1994－2018年新疆塔河干流農(nóng)作物播種面積時(shí)空變化及影響因素分析

柯映明，沈占鋒，李均力，白 潔，鄧劉洋，許澤宇

1994－2018年新疆塔河干流農(nóng)作物播種面積時(shí)空變化及影響因素分析

柯映明1,3，沈占鋒1,3※，李均力2,3,4，白 潔2,3,4，鄧劉洋1,3，許澤宇1,3

（1. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；2. 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830000；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 新疆維吾爾自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830000）

基于農(nóng)作物物候信息和多季相遙感觀測等相結(jié)合的方法，分析沙雅縣1994—2018年的農(nóng)作物播種面積變化的時(shí)空特征，并從水資源要素、耕地與胡楊林轉(zhuǎn)化等分析播種面積變化的原因。研究結(jié)果表明：1）沙雅縣農(nóng)作物播種面積在1994—2018年呈現(xiàn)增長趨勢，尤其在2006年以后加速增長；2）渭干河灌區(qū)的播種面積空間上呈現(xiàn)由內(nèi)向外、由碎片化向集中連片化的趨勢發(fā)展，而塔河干流區(qū)播種面積增加的區(qū)域沿著塔河兩岸不停游移；3）渭干河灌區(qū)農(nóng)作物播種面積的增加與渭干河上游的來水量變化呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，而塔河干流區(qū)二者相關(guān)性較低；4）塔河干流的胡楊林區(qū)每年被耕地侵占的面積呈現(xiàn)增長趨勢，盡管2006年以后胡楊林保護(hù)措施不斷加強(qiáng)，然而林區(qū)的農(nóng)作物播種面積在2008年以后呈現(xiàn)增速加快的趨勢，出現(xiàn)了被侵占的胡楊林未能恢復(fù)、新的胡楊林又遭破壞的現(xiàn)象。

遙感；監(jiān)測；農(nóng)作物；播種面積；時(shí)空變化；新疆沙雅

0 引 言

耕地作為寶貴的自然資源，是人類賴以生存的基礎(chǔ)條件，其數(shù)量與質(zhì)量不僅關(guān)系到糧食生產(chǎn)安全，還關(guān)系到生態(tài)環(huán)境保護(hù)[1-2]。根據(jù)最新土地利用分類，耕地包括熟地，新開發(fā)、復(fù)墾、整理地以及包括輪歇地、休耕地在內(nèi)的休閑地[3]。而與耕地面積不同，國家統(tǒng)計(jì)局定義的農(nóng)作物播種面積為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者在日歷年度內(nèi)收獲農(nóng)作物在全部土地上的播種或移植面積[4]。對農(nóng)作物播種面積動態(tài)變化的研究不僅能更直接地反映土地和糧食之間的關(guān)系，還對糧食安全和社會穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用[5]。

對于新疆而言，在資源開發(fā)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，生態(tài)問題日益顯著，而其中農(nóng)業(yè)用水過程中的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)矛盾尤為顯著[6]，且由于土壤鹽漬化嚴(yán)重導(dǎo)致休耕輪作頻繁，各年度耕地面積與農(nóng)作物播種面積并不一致。因此，利用遙感技術(shù)提取農(nóng)作物播種面積，不僅有利于農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的精準(zhǔn)預(yù)估并有助于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，還為農(nóng)業(yè)水資源利用估算及效率評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。尤其是在胡楊林等生態(tài)保護(hù)區(qū)，農(nóng)作物播種面積的空間分布信息也能夠幫助監(jiān)測違法開墾耕地等現(xiàn)象。沙雅縣耕地主要分布于渭干河灌區(qū)，其次分布于塔里木河干流流域，其農(nóng)作物生長主要依靠灌溉。不同于新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)墾團(tuán)場，沙雅縣胡楊生態(tài)林與農(nóng)作物交錯(cuò)分布，耕地地塊相對較小且密集，形狀大小不一，地塊邊界難以區(qū)分，增加了耕地提取的難度。另外，由于該地區(qū)地下水位較高，鹽漬化嚴(yán)重，土壤鹽漬化面積占耕地總面積的近一半[7]，耕地輪作休耕現(xiàn)象頻繁。因此，研究沙雅縣的農(nóng)作物播種面積動態(tài)變化對塔河干流區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)保障和生態(tài)環(huán)境安全有著重要意義。

