第四纪研究  2019, Vol.39 Issue (6): 1433-1442   PDF    
1975~2015年董志塬土地利用/覆被变化及人类活动影响
杨思齐1,2, 金钊1,3, 余云龙1,2, Henry Lin4     
(1 中国科学院地球环境研究所, 黄土与第四纪地质国家重点实验室, 陕西 西安 710061;
2 中国科学院大学, 北京 100049;
3 中国科学院第四纪科学与全球变化卓越中心, 陕西 西安 710061;
4 Department of Ecosystem Science and Management, the Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA)
摘要:结合遥感、地理信息系统和数学方法,通过解译不同时间段(1975年、1995年和2015年)的土地利用数据,从土地利用变化速度、转移方向和土地利用程度3个方面分析了近40年来董志塬土地利用变化特征,揭示了1975年以来董志塬人类活动影响下土地利用时空变化规律。研究结果表明:1)1975~2015年期间,董志塬建设用地、林地、水域及水利设施用地的面积呈现总体上升的趋势;建设用地面积增加幅度最大,增加236.25 km2;其次是林地面积,增加158.68 km2;水域及水利设施用地面积增加幅度最小,增加2.06 km2。近40年来,耕地、草地和未利用地面积呈总体减少趋势。耕地面积与草地面积变化趋势相反,耕地面积呈现出"先增后减"的变化特点,共减少218.01 km2;草地面积则呈现"先减后增"的特点,共减少166.93 km2;未利用地面积呈现总体减少的趋势,共减少12.02 km2。2)近40年来,土地利用变迁主要集中在耕地、草地、建设用地和林地之间,草地和耕地之间变换频繁,是董志塬主要的土地利用变化类型。3)董志塬综合土地利用动态度从前20年(1975~1995年)的0.03增加到后20年(1995~2015年)的0.11,说明土地转化强度显著增强;但对于土地利用程度,董志塬前20年为正(0.051),后20年为负(-0.012),表明1995~2015年期间人类活动对土地资源起到正面保护的作用。
关键词董志塬    土地利用变化    人类活动    遥感影像    地理信息技术    
中图分类号     F301.24;P237                     文献标识码    A

0 引言

土地利用是指人类在一定的经济和社会目的下,由于土地自然特征的差异,采用生物、物理等手段对土地用途进行周期或长久的经营和整理改善等活动[1]。当前,土地利用/覆被变化(Land Use and Cover Change,简称LUCC)是全球环境变化研究的重要内容[2],影响和改变着不同尺度陆地生态系统的结构和服务功能。清晰掌握和理解土地利用/覆被变化的动态特征及其驱动力,并对其未来变化趋势进行准确预测,对陆地表层过程研究及区域可持续发展具有重要的科学意义[3]

近30年来,土地利用/覆被及其时空动态研究一直是国内外地理学和生态学研究的重要内容[4~7]。当前,国外学者针对土地利用/覆被变化的研究,在土地利用模型方面的工作开展较多[8],例如:Yedage[9]利用IDRISI的土地覆被变化评估模型分析了印度凯彭土地利用变化情况,发现人口增长对土地资源再分配产生了较强影响;Verburg[10]利用CLUE模型定量分析了厄瓜多尔实际土地利用面积和驱动因子之间的关系,并对厄瓜多尔的土地利用空间分布特征进行模拟;Jenerette和Wu[11]采用元胞自动机模型,定量分析了美国亚利桑那州菲尼克斯土地利用变化情况,发现斑块密度、边缘密度、分形维数等景观格局指数能够很好地反映土地利用变化的趋势和特点。国内针对土地利用变化已开展了大量的研究工作,在区域研究方面积累了丰硕的成果,如黄土地区、绿洲地区、干旱地区、河口地区、农牧交错带等[12]。例如:刘纪远等[13~15]基于TM数据,利用遥感和地理信息系统相结合的方法对中国土地利用变化的时空特征进行了深入分析,发现国家政策在土地利用转换中起到不可忽视的作用;李月臣等[16]采用景观要素转移矩阵和景观破碎度等指数,对1989~1999年北方13省的土地利用进行了分析,结果表明,北方13省经济建设活动造成区域严重的生态环境问题;吴琳娜等[17]选取综合土地利用程度、土地利用变化率、转移矩阵等指标,全面分析了1976年以来北洛河流域土地利用时空变化规律,发现随着人类活动的增强,土地的经济价值逐渐减小。

