基于灰色預測模型的昆侖山區土地利用時空變化研究

姜云璐 曹月娥 賀忠發 宗亞飛 何浩天 趙敏 許仲林

摘要 運用2000、2005、2010和2015年LUCC土地利用數據，采用土地利用動態度模型及土地利用轉移矩陣，對處于昆侖山區的新疆和田地區16年來的土地利用變化情況進行分析，并運用灰色預測模型對未來2025、2030年和田地區土地利用類型進行預測。結果表明，近16年來和田地區為代表的昆侖山區土地利用處于快速變化時期。土地利用類型變化速度與幅度反映2000—2015年和田地區各類土地利用變化中耕地和建設用地面積增長較明顯，分別增加了985、21 km2，其他各類用地面積都有不同程度的減少，減少最多的是草地，減少面積555 km2，其次是未利用地，減少面積398 km2。從土地利用動態度來看，2000—2015年耕地和建設用地單一動態度較大，其他地類單一動態度較小，表明在研究期間耕地和建設用地面積增長較快，其他地類面積都有不同程度減少。從土地利用轉移方面來看，土地利用類型轉移主要發生在2000—2005和2010—2015年，轉移地類主要是發生在草地—耕地、未利用地—耕地和耕地—建設用地。土地利用轉移空間變化主要表現在沿河流縱向分布，發生在人類聚居的綠洲區域及城市周邊。利用灰色預測模型對2025和2030年和田地區土地利用類型進行預測，預測精度良好，表明和田地區2025和2030年耕地和建設用地面積呈不斷增加，其他地類都有不同程度減少。

關鍵詞 昆侖山區;和田地區;灰色預測模型;土地利用;時空變化

中圖分類號 F 301.2? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）01-0070-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.01.019

Research on Spatio-temporal Changes of Land Use in Kunlun Mountains Based on GM Model—Taking Hotan Area as an Example

JIANG Yun-lu1，2，3，CAO Yue’e1，2，3，4，HE Zhong-fa1，2，3 et al

（1.College of Resources and Environmental Science， Xinjiang University， Urumqi，Xinjiang 830046;2.Institute of Arid Ecological Environment， Xinjiang University， Urumqi，Xinjiang 830046;3.Key Laboratory of Oasis Ecology， Ministry of Education， Urumqi，Xinjiang 830046;4.College of Environmental and Geographical Sciences， Shanghai Normal University， Shanghai 200234）

Abstract Based on the LUCC land use data of 2000， 2005， 2010 and 2015，the land use dynamics model and the land use transfer matrix were used to analyze the land use changes in the Hotan area of Xinjiang in the Kunlun Mountains for 16 years，and the gray prediction model was used to predict the land use types in Hotan area in the future 2025 and 2030.The results showed that in the past 16 years， land use in the Kunlun Mountains represented by the Hotan area had been in a period of rapid change.The change rate and extent of land use types reflected that the area of arable land and construction land had increased significantly during the various land use changes in Hotan from 2000 to 2015， increasing by 985 and 21 km2， respectively. The area of other types of land had decreased to varying degrees. The largest decrease was grassland， with a reduction of 555 km2， followed by unused land， with a reduction of 398 km2.From the perspective of land use dynamics， the single dynamics of cultivated land and construction land from 2000 to 2015 were relatively large， while the single dynamics of other land types were relatively small， which indicated that the area of cultivated land and construction land increased rapidly during the study period， and the area of other land types decreased to varying degrees.From the perspective of land use transfer， the transfer of land use types mainly occurred in 2000-2005 and 2010-2015， and the transferred land types mainly occurred in grassland-cultivated land， unused land-cultivated land and cultivated land-construction land.The spatial changes of land use transfer were mainly manifested in longitudinal distribution along rivers， occurring in oasis areas where humans live and around cities.The gray prediction model is used to predict the land use types of Hotan in 2025 and 2030， and the prediction accuracy is good. The results show that the area of arable land and construction land in Hotan will continue to increase in 2025 and 2030， and other land types will decrease to varying degrees.

