1990—2020年烏昌地區(qū)土地利用與土地覆蓋變化動(dòng)態(tài)研究

趙金鵬 哈麗娜·努爾布爾

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

新疆維吾爾自治區(qū)（以下簡(jiǎn)稱新疆）是我國(guó)土地面積最大的省級(jí)行政區(qū)，而烏魯木齊市和昌吉回族自治州（烏昌地區(qū)）是新疆天山的核心經(jīng)濟(jì)地帶，研究其土地利用與覆蓋變化（Land Use and Land Cover Change，LUCC）十分重要且必要。而目前在土地利用與土地覆蓋變化研究方面，有關(guān)烏昌地區(qū)的研究報(bào)道相對(duì)較少?；诖耍詾醪貐^(qū)為研究區(qū)，采用遙感技術(shù)對(duì)其進(jìn)行土地利用類型、土地利用轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行分析，探究1990—2020 年烏昌地區(qū)LUCC 的變化特征和變化規(guī)律。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

烏昌地區(qū)是指烏魯木齊市和昌吉回族自治州。其中，烏魯木齊市為新疆首府，是世界上距離海洋最遠(yuǎn)的大城市，有“亞心之都”之稱。昌吉回族自治州為新疆重要的農(nóng)產(chǎn)品輸出地，是首府烏魯木齊市的重要補(bǔ)充。烏昌地區(qū)地處我國(guó)西北、亞歐大陸中心，在準(zhǔn)噶爾盆地南部、天山山脈北麓，位于東經(jīng)85°17′～91°32′、北緯42°45′～45°00′。烏昌地區(qū)地勢(shì)整體呈南部和東北部高、中部和西北部低的趨勢(shì)，為溫帶大陸性氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱，溫差極大［1］。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)中的高程數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），其分辨率為30 m；從中國(guó)生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（Chinese Life Cycle Database，CLCD）土地利用數(shù)據(jù)網(wǎng)站獲得1990 年、1995 年、2000年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年新疆的土地覆被數(shù)據(jù)，使用Arcgis 軟件根據(jù)烏昌地區(qū)行政區(qū)劃矢量圖進(jìn)行裁剪，并進(jìn)行掩膜提取，進(jìn)而形成該地區(qū)的土地利用變化數(shù)據(jù)。之后完善土地利用變化數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行分類，包括水域、耕地、林地、草地、濕地、建設(shè)用地、灌木地、裸地和冰山融雪等9類［2］。

1.2.2 研究方法

1.2.2.1 土地利用變化幅度

土地利用變化幅度指某一時(shí)間段土地利用類型面積的變化，反映不同類型的土地在總量上的變化，可了解土地利用變化的總態(tài)勢(shì)和土地利用結(jié)構(gòu)的變化［3］。其計(jì)算公式為

式（1）中：K為某一地區(qū)土地利用類型在研究期的變化幅度，Va為某一種土地利用類型研究末期土地面積，Vb為某一種土地利用類型研究初期土地面積。

1.2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用變化分析的轉(zhuǎn)移矩陣能夠完全描述不同類型土地之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以具體、全面地體現(xiàn)出研究區(qū)各土地利用類型變化的結(jié)構(gòu)特征與變化方向［4］。其計(jì)算公式為

式（2）中：LUCC為土地利用變化分析的轉(zhuǎn)移矩陣，Cn為研究區(qū)土地利用變化前分類結(jié)果，Cn+1為研究區(qū)土地利用變化后分類結(jié)果。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型的空間分布

