基于MODIS數(shù)據(jù)的新疆土地利用/覆被時空變化及驅(qū)動因素分析

米爾扎提江·木艾塔爾江，古麗米熱·艾爾肯，阿依吐爾遜·沙木西

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，烏魯木齊 830052）

土地利用/覆被變化（Land use/land cover）是人地關(guān)系的外在表現(xiàn)，對研究全球氣候變化特點和影響生態(tài)系統(tǒng)演變產(chǎn)生主導(dǎo)性的作用。土地利用方式及時空格局變化影響生物多樣性，生態(tài)系統(tǒng)功能和土地資源承載功能，進(jìn)一步對地球各大圈層之間的能量物質(zhì)交換以及信息交流產(chǎn)生作用，對于區(qū)域土地可持續(xù)利用具有重大研究意義。國外對土地利用/覆被的研究主要集中在信息獲取、分類與制圖、時空演變、驅(qū)動力與驅(qū)動機(jī)制等領(lǐng)域，以定性和定量的影響因素分析尤為突出［1-4］。國內(nèi)研究學(xué)者在土地利用變化的研究主要以選擇生態(tài)脆弱區(qū)域［5］與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)［6］等熱點區(qū)域進(jìn)行研究。土地利用覆被變化常用土地利用動態(tài)度、土地利用程度綜合指數(shù)及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等方法揭示土地利用數(shù)量和程度的變化、土地利用變化類型的來源和去向以及土地利用的空間變化［7］。影響城市的土地利用動態(tài)變化主要包括自然因素和社會因素［8］。目前通過GIS和RS空間分析技術(shù)建立的驅(qū)動力模型和土地利用變化對環(huán)境的影響等方面取得階段性成果［9］，并充分剖析LUCC的各驅(qū)動力間的關(guān)系在時空尺度上的動態(tài)變化，考慮將自然與社會驅(qū)動力變量同時列入到不同地域、不同社會群體的文化因素或微觀意識變量［10］，在研究土地利用變化中由于難以分離部分地類，因此不能只依靠同一個時期的土地利用或覆被的類型數(shù)據(jù)［11］。由于MODIS數(shù)據(jù)與其他遙感數(shù)據(jù)相比，圖像分辨率高，成像面積大，波譜分辨率相對較高，更適合做宏觀土地利用現(xiàn)狀的調(diào)查研究，有利于獲取大范圍自然資源的動態(tài)檢測和調(diào)查數(shù)據(jù)［12］。當(dāng)前對新疆的研究方面，主要圍繞某個縣市或者流域的土地利用變化進(jìn)行相關(guān)研究。本研究基于前人的區(qū)域化分析，對新疆總體宏觀的土地利用變化進(jìn)行研究，以期為未來空間發(fā)展規(guī)劃和土地利用規(guī)劃的合理調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。張靚等［13］對內(nèi)蒙古21世紀(jì)以來的土地利用/覆被特征及成因進(jìn)行研究，得出土地利用變化的區(qū)域表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜和空間分異明顯的特點。陳鑄等［14］利用遙感影像分析了福州市近20年的土地利用變化的景觀格局變化，研究表明原有林地、農(nóng)地以及未利用土地面積呈減少趨勢，而建設(shè)用地和水體面積持續(xù)上升，自然景觀聚集度下降，破碎化程度日益嚴(yán)重。駱成鳳等［15］以新疆石河子為試驗區(qū)進(jìn)行了土地利用分類研究，提出250 m MODIS數(shù)據(jù)對新疆地區(qū)的土地利用類型信息獲得比較實用；BP算法對中分辨率的MODIS數(shù)據(jù)能夠取得較高的分類精度。陳書林等［16］以長三角地區(qū)為研究區(qū)域，探討了從1985—2015近30年的土地利用變化特征及其驅(qū)動力，得出耕地面積減幅最大，而城鎮(zhèn)用地面積增幅最大。段紅騰等［17］對巴音河流域近10年的土地利用變化開展研究，分析土地利用時空演變規(guī)律，得出巴音河流域土地利用格局的轉(zhuǎn)變主要受人口增長、地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及政府政策強(qiáng)制性實施等因素的影響，土地利用變化是一個交替擴(kuò)張的動態(tài)過程，但土地均處于合理開發(fā)利用狀態(tài)，社會經(jīng)濟(jì)活動作為主要驅(qū)動力極大地影響著土地利用的演變過程。

