新疆迪那河流域輪臺人工綠洲耕地時空變化特征分析

張 譜 管文軻 劉洪霞 張和鈺 李志鵬 馮益明

(1.中國林業科學研究院荒漠化研究所， 北京 100091； 2.新疆林業科學院造林治沙研究所， 烏魯木齊 830000； 3.中國農業科學院農業信息研究所， 北京 100081)

0 引言

綠洲是維系干旱區經濟發展和人民生活的命脈[1]，也是干旱區人民賴以生存的基礎。新疆南部地區(南疆)獨特的山盆相間地貌格局，形成了眾多以流域為單元的綠洲農業景觀[2]，綠洲農業是南疆綠洲經濟的重要組成部分。南疆獨特的氣候環境，為綠洲糧食和棉花提供了優越的生長條件。目前，南疆環塔里木盆地已經成為全球最大棉花(GossypiumhirsutumLinn.)產區，約占全國棉花總產量的一半、全球棉花總產量的十分之一。綠洲耕地的時空變化是新疆南部綠洲土地利用時空變化的重要組成部分。

國內外學者對耕地時空變化進行了大量研究，研究尺度從全球范圍[3-4]、全國范圍[5-6]、省域范圍[7]到縣域為研究單元[8]，多數研究尺度較大，不易揭示微觀層面的差異。我國土地面積廣大，不同區域的自然環境、生態條件、社會經濟發展狀況各不相同，尤其是不同地形地貌下的耕地時空變化特征差異明顯[9]。綠洲耕地的擴張是干旱區土地利用與覆被變化最典型的人為過程之一，它將引起水資源的空間分布變化[10-11]、沙漠化[12-13]等全球環境變化問題。與全國耕地面積不斷減少的趨勢不同[6,14-15]，干旱區部分地區綠洲耕地面積不斷擴張[16-18]，甚至高速增長[19]。然而目前涉及干旱區小流域綠洲耕地時空變化特征的研究較少。

鑒于此，本文以新疆迪那河流域為研究區，以區域內耕地為主要研究對象，利用RS和GIS手段，通過解譯1992年8月、1998年8月、2007年9月和2018年8月4期Landsat系列衛星遙感影像和無人機影像數據，對新疆迪那河流域輪臺人工綠洲耕地進行動態監測，量化和描述26年來綠洲耕地的時空變化規律，以期為未來小流域人工綠洲空間規劃和管理提供基礎數據和理論支持，為解決干旱區綠洲可持續發展問題提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

圖1 迪那河流域示意圖Fig.1 Location of Dina River Watershed

以新疆迪那河流域輪臺人工綠洲為主要研究對象。迪那河發源于天山南脈的哈爾克山南麓及霍拉山南麓，以冰雪融水和山區降水為主要水源，并在山前傾斜平原蘊藏豐富的地下水。輪臺人工綠洲依靠迪那河和地下水等水資源形成。迪那河在進入沙漠前的綠洲-沙漠過渡帶消散。整個流域地跨新疆巴音郭楞蒙古自治州的輪臺縣與阿克蘇地區庫車縣，地理坐標介于東經83°38′～ 84°41′、北緯41°26′～ 42°32′之間，面積51.93萬hm2(圖1)，是塔里木盆地南北緣典型的山區-戈壁-綠洲-沙漠生態系統。

迪那河流域地處中緯度地帶，屬于溫帶大陸性干旱氣候，地形北高南低。北部山區氣候寒冷，南部戈壁-綠洲-沙漠地帶氣候干燥，年平均氣溫9.7～10.8℃，1月平均氣溫-10.5～-8.7℃，7月平均氣溫24.8℃，降水稀少、蒸發強烈，冬夏較長、春秋較短，晝夜溫差大，一年四季氣候相對比較溫和。流域山區以南、綠洲以北的戈壁區以麻黃、裸果木、鹽穗木為主要植被；中部和南部綠洲-沙漠過渡帶以紅柳、鹽穗木、蘆葦為主要植被。輪臺綠洲物產豐富，是全國商品糧基地和重要產棉區之一，同時綠洲內種植有杏子、核桃、香梨等16種果樹種類。

