改革开放40 a来新疆土地覆被变化的空间格局与特征

改革开放40 a以来，新疆土地利用和地表覆被发生了巨大变化，在产生巨大社会经济效益的同时，也产生了许多生态与环境问题。为了给未来新疆土地利用、水资源开发及社会经济可持续发展国土空间规划提供依据，通过采用分区分层的决策树方法和向量相似度的变化检测方法，完成了新疆2015年、2010年、2000年、1990年、1975年的土地覆被1∶100 000矢量数据集，准确反演了过去40 a（改革开放40 a）来新疆地表覆被变化过程，分析了新疆土地覆被变化与国家改革开放政策相互关系，从垦荒（1975—1990年）、农业资源开发（1990—2000年）、西部大开发（2000—2010年）、对口援疆（2010—2015年）4个阶段，阐述了国家政策力度和导向对土地覆被变化的影响。分析表明：新疆土地覆被变化由耕地开垦、人工表面增长的高速发展模式开始向兼顾生态文明建设的可持续发展方向转型，各主要地类的变化也由急剧发展转向基本可控。近40 a新疆耕地面积增加了128%（50 414.02 km²），新增耕地依照水土资源配置特征，遵循空间规律分布；人工表面（建设、交通、工矿用地）面积增加了197%（7 497.11 km²），在2000年后增速明显，2010年后南疆增加幅度很大；1990年前林地面积呈现减少趋势，1990年后呈增加的态势，新增林地广泛分布在全疆天然林封育保护范围和天保工程实施区内；湿地1990年前面积减少明显，1990—2000年保持稳定，2000年后呈增加趋势；草地和其他类型的面积呈现持续减少态势。     

近年来的黄土高原耕地时空变化与口粮安全耕地数量分析

基于遥感调查数据集定量分析了1990—2015年中国黄土高原地区耕地的时空变化特征和口粮绝对安全最小耕地保障面积的数量变化。结果表明：黄土高原耕地面积从1990年的192 529.65 km²至2015年的182 688.50 km²，净减少了9 841.14 km²，幅度达5.11%，其中2000—2010年的减幅最大，净减少8 483.00 km²；较大的耕地动态变化图斑主要分布于中部和西部区域，细碎的变化图斑广泛分布；耕地地类转出面积（31 875.82 km²）大于转入面积（21 815.25 km²），耕地面积的增加主要由草地和林地转化而来，主要分布在灌溉农业区和东南部平原区，减少的耕地主要转化为草地和林地，主要分布在中部沟壑区的雨养农业区。此外，该时期耕地转化为建筑用地和交通用地等人工表面的面积逐渐增加，主要分布在东南部低海拔平原地区；黄土高原口粮绝对安全所需最小耕地保障面积呈明显减少特征（从1990年的70 913.37 km²下降到2015年的33 981.64 km²），占该区耕地总面积比例呈明显缩减态势（从1990年的36.83%缩减到2015年的18.60%），目前耕地总量的净减少未对口粮绝对安全的耕地保障数量造成大的影响。     

巴西土地利用/覆盖变化时空格局及驱动因素

土地利用/覆盖变化(LUCC)是全球变化研究的热点问题之一。本文采用人机交互方法基于2005 年基准年的Landsat TM/ETM遥感影像修正欧空局GlobalCover 2005 年土地利用数据,进而采用逆时相目视解译法从1980年基准年的Landsat MSS/TM遥感影像数据提取1980-2005 年土地利用/覆盖变化信息,分析其变化的时空格局及驱动因素。结果表明:1980-2005年的25年间,巴西土地利用/覆盖变化面积达79.43万km²,占土地总面积的9.33%。其中,单纯耕地像元面积增加了20.18 万km²;耕地/自然植被镶嵌混合像元区面积增加了10.70 万km²;林地面积减少了53.12 万km²;灌丛与草地净增加21.10 万km²;水体面积增加0.46 万km²;城乡建设用地面积增加7573.87 km²。由此导致热带和亚热带湿润阔叶林生态地理区、热带和亚热带干旱阔叶林生态地理区、热带及亚热带草原生态地理区、草原和沼泽湿地生态地理区、沙漠和旱生植物生态地理区以及红树林生态地理区内分别呈现不同的土地利用/覆盖变化特征。近25 年间,地形地貌、气候、植被等自然地理条件深刻影响着土地利用的宏观格局,而土地利用政策调控、经济及对外贸易发展、人口增加及空间迁移、道路修建等是导致巴西土地利用变化的主要原因。     

