1990—2020年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶耕地時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的分析

陳樂，程勇翔*，王江麗

(1 石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832003； 2 石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003)

土地利用/覆被變化是全球變化的重要組成部分和主要原因[1-3]。通過改變地表覆被的組成類型和空間結(jié)構(gòu)，對(duì)地—?dú)庀到y(tǒng)、水—?dú)庀到y(tǒng)、生物圈、生態(tài)系統(tǒng)平衡與穩(wěn)定產(chǎn)生了重要影響[4-7]。耕地變化是區(qū)域土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。耕地的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化能夠反映區(qū)域景觀變化的方向[8]，耕地資源數(shù)量的稀缺性、分布的不均勻性、土壤的貧瘠性以及污染的日益嚴(yán)重性，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、資源日益短缺、消耗日益增長(zhǎng)的今天，已成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸因素[9-10]。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶位于我國西北干旱區(qū)，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，卻是西北干旱區(qū)最具開發(fā)潛力和發(fā)展最快的經(jīng)濟(jì)區(qū)之一[11]，也是干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展最具代表性的發(fā)展區(qū)域。其面積148 749.98 km2，約占新疆面積的9.15%，其耕地面積占新疆耕地面積的30%。目前已有學(xué)者圍繞天山北坡經(jīng)濟(jì)帶人工綠洲擴(kuò)張的時(shí)空過程分析了人類活動(dòng)影響下綠洲景觀演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,其中，吳建寨等[12]對(duì)天山北坡山地、綠洲、荒漠3個(gè)帶狀區(qū)域的土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值變化及其空間差異做了對(duì)比分析；陶江等[13]對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶土地利用效益的變化及協(xié)調(diào)度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；雷軍等[14]、徐麗萍等[15]利用天山北坡的土地類型分類數(shù)據(jù)研究了該區(qū)景現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)力；孫智斌等[16]從土地利用變化速度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動(dòng)態(tài)度及土地利用程度等方面分析了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶2000—2015年土地利用的變化。

上述研究從宏觀的角度分析了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶下墊面土地利用類型整體變化特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)力，而對(duì)荒漠綠洲異質(zhì)性景觀中耕地這一最重要的因素，往往只是簡(jiǎn)單描述其時(shí)空變化過程，很難對(duì)耕地空間分布、時(shí)空變化及影響因素有比較完整的認(rèn)識(shí)。因此，本文借助于3S技術(shù)手段，利用1990—2020年的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)解譯天山北坡經(jīng)濟(jì)帶4期土地利用/覆被變化信息，通過耕地定量分析統(tǒng)計(jì)、耕地重心遷移及氣候時(shí)空變化趨勢(shì)3個(gè)模型，分析天山北坡經(jīng)濟(jì)帶耕地的分布特征及時(shí)空變化過程，并結(jié)合該區(qū)氣候和灌溉模式的變化探究其綠洲擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因素。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源及處理

1.1 研究區(qū)概況

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶地處亞歐大陸腹地，天山北麓中段(80°93′E～90°79′E，43°42 N′～45°41′N)，面積為148 749.98 km2(圖1)。經(jīng)濟(jì)帶的核心綠洲分布區(qū)為溫帶大陸性干旱半干旱氣候，夏季炎熱冬季寒冷，年均氣溫7.4 ℃，年均降水量181.99 mm，年均蒸發(fā)量1 948 mm[17]。綠洲耕地呈帶狀和片狀集中分布在水資源豐富、海拔200～2 400 m的山前沖積洪積扇、沖積扇邊緣帶和沖積平原上。面積較大且分布范圍廣，在較濕潤(rùn)的灰漠土，有機(jī)質(zhì)含量高、腐殖質(zhì)層較厚、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較好、水肥較好的潮土、草甸土、沼澤土和黑鈣土，鹽分較高、鈣化明顯、極度干旱缺水的鹽堿土、棕鈣土和風(fēng)沙土上均有分布。隨著“西部大開發(fā)”及“一帶一路”的開展，天山北坡經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展[16]，耕地面積也顯著增加。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用遙感影像數(shù)據(jù)包括1990、2000、2010、2020年5—10月Landsat 30 m空間分辨率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于美國國家地質(zhì)調(diào)查局(https://www.usgs.gov/)；1∶50000地形圖來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www．resdc．cn)；2006年7月實(shí)地調(diào)查的120個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)；研究區(qū)及周邊50個(gè)氣象站點(diǎn)1990—2020年逐日溫度、降水等氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.nmic.cn/)和國家氣象局。此外，分別從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)和中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx)獲取GDEMDEM 30 m分辨率高程數(shù)據(jù)和1∶100萬土壤空間分布類型數(shù)據(jù)，用于研究區(qū)概況分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理的方法