本研究選取新疆近18年的MODIS數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對2001、2010、2018年（MCD12Q1）土地利用/覆被變化類型進(jìn)行分類，通過應(yīng)用土地利用程度和動態(tài)度來分析土地利用/覆被逐年變化特征及驅(qū)動因素，為研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化、生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)建設(shè)、資源合理開發(fā)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

新疆地處歐亞大陸腹地，位于中國西北部，是中國距離海洋較遠(yuǎn)的省份之一，位置介于東經(jīng)73°40′—96°18′，北緯34°25′—48°10′（圖1）。地形特征是山脈與盆地相間排列，可概括為“三山夾兩盆”，地處高海拔，其被山脈環(huán)繞［18］。新疆位于中國西部干旱區(qū)，屬于典型的溫帶大陸性氣候，春季低溫風(fēng)沙天氣較多，降雨主要集中在夏季，秋季天氣變化大，冬季時間長低溫多雪。降水量少，蒸發(fā)強(qiáng)，年平均降水量163.3 mm，蒸發(fā)量可達(dá)2 000 mm以上。全區(qū)擁有行政區(qū)域面積166.48×104km2，分為4個地級市、5個地區(qū)、5個自治州、11個自治區(qū)直轄縣級市，合計107個縣級區(qū)劃，1 128個鄉(xiāng)級區(qū)劃。截至2018年底，新疆擁有2 486.76萬人，城鎮(zhèn)人口占50.91%，農(nóng)村人口占49.09%。

圖1 研究區(qū)位置

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)來源：2001、2010、2018年3期的MOD12Q1數(shù)據(jù)由美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射的地球觀測系統(tǒng)環(huán)境遙感衛(wèi)星獲得，運用ArcGIS10.2軟件進(jìn)行投影變換、剪裁、重分類及矢量化等處理的土地利用/覆被變化數(shù)據(jù)，其分辨率為500 m，土地覆蓋類型分為6大類，包括15個2級類別；2001—2018年統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)（氣溫及降水量）和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)（人口、城鎮(zhèn)化、GDP、人均GDP等），來自2001—2018年《新疆統(tǒng)計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用幅度變化LUCC的變化幅度是指反映不同地類在總量上的變化程度，通過分析各地類面積的變化情況，可以了解土地利用變化的總體趨勢和結(jié)構(gòu)的變化。其公式如下：

式中，R表示特定研究時間內(nèi)土地利用類型的變化幅度，Ua、Ub表示研究初期a和末期b的土地利用類型的單位面積（km2）。

2.2.2 土地利用/覆被轉(zhuǎn)換方向與幅度轉(zhuǎn)換方向主要以轉(zhuǎn)移矩陣來描述，它不僅包含特定研究區(qū)域在特定時間內(nèi)的各土地類型面積信息，還包括各土地類型在初期和后期的轉(zhuǎn)出以及轉(zhuǎn)入的面積信息。利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠反映出各土地類型在某個時間段內(nèi)初期和末期跟其他土地類型面積之間相互轉(zhuǎn)變的動態(tài)過程信息。其計算公示如下：

式中，Cij表示土地利用/覆被類型i轉(zhuǎn)換為j的幅度；i、j分別表示矩陣的行、列的土地利用/覆被類型。ΔSij表示2期土地利用/覆被中類型i轉(zhuǎn)變?yōu)轭愋蚸的面積；Si表示前一期i類土地類型的面積。

2.2.3 土地利用/覆被狀況指數(shù)結(jié)合研究區(qū)的分類系統(tǒng)，某一類土地利用/覆被類型的面積占總面積的比例。用來衡量該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合功能狀況，其數(shù)值越高表明功能越好。其公式如下：