1.2 數據源及預處理

1.2.1遙感數據源選擇

選取覆蓋輪臺人工綠洲的4期(1992年8月、1998年8月、2007年9月和2018年9月)Landsat系列衛星遙感影像作為綠洲耕地時空變化制圖的遙感數據源(表1)。影像云覆蓋度均小于10%，影像時段選擇均在8—9月生長季。對選擇的遙感數據進行預處理，主要包括輻射校正、幾何校正、投影轉換等。遙感數據來自美國USGS網站(http:∥glovis.usgs.gov/)。

表1 遙感數據基本參數Tab.1 Basic parameters of remote sensing data

1.2.2野外調查

野外調查在人工綠洲內部和人工綠洲外圍進行，共設置樣地36個，樣地尺寸設置為100 m×100 m。

圖2 人工綠洲調查樣地分布Fig.2 Sample plot distribution of artificial oasis investigation

調查采用四旋翼大疆無人機(悟1pro型，DJIINC.，中國)，機載傳感器為禪思X5(1 600萬像素)，獲取樣地無人機影像。飛行方案利用無人機航線飛行控制軟件Litchi for DJI Drone(Ver.3.10.5，VC Technology Ltd.，美國)實現[20-21]，飛行高度設置為60 m，獲得影像地面分辨率為1.5 cm，觀測日期在2018年7月21日—8月9日。

圖2為野外調查36個樣地的分布和3個典型樣地對應的Landsat OIL遙感影像(成像時間為2018年8月17日)和無人機影像。Landsat8 OIL影像在ENVI軟件中R∶G∶B相應波段為6∶5∶4(可以比較好地突出植被信息)，果園呈深綠色，耕地呈淺綠色，人工綠洲外土地(紅柳灌木林地)呈褐色。人工綠洲邊界明顯，果園和耕地區分度較高。

1.2.3遙感影像解譯

采用光譜直接分類法[22-23]對4期Landsat遙感影像進行解譯，即采用2018年7月下旬—8月中旬野外調查獲取的大量帶地理坐標的無人機、數碼相機影像和圖像，與1992年8月、1998年8月、2007年9月Landsat5 TM影像(采用波段組合5∶4∶3)和2018年8月Landsat 8 OIL_TRIS影像(采用波段組合6∶5∶4)疊加，通過目視解譯、手工勾繪對不同土地利用類型進行識別。解譯分兩個階段進行：第1階段確定人工綠洲邊界，將流域的戈壁-綠洲-沙漠區劃分為人工綠洲內和人工綠洲外土地；第2階段在已劃定的人工綠洲內部確定耕地分布。根據研究目的和我國土地利用分類體系，將人工綠洲內部劃分為果園、耕地、水體、城鎮居民用地和人工綠洲內未利用地等5種土地利用/覆被類型。對提取的結果再次進行了實地校核、修改，獲得4期輪臺人工綠洲土地利用圖。

1.3 研究方法

1.3.1用地面積變化分析

為了詳細地對比迪那河流域輪臺人工綠洲耕地時空變化特征，本文采用動態度模型[24-25]進行分析。動態度是指一定時間范圍內研究區某種土地類型的數量變化，其意義在于反映某種土地類型變化的劇烈程度，表達式為

(1)

式中D——研究時期內某一類型土地動態度

Ua——研究期初某一類型土地面積

Ub——研究期末某一類型土地面積

T——研究時間

圖3 輪臺人工綠洲土地利用情況Fig.3 Land use maps of Luntai Artificial Oasis

1.3.2土地利用轉移矩陣

為了對綠洲耕地轉入和轉出情況進行監測，采用土地利用轉移矩陣[26-28]對4期數據進行分析處理。土地利用轉移矩陣能夠反映綠洲耕地在某期期初和期末與各土地類型面積之間相互轉變的動態過程，不僅包含某期綠洲耕地面積信息，還有各土地類型在期初和期末向綠洲耕地轉出和轉入的面積信息。采用Circos可視化軟件[29]表達綠洲耕地變化。

1.3.3重心模型

重心模型是研究區域發展過程中要素空間變動的重要分析工具[30-33]。本文依據重心模型理論構建了迪那河流域輪臺人工綠洲耕地重心模型，基本模型為

(2)

(3)

式中i——耕地編號j——年份

n——耕地總塊數

(xj,yj)——第j年人工綠洲耕地重心坐標

(xij,yij)——第j年第i塊耕地重心坐標

sij——第j年第i塊耕地斑塊的面積

2 結果與分析

2.1 遙感影像解譯

通過遙感影像解譯，獲得1992年8月、1998年8月、2007年9月和2018年8月迪那河流域輪臺人工綠洲土地利用圖(圖3)。從解譯結果可以看出，26年來輪臺人工綠洲耕地面積和分布變化較大。