本文對(duì)獲取的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣較正、投影、鑲嵌等預(yù)處理，得到覆蓋全區(qū)的無云數(shù)據(jù)產(chǎn)品。結(jié)合實(shí)地考察點(diǎn)和地形圖，在面向?qū)ο蠓诸愜浖Cognition中采用人機(jī)交互相結(jié)合的方法對(duì)Landsat遙感影像進(jìn)行解譯。為保證獲取遙感解譯的準(zhǔn)確性和一致性，結(jié)合谷歌地圖驗(yàn)證后的2020年的分類結(jié)果，分別對(duì)每期數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的質(zhì)量檢查和數(shù)據(jù)集成，使得4期遙感影像的整體解譯精度均達(dá)到91.3%以上，將解譯后的結(jié)果劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地(沙漠、裸地)和積雪冰川7種地類供后續(xù)研究。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 耕地面積時(shí)空動(dòng)態(tài)變化定量分析

基于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶行政區(qū)劃范圍，在時(shí)間變化過程上，利用土地分類結(jié)果，通過轉(zhuǎn)移矩陣和定量化參數(shù)變化幅度ΔU[4]獲取耕地面積的時(shí)間變化過程；在空間格局分析上，通過ArcGIS空間疊置分析工具對(duì)各時(shí)段耕地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算定量化參數(shù)空間動(dòng)態(tài)度Rss和變化趨勢(shì)Ps[16]，用于定量分析各時(shí)段耕地的空間變化程度和轉(zhuǎn)換特征。

1.4.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

基于1990—2020年4期土地利用的數(shù)據(jù)，通過ArcGIS軟件字段融合和數(shù)據(jù)相交工具，分別疊加1990和2000年、2000和2010年、2010和2020年3個(gè)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換面積，并制作土地利用類型空間轉(zhuǎn)移圖，用于研究各時(shí)期耕地的轉(zhuǎn)換特征及與其他地類的空間轉(zhuǎn)移關(guān)系。

1.4.3 耕地重心遷移模型

本文利用耕地分布重心坐標(biāo)和遷移變化反映耕地的空間格局變化，重心坐標(biāo)及遷移距離計(jì)算過程參照文獻(xiàn)[18]。

1.4.4 氣候時(shí)空變化趨勢(shì)模型

基于氣象站點(diǎn)獲得的1990—2020年逐日平均溫度、降水量數(shù)據(jù)，合成年平均溫度和年降水總量數(shù)據(jù)，通過空間插值和地形校正，得到研究區(qū)31年的年平均溫度和年降水總量空間數(shù)據(jù)。分別統(tǒng)計(jì)1990—2000年、2001—2010年、2011—2020年3個(gè)時(shí)期的年平均溫度和年平均降水量，用于研究不同時(shí)段的溫度及降水變化。通過最小二乘法線性回歸方程的斜率(Slope)[19]分析1990—2020年每個(gè)柵格點(diǎn)溫度和降水的變化趨勢(shì)，用于研究溫度和降水總量的空間變化特征，其中，Slope>0，表示向降水增加、溫度增高方向發(fā)展，反之，表示向降水減少、溫度降低方向發(fā)展。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土地利用變化

結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 1990—2020年4期研究區(qū)土地利用圖

圖3 1990—2020年研究區(qū)各土地利用/覆被類型面積比例變化

(1)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶土地利用類型的總體特征如下：草地、未利用地及耕地面積較大，分別占研究區(qū)面積的39.08%、39.15%、15%(2020年)，成面狀或片狀集中分布；林地、水域、建設(shè)用地和積雪冰川面積較小，分別占研究區(qū)面積的2.74%、1.37%、1.05%、1.62%(2020年)，呈線狀、點(diǎn)狀散布。

(2)1990—2020年間耕地、林地、水域和建設(shè)用地面積分別增加8 025.20、1 423.56、668.23、1 330.76 km2，分別增長(zhǎng)了研究區(qū)面積的5.40%、0.96 %、0.45 %、0.89%；草地、未利用地和積雪冰川面積分別減小了7 134.89、464.96、3 847.78 km2，分別減小了研究區(qū)面積的4.80%、0.31%、2.59%。耕地和建設(shè)用地面積增加主要與草地和未利用地面積減少，而高山積雪冰川融化后大90%以上面積轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫睾筒莸亍?/p>

2.2 耕地分布及面積的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征

從地理分布看，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶耕地呈帶狀和片狀分布在天山山前沖洪積扇、沖積扇邊緣帶和沖積平原上，面積占研究區(qū)面積的9.6%以上，在1990—2020年期間呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中:

1990—2000年期間，耕地雙向轉(zhuǎn)化頻繁(Ps=0.29)，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出空間變化大(Rss=34.80)(表1)。其他地類轉(zhuǎn)耕地3 218.434 km2，其中草地和未利用地分別向耕地轉(zhuǎn)入2 638.36、552.79 km2(圖4)，分別占轉(zhuǎn)入耕地面積的81.98%和12.22%，是新增耕地的主要來源,主要發(fā)生(轉(zhuǎn)入面積>100 km2)在烏蘇市、博樂市、呼圖壁縣、奇臺(tái)縣、溫泉縣和瑪納斯縣。耕地轉(zhuǎn)其他類型1 752.46 km2，其中分別向草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)入了1 589.23、73.83 km2，分別占轉(zhuǎn)出耕地面積的90.69%和4.21%,主要發(fā)生在烏魯木齊市和石河子市。

表1 1990—2020年耕地定量分析統(tǒng)計(jì)模型參數(shù)

2000—2010年期間，耕地由雙向轉(zhuǎn)化逐漸過渡到單向轉(zhuǎn)入(Ps=0.76)，轉(zhuǎn)入空間變化增大(Rss=45.60)。其他地類向耕地轉(zhuǎn)入6 332.39 km2，使得耕地面積增加了5 544.4 km2，其中草地和未利用地分別向耕地轉(zhuǎn)入了4 587.90、1 713.1 km2，分別占轉(zhuǎn)入耕地面積的72.45%、27.05%，主要發(fā)生在沙灣縣、烏蘇縣、克拉瑪依市呼圖壁縣和瑪納斯縣(新增耕地面積>400 km2)。耕地轉(zhuǎn)其他地類面積847.51 km2，其中分別向草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)入了660.14、100.41 km2，分別占轉(zhuǎn)出耕地面積的77.89%、11.85%。

2010—2020年耕地面積繼續(xù)擴(kuò)大，單向轉(zhuǎn)入減小，雙向轉(zhuǎn)化頻繁(Ps=0.18)。其中林地、草地、水域、建設(shè)用地和荒漠分別向耕地轉(zhuǎn)入了11.96、2 922.87、37.08、0.13、320.03 km2，主要發(fā)生在烏蘇縣和沙灣縣。耕地轉(zhuǎn)其他地類面積2 270.35 km2，其中有92.01%和5.17%分別轉(zhuǎn)入了草地和建設(shè)用地,主要發(fā)生在烏魯木齊市和奇臺(tái)縣。

從行政區(qū)劃上看，耕地主要分布在沙灣縣、烏蘇市、瑪納斯縣、奇臺(tái)縣、呼圖壁縣和昌吉市(表2)，分別占耕地面積的18.61%、14.21%、10.30%、6.61%、8.54%和6.01%(2020年)。1990—2020年期間，除烏魯木齊市和石河子市外分別減小403.14 km2和109.39 km2，其余各縣市的耕地面積均呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中，烏魯木齊市和石河子烏蘇市、沙灣縣、呼圖壁縣、克拉瑪依市、瑪納斯縣、精河縣、博樂市耕地面積增長(zhǎng)較大，新增耕地面積分別為1 655.11、1 590.43、812.72、804.73、592.90、563.93、538.29 km2；奎屯市、克拉瑪依市、溫泉縣和烏蘇市耕地面積增速較快，至2020年耕地面積分別達(dá)到631.37、1 282.34、587.49、3 170.69 km2，新增耕地面積分別為各縣市1990年耕地面積的2.75、1.68、1.18和1.09倍。

為進(jìn)一步分析耕地的時(shí)空變化，本文計(jì)算1990—2020年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各時(shí)期耕地重心及遷移距離，結(jié)果(表3、表4)表明各時(shí)期耕地重心均向西北方向、沙漠方向遷移，該移動(dòng)方向與西北方向低覆蓋度草地和沙漠大面積轉(zhuǎn)為耕地密切相關(guān)，說明天山北坡經(jīng)濟(jì)帶綠洲擴(kuò)張主要向西北方向發(fā)展。

表2 1990—2020年各縣市耕地面積統(tǒng)計(jì)表 單位：km2

圖4 1990—2020年各時(shí)期研究區(qū)耕地時(shí)空變化分布圖

圖5 1990—2020年研究區(qū)各時(shí)期年平均溫度及趨勢(shì)變化

表3 研究區(qū)耕地重心坐標(biāo)

表4 研究區(qū)耕地重心遷移情況

2.3 耕地變化的驅(qū)動(dòng)力分析

2.3.1滴灌農(nóng)業(yè)及沙漠的增溫效應(yīng)對(duì)耕地?cái)U(kuò)張有顯著的促進(jìn)作用

由本研究結(jié)果(圖4)可發(fā)現(xiàn)草地與荒漠是新增耕地的主要來源，這主要與干旱區(qū)滴灌農(nóng)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展和沙漠的增溫效應(yīng)相關(guān)，例如，滴灌技術(shù)的大面積推廣提高了農(nóng)田水分利用效率、增加了地表溫度，減少了土壤次生鹽漬化[20-21]，改善了農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，為天山北坡經(jīng)濟(jì)帶耕地面積增加提供了技術(shù)保障[8]。

