Q, Guo L L. The distribution of δ13C value of C3 plant and its response to climate in arid and semiarid Central-East Asia. Quaternary Sciences, 2006, 26(6): 955-961. (in Chinese) [本文引用:1]
[4] 王涛, 刘树林. 中国干旱区绿洲化、荒漠化调控区划(纲要). 中国沙漠, 2013, 33(4): 959-966.
Wang T, Liu S L. Regionalization for regulating oasification and desertification in the arid regions of China: A program. Journal of Desert Research, 2013, 33(4): 959-966. (in Chinese) [本文引用:1]
[5] 苏志珠, 卢琦, 吴波, 靳鹤龄, 董光荣. 气候变化和人类活动对我国荒漠化的可能影响. 中国沙漠, 2006, 26(3): 329-335.
Su Z Z, Lu Q, Wu B, Jin H L, Dong G R. Potential impact of climatic change and human activities on desertification in China. Journal of Desert Research, 2006, 26(3): 329-335. (in Chinese) [本文引用:1]
[6] 瓦哈甫·哈力克, 塔西甫拉提·特依拜, 海米提·依米提, 熊黑刚. 新疆于田绿洲土地利用变化的人文驱动力分析. 干旱区资源与环境, 2007, 21(6): 1-6.
Wahap·H, Tashpolat T, Hamid Y, Xiong H G. Study on human driving mechanisms of the oasis land use changes in arid region. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2007, 21(6): 1-6. (in Chinese) [本文引用:1]
[7] 吴雪梅, 塔西甫拉提·特依拜, 姜红涛, 陶兰花, 买买提·沙吾提, 张飞. 中亚干旱区马雷绿洲和于田绿洲LUCC演变对比研究. 干旱区地理, 2013, 36(4): 731-741.
Wu X M, Tiyip T, Jiang H T, Tao L H, Mamat S, Zhang F. Comparative study of Central Asia of arid region between Mare Oasis, Turkmenistan and Yutian Oasis, China in land use/cover change dynamic evolution. Arid Land Geography, 2013, 36(4): 731-741. (in Chinese) [本文引用:1]
[8] 任继周. 按照苏联先进理论划分我国草原类型的原則之商榷——以甘肃省中部草原为例試行划分. 中国畜牧学杂志, 1957(4): 155-160. [本文引用:1]
[9] 胡自治. 草原分类方法研究的新进展. 国外畜牧学——草原与牧草, 1994(4): 1-9. [本文引用:1]
[10] 胡自治, 高彩霞. 草原综合顺序分类法的新改进Ⅰ类的划分指标及其分类检索图. 草业学报, 1995, 4(3): 1-7.
Hu Z Z, Gao C X. Improvement of the comprehensive and sequential classification system of grassland s indices of grassland classes and index chart. Acta Prataculturae Sinica, 1995, 4(3): 1-7. (in Chinese) [本文引用:1]
[11] 高怀瀛, 郭婧, 任正超, 张德罡, 柳小妮, 董沁, 梁亮, 刘伟. 世界草地综合顺序分类图的制作. 草原与草坪, 2011, 31(3): 15-19.
Gao H Y, Guo J, Ren Z C, Zhang D Z, Liu X N, Dong Q, Liang L, Liu W. Establishment of global grassland map based on the Integrated Orderly Classification System of Grassland . Grassland and Turf, 2011, 31(3): 15-19. (in Chinese) [本文引用:1]
[12] Liang T, Feng Q, Cao J. Changes in global potential vegetation distributions from 1911 to 2000 as simulated by the Comprehensive Sequential Classification System approach. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(11): 1298-1310. [本文引用:3]
[13] Holdridge L R. Determination of world plant formations from simple climatic data. Science, 1947, 105: 367-368. [本文引用:1]
[14] Haxeltine A, Prentice I C. BIOME3: An equilibrium terrestrial biosphere model based on ecophysiological constraints, resource availability, and competition among plant functional types. Global Biogeochemical Cycles, 1996, 10(4): 693-709. [本文引用:1]
[15] 修丽娜. 基于CSCS模型的中国潜在自然植被时空分布特征研究. 兰州: 兰州大学硕士学位论文, 2014.