1992—2018年迪那河流域輪臺人工綠洲耕地面積持續增加，從1992年的8 381 hm2、1998年的9 529 hm2、2007年的23 978 hm2增長到2018年的46 284 hm2。耕地是輪臺人工綠洲的主要用地類型，其面積在人工綠洲總面積中占有較大比重。20世紀90年代有減少趨勢，從1992年的40.18%減少到1998年的37.04%，之后持續增長，2007年的63.41%，2018年達到71.28%。綠洲耕地面積在迪那河流域總面積中所占比例持續增加，從1992年的11.61%、1998年的1.84%、2007年的4.62%增長到2018年的8.91%。

2.2 綠洲耕地動態度變化

1992—1998年、1998—2007年和2007—2018年迪那河流域輪臺人工綠洲耕地動態度和人工綠洲動態度差別較大，這是綠洲耕地面積在人工綠洲總面積中所占的比例出現波動的主要原因。1992—1998年耕地面積年均增長速度(2.28%)低于人工綠洲面積年均增長速度(3.89%)，在此期間，綠洲耕地面積占人工綠洲總面積的比例降低；1998—2007年(16.85%)和2007—2018年(8.46%)綠洲耕地面積年均增長速度均高于人工綠洲面積年均增長速度(5.22%、6.53%)，這兩個階段，綠洲耕地面積占人工綠洲總面積的比例持續上升。

2.3 綠洲耕地時空變化特征

為了更確切地了解綠洲解耕地變化情況，采用4期迪那河流域土地利用圖在ArcGIS軟件下進行空間分析，獲取人工綠洲耕地與其他土地利用類型之間面積轉移信息(圖4)。1992—1998年間有5 247 hm2其他土地利用類型土地轉為耕地，從圖4可以看出，轉入較多的為人工綠洲內未利用地(3 151 hm2)和人工綠洲外圍土地(1 380 hm2)，占轉入總面積的86.35%；有4 104 hm2耕地轉為其他用途，其中轉為綠洲內未利用地(2 523 hm2)和果園(1 534 hm2)的面積占轉出總面積的98.85%；有4 264 hm2耕地未改變土地利用用途。1998—2007年間有17 376 hm2其他土地利用類型土地轉為耕地，轉入較多的為綠洲外圍土地(8 516 hm2)和人工綠洲內未利用地(6 823 hm2)，占轉入總面積的88.28%；有3 038 hm2耕地轉為其他用途，其中80.12%轉為果園(2 434 hm2)；有6 479 hm2耕地未改變土地利用用途。2007—2018年有28 569 hm2其他土地利用類型土地轉為耕地，其中79.23%來源于人工綠洲外圍土地(22 635 hm2)，少量來源于果園(3 003 hm2)和人工綠洲內未利用地(2 458 hm2)；6 011 hm2耕地轉為其他用途，其中60.79%轉為果園(3 654 hm2)。

對比1992年和2018年耕地情況，可以看出，26年間有41 545 hm2其他土地利用類型土地轉為耕地，遠大于耕地轉出面積3 441 hm2。耕地擴張的土地主要來源于人工綠洲外圍土地(35 179 hm2)，占轉入總面積的84.68%；而轉出類型主要是果園(2 671 hm2)，占轉出總面積的77.62%。

圖4 輪臺人工綠洲耕地流動情況Fig.4 Transformation of farmland in Luntai Artificial Oasis

2.4 綠洲耕地重心遷移

1992、1998、2007、2018年迪那河流域輪臺人工綠洲耕地重心以及人工綠洲(主體)擴張邊界見圖5(人工綠洲擴張邊界為綠洲主體部分擴張邊界，圖中忽略飛地部分)。從圖5可以看出，1992—2018年人工綠洲(主體)向西南方向、正南方向和東南方向擴張明顯，輪臺人工綠洲耕地重心隨著人工綠洲(主體)擴張向東南移動明顯。相對于1992年，1998年耕地重心變化較小；隨著2007年和2018年人工綠洲(主體)向東南方向擴張，耕地重心向東南方向明顯移動。

圖5 輪臺人工綠洲耕地重心遷移圖Fig.5 Transferring map of gravity center of farmland in artificial oasis

