新疆北疆“金三角”地區土地利用/覆被動態變化分析

新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司 楊海峰

近年隨著土地利用／覆被變化研究在全球環境變化研究領域的逐漸加強，作為土地利用/覆被變化機制和驅動力研究基礎的格局與時空變化研究仍然是熱點問題[1]。西北干旱區的耕地擴張無疑是當代中國土地利用變化中的一個重要現象，由耕地擴張等原因引起的土地利用/覆被變化過程與驅動力的研究是干旱區環境調控和可持續發展的基礎[2]。新疆作為西北干旱區的核心區域，其以犧牲自然荒漠植被為代價的綠洲農業耕作區擴張活動使土地覆被發生顯著變化。開展對人口密集、產業集中等區域土地利用/覆被動態變化研究更有助于分析社會因素對土地利用變化的作用。鑒于此，本文以遙感數據為信息源，研究具有北疆“金三角”之稱的奎屯、烏蘇和克拉瑪依市獨山子區的土地利用/覆被變化，以期為該區域城鎮融合化發展與區域社會經濟的可持續發展模式的制定提供決策依據。

一、研究區概況

北疆“金三角”是天山北麓的奎屯、烏蘇和克拉瑪依市獨山子區的簡稱。因這兩市一區距離均為十余千米，呈三角形分布，且人口密集、產業集中、交通便利、經濟發達，是新疆區域經濟發展的中受到廣泛關注的熱點和亮點，故被稱為“金三角”。該區域位于天山北坡中西部和準葛爾盆地西南緣，總面積約15964km2，人口約45.34萬人。

北疆“金三角”深居亞歐大陸腹地，屬典型大陸性氣候，冬夏長，春秋短，四季分明，年內溫差變幅大，光照充足，降雨稀少，蒸發強烈，相對濕度小。自北向南隨海拔高度的升高，地貌地帶差異性明顯，垂直分帶明顯。

二、數據來源及研究方法

（一）數據來源

本研究的土地利用/覆被數據以2000年、2010年和2020年的Landsat數據為基本信息源，利用ERDAS IMAGE圖像處理軟件和1:100000地形圖對上述影像進行幾何校準數據融合、信息增強和拼接等處理，生成2000年、2010年和2020年的遙感影像圖。參照“中國科學院土地利用分類系統”為分類方案，并在綜合考慮研究目的和研究區特點后，將研究區土地利用/覆被類型歸并劃分為：耕地、林地、草地、水域、永久性冰川積雪、建設用地、鹽堿地和未利用地8種類型。

在ArcGIS軟件支持下，針對2000年、2010年和2020年遙感影像，按照上述土地利用/覆被分類方法，分別建立解譯標志，對遙感影像進行目視解譯及數字化，建立拓撲關系生成三期土地利用/覆被數據，并通過野外調查對數據精度予以驗證。

（二）研究方法

1.土地利用/覆被變化幅度

土地利用/覆被變化幅度(Nc)指一定時間范圍內某種土地利用類型在面積方面的變化幅度，采用單一土地類型變化幅度表示，其數學表達式可定義為：

式中：Ua、Ub分別為研究初期和末期某土地利用類型的面積；△Uout為研究時段內該類型轉變為其它類型的面積之和；△Uin為其它類型轉變為該類型的面積之和。

2.土地利用/覆被變化速度

土地利用/覆被變化度可定量描述LUCC的速度，對于單一土地利用/覆被變化速度目前多采用算術平均法表示，本文采用周德成等建立的凈變化速度表達式，其中單一LUCC類型凈變化速度表達為：

式中：Ua、Ub、△Uin、△Uout定義同上，T為研究時段長。

綜合LUCC凈變化速度Rt用于表征所有土地類型的綜合凈變化速度，表達為：

式中：Ua、Ub、△Uin、△Uout、T定義同上，n為LUCC類型總數。

3.土地利用程度變化

土地利用程度指數一方面可反應特定時期的土地利用程度，另一方面通過研究期內該指數的變化反應區域土地利用程度的變化。表達式定義為：

式中：L為某區域土地利用程度指數，Ai為區域內第i類土地利用類型的程度分級指數；Ci為區域內第i類土地利用類型百分比，n為土地利用類型數。

三、研究結果

（一）2000-2020年北疆“金三角”地區土地利用/覆被變化分析

通過對3期土地利用/覆被分類數據分別進行空間疊加分析以及數理統計，獲得了各時期土地利用/覆被分類面積（圖1）及轉移矩陣。利用式（1）—（3）對以上數據進行計算，獲得了2000至2010年，2010至2020年的不同類型土地利用類型的變化幅度和變化速率，以及所有土地類型的綜合凈變化速度。