董志塬是黄土高原面积最大、最连续的塬面,素有“天下黄土第一塬”之称,承载了塬面上约61万人口的生存和发展。长期以来,董志塬面临着溯源侵蚀剧烈、破碎化严重等问题。据资料记载,历史时期董志塬南北最长处达110 km,东西平均宽约50 km;经过1300多年自然和人类活动的影响,塬地被蚕食面积超过600 km2(约90万亩),南北长剩89 km,东西最宽仅剩18 km,最窄处不足50 m,许多区域随时都有腰斩和消失的危险,严重威胁了城镇和人民生产生活的安全[18~19]。同时,随着西北地区极端气候的频发,加之台塬上大量引水灌溉工程的实施,黄土塬四周沟道丛生,并且不断地向塬区中心侵蚀。尤其是近几十年来,随着人口的增长和城镇化建设的加速,塬区人类活动不断加剧,水土流失问题也日益严重,整个台塬已变得支离破碎,部分地段甚至已将塬区瓦解。当前,国内学者针对董志塬溯源侵蚀和固沟保塬已开展了一定的研究工作,对于塬面保护起到了较好的指导作用[18, 20~22],但对近几十年来董志塬土地利用/覆被如何变化,驱动力是什么,人类活动的影响如何,这方面研究尚显不足,相关报道也较为少见。

因此,本文运用遥感、地理信息系统和数学方法,通过解译不同时间段(1975年、1995年和2015年)的土地利用数据,从土地利用变化速度、转移方向和土地利用程度3个方面,全面分析了1975~2015年董志塬土地利用变化的幅度、速度、转化类型及人类活动影响,为董志塬水土流失治理、溯源侵蚀控制和土地资源管理提供科学依据。

1 研究区域与方法 1.1 研究区概况

董志塬位于甘肃省庆阳市,包括西峰区全部,庆城县、宁县、合水县三县的局部区域(34°50′~37°19′N,106°14′~108°42′E),塬面面积约960 km2。董志塬呈南北向延伸,地势北高南低,中间部位较为平坦,东面为马莲河,西边为蒲河,最南边为泾河,海拔约1200~1400 m。董志塬属于典型的大陆季风气候,夏季降雨集中,冬春干旱,年平均气温8.1 ℃,最高为35.1 ℃,最低为-22.4 ℃,多年平均年均降雨量为543 mm。土壤为黑垆土和黄绵土[23]

董志塬植被分为人工和天然植被,人工植被主要有树木、农作物和人工种草三部分。树本植物包括乔木林、经济林和灌木林。乔木主要有刺槐(Robinia pseudoacacia Linn.)、杨柳(Salix Willow.)、旱柳(Salix matsudana Koidz.)、杜梨(Pyrus betulifolia Bunge.)、椿树(Ailanthus altissima (Mill.)Swingle.)、榆树(Ulmus pumila L.)等,经济林主要有苹果(Malus domestica)、山杏(Armeniaca sibirica(L.)Lam.)、花椒(Zanthoxylum bungeanum Maxim.)、山桃(Amygdalus davidiana (Carrière)de Vos ex Henry.)、夏梨(Pyrus)、红枣(Ziziphus jujube Mill.)等,灌木林主要有沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)、柠条(Caragana Korshinskii Kom.)、紫穗槐(Amorpha fruticosa Linn.)等[18]。农作物主要有冬小麦(Triticeae)、玉米(Zea mays Linn.)、高粱(Sorghum bicolor (L.)Moench.)、糜谷(Setaria italica)、洋芋(Olanum tuberosum Linn.)、胡麻(Linum usitatissimum Linn.)、油菜籽(Brassica napus)、芸芥(Eruca sativa Mill.)和大豆子(Glycine max (Linn.)Merr.)、黑豆(Glycine max (L.)Merr.)、小豆(Vigna angularis)等。人工种草以豆科的紫花苜蓿(Medicago sativa L.)为主,其次有少量红豆草(Onobrychis viciaefolia Scop.)、沙打旺(Astragalus adsurgens Pall.)等。天然植被由于长期人为活动的破坏,存量极少,现存中生和旱生的多年草类和灌木。主要天然草本植物包括针茅(Stipa capillata Linn.)、白羊草(Bothriochloa ischaemum (L.)Keng.)、艾蒿(Artemisia argyi Levl. et Van.)、茭蒿(Artemisia giraldii Pamp.)、铁杆蒿(Artemisia gmelinii)。灌木主要有酸刺(Hippophae rhamnoides Linn.)、酸枣(Zizyphus spinosus Hu.)、狼牙刺(Sophora davidii (Franch.)Skeels.)、胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz.)等[24]