3 討論

3.1 人工綠洲耕地擴張主要影響因素分析

迪那河流域輪臺人工綠洲的產業結構與其所在的新疆地區的產業結構相似，以農業生產為主[34]，且后期棉花產業占有重要地位[35]。綠洲耕地擴張可以分為3個階段：① 1992—1998年間，綠洲耕地面積增加主要由政府推動的開墾政策驅動。②1998—2007年間，綠洲耕地增加受開墾政策和棉花產業發展狀況兩種因素共同影響。③2007—2018年間，綠洲耕地增加主要受棉花產業發展狀況影響。綠洲耕地面積經歷了“緩慢增加—急劇增加—緩慢增加”的變化過程，總體上呈增加趨勢。

20世紀90年代，中央及新疆維吾爾自治區(簡稱新疆)政府推出一些優惠政策(低息、無息貸款，免征土地所得稅、農業稅等)，鼓勵集體和個人開墾土地；90年代后期，隨著農業生產成本的增大，政府開始對糧食生產進行補貼，并且繼續實行農業稅減免等政策，推動了耕地的開發[36]。1992—1998年間，輪臺人工綠洲耕地以年均2.28%的速度擴張。

1998年后，棉花產業在新疆逐漸占據重要地位。種植面積方面，據新疆維吾爾自治區統計局統計，新疆棉花種植面積在耕地總面積中所占的比重從1992年的20.97%、1998年的30.48%，增長到2007年的40.57%，2017年有回落，但是仍然占到耕地總面積的34.77%；產量方面，從1993年起，新疆棉花總產量居全國第一，到2017棉花總產量全國占比達到81.86%。目前新疆已經成為我國重要的商品棉生產基地和國家棉花安全戰略基地。在這種大環境下，迪那河流域逐漸成為重要產棉區之一。據輪臺縣農業局統計，輪臺縣棉花種植面積占耕地總面積的比例從1992年的13.03%、1998年的45.45%、 2007年的57.09%，增長到2017年的81.31%。這一時期，棉花產業政策變化是影響輪臺綠洲耕地面積擴張速度的主要因素之一。1998年12月，國務院發布《關于深化棉花流通體制改革的決定》，決定從1999年9月1日起，棉花的收購和銷售價格均由市場形成。新疆棉花單產較高，同時棉田廣闊，地勢平坦，生產規模大，適合大面積機械作業，所以棉花生產的勞動生產率高于其他地區，在市場力量的作用下，棉花生產向新疆集中[37]；2000年獲國家西部大開發戰略支持，新疆棉花產業進一步擴張。在開墾政策的同時影響下，這一期間輪臺人工綠洲耕地面積快速增長，2007綠洲耕地面積是1998年的2.52倍，增長速度達到年均16.85%(圖3)。

2007年后，市場、政策和環境因素共同影響棉花產業，進而影響新疆耕地面積。2008年全球金融危機爆發后，大宗商品在2009—2011年出現了不同程度的暴漲暴跌。為應對國際棉花價格的劇烈波動，2011—2013年我國實行棉花臨時收儲制度，棉花價格維持在偏高水平，造成新疆棉花種植面積大幅擴張，棉花市場過剩。2014年以來國家選擇新疆作為棉花目標價格制度改革試點，解決之前市場失靈以及相關的政府失靈問題[38]。棉花價格回落，植棉成本不斷提高，植棉效益下降，棉農放棄種植棉花，或去種植勞動投入及技術要求低的糧食作物，或去種植更具優勢的林果作物[39]，或是撂荒，導致棉花種植面積波動，進而引起耕地面積波動。此外，耕地的擴張，加劇水資源的消耗，加速了區域的荒漠化進程，限制耕地后備資源開發[37]。2016年農業部發布《全國種植業結構調整規劃(2016—2020年)》(中發〔2016〕1號)，要求新疆棉花面積要穩定在166.67 萬hm2左右。在這種大環境下，2007—2018年輪臺人工綠洲耕地面積擴張速度(8.46%)明顯下降。

3.2 人工綠洲耕地流動情況

迪那河流域輪臺人工綠洲耕地開墾擴張面積遠大于耕地轉出面積(圖4)。1992—1998年、1998—2007年和2007—2018年間綠洲耕地擴張面積是耕地轉出面積的1.50、5.72、4.75倍。

