基于GIS的新疆喀什地區(qū)耕地變化及驅動力研究

摘要：利用1990-2009年喀什地區(qū)長序列、多時相遙感影像圖，獲取了1990年初期、2000年末期、2009年末期的土地利用/覆蓋分類圖，結合喀什地區(qū)各項統(tǒng)計資料，闡述了喀什地區(qū)耕地總面積以及人均耕地面積變化趨勢。利用Arc/Info 9.3對研究區(qū)域的耕地動態(tài)變化程度進行了分類，并且重點討論了影響研究區(qū)域耕地變化的驅動力因子。結果表明，①喀什地區(qū)耕地在1990-2009年呈現(xiàn)先緩慢上升再緩慢下降最后快速上升的三個階段。②對研究區(qū)域的耕地相對變化率（RID）進行統(tǒng)計分析，位于北部的巴楚縣RID相對較高，位于南部的塔什庫爾干塔吉克自治縣和葉城縣RID相對較低。③研究區(qū)域驅動力因素與人口因子、經濟發(fā)展因子、農業(yè)生產因子高度相關。綜上所述，近20年喀什地區(qū)耕地時空變化是自然地理條件和人類活動綜合作用的結果。

關鍵詞：遙感影像；耕地；驅動力；喀什地區(qū)

中圖分類號：F224.0；F323.211 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4560-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.050

Abstract： Base on Kashgar area long sequences and multiple remote sensing image from 1990 to 2009， the land use / cover classification map was obtained in the early 1990，the late 2000 and the late 2009. And Kashgar area's statistical data was obtained to introduce the total area of arable land and per capita cultivated land change trend. The dynamic changes of cultivated land in the study area were classified by Arc/Info 9.3 and the driving force factors affecting the change of cultivated land were discussed. The results showed that ①cultivated land in Kashgar region presented three trend of slow rise， slow down and rapidly rise.②The relative change rate of cultivated land in study area were analyzed， the change rate in Bachu area located in north was relatively higher， while the Taxkorgan autonomous county and Yecheng County located in the south was relatively lower. ③the driving forces were related to the factors of population， economic development and agricultural production. Overall，the temporal and spatial changes of cultivated land in Kashgar region was due to the comprehensive effects of natural geographical conditions and human activities.

Key words： remote sensing image； cultivated land； drive forces； Kashgar area

耕地是國家生態(tài)安全的重要保障[1-4]，耕地作為干旱區(qū)綠洲的精華，其動態(tài)變化無疑影響地區(qū)可持續(xù)發(fā)展問題[5-9]?？κ驳貐^(qū)是新疆重要的綠洲縣市聚集地，地理位置、土地利用、經濟快速發(fā)展和廣東、上海、深圳等大城市對喀什地區(qū)的大力援助使其具有一定的代表性。對喀什地區(qū)耕地變化驅動力的研究，不僅為喀什地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供依據，也對新疆其他地州的耕地保護工作有重要的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

喀什地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，地處東經71°39′～79°52′、北緯35°28′～40°16′，是古絲綢之路的重要貿易區(qū)。東臨塔克拉瑪干大沙漠，東北與柯坪縣、阿瓦提縣相連，西北與阿圖什市、烏恰縣和阿克陶縣相連，東南與皮山縣相連，西部與塔吉克斯坦相連，西南與阿富汗、巴基斯坦接壤。邊境線總長888 km。周邊鄰近國家還有吉爾吉斯斯坦、烏茲別克斯坦、印度3個國家。全區(qū)行政總面積16.2萬km2，東西寬約750 km，南北長535 km?？κ驳貐^(qū)由1個縣級市（喀什市），1個自治縣（塔什庫爾干塔吉克自治縣），10個縣（疏附縣、疏勒縣、英吉沙縣、岳普湖縣、伽師縣、莎車縣、澤普縣、葉城縣、麥蓋提縣、巴楚縣）組成?？κ驳貐^(qū)1990年耕地總面積為39.241萬hm2，2009年耕地總面積為54.843萬hm2，1990年地區(qū)總人口為280.94萬人，截至2009年末，喀什地區(qū)總人口數(shù)為397.93萬人。