Key words Kunlun Mountains;Hotan area;Gray prediction model;Land use;Spatial-temporal change

基金項目 國家青年基金項目（41601572）;中國科學院戰略性先導科技專項（XAD20040400）。

作者簡介 姜云璐（1997—），男，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：人文地理與干旱區資源環境協調。通信作者，副教授，博士，碩士生導師，從事國土資源評價與國土空間規劃研究。

收稿日期 2021-05-21;修回日期 2021-05-31

土地利用變化是指在各種驅動力作用下土地利用的目的和方式發生改變的體現，與人類活動密切相關[1-2]。土地利用/覆被變化（LUCC）是人類活動與自然環境相互作用最直接的表現形式，與人類活動緊密相關。20世紀90年代以來LUCC已成為全球研究的核心課題之一[3]。近年來對于土地利用動態變化的研究，主要集中在時空分布及變化[4-8]、驅動力機制[8-15]及運用馬爾科夫和灰色預測模型（GM模型）對土地利用變化進行預測等研究[16-20]。土地利用時空變化研究既能反映出研究區土地利用在時間序列上發生的變化，又可以直觀反映空間變化的狀況，對區域土地利用變化作出更詳細的描述。新疆和田地區由于其特殊地理條件和歷史原因，其生態環境對氣候變化的響應及承受力具有較高的敏感性和脆弱性，因此，及時掌握該地區的LUCC變化，有效預測未來土地利用類型變化，對優化該區域土地利用模式，促進當地社會、經濟和生態環境協調發展具有重要參考價值。

該研究對昆侖山區的典型干旱區綠洲即和田地區土地利用進行時空變化研究，同時運用灰色預測模型對和田地區2025、2030年土地利用類型進行預測，為未來土地資源優化配置及合理規劃土地資源提供借鑒。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

和田地區位于新疆維吾爾自治區南隅，介于78°17′～82°38′E、36°52′～37°19′N。南部為喀喇昆侖山及昆侖山，北部為塔里木盆地，地勢自南向北傾斜，呈南高北低、西高東低的格局。僅有小部分的綠洲分布在昆侖山和塔克拉瑪干沙漠之間的內流河流域附近，海拔1 300～1 450 m。屬暖帶內陸荒漠型氣候區，主要氣候特點：四季分明、夏長秋短、冬不嚴寒，全年降水稀少蒸發量極大。春季、夏季多沙暴、浮塵天氣，冬季少積雪，晝夜溫差大，盛行西北風和西南風。年平均降水量為33.7 mm，且分布不均，年際變化大，一年中降水以5—7月份最多，約占總量的59%。年日照時數為2 602.2 h，可照時數為4 433.5 h，年平均日照百分率為59%。

1.2 數據來源

該研究所選2000、2005、2010、2015年4期數據來自中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn/），根據研究區實際情況參考LUCC二級分類體系對數據進行分類，通過地統計分析方法獲得土地利用轉移矩陣及空間變化圖。

1.3 研究方法

1.3.1 單一土地利用類型動態度。

土地利用動態變化的研究方法主要是土地利用動態變化模型的建立，土地利用變化主要體現在土地利用類型變化、土地利用程度變化及土地利用變化的區域差異方面[21]。

單一土地利用動態度可描述區域一定時期內某種土地利用類型的變化速度，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積極的作用[22]。

其表達式如下：

K=Ub-UaUa×1T×100%（1）

式中，K為研究期內研究區某一類土地類型動態度;Ua、Ub分別為研究初期和研究末期土地類型的面積;T為研究時段。當T的時段為年時，K值是該土地利用類型的年變化率。

1.3.2 綜合土地利用動態度。

綜合土地利用動態度反映某區域一段時期內土地利用變化的速度[23]。

其表達式如下：

LC=ni=1ΔLUi-j2ni=1LUi×1T×100%（2）

式中，LC表示該區域土地利用年變化率;ΔLUi-j表示研究時段內第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值;LUi表示研究初期某一土地利用類型的面積;T的時段為年。