烏昌地區(qū)的地勢(shì)南高北低，且烏昌地區(qū)東北部有高海拔地區(qū)。實(shí)地走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，烏昌地區(qū)以裸地和草地為主，裸地主要分布在該區(qū)域的東北部，草地主要分布在西南部，兩者對(duì)稱分布。由圖1 可知，烏昌地區(qū)不同海拔的土地利用空間分布差異明顯，但海拔高于4 200 m的區(qū)域幾乎很少有利用土地分布。其中，耕地分布在海拔低于1 800 m 的區(qū)域，以分布在海拔298～1 000 m 的區(qū)域?yàn)橹?，面積達(dá)8 867.26 km2；林地主要分布在海拔1 800～2 600 m 的區(qū)域；建設(shè)用地主要分布在海拔298～1 000 m 的區(qū)域；草地、裸地在高海拔地區(qū)和較低海拔地區(qū)均有分布，但裸地主要分布在海拔298～1 000 m 的區(qū)域，草地在不同海拔的分布較為均勻；水域和濕地分布在海拔低于2 000 m 的區(qū)域，在不同海拔的分布沒(méi)有明顯規(guī)律；高山融雪基本均存在于海拔高于3 000 m 的區(qū)域。由于烏昌地區(qū)南部為天山山地，所以烏昌地區(qū)南部主要是冰川融雪、林地和高山型草地。烏昌地區(qū)中部主要為沖積平原，水域、耕地和草地分布面積較大。受南部天山山脈的影響，烏昌地區(qū)中部耕地和建設(shè)用地的水資源主要來(lái)源于高山積雪和山地地表徑流，這有利于滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和工業(yè)用水需求。烏昌地區(qū)北部廣泛分布沙漠盆地，加之當(dāng)?shù)貧夂蚋稍?，所以?dāng)?shù)赝恋仡愋椭饕獮槁愕兀_發(fā)難度大。

圖1 1990—2020年烏昌地區(qū)不同海拔土地利用類型變化

2.2 土地利用變化幅度分析

1990 年、1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015年和2020 年烏昌地區(qū)土地利用類型面積如表1 所示。利用公式（1）計(jì)算1990—2020 年烏昌地區(qū)土地利用類型面積的變化幅度，結(jié)果如表2 所示。由表1 可知，烏昌地區(qū)林地和建設(shè)用地面積隨著時(shí)間的推移而增加。相比1990年，2020年烏昌地區(qū)林地面積增加754.45 km2，其原因可能是造林政策逐漸落實(shí)到位；2020 年烏昌地區(qū)建設(shè)用地面積增加602.08 km2，主要是由城市化的不斷發(fā)展造成的。自1995 年以后，烏昌地區(qū)草地面積逐漸減少。由表2可知，1990—2020年，烏昌地區(qū)建設(shè)用地呈現(xiàn)正向變化（且其變化幅度排第一），排第二位的是林地，而草地整體變化趨勢(shì)為負(fù)向，其余土地利用類型變化幅度呈現(xiàn)上下波動(dòng)趨勢(shì)。其中，2015—2020 年烏昌地區(qū)耕地面積變化幅度為-7.59%，此期間耕地面積減少798.44 km2；2015—2020 年烏昌地區(qū)灌木地面積變化幅度為2 230.77%，其余時(shí)間段變化幅度均為負(fù)值；2010—2015 年、2015—2020 年烏昌地區(qū)水域面積變化幅度分別為-8.36% 和-0.61%，但1990—2020 年整體變化幅度為81.47%，說(shuō)明除特定年份外，水域面積整體呈增加趨勢(shì)；1990—2020 年烏昌地區(qū)冰山融雪面積的變化差異較大、階段性較為顯著，1990—1995 年、2005—2010 年、2010—2015 年變化幅度分別為17.58%、10.81%、3.86%，其余時(shí)間段均為負(fù)值，可能是全球氣候變暖和極端天氣天不斷出現(xiàn)導(dǎo)致的；1990—2010 年烏昌地區(qū)裸地面積不斷減少，變化幅度為負(fù)值；2005 年以前，烏昌地區(qū)濕地面積逐年減少，之后則反之，可能是受國(guó)家開始注重生態(tài)濕地修復(fù)的影響。

表1 1990—2020年烏昌地區(qū)土地利用類型面積km2

表2 1990—2020年烏昌地區(qū)土地利用類型面積變化幅度%

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

利用Arcgis軟件中的空間分析工具中的柵格計(jì)算器進(jìn)行烏昌地區(qū)地圖的代數(shù)計(jì)算，參照公式（2），得出1990—2020 年烏昌地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（見表3 至表8）。整體來(lái)看，1990—2020 年烏昌地區(qū)土地轉(zhuǎn)移變化頻繁，由于當(dāng)?shù)夭莸睾吐愕乇旧砻娣e大，所以主要是以草地和裸地的轉(zhuǎn)出、建設(shè)用地和林地面積的日漸增加為整體趨勢(shì)而發(fā)展的。當(dāng)?shù)孛媾R的生態(tài)壓力較大，耕地和草地大面積退化成裸地。

表3 1990—1995年烏昌地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 1995—2000年烏昌地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表5 2000—2005年烏昌地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表6 2005—2010年烏昌地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表7 2010—2015年烏昌地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表8 2015—2020年烏昌地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