式中，S表示土地利用/覆被狀況指數(shù)，Ci表示耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地、未利用地的面積（km2），A表示研究區(qū)總面積。

土地利用/覆被狀況變化率，用來描述研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況的轉(zhuǎn)變，其計算公式如下：

式中，Sration表示初期與末期間狀況指數(shù)的變化率（%）；S1、S2表示前期和后期的狀況指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆被面積及幅度變化分析

依據(jù)土地利用/覆被MOD12Q1遙感數(shù)據(jù)分析整理和計算，得出新疆各用地類型的變化幅度。由數(shù)據(jù)源識別耕地、林地（常綠針葉林、低蓋度灌木林、高蓋度灌木林、落葉闊葉林、人工林地、針闊混交林），草地（低蓋度草地、中高蓋度草地）、水體（冰川雪地、水域）、建設(shè)用地、未利用地（裸地、濕地）6種土地利用類型（表1）。由表1可知，近18年研究期內(nèi)，每年研究區(qū)內(nèi)未利用土地占土地總面積的占比最大，是新疆最主要的土地利用類型，由于特殊的地理位置，周圍由高山環(huán)繞，又有盆地和沙漠地段，遠(yuǎn)離海洋降水量稀少，使得新疆的未利用土地占比居高不下。2018年研究區(qū)各類型面積按占比由高到低依次為未利用地、草地、耕地、水體、林地、建設(shè)用地。在研究期內(nèi)未利用地面積由2001年的73.00%到2018年的70.24%，呈下降趨勢并減少了45 038.02 km2。2001—2010年時間段內(nèi)林地的面積減少了483.41 km2，但隨著當(dāng)?shù)亻_展植樹造林和退耕還林等政策的有效實施，在2010—2018年內(nèi)林地面積增加了481.44 km2，2018年 為2 723.50 km2，其占研 究區(qū)土地總面積的0.17%。耕地、草地、水體、建設(shè)用地面積在研究期內(nèi)持續(xù)增加，從2001年到2018年分別增加了25 149.68、11 280.98、8 508.37、45.73 km2，研究末期分別占土地總面積的4.32%、23.48%、1.63%、0.16%。草地是新疆繼未利用地后第二大土地利用類型，至2018年研究區(qū)草地面積與研究初期相比共增加了11 280.98 km2。耕地在研究期內(nèi)從2001年的45 465.15 km2增加2010年的58 095.33 km2，再到2018年的70 614.83 km2，保持明顯的增長趨勢，是與國家資源部出臺的號召保護(hù)國家耕地紅線和地方耕地紅線政策保持一致性。水體面積從2001年的18 020.83 km2增加到2018年的26 529.20 km2，增加了8 508.37 km2，是隨著特殊的地理環(huán)境雪山的融化和近18年的年均降水量保持相對增加引起的。研究區(qū)建設(shè)用地面積從2001年到2018年共增加了45.73 km2，變化程度較小。總體而言，增加的土地量是從未利用地的面積減少以及各土地類型的相互轉(zhuǎn)換而獲得的增量土地類型，由此可知新疆的整體生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平呈平穩(wěn)上升狀態(tài)。近18年來新疆其他土地利用類型面積逐漸擴(kuò)張，未利用地面積逐漸減少。

