基于GIS的伊犁河谷2000—2010年土地利用的動態(tài)變化

李萬年　曹月娥　張婷婷

摘要：在遙感和GIS技術(shù)的支持下，運用圖像分類、疊加和空間分析等方法，對伊犁河谷2000-2010年10年土地利用變化進行分析研究。結(jié)果表明，①2000-2010年10年間，伊犁河谷耕地面積和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積不斷增加，草地和未利用地不斷減少，各類用地變化區(qū)域主要沿伊犁河谷分布；②2000-2005年5年間伊犁河谷土地利用動態(tài)變化較大，變化區(qū)域占土地總面積的1.36%，其中變化最大的為耕地，其次是草地和未利用地的轉(zhuǎn)化，變化區(qū)域位于伊犁河與特克斯河交匯的新源縣卡拉布拉鄉(xiāng)；③2005-2010年5年間土地利用變化較2000-2005年5年小，變化區(qū)域占總面積的0.41%，其中變化最大的是耕地，其次為草地和未利用地，主要變化區(qū)域位于特克斯河沿岸及伊犁河上游。2000-2010年10年土地利用由0.243 6%下降到0.037 4%，變化趨勢趨于平緩。

關(guān)鍵詞：GIS；伊犁河谷；土地利用變化

中圖分類號：F301.24；X825；TP79 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）20-3853-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.016

Abstract： With the support of remote sensing and GIS technology， using image classification，superposition and spatial analysis，the change of land use in Yili river valley in 2000-2010 10a was analyzed and reseached. The results showed that ①from 2000 to 2010 the cultivated area and urban and rural，industrial and mining，residential land area was increasing. Grassland and unused land were declining.②The change of land use in the Yili river valley during the five years from 2000 to 2005 accounted for 1.36% of the total land area， among which the most change was cultivated land，followed by grassland and unused transformation， and the change area was located at the intersection of Yili river and Tekes river.③The land use change from 2005 to 2010 was less than 5 a from 2000 to 2005，the change area accounted for 0.41% of the total area，the largest change was cultivated land，followed by grassland and unused land，the main change area was located in the Tekes river and Yili river. The trend of land use decreased from 0.243 6% to 0.037 4% in the 10 a period from 2000 to 2010，and the trend leveled off.

Key words： GIS； Yili river valley； land use change

土地利用/覆被變化（LUCC）是在一定時空范圍內(nèi)同時受到人類活動和自然過程驅(qū)動的結(jié)果，反映在不同時空尺度下自然和社會生態(tài)環(huán)境的變遷，其變化是由人類活動和自然環(huán)境相互影響的結(jié)果[1]。無論是全球還是區(qū)域尺度上，土地利用變化在不斷地導(dǎo)致土地覆被加速變化。

土地利用是全球變化研究的熱門和前沿課題。國內(nèi)外學(xué)者分別基于LUCC驅(qū)動力機制、LUCC土地利用變化趨勢及土地利用時空動態(tài)演變進行了研究。近年來，中國學(xué)者對20世紀80年代末以來全國土地利用變化的基本特征與空間格局進行了研究[2]，對21世紀初中國土地利用變化的空間格局及驅(qū)動力進行了分析[3]；楊依天等[4]對和田綠洲1980-2010年30年土地利用變化及環(huán)境效應(yīng)進行了分析研究；馬晴等[5]對疏勒河中下游綠洲近20年土地利用變化及驅(qū)動力進行了分析研究。對土地利用變化研究的方法主要是基于RS及ArcGIS對不同地區(qū)在時空動態(tài)下進行分析[6-13]。也有學(xué)者對伊犁河谷的土地利用/覆被變化與環(huán)境、生態(tài)服務(wù)等進行了分析研究[14-18]。