1.3.3 土地利用轉移矩陣。

土地利用轉移矩陣能夠描述各種土地利用類型之間的轉換情況，不僅可以反映研究初期和研究末期的土地利用類型結構，同時還可以反映研究時段內各類用地之間的相互轉移變化情況，用來刻畫區域土地利用變化方向以及研究期末各土地利用類型的來源及構成。轉移矩陣中的變量可以為土地利用類型面積，也可以生成區域土地利用變化的轉移概率矩陣，從而可以推測一些特定情境下區域土地利用的變化趨勢[24]。其數學表達如下：

式中，Sij為研究期內土地利用狀態;n表示研究區內土地利用類型數;i、j分別為轉移前和轉移后的土地利用類型。

1.3.4 灰色預測模型。

GM模型是對原始數據系列進行一階累加生成，建立一階線性微分方程模型，求得擬合曲線，從而對系統進行預測，過程如下[25]：

設x（0）為原始數據系列，對x（0）進行一次累加生成，得到一個生成序列x（1），由此可以建立白化形式的微分方程：

dX（1）dt+aX（1）=u（4）

用最小二乘法擬合得到參數a和u：

微分方程式（4）所對應的時間響應函數即為此次數列預測的基礎公式，如下：

x（1）（k+1）=x（0）（1）-uae-ak+ua（8）

為提高GM（1，1）模型預測值的可靠度，采用后驗差檢驗方法進行模型精度檢驗，后驗差比值C和小誤差概率P定義為：

C=S2S1（9）

P=P（|ε（k）-|<0.674 5S1）（10）

式中，S1為原始數據標準差;S2為預測數據標準差;ε為預測數據誤差;為預測誤差的均值。C的大小表明模型預測值和實際值之差的離散程度，C越小越好，表示原始數據離散大，而預測誤差離散性小，則預測精度高;P越大越好，即小誤差的概率越大，表示擬合精度較高。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化幅度分析

區域土地利用面積和結構變化是研究土地利用變化的一個重要方面。對和田地區2000、2005、2010、2015年4個時期的土地利用面積變化幅度進行對比，結果發現（表1），

2000—2005年和田地區耕地和建設用地面積呈不斷增加的趨勢，其中耕地變化幅度最大，為13.85%，耕地面積增加了387 km2，建設用地變化幅度為1.43%，面積增加了4 km2;林地、草地、水域和未利用地面積均呈減小趨勢，其變化幅度分別為-0.47%、-0.38%、-0.37%、-0.08%，其中草地面積減少最多，減少了209 km2，其次是未利用地，面積減少了135 km2，林地和水域面積分別減少了6、41 km2。

2005—2010年和田地區各地類面積變化較小，耕地、水域面積均有所增加，林地和建設用地面積保持不變，未利用地和草地面積不斷減少;耕地變化幅度為1.51%，面積增加了48 km2，草地和未利用地變化幅度分別為-0.04%、-0.02%，面積分別減少20、29 km2。

2010—2015年和田地區土地利用變化較劇烈，其中耕地和建設用地變化較大，面積分別增加了550、17 km2，增長幅度分別為17.03%、6.01%;林地、草地和未利用地均有不同程度的減少，減少面積分別為15、326、234 km2，變化幅度分別為-1.19%、-0.59%、-0.13%。

整體而言，和田地區2000—2015年土地利用變化中，耕地和建設用地面積持續增加，且增加幅度較大，土地利用變化主要發生在2000—2005和2010—2015年，尤其在2010—2015年和田地區各類土地面積變化較劇烈。

2.2 土地利用動態度

從單一土地利用動態度（表1）來看，和田地區2000—2015年耕地和建設用地單一動態度呈正值，呈增長趨勢;尤其是耕地，2000—2005年單一動態度為13.85%，2005—2010年為1.51%，2010—2015年為17.03%，表明耕地面積在2000—2005和2010—2015年增長顯著，其中2010—2015年增長最快;建設用地在2000—2005年單一動態度為1.43%，2005—2010年單一動態度基本保持不變，2010—2015年單一動態度為6.01%，表明2010—2015年建設用地面積增長速度最快。林地、草地和未利用地單一土地利用動態度都呈負值，其中2000—2005年單一動態度分別為-0.47%、-0.38%、-0.08%，2005—2010年單一動態度分別為0、-0.04%、-0.02%，2010—2015年單一動態度分別為-1.19%、-0.59%、-0.13%;2000—2005和2010—2015年各類土地利用類型數量變化速度較2005—2010年快。

