基于3S技術的荒漠綠洲土地利用／土地覆被變化特征
——以新疆巴里坤縣為例

高 偉，李小鋒，郭正剛

（蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州730020）

土地是人類賴以生存和發展的基礎性自然資源［1］，因此土地利用／土地覆蓋變化（Land－Use and Land－Cover Change，LUCC）詮釋了某一區域內人類活動對自然環境的影響過程［2］，成為自然資源和環境科學領域的前沿和熱點科學問題之一［2－3］。信息技術的發展促進了3S技術在LUCC研究中的應用［4－6］，實現了解析 LUCC的時空變化格局，以及物質循環和能量流動在各種土地利用類型間的關系［7－8］，從而有助于揭示區域內的生態過程及其后果。如內蒙古東部科爾沁沙區草地轉換為耕地后，土壤全氮基臺值和空間相關度增加，變程和分數維減少［9］，西部額濟納旗從1987年到2001年天然綠洲與水域面積急劇縮減，荒漠化程度加劇，景觀多樣性與景觀異質性程度減小，景觀穩定性降低［10］。三江平原地區在過去50年內耕地增加，而濕地、林地與草地減少，其減少的絕大部分轉置為耕地，草地面積比例從9．13%縮減為3．86%，而居民和工業用地快速增長［11］。黃土高原延安市的羊圈溝流域，1996年比1984年坡耕地減少了43%，林地和草地分別增加了42%和5%，土壤侵蝕量減少24%［8］，其景觀類型變化的主要驅動力是退耕還林還草工程［12］，說明國家土地利用政策對土地利用景觀類型間的轉置具有重大的影響［13］。

以荒漠為背景基質的我國西北地區，面積約占我國國土面積的11．4%［14］，既是歐亞大陸通道的核心分布區，又是我國生態環境脆弱區。近年來，我國在西北地區先后實施了退牧還草、退耕還林還草、城鎮化建設、牧民定居等眾多生態工程和政策［13，15－16］，這些工程和政策均不同程度地引起區域內土地利用格局的變化，進而影響區域內的生態進程。然而，目前關于我國西北地區近10年來土地利用變化的研究相對較少［10，12，17］，且多采用傳統的土地利 用現狀調研解析方法解釋農業用地的變化格局［11－15］，不能及時動態地反映荒漠綠洲整體景觀類型的空間變化規律。本研究以新疆巴里坤哈薩克自治縣（巴里坤縣）為例，采用3S技術分析該縣1980－2008年的土地利用變化過程，以期為荒漠綠洲區土地資源合理利用提供科學依據。

1 研究區概況

巴里坤縣位于天山山脈東段與東準噶爾斷塊山系之 間，地 理 坐 標 為 91°19′30″～94°48′30″E，43°21′～45°5′19″N，全縣土地面積38 445．3km2，東西長276．4km，南北寬180．6km。地形呈三山夾兩盆地的格局，南部是巴里坤山，中部是莫欽烏拉山，北部是東準噶爾斷塊山系，兩個盆地是巴里坤盆地和三塘湖盆地。平均海拔3 300m，最高海拔4 308m。氣候為中溫帶干旱氣候，暖季涼爽，冷季嚴寒，光照充足，無霜期短，降水偏少，蒸發量較大，氣溫年、日變化大，年平均氣溫1°C，極端最高氣溫42℃，最低氣溫－43．6℃。自漢朝以來，該區一直是游牧民族的重要牧場和漢族的重要屯墾基地，不同時期的政策均影響著土地利用類型的轉變和土地覆蓋度的變化［18］。

2 研究方法

2．1 數據來源及處理 數據來源有1980年1∶25萬土地覆蓋數據（來自“地球系統科學數據共享平臺”），1994和2008年Landst TM 影像，巴里坤縣1∶10萬和1∶5萬地形圖，巴里坤縣1995和2002年土地利用現狀圖，巴里坤縣人口、氣象、社會經濟、土地利用狀況和水文等方面多年統計資料。首先利用ERDAS IMAGINE 9．0對 TM 遙感影像進行坐標轉換、幾何校正等處理，根據地表景觀特征建立解譯標志和景觀分級類型；然后在ArcGIS 9．3軟件支持下，采用人－機交互的方式和野外核查方法解譯編制3期土地利用類型圖，并對其進行統計分析。

2．2 土地利用及景觀分類 本研究依據1980年1∶25萬土地覆蓋數據以及土地利用現狀分類系統劃分方法，將巴里坤縣土地根據利用類型劃分為草地、林地、耕地、水域、居民及工礦用地、未利用地六大類。其中，草地包括高覆被度草地、中覆被度草地和低覆被度草地，林地包括有林地、灌木林地、疏林地和其他林地，水域包括河流及渠道、湖泊、水庫、灘地、沼澤地，居民及工礦用地包括城鎮居民用地、農村居民用地、建設用地和工礦用地，未利用地包括沙漠、戈壁、鹽堿地和裸地［8，11］。