1.2 数据来源及处理方法

本研究采用公开的Landsat系列数据(http://www.gscloud.cn)为主要数据源,选取了Landsat MSS(1975年)、Landsat TM(1995年)和Landsat OLI(2015年)3期数据。Landsat TM与OLI空间分辨率为30 m,Landsat MSS分辨率为80 m。所有数据在经过ENVI软件(美国Exelis Visual Information Solutions公司)进行大气校正、几何纠正、波段合成、裁剪等预处理过程后,利用eCognition软件(德国Definiens Imaging公司)进行斑块分割和监督分类(最邻近法),然后在ArcGIS软件(美国ESRI公司)中结合Google Earth历史影像进行人机交互解译,以提高土地利用解译的精度。同时参考2017年最新颁布的《土地利用现状分类》(GBT21010-2017)[25]结合研究目的,将土地利用分为林地、草地、耕地、水域及水利设施(用地)、建设用地、未利用地六大类型。利用eCognition软件对土地利用分类结果进行精度评价,表 1显示总体解译精度达到89 %以上,KIA值大于0.87,进而建立1975~2015年共3期董志塬的土地利用/覆被类型数据库。

表 1 1975~2015年董志塬遥感影像解译精度 Table 1 Interpretation accuracy of the land use and cover change in the Dongzhi tableland during the time of 1975~2015
1.3 分析方法 1.3.1 土地利用变化速度

土地利用变化速度定量反映区域面积变化速度,用单一土地利用动态度和综合土地利用动态度表示。

(1) 单一土地利用动态度

单一土地利用类型表示一定时间范围内某种特定的土地利用类型数量变化情况,表达式如下[26]

(1)

公式(1)中,K为某土地利用类型的动态度;T为研究时长;Ua为研究初期某一种土地利用类型面积;Ub为研究末期某一种土地利用类型面积。

(2)综合土地利用动态度

综合土地利用动态度表现土地利用变化速率的区域差异,表达式为[14]

(2)

公式(2)中,S为土地利用综合动态度;Si为某区域第i类地物的起始总面积;Si-j为第i类地物从起始到结束转变为其他类型地物的面积总和;T为研究时长。

1.3.2 土地利用转移矩阵

转移矩阵可全面反映区域土地利用变化的结构特征与各土地利用类型变化的方向。数学公式为[27]

(3)

公式(3)中,Aij为研究始末土地利用各类型面积和;n为土地利用类型数。

此方法将土地利用变化类型转移面积按矩阵(表格)形式表示,作为结构分析与变化方向分析的基础[28]

1.3.3 土地利用程度

土地利用程度变化表示多种土地利用类型的变化,能够反映人类活动对土地利用变化的影响,数学公式可表达为[26]

(4)

公式(4)中,Lj为研究区土地利用程度综合指数;Ai为研究区域内第i级土地利用程度分级指数;Ci为研究区域内第i级土地利用程度分级面积百分比;n为土地利用类型数。

土地利用程度变化量(ΔLb-a)[29]和土地利用程度变化率(R)可表达为:

(5)
(6)

公式(5)和(6)中,Lbb时间区域土地利用程度综合指数;Laa时间区域土地利用程度综合指数;Ai为研究区域内第i级土地利用程度分级指数;Cibb时间研究区域内第i级土地利用程度分级面积百分比;Ciaa时间研究区域内第i级土地利用程度分级面积百分比。

若ΔLb-a>0,或R>0,则该区域土地利用处于发展时期,否则处于调整期或衰退期。这里Ai取值参考刘纪远[30]提出的土地利用程度指数(表 2)。

表 2 土地利用程度分级赋值 Table 2 Grading of the land use degree
2 结果分析 2.1 董志塬土地利用变化速度

1975~2015年,董志塬土地利用类型主要以草地和耕地为主;1975年、1995年和2015年三期数据显示,草地和耕地面积之和约占总土地利用/覆被面积的70 %以上,其中草地面积比重最大,林地、水域和未利用地比重偏小(图 1)。1975~1995年,董志塬综合土地利用动态度为0.03;1995~2015年,综合土地利用动态度为0.11,与前一阶段相比增加了近4倍,说明1995~2015年期间人类活动对土地利用的影响逐渐增强。由表 3表 4可见,1975~1995年,草地和未利用地面积减少,草地面积减少幅度最大,共计减少266.44 km2,林地、耕地、建设用地、水域及水利设施用地面积增加,耕地面积增加幅度最大,共增加了151.10 km2;1995~2015年,耕地和未利用地面积减少,耕地面积减少幅度最大,总计减少369.11 km2,草地、林地、建设用地、水域及水利设施面积增加,且林地面积增加幅度最大,共增加143.31 km2

图 1 1975~2015年董志塬土地利用类型空间分布 Fig. 1 Land use and land cover change in the Dongzhi tableland during the time of 1975~2015

表 3 1975~2015年董志塬单一土地利用动态度 Table 3 The rate of land use change in the Dongzhi tableland during the time of 1975~2015

表 4 1975~2015年董志塬土地利用面积构成及变化 Table 4 Area and percentage of land use types and dynamic change in the Dongzhi tableland during the time of 1975~2015

总体来看,1975~2015年林地、建设用地、水域及水利设施面积呈现上升趋势,建设用地面积增加幅度最大,共增加236.25 km2,年均增加7.14 %;其次是林地,共增加158.68 km2,年均增加1.51 %;水域及水利设施面积增幅最小,共增加2.06 km2,年均增加0.29 %;耕地与草地变化趋势相反,耕地呈现“先增后减”的变化特点,草地则呈现“先减后增”的特点,但总体上两者都有减少,耕地减少218.01 km2,年均减少0.44 %,草地减少166.93 km2,年均减少0.34 %;未利用地呈减少趋势,共减少12.02 km2,年均减少1.04 %(表 34)。

2.2 董志塬土地利用变化方向

1975年以来,董志塬人类活动所引起的土地利用/覆被变化方向有以下特点:

(1) 1975~1995年,董志塬全区88.29 %的土地利用/覆被面积未发生改变,主要土地利用变化是耕地、草地和建设用地之间的转换(表 5)。在这期间,共计271.16 km2的草地转出为其他土地利用类型,占该时期整个转出贡献率的81.58 %,转出大于转入;耕地转入效果最明显,占该时期整个转入贡献率的60.18 %,转入大于转出,其中15.73 %的草地转为耕地,占新增耕地面积的95.90 %,5.38 %的草地转为建设用地,占新增建设用地的63.00 %,同时耕地也有一部分转为建设用地,占新增建设用地的36.62 %。

表 5 1975~1995年董志塬土地利用类型转移矩阵(单位:km2) Table 5 Transition matrix of the land use types in the Dongzhi tableland between 1975 and 1995(km2)