表1 新疆各土地利用類型變化情況

3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移變化分析

土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣能詳細(xì)反映研究區(qū)土地類型轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)換方向的特點。由表2和圖2可知，在2001—2010年期間，共有69 585.29 km2的土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，占研究區(qū)土地總面積的4.26%。新增加的耕地面積在前10年主要由草地轉(zhuǎn)入15 455.87 km2；占耕地轉(zhuǎn)入總量的26.61%；林地的新增面積主要由草地所得，轉(zhuǎn)入了492.57 km2；研究區(qū)內(nèi)草地的新增面積依次由未利用地、耕地、林地、建設(shè)用地、水體轉(zhuǎn)入，分別轉(zhuǎn)入了26 225.59、3 256.26、1 002.18、179.23、58.10 km2；水體新增面積主要由未利用地轉(zhuǎn)入了6 864.80 km2；建設(shè)用地增加的面積主要由耕地、草地、未利用地轉(zhuǎn)入，分別轉(zhuǎn)入了192.50、206.04、34.64 km2。未利用地新增面積依舊主要是由草地轉(zhuǎn)入，近10年研究期間草地轉(zhuǎn)入11 834.42 km2，其次由水體轉(zhuǎn)入了2 439.63 km2。除了水體外其他所有土地利用類型的轉(zhuǎn)入面積中草地占主導(dǎo)位置。在2010—2018年研究期內(nèi)，有82 995.56 km2的土地利用類型轉(zhuǎn)變，占新疆土地總面積的5.08%，與研究初期相比呈現(xiàn)增加的趨勢。新增耕地的面積與研究初期保持基本一致，近9年主要由草地共轉(zhuǎn)入了16 794.50 km2，林地的新增面積由除建設(shè)用地外的其他5類土地利用類型面積轉(zhuǎn)入。草地的新增面積從大到小依次為未利用地、耕地、林地、建設(shè)用地、水體，分別轉(zhuǎn)入32 723.33、4 877.66、597.49、319.96、87.66 km2。新增水體面積中未利用地轉(zhuǎn)入面積最大，共轉(zhuǎn)入8 080.82 km2。建設(shè)用地新增面積中耕地、草地、未利用地占比較高。未利用地新增面積也與研究初期保持一致，并轉(zhuǎn)入16 336.47 km2，占未利用地總面積的1.42%。在近18年的研究期內(nèi)，未利用地的轉(zhuǎn)出大于轉(zhuǎn)入，草地轉(zhuǎn)入其他各地類的面積最大（除水體外），水體新增面積由未利用地面積轉(zhuǎn)入比例遠(yuǎn)高于其他地類。建設(shè)用地面積無明顯變化。

圖2 新疆地區(qū)土地利用變化

表2 2001—2018年新疆土地覆被面積轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

3.3 土地利用/覆被狀況指數(shù)分析

通過計算得出，新疆2001年至2010年、2010年至2018年土地利用/覆被指數(shù)的變化率分別為20.00%、19.99%。由此推斷出近18年的研究期內(nèi)新疆的生態(tài)功能較為穩(wěn)定，新疆平均土地利用覆被狀態(tài)指數(shù)為19.99。由表3可知，各土地類型的平均土地利用/覆被狀況指數(shù)由高到低分別為未利用地（71.69）、草地（23.07）、耕地（3.55）、水體（1.37）、林地（0.16）、建設(shè)用地（0.16）。由此可知未利用地和草地是新疆主要的土地利用類型。從土地利用/覆被狀態(tài)變化率可以看出（圖3），2001—2010年林地和未利用地的變化率為負(fù)值，呈現(xiàn)轉(zhuǎn)差的趨勢，而耕地、草地、水體，建設(shè)用地為正值，呈現(xiàn)轉(zhuǎn)好的趨勢，其中耕地和水體的變化量較大，增長較為明顯。在2010—2018研究期內(nèi)除了未利用地和建設(shè)用地外，其他土地覆被狀況變化率均為正值，呈現(xiàn)轉(zhuǎn)好的趨勢，其中耕地、林地、水體的變化率都相對而言存在明顯的增加趨勢。近18年的研究時間段內(nèi)，主要是未利用地的變化率為負(fù)值，一直是呈下降的趨勢。林地在研究前期的負(fù)值轉(zhuǎn)換為末期的正值，其他耕地、草地、水體、建設(shè)用地均處于轉(zhuǎn)好的趨勢。

表3 2001—2018年新疆土地利用/覆被狀況指數(shù)