從綜合土地利用動態度來看，2000—2005、2005—2010、2010—2015年綜合土地利用動態度分別為8.32%、8.33%和8.31%，表明2005—2010年和田地區土地變化幅度較小，各類用地變化較其他2個階段平緩;2010—2015年和田地區土地利用變化速度大于2000—2005年，2000—2005年土地利用變化速度大于2005—2010年。

整體而言，2000—2015年和田地區耕地單一土地利用動態度最大，土地面積變化較劇烈且增加幅度較大;建設用地比重較小，但動態度在2000—2005和2010—2015年增長幅度較大，尤其在2010—2015年，建設用地擴張較大;林地、草地動態度呈負，呈減小趨勢，但草地面積減小數量較大;未利用地比重最大，雖然動態度較小，但實際減少面積較大。

2.3 土地利用轉移矩陣

由表2可看出，2000—2005年和田地區土地利用轉移主要表現在耕地—草地、林地—草地、水域—草地和未利用地—草地，草地面積的增加中耕地占21.15%，林地占3.85%，水域占13.46%，未利用地占59.62%。建設用地的增加全部來自對耕地的侵占。水域—未利用地、草地—未利用地轉移分別占未利用地面積增加的61.11%、38.89%。

從表3可以看出，2005—2010年整體來看各類土地之間的轉化并不頻繁，主要表現在草地—耕地和未利用地—耕地，其中增加的耕地中草地占22.92%，未利用地占77.08%。其次為草地—未利用地，未利用地的增加全部來自草地面積的退化。

從表4可以看出，2010—2015年和田地區土地利用類型轉化主要表現在林地—耕地、草地—耕地、水域—耕地、建設用地—耕地和未利用地—耕地。其中增加的耕地中草地和未利用地面積較大，分別占增加面積的58.39%和37.32%，其次為林地和水域，分別占增加面積的2.68%、1.25%，建設用地占增加面積的0.36%;草地面積的增加主要表現在耕地—草地、未利用地—草地的轉移，其中增加的草地中耕地面積占60.00%，未利用地面積占30.00%;建設用地的增加主要來源于耕地—建設用地、未利用地—建設用地的轉移，其中耕地占10.53%，未利用地占84.21%。

整體而言，2000—2015年和田地區土地利用轉移主要集中在草地—耕地、未利用地—耕地之間的相互轉化。耕地主要表現為持續增加的趨勢，且耕地的增加主要來自對草地和未利用地的大量開墾，造成了草地、未利用地的大面積減少;一部分耕地的減少主要發生在城區周圍，為了滿足城市的發展和擴張，城市周邊一部分地理位置較好的耕地被開發為建設用地。這是由于一方面因為人口的持續增加，有限的耕地不能養活更多的人口，因此把矛頭指向肥力和水資源條件較好的草地和未利用地，對草地和未利用地進行大面積的開荒;另一方面由于“耕地保護紅線”和響應“退耕還林還草”等政策因素，部分耕地因生產力下降被撂荒轉為草地，而“耕地保護紅線”的政策和為促進經濟的發展等需求促使耕地不斷增加。未利用地的減少主導因素是墾荒，其次是轉變為草地、水域和建設用地。

2.4 土地利用空間變化分析

2000—2015年和田地區土地利用類型轉移及空間變化主要表現出沿河流縱向分布和綠洲人類聚居區周圍分布的特點，且主要集中在河流中游人類活動的綠洲區域，其主要呈現出如下特點：

（1）草地—耕地。

草地—耕地的轉移主要在克里雅河、喀拉喀什河和玉龍喀什河中游，沿河流縱向呈片狀及點狀分布;另外尼雅河和皮山縣境內發源于喀喇昆侖山的中小山溪性河流中游沿河流縱向呈小片及點狀分布，其次在墨玉縣城市周邊及皮山縣城市周圍呈大片分布（圖1）。這是由于和田地區近16年來人口的不斷增加和外來人口的大量涌入，對耕地需求加大，一些水肥條件較好的草地被不斷開發，在增加耕地的同時，生態環境也遭到一定程度的破壞，更加劇了和田地區本不樂觀的生態狀況。