目前，大部分學(xué)者采用以遙感數(shù)據(jù)為主、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為輔的方法開展耕地的時(shí)空變化研究；而對農(nóng)作物播種面積的研究主要以統(tǒng)計(jì)年鑒等資料為主要數(shù)據(jù)源。劉紀(jì)遠(yuǎn)等基于20世紀(jì)80年代末、1995、2000、2005、2010共5期全國土地利用變化數(shù)據(jù)研究其基本特征與空間格局[8-9]，陳紅等利用TM、CBERS遙感影像土地利用數(shù)據(jù)及野外調(diào)查數(shù)據(jù)對1990－2008年間新疆耕地變化趨勢及其驅(qū)動力進(jìn)行了研究[2]，劉合滿等基于農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析了1980－2010年西藏地區(qū)農(nóng)作物播種面積與人口數(shù)量變化之間的關(guān)系[5]，張志國等基于統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)對1978－2008年間河南省農(nóng)作物播種面積的時(shí)序特征趨勢進(jìn)行了預(yù)測等[10]。而塔里木河流域氣候變化響應(yīng)顯著、環(huán)境脆弱，對耕地變化的研究大多從人口、水利工程、氣候與水資源變化的角度進(jìn)行討論。如陳亞寧等以氣象水文資料為基礎(chǔ)建立綠洲適宜規(guī)模數(shù)學(xué)模型，從水資源等角度測算干旱區(qū)綠洲適宜發(fā)展規(guī)模[11]。常存等結(jié)合TM數(shù)據(jù)及對應(yīng)水文數(shù)據(jù)，從水土資源配置的角度研究干旱區(qū)耕地?cái)U(kuò)張過程中的驅(qū)動作用[12]。

在研究農(nóng)作物播種面積的變化過程中，若僅僅基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于數(shù)據(jù)方面的限制，在空間尺度上僅能到縣級水平，難以得到更細(xì)致的地理單元的變化特征。而如果僅依靠遙感信息提取并進(jìn)行分析，也容易忽視社會、自然等因素與其之間的關(guān)系。據(jù)此，本文選取1994－2018年期間Landsat5 TM、Landsat8 OLI等14個(gè)年份的遙感影像，結(jié)合研究區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)等統(tǒng)計(jì)年鑒、水文數(shù)據(jù)及胡楊林分布數(shù)據(jù)和農(nóng)作物物候信息，開展基于多時(shí)相遙感影像的沙雅縣農(nóng)作物播種面積的時(shí)空動態(tài)變化研究，并從不同區(qū)域討論河流徑流量對農(nóng)作物播種面積變化的影響，最后從耕地與胡楊的轉(zhuǎn)化角度討論地區(qū)相關(guān)政策及生態(tài)保護(hù)情況。

1 研究區(qū)概況

新疆阿克蘇地區(qū)沙雅縣地處81°45′－84°47′E，39°31′－41°25′N，位于天山中段以南，塔克拉瑪干大沙漠北緣，塔里木河中游，海拔946－1 050 m[7]。該地區(qū)遠(yuǎn)離海洋，屬于典型的大陸性暖溫帶干旱氣候，氣候干燥，風(fēng)沙頻繁，降水稀少，蒸發(fā)量大，東、南、西3面被沙漠環(huán)繞，生態(tài)環(huán)境較為脆弱[13]。主要生態(tài)問題有沙塵暴、揚(yáng)沙、浮沉等氣象災(zāi)害，制約農(nóng)業(yè)發(fā)展生產(chǎn)的土壤鹽漬化，河道水力侵蝕，以及由于人類活動導(dǎo)致荒漠植被破壞所導(dǎo)致的風(fēng)力侵蝕[14]。縣域內(nèi)由北向南包括渭干河沖積扇平原、塔里木河河谷平原、塔克拉瑪干沙漠3類地貌[14]。塔里木河由西向東流淌，在沙雅縣中部偏北橫穿全縣境內(nèi)達(dá)200 km以上，兩岸分布有全國面積最大、保存最為完好的2.13×105hm2原始胡楊林，同時(shí)將沙雅縣分為南北2部分[15]。

本研究區(qū)即為沙雅縣包括渭干河沖積扇平原及塔里木河河谷平原在內(nèi)的北部地區(qū)，如圖1所示。根據(jù)流域界限將研究區(qū)分為渭干河灌區(qū)（I區(qū)）以及塔里木河干流流域（Ⅱ區(qū)）2部分，覆蓋面積達(dá)8 848 km2，其中I區(qū)面積2 209 km2，Ⅱ區(qū)面積6 639 km2。I區(qū)隸屬渭干河灌區(qū)，為典型綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)作物生長全靠灌溉，由于地勢平坦，地下水位較高，在強(qiáng)烈蒸發(fā)作用下導(dǎo)致土壤鹽漬化現(xiàn)象加重[7]。Ⅱ區(qū)隸屬塔里木河干流流域，處于由塔里木河干流三源交匯處的肖夾克至英巴扎之間，是沙雅縣胡楊林主要分布區(qū)，沿河布有阿拉爾、新渠滿、英巴扎3個(gè)水文站[16]。

20世紀(jì)90年代以來，各類鼓勵(lì)耕地開墾的低息貸款與低稅收政策不斷發(fā)布，特別是90年代后期的農(nóng)業(yè)種植補(bǔ)貼政策，這些因素綜合起來使得新疆耕地?cái)U(kuò)張速度在2000－2005年之間達(dá)到頂峰[17-18]。而耕地增長的區(qū)域90%以上發(fā)生在天然林地與草地區(qū)[18]，沙雅縣胡楊林分布區(qū)靠近塔里木河干流，水土條件優(yōu)越，成為耕地?cái)U(kuò)張的首選。

