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新疆不同尺度土地利用/覆盖变化与驱动机制研究

张瑜  
【摘要】:土地利用变化作为全球环境变化的重要组成部分,越来越多地受到了人们的关注。由于人口数量的持续增加,耕地的需求不断增长,加上区域经济规模的扩大,导致土地利用格局也随之发生了巨大变化。土地利用变化带来的影响是多方面的,包括水环境变化、气候变化、土壤质量、食品安全、地球化学循环、生物多样性及社会的可持续发展。新疆维吾尔自治区地处我国西北部地区,气候干旱,水资源缺乏,生态环境条件相对较为脆弱。随着人类活动的加剧,生态系统受到了严重的干扰,农田退化与土地荒漠化面积不断扩大。对自然资源的不合理利用,导致了土地盐渍化、绿洲退化及耕地质量下降等一系列生态问题,使原本脆弱的生态环境变得更加严峻。本研究在国内外土地利用变化研究基础上,以新疆为研究区域,在不同尺度上对土地利用变化格局及驱动因素进行探讨。首先利用耕地相关变量对研究区进行分区,分析不同区域耕地分布特征与社会经济驱动因素。在不同分区中,选取典型区域,利用1998年、2006年和2011年遥感影像,分析土地利用动态演变过程,比较在不同民族文化背景下人类活动、自然因素及社会经济因素对土地利用变化的影响,并分析不同驱动因素之间的相互作用关系。在驱动力研究的基础上,对典型区域未来不同情景下土地利用变化进行模拟预测,从而为区域可持续发展提供决策依据。论文取得的主要结果有:(1)聚类分析能将牧业县与农业县进行大致的区分,为进一步探讨不同类别中耕地变化的驱动因素奠定了基础。利用新疆各县的耕地面积百分比、人口密度和牧业人口百分比等三个变量进行聚类分析,新疆的县(市)按照各自的属性被划分为六个类别,从各类别变量统计情况来看,第I、V类为农业县,第IV类为牧业县。对每个类型中的耕地变化进行分析可知,在1988年至2008年间,大部分县(市)的耕地均在不断的增长,耕地增长速度在最后的5年中突然增大。第II类和第V类耕地面积增长的最为明显,尤其是在第V类中,有的增长比例甚至超过了200%。在第III类中,除了少数几个县耕地面积在2003年至2008年出现剧烈增长的趋势外,其他的大部分县耕地增长速度较为缓慢。(2)化肥施用量、农业机械总动力和农业总产值在各回归模型中作为重要的驱动因素出现的频率较高。参与分析的14个环境变量因子均对耕地的变化具有一定的影响作用。每个分区中耕地变化驱动力各不相同,同一变量在不同类别中的作用力大小也存在较大差异。除了出现频率较高的驱动因子外,少数民族人口密度、林业总产值、农业人口密度、牧业总产值和油料作物产量作为重要的影响因子只出现过一次。本研究的结果表明,在不同的区域中,耕地格局与变化有着各自的特点,而不同类别中耕地变化的驱动力也存在较大差异,因此根据区域的不同属性进行分区,对深入研究区域土地利用变化具有重要意义。(3)特克斯县和拜城县各种土地利用的构成比例及其分布均有着各自的特征。特克斯县草地面积远大于耕地面积,比耕地面积多出约5倍,拜城县草地与耕地面积比较接近。两县均有大量的未利用地,在构成比例上,拜城县未利用地所占比例超过70%,而特克斯县草地与未利用地所占比例相当,均在40%左右。在空间分布上,两县的居民地和耕地均具有沿河流分布的特点。拜城县草地主要分布在离居民地较远的山坡与山谷区域,而特克斯县的草地在离居民地较远的山地丘陵区域有较多的分布,同时在离居民地较近的缓坡地与平地上也有大量的分布。(4)通过对土地利用空间分布与变化的驱动力进行分析可知,高程、坡度、气温、降雨和距居民地的距离是影响土地利用分布与变化的主要驱动因子,但这些驱动因子的影响力在特克斯县和拜城县存在一定的差异。两县的民族构成有较大差异,这是导致两县土地利用格局与变化不同的重要原因。不同的民族背景下,人们的生产生活方式有较大的区别,从而对不同土地利用类型的需求也各不相同。拜城县的人口主要从事农业,对耕地的需求较大,随着人口的迅速增长,距居民地较近的其他的土地利用类型渐渐被开垦为耕地。特克斯县有大量人口从事牧业,对草地的需求大于耕地,当附近草地开始退化时,牧民会选择距居民地较远的区域来作为新的放牧区。(5)为分析驱动因素之间的相互关系,对不同类别驱动因子进行了方差分解。结果显示,人类干扰因素与地形因素对土地利用分布与变化共同解释的部分较大,而与气候因素共同解释的部分较小。这是因为人类干扰因素与地形有较显著的正相关关系,高海拔和和坡度较大的地形限制了人类的生产生活,因此,人类活动的强度会随地形的变化而变化。气候条件也与地形地貌、地理位置及其他许多较为复杂的因素有很大的关联,因此,气候因素和人类干扰因素共同解释的部分较小。(6)通过对不同尺度的研究结果进行对比后发现,在区域尺度上,土地利用的分布格局受到地形、气候与社会经济等因素的共同影响,且具有明显的区域性特点。耕地在降雨较为丰富的西北部地区分布较多,而在气候干旱少雨的东南部区域则分布较少。各分区内土地利用结构和驱动因子有很大差异,其主要驱动因子为农业机械总动力、农业总产值和化肥施用量等。在县域尺度上,民族文化对土地利用结构与变化的影响较为明显。在以农业民族为主的拜城县,耕地比例相对较多,而在以牧业民族为主的特克斯县,草地的面积远大于耕地。在民族构成不同的情况下,地形、气候及人口等因素仍然是土地利用变化的主要驱动因素,但人类活动的影响显得更为突出。(7)运用气候和地形等8个土地利用变化驱动因子,设置了耕地保护情景、生态安全情景、趋势发展情景和人为改造情景等四种情景,分别在不同的约束条件下对特克斯县2020年的土地利用变化进行模拟预测,取得了较好的效果。在不同的情景下,各种土地利用的需求各不相同,土地利用在空间上的变化也存在很大差异。但在总体上,土地利用在驱动因素的影响下,其空间分布有一定的一致性,即耕地和居民地主要在原有耕地基础上向外围扩张,林地与草地的增加主要出现在耕地与居民地附近等坡度较缓、人口密度较大、离水源较近的区域。


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