(2) 1995~2015年,约占全区总面积76.32 %的土地利用类型未发生改变,主要变化发生在耕地、草地、林地、建设用地之间,其中林地明显增加(表 6)。在这期间,有373.87 km2的耕地转出为其他土地利用类型,占该时期整个转出贡献率的55.45 %,转出大于转入;草地转入效果最明显,占该时期整个转入贡献率的43.87 %,转入大于转出,其中17.45 %的耕地转化为草地,占新增草地面积的81.38 %;同时耕地的6.20 %转化为林地,占新增林地的45.06 %;此外,有196.30 km2的草地转出,占转出贡献率的29.11 %,其中转出草地的50.39 %转为林地,占新增林地的52.08 %,46.20 %的转出草地变为建设用地,占新增建设用地的51.54 %。

表 6 1995~2015年董志塬土地利用类型转移矩阵(单位:km2) Table 6 Transition matrix of the land use types in the Dongzhi tableland between 1995 and 2015(km2)

(3) 通过1975~1995年和1995~2015年董志塬全区土地利用/覆被变化分布可以看出(图 2):1975~1995年草地转出最为显著,共转出271.16 km2,其中191.84 km2变为耕地,65.65 km2变为建设用地;耕地的转入较为分散,基本覆盖整个塬面,建设用地的转入主要集中在西峰区、宁县、庆城县的城区附近;1995~2015年耕地转出最为显著,共转出373.87 km2,其中240.71 km2变为草地,85.59 km2变为林地,45.27 km2变为建设用地;草地的转入主要集中在马莲河和蒲河两侧,林地的转入主要集中在沟谷中,建设用地的转入主要集中在3个县城的城区以及交通要道两侧。

图 2 1975~2015年董志塬土地利用变化分布 Fig. 2 The distribution of land use change in the Dongzhi tableland during the time of 1975~2015
2.3 董志塬土地利用程度

董志塬40年间土地利用水平先增加后减小,但总体土地利用程度呈增加趋势。如表 7所示,R(1975~1995) >0,利用程度变化率为0.051,表明1995年的土地利用程度比1975年活跃;R(1995~2015) < 0,利用程度变化率为-0.012,表明2015年土地利用程度没有1995年活跃,但总体看R(1975~2015) >0,表明2015年的土地利用程度比1975年活跃。

表 7 董志塬1975~2015年土地利用程度变化 Table 7 The degree of land use change in the Dongzhi tableland during the time of 1975~2015
3 讨论

定量分析近40年来董志塬土地利用/覆被变化对了解这一区域的人类活动影响具有重要的理论和实践意义。董志塬的沟壑地形主要由塬面、沟坡和沟谷三部分组成。塬面开阔平坦,较为完整[21, 31],多为耕地、农村居民用地和城市建设用地;沟坡是连接塬面和沟谷(以沟沿线为界)的缓长坡面,过去多为梯田,退耕还林还草工程实施后多退耕为林地和草地。沟沿线以下为陡峭的沟谷,是塬区侵蚀十分剧烈的区域,多为崩塌、泻溜等引起的重力侵蚀。从不同时间段董志塬土地利用/覆被变化来看,董志塬土地利用/覆被变化主要在耕地、草地、建设用地和林地之间转换。1975~1995年间,特别是在1986~1990年期间,我国粮食生产停滞不前引起国家对粮食生产工作的高度重视[32],国家在农村开始推行生产承包责任制[33],大部分的草地和自然林地被开垦成耕地[34]。根据1994年甘肃省年鉴资料,1994年前,庆阳市大力发展农业,推进建设菜篮子工程,董志塬不仅塬面上草地多转化为耕地,并且沟坡的草地也进一步开发为梯田,从而使得整个塬区耕地面积显著增加,草地面积显著减少。与此同时,庆阳市中心城区西峰区作为经济核心区,城市用地规模不断扩大[34],1995年建设用地面积较1975年增加了101.86 km2。1995~2015年间,随着我国经济体制的进一步开放,农产品市场趋于多元化,农民的生产生活由原来比较单一的粮食生产开始向农、林、牧多元化转变[33],使得董志塬耕地面积逐步向林草地和建设用地转换。尤其是2000年以后,西部大开发战略的实施使得西北地区经历了新一轮快速的城市化过程,城镇建设规模扩大,大量城镇周围的耕地转变为城市建设用地,例如庆阳市区人口快速增长和城市化快速发展,使得大面积的耕地转换为城市用地[35];同时期,退耕还林还草工程在黄土高原大规模启动实施,使得原来开垦为梯田的坡地大部分又转变为林地和草地,使得沟坡林草地的面积增加,梯田面积减少。1975~2015年期间,水域及水利设施用地呈增长趋势,除泾河、马莲河和蒲河三大水系外,一些水利设施的建设是导致这一土地利用类型增长的主要原因[31, 36]。根据综合土地利用动态度指标,1975~2015年间,董志塬综合土地利用动态度从前20年的0.03增加到后20年的0.11,增加了近4倍,说明土地利用之间转换强度显著增强;根据土地利用程度指标,董志塬土地利用程度前20年为正(0.051),后20年为负(-0.012),这种改变表明了1995~2015年期间人类活动对董志塬土地利用变化起到正面保护作用;相比前20年,后20年提升了土地的直接经济价值,从而减少了大范围土地的高强度耕作。