圖1 沙雅縣示意圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文研究數(shù)據(jù)包括3部分：遙感影像數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)如表1所示，包括1994－2018年Landsat 5 TM、Landsat 8 OLI的30 m中分辨率影像共計(jì)94景，其中Landsat 5 TM數(shù)據(jù)46景，Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)48景。Landsat系列數(shù)據(jù)條帶號為145，行編號為31、32。其中超過80景影像數(shù)據(jù)云量均在10%以下，其余影像數(shù)據(jù)云量雖然超過10%但主要研究區(qū)并未被云覆蓋；統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)包括沙雅縣1994－2016年農(nóng)作物播種面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為1995－2017年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》；水文數(shù)據(jù)包括黑孜水庫水文站1980－2013年與阿拉爾水文站1980－2017年各年度徑流量數(shù)據(jù)。

表1 沙雅縣1994－2018年Landsat數(shù)據(jù)列表

2.2 研究方法

鑒于研究區(qū)主要作物一年一熟、不同作物生長季差異較大[19]的特點(diǎn)，對單個(gè)年份農(nóng)作物播種面積的精準(zhǔn)提取需要綜合同一年份的多個(gè)季節(jié)的遙感數(shù)據(jù)。據(jù)此，本文提出一種基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的農(nóng)作物播種面積提取方法：首先，為確保農(nóng)作物播種面積提取結(jié)果包含研究區(qū)主要農(nóng)作物（棉花、冬小麥、春玉米）[19]，本文選擇能夠覆蓋各類農(nóng)作物生長旺盛期的4－5月、6－8月以及10－11月3期不同時(shí)相遙感影像；然后，利用NDWI與MNDWI[20-21]、修正的3波段最大梯度差指數(shù)[15,22]、NDVI等指數(shù)構(gòu)建分類決策樹模型，提取各影像包括農(nóng)作物、自然植被、水體、裸地、人工表面在內(nèi)的不同地物類別信息；最后，將3期農(nóng)作物提取結(jié)果進(jìn)行疊加整合和人工編輯，獲取該年度農(nóng)作物播種面積。如圖2所示，對圖1示范區(qū)2018年農(nóng)作物播種面積提取結(jié)果表明，該方法能夠有效避免耕地信息的漏提，解決單期遙感數(shù)據(jù)提取精度不足的問題。

沙雅縣林地以胡楊為主，包括原始河岸胡楊林、人工河岸胡楊林以及古河岸胡楊林3大類[13]，1980 s和2004－2009年分別開展過2期森林資源調(diào)查。在上述2期成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國資源環(huán)境遙感數(shù)據(jù)庫的林區(qū)分布圖[23]，疊合1994－2018年14個(gè)年份的Landsat數(shù)據(jù)，通過分類和人工解譯的方法提取胡楊林的分布及面積。

圖2 基于多時(shí)相遙感影響的農(nóng)作物播種面積提取范例

本研究中的精度分析包括2部分：首先對基于決策樹提取的農(nóng)作物播種面積分類精度進(jìn)行分析，再將基于遙感提取的農(nóng)作物播種用地面積與基于統(tǒng)計(jì)年鑒的農(nóng)作物播種面積進(jìn)行相關(guān)性分析。前者通過隨機(jī)點(diǎn)驗(yàn)證的方法計(jì)算本研究中各年度農(nóng)作物播種面積的制圖精度、用戶精度。首先，根據(jù)不同年份分類結(jié)果利用Arcgis軟件生成400個(gè)隨機(jī)驗(yàn)證點(diǎn)，其中農(nóng)作物播種面積區(qū)域與非農(nóng)作物播種面積區(qū)域各均勻分布200個(gè)；然后，結(jié)合Google Earth與Landsat影像所體現(xiàn)的地物實(shí)際信息，采取人工目視判讀手段建立不同年份隨機(jī)樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)集。后者通過線性相關(guān)分析，計(jì)算相關(guān)系數(shù)與均方根誤差，來判定遙感提取結(jié)果與年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度與偏移程度。

為分析研究區(qū)農(nóng)作物播種面積時(shí)空變化規(guī)律，本文利用基于格網(wǎng)的屬性數(shù)據(jù)空間化分析方法，以2.5 km× 2.5 km作為農(nóng)作物播種面積變化空間統(tǒng)計(jì)的最小單位，將研究區(qū)劃分為1 571個(gè)單元。為了充分表現(xiàn)空間的細(xì)部差異，在劉紀(jì)遠(yuǎn)等提出的土地利用類型年變化率的基礎(chǔ)上，提出基于格網(wǎng)的農(nóng)作物播種面積絕對年變化率，從而對農(nóng)作物播種面積的時(shí)空變化速率進(jìn)行度量[24-25]。第塊格網(wǎng)的農(nóng)作物播種用地絕對年變化率K計(jì)算公式為