1.2 研究方法

在GIS技術支持下，以縣域為單位，全面分析了新疆喀什地區(qū)20年來耕地的時空變化規(guī)律和空間變化趨勢。運用SPSS19和Execl 2010統(tǒng)計軟件和主成分分析法，選取與耕地動態(tài)變化密切相關的因子進行分析，并建立多元回歸模型。①對喀什地區(qū)20年來耕地數(shù)量、人口數(shù)量、人均耕地面積進行統(tǒng)計分析，并對其變化特征進行闡述。②根據統(tǒng)計數(shù)據，對喀什地區(qū)各縣市的耕地變化率（RID）進行計算，并利用Arcgis 9.3畫出空間分布圖。③根據政府統(tǒng)計公報及實地調研分析喀什地區(qū)20年耕地變化的驅動因素，利用回歸分析方法對耕地變化與經濟發(fā)展因素的關系進行定量表達，對喀什地區(qū)的耕地變化人文驅動機制作進一步說明。

1.3 數(shù)據來源

基礎數(shù)據包括喀什地區(qū)數(shù)據庫中1990年土地利用數(shù)據；2000年、2009年土地利用數(shù)據；喀什地區(qū)1990年、2000年、2009年的TM遙感影像；2009年4～9月的中巴資源衛(wèi)星數(shù)據；來自新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計年鑒（1978-2009）的人口、GDP、工業(yè)、糧食產量等數(shù)據；喀什地區(qū)統(tǒng)計年鑒（1990-2009）。

土地利用數(shù)據采用國家全國土地分類系統(tǒng)，利用Envi 4.8軟件分別對3幅遙感影像進行波段合成、輻射校正、幾何糾正、圖像整飾、投影變換、鑲嵌、特征提取等綜合處理。結合喀什地區(qū)實際的土地利用/土地覆被特征，將研究區(qū)域土地類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、其他用地6種類型。結合野外實地勘察，對監(jiān)督分類中未達到精度的模塊通過人機交互目視解譯法進行更正。運用Arc/Info 9.3軟件，最終將數(shù)字化后的矢量土地利用數(shù)據作為研究區(qū)的基礎數(shù)據。

2 結果與分析

2.1 耕地數(shù)量及人均耕地變化

如圖1所示，喀什地區(qū)1990-2009年的耕地總面積經歷了緩慢上升再緩慢下降最后快速上升的變化情況。耕地總面積最少的年份是1990年為39.241萬hm2，耕地面積最多的年份2009年為54.843萬hm2。在這20年中，耕地面積凈增長15.602萬hm2。如圖2～圖4所示，具體情況可以分為3個階段。第一階段，1990-2000年的耕地面積出現(xiàn)了緩慢增長的趨勢。原因是國家實行了分產到戶的政策，鼓勵農民自主拓荒開發(fā)耕地，但由于水源、環(huán)境、技術等原因，耕地增長速度較為緩慢。第二階段，2000-2005年的耕地面積出現(xiàn)了下降的趨勢，從40.981萬hm2減少到40.208萬hm2，共減少了0.773萬hm2。原因是隨著喀什地區(qū)的經濟發(fā)展水平不斷提高以及廣東上海等大城市的不斷援助，喀什市、疏附縣、英吉沙縣等縣市分別規(guī)劃了中亞南亞工業(yè)園區(qū)、喀什市經濟特區(qū)、疏附縣廣東工業(yè)城、英吉沙紡織工業(yè)園區(qū)。工業(yè)園區(qū)占用了部分耕地、林地、牧草地，對耕地面積有一定的影響。第三階段，2006-2009年的耕地面積出現(xiàn)了大規(guī)模增長，由41.177萬hm2增長到54.843萬hm2，期間面積增加了13.666萬hm2。耕地面積增長的主要原因是喀什地區(qū)大部分縣市園區(qū)規(guī)劃已完成，國家對耕地保護提出了新的政策?？κ驳貐^(qū)的土地整理項目大部分經過了新疆維吾爾自治區(qū)國土廳的驗收，通過土地整治項目對耕地面積比較大的莎車縣、葉城縣、疏附縣的耕地進行合理的開發(fā)改造，把一些荒地、未利用地、裸地變更為可以耕種的耕地。