Xiu L N. Spatio-temporal distribution characteristics of the CSCS-based potential natural vegetation in China. Master Thesis. Lanzhou: Lanzhou University, 2014. (in Chinese) [本文引用:3]
[16] United Nations Environment Program(UNEP). World Atlas of Desertification, Revised Edition. London, UK: Edward Arnold, 1997. [本文引用:1]
[17] 胡汝骥, 姜逢清, 王亚俊, 李均力, 李耀明, 阿布都米吉提·阿布力克木, 罗格平, 张建明. 中亚(五国)干旱生态地理环境特征. 干旱区研究, 2014(1): 1-12.
Hu R J, Jiang F Q, Wang Y J, Li J L, Li Y M, Abdimijit A, Luo G P, Zhang J M. Arid ecological and geographical conditions in five countries of Central Asia. Arid Zone Research, 2014(1): 1-12. (in Chinese) [本文引用:1]
[18] 廖克. 《中华人民共和国国家自然地图集》问世——20世纪中国地球科学调查研究成果的系统汇编. 地球信息科学, 2000, 2(1): 87-88. [本文引用:1]
[19] 孟翔冲. 蒙古国沙质荒漠化对中国北方沙质荒漠化影响研究. 长春: 吉林大学硕士学位论文, 2012.
Meng X C. A Study on the influences of Mongolia desertification on the desertification in northern China. Master Thesis. Changchun: Jilin University, 2012. (in Chinese) [本文引用:1]
[20] 宋永昌. 植被生态学. 上海: 华东师范大学出版社, 2001: 27-29.
Song Y C. Vegetation Ecology. Shanghai: East China Normal University Press, 2001: 27-29. (in Chinese) [本文引用:1]
[21] 冯琦胜, 修丽娜, 梁天刚. 基于CSCS的中国现存自然植被分布研究. 草业学报, 2013, 22(3): 16-24.
Feng Q S, Xiu L N, Liang T G. Distribution of the existing natural vegetation in China based on CSCS. Acta Prataculturae Sinica, 2013, 22(3): 16-24. (in Chinese) [本文引用:1]
[22] 修丽娜, 冯琦胜, 梁天刚, 任继周. 2001-2009年中国草地面积动态与人类活动的关系. 草业科学, 2014, 31(1): 66-74.
Xiu L N, Feng Q S, Liang T G, Ren J Z. Spatial and temporal distribution of grassland and human occupancy condition in China from 2001 to 2009. Pratacultural Science, 2014, 31(1): 66-74. (in Chinese) [本文引用:2]
[23] Hijmans R J, Cameron S E, Parra J L. Very high resolution interpolated climate surfaces for global land areas. International Journal of Climatology, 2005, 25(15): 1965-1978. [本文引用:1]
[24] 崔林丽, 陈昭, 尹球, 唐世浩, 刘荣高. 基于模糊集合理论的中国区域土地覆盖数据集融合及精度分析. 长江流域资源与环境, 2014(11): 1627-1632.
Cui L L, Chen Z, Yin Q, Tang S H, Liu R G. China land cover classification fusion based on expert decision and accuracy analysis. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2014(11): 1627-1632. (in Chinese) [本文引用:1]
[25] 周宇. 中亚干旱区植被退化及水分利用特征时空格局分析. 北京: 中国科学院大学硕士学位论文, 2015.
Zhou Y. Assessing the spatial and temporal dynamics of vegetation degradation and water use efficiency in Central Asia dryland . Master Thesis. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2015. (in Chinese) [本文引用:1]
[26] 李香云, 王立新, 章予舒, 张红旗. 西北干旱区土地荒漠化中人类活动作用及其指标选择. 地理科学, 2004, 24(1): 68-75.
Li X Y, Wang L X, Zhang Y S, Zhang H Q. Analysis of roles of human activities in land desertification in arid area of northwest China. Scientia Geographica Sinica, 2004, 24(1): 68-75. (in Chinese) [本文引用:1]
[27] 马威. 呼伦贝尔市地方林业天保工程实施效果的评价. 哈尔滨: 东北林业大学硕士学位论文, 2015.
