Spatial distribution and temporal changes of facility agriculture on the Tibetan Plateau
WEIHui1,2,, LVChanghe1,2,, LIUYaqun1,2, YANGKaijie3 1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China3. Forestry College, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China 通讯作者:通讯作者:吕昌河,男,山东莱芜人,研究员,主要从事土地利用相关研究。E-mail: luch@igsnrr.ac.cn 收稿日期:2018-12-19 修回日期:2019-01-13 网络出版日期:2019-06-25 版权声明:2019《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部 基金资助:中国科学院战略性先导科技专项(A类)“丝路环境”子课题“青藏高原农业发展与水土资源高效利用(XDA20040301)” 作者简介: -->作者简介:魏慧,女,山东潍坊人,博士生,主要从事土地利用相关研究。E-mail: irene1993weihui@163.com
关键词:设施农业;空间分异;时空变化;高分影像;青藏高原 Abstract During the past decade, the rapid growth of facility agriculture has been a new highlight of agricultural development in the Tibetan Plateau. Revealing the spatial distribution and change characteristics of facility agriculture is helpful for understanding its development trend and can provide supports for its planning and spatial layout on the plateau. Based on the high-resolution imagery data of Google Earth in 2018, this study obtained and revealed the spatial distribution of facility agriculture on the plateau by visual interpretation combined with geostatistical analysis. Further, the spatiotemporal changes of facility agriculture in Xining and Lhasa Cities were analyzed based on high-resolution images of 2008 and 2018. The results show that: (1) In 2018, the total area of facility agriculture on the Tibetan Plateau was 7821.74 hm2, mainly distributed at the periphery of cities in river basins, roughly in line with the rivers. Of the total facility agriculture lands, 58.10% was distributed in Qinghai Province and 36.49% in Tibet Autonomous Region; (2) Facility agriculture showed a significant altitudinal differentiation under the influence of topographic factors. The land was distributed between 1400 m and 4600 m, mostly concentrated in two elevation zones of 2200~2600 m and 3600~3700 m; (3) Facility agriculture grew rapidly in Xining and Lhasa Cities from 2008 to 2018, with the area increased from 293.73 hm2 and 429.01 hm2 to 2111.45 hm2 and 1422.30 hm2, respectively. At the same time, more than 60% of facility agriculture lands in the urban areas was occupied by built-up land, resulting in significant changes in the spatial pattern; (4) There is a good prospect for the development of facility agriculture in the region because of strongly anticipated growing demands for vegetables and melons driven by the rapid urbanization and tourism development. To that end, a general planning for facility agricultural development is needed in order to avoid the lands being frequently changed and resulting in wasteful use, improve the situation of highly depending on single type of greenhouses, and avoid possible ecological problems such as plastic pollution.
