基于GIS的土地利用時空動態變化分析——以塔里木盆地農墾區為例

馬松增，史明昌，楊貴森，徐曉桃，殷 建

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

土地利用是自然基礎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，研究區域土地利用變化情況，可為恢復重現土地利用的空間信息和預測未來發展趨勢提供基礎［1－2］，對于促進區域資源、環境、經濟社會的持續發展具有重要的應用價值和典型的科學意義及戰略意義。國內學者在土地利用變化的時空演變特征、驅動機制、變化趨勢和生態系統服務價值的響應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，提出了一系列相關指標；有研究［5－7］將RS和GIS方法與土地利用動態研究相結合，研究了基于衛星遙感數據的中國土地利用變化的時間動態特征和空間動態特征。已有研究成果中就時間尺度而言，受遙感影像數據源的限制，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數據，分析研究區域在一段時期內的土地利用變化情況［8－13］。近30a來，作為農墾區的塔里木盆地，經濟社會飛速發展，農墾為屯墾戍邊提供了充足的糧食、棉花等農作物，為區域經濟的發展和邊疆的穩定起到了十分重要的作用。只有通過連續性、動態性的土地利用數據才可以較為全面地反映農墾區的土地利用變化的歷史演進情況。深入探討該區域的土地利用時間與空間的動態變化，可為該區域的土地資源管理與利用、開發保護等提供科學依據。

1 研究區概況

新疆塔里木盆地農墾區，位于新疆維吾爾自治區阿克蘇地區境內（地理坐標東經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，總人口26萬人。研究區屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，墾區雨量稀少，冬季少雪，年均降水量為40.1～82.5mm，年均蒸發量1 876.6～2 558.9mm，地表蒸發強烈。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%，農業在該區域經濟發展中占有非常大的比重。

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

所采用的數據源主要包括：（1）遙感影像數據。5期遙感數據分別為1976年9月Landsat－MSS數據，分辨率30m；1990年7月Landsat－TM 數據，分辨率30m；2000年9月Landsat－ETM數據，分辨率30m；2006年8月landsat－ETM數據，分辨率30m；2010年6月HJ星數據，分辨率30m。（2）塔里木盆地農墾區地區1∶5萬地形圖數據。（3）研究區域的統計年鑒及相關資料（氣象、水文、土壤、社會經濟、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與地理信息系統軟件ArcMAP，對遙感影像進行影像配準、幾何校正、圖像增強等處理。基于預處理后的遙感影像數據，用人工目視判讀的方法解譯獲取各時期的土地利用現狀數據，并結合研究區土地利用數據、統計年鑒和野外調查建立解譯標志，對解譯結果進行驗證，得到5期土地利用現狀。

2.2 土地利用時空變化的指標

采用土地利用動態變化模型，根據土地利用動態度、土地利用程度綜合指數及土地利用程度變化等指標，結合轉移矩陣方法，定量分析塔里木盆地農墾區土地利用類型動態變化、變化速度和程度。

2.2.1 土地利用動態變化 土地利用動態變化主要體現在面積變化上，利用轉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移數量，還能揭示各種類型轉換的概率。

2.2.2 土地利用變化的速度 土地利用動態度可定量描述區域土地利用變化的速度，它對比較土地利用變化的區域差異和預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度表達的是某研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，其表達式為：

式中：K——土地利用類型動態度；Ua，Ub——研究期初、期末某種土地利用類型的數量；T——研究時段長。

2.2.3 土地利用程度的變化 根據人類開發利用土地的程度，王思遠［14］等從生態學角度出發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、農業用地級和城鎮用地級4級，并設定分級指數（表1）。

為表征該區域的土地利用程度，用土地利用程度指數來表達：

式中：Lj——土地利用程度綜合指數；Ai——第i級土地利用程度分級指數；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。進而根據公式（3）計算土地利用的程度變化量，如ΔLb－a＞0，則表示該區域的土地利用處于發展時期，否則處于調整期或衰退期。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態變化

通過對土地利用面積變化（表2）進行分析發現，研究區土地利用變化具有如下特點：（1）農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。農用地面積增加的原因主要是耕地、園地、其他農用地、新墾地面積大量增加。（2）建設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為未利用土地向耕地的轉化，面積達1 572.59km2，其次是未利用土地向新墾地、牧草地向耕地的轉化，面積分別達到207.36，143.96km2，另外有少部分流向果園、建設用地和其他農用地。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、其他農用地和水利設施用地的流向變化不明顯。

表2 研究區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度可得出：（1）2000—2006年，土地利用變化速度最快，達451.44%，其次為1990—2000年、1976—1990年，動態度分別為424.21%，356.00%。變化速度最慢的是2006—2010年，動態度為－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值，呈現出逐年減少的趨勢（表4）。隨著人口的增長和經濟的發展，農墾區的土地開發和墾荒熱潮在土地利用變化速度方面有直觀明顯的體現。

3.3 土地利用程度的變化

土地利用程度綜合指數和土地利用程度變化量表明：（1）耕地、其他農用地和建設用地的土地利用程度綜合指數和土地利用程度變化量在各研究時段內呈現逐年增大的趨勢，始終處于土地利用的快速增長期，其面積將繼續增加；（2）園地和新墾地土地利用程度綜合指數在2006年逐年增大，2006年以后減小，且土地利用程度變化量在2006年以后出現負值，表明園地和新墾地已經從發展時期逐步進入衰退期；（3）林地、草地、未利用地的土地利用程度綜合指數呈現逐年減小的趨勢，各階段的土地利用程度變化量均為負值，始終處于衰退期，面積將會進一步減少（表5）。

表4 研究區土地利用類型動態度 %

表5 研究區土地利用程度綜合指數和土地利用程度變化量

4 結論

（1）近35a來，研究區大量增加的農用地主要源自林地和未利用地的開發利用，農用地面積占土地總面積的比重逐年上升，同時城鎮建設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上漲的影響，部分農場為了經濟發展的需要開始了新一輪的墾荒熱潮，農業發展在塔里木盆地農墾區社會經濟活動中占較大比重，這一點在農用地的變化數量和速度上都有明顯體現。

（2）研究區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。近幾年來農墾區由原來大面積無序開發，步入可持續開發模式。由于該地區的年均蒸發量遠遠大于年均降水量，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模式開始發生轉變，開發速度逐漸放緩，為脆弱的生態環境恢復提供了有利條件。

（3）在空間和程度的變化方面，耕地和建設用地始終處于土地利用的快速增長期，其面積將繼續增加；園地和新墾地在2006年處于發展時期，2006年以后進入衰退期；林、草、未利用地始終處于衰退期，面積會進一步減少。反映了塔里木盆地農墾區在經濟發展的過程中，對未利用地進行改造和利用，但同時也對林、草植被造成了很大的破壞，對當地脆弱的生態環境構成了新的威脅。在土地開發利用的同時，要堅持可持續發展道路，重視生態環境的保護與恢復。

通過GIS技術對干旱區塔里木盆地的土地利用時空變化進行分析，不僅可以防止盲目開發，并且為合理開發土地資源及改善區域的生態環境等提供科學依據。掌握土地利用的動態變化，同時采取相應的治理與保護措施，實現土地資源的合理利用。

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