基于RS的新疆塔里木盆地土地利用及驅動因素研究

閆曉旭,汪 洋,2,王 寅

(1.新疆農業大學 a.資源與環境學院; b.草業學院,烏魯木齊 830052; 2.新疆草地資源與生態重點實驗室,烏魯木齊 830052)

0 引言

土地是人類開展農業生產活動的前提[1],而土地利用/覆被變化(Land Use and Land Cover Change,LUCC)是人類與陸地自然環境相互影響與交互作用中最基本的表現,是整個生物圈大環境變化中的主要驅動因素[2]。近年來,塔里木盆地的土地利用結構變化劇烈,水土資源不匹配現象加重[3],生態環境較為脆弱[4]。對土地利用/覆被變化的研究熱點已從氣候變化影響轉變為土地利用/覆被變化演變過程、驅動因素與演變規律及生態環境之間的關系等[5]。Lambin[6]等闡述了導致土地利用變化的因素。目前,大多研究都集中于發達地區[7]及生態環境脆弱區域[8]等空間尺度下,通過量化變化程度、預測、地學信息圖譜等模型與手段,探究人口、自然因素、經濟政策等驅動機制對土地利用變化的作用。探究塔里木盆地各類土地利用變化及影響因素,對改善環境、提升人們生活質量具有重要的作用。根據1990—2020年塔里木盆地土地利用數據、氣象數據及社會經濟統計資料,對土地資源利用變化規律進行解釋,通過研究區域內各土地資源利用類型的時空變化規律、自然發展規律及環境驅動原因等問題,為干旱區土地資源開發利用及可持續發展提供理論依據。

塔里木盆地(73°10′～94°05′ E、34°55′～43°08′ N)位于天山南麓,屬于典型的大陸性干旱氣候,總面積可達1.03×106km2。研究區內有42個縣市級行政單位,屬于生態環境極其脆弱的區域,其生態區位非常重要。

1 數據來源與土地利用動態度

1.1 數據來源

數據包括1990—2020年共4期土地利用現狀柵格數據,取自于中國科學院環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)。塔里木盆地邊界矢量數據主要來自于1∶400萬國家基礎地理數據庫。研究區內的各項社會經濟統計指標數據,主要源自于《新疆統計年鑒》、新疆各縣市的縣志;氣象數據主要取自中國氣象數據共享網(http://www.nmic.cn/data);土地類型的分類,選取中國科學院統一的土地利用分類。

1.2 土地利用動態度

根據動態度可了解不同時期內各類土地類型間的轉化速率,對土地類型的變化趨勢進行估算及預測[9],利用1990年、2000年、2010年和2020年研究區內土地利用數據,對土地利用類型進行分析。

(1)

式中:Ma和Mb為研究開始時和結束時指定區域內的一類土地利用類型的面積,T為研究時間長度,K為研究時間內某類土地利用類型的年變化率。

2 結果與分析

2.1 土地利用空間變化特征

2.1.1 總體特征

從1990開始到2020年,塔里木盆地的土地利用有著顯著變化。各土地利用類型間差異非常明顯,未利用地面積最大,且顯著大于其他土地類型,主要集中分布于塔里木河流域中部和東北部。西北部呈現斑塊狀分布,中部未利用地坐落于塔克拉瑪干沙漠,西部和北部的未利用地主要地貌類型為山地荒漠及戈壁地帶。研究區內面積占比第二的是草地,集中在塔里木河流域的北部、西部山地區域,且塔里木河干流河道周圍及研究區的東南部也存在零星狀分布。塔里木河流域內變化比較明顯的是耕地,分布在人口密度較為密集的沙漠邊緣地帶,以流域上游與中游地區居多。這些年間,土地利用格局演變較為顯著,不同土地類型間的轉化十分劇烈。

土地利用類型間的轉變主要集中于該地區北部和西部地區。較其他土地利用類型而言,草地和耕地變化十分顯著,其中渭干-庫車河流域、阿克蘇河流域、孔雀河流域、喀什噶爾河流域耕地擴張明顯,巴音布魯克草原的草地面積變化較為劇烈,呈現出明顯的退化趨勢。

由表1可以看出,31年間,土地利用類型變化量最多的依次為草地、耕地、水域,未利用地、建設用地、林地變化量較小。1990—2000年,草地退化率最高,此后下降速度減慢,但在2010—2020年下降速度提升,共減少了186.39×104hm2。與此相反,耕地面積呈現逐年上升趨勢,2010—2020年增長速率達到了峰值,總量增長了181.37×104hm2。林地、水域呈現出先增后減趨勢,林地總量減少了4.87×104hm2,水域總量減少了122.11×104hm2。建設用地呈現出先減后增趨勢,總量增加了13.77×104hm2,未利用地在波動變化中有所增加,總量增加了117.23×104hm2。