（2）未利用地—耕地。

耕地的增加一方面來源于對草地的大量開墾，其次是未利用地的大面積開墾。和田地區未利用地轉化為耕地沿河流縱向呈點狀分布，主要集中在民豐縣城市周邊，和田縣北部，洛浦縣南部、墨玉縣南部與昆侖山交接的平原地帶，在皮山縣主要在沿河流及城市、鄉鎮周邊呈大面積分布（圖1）。和田地區未利用土地資源廣闊，在大量開發未利用地的同時，滿足了農業和經濟發展的要求。

（3）其他各類用地空間變化。

草地—未利用地的轉化主要在田縣城市東部及民豐縣境內的牙通古孜河下游，呈片狀及點狀分布;林地—耕地的轉化主要集中在策勒縣城市周邊;耕地—建設用地的轉化主要在和田市及于田縣，呈點狀分布;未利用地—草地的轉化主要發生在于田縣和皮山縣。

總之，和田地區土地利用類型空間變化特征與和田地區特殊的地理環境關系巨大，主要分布在自然條件相對優越的地理單元內。干旱區綠洲人類生產生活與水資源條件密不可分，因此土地利用空間變化主要沿河流呈片狀及點狀分布。耕地—建設用地的轉化主要分布在于田縣、和田市，呈點狀分布。

2.5 土地利用灰色預測

基于和田地區實際情況，該區未利用地以較難利用的沙漠、戈壁和石質沙地為主，利用面積較穩定;水域包括河流湖泊等，季節性變化較大，在此不對這2種地類進行預測。選擇2000、2005、2010、2015年4期數據，運用灰色GM模型，對未來2025和2030年土地利用類型面積進行預測（表5），參照灰色預測精度檢驗等級標準（表6），所有土地利用類型后驗差比值C均小于0.65;林地、建設用地預測結果分別為0.57、0.62，勉強合格;草地C值為0.49，合格;耕地C值為0.28，精度等級為好。小誤差概率P=1>0.95，表明模型預測精度為合格，預測值有較高的可信度。

3 結論

該研究選取干旱區典型區域和田地區為研究區，利用近16年土地利用數據，分析土地利用轉移矩陣，并借助GM模型預測該研究區2025和2030年土地利用類型。主要結論如下：

（1）近16年和田地區各類土地利用變化較劇烈。從土地利用變化幅度來看主要表現為耕地和建設用地的持續增加及林地、草地和未利用地的不斷減少，其中2000—2005和2010—2015年增減幅度較大。

（2）從單一土地利用動態度來看，2000—2005和2010—2015年耕地和建設用地單一動態度較高，而林地、草地和未利用地單一動態度較低，呈負值，但面積變化相對較大;2005—2010年單一土地利用動態度相對較小。從綜合土地利用動態度看，和田地區土地利用變化速度較大，2005—2010年土地利用綜合動態度較前后2個時段小，表明2005—2010年土地利用變化較小。但各研究時段相差不大，表明研究期間土地利用相對較穩定。

（3）土地利用轉移發生在草地—耕地、未利用地—耕地、耕地—草地和耕地—建設用地之間。頻繁轉移時間在2000—2005和2010—2015年。耕地面積增加的主要來源是草地和未利用地的大量開墾，建設用地增加主要是對城區周邊耕地的侵占和對未利用地的開發。

（4）和田地區土地利用空間變化主要沿河流以及沿交通線呈扁十字型分布的特點，與干旱區綠洲生產活動受水資源條件約束相契合，人類活動主要集中在面積較小的綠洲區域，耕地—建設用地、未利用地—建設用地空間變化呈點狀分布的特點。

（5）利用GM灰色預測模型對和田地區2025和2030年土地利用類型進行了預測，預測精度良好，預測結果為2025、2030年耕地和建設用地面積不斷增加，林地、草地面積都有不同程度減少。

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