與耕地總面積息息相關的是人均耕地面積。1990-2009年人均耕地面積基本與耕地面積變化趨勢一致，1990年人均耕地面積為1 400 m2，而2009年人均耕地面積為1 380 m2，總體呈減少趨勢。雖然喀什地區(qū)的耕地在不斷地增長，但是隨著人口數(shù)量的不斷上升，人均耕地面積還是在不斷下降，這也進一步說明了人類活動對生態(tài)環(huán)境影響的不斷擴大。

2.2 耕地空間變化趨勢

由于區(qū)域水資源等自然條件差異以及生產力水平、人口、綠洲平原和山區(qū)分布特征點等的變化，研究區(qū)域20年來的耕地變化表現(xiàn)出一定的區(qū)域差異性。因此，用相對變化率的概念進行定量分析[10-14]。某地區(qū)某一特定土地利用類型相對變化率表示為：

式中，K1表示某縣域的某個土地類型的初期面積；K2表示某縣域的某個土地類型的末期面積；C1表示全部區(qū)域的某個土地類型的初期面積；C2表示全部區(qū)域的某個土地類型的末期面積；若某個區(qū)域的某種土地利用類型的相對變化率RID為負數(shù)，則表示該區(qū)域這種土地利用類型呈減少趨勢[15]。運用Excel 2010軟件對喀什地區(qū)各縣市的耕地面積進行分析計算。從圖5可以看出，喀什地區(qū)各縣域RID分布差異較大，其中北部巴楚縣相對變化率最大。造成這一變化的原因是巴楚縣位于國道314線、省道215線上，構成了巴楚縣優(yōu)越的陸路交通優(yōu)勢，合理開發(fā)利用土地，發(fā)展糧食、棉花等傳統(tǒng)農業(yè)，實現(xiàn)了耕地的穩(wěn)步增長。此外巴楚縣的國家土地整理項目也較多。而南部的塔什庫爾干塔吉克自治縣和葉城縣相對變化率較小。經過分析，塔什庫爾干塔吉克自治縣屬于高原高寒干旱-半干旱氣候，海拔高、氣壓低，耕地面積較少，因此相對變化率不明顯。而葉城縣近些年大力發(fā)展以核桃為主的林果業(yè)，導致林地面積相對變化率較高，但耕地的面積變化并不是很大，因此其相對變化率也較低。

2.3 耕地變化形態(tài)特征

土地利用結構的變化主要是形態(tài)特征，而各縣市的社會宏觀大背景相同，所以必然有一定的相似性[16-18]；另一方面，各個縣市的生態(tài)環(huán)境、地理位置、經濟發(fā)展等情況不同，必定會造成一定的形態(tài)特征差異。耕地的相對變化率主要考慮研究區(qū)初期和末期各個區(qū)域耕地的不同分布情況，但是這種變化用相對變化率的形態(tài)無法表述。因此引入系統(tǒng)分析中的主成分分析法將若干變量轉換為幾個獨立的因素，以減弱變量之間的相互影響并增加研究區(qū)域的真實可靠性。

把喀什地區(qū)12個縣市初期、末期的耕地數(shù)據作為樣本，運用統(tǒng)計分析軟件SPSS 19對各個樣本進行主成分分析，分別得出主成分貢獻率、主成分載荷矩陣以及喀什地區(qū)各縣市耕地變化形態(tài)的相似性和差異性。表1可知，主成分1～3的特征值都大于1，3個主成分的累積貢獻率達到97.701%，完全可以代表喀什地區(qū)20年各個縣市耕地變化的主要信息，所以可以用主成分1～3對全地區(qū)12個縣市的耕地變化特點進行描述。表2為主成分載荷矩陣，若某一縣市的載荷系數(shù)越大則表明該主成分與其表達的形態(tài)特征相關性越強。