1990—2010年黄河宁蒙段所处流域土地利用变化

以Landsat TM和ETM+遥感影像为基础数据源,应用地理信息系统技术,对黄河宁蒙段所处流域1990-2010年土地利用变化进行了监测,并结合气候变化、人类活动和政策因素探讨了土地利用变化的驱动力,初步分析了土地利用/覆被变化对流域水-沙关系的影响。结果表明：（1）20年来研究区建设用地面积增加了1 310.04 km²,耕地面积增加了611.15 km²,水域和草地面积分别减少了1 499.51 km²和474.93 km²;（2）20年来黄河宁蒙段所处流域土地利用变化速度经历了缓慢变化-显著变化-急剧变化的过程。各土地利用类型在后10 年（2000-2010年）的变化速度均比前10年（1990-2000年）大;（3）研究时段内草地和未利用地转化为林地,草地和耕地被开发为建设用地,未利用地和草地被开垦为耕地;（4）人类活动和政策因素是影响20年来土地利用变化的主要驱动因子,但人口数量的增加、经济的发展及环境政策的调整对研究区土地利用变化的影响更为显著;（5）1990-2010年流域耕地和林地面积分别增加了611.15 km²和543.19 km²,植被覆盖度由1990年的34.7%增加到2010年的40.8%。林地和耕地面积的增加均使得流域总蒸发量增加,灌溉用水增加,从而径流量减少,植被覆盖度的增加使得流域径流量和输沙量均降低。     

基于Landsat长时间序列数据的敦煌绿洲动态变化分析

绿洲是干旱区独特的自然景观,是干旱区人们赖以生存和发展的物质基础。以敦煌绿洲为研究区域,基于Landsat TM长时间序列遥感图像,采用最佳指数因子研究最佳波段组合并进行图像分类,基于转移矩阵分析了绿洲主要覆被构成要素的转换特征,并基于土地利用类型动态度模型进行了动态变化分析。结果表明：1975-1998年间敦煌绿洲面积呈缓慢扩张趋势（平均0.35 km²/a）;1998-2006年间绿洲面积快速增大（平均3.88 km²/a）;2006-2011年间绿洲面积基本稳定。1990-2006年间水浇地和林地的面积总体呈增加趋势;2006-2011年,人工干预加速了土地利用方式的转变。     

20世纪80年代以来全球耕地变化的基本特征及空间格局

本文基于全球1982-2011年土地利用/覆被的矢量数据,分析了20世纪80年代以来全球耕地变化的基本特征及空间格局。结果表明：① 20世纪80年代以来,全球耕地面积增加了528.768×10⁴ km²,增加速率为7.920×10⁴ km²/a,呈不显著增加趋势,全球耕地面积以20世纪80年代增速最快。20世纪80年代以来,北美洲、南美洲、大洋洲耕地面积呈显著增加趋势,分别增加了170.854×10⁴ km²、107.890×10⁴ km²、186.492×10⁴ km²,增加速率分别为7.236×10⁴ km²/a、2.780×10⁴ km²/a、3.758×10⁴ km²/a;亚洲、欧洲、非洲耕地面积为减少趋势,分别减少了23.769×10⁴ km²、4.035×10⁴ km²、86.76×10⁴ km²,减少速率分别为-5.641×10⁴ km²/a、-0.813×10⁴ km²/a、 -0.595×10⁴ km²/a。② 20世纪80年代以来,全球增加的耕地主要由草地、林地转化,分别占53.536%、26.148%。新增耕地面积主要分布在非洲南部及中部、澳大利亚东部和北部、南美洲东南部、美国的中部及阿拉斯加、加拿大中部、俄罗斯西部及芬兰北部、蒙古北部等区域。非洲南部的博茨瓦纳为全球耕地增加比例最高区域,增加了80%~90%。③ 20世纪80年代以来,全球耕地换化为其他用地共计1071.946×10⁴ km²,全球减少的耕地主要转化为了草地、林地,分别占比为57.482%、36.000%;全球减少耕地主要分布在非洲中部的苏丹南部、美国中南部、俄罗斯南部及欧洲南部的保加利亚、罗马尼亚、塞尔维亚和匈牙利等国,减少最大的区域为非洲南部,减少了60%。④ 各大洲耕地均表现出向高纬扩张的趋势,全球多数国家表现出新增耕地扩张而原有耕地减少的特点。     

