基于3S技術(shù)的荒漠綠洲土地利用／土地覆被變化特征
——以新疆巴里坤縣為例

高 偉，李小鋒，郭正剛

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州730020）

土地是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)性自然資源［1］，因此土地利用／土地覆蓋變化（Land－Use and Land－Cover Change，LUCC）詮釋了某一區(qū)域內(nèi)人類活動對自然環(huán)境的影響過程［2］，成為自然資源和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的前沿和熱點科學(xué)問題之一［2－3］。信息技術(shù)的發(fā)展促進了3S技術(shù)在LUCC研究中的應(yīng)用［4－6］，實現(xiàn)了解析 LUCC的時空變化格局，以及物質(zhì)循環(huán)和能量流動在各種土地利用類型間的關(guān)系［7－8］，從而有助于揭示區(qū)域內(nèi)的生態(tài)過程及其后果。如內(nèi)蒙古東部科爾沁沙區(qū)草地轉(zhuǎn)換為耕地后，土壤全氮基臺值和空間相關(guān)度增加，變程和分數(shù)維減少［9］，西部額濟納旗從1987年到2001年天然綠洲與水域面積急劇縮減，荒漠化程度加劇，景觀多樣性與景觀異質(zhì)性程度減小，景觀穩(wěn)定性降低［10］。三江平原地區(qū)在過去50年內(nèi)耕地增加，而濕地、林地與草地減少，其減少的絕大部分轉(zhuǎn)置為耕地，草地面積比例從9．13%縮減為3．86%，而居民和工業(yè)用地快速增長［11］。黃土高原延安市的羊圈溝流域，1996年比1984年坡耕地減少了43%，林地和草地分別增加了42%和5%，土壤侵蝕量減少24%［8］，其景觀類型變化的主要驅(qū)動力是退耕還林還草工程［12］，說明國家土地利用政策對土地利用景觀類型間的轉(zhuǎn)置具有重大的影響［13］。

以荒漠為背景基質(zhì)的我國西北地區(qū)，面積約占我國國土面積的11．4%［14］，既是歐亞大陸通道的核心分布區(qū)，又是我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。近年來，我國在西北地區(qū)先后實施了退牧還草、退耕還林還草、城鎮(zhèn)化建設(shè)、牧民定居等眾多生態(tài)工程和政策［13，15－16］，這些工程和政策均不同程度地引起區(qū)域內(nèi)土地利用格局的變化，進而影響區(qū)域內(nèi)的生態(tài)進程。然而，目前關(guān)于我國西北地區(qū)近10年來土地利用變化的研究相對較少［10，12，17］，且多采用傳統(tǒng)的土地利 用現(xiàn)狀調(diào)研解析方法解釋農(nóng)業(yè)用地的變化格局［11－15］，不能及時動態(tài)地反映荒漠綠洲整體景觀類型的空間變化規(guī)律。本研究以新疆巴里坤哈薩克自治縣（巴里坤縣）為例，采用3S技術(shù)分析該縣1980－2008年的土地利用變化過程，以期為荒漠綠洲區(qū)土地資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

巴里坤縣位于天山山脈東段與東準噶爾斷塊山系之 間，地 理 坐 標 為 91°19′30″～94°48′30″E，43°21′～45°5′19″N，全縣土地面積38 445．3km2，東西長276．4km，南北寬180．6km。地形呈三山夾兩盆地的格局，南部是巴里坤山，中部是莫欽烏拉山，北部是東準噶爾斷塊山系，兩個盆地是巴里坤盆地和三塘湖盆地。平均海拔3 300m，最高海拔4 308m。氣候為中溫帶干旱氣候，暖季涼爽，冷季嚴寒，光照充足，無霜期短，降水偏少，蒸發(fā)量較大，氣溫年、日變化大，年平均氣溫1°C，極端最高氣溫42℃，最低氣溫－43．6℃。自漢朝以來，該區(qū)一直是游牧民族的重要牧場和漢族的重要屯墾基地，不同時期的政策均影響著土地利用類型的轉(zhuǎn)變和土地覆蓋度的變化［18］。