基于此，選取2000、2005、2010年三期遙感影像，利用ArcGIS軟件對影像進行圖像分類、疊加和空間分析等方法，做出土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。對伊犁河谷2000-2010年10年土地利用變化進行時空分析研究，運用土地利用動態(tài)度并不能完全說明土地利用變化狀況，因此引入土地利用耗減度和開發(fā)度來詳細分析土地利用動態(tài)變化，對合理評價伊犁河谷土地利用情況具有重要的理論和實踐意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

伊犁河谷地區(qū)位于中國“絲綢之路”經(jīng)濟帶北線，新疆維吾爾自治區(qū)西北角，包括伊寧市、尼勒克縣、新源縣、鞏留縣、特克斯縣、昭蘇縣、察布查爾縣、霍城縣等。伊犁河谷北、東、南三面環(huán)山，北面有西北-東南走向的科古琴山、婆羅科努山；南有哈克他烏山和那拉提山；中部還有烏孫山、阿吾拉勒山等橫亙，構(gòu)成“三山夾兩谷”的地貌輪廓。地處80°09′-84°56′E，42°14′-44°50′N，伊犁河谷東西長360 km，南北最寬處275 km，隸屬于伊犁哈薩克自治州，轄伊犁州8縣1市以及兵團農(nóng)四師和21個團場等單位。氣候溫和濕潤，屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10.4 ℃，年日照時數(shù)2 870 h，年降水量417.6 mm，山區(qū)達600 mm，是新疆最濕潤的地區(qū)。因雨量充沛被稱為“中亞濕島”和“塞外江南”。伊犁河谷自然條件優(yōu)越，農(nóng)、牧業(yè)發(fā)展優(yōu)勢顯著，農(nóng)畜產(chǎn)品豐富。2000-2010年伊犁河谷地區(qū)人口增加39萬，實現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）33.59億元，比2000年的7.63億元增長4.4倍，2010年的GDP中，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值9.43億元，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值10.53億元，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值13.63億元，三產(chǎn)業(yè)之比為1∶1.12∶1.45，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化。由圖1可知，伊犁河谷各類用地中草地面積最多，占土地總面積的55.65%，其次為耕地和林地，分別占13.73%和11.01%，最少的是城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，占1.13%，其土地利用變化有別于新疆其他地區(qū)。endprint

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所選取的土地利用變化數(shù)據(jù)來源于劉紀遠等[6]建成的1 km全國土地利用柵格數(shù)據(jù)庫，人口及國民經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于中國經(jīng)濟社會大數(shù)據(jù)研究平臺《伊犁哈薩克自治州統(tǒng)計年鑒》。選取的遙感影像為1 km×1 km的2000、2005、2010三期遙感影像，同時參考1∶50 000地形圖，在ArcGIS 10.2支持下，對三期遙感影像進行重分類，將伊犁河谷土地利用類型進行重分類，劃分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地及未利用地6類。通過疊加分析、圖形轉(zhuǎn)換等，做出土地利用時空動態(tài)變化圖及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分析伊犁河谷土地利用動態(tài)變化狀況。

2 研究方法

2.1 單一土地利用類型動態(tài)度

土地利用動態(tài)變化的研究方法主要是土地利用動態(tài)變化模型的建立，土地利用變化主要體現(xiàn)在土地利用類型變化、土地利用程度變化及土地利用變化的區(qū)域差異方面[19]。

單一土地利用動態(tài)度可描述區(qū)域一定時期內(nèi)某種土地利用類型的變化速度，它對比較土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測未來土地利用變化趨勢都有積極的作用[20]。其表達式為：

2.2 綜合土地利用動態(tài)度

綜合土地利用動態(tài)度反映某區(qū)域一段時期內(nèi)土地利用變化的速度[21]，其表達式為：

土地利用動態(tài)度能較好的反映土地利用的凈變化速度，但是在變化過程中增加和減少的相互抵消，反映的這種動態(tài)變化對于土地變化的實際情況有所掩蓋。因此用土地利用耗減度和開發(fā)度來揭示各類土地減少和增加的速率[22]。