2000～2015年中国人工表面变化遥感监测分析

基于时间序列遥感数据获取的多期土地覆被数据对中国人工表面变化信息进行提取和定量评价,进一步分析中国各省市的人均人工表面面积变化趋势,以及7个主要城市群的人工表面变化情况,结果可知:① 2015年中国人工表面的面积总和为29.07万km ²,其中建设用地25.10万km ²、交通用地3.09万km ²、采矿场0.88万km ²;② 2015年人工表面总面积较2010年年均增长为0.66万km ²,年均增速为2.57%,较2000~2010年年均增长0.55万km ²（年均增速2.70%）增速有所放缓。③ 总体上中国大部分行政区的人均人工表面面积近15 a持续提高。     

基于InVEST模型的陕北黄土高原水源涵养功能时空变化

以陕北黄土高原为研究区,基于InVEST水源涵养功能评价模块,定量评价退耕还林还草工程背景下土地利用/覆被变化对研究区水源涵养的影响,在此基础上开展水源涵养空间分区。结果表明：① 2000-2010年,陕北黄土高原草地、灌丛和林地的面积分别增加了3204 km²、285.3 km²和122.7 km²,城镇面积增加了450.4 km²;农田、荒漠、湿地的面积分别面积减少了3984.5 km²、72.7 km²和5.2 km²。② 2000-2010年,陕北黄土高原水源涵养量整体以减少为主,中部减少最为显著,减少量在25 m³/hm²~40 m³/hm²,局部区域在40 m³/hm²以上;其他大部分区域均有0~25 m³/hm²不等的减少。③ 陕北黄土高原水源涵养功能高度重要区和极重要区的总面积为32255.1 km²,所占比例为40.5%。④ 通过陕北黄土高原水源涵养功能评价和重要性分区为生态系统的科学管理提供参考。     

中蒙俄经济走廊土地利用变化格局及其驱动因素研究

中蒙俄经济走廊战略地位显著,研究其土地利用格局变化与机理,对亚欧大陆复杂巨系统的生态环境保护和社会经济可持续发展意义重大。本文基于全球土地覆盖遥感数据和实地考察,对自苏联解体及蒙古私有化以来的1992—2019年,中蒙俄经济走廊土地利用格局及其驱动因素和时空变化规律进行了研究。结果表明：①1992—2019年,中蒙俄经济走廊土地利用变化活跃,土地转换面积为361954 km²,主要表现为林地持续下降,建设用地、耕地面积迅速扩张。② 中国部分的林地呈现先减后增的趋势,2000年后东北平原北部林地增加显著,灌丛与草地、裸地分别净减少13325 km²、16632km²;蒙古国部分的林地、灌丛与草地均呈现先减后增的趋势,而裸地面积先增后减,苏赫巴托尔省、肯特省、东戈壁省和戈壁苏木贝尔省四省交界地带裸地增加明显;俄罗斯部分的林地持续下降,共减少46742 km²,耕地面积增加8478 km²,贝加尔湖周边裸地增加41417 km²;俄蒙边境、色楞格河流域以及中蒙俄铁路沿线地区存在沙漠化风险。③ 人口、经济、产业结构以及政策等是中蒙俄经济走廊土地利用变化的主要因素。2010—2018年,人口密度对转为林地的土地影响最大,其解释力q值为0.2597,GDP总量对转为建设用地、裸地、耕地的影响最大,其解释力q值分别为0.9094、0.2234、0.5518。就三国而言,中国部分主要受人口和经济因素以及退耕还林政策的影响,而蒙古国部分则受私有化后超载过牧及开垦耕地的影响,俄罗斯部分主要是砍伐林地和开垦耕地的影响。本研究结果旨在为中蒙俄经济走廊土地资源可持续利用和管理提供科学依据。     

退耕还林（草）背景下中国北方农牧交错带土地利用及碳储量变化

为明析退耕还林（草）背景下生态环境较为脆弱的北方农牧交错带土地利用及碳储量变化,基于该区2000、2010、2018年土地利用数据,通过动态度、土地转移矩阵,景观指数等指标从土地利用变化的数量、速率以及空间格局特征加以分析,同时基于InVEST模型定量估算了该区近20年来的碳储量变化。结果表明：（1）北方农牧交错带土地利用类型以草地、耕地、林地为主,面积合计逾4.30×10⁵ km²,占比超过91.83%;林地、建设用地显著扩张,草地与耕地有明显减少趋势,同时两者之间流转面积最多,高达1.67×10⁴ km²,研究区景观格局总体上收敛于“集中—分散”;（2）近20年来北方农牧交错带总碳储量51.44—52.81亿t,总体呈增加趋势,碳密度稳定在110 t·hm^-2左右,退耕还林（草）政策下碳储量净增加逾300万t。北方农牧交错带土地利用变化程度较为剧烈,退耕还林（草）政策不仅是土地更迭的主要驱动因素,也是该区固碳功能显著提升的重要原因。     