2 研究方法

2．1 數(shù)據(jù)來源及處理 數(shù)據(jù)來源有1980年1∶25萬土地覆蓋數(shù)據(jù)（來自“地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺”），1994和2008年Landst TM 影像，巴里坤縣1∶10萬和1∶5萬地形圖，巴里坤縣1995和2002年土地利用現(xiàn)狀圖，巴里坤縣人口、氣象、社會經(jīng)濟、土地利用狀況和水文等方面多年統(tǒng)計資料。首先利用ERDAS IMAGINE 9．0對 TM 遙感影像進行坐標轉(zhuǎn)換、幾何校正等處理，根據(jù)地表景觀特征建立解譯標志和景觀分級類型；然后在ArcGIS 9．3軟件支持下，采用人－機交互的方式和野外核查方法解譯編制3期土地利用類型圖，并對其進行統(tǒng)計分析。

2．2 土地利用及景觀分類 本研究依據(jù)1980年1∶25萬土地覆蓋數(shù)據(jù)以及土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)劃分方法，將巴里坤縣土地根據(jù)利用類型劃分為草地、林地、耕地、水域、居民及工礦用地、未利用地六大類。其中，草地包括高覆被度草地、中覆被度草地和低覆被度草地，林地包括有林地、灌木林地、疏林地和其他林地，水域包括河流及渠道、湖泊、水庫、灘地、沼澤地，居民及工礦用地包括城鎮(zhèn)居民用地、農(nóng)村居民用地、建設(shè)用地和工礦用地，未利用地包括沙漠、戈壁、鹽堿地和裸地［8，11］。

2．3 數(shù)據(jù)分析 選用土地利用變化幅度、單一土地利用類型動態(tài)度、土地利用綜合動態(tài)度評價土地利用變化過程及幅度［11，19］。

2．3．1 土地利用變化幅度 主要描述研究時段某一特定區(qū)域在某一土地利用面積的變化率，計算公式為：

式中，Ua和Ub分別代表研究初期和研究末期某一土地利用類型面積，R為研究時段內(nèi)某種土地利用類型的變化幅度。

2．3．2 單一土地利用的動態(tài)度 主要定量地描述某一特定區(qū)域在一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的變化速度，計算公式為：

式中，T為研究步長（研究初期與研究末期間隔時間）。當T設(shè)定為年時，K為研究時段內(nèi)某種土地利用類型的年變化率。

2．3．3 綜合土地利用動態(tài)度 可描述研究時段的區(qū)域土地利用變化速度，計算公式為：

式中，LC是研究時段內(nèi)綜合土地利用動態(tài)度，LUi為監(jiān)測起始時間i類土地利用類型面積，ΔLUi－j為監(jiān)測時段i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類 （j類，j＝1，…，n）土地利用類型面積的絕對值，T為監(jiān)測步長（研究初期與研究末期間隔時間）。當T設(shè)定為年時，LC的值就是該研究區(qū)的土地利用年變化率。

2．3．4 土地利用轉(zhuǎn)移率 運用ArcGIS軟件空間分析模塊的交叉分析工具（Intersect）。打開已經(jīng)解譯編制好的3期土地利用類型圖進行疊加運算，并進行統(tǒng)計分析，得到各個時期之間的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，并計算出土地利用轉(zhuǎn)化率。土地利用轉(zhuǎn)移率可描述研究時段內(nèi)土地利用類型間的轉(zhuǎn)移比率［23］，計算公式為：

式中，Pij為研究時段內(nèi)土地利用類型i轉(zhuǎn)化為類型j的轉(zhuǎn)移比率；Aij為土地利用類型i轉(zhuǎn)化為j的面積；Ai為土地利用類型i在研究時段初期的面積。

3 結(jié)果與分析

3．1 巴里坤縣土地利用／土地覆被總體變化特征 巴里坤縣1980、1994和2008年3個時段的未利用地和草地在土地利用景觀類型占據(jù)主體的格局沒有明顯變化，均表現(xiàn)為未利用地面積最大，草地次之，但3個時段各個土地利用類型所占的比例發(fā)生了明顯變化，且面積較小的土地利用景觀類型排序有所變化（表1）。1980－1994年，林地所占面積從原來的第5升至第3，而耕地面積從原來的第3降至第4，居民和工礦用地面積從原來的第6升至第5，水域面積減至最少；1994－2008年，土地利用類型的面積排序基本沒有發(fā)生變化，但各個土地利用類型的面積和比例發(fā)生了顯著變化，未利用土地變化從70%下降到42%，而草地面積從23%增至42%，林地從4．63%增至9．87%，土地利用景觀類型的變化反映了過去近30年來巴里坤縣農(nóng)業(yè)政策的作用及其后果。