2．3 數據分析 選用土地利用變化幅度、單一土地利用類型動態度、土地利用綜合動態度評價土地利用變化過程及幅度［11，19］。

2．3．1 土地利用變化幅度 主要描述研究時段某一特定區域在某一土地利用面積的變化率，計算公式為：

式中，Ua和Ub分別代表研究初期和研究末期某一土地利用類型面積，R為研究時段內某種土地利用類型的變化幅度。

2．3．2 單一土地利用的動態度 主要定量地描述某一特定區域在一定時間范圍內某種土地利用類型的變化速度，計算公式為：

式中，T為研究步長（研究初期與研究末期間隔時間）。當T設定為年時，K為研究時段內某種土地利用類型的年變化率。

2．3．3 綜合土地利用動態度 可描述研究時段的區域土地利用變化速度，計算公式為：

式中，LC是研究時段內綜合土地利用動態度，LUi為監測起始時間i類土地利用類型面積，ΔLUi－j為監測時段i類土地利用類型轉為非i類 （j類，j＝1，…，n）土地利用類型面積的絕對值，T為監測步長（研究初期與研究末期間隔時間）。當T設定為年時，LC的值就是該研究區的土地利用年變化率。

2．3．4 土地利用轉移率 運用ArcGIS軟件空間分析模塊的交叉分析工具（Intersect）。打開已經解譯編制好的3期土地利用類型圖進行疊加運算，并進行統計分析，得到各個時期之間的土地利用類型轉移矩陣，并計算出土地利用轉化率。土地利用轉移率可描述研究時段內土地利用類型間的轉移比率［23］，計算公式為：

式中，Pij為研究時段內土地利用類型i轉化為類型j的轉移比率；Aij為土地利用類型i轉化為j的面積；Ai為土地利用類型i在研究時段初期的面積。

3 結果與分析

3．1 巴里坤縣土地利用／土地覆被總體變化特征 巴里坤縣1980、1994和2008年3個時段的未利用地和草地在土地利用景觀類型占據主體的格局沒有明顯變化，均表現為未利用地面積最大，草地次之，但3個時段各個土地利用類型所占的比例發生了明顯變化，且面積較小的土地利用景觀類型排序有所變化（表1）。1980－1994年，林地所占面積從原來的第5升至第3，而耕地面積從原來的第3降至第4，居民和工礦用地面積從原來的第6升至第5，水域面積減至最少；1994－2008年，土地利用類型的面積排序基本沒有發生變化，但各個土地利用類型的面積和比例發生了顯著變化，未利用土地變化從70%下降到42%，而草地面積從23%增至42%，林地從4．63%增至9．87%，土地利用景觀類型的變化反映了過去近30年來巴里坤縣農業政策的作用及其后果。

表1 1980、1994和2008年巴里坤縣不同利用類型的土地面積Table 1 Land area of use types at the different times in the Barkol Kazakhstan Autonomous Countyhm2

3．2 巴里坤縣土地利用變化幅度 土地利用變化幅度反映了各個土地利用類型的絕對變化趨勢。1980－1994年，巴里坤縣的林地、耕地、居民及工礦用地和未利用地呈增加態勢（表2）。其中，林地增幅最大，為835．36%；其次是居民及工礦用地、耕地和未利用地，其增幅分別為40．38%、11．40%和0．84%；水域和草地面積呈顯著減少態勢，減幅分別為36．14%和16．44%。6種土地利用類型中林地變化最大，未利用地面積變化最小。1994－2008年土地利用類型變化趨勢和1980－1994年的變化趨勢不完全一致，其中水域和未利用地面積減少，草地、耕地、居民及工礦用地和林地面積增加，變幅最大的是居民及工礦用地，最小的是水域。水域和林地面積在1994－2008年時段的變幅比1980－1994年時段的變幅小，而其他4種土地利用類型面積在1994－2008年時段的變幅比1980－1994年時段的變幅大。1980－2008年的28年間，整體表現為水域和未利用地面積減少，水域減少最大，而草地、耕地、居民及工礦用地和林地的面積增加，其中林地增幅最大，居民及工礦用地增幅次之。

3．3 巴里坤縣單一土地類型的動態度 單一土地利用的動態度反映了單位時間內土地類型利用模式的變化速率。1980－1994年，巴里坤縣土地利用變化速率最快的是林地，高達59．67%，居民及工礦用地以2．88%的速率占據第2，變化速率最小的是未利用地，僅為0．06%（表3）。1994－2008年，土地利用變化速率最大的為居民及工礦用地，超過了50%，林地變化速率退居第2，變化速率最小的是水域，僅為1．21%，而未利用地的變化速率有所上升，從0．06%增至2．56%。1980－2008年的28年內，土地利用變化速率最大的是林地，居民及工礦用地第2，兩者類型的變化速率均超過50%，變化速率最小的是未利用地。草地和未利用地有增有減，而耕地、居民及工礦用地、林地是持續增加，水域是持續減少。

3．4 巴里坤縣綜合土地利用動態度 綜合土地利用動態度總體上反映了區域內各種土地利用類型間的轉化速率。研究結果表明，新疆巴里坤縣在過去的28年中，綜合土地利用動態度表現為增加趨勢，從1980－1994的0．59%增至1994－2008年的0．67%（圖1），說明巴里坤縣各種土地利用類型間的轉化速率加快，側面佐證了有關土地利用的政策調整次數增加，且力度加大。