Ma W. Evaluation on the implementation effect of natural forest protection program in Hulunbuir local forestry. Master Thesis. Harbin: Northeast Forestry University, 2015. (in Chinese) [本文引用:1]
[28] 彭海英, 李小雁, 童绍玉. 干旱半干旱区草原灌丛化研究进展. 草业学报, 2014, 23(2): 313-322.
Peng H Y, Li X Y, Tong S Y. Advance in shrub encroachment in arid and semiarid region. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(2): 313-322. (in Chinese) [本文引用:1]
[29] 易浪, 任志远, 张翀, 刘雯. 黄土高原植被覆盖变化与气候和人类活动的关系. 资源科学, 2014, 36(1): 166-174.
Yi L, Ren Z Y, Zhang C, Liu W. Vegetation cover, climate and human activities on the Loess Plateau. Resources Science, 2014, 36(1): 166-174. (in Chinese) [本文引用:1]
[30] 阿里木江·卡斯木, 唐兵, 安瓦尔·买买提明. 近50年来中亚五国城市化发展特征研究. 干旱区资源与环境, 2013, 27(1): 21-26.
Alimujiang K, Tang B, Anwaer M. Study on the urbanization development characteristics of Central Asia(1960―2009). Journal of Arid Land Resources and Environment, 2013, 27(1): 21-26. (in Chinese) [本文引用:1]
[31] 李香云. 干旱区土地荒漠化中人类因素分析. 干旱区地理, 2004(2): 239-244.
Li X Y. Analysis on the human factors resulting in land desertification in Arid Areas. Arid Land Geography, 2004(2): 239-244. (in Chinese) [本文引用:2]
[32] 蒲开夫, 张永明, 王雅静, 王福, 刘艳. 独立后哈萨克斯坦的人口和社会发展. 新疆大学学报: 哲学·人文社会科学版, 2010, 38(1): 91-96.
Pu K F, Zhang Y M, Wang Y J, Wang F, Liu Y. On Kazakhstan population and social development after its independence. Journal of Xinjiang University. Philosophy, Humanities Social Science, 2010, 38(1): 91-96. (in Chinese) [本文引用:1]
[33] 朱会义, 李义. 西北干旱区耕地扩张原因的实证分析. 地理科学进展, 2011, 30(5): 615-620.
Zhu H Y, Li Y. An empirical analysis of the causes of farmland expansion in northwest China. Progress in Geography, 2011, 30(5): 615-620. (in Chinese) [本文引用:1]
[34] 洪冬晨. 哈萨克斯坦土地利用景观格局演变及驱动因素分析. 杭州: 浙江大学硕士学位论文, 2015.
Hong D C. Analysis of land use and land scape pattern change and its driving factors in Kazakhatan. Master Thesis. Hangzhou: Zhejiang University, 2015. (in Chinese) [本文引用:1]
[35] 张德平. 内蒙古呼伦贝尔市土地利用现状及变化分析. 中国土地科学, 2011(11): 43-48.
Zhang D P. Analysis on the current status and the change of land use in Hulunbuir, Inner Mongolia. China Land Science, 2011(11): 43-48. (in Chinese) [本文引用:1]
[36] 张晓慧, 李洪建, 范晓辉. 山西省耕地动态变化及驱动力研究. 干旱区资源与环境, 2011, 25(11): 54-58.
Zhang X H, Li H J, Fan X H. Dynamic change of cultivated land and driving forces in Shanxi Province. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2011, 25(11): 54-58. (in Chinese) [本文引用:1]
[37] 邱丽氚, 王尚义. 山西植被空间格局及演替. 植物研究, 2014, 34(1): 6-13.
Qiu L C, Wang S Y. Spatial patterns and successions of vegetation in Shanxi. Bulletin of Botanical Research, 2014, 34(1): 6-13. (in Chinese) [本文引用:1]
[38] 夏文韬, 王莺, 冯琦胜, 梁天刚. 甘南地区MODIS土地覆盖产品精度评价. 草业科学, 2010, 27(9): 11-18.
Xia W T, Wang Y, Feng Q S, Liang L G. Accuracy assessment of MODIS land cover product of Gannan prefecture. Pratacultural Science, 2010, 27(9): 11-18. (in Chinese) [本文引用:1]