表1 1980、1994和2008年巴里坤縣不同利用類型的土地面積Table 1 Land area of use types at the different times in the Barkol Kazakhstan Autonomous Countyhm2

3．2 巴里坤縣土地利用變化幅度 土地利用變化幅度反映了各個土地利用類型的絕對變化趨勢。1980－1994年，巴里坤縣的林地、耕地、居民及工礦用地和未利用地呈增加態(tài)勢（表2）。其中，林地增幅最大，為835．36%；其次是居民及工礦用地、耕地和未利用地，其增幅分別為40．38%、11．40%和0．84%；水域和草地面積呈顯著減少態(tài)勢，減幅分別為36．14%和16．44%。6種土地利用類型中林地變化最大，未利用地面積變化最小。1994－2008年土地利用類型變化趨勢和1980－1994年的變化趨勢不完全一致，其中水域和未利用地面積減少，草地、耕地、居民及工礦用地和林地面積增加，變幅最大的是居民及工礦用地，最小的是水域。水域和林地面積在1994－2008年時段的變幅比1980－1994年時段的變幅小，而其他4種土地利用類型面積在1994－2008年時段的變幅比1980－1994年時段的變幅大。1980－2008年的28年間，整體表現(xiàn)為水域和未利用地面積減少，水域減少最大，而草地、耕地、居民及工礦用地和林地的面積增加，其中林地增幅最大，居民及工礦用地增幅次之。

3．3 巴里坤縣單一土地類型的動態(tài)度 單一土地利用的動態(tài)度反映了單位時間內(nèi)土地類型利用模式的變化速率。1980－1994年，巴里坤縣土地利用變化速率最快的是林地，高達59．67%，居民及工礦用地以2．88%的速率占據(jù)第2，變化速率最小的是未利用地，僅為0．06%（表3）。1994－2008年，土地利用變化速率最大的為居民及工礦用地，超過了50%，林地變化速率退居第2，變化速率最小的是水域，僅為1．21%，而未利用地的變化速率有所上升，從0．06%增至2．56%。1980－2008年的28年內(nèi)，土地利用變化速率最大的是林地，居民及工礦用地第2，兩者類型的變化速率均超過50%，變化速率最小的是未利用地。草地和未利用地有增有減，而耕地、居民及工礦用地、林地是持續(xù)增加，水域是持續(xù)減少。

3．4 巴里坤縣綜合土地利用動態(tài)度 綜合土地利用動態(tài)度總體上反映了區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型間的轉(zhuǎn)化速率。研究結(jié)果表明，新疆巴里坤縣在過去的28年中，綜合土地利用動態(tài)度表現(xiàn)為增加趨勢，從1980－1994的0．59%增至1994－2008年的0．67%（圖1），說明巴里坤縣各種土地利用類型間的轉(zhuǎn)化速率加快，側(cè)面佐證了有關(guān)土地利用的政策調(diào)整次數(shù)增加，且力度加大。

表2 巴里坤縣不同時段土地利用、變化幅度Table 2 The extents of land use change at different times in the Barkol Kazakhstan Autonomous County %

表3 巴里坤縣不同時段單一土地類型的動態(tài)度Table 3 Land dynamic degree of a single type at different times in the Barkol Kazakhstan Autonomous County %

3．5 土地利用／土地覆被變化過程分析1980－1994年，巴里坤縣草地面積保持率為83．48%，14．60%轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀?．47%轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫兀?．41%變?yōu)楦兀?．02%變?yōu)榫用窦肮さV用地，僅有0．03%變?yōu)樗颍ū?），說明此階段草地減少的絕大部分轉(zhuǎn)置為林地。耕地保有率為96．10%，僅有0．36%和1．64%轉(zhuǎn)化為居民及工礦建設(shè)用地和未利用地，而未利用地成為耕地轉(zhuǎn)化的主體，其原因可能是因耕地質(zhì)量下降棄耕所致。未利用地僅有0．05%轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，主要是將立地條件較好的地段墾殖為農(nóng)田，滿足耕地需求的增加。林地和居民及工礦用地自身保留100%，居民及工礦用地增加面積主要由草地和耕地轉(zhuǎn)變而來，林地增加面積主要由草地轉(zhuǎn)變而來；水域面積保持63．70%，減少6 585．996 2hm2，主要是地下水位下降和局部地區(qū)因灌溉形成次生鹽堿灘，然后轉(zhuǎn)變成未利用地或建設(shè)用地，其中35．12%的水域面積轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫兀?．62%轉(zhuǎn)變?yōu)榫用窈凸さV用地。1980－1994年巴里坤縣水域和草地轉(zhuǎn)置為其他土地利用類型的面積較大，而耕地、居民及工礦用地、林地和未利用地的轉(zhuǎn)置力度相對較少。