2010-2015年中国土地利用变化的时空格局与新特征

土地利用/覆被变化是人类活动对地球表层及全球变化影响研究的重要内容。本文基于Landsat 8 OLI、GF-2等遥感图像和人机交互解译方法,获取的土地利用数据实现了中国2010-2015年土地利用变化遥感动态监测。应用土地利用动态度、年变化率等指标,从全国和分区角度揭示了2010-2015年中国土地利用变化的时空特征。结果表明：2010-2015年中国建设用地面积共增加24.6×10³ km²,耕地面积共减少4.9×10³ km²,林草用地面积共减少16.4×10³ km²。2010-2015年与2000-2010年相比,中国土地利用变化的区域空间格局基本一致,但分区变化呈现新的特征。东部建设用地持续扩张和耕地面积减少,变化速率有所下降;中部建设用地扩张和耕地面积减少速度增加;西部建设用地扩张明显加速,耕地面积增速进一步加快,林草面积减少速率增加;东北地区建设用地扩展持续缓慢,耕地面积稳中有升,水旱田转换突出,林草面积略有下降。从“十二五”期间国家实施的主体功能区布局来看,东部地区的土地利用变化特征与优化和重点开发区的国土空间格局管控要求基本吻合;中部和西部地区则面临对重点生态功能区和农产品主产区相关土地利用类型实现有效保护的严峻挑战,必须进一步加大对国土空间开发格局的有效管控。     

1990-2015年中国工矿用地扩张及其对粮食安全的潜在影响

中国城市化和工业化进程所带来的粮食安全问题一直是政府和学术界关注的焦点。中国近25年来快速的城市化与工业化导致耕地资源减少和环境污染加剧,对国家粮食安全和农业可持续发展产生一定影响。本文基于中国土地利用/覆盖变化最新解译结果和中国分县粮食产量数据,重建了中国1 km分辨率的粮食产量空间数据,分析了中国1990-2015年工矿用地扩张及其对粮食产能的影响。结果表明：中国工矿用地面积在1990-2015年间增长了326%,扩张速率从1990-2000年的288 km²/a增加到2000-2010年的1482 km²/a,近5年(2010-2015年)扩张速率最快,达2600 km²/a。过去25年间工矿用地扩张导致耕地面积减少1.7×10⁴ km²,直接导致粮食产能损失约6.49 Mt(10⁶ t),因工矿用地扩张可能会对周边耕地污染等间接影响的粮食产量达83.20 Mt。经评估,国家工矿用地扩张对粮食产能潜在影响总体上是当前粮食总产能的17%。在空间分布特征方面,工矿用地扩张对粮食产能的直接影响呈现由东部沿海地区向西北地区逐渐减小趋势;间接影响在中部和西部地区相对较大。     

中美巴印过去300年耕地时空变化的比较研究

本文利用长时间序列数据,对中、美、巴、印四国过去300 年耕地时空变化特征及驱动因素进行了比较分析。结果表明:①四国耕地总量在过去300 年均呈持续增长态势。中国和印度土地垦殖历史悠久,其中,中国在1700-1980s 耕地面积增加了68.21×10⁴ km²,印度在1700-2000 年增加了131.28×10⁴ km²,为中国的1.92 倍;美国和巴西虽然农业起步较晚,但发展迅猛,其中,美国在1700-1950 年的250 年间耕地面积增长了190.87×10⁴ km²,分别是中国、印度增量的2.80 倍和1.46 倍;巴西在1700-2000 年增加了64.57×10⁴ km²,其中近百年的增量为62.82×10⁴ km²,超过了同期其他三国的增加量。②从空间格局变化特征看,近300 年来,中国和印度均是在已有耕地分布格局的基础上向高原及山地丘陵地区扩展;而美国在“西进运动”的影响下,耕地大规模向中西部拓殖;巴西随着向北西部开发的推进,北部、西部地区的耕地急剧增加。③过去300 年推动四国土地垦殖发展最直接的驱动因素是国家政策,但就根本驱动因素而言,中国和印度是人口,而美国和巴西则是国家财政;在农技发展取向方面,中国和印度选择了精耕细作以提高土地生产率;而美国和巴西则选择了机械化以提高劳动生产率。     