1990—1995 年，烏昌地區(qū)耕地的主要轉(zhuǎn)出方向是草地，而草地的主要轉(zhuǎn)出方向是耕地、林地和裸地，特別是轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕氐拿娣e占草地轉(zhuǎn)出總面積的2.67%。草地轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕氐脑蚩赡苁钱?dāng)?shù)貧夂蚋稍?，降水量小于蒸發(fā)量，使得草地荒漠化。裸地主要轉(zhuǎn)為草地，其轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸氐拿娣e占裸地轉(zhuǎn)出總面積的4.44%，表明烏昌地區(qū)開始注重裸地開發(fā)。

1995—2000 年，在烏昌地區(qū)轉(zhuǎn)出土地類型中，草地成為主要的轉(zhuǎn)出利用類型，草地轉(zhuǎn)為耕地、林地、建設(shè)用地的面積分別為909.57、224.93、41.84 km2。

2000—2005年，烏昌地區(qū)土地利用變化頻繁，主要是草地和裸地的互相轉(zhuǎn)換。另外，草地轉(zhuǎn)為耕地的面積也占有一定的比重，轉(zhuǎn)為耕地的面積為1 010.83 km2，占草地轉(zhuǎn)出總面積的2.85%。

2005—2010 年，烏昌地區(qū)草地主要轉(zhuǎn)出方向與前兩個(gè)時(shí)期有所變化，草地轉(zhuǎn)化為耕地的面積最大（轉(zhuǎn)化面積為1 476.01 km2，占草地轉(zhuǎn)出總面積的4.24%，相比2000—2005 年增長(zhǎng)了1.39 個(gè)百分點(diǎn)），同時(shí)部分草地轉(zhuǎn)化成了裸地。

2010—2015 年，烏昌地區(qū)裸地對(duì)草地的轉(zhuǎn)入相比前幾個(gè)時(shí)期大幅度減少（這個(gè)時(shí)期裸地對(duì)草地的轉(zhuǎn)入面積為860.60 km2，與2005—2010 年轉(zhuǎn)入面積1 887.68 km2相比減少了1 027.08 km2）；而草地退化成裸地的面積與前期相比只增不減，說(shuō)明草原荒漠化在烏昌地區(qū)是一個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題。

2015—2020 年，烏昌地區(qū)土地轉(zhuǎn)移變化顯著，耕地轉(zhuǎn)出總面積（10 522.42 km2）與前幾個(gè)時(shí)期相比大大增加，相比2010—2015 年轉(zhuǎn)出總面積9 806.65 km2增加了715.77 km2；相比較而言，草地的轉(zhuǎn)出面積有所減少。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

①烏昌地區(qū)以裸地和草地為主，裸地主要分布在該區(qū)域的東北部，草地主要分布在西南部，兩者對(duì)稱分布。另外，烏昌地區(qū)不同海拔的土地利用空間分布差異明顯。

②從整體的土地利用幅度來(lái)看，烏昌地區(qū)建設(shè)用地呈現(xiàn)正向變化（且其變化幅度排第一），排第二位的是林地，而草地整體變化趨勢(shì)為負(fù)向，其余土地利用類型變化呈現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢(shì)。

③從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)看，烏昌地區(qū)土地轉(zhuǎn)移變化頻繁，由于當(dāng)?shù)夭莸睾吐愕乇旧砻娣e大，所以主要是以草地和裸地的轉(zhuǎn)出、建設(shè)用地和林地面積的日漸增加為整體趨勢(shì)而發(fā)展的。當(dāng)?shù)孛媾R的生態(tài)壓力較大，耕地和草地大面積退化成裸地。

3.2 討論

1990—2020 年，烏昌地區(qū)建設(shè)用地面積逐年增長(zhǎng)，其主要是受當(dāng)?shù)爻鞘谢l(fā)展的影響。譚遠(yuǎn)模等［5］開展了類似研究，發(fā)現(xiàn)自我國(guó)加速城市化發(fā)展以來(lái)，城市規(guī)模急劇擴(kuò)張，部分耕地被納入城市建設(shè)用地。雖然1990—2020 年烏昌地區(qū)建設(shè)用地面積逐年增長(zhǎng)，但是建設(shè)用地面積的增長(zhǎng)與耕地、草地等面積的增長(zhǎng)相比微乎其微。另外，烏昌地區(qū)草地和林地面積的變化主要受國(guó)家退耕還林還草政策的影響。