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶西段海拔較東段低，西北向溫度高于東段，古爾班通古特沙漠主體位于西段耕地北面，夏季沙漠增溫效應(yīng)更為顯著。低海拔和明顯的沙漠增溫效應(yīng)使得西段耕地?zé)崃織l件優(yōu)于東段(圖5)。該條件有利于棉花、番茄等喜溫經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)。通過查閱新疆統(tǒng)計(jì)年鑒可知，棉花、番茄兩種經(jīng)濟(jì)作物種植比例天山經(jīng)濟(jì)帶西段明顯高于東段，呈現(xiàn)出自西向東逐漸減少的趨勢(shì)。

2.3.2 氣候的暖濕化有利于干旱區(qū)植被生長(zhǎng)

由本研究結(jié)果(圖5、圖6)可發(fā)現(xiàn)，近30年來天山北坡經(jīng)濟(jì)帶山前草地、綠洲區(qū)及綠洲與荒漠交錯(cuò)帶降水呈增加趨勢(shì)，這促進(jìn)了北部綠洲、綠洲與荒漠交錯(cuò)帶的農(nóng)業(yè)發(fā)展，致使耕地重心向北部沙漠方向移動(dòng)。此外，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶西北向較明顯的增雨效應(yīng)是植被生長(zhǎng)的重要優(yōu)勢(shì)條件，也是耕地向西北方向擴(kuò)張的重要原因。

圖6 1990—2018 年研究區(qū)各時(shí)期年平均降水量及趨勢(shì)變化

2.3.3“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略快速實(shí)施促進(jìn)了新疆農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展

自2000年“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略實(shí)施以來，新疆不斷調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)[22]，促進(jìn)了新疆糧食、棉花、特色林果基地的建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)[23]，促使第一產(chǎn)業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率高于全國平均水平[24]，2019年全區(qū)棉花產(chǎn)量占全國棉花總產(chǎn)量的84.9%，成為國內(nèi)最重要的棉花種植基地之一，特色農(nóng)業(yè)發(fā)展成效明顯。另外，近年來天山北坡經(jīng)濟(jì)帶農(nóng)業(yè)已從單純的糧食、棉花生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為多元化農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，這促進(jìn)了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的極大增加和新疆農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。

4 結(jié)論

本文以干旱區(qū)典型農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)—天山北坡經(jīng)濟(jì)帶為研究區(qū)，基于1990—2020年4期Landsat遙感影像土地利用解譯數(shù)據(jù)，借助于3S技術(shù)手段、耕地定量分析統(tǒng)計(jì)模型、耕地重心遷移模型及氣候時(shí)空變化趨勢(shì)模型，分析干旱區(qū)綠洲耕地的分布特征及時(shí)空變化過程，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛘w變化和灌溉模式探究了干旱區(qū)綠洲耕地的驅(qū)動(dòng)因素，得出以下結(jié)論：

(1)1990—2020年期間，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶土地利用類型以草地、未利用地、耕地為主，其中，耕地和建設(shè)用地持續(xù)增加，高山積雪冰川融化大面積轉(zhuǎn)為裸地和草地，草地面積大幅度增加是該時(shí)期土地利用變化的主要特征。

(2)從行政區(qū)劃看，耕地主要分布、面積持續(xù)增加的區(qū)域集中分布在天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中西段沙灣縣、瑪納斯縣、烏蘇市、呼圖壁縣、昌吉市、精河縣、克拉瑪依市和博樂市。

(3)1990—2020年耕地總面積持續(xù)增加，耕地轉(zhuǎn)入面積均大于轉(zhuǎn)出面積，其中草地和未利用地是新增耕地主要來源。

(4)1990—2020年期間，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶西段在優(yōu)良的光熱條件、膜下滴灌技術(shù)的普及、經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)、政策引導(dǎo)、克拉瑪依市的開發(fā)等多重作用力的驅(qū)動(dòng)下(自然條件、經(jīng)濟(jì)、政治政策、農(nóng)業(yè)技術(shù))，大面積的土地被開發(fā)或復(fù)墾，促使天山北坡經(jīng)濟(jì)帶耕地重心整體向西北方向偏移。

(5)滴灌農(nóng)業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了提高水資源利用效率的，促使大面積荒漠荒草區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾涂筛?、適耕地面積極大的增加，這有利于新疆農(nóng)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。