式中ΔS表示起始時(shí)間至結(jié)束時(shí)間塊格網(wǎng)中農(nóng)作物播種面積增加的大小，km2；Grid表示格網(wǎng)單元面積，在本研究中為6.25 km2。

為討論該地區(qū)農(nóng)作物播種面積的相關(guān)因素，本文結(jié)合研究區(qū)內(nèi)黑孜水庫水文站及阿拉爾水文站徑流量變化，以徑流量變化為切入點(diǎn)討論水資源變化與不同區(qū)域農(nóng)作物播種面積變化之間的關(guān)系。沙雅縣沿塔里木河兩岸分布上百萬畝胡楊林，近年不少研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)毀林開荒的現(xiàn)象較為嚴(yán)重[26-27]。因此，本文最后通過對沙雅縣內(nèi)各年度胡楊林被侵占面積的變化，從生態(tài)資源破壞方面研究耕地?cái)U(kuò)張與胡楊之間的轉(zhuǎn)化，并根據(jù)相關(guān)政策討論其之間的關(guān)系。

3 農(nóng)作物播種面積的時(shí)空變化分析

3.1 結(jié)果及精度驗(yàn)證

圖3為基于前面第2部分研究方法進(jìn)行的1994—2018年份不同時(shí)期農(nóng)作物播種面積與胡楊面積提取結(jié)果示意圖，圖4為本次提取的精度驗(yàn)證結(jié)果。由圖4a可知，利用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)提取農(nóng)作物播種面積各年度制圖精度（PA-Annual）均在88%以上，平均制圖精度（PA-Mean）達(dá)94.73%，各年度用戶精度（UA-Annual）均在92%以上，平均用戶精度（UA-Mean）達(dá)95.79%。根據(jù)圖4b所示的遙感提取與統(tǒng)計(jì)年鑒的相關(guān)分析圖可知，利用遙感方法所得農(nóng)作物播種面積（觀測值）與通過年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所得的農(nóng)作物播種面積（真實(shí)值）相關(guān)分析所得相關(guān)系數(shù)為0.94，二者之間高度正相關(guān)，說明了本研究中采取多時(shí)相遙感影像進(jìn)行農(nóng)作物播種面積提取方法的可靠性。二者相關(guān)分析中RMSE達(dá)25.46，在1994－2013年期間利用遙感方法所得農(nóng)作物播種面積比通過年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所得的農(nóng)作物播種面積高大約2×104～5×104hm2，2014年開始2種方式獲取的農(nóng)作物播種面積差值相對較小（小于5×103hm2）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果由于技術(shù)手段限制（主要采取逐層上報(bào)的方式）與歷史背景等原因存在瞞報(bào)、誤報(bào)和漏報(bào)的情況，與通過遙感數(shù)據(jù)直接獲取的農(nóng)作物播種面積存在一定差異；而全國第二次土地調(diào)查（調(diào)查結(jié)果于2013年12月30日起由國土資源部正式對外公布）開始采取遙感技術(shù)等多種手段，該時(shí)期之后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果誤差得到極大改善[28]。

圖3 農(nóng)作物播種面積提取結(jié)果示意圖

注：PA為制圖精度，UA為用戶精度

3.2 農(nóng)作物播種面積的時(shí)間變化過程

由圖5與表2可知，沙雅縣農(nóng)作物播種面積呈持續(xù)上升趨勢，根據(jù)圖示變化特點(diǎn)，將農(nóng)作物播種面積變化分為1994—2006、2006—2008、2008—2011、2011—2014、2014—2015、2015—2016與2016—2018年共7個(gè)時(shí)段，具體變化表現(xiàn)為：

1）在整個(gè)研究區(qū)，農(nóng)作物播種面積在各個(gè)時(shí)段均呈現(xiàn)增長趨勢，但不同時(shí)段的增長幅度差異較大。其中，增幅最大出現(xiàn)在1994－2006年與2008－2011年時(shí)段，農(nóng)作物播種面積變化率達(dá)40%左右；其次為2011－2014年與2016－2018年時(shí)段，變化率約為12%；而2006－2008年、2014－2015年與2015－2016年時(shí)段，農(nóng)作物播種面積增速較為緩慢，變化率均在6%以下。

2）渭干河灌區(qū)的農(nóng)作物播種面積變化分為2個(gè)階段，以2011年為節(jié)點(diǎn)，從之前的變化率較高向變化率較低發(fā)展，甚至在2015－2016年時(shí)段變化率出現(xiàn)負(fù)值?2.22%。表明渭干河灌區(qū)農(nóng)作物播種面積在經(jīng)歷初期的較大幅度增長，中心部分由破碎而連接成片，并開始向周圍擴(kuò)張的過程中，逐步達(dá)到相對飽和的狀態(tài)。

圖5 農(nóng)作物播種面積變化示意圖

表2 農(nóng)作物播種面積分區(qū)分時(shí)段變化率統(tǒng)計(jì)