1）主成分1的方差貢獻率為59.084%，與麥蓋提縣、伽師縣、巴楚縣具有較高的正載荷系數(shù)，與塔什庫爾干塔吉克自治縣、疏附縣、英吉沙縣載荷系數(shù)呈負相關。主要原因是由縣域位置所引起的水資源、耕地后備資源、生態(tài)環(huán)境、主要產業(yè)和社會發(fā)展情況的差異。

2）主成分2的方差貢獻率23.724%，與其載荷系數(shù)呈正相關的是疏附縣。1990-2009年疏附縣耕地面積持續(xù)減少，從4.383萬hm2下降到3.381萬hm2，這20年間耕地面積凈減少1.002萬hm2。主要原因是疏附縣靠近喀什市，自治區(qū)確定了以喀什城區(qū)為核心，以喀什經濟開發(fā)區(qū)、疏勒縣和疏附縣為三大增長極，構筑“一核三極、一廊三帶”的“大喀什”空間發(fā)展框架，逐步推進“大喀什”一體化進程?！按罂κ病睉?zhàn)略目標的確定，對疏附縣的土地利用結構，尤其是耕地面積造成很大的影響。以及廣東援建并且政府大力扶持的疏附縣國際物流產業(yè)園區(qū)里的一部分企業(yè)，對疏附縣的耕地面積也有一定影響。

3）主成分3的方差貢獻率14.893%，與其載荷系數(shù)絕對值較大的是塔什庫爾干塔吉克自治縣，究其原因在于塔什庫爾干塔吉克縣的地理位置，與耕地總量變化的原因相似，在此處不再贅述。

3 耕地變化的驅動力定量分析

喀什地區(qū)各縣市耕地變化有明顯的區(qū)域差異性，人類活動區(qū)域的不斷擴大對耕地面積變化影響顯著。但是人口因素、經濟發(fā)展因素、農業(yè)生產因素對喀什地區(qū)的耕地數(shù)量變化具有較大的影響。故把這三種因素作為喀什地區(qū)耕地變化的主要驅動力。

3.1 人口因素

人類是最具活力的土地利用與土地覆蓋變化驅動力之一[19]?？κ驳貐^(qū)人口由1990年的280.94萬人增加到2009年的397.93人，20年間增加了116.99萬人。人口增長最快的縣市是喀什市和莎車縣。增長較慢的縣市是塔什庫爾干塔吉克自治縣，這與同期耕地面積變化趨勢一致。而針對人為驅動力，人口增長情況、人口素質、保障人們生活的基本糧食和收入等要素以及政府的宏觀政策等具有明顯的顯著性。1990-2009年喀什地區(qū)的人口增長、耕地面積擴張和綠洲城市經濟快速增長，直接或間接對土地結構變化產生了影響。

3.2 經濟發(fā)展因素

為更直觀的研究經濟發(fā)展因素對喀什地區(qū)耕地的影響，引入多元線性回歸分析法對耕地變化與經濟發(fā)展驅動因素兩者之間的相互關系進行研究，該方法是解釋LUCC的一種常用方法，主要是對某一地區(qū)、某一時段的土地結構變化和驅動力之間存在的線性關系，通過多可能對土地覆被變化的各種驅動因子進行多變量分析的一種數(shù)學模型，以確定土地覆被變化的原因及其相關性[20，21]。

參考馬麗娟等[18]、杜新波等[22]、張春玲等[23]的研究成果以及結合喀什地區(qū)實際情況，選取8個影響因子：X1人均耕地面積，X2國內生產總值，X3糧食作物單產，X4有效灌溉面積，X5林果業(yè)種植面積，X6社會勞動者人數(shù)，X7人均生產總值，X8種植結構比。選取這8個指標為自變量，以1990-2009年的數(shù)據為分析樣本，運用SPSS 19軟件，并以耕地面積作為因變量進行回歸分析。得出的線性回歸方程如下：