2.3 土地利用耗減度

土地利用耗減度，表示單位時間內(nèi)某種土地利用類型面積的變化速度[23]，其表達式為：

2.4 土地利用開發(fā)度

土地利用開發(fā)度表示單位時間內(nèi)某種土地利用類型實際被開發(fā)的程度[22]，其表達式為：

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化的時空特征

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，可全面而又具體地分析區(qū)域土地利用變化的數(shù)量結(jié)構(gòu)特征與各用地類型變化的方向，因而在土地利用變化和模擬分析中具有重要意義，并得到了廣泛應(yīng)用[22，24]。利用GIS空間分析功能對伊犁河谷2000、2005、2010三期數(shù)據(jù)進行疊加分析，得到2000-2005、2005-2010年土地利用動態(tài)變化圖及2000-2005、2005-2010、2000-2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

由表1、圖2a可知，2000-2005年5 km2耕地轉(zhuǎn)化為草地，27 km2耕地轉(zhuǎn)化為水域，隨著伊犁河谷降水的增加，水域面積增大，低洼處的耕地變?yōu)榱怂颉?1 km2耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，表明伊犁河谷在2000-2005年進行了退耕還林還草，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增加，城市化速度加快，城鄉(xiāng)發(fā)展占了一部分城市周邊的耕地；另有1 km2耕地轉(zhuǎn)化為未利用地。601 km2草地和37 km2未利用地轉(zhuǎn)化為耕地，對草地和未利用地進行了大面積開墾，其中64 km2草地轉(zhuǎn)化為未利用地。2000-2005年變化區(qū)域占研究區(qū)總面積的1.43%。其中草地-耕地的空間變化主要集中在伊犁河上游的新源-鞏留縣-察布查爾縣一帶；草地-未利用地的轉(zhuǎn)化主要集中在鞏留縣；尼勒克縣-伊寧縣-霍城縣林地與草地、林地與耕地交錯帶，其變化主要以孤點形態(tài)分布；耕地-城鄉(xiāng)、草地-城鄉(xiāng)的轉(zhuǎn)化主要沿伊犁河和特克斯河均有分布。表明伊犁河谷過度放牧，造成草地資源大量減少，隨著人口的增加，耕地面積不斷增長。其變化區(qū)域主要是沿伊犁河呈條帶狀分布，最嚴重的地區(qū)位于伊犁河與特克斯河交匯的新源縣卡拉布拉鄉(xiāng)。

由表2、圖2b可知，2005-2010年伊犁河谷有47 km2耕地轉(zhuǎn)化為草地，13 km2耕地轉(zhuǎn)化為水域，6 km2耕地轉(zhuǎn)換為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，4 km2耕地轉(zhuǎn)換為未利用地，變化區(qū)域主要分布在特克斯河中上游及伊犁河中下游，表明2005-2010年伊犁河谷實施退耕還林還草措施；但對于耕地的保護還有待加強，部分耕地退化為未利用地，造成了耕地的減少。180 km2草地和21 km2未利用地被開墾為耕地，4 km2草地轉(zhuǎn)化為林地，6 km2未利用地轉(zhuǎn)化為林地。2005-2010年5年期間，主要變化區(qū)域占研究區(qū)總面積的0.55%，其中草地-耕地的變化主要沿特克斯河及伊犁河上游呈孤點分布；未利用地-耕地、未利用地-草地轉(zhuǎn)化主要集中在霍城縣。