3）塔里木河干流區(qū)農(nóng)作物播種面積變化大致分為3個(gè)階段，分別以2011年、2015年為節(jié)點(diǎn)，從開始的面積大幅增長，到中期的增長幅度下降，再到后期的增長幅度重新回升。其中，1994－2006年與2008－2011年時(shí)段，該區(qū)域農(nóng)作物播種面積同比將近成倍增長，在2011－2014年、2015－2016年與2016－2018年時(shí)段，該區(qū)域農(nóng)作物播種面積也以較為穩(wěn)定的增速進(jìn)行增長，增幅分別為14.74%、19.35%與31.03%；而在2006－2008年與2014－2015年時(shí)段該區(qū)域農(nóng)作物播種面積處于減少狀態(tài)，變化率分別為?20.65%與?7.34%。

3.3 農(nóng)作物播種面積的空間變化特征

對3.2節(jié)中所表述的7個(gè)時(shí)段，再加上總變化過程的1994－2018年時(shí)段，這8個(gè)時(shí)段進(jìn)行農(nóng)作物播種面積的絕對變化率計(jì)算與格網(wǎng)化表達(dá)。為將分析結(jié)果進(jìn)行更加直觀與可視化展示，結(jié)合本研究特征與變化率的空間布局規(guī)律，剔除起止時(shí)間內(nèi)農(nóng)作物播種面積均為0的格網(wǎng)，依據(jù)年變化率值分布規(guī)律從?0.2到0.6之間以0.1為間隔進(jìn)行等間隔劃分，并將小于?0.2部分，恒為0部分以及大于0.6部分單獨(dú)列出，將農(nóng)作物播種面積絕對變化率分為11個(gè)等級。圖6與圖7示意了不同時(shí)間段的農(nóng)作物播種面積空間變化規(guī)律。

從1994－2018年整體時(shí)段來看，沙雅縣農(nóng)作物播種面積呈現(xiàn)增加趨勢的區(qū)域約95%，且面積變化率超過0.5的區(qū)域主要分布在渭干河灌區(qū)東部、西南部以及塔里木河干流流域新渠滿水文站南部，農(nóng)作物播種面積減少最顯著（即變化率小于?0.2）的區(qū)域主要分布于沙雅縣城鎮(zhèn)區(qū)，這也表明了沙雅縣城市化建設(shè)發(fā)展對農(nóng)業(yè)的影響。沙雅縣農(nóng)作物播種面積呈現(xiàn)由零散分布逐漸連接成片，其耕地逐漸向高質(zhì)量農(nóng)田方向發(fā)展，對大規(guī)模機(jī)械化操作起到促進(jìn)作用[6]。

圖6 基于格網(wǎng)的農(nóng)作物播種面積絕對變化率空間分布圖

圖7 農(nóng)作物播種面積變化率格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)示意圖

依據(jù)圖6所示變化規(guī)律，將2006、2008、2011、2015年作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)分不同時(shí)段分析可知：

1994－2006年間，渭干河灌區(qū)農(nóng)作物播種面積減少（即變化率小于0）部分主要分布于其北緣以及中部部分地區(qū)，農(nóng)作物播種面積增加較明顯（即變化率大于0.4）的區(qū)域僅占5%，且分布于其農(nóng)作物種植區(qū)東部邊緣，農(nóng)田開墾與撂荒成為該時(shí)期農(nóng)作物播種面積變化的一個(gè)顯著特征[29]；而塔里木河干流流域農(nóng)作物播種面積主要呈現(xiàn)增加趨勢，呈增加趨勢的區(qū)域超過85%，且增加較明顯（即變化率大于0.4）區(qū)域分布于塔里木河干流南部遠(yuǎn)離河流地帶。

2006－2008年間，渭干河灌區(qū)農(nóng)作物播種面積呈現(xiàn)增加趨勢的區(qū)域約78%，其中中心部分及南部邊緣地帶面積出現(xiàn)輕微減少（變化率在?0.1至0之間）；塔里木河干流流域農(nóng)作物播種面積呈現(xiàn)減少趨勢的區(qū)域超過50%，且主要分布于在其遠(yuǎn)離河流地帶，且減少程度較大（變化率小于?0.1）區(qū)域分布在新渠滿周邊及其下游中段河流兩岸，而農(nóng)作物播種面積增加部分主要分布于新渠滿上游河段河流沿岸地帶及其下游西北部地區(qū)。

2008－2011年間，沙雅縣整體農(nóng)作物播種面積均呈現(xiàn)增加趨勢，播種面積增加的區(qū)域占比超過80%，達(dá)到各時(shí)段最高水平。對于渭干河灌區(qū)而言，僅最中心區(qū)域及東南邊緣地帶共約6%區(qū)域處于面積輕微減少（變化率在?0.1至0之間）趨勢，其余部分均呈現(xiàn)平穩(wěn)增長趨勢（變化率大于0但小于0.4）；對于塔里木河干流流域而言，農(nóng)作物播種面積減少部分主要分布于塔里木河河流沿岸，且總面積約占23%，而增加部分則主要分布于遠(yuǎn)離河流地帶，尤其是新渠滿南部地區(qū)出現(xiàn)較明顯的增加（變化率超過0.4）。