近10多年来,黄土高原一直是开展土地利用/覆被变化研究的热点区域[37~38]。已有研究结果表明,1986~2014年间,黄土高原耕地、草地和未利用地面积总体减少,尤其是耕地面积在1999年退耕还林还草工程实施后急剧减少,林地和建设用地面积显著增加[39~42]。近40年来,人类活动对黄土高原土地利用/覆被变化的影响以2000年为界线,前期主要表现为农用地的增加,后期由于退耕还林还草等生态工程的实施,使得林草地面积显著增加[43]。以1975~2015年宁夏生态系统格局变化为例,幸赞品等[44]研究发现,2000年是宁夏土地利用/覆被变化的转折点,2000年以前以农业发展为主,草地破坏严重,荒漠被开垦为农田;2000年以后城市建设加快,加之一系列生态恢复工程的实施,使得草地大面积恢复,森林面积快速增长。王李婧等[34]也对1980~2010年渭河流域土地利用变化进行过类似研究,发现1980~1995年间,渭河流域耕地面积显著增加,而1995~2010年间由于人口的增长、城市化进程加快和生态恢复工程的实施,使得耕地面积显著减少,林地、草地和建设用地面积增加。此外,马彩虹和任志远[45]、李双双等[46]在黄土台塬区土地利用/覆被变化研究中也获得了类似的结论,即2000年是土地结构调整的转折点。因此,从整体来看,无论是整个黄土高原还是局部区域,近40年来土地利用/覆被变化的整体趋势是相同的,即2000年前耕地面积增加,林草地面积减少;2000年后,耕地面积减少,林草地和建设用地面积增加。本文研究结果与前人主要研究结论相似。总体而言,董志塬草地和耕地面积比40年前分别减少了166.93 km2和218.01 km2,林地和建设用地面积比40年前分别增加了158.68 km2和236.25 km2

4 结论

本文从土地利用变化速度、转移方向和土地利用程度三方面系统分析了董志塬1975~2015年期间土地利用变化的特征及人类活动的影响,得到以下主要结论:

(1) 1975年、1995年和2015年董志塬草地和耕地面积约占总面积的70 %以上,为董志塬主要的土地利用类型,其中草地面积比重最大,林地、水域和未利用地比重偏小。1975~2015年林地、建设用地、水域及水利设施面积呈现上升趋势,建设用地面积增加幅度最大,共增加236.25 km2;其次是林地,共增加158.68 km2;水域及水利设施面积增幅最小,共增加2.06 km2;耕地与草地变化趋势相反,耕地呈现“先增后减”的变化特点,草地则呈现“先减后增”的特点,但总体上两者都有减少,耕地减少218.01 km2;草地减少166.93 km2;未利用地呈减少趋势,共减少12.02 km2