整體而言，2000-2010年伊犁河谷土地利用變化在耕地、草地、城鄉(xiāng)及未利用地之間流動比較頻繁。耕地變化主要沿河流及耕地與草地界限處。伊犁河谷耕地主要為水澆地，一部分為旱地，草地和未利用地的大幅減少主要轉(zhuǎn)化為耕地。一方面，由于部分耕地肥力下降退化為草地，一部分因自然條件較差，水源、肥力等條件惡化而被撂荒；另一方面，大量水肥條件較好的草地和未利用地被不斷開墾，呈現(xiàn)出邊侵占、邊開墾、邊撂荒的特征。城鄉(xiāng)工礦居民用地顯著擴張，這一時期由于“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的實施，資源密集型產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，資源優(yōu)勢逐步向經(jīng)濟優(yōu)勢轉(zhuǎn)變。

從生態(tài)的角度來看，大量草地和未利用地的減少，破壞了原有的生態(tài)景觀，而新墾的耕地水肥條件差，收益不明顯也不宜耕種，而減少的耕地中部分轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀f明草地的保護工作有一定成效，但這一部分遠遠不能抵消侵占草地帶來的累加效應(yīng)。2000-2005年減少的草地中有89%流向耕地，2005-2010年有90%以上流向耕地。新疆草地減少量約占全國草地減少總量的45%，需嚴防草場進一步向耕地轉(zhuǎn)化，進而喪失生態(tài)服務(wù)功能，導(dǎo)致局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境的進一步惡化。

3.2 土地利用變化的速度與幅度

由表3可知，2000-2005年林地、草地減少，單一土地利用動態(tài)度分別為-0.030%、-0.410%；耕地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用地有所增加，單一土地利用動態(tài)度分別為1.650%、0.300%、0.550%、0.050%。其中草地面積減少最為迅速，耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地增長最為迅速。2005-2010年草地和未利用地有所減少，減少幅度較小，單一土地利用動態(tài)度分別為-0.050%、-0.080%；耕地、林地、水域和城鄉(xiāng)工礦居民用地有所增加，單一土地利用動態(tài)度分別為0.180%、0.030%、0.090%、0.250%。其中增長最迅速的是城鄉(xiāng)工礦居民用地。2000-2005年的綜合動態(tài)度為0.243 6%，2005-2010年的綜合動態(tài)度為0.037 4%，可見伊犁河谷綜合土地利用動態(tài)度有所下降，反映了伊犁河谷土地流轉(zhuǎn)趨于平緩。endprint

由表4可知，2000-2010年期間，伊犁河谷耕地耗減較小，年均增加1.85%，耗減度為0，開發(fā)度為0.02%，林地稍有增加，其中耗減度為0.14%，開發(fā)度為0.16%；草地面積大量減少，年均減少0.46%；城鄉(xiāng)、工礦、居民用地年均增長0.80%，耗減度和開發(fā)度分別為0.02%、0.17%；未利用地年均減少0.03%，開發(fā)度為0.67%。

伊犁河谷地區(qū)在2000-2010年10年期間人口大量增加，1990年以后中央及自治區(qū)地方政府推出一系列優(yōu)惠政策，允許和鼓勵集體和個人開墾土地，伊犁河谷因優(yōu)越的土地資源和灌溉條件，在相對利益的驅(qū)使下，一部分天然牧場和未利用地被陸續(xù)開墾為耕地，促進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展；另一方面，中央和自治區(qū)對耕地的保護政策等導(dǎo)致了耕地面積不斷增加。經(jīng)濟和旅游業(yè)的快速發(fā)展也加劇了人地矛盾，對優(yōu)質(zhì)耕地不斷耗減的同時，對草地和未利用地進行了大力開墾。對伊犁河谷的生態(tài)平衡造成了極大破壞?；诖苏畱?yīng)完善相關(guān)政策，在保護生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上合理規(guī)劃土地利用，加強土地市場管理。