2011－2015年間，渭干河灌區(qū)農(nóng)作物播種面積呈現(xiàn)增加趨勢的區(qū)域超過80%，且東部邊緣地帶出現(xiàn)較大幅度的增加（變化率大于0.4），而同樣由于輪作休耕的影響，約15%區(qū)域呈現(xiàn)農(nóng)作物播種面積略微減少的趨勢（變化率在?0.1至0之間）；塔里木河干流流域農(nóng)作物播種面積在此階段呈現(xiàn)減少趨勢，呈現(xiàn)由東向西遷移的現(xiàn)象，面積減少的地區(qū)從新渠滿下游河流沿岸向新渠滿上游河流沿岸蔓延，同時(shí)在遠(yuǎn)離河流地帶減少趨勢有逐漸加重的現(xiàn)象。

2015－2018年間，沙雅縣農(nóng)作物播種面積減少區(qū)域增多，且相對集中于渭干河灌區(qū)，根據(jù)新疆統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，2015－2016年期間，由于玉米價(jià)格大幅下跌，玉米播種面積減少近7×103hm2[4]。渭干河灌區(qū)作為沙雅縣主要耕地分布區(qū)，其農(nóng)作物播種面積增速也隨之放緩，甚至于2015－2016年間出現(xiàn)微量減少，其農(nóng)作物播種面積減小的區(qū)域于2015－2016年間達(dá)60%，于2016－2018年間達(dá)40%，而在這一過程中，農(nóng)作物播種面積明顯減小（變化率小于?0.1）的區(qū)域呈現(xiàn)從灌區(qū)南部向北移動的趨勢，且主要分布于灌區(qū)的中部，其東西兩側(cè)農(nóng)作物播種面積仍舊保持一定程度的增加。塔里木河干流流域農(nóng)作物播種面積則重新出現(xiàn)大部分區(qū)域（增加面積超過70%）呈平穩(wěn)增加趨勢（變化率小于0.4）的現(xiàn)象，同時(shí)農(nóng)作物播種面積發(fā)生減少趨勢的地帶呈現(xiàn)由河流兩岸向遠(yuǎn)離河流地區(qū)蔓延。

4 討 論

4.1 農(nóng)作物播種面積與水資源變化的關(guān)系

沙雅縣農(nóng)作物播種面積主要分布在渭干河灌區(qū)以及塔里木河干流流域，其中，對于渭干河灌區(qū)，其上游黑孜水庫作為最大的控制性水利樞紐工程承擔(dān)著下游農(nóng)業(yè)灌溉用水以及人類生活用水的重要責(zé)任[30]，而塔里木河干流流域農(nóng)業(yè)用水則主要來自干流水資源[31]。

為了分析徑流量變化對農(nóng)作物播種面積的影響，本文將黑孜水庫水文站年徑流量、阿拉爾水文站年徑流量的自1980年至今累計(jì)距平值分別與渭干河灌區(qū)各年度農(nóng)作物播種面積、塔里木河干流流域各年度農(nóng)作物播種面積進(jìn)行相關(guān)分析，并分析和比較徑流量變化對兩個(gè)區(qū)域農(nóng)作物播種面積的影響。根據(jù)圖8可知，黑孜水庫水文站徑流累計(jì)距平值與渭干河灌區(qū)播種面積之間的相關(guān)系數(shù)為0.89，而對應(yīng)的阿拉爾水文站與塔河之間的相關(guān)系數(shù)為0.31。這表明，渭干河灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水主要依靠上游的河川徑流補(bǔ)給，上游來水量豐富的年份，其農(nóng)作物播種面積也隨之增大。而塔河流域兩岸的新增的耕地來自于毀林開荒的胡楊林地，其水土條件本來就較好，自2010年以后，嚴(yán)禁從塔河河道抽水灌溉農(nóng)田，故塔河區(qū)農(nóng)作物播種面積與徑流量變化的關(guān)系就較渭干河弱。

4.2 耕地與胡楊的轉(zhuǎn)換

以1990年胡楊分布以及1994年農(nóng)作物播種面積為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對1994－2018年間胡楊分布區(qū)農(nóng)作物播種面積與自1994年起各年度由于農(nóng)作物播種面積的增長而造成的各年度平均新被侵占的胡楊林面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由圖3與圖9可知，1994－2006年間，沙雅縣由于農(nóng)作物播種面積增長，胡楊林被逐年侵占，侵占速率保持相對穩(wěn)定，胡楊分布區(qū)中的農(nóng)作物播種面積隨時(shí)間推移持續(xù)穩(wěn)定增長。