本文所用数据主要为0.24 m (19级)~0.48 m (18级)分辨率的Google Earth高分卫星影像。首先,以青藏高原区域范围矢量图[27](地理坐标系为GCS-WGS-1984,投影坐标系为WGS-1984-UTM-Zone-47N)为边界,主要基于2017年11月—2018年11月的卫星影像(基于该时段卫星影像解译所得设施农业面积占青藏高原设施农业总面积的86.87%),通过目视解译获取青藏高原全区2018年设施农业用地。其中,70.47%和16.40%的设施农业用地分别基于2018年和2017年11—12月份的卫星影像获取;其余13.13%的设施农业零星分布在人口稀少的西藏西北部、青海西北部和新疆地区,由于近期影像数据缺失,因此,采用2010年10月—2017年10月的高分影像提取。将基于Google Earth获取的解译数据存储为kml文件,然后利用ArcGIS10.5的转换工具将其转为shp文件,通过其空间分析工具识别青藏高原设施农业空间分布特征。基于Google Earth获取设施农业地块的海拔信息,以100 m间隔为单位,利用Excel统计不同海拔条件下的设施农业面积及其占比,结合研究区30 m DEM(数据来源于https://gdex.cr.usgs.gov/gdex/)识别其垂直分异特征。 其次,鉴于获取青藏高原全区早期高分影像较为困难,加之设施农业多分布在主要城市及其周边,本文选择西宁市和拉萨市为典型区,基于2008年和2018年两期Google Earth高分影像(分辨率均为0.24~0.48 m,拍摄日期分别为2007.11—2008.12和2017.11—2018.11),通过目视解译获取两市的设施农业用地。运用ArcGIS 10.5的空间分析功能,识别两市设施农业用地的时空变化特征(图1)。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图1研究技术路线图 -->Figure 1Technical roadmap of the study -->
本文采用的影像分辨率高,设施农业用地多为宽度基本一致、长度有所变化的规则矩形,建筑规范,加之塑料覆膜反射率高,使得影像中设施农业用地的形状清晰可辨(图2),与其他地类相比具有很好的可分性,保证了解译结果的准确性。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图2青藏高原设施农业高分影像图示 -->Figure 2Sample images of facility agriculture on the Tibetan Plateau -->
3 结果与分析
3.1 设施农业面积及区域差异
青藏高原地区城市和人口主要聚集在河谷地区。受此影响,设施农业的分布与河流走向十分吻合,大致沿河流两岸呈串珠状的空间分布态势(图3)。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图32018年青藏高原设施农业空间分布 -->Figure 3Spatial distribution of facility agriculture on the Tibetan Plateau, 2018 -->
统计分析显示,2018年青藏高原地区共有设施农业面积7821.74 hm²,集中分布在西藏南部、东南部和青海东部的主要城市及其周边地区(图3)。西宁、拉萨、日喀则等较大城市及其周边人口密集,设施农产品的需求量大,交通运输便利是形成这一分布态势的主要原因。在川西、甘肃西部和云南东北部等地区,城镇规模较小,因此,设施农业的分布较为均匀,零散分布在整个区域内。在省级尺度,青海省设施农业面积最大,达4544.56 hm²,占全区设施农业总面积的58.10%;西藏自治区次之,设施农业面积为2854.46 hm²,占36.49%;甘肃和四川省设施农业占地面积十分接近,分别为225.92和154.04 hm²;云南省设施农业面积最少,仅42.76 hm²,占比0.55%(表1)。 Table 1 表1 表1青藏高原设施农业在各省区的分布情况 Table 1Distribution of facility agriculture in provinces/autonomous region of the Tibetan Plateau
高海拔是青藏高原地区自然环境的主要特色。受特殊自然环境的影响,研究区设施农业在不同海拔高度下的面积及其占比不同,沿海拔高度呈现显著的垂直分异特征(图4)。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图4青藏高原不同海拔梯度下的设施农业分布情况 注:“面积向上累积频率”代表某一海拔上限(≤ 此海拔上限)内设施农业面积占总面积的百分比。 -->Figure 4Distribution of facility agriculture in different elevation zones on the Tibetan Plateau -->