圖3 2001—2018年新疆土地利用/覆被狀況變化率

3.4 土地利用變化驅(qū)動因素分析

3.4.1 自然因素土地利用覆蓋變化一定程度上受自然氣候變化的影響，通常情況下自然因素的影響是長期累積的效應(yīng)。從2001—2018年新疆的氣溫（圖4）和降水量來看（圖5），年平均氣溫上升的同時降水量也存在上升的趨勢，但是增長變化幅度并不大，過程呈先上升后下降再到上升的態(tài)勢。研究區(qū)年均氣溫為10.3℃。年平均降水量為166.6 mm，最高降水量為219.6 mm，最低降水量為108.6 mm?？傮w而言隨著氣候的逐步上升，根據(jù)土地利用類型的狀況指數(shù)得出水體面積增加，對各農(nóng)用地的面積類型變化有一定的作用。

圖4 2001—2018年新疆年平均氣溫

圖5 2001—2018年新疆年平均降水量

3.4.2 社會經(jīng)濟(jì)因素大量研究表明，社會經(jīng)濟(jì)因素是土地利用/覆被變化的主導(dǎo)因素，其中社會人口是影響土地利用/覆被的主要因素［19］。隨著新疆社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，研究區(qū)人口與城鄉(xiāng)居民收入逐漸增加（表4），人口數(shù)量從2001年的1 849.41萬人到2018年的2 444.67萬人，其增長率為30.30%。城鎮(zhèn)化水平由2001年的33.75%到2018年的49.38%。2001年新疆國內(nèi)生產(chǎn)總值為1 491.00億元到2018年的10 882.96億元，2001年的人均生產(chǎn)總值為7 945元，2018人均生產(chǎn)總值為44 941元。研究時間段內(nèi)人口、城鎮(zhèn)化率、GDP、人均GDP的增長明顯。加快土地開發(fā)和城鎮(zhèn)化的速度，由此導(dǎo)致建設(shè)用地面積的增加，隨著對糧食的需求使得耕地面積增加，間接影響著水體等其他土地類型面積的變化。

表4 2001—2018年新疆社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)

4 小結(jié)與討論

基于2001，2010和2018年3期的MOD12Q1遙感數(shù)據(jù)，以土地面積變化、利用類型轉(zhuǎn)移、狀況指數(shù)等方面的數(shù)據(jù)，分析出新疆近18年的土地利用/覆被變化的過程。

1）在2001—2018年期間土地利用類型發(fā)生了明顯的變化，耕地、草地、水體及建設(shè)用地以繼續(xù)增加為主，相比于2001年、2018年的耕地面積增加了25 149.68 km2，草地面積增加了11 280.98 km2，水體面積增加了8 508.37 km2，建設(shè)用地增加了45.73 km2，其中新增面積主要來自未利用地，其次是由草地和耕地的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)入，建設(shè)用地面積變化幅度最小。研究區(qū)林地和未利用地面積總體減少，林地減少1.97 km2，其中未利用為新疆土地面積中最大的土地利用類型，18年共減少了45 038.02 km2，減少面積最大，占研究區(qū)土地總面積的2.75%。各土地利用/覆被類型之間存在不同程度的轉(zhuǎn)換。

2）研究區(qū)近18年的氣候呈現(xiàn)為年平均溫度變化幅度較明顯，年平均降水量變化幅度不大，二者總體呈先上升后下降再上升的趨勢。年均降水量在研究期內(nèi)從2001年的127.1 mm到2018年的163.3 mm/年，上升了36.2 mm；年均氣溫從2001年的10.4℃到2018年的10.6℃，上升了0.2℃。自然氣候?qū)ν恋乩妙愋偷淖饔帽憩F(xiàn)為研究區(qū)內(nèi)水體，耕地和草地的增加。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的上升也同樣使耕地和建設(shè)用地增加。

新疆未利用地逐年減少，后備土地資源較為豐富，但是由于地理位置特殊，生態(tài)環(huán)境比較脆弱，造成開發(fā)利用難度較大。社會經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化發(fā)展的同時，建設(shè)用地面積的變化幅度較小，因此在今后的發(fā)展過程中更要在保障經(jīng)濟(jì)建設(shè)的同時，嚴(yán)格控制建設(shè)用地占用耕地，充分發(fā)掘非農(nóng)建設(shè)用地。重視土地利用相關(guān)政策，保護(hù)農(nóng)用地為主的各土地利用類型的協(xié)調(diào)發(fā)展。