研究結果表明：在2000至2020年的20年間，土地利用/覆被單一類型面積變化特點表現為：耕地、林地、建設用地和水域面積增加（圖1），凈增面積分別為1307.0平方千米、108.84平方千米、59.99平方千米、18.86平方千米；草地、鹽堿地、未利用地以及冰川和永久性積雪面積減少（圖1），減少面積分別為1061.98平方千米、234.56平方千米、147.02平方千米、51.13平方千米。

圖1 北疆“金三角”地區土地利用/覆被分類面積

從土地利用/覆被變化幅度及變化速度來看（表1），20年間面積增加幅度和增加速度最快的類型仍為耕地，分別為71.19%和4.22%；其次為建設用地，其增加幅度和速度分別為39.38%和2.59%；再次為水域，其增加幅度和速度分別為13.02%和0.95%；最低的為林地，其增加幅度和速度分別為12.75%和0.93%。面積減少幅度和速度最快的為鹽堿地，其減少幅度和速度分別為32.91%和3.02%；其次為草地，其減少幅度和速度分別為12.31%和1.01%；再次為冰川和永久性積雪，其減少幅度和速度分別為7.92%和0.63%；最低的為未利用地，其減少幅度和速度分別為4.91%和0.39%。

表1 北疆“金三角”地區土地利用/覆被類型的變化幅度（Nc）和速度（Rs）（%）

（二）2000-2020年北疆“金三角”地區土地利用程度變化分析

利用式（4）分別計算了2000年、2010年和2020年研究區土地利用程度綜合指數和2000-2010年、2010-2020年、2000-2020年3個時段土地利用程度變化量、變化幅度、變化速度（表2）。

表2 北疆“金三角”地區土地利用程度綜合指數及其變化（%）

從2000年、2010年和2020年各土地利用類型對區域土地利用程度貢獻率變化來看：草地貢獻率較大，約占各年總利用程度的60%，但其隨時間變化而降低，除草地外、冰川和永久性積雪、鹽堿地和未利用地貢獻率也隨時間變化不斷降低，而耕地、林地、水域、建設用地貢獻率不斷增大。

在2000-2020年的20年間北疆“金三角”地區土地利用程度不斷增加，該區域土地利用處于發展時期。其中2000年土地利用綜合率為51.33%，2010年上升為53.43%，到2020年已上升至53.97%。這與研究區土地利用程度分級指數較低的土地類型轉為分級指數較高類型有著密切關系，如草地轉換為耕地、建設用地等土地利用類型。

從土地利用程度變化量來看2000-2010年變化量占20年間總變化量的79.46%，是2010-2020年變化量的3.87倍。同時2000-2010年土地利用程度變化幅度是2010-2020年變化幅度的4.03倍。雖從變化速度來看，2000-2010年變化速度則僅為2010-2020年的2.48倍數，但也證明在2000-2020年間土地利用轉移總體表現為由土地利用程度分級指數較低的向較高的分級指數轉移，且2000-2010年轉移規模和速率高于2010-2020年轉移規模和速率。

四、結論與討論

北疆“金三角”地區土地利用/覆被變化顯著，其主要原因包括自然和社會經濟技術兩方面因素。在本研究區內，耕地和建設用地為增加速度最快的兩種土地類型，主要是因為：（1）進入21世紀后，先進的滴灌技術的推廣普及以及農田管理技術（灌溉、施肥等）不斷增強，水資源利用效率顯著提高，以及人口不斷增加的壓力，促進或迫使研究區內農戶將有利用價值且利用程度分級指數相對較低的草地、鹽堿地等開墾為耕地。農業用地規模進一步增大的同時也提高了土地利用程度。但耕地的開墾并不是一個無限制的過程，受到可開墾資源限制以及草場保護相關法律法規約束，開墾規模逐步縮小。（2）進入2000年以后，我國進入高速發展時期，建設用地規模不斷增加，雖然其增加面積較小，但其變化幅度和速度僅低于耕地變化情況。(3)為滿足日益增加的耕地灌溉用水需要，相關水利設施的修建也會促進水域面積的增大。他們的擴張直接導致土地利用程度的增加。

綜上所述，本文以遙感數據為信息源，在2000-2020年20年間北疆“金三角”地區耕地、林地、建設用地和水域面積增加，其他土地利用類型面積則減少。其中耕地變化最為劇烈，其次為草地和建設用地。另外，建設用地雖變化面積小，但其幅度與速度僅次于耕地。同時對不同時間段綜合變化速度和土地利用程度的研究表明2000-2010年期土地利用變化比2010-2020年間變化劇烈。本文獲取的土地利用變化信息不僅有利于流域生態系統、氣候和水文變化等問題的研究，更有助于土地利用規劃和決策。