基于GIS的土地利用時空動態(tài)變化分析——以塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)為例

馬松增，史明昌，楊貴森，徐曉桃，殷 建

（1.北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林資源培育與保護(hù)教育部重點實驗室，北京100083；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán) 水土保持監(jiān)測總站，烏魯木齊830002；3.北京地拓科技發(fā)展有限公司，北京100084）

土地利用是自然基礎(chǔ)上的人類活動的直接反映，土地利用具有顯著的空間特點和時間特點。通過遙感獲取的時間序列信息，研究區(qū)域土地利用變化情況，可為恢復(fù)重現(xiàn)土地利用的空間信息和預(yù)測未來發(fā)展趨勢提供基礎(chǔ)［1－2］，對于促進(jìn)區(qū)域資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)發(fā)展具有重要的應(yīng)用價值和典型的科學(xué)意義及戰(zhàn)略意義。國內(nèi)學(xué)者在土地利用變化的時空演變特征、驅(qū)動機(jī)制、變化趨勢和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的響應(yīng)等方面開展了諸多研究，并取得一定成果。其中王秀蘭等［3］、史培軍等［4］對土地利用時空變化模型展開了研究，提出了一系列相關(guān)指標(biāo)；有研究［5－7］將RS和GIS方法與土地利用動態(tài)研究相結(jié)合，研究了基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的中國土地利用變化的時間動態(tài)特征和空間動態(tài)特征。已有研究成果中就時間尺度而言，受遙感影像數(shù)據(jù)源的限制，大部分研究采用中小尺度時間和空間范圍的遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)域在一段時期內(nèi)的土地利用變化情況［8－13］。近30a來，作為農(nóng)墾區(qū)的塔里木盆地，經(jīng)濟(jì)社會飛速發(fā)展，農(nóng)墾為屯墾戍邊提供了充足的糧食、棉花等農(nóng)作物，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和邊疆的穩(wěn)定起到了十分重要的作用。只有通過連續(xù)性、動態(tài)性的土地利用數(shù)據(jù)才可以較為全面地反映農(nóng)墾區(qū)的土地利用變化的歷史演進(jìn)情況。深入探討該區(qū)域的土地利用時間與空間的動態(tài)變化，可為該區(qū)域的土地資源管理與利用、開發(fā)保護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)，位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)境內(nèi)（地理坐標(biāo)東經(jīng)79°22′33″—81°53′45″，北緯40°20′—41°47′18″）。北起天山南麓山地，南至塔克拉瑪干沙漠邊緣，東臨沙雅縣，西抵柯坪縣，傍依阿克蘇河、塔里木河、臺蘭河、多浪河水系。地跨阿克蘇地區(qū)五縣一市（溫宿縣、烏什縣、阿瓦提縣、柯坪縣、沙雅縣，阿克蘇市）。東西相距221km，南北相距180km，總面積7 431km2，總?cè)丝?6萬人。研究區(qū)屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，墾區(qū)雨量稀少，冬季少雪，年均降水量為40.1～82.5mm，年均蒸發(fā)量1 876.6～2 558.9mm，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈。極端最高氣溫35℃，極端最低氣溫－28℃。主要土地利用類型為耕地和未利用地，其中耕地總面積3 744km2，占50.4%，農(nóng)業(yè)在該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有非常大的比重。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

所采用的數(shù)據(jù)源主要包括：（1）遙感影像數(shù)據(jù)。5期遙感數(shù)據(jù)分別為1976年9月Landsat－MSS數(shù)據(jù)，分辨率30m；1990年7月Landsat－TM 數(shù)據(jù)，分辨率30m；2000年9月Landsat－ETM數(shù)據(jù)，分辨率30m；2006年8月landsat－ETM數(shù)據(jù)，分辨率30m；2010年6月HJ星數(shù)據(jù)，分辨率30m。（2）塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)地區(qū)1∶5萬地形圖數(shù)據(jù)。（3）研究區(qū)域的統(tǒng)計年鑒及相關(guān)資料（氣象、水文、土壤、社會經(jīng)濟(jì)、土地利用等）。（4）野外實地考察及實景拍攝照片。