(2) 1975~2015年,人类活动对董志塬土地利用变化的影响主要表现为耕地、草地和建设用地、林地之间的空间转换,影响方向呈现为耕地和草地向林地、建设用地转化的特点。前20年表现为耕地面积增加,草地面积减少,271.16 km2的草地转出为其他土地利用类型,占该时期整个转出贡献率的81.58 %;耕地转入效果最明显,占该时期整个转入贡献率的60.18 %;后20年表现为耕地面积减少,城市建设用地和林草地面积增加,有373.87 km2的耕地转出为其他土地利用类型,占该时期整个转出贡献率的55.45 %;草地转入效果明显,占该时期整个转入贡献率的43.87 %。草地的转入主要集中在马莲河和蒲河两侧,林地的转入主要集中在沟谷中,建设用地的转入主要集中在3个县城的城区以及交通要道两侧。

(3) 近40年来,董志塬综合土地利用速率从前20年的0.03增加到后20年的0.11,表明土地利用之间的转换强度显著增强。1975~1995年和1995~2015年董志塬土地利用程度变换率先正(0.051)后负(- 0.012),结合土地利用变化方向,表明1975~1995年人类活动对于土地利用的影响主要表现为耕地、建设用地增加。1995~2015年人类活动对于土地利用的影响主要表现为草地、林地增加,说明人类活动对于土地利用综合开发利用水平起到积极影响。

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Analysis of the spatial-temporal characteristics of LUCC from 1975 to 2015 in the Dongzhi loess tableland
Yang Siqi1,2, Jin Zhao1,3, Yu Yunlong1,2, Henry Lin4     
(1 State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710061, Shaanxi;
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
3 CAS Center for Excellence in Quaternary Science and Global Change, Xi'an 710061, Shaanxi;
4 Department of Ecosystem Science and Management, the Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA)

Abstract

The Dongzhi loess tableland (34°50'~37°19'N, 106°14'~108°42'E) is the largest tableland on the Chinese Loess Plateau. However, the plateau surface of the Dongzhi tableland has suffered serious soil and water loss due to human activities. Land use change is an important indicator that reflects the impacts of human activities at regional scale. Therefore, the land use change of the Dongzhi tableland during the past 40 years (1975~2015) was characterized and the aim of this study was to quantify the dynamics of land use change and elucidate the impacts of human activities. In this study, the technologies of Remote Sensing (RS) and Geographical Information System (GIS) were applied and three imageries of remote sensing (1975, 1995 and 2015) were interpreted. Three indicators, including amplitude, direction and intensity of land use change, were used to characterize the dynamics of land use change and its driving forces. Results showed that:(1) Farmland and grassland were the main land use types on the Dongzhi tableland, which occupied more than 70% of the total land area. During the past 40 years, the area of construction land, forestland, water bodies and land for water conservation facilities exhibited an increasing trend, which increased by 236.25 km2, 158.68 km2 and 2.06 km2, respectively. The grassland showed a changing pattern of first decrease in 1975~1995 and then increase in 1995~2015, which ultimately decreased by 166.93 km2; whereas the farmland showed a changing pattern of first increase in 1975~1995 and then decrease in 1995~2015, which ultimately decreased by 218.01 km2. During the study period, the abandoned land showed a slight decrease of 12.02 km2. (2) The directions of land use change showed similar characteristics during the two periods of 1975~1995 and 1995~2015. The mutual conversions between farmland, grassland, construction land and forestland were the main features of land use change during the two periods of 1975~1995 and 1995~2015. However, the frequent exchange between grassland and construction land was the dominant form of land use change in the area. During 1975~1995, large area of grassland converted to farmland and construction land; while during 1995~2015, large area of farmland converted to grassland and forestland. Moreover, an area of farmland converted to urban during the time of 1995~2015. (3) The integration indicators of land use change increased from 0.03 during 1975~1995 to 0.11 during 1995~2015, which indicated that the intensity of land conversion significantly increased. During 1975~1995, the integration indicators of land use change showed positive values (0.051); while it showed negative value (-0.012) during 1995~2015, which indicate that human activities are changing to a conservation role in the land use change on the Dongzhi tableland.
Key words: Dongzhi loess tableland    land use change    human activities    remote sensing image    GIS