圖8 農(nóng)作物播種面積與徑流量累計(jì)距平相關(guān)分析

為了保護(hù)塔里木河流域珍貴的生態(tài)資源，2005年5月1日開始施行修訂后的《新疆維吾爾族自治區(qū)塔里木河流域水資源管理?xiàng)l例》，其中第八條規(guī)定：流域內(nèi)嚴(yán)格控制非生態(tài)用水，增加生態(tài)用水。在塔里木河流域綜合治理目標(biāo)實(shí)現(xiàn)之前，流域內(nèi)不再擴(kuò)大灌溉面積。未經(jīng)自治區(qū)人民政府批準(zhǔn)，嚴(yán)禁任何單位和個(gè)人開荒[32]。結(jié)合圖6與圖9可知，自條例施行以來，2006－2008年期間雖然塔河干流兩岸超過半數(shù)區(qū)域農(nóng)作物播種面積出現(xiàn)不同程度減少，但各年度新被侵占胡楊林的面積依舊不斷增加，每年仍舊有部分胡楊林因農(nóng)作物播種面積的增長而遭到破壞，而在2008年以后，胡楊分布區(qū)農(nóng)作物播種面積以更加激烈的趨勢增加。

圖9 耕地與胡楊關(guān)系示意圖

為落實(shí)耕地保護(hù)制度與土地宏觀調(diào)控政策，新疆維吾爾自治區(qū)土地利用總體規(guī)劃（2006－2020年）中提出對基本農(nóng)田保護(hù)力度的加大，從而保持耕地總量平衡，并調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)用地在土地利用結(jié)構(gòu)中的所占比例。規(guī)劃中指出在阿克蘇地區(qū)（包括本研究區(qū)）的土地利用方向之一在于結(jié)合塔里木河流域綜合治理工程，大力推進(jìn)土地整治，進(jìn)行鹽堿地改造。與此同時(shí)，重點(diǎn)保護(hù)基礎(chǔ)性生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)用地，高度重視天然林、天然草場和濕地等基礎(chǔ)性生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)用地的保護(hù)，從而構(gòu)建生態(tài)良好的土地利用格局。由圖3、圖6與圖9可知，自規(guī)劃實(shí)行以來，耕地集中分布的渭干河灌區(qū)農(nóng)作物播種面積逐年增加，碎片化農(nóng)田逐漸連接成塊，農(nóng)田質(zhì)量得到提高，農(nóng)用地所占比例也得到加強(qiáng)，但胡楊林分布區(qū)農(nóng)作物播種面積增加態(tài)勢依舊存在，胡楊林地不斷被破壞蠶食，胡楊林間的農(nóng)作物播種面積呈現(xiàn)“增加-減少”交替拉鋸式現(xiàn)象。

此類現(xiàn)象表明，即使生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與建設(shè)被放置到最“根本”的首要位置，“退耕還林”、“退耕還牧”和嚴(yán)格限制耕地開發(fā)等措施不斷推行的同時(shí)各類不同程度的打擊破壞森林資源和侵占林地的專項(xiàng)行動也同步不斷開展，但由于當(dāng)?shù)厝嗣駥Νh(huán)境保護(hù)意識不夠，亂占林地與毀林開荒的現(xiàn)象仍屢禁不絕[33]。由此可見，塔里木河流域胡楊林地保護(hù)政策執(zhí)行力度加強(qiáng)勢在必行，宣傳教育力度應(yīng)當(dāng)引起重視，從而使胡楊林分布地區(qū)農(nóng)作物播種面積擴(kuò)張趨勢得到有效遏制，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的共同可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 論

本文選取1994－2018年期間Landsat5 TM、Landsat OLI的30 m中分辨率影像，結(jié)合研究區(qū)主要農(nóng)作物物候信息，使用各年度多時(shí)相影像，對沙雅縣農(nóng)作物播種面積進(jìn)行提取。同時(shí)將研究區(qū)按照流域界限分為渭干河灌區(qū)以及塔里木河干流流域2部分，根據(jù)格網(wǎng)分析的方式通過計(jì)算農(nóng)作物播種面積絕對變化率反映其時(shí)空變化，并對不同區(qū)域分析農(nóng)作物播種面積與上游來水量的關(guān)系，最后從耕地?cái)U(kuò)張角度分析其與胡楊林面積變化的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

1）沙雅縣主要農(nóng)作物為棉花、小麥與玉米，根據(jù)其不同的物候規(guī)律，在各年度采用4－5月、6－8月以及10－11月共3期影像，不僅能夠大大提高農(nóng)作物播種面積提取的準(zhǔn)確率，避免因主要農(nóng)作物生長旺盛期不同所造成的漏提現(xiàn)象，同時(shí)能夠利用各時(shí)相影像間的互補(bǔ)作用提高整體農(nóng)作物播種面積提取精度。