借助遙感圖像處理軟件ERDAS與地理信息系統(tǒng)軟件ArcMAP，對遙感影像進(jìn)行影像配準(zhǔn)、幾何校正、圖像增強(qiáng)等處理。基于預(yù)處理后的遙感影像數(shù)據(jù)，用人工目視判讀的方法解譯獲取各時期的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，并結(jié)合研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)、統(tǒng)計年鑒和野外調(diào)查建立解譯標(biāo)志，對解譯結(jié)果進(jìn)行驗證，得到5期土地利用現(xiàn)狀。

2.2 土地利用時空變化的指標(biāo)

采用土地利用動態(tài)變化模型，根據(jù)土地利用動態(tài)度、土地利用程度綜合指數(shù)及土地利用程度變化等指標(biāo)，結(jié)合轉(zhuǎn)移矩陣方法，定量分析塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)土地利用類型動態(tài)變化、變化速度和程度。

2.2.1 土地利用動態(tài)變化 土地利用動態(tài)變化主要體現(xiàn)在面積變化上，利用轉(zhuǎn)移矩陣分析各種土地利用類型的流向，不僅能說明各種土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移數(shù)量，還能揭示各種類型轉(zhuǎn)換的概率。

2.2.2 土地利用變化的速度 土地利用動態(tài)度可定量描述區(qū)域土地利用變化的速度，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重要作用［3］。單一土地利用類型動態(tài)度表達(dá)的是某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達(dá)式為：

式中：K——土地利用類型動態(tài)度；Ua，Ub——研究期初、期末某種土地利用類型的數(shù)量；T——研究時段長。

2.2.3 土地利用程度的變化 根據(jù)人類開發(fā)利用土地的程度，王思遠(yuǎn)［14］等從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)提出了土地利用程度的綜合分析方法，將不同的土地利用類型分成未利用土地級、林草水用地級、農(nóng)業(yè)用地級和城鎮(zhèn)用地級4級，并設(shè)定分級指數(shù)（表1）。

為表征該區(qū)域的土地利用程度，用土地利用程度指數(shù)來表達(dá)：

式中：Lj——土地利用程度綜合指數(shù)；Ai——第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci——第i級土地利用程度分級面積百分比；n——土地利用程度分級數(shù)。進(jìn)而根據(jù)公式（3）計算土地利用的程度變化量，如ΔLb－a＞0，則表示該區(qū)域的土地利用處于發(fā)展時期，否則處于調(diào)整期或衰退期。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動態(tài)變化

通過對土地利用面積變化（表2）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土地利用變化具有如下特點：（1）農(nóng)用地面積占土地總面積的比重由27.28%上升至53.28%，總面積增加了1 843.82km2。農(nóng)用地面積增加的原因主要是耕地、園地、其他農(nóng)用地、新墾地面積大量增加。（2）建設(shè)用地面積占土地總面積的比重由2.27%上升至3.83%，總面積增加了110.21km2。（3）未利用地面積迅速減小，減少面積達(dá)1 949.36km2，在2006年之前面積增加較快，2006年以后增速變緩。

表1 土地利用程度

土地利用變化主要表現(xiàn)為未利用土地向耕地的轉(zhuǎn)化，面積達(dá)1 572.59km2，其次是未利用土地向新墾地、牧草地向耕地的轉(zhuǎn)化，面積分別達(dá)到207.36，143.96km2，另外有少部分流向果園、建設(shè)用地和其他農(nóng)用地。在土地利用流向方面（表3），建筑用地不存在流向變化；耕地主要流向果園，其次流向建筑用地；林、草、其他土地和未利用土地主要流向耕地，新墾地全部流向耕地；果園、其他農(nóng)用地和水利設(shè)施用地的流向變化不明顯。