Y=1.533 4X1-0.365 8X2-0.265 8X3+0.063 9X4+0.585 5X5-0235 1X6-0.311 5X7+1.263 4X8

經過F檢驗，此線性回歸方程是高度顯著的。1990-2009年，喀什地區(qū)的耕地動態(tài)變化主要與人均耕地面積、有效灌溉面積、林果業(yè)種植面積、種植結構比呈顯著地正相關，而與國內生產總值、糧食作物單產、社會勞動者人數(shù)、人均生產總值呈負相關。

3.3 農業(yè)生產因素

農業(yè)生產要素與耕地面積有最直接的聯(lián)系，科技進步是糧食單產提高的重要條件[24]?？κ驳貐^(qū)經濟發(fā)展的同時農業(yè)技術水平由傳統(tǒng)的農耕模式轉變?yōu)楝F(xiàn)代化農業(yè)模式。1990年喀什地區(qū)的農業(yè)機械總動力為25.36萬kw，2009年農業(yè)機械總動力為155.49萬kw，是1990年的6.13倍。主要農業(yè)機械與設備1990年為15 200臺，到了2009年增加到42 358臺，是1990年的2.78倍。1990年喀什地區(qū)農林牧漁業(yè)總產值為56.36億元，2009年為208.62億元，位列全疆第一位。這也說明了水資源、土地資源、生態(tài)環(huán)境資源的合理利用，對農業(yè)科技進步具有重要的推動作用，而農業(yè)科技的進步使得糧食產量和有效灌溉面積增長，對于人口快速增長的喀什地區(qū)是非常必要的。

4 結論與討論

通過對喀什地區(qū)20年來耕地動態(tài)變化及驅動力分析，得到以下結論：

1）1990-2009年間，喀什地區(qū)耕地經歷了先緩慢增長再緩慢下降最后快速增長的三個階段，在研究期末2009年，耕地面積達到了頂峰54.843萬hm2，喀什地區(qū)耕地總體呈增加趨勢，但是人均耕地面積呈減少趨勢。

2）喀什地區(qū)耕地空間變化的各縣域差異較為明顯，其中北部巴楚縣相對變化率最大，而南部的塔什庫爾干塔吉克自治縣和葉城縣相對變化率較小。中央及自治區(qū)地方政府推出的一系列政策對喀什地區(qū)各縣市耕地變化起到了重要的導向作用。

3）喀什地區(qū)耕地動態(tài)變化的主要驅動力因子為人口、經濟發(fā)展以及農業(yè)生產，通過多元回歸模型計算出的回歸方程，得出人均耕地面積、國內生產總值、糧食作物單產、有效灌溉面積、林果業(yè)種植面積、社會勞動者人數(shù)、人均生產總值、種植結構比等因素是對喀什地區(qū)耕地動態(tài)變化的主要因素。

本研究深入分析了喀什地區(qū)耕地變化及其驅動因素，利用遙感、GIS和主成分分析方法相結合，以遙感影像解譯獲取的信息為基礎數(shù)據，引入多元線性回歸方程，更直觀的反映了影響耕地變化的主要驅動因素。這種方法不僅擺脫了對長時間序列統(tǒng)計數(shù)據的依賴，而且充分發(fā)揮了GIS的實時性特征，對耕地變化的主導原因進行實時分析。但是利用遙感影像對驅動因素進行分析也存在著一定的局限性，對遙感影像進行解譯能得到的數(shù)據畢竟有限。在未來的研究中需要結合其他基礎數(shù)據，利用GIS工具獲取更多信息，對某一區(qū)域的驅動力分析才能更具說服力。

參考文獻：

[1] 曹銀貴，袁 春，周 偉，等.中國耕地變化的驅動因子及其省域差異分析[J].中國土地科學，2008，22（2）：17-22

[2] 李京剛，何春陽，使培軍.近20年中國北方13省的耕地變化與驅動力[J].地理學報，2004，59（2）：274-282.