基于GEE和遥感大数据的1986—2015年全球城镇用地扩张占用水体时空特征

以全球年度城市动态数据（GAUD）和全球地表水动态数据集（GSW）为基础数据,利用Google Earth Engine（GEE）解析了1986—2015年全球城镇用地扩张占用永久性和季节性水体的时空分布特征。研究发现：30 a间全球城镇用地扩张直接占用水体的面积为1 033.2 km²,其中包括季节性水体711.7 km²和永久性水体321.5 km²,呈现先增加后降低的变化趋势。亚洲是城镇用地扩张占用水体面积最多的大洲,其次是北美洲和欧洲,占用水体的面积分别为799.4 km²、122.5 km²和61.1 km²。欧洲是唯一以占用永久性水体为主的大洲。陆地面积排名前十的国家中,中国、美国和印度是城镇用地扩张占用水体面积最多的国家,占用水体的面积分别为573.1 km²、109.6 km²和24 km²。以占用永久性水体为主的国家是俄罗斯和阿尔及利亚。尽管世界各国在水资源保护方面做出了巨大努力,但实现联合国可持续发展目标背景下,需防控更多的水体因城镇用地扩张而消失。     

近30年苏北滨海滩涂湿地演变特征与空间格局

苏北滨海滩涂湿地位于现代长江口与废黄河口之间,是最典型的淤泥质平原海岸,其演变特征及空间格局具有鲜明的特征。本文选用1980年、1992年、2008年的TM 和ALOS影像为主要数据源,构建了基于空间分割和转移矩阵分析模型,研究了近30年来苏北滨海滩涂湿地的演变特征及其空间格局。结果表明： ①苏北滨海滩涂发生了巨大变化,近30年间滩涂总面积减少了1273.11 km²,平均每年减少45.47 km²;滩涂湿地侵蚀/淤积面积约965.14 km²,0 m等深线冲刷后退减少的面积约为307.97 km²。②苏北滨海滩涂湿地区域差异性明显。南北方向上可划分为6个自然地理单元,东西方向上可划分为3个区域。③苏北滨海滩涂湿地演变中,湿地转型、湿地丧失和湿地演替分别占总面积的38.39%、14.80%、20.51%;其中天然湿地减少354.1 km²,人工湿地增加1061.45 km²,非湿地增加253.09 km²。④滩涂湿地主要植被群落演替特征和空间分布也呈现出差异性。湿地演替主要发生在净变区,与对应岸段的海岸侵蚀/淤积类型基本吻合。     

2000-2015年城市和工矿用地扩张对净初级生产力的影响

中国近15 a来快速的城市化和工业化对陆地净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）的影响是关系到碳循环和全球变化效应的重要问题。首先,本文基于VPM（Vegetation Photosynthesis Model）模型得到NPP数据,基于中国土地利用数据集（National Land Use Datasets of China（NLUD-China））获取2000-2015年城市和工矿用地数据,然后通过邻域替代法模拟2000-2015年间因中国城市和工矿用地扩张损失的陆地NPP。结果表明：2015年城市和工矿用地占中国国土总面积的1.2%,在2000-2015年间面积增加了70×10³ km²。城市和工矿用地扩张导致陆地NPP损失1.24 TgC·a^-1到3.14 TgC·a^-1,在2005-2010年损失NPP最多（3.14 TgC·a^-1）。耕地被建设用地占用是造成中国陆地NPP损失的重要原因,在2010-2015年共有13×10³ km²的耕地被城市和工矿用地占用,因此损失的NPP达1.51 TgC·a^-1,占中国城市和工矿用地扩张损失NPP总量的82%。从时空分布特征来看,21世纪初剧烈的城市扩张造成沿海和中部地区NPP损失严重（2000-2005年沿海地区主要因城市扩张损失NPP高达0.82 TgC·a^-1）,而2010-2015年主要因工矿用地扩张使西部地区NPP损失升高（在2010-2015年因工矿用地扩张损失NPP 0.46 TgC·a^-1,占中国NPP损失总量的30.81%）,NPP损失量呈现出从东高西低逐渐过渡到东西平衡的时空格局。从影响上分析,城市和工矿用地不透水地表比例（0.59±0.19）高于自然植被的不透水地表比例（0.29±0.14）,并且城市内部透水地表的平均标准化NPP（0.9）低于自然植被的平均标准化NPP（1.1）,是造成城市和工矿用地损失NPP的主要原因。