表2 研究區(qū)不同年份土地利用面積變化對比 km2

表3 1976－2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 土地利用變化的速度

分析土地利用類型動態(tài)度可得出：（1）2000—2006年，土地利用變化速度最快，達(dá)451.44%，其次為1990—2000年、1976—1990年，動態(tài)度分別為424.21%，356.00%。變化速度最慢的是2006—2010年，動態(tài)度為－46.17%。（2）土地利用變化速度最快的3種類型為園地、新墾地和住宅用地，分別以年均28.83%，24.23%，12.54%的速率增加。林、草和未利用土地增長速率為負(fù)值，呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢（表4）。隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)墾區(qū)的土地開發(fā)和墾荒熱潮在土地利用變化速度方面有直觀明顯的體現(xiàn)。

3.3 土地利用程度的變化

土地利用程度綜合指數(shù)和土地利用程度變化量表明：（1）耕地、其他農(nóng)用地和建設(shè)用地的土地利用程度綜合指數(shù)和土地利用程度變化量在各研究時段內(nèi)呈現(xiàn)逐年增大的趨勢，始終處于土地利用的快速增長期，其面積將繼續(xù)增加；（2）園地和新墾地土地利用程度綜合指數(shù)在2006年逐年增大，2006年以后減小，且土地利用程度變化量在2006年以后出現(xiàn)負(fù)值，表明園地和新墾地已經(jīng)從發(fā)展時期逐步進(jìn)入衰退期；（3）林地、草地、未利用地的土地利用程度綜合指數(shù)呈現(xiàn)逐年減小的趨勢，各階段的土地利用程度變化量均為負(fù)值，始終處于衰退期，面積將會進(jìn)一步減少（表5）。

表4 研究區(qū)土地利用類型動態(tài)度 %

表5 研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)和土地利用程度變化量

4 結(jié)論

（1）近35a來，研究區(qū)大量增加的農(nóng)用地主要源自林地和未利用地的開發(fā)利用，農(nóng)用地面積占土地總面積的比重逐年上升，同時城鎮(zhèn)建設(shè)用地有小幅快速的增長；未利用地顯示出開墾和耕地化的趨勢。由于近幾年受棉花價格持續(xù)上漲的影響，部分農(nóng)場為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要開始了新一輪的墾荒熱潮，農(nóng)業(yè)發(fā)展在塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)社會經(jīng)濟(jì)活動中占較大比重，這一點在農(nóng)用地的變化數(shù)量和速度上都有明顯體現(xiàn)。

（2）研究區(qū)域的土地利用變化速度最快的時期為2000—2006年，其次為1990—2000年、1976—1990年，變化速度最慢的是2006—2010年。土地利用變化速度最快的3種類型為園地、新墾地和住宅用地，分別以年均28.83%，24.23%，12.54%的速率增加。近幾年來農(nóng)墾區(qū)由原來大面積無序開發(fā)，步入可持續(xù)開發(fā)模式。由于該地區(qū)的年均蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于年均降水量，且位于塔克拉瑪干沙漠邊緣，無時不在受到周邊沙化土地的威脅和自身土地沙化的危害，而最近幾年土地開發(fā)模式開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，開發(fā)速度逐漸放緩，為脆弱的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供了有利條件。

（3）在空間和程度的變化方面，耕地和建設(shè)用地始終處于土地利用的快速增長期，其面積將繼續(xù)增加；園地和新墾地在2006年處于發(fā)展時期，2006年以后進(jìn)入衰退期；林、草、未利用地始終處于衰退期，面積會進(jìn)一步減少。反映了塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，對未利用地進(jìn)行改造和利用，但同時也對林、草植被造成了很大的破壞，對當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境構(gòu)成了新的威脅。在土地開發(fā)利用的同時，要堅持可持續(xù)發(fā)展道路，重視生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與恢復(fù)。

通過GIS技術(shù)對干旱區(qū)塔里木盆地的土地利用時空變化進(jìn)行分析，不僅可以防止盲目開發(fā)，并且為合理開發(fā)土地資源及改善區(qū)域的生態(tài)環(huán)境等提供科學(xué)依據(jù)。掌握土地利用的動態(tài)變化，同時采取相應(yīng)的治理與保護(hù)措施，實現(xiàn)土地資源的合理利用。

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