表2 巴里坤縣不同時段土地利用、變化幅度Table 2 The extents of land use change at different times in the Barkol Kazakhstan Autonomous County %

表3 巴里坤縣不同時段單一土地類型的動態度Table 3 Land dynamic degree of a single type at different times in the Barkol Kazakhstan Autonomous County %

3．5 土地利用／土地覆被變化過程分析1980－1994年，巴里坤縣草地面積保持率為83．48%，14．60%轉變為林地，1．47%轉變為未利用地，0．41%變為耕地，0．02%變為居民及工礦用地，僅有0．03%變為水域（表4），說明此階段草地減少的絕大部分轉置為林地。耕地保有率為96．10%，僅有0．36%和1．64%轉化為居民及工礦建設用地和未利用地，而未利用地成為耕地轉化的主體，其原因可能是因耕地質量下降棄耕所致。未利用地僅有0．05%轉變為耕地，主要是將立地條件較好的地段墾殖為農田，滿足耕地需求的增加。林地和居民及工礦用地自身保留100%，居民及工礦用地增加面積主要由草地和耕地轉變而來，林地增加面積主要由草地轉變而來；水域面積保持63．70%，減少6 585．996 2hm2，主要是地下水位下降和局部地區因灌溉形成次生鹽堿灘，然后轉變成未利用地或建設用地，其中35．12%的水域面積轉變為未利用地，0．62%轉變為居民和工礦用地。1980－1994年巴里坤縣水域和草地轉置為其他土地利用類型的面積較大，而耕地、居民及工礦用地、林地和未利用地的轉置力度相對較少。

圖1 巴里坤縣不同時段土地利用類型綜合動態度Fig．1 Comprehensive land use dynamic degree at the different times in the Barkol Kazakhstan Autonomous County

表4 巴里坤縣1980－1994年土地利用類型轉移矩陣Table 4 The land－use transfer matrix from 1980to 1994in the Barkol Kazakhstan Autonomous County hm2

表5 巴里坤縣1994－2008年土地利用類型轉移矩陣Table 5 The land－use transfer matrix from 1994to 2008in the Barkol Kazakhstan Autonomous County hm2

1994－2008年，草地保留率為83．40%，而16．60%的草地轉移為其他土地利用類型，其中9．74%的草地轉移為未利用地（表5），1．24%的草地面積被墾殖為耕地。耕地轉移率為20．10%，其中11．86%轉置為草地。居民及工礦用地沒有向林地和水域轉移，分別向草地、耕地和未利用地轉移了15．57%、18．10%和2．49%。林地轉移最為明顯，保持率僅為33．54%，轉移率高達66．46%，其中轉置為草地的面積的為64．84%。水域轉移率雖然高達67．47%，但實際轉移面積僅為8 437．793hm2，其中轉移為草地的面積為41．80%，未利用地的面積為19．39%。未利用地轉移率為39．27%，主要轉移為草地和林地，分別占28．28%和10．05%。

28年間，雖然各個土地利用類型間發生互相轉置，但整體表現為草地、耕地、居民及工礦用地、林地的面積增加，其中草地增加面積最大，居民及工礦用地的增幅最大，2008年是1980年的25倍，而水域和未利用地的面積減少，水域的降幅最大，幾乎縮小了50%，未利用地面積減少最大，約為90萬hm2。

4 討論

3個時段土地覆蓋類型資料分析結果說明，1980－2008年，新疆巴里坤縣居民及工礦用地、耕地和林地持續增加；水域持續減少；草地雖然先減少后增加，但整體呈增加趨勢；未利用地先增加后減少，但整體減少。1980－1994年和1994－2008年兩個時段的土地利用類型綜合動態度增加，說明土地利用變化速度加快，未利用地被耕地、居民及工礦用地等替代，擴大了耕地等面積。草地面積開始減少主要包括，部分草地被墾殖為耕地，部分被種植樹木，部分因鹽漬化而棄用［9］，后期草地面積增加的原因包括，第一，氣溫升高，天山北坡大面積冰川積雪融速加快，一些原本條件惡劣、無法利用的高寒草甸得以利用［10］；第二，水域逐漸干涸而演變為草地［11］；第三，耕地棄耕演變為草地［12］；第四，1980－1994年種植的樹木因生態位錯位而不能生長，又退為草地；第五，牧區移民定居工程使部分居民及工礦用地轉置為草地［14］。林地面積增大，其主要原因是1980－1994年的西北地區種草種樹和1994－2008年的退耕還林工程，雖然新建林地部分發生轉置為其他土地利用類型，但持續不斷的種樹造林工程仍然擴大了林地的面積。兩個時段土地轉移率的變化過程說明，目前新疆巴里坤縣土地利用變化強度大于1980－1994年，我國在西北荒漠地區針對性的生態工程，政策調整更為密集和頻繁。新疆巴里坤縣土地利用變化過程基本反映了我國西北荒漠綠洲區土地利用和覆蓋的變化過程，更揭示了國家層面的政策和工程措施對土地利用類型的調控作用。

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