擴張主要通過土地整理(果園轉化為耕地)、復墾(綠洲內未利用地轉化為耕地)和開發(綠洲外圍土地轉化為綠洲耕地)的方式新增綠洲耕地面積。綠洲外圍土地的開發是輪臺人工綠洲耕地擴張的最主要途徑，分別占到1998、2007、2018年耕地擴張面積的26.30%、49.01%、79.23%；通過土地整理由果園轉化為耕地的面積在耕地擴張總面積中所占比例較小，分別占到1998、2007、2018年耕地擴張面積的8.35%、9.03%、10.51%；1992—1998年和1998—2007年間，復耕在耕地擴張中發揮重要作用，分別占到1998年和2007年耕地擴張面積的60.05%和39.26%；而2018年僅占8.60%(圖6)。

圖6 輪臺人工綠洲耕地擴張面積及來源Fig.6 Extended area of farmland and source of extension in Luntai Artificial Oasis

3.3 人工綠洲耕地減少途徑

綠洲耕地轉為果園是輪臺人工綠洲耕地減少的最主要途徑，分別占1992—1998年、1998—2007年和2007—2018年耕地轉出面積的37.38%、80.12%、60.79%。不同于棉花產業，林果產業面積的擴張主要依靠綠洲耕地的轉化，而非綠洲外圍土地的開發(圖3)。特色林果產業也是南疆綠洲經濟的重要組成部分[40]。1992—1998年間，新疆把發展林果業作為實施資源轉換戰略的一項重要內容進行推動，新疆林果業進入增長階段。在此期間，輪臺人工綠洲林果產業用地面積的年均增長速度(11.15%)高于耕地(2.28%)，這是這一時期耕地在輪臺人工綠洲總面積中所占比例下降的最主要原因。1998年林果產業擴張面積的58.99%來源于耕地，31.43%來源于綠洲內未利用地的整地和復墾，僅7.52%來源于綠洲外圍土地的開發。1998年以后，林果產業發展速度低于棉花產業，林果產業用地對耕地依賴性逐漸增強，2007年和2018年林果產業用地擴張面積的48.52%和86.78%來源于耕地(圖4)。

3.4 人工綠洲耕地擴張特征

迪那河流域輪臺人工綠洲耕地向沙漠區擴張明顯，而向戈壁區擴張很小(圖1、5)。由于土壤質地的限制作用，新疆新增耕地的開發顯現出“壤質土壤—沙質土壤—礫質土壤”的先后順序特征，一些地區已經將適合耕種的壤質土壤和沙質土壤開發完，開發重點轉移到礫質的戈壁及山前地區[36]。輪臺人工綠洲北部山前戈壁區礫石覆蓋度高，海拔升高明顯(圖1)，春季時有暴雨發生，耕地開發和維護成本較高。雖然隨著耕地向南部綠洲-沙漠過渡帶擴張，開發的邊際成本逐漸升高，但目前仍低于戈壁區的開發成本。同時輪臺人工綠洲棉花種植面積占比較高，且棉花適應氣候干燥、日照強烈的綠洲-沙漠過渡帶，因此迪那河流域輪臺人工綠洲耕地的擴張處于開發沙質土壤階段。

4 結論

(1)26年來，新疆迪那河流域輪臺人工綠洲耕地面積呈現“緩慢增加—急劇增加—緩慢增加”的變化過程。1992—1998年間，綠洲耕地增加主要由政府推動的開墾政策驅動，耕地面積年均增長速率為2.28%；1998—2007年間，綠洲耕地增加受開墾政策和棉花產業發展狀況兩種因素共同影響，耕地面積急劇增加，年均增長速率達16.85%；2007—2018年間，綠洲耕地增加主要受棉花產業發展狀況影響，耕地面積年均增長速率為8.46%。

(2)迪那河流域輪臺人工綠洲耕地動態變化主要表現在：耕地開墾擴張面積遠大于耕地轉出面積，綠洲外圍土地的開發是輪臺人工綠洲耕地擴張的最主要途徑，耕地轉為果園是輪臺人工綠洲耕地減少的最主要途徑。

(3)迪那河流域輪臺人工綠洲北部山前戈壁區耕地開發和維護成本高于南部綠洲-沙漠過渡帶，且綠洲耕地種植面積占比較高的棉花適應氣候干燥、日照強烈的綠洲-沙漠過渡帶的環境，因此綠洲耕地重心向沙漠區移動明顯，向戈壁區擴張趨勢較弱。