[3] 張春軼，瓦哈甫·哈力克，馬 燕.和田綠洲耕地變化的人口驅動因素研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2007，21（2）：85-89.

[4] 沈 霞，孫 虎.近57年來新疆哈密耕地變化及驅動力分析[J].2008，24（4）：497-500.

[5] 雷 誠，張永福.土地利用變化及驅動因素分析-以新疆烏蘇市為例[J].新疆農業(yè)科學，2009，46（2）：403-409.

[6] 盧震林，瓦哈甫·哈力克，吳亞妮，等.且末綠洲耕地變化與驅動力研究[J].農業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究，2008，24（1）：91-94.

[7] 于興修，桂 山.中國土地利用/覆被變化研究的現(xiàn)狀與問題[J].地理科學進展，2002，21（1）：51-57.

[8] 蔡文春，楊德剛.新疆耕地變化及驅動力分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20（2）：144-149.

[9] 塔西甫拉提·特依拜.塔里木盆地南部生態(tài)環(huán)境演變研究[M].烏魯木齊：新疆大學出版社，2001.

[10] 瓦哈甫·哈力克，塔西甫拉提·特依拜，海米提·依米提，等.新疆于田綠洲土地利用變化的人文驅動力分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2007，21（6）：1-6.

[11] 瓦哈甫·哈力克，海米提·依米提，塔西甫拉提·特依拜，等.綠洲耕地變化趨勢及其驅動力-以南部策勒綠洲為例[J].地理學報2004，59（4）：608-614.

[12] 劉新平，呂 曉，羅橋順.1996-2005年新疆耕地數(shù)量變化分析[J].水土保持研究，2008，15（1）：128-134.

[13] 李京剛，何春陽，使培軍.近20年中國北方13省的耕地變化與驅動力[J].地理學報，2004，59（2）：274-282.

[14] 李 宏，王紅梅.黑龍江省耕地數(shù)量變化及驅動因子分析[J].農機化研究，2007，12（12）：12-15.

[15] 瓦哈甫·哈力克，塔西甫拉提·特依拜，海米提·依米提，等.于田綠洲耕地變化驅動機制研究[J].農業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究，2006，22（1）：42-49.

[16] 李 穎，田竹君，葉寶瑩，等.嫩江下游沼澤濕地變化的驅動力分析[J].地理科學，2003，23（6）：686-691.

[17] 馬曉麗，高敏華，塔西甫拉提·特依拜，等.塔里木盆地南緣綠洲耕地動態(tài)變化驅動力定量研究-以新疆和田地區(qū)為例[J].新疆農業(yè)科學，2008，45（5）：921-925.

[18] 馬麗娟，張永福，羅江燕.新疆阿克蘇地區(qū)耕地變化趨勢及驅動力研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2009，23（1）：29-34.

[19] 楊燕玲.新疆各地州市土地利用變化及驅動力分析[J].水土保持研究，2006，13（5）：166-171.

[20] 樊 華，張鳳華.新疆石河子綠洲耕地變化及驅動力研究[J].干旱區(qū)研究，2007，24（5）：574-578.

[21] 陳玉蘭，楊俊孝，朱亞夫.新疆天山北坡經濟帶土地利用結構變化的驅動力分析[J].新疆（區(qū)域經濟），2006（2）：21-25.

[22] 杜新波，周 偉，司慧娟，等.青海省2000-2008年間耕地變化及驅動力研究[J].水土保持研究，2013，20（5）：180-186.

[23] 張春玲，任志遠.西安市耕地變化驅動力研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2003，17（6）：55-59.

[24] 徐建華.現(xiàn)代地理學中的數(shù)學方法[M].北京：高等教育出版社，2002.