2）沙雅縣農(nóng)作物播種面積在1994－2018年期間呈現(xiàn)先持續(xù)緩慢增長（1994－2006年）后劇烈增長（2006－2018年），且增幅較大的2個(gè)時(shí)段為1994－2006年與2008－2011年。從空間上來看，渭干河灌區(qū)農(nóng)作物呈現(xiàn)由內(nèi)向外、由零散分布朝大塊片狀趨勢發(fā)展，除去由于輪作休耕等導(dǎo)致的變化，其面積增加區(qū)域分布于東部及西南部外圍，而塔里木河干流流域農(nóng)作物呈現(xiàn)“增加-減少”交替拉鋸式分布，其面積增加區(qū)域主要分布于塔里木河新渠滿水文站上游南岸及其下游北岸。

3）渭干河灌區(qū)農(nóng)作物播種面積的增加與渭干河上游的來水量變化呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.89，而塔河干流區(qū)相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)僅0.31。

4）沙雅縣塔河干流的胡楊林區(qū)每年被耕地侵占的面積呈現(xiàn)增長趨勢，雖然2006年以后胡楊林保護(hù)措施不斷加強(qiáng)，然而林區(qū)的農(nóng)作物播種面積在2008年以后呈現(xiàn)增速加快的趨勢，出現(xiàn)了被侵占的胡楊林地未能恢復(fù)、新的胡楊林又遭破壞的現(xiàn)象。

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Temporal and spatial change of sown area of crop and its influencing factors in main stream of Tarim River from 1994 to 2018

Ke Yingming1,3, Shen Zhanfeng1,3※, Li Junli2,3,4, Bai Jie2,3,4, Deng Liuyang1,3, Xu Zeyu1,3

(1.100101,; 2.830000,; 3.100049,; 4.830000,)

Shaya County is located in the upper reaches of the main stream of the Tarim River. As one of the typical agricultural areas, its crop growth water source mainly comes from watershed irrigation. Studying the temporal and spatial changes of crop land not only helps to monitor agricultural land in the region and analyzes agricultural water consumption to provide a decision to rationally allocate water resources in the Tarim River, but also can help to monitor illegal land reclamation. This paper selected 94 medium resolution images of Landsat 5 TM and Landsat 8 OLI from 1994 to 2018, and used the socio-economic statistical yearbook in the corresponding year, hydrological data anddistribution data, combined with the main crop phenological information in the study area, based on multi-time remote sensing images, the information of the sown area of crops in Shaya County was extracted and the temporal and spatial dynamics were studied. And the reasons for the change of planting area from the aspects of water resources and the relationship between cultivated land andforest were analyzed. The results showed that: 1) The main crops in Shaya County were cotton, wheat and corn. The usage of multi-temporal data to extract the planting area of crops according to their different phenological laws could not only greatly improve the accuracy of the extraction result of the sown areas of crops, but also avoid the leakage phenomenon caused by different growth periods of major crops, and it could be used to improve the extraction precision of the whole crop planting area by using the complementarity between the various time images; 2) The crop planting area in Shaya County showed an increasing trend in 1994-2018, especially showed a rapid growth (2006-2018) after continuous slow growth(1994-2006), and the two periods with larger increase rates were 1994-2006 and 2008-2011; 3) The planting area of the Weigan River Irrigation District had a spatial trend from the inside to the outside, from the fragmentation to the centralized contiguous development, the increased area was distributed in the eastern and southwestern parts, while the area of the sown area of crops in the Tarim River Basin had increased along the main stream of the Tarim River, and its increased area was mainly distributed on the south bank of the upper reaches of the Xinquman Station on the Tarim River and its downstream north bank; 4) The increase of crop planting area in the Weigan River irrigation area had a strong correlation with the change of the inflow water volume in the upper reaches of the Weigan River, with a correlation coefficient of 0.89, while the area in the main stream of the Tarim River had a relatively low correlation, with a correlation coefficient of only 0.31; 5) Theforest area in the main stream of the Tarim River was cultivated every year. The area occupied by encroachment showed a growing trend, although the protection measures forforests continued to strengthen after 2006, The planting area of crops showed a trend of accelerating growth after 2008, and the phenomenon that the invadedforest failed to recover and the newforest was destroyed.

remote sensing; monitoring; crops; sown area; temporal and spatial changes; Xinjiang Shaya

柯映明，沈占鋒，李均力，白 潔，鄧劉洋，許澤宇. 1994－2018年新疆塔河干流農(nóng)作物播種面積時(shí)空變化及影響因素分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(18)：180－188.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.022 http://www.tcsae.org

Ke Yingming, Shen Zhanfeng, Li Junli, Bai Jie, Deng Liuyang, Xu Zeyu. Temporal and spatial change of sown area of crop and its influencing factors in main stream of Tarim River from 1994 to 2018[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 180－188. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.022 http://www.tcsae.org

2019-04-18

2019-08-27

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFB0504204，2016YFB0502502，2018YFB0505000）；天山雪松計(jì)劃（2018XS11）

柯映明，博士，研究方向?yàn)檫b感信息提取。Email：keym@radi.ac.cn

沈占鋒，博士，研究員，研究方向?yàn)楦叻直媛蔬b感影像信息提取。Email：shenzf@radi.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.022

F301.21; X37

A

1002-6819(2019)-18-0180-09