西宁和拉萨两市设施农业分布集中,分别占青海省和西藏自治区2018年设施农业总面积的46.46%和49.83%。根据可获取的影像数据,对两市2008—2018年设施农业近十年间的时空变化特征分析(图5,图6)发现,两市设施农业用地增长迅速,分别增加6.19倍和2.32倍。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图52008—2018年西宁市设施农业的时空变化 -->Figure 5Spatiotemporal changes of facility agriculture in Xining City, 2008-2018 -->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图62008—2018年拉萨市设施农业的时空变化 -->Figure 6Spatiotemporal changes of facility agriculture in Lhasa City, 2008-2018 -->
西宁市设施农业面积从2008年的293.73 hm2增至2018年的2111.45 hm2,增长了6.19倍。通过空间分析发现,10年间设施农业空间变化显著,2008年的设施农业有173.96 hm2(约占60%)在2018年转化为建设用地,只有119.77 hm2未发生变动(图5)。新增面积1991.68 hm2,增长了10.57倍,且集中于湟中县。减少的设施农业用地主要分布在市区、湟中县和大通县,其中有104.62 hm2转化为建设用地,占设施农业减少部分总面积的60.14%。从空间分布格局上看,2008年西宁市设施农业主要聚集在市区、湟中县和大通县(占比均在30%以上),呈“多中心”分布格局;10年间,设施农业逐渐向湟中县聚集,形成“以湟中县为主体,市区和大通县为两翼”的分布格局。其中,湟中县设施农业面积占比从2008年的31.44%增至2018年的50.60%,主体地位日益凸显。 拉萨市设施农业面积从2008年的429.01 hm2扩大到2018年的1422.30 hm2,增长了2.32倍,呈由市区向外围蔓延的发展态势(图6)。市区设施农业空间变动较大,2008年拉萨市设施农业主要集中在市区,但到2018年大部分已被占用。统计分析发现,全市仅有96.62 hm2(22.52%)的设施农业用地得以保留,而77.48%(333.39 hm2)的设施农业用地被转为其他用地,其中294.46 hm2被建设占用,占设施农业用地减少面积的88.32%。从空间格局上看,拉萨市区设施农业面积呈减少趋势,面积占比从2008年的80.38%降至2018年的29.46%。全市2008—2018年新增设施农业用地1325.68 hm2,主要分布在曲水、达孜和堆龙德庆区,分别增加372.19 hm2、315.12 hm2和185.88 hm2。由此导致拉萨市设施农业从2008年的市区“一枝独秀”,转变为2018年的以市区为中心,市区、曲水、达孜和堆龙德庆区“四足鼎立”的分布格局。 分析西宁和拉萨2008—2018年设施农业空间蔓延与建设用地扩张的空间位置关系(图7)发现,两市新增设施农业用地与建设用地扩张方向一致,呈由市区向外围不断蔓延的空间发展态势。主要原因是城市快速发展导致市区建设用地紧张,致使市区内部设施农业用地转化为建设用地,而设施农业用地被政府安排到市郊,且占比下降;其次是城市扩张引起人口聚集使设施农产品需求量上升,进而带动了城市周边设施农业的发展。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图7设施农业发展与建设用地扩张的空间关系 -->Figure 7Spatial relationship between facility agriculture development and construction land expansion -->
本文基于米级分辨率的Google Earth高分影像,获取并识别了青藏高原设施农业的现状分布格局;并以西宁和拉萨为典型区,探讨了两地2008—2018年间设施农业的时空变化。结果表明: (1)得益于“菜篮子”工程、城市化和旅游业快速发展的拉动,近10年来青藏高原设施农业发展迅速。2018年全区共有设施农业面积7821.74 hm2,且集中在青海和西藏,两者面积占比高达94.59%。受人口和城市主要聚集在河谷地区的影响,设施农业大致沿河流两侧呈串珠状分布。 (2)青藏高原设施农业分布的海拔上限和下限分别为4600 m和1400 m,且以海拔2200~2600 m和3600~3900 m高程区间分布最为集中。西宁、拉萨、林芝和日喀则等大城市的人口在两个海拔高程区间的集中分布是造成设施农业现状分布格局的主要原因。 (3)2008—2018年西宁和拉萨设施农业增长迅速。受城市建设的影响,两市新增设施农业用地与建设用地扩张方向一致,呈由市区向外围不断蔓延的空间发展态势。 (4)设施农业的快速发展,较好地满足了青藏高原城市发展和人口聚集对蔬菜、瓜果等设施农产品的需求,显著提高了当地的蔬菜自给率,但也存在温室类型单一、变动频繁和“过程性浪费”等问题。未来10年,青藏高原城市、经济和旅游业仍呈快速增长态势,设施农业发展前景良好。当地政府应加强用地规划和保护,促进设施农业有序和良性发展,使其成为青藏高原特色农业的新名片。 The authors have declared that no competing interests exist.
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