4 小結(jié)與討論

依據(jù)干旱區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)特點，在運用土地利用動態(tài)度的基礎(chǔ)上引入土地利用耗減度和開發(fā)度來詳細說明土地利用變化。研究結(jié)果表明，2000-2010年10年間伊犁河谷耕地面積大量增加，增加主要源于對草地和未利用地的大量開墾；其次，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積在逐年增加，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的增加主要來源是對周邊的耕地和草地的占用；草地大面積減少，其中一部分被開墾為耕地，一部分由于不合理的放牧而退化成未利用地；林地面積稍有增長，但變化不大。2000-2005年的各類土地變化面積780 km2，其中耕地轉(zhuǎn)為其他地類面積中有25%轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地；有7 km2未利用地轉(zhuǎn)化為草地，各類用地轉(zhuǎn)化為耕地中草地占94.05%，未利用土地占5.79%，最終導(dǎo)致2005年耕地增加595 km2，草地面積減少667 km2，即2000-2005年各類用地中，主要是耕地和草地面積變化幅度最大。2005-2010年各類用地變化面積303 km2，其中耕地轉(zhuǎn)為其他地類面積中有67.14%的耕地轉(zhuǎn)化為草地；8.57%轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，另有5.71%轉(zhuǎn)化為未利用地；各類用地轉(zhuǎn)化為耕地中草地占89.55%，未利用地占10.45%。

綜上所述，土地利用的變化主要受以下兩個因素的影響。

1）人為因素和社會經(jīng)濟因素的影響。2000-2010年10年間，伊犁河谷土地利用變化表現(xiàn)出明顯的差異。即發(fā)生變化區(qū)域主要沿伊犁河和特克斯河呈條帶狀分布，而河流兩岸是人類活動密集區(qū)，反映了人類活動對伊犁河谷土地利用類型的影響。2000-2010年伊犁河谷耕地面積變化幅度較大，耕地增加了726 km2，耕地面積的增加與人口的增長密切相關(guān)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，伊犁河谷人口由2000年的212萬增加到2010年的251萬，農(nóng)業(yè)機械總動力增長了12.29倍，牲畜減少了1.02倍，一系列的人為因素和社會經(jīng)濟因素加劇了對未利用地和林草地的開墾，導(dǎo)致耕地面積不斷增加。在研究時期內(nèi)草地和未利用地大量轉(zhuǎn)化為耕地，其中草地變化幅度較大，減少了815 km2，對未利用地開發(fā)度較大，達到0.67%。其驅(qū)動因素主要是人口的大量增加。從生態(tài)角度來看，草地大面積開墾，對伊犁河谷生態(tài)造成了極大影響。其中伊犁河上游新源縣和下游地區(qū)大量草地轉(zhuǎn)化為未利用地。此外，受區(qū)域氣候變化的影響，在比較利益驅(qū)動下，大量草地被開墾為耕地，促進了農(nóng)耕經(jīng)濟的發(fā)展。草地和未利用地面積的減少是人為因素與自然因素共同作用的結(jié)果，但主要是受人類活動的干擾。

2000-2010年10 年間是中國經(jīng)濟飛速發(fā)展的時期，隨著“西部大開發(fā)”10年間伊犁河谷地區(qū)GDP增長了4.4倍，人均GDP增長了3.69倍，伊犁河谷城鄉(xiāng)、工礦、居民用地增加了56 km2，增長了9.02%。城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的不斷增加主要是占用優(yōu)質(zhì)耕地和草地資源。同時也反映了區(qū)域經(jīng)濟的快速轉(zhuǎn)變和發(fā)展。

2）受自然因素影響，據(jù)相關(guān)研究表明持續(xù)的增溫導(dǎo)致積溫不斷增加，降水量的減少和本就干旱缺水為草地和未利用地的大面積開墾提供了氣候條件，受生態(tài)環(huán)境的脆弱性的影響，一部分耕地被撂荒，草地轉(zhuǎn)為未利用地，進一步加劇了環(huán)境的惡化。此外，受政策影響，為增加耕地面積，新疆在20世紀末曾大力提倡開墾草地和未利用地。導(dǎo)致各類土地的變化，同時也對生態(tài)環(huán)境造成了影響。

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