圖1 巴里坤縣不同時段土地利用類型綜合動態(tài)度Fig．1 Comprehensive land use dynamic degree at the different times in the Barkol Kazakhstan Autonomous County

表4 巴里坤縣1980－1994年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 The land－use transfer matrix from 1980to 1994in the Barkol Kazakhstan Autonomous County hm2

表5 巴里坤縣1994－2008年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 The land－use transfer matrix from 1994to 2008in the Barkol Kazakhstan Autonomous County hm2

1994－2008年，草地保留率為83．40%，而16．60%的草地轉(zhuǎn)移為其他土地利用類型，其中9．74%的草地轉(zhuǎn)移為未利用地（表5），1．24%的草地面積被墾殖為耕地。耕地轉(zhuǎn)移率為20．10%，其中11．86%轉(zhuǎn)置為草地。居民及工礦用地沒有向林地和水域轉(zhuǎn)移，分別向草地、耕地和未利用地轉(zhuǎn)移了15．57%、18．10%和2．49%。林地轉(zhuǎn)移最為明顯，保持率僅為33．54%，轉(zhuǎn)移率高達66．46%，其中轉(zhuǎn)置為草地的面積的為64．84%。水域轉(zhuǎn)移率雖然高達67．47%，但實際轉(zhuǎn)移面積僅為8 437．793hm2，其中轉(zhuǎn)移為草地的面積為41．80%，未利用地的面積為19．39%。未利用地轉(zhuǎn)移率為39．27%，主要轉(zhuǎn)移為草地和林地，分別占28．28%和10．05%。

28年間，雖然各個土地利用類型間發(fā)生互相轉(zhuǎn)置，但整體表現(xiàn)為草地、耕地、居民及工礦用地、林地的面積增加，其中草地增加面積最大，居民及工礦用地的增幅最大，2008年是1980年的25倍，而水域和未利用地的面積減少，水域的降幅最大，幾乎縮小了50%，未利用地面積減少最大，約為90萬hm2。

4 討論

3個時段土地覆蓋類型資料分析結(jié)果說明，1980－2008年，新疆巴里坤縣居民及工礦用地、耕地和林地持續(xù)增加；水域持續(xù)減少；草地雖然先減少后增加，但整體呈增加趨勢；未利用地先增加后減少，但整體減少。1980－1994年和1994－2008年兩個時段的土地利用類型綜合動態(tài)度增加，說明土地利用變化速度加快，未利用地被耕地、居民及工礦用地等替代，擴大了耕地等面積。草地面積開始減少主要包括，部分草地被墾殖為耕地，部分被種植樹木，部分因鹽漬化而棄用［9］，后期草地面積增加的原因包括，第一，氣溫升高，天山北坡大面積冰川積雪融速加快，一些原本條件惡劣、無法利用的高寒草甸得以利用［10］；第二，水域逐漸干涸而演變?yōu)椴莸兀?1］；第三，耕地棄耕演變?yōu)椴莸兀?2］；第四，1980－1994年種植的樹木因生態(tài)位錯位而不能生長，又退為草地；第五，牧區(qū)移民定居工程使部分居民及工礦用地轉(zhuǎn)置為草地［14］。林地面積增大，其主要原因是1980－1994年的西北地區(qū)種草種樹和1994－2008年的退耕還林工程，雖然新建林地部分發(fā)生轉(zhuǎn)置為其他土地利用類型，但持續(xù)不斷的種樹造林工程仍然擴大了林地的面積。兩個時段土地轉(zhuǎn)移率的變化過程說明，目前新疆巴里坤縣土地利用變化強度大于1980－1994年，我國在西北荒漠地區(qū)針對性的生態(tài)工程，政策調(diào)整更為密集和頻繁。新疆巴里坤縣土地利用變化過程基本反映了我國西北荒漠綠洲區(qū)土地利用和覆蓋的變化過程，更揭示了國家層面的政策和工程措施對土地利用類型的調(diào)控作用。

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