表1 4個年度塔里木盆地土地利用面積變化 (×104 hm2)Tab.1 Land utilization area change in Tarim Basin from 1990 to 2020 (×104 hm2)

2.1.2 土地利用類型轉移情況

通過計算塔里木盆地1990—2020年土地利用轉移矩陣來探究各土地利用類型間的轉化情況(表2)。2020年,未利用地面積增加了1 088.89×104hm2,主要由其他土地類型轉換而來,包括耕地(4.84×104hm2)、林地(16.22×104hm2)、草地(918.1×104hm2)、水域(149.38×104hm2)、建設用地(0.35×104hm2)。耕地是變化最為顯著的土地利用類型,2020年耕地面積為426.76×104hm2,與1990年(245.39×104hm2)相比,增加了73.9%。其中有226.88×104hm2的耕地由其他土地類型轉換而來,包括林地(18.91×104hm2)、草地(147.02.19×104hm2)、水域(3.48×104hm2)、建設用地(9.49×104hm2)、未利用地(47.98×104hm2)。可見,耕地擴張受人類活動影響較大,主要體現在對草地和林地的開墾。2020年,林地面積為128.16×104hm2,與1990年(133.03×104hm2)相比,減少了約3.6%。其中,38.91×104hm2林地面積未發生變化,林地向耕地、草地、水域、建設用地及未利用地分別轉化了18.91×104、55.72×104、2.68×104、0.59×104、16.22×104hm2,減少的區域主要分布在開孔河、和田河、葉爾羌河及迪那河流域。草地轉化了918.1×104hm2為未利用土地,轉化了147.02×104hm2為耕地,向水域、林地、建設用地分別轉化了45.1×104、63.68×104、3.84×104hm2,減少的區域主要分布在阿克蘇河流域與渭干-庫車河等流域。

表2 1990—2020年塔里木盆地土地利用轉移矩陣 (×104 hm2)Tab.2 Matrix of land use transfer in Tarim Basin from 1990 to 2020 (×104 hm2)

2.1.3 土地利用變化動態度

塔里木盆地不同土地類型的動態度存在較為明顯的差異。1990—2000年,草地的動態度變化為-1.228%,此后動態度呈現出波動上升趨勢,但總體動態度仍為負值。動態度一直保持較高的是耕地和建設用地,二者動態度分別為2.384%、2.840%。此外,林地、水域和未利用地動態度都呈現出波動性變化,其中林地和水域動態度持續下降,分別為-0.118%、-0.988%,未利用地動態度變化不明顯。

1990—2010年,土地利用變化較為顯著,耕地和草地尤為突出。隨著城鎮化進程的逐漸加快,耕地和建設用地擴張加劇,水域面積顯著減少,導致原有的土地利用局勢被打破,各種土地類型之間變化得更加頻繁。

2.2 土地利用變化驅動因素

2.2.1 自然變化特征

1990—2020年,氣溫呈上升趨勢,2001—2020年上升趨勢最為顯著。2001—2020年的平均氣溫與1990—2000年相比高出0.64 ℃。31年間的降水量總體處于持續上升狀態,每年以0.4 mm速度增長,2001—2020年,年平均降水量與1990—2000年相比呈上升趨勢,升高了3.76 mm。降水量降低與氣溫升高的相互作用使得天然草地的供水不足,致使出現大面積草地退化,荒漠化進程加速。

2.2.2 人口因素

為分析人口分布對土地利用格局及結構的影響,根據2020年人口密度,將研究區劃分為9個區域(0、0～5、5～10、10～50、50～100、100～500、500～1 000、1 000～4 000、>4 000)。

1990—2020年,該地區人口增長了516.1萬人,但人口在空間分布上非常不均勻,多集中于盆地西部的綠洲地帶。人口密度呈現上升趨勢,平均人口密度增長4.99人/km2。在綠洲地區,尤其是喀什市、庫爾勒市及和田市出現人口密度大幅度上升。平均人口密度的變化反映了西部地區土地利用格局演變的多樣化程度。為應對人口的快速增長,人們開墾土地,大量放牧,灌溉用水不斷增多,造成了林地、草地、水域面積的退化。

1990—2020年,喀什市總人口不斷增長,而分布在城市周圍的縣鄉都出現不同程度的人口密度下降,這是因為城市現代化發展與經濟的快速增長對勞動力需求增大,人們涌入城市中。

3 討論

選取不同指標,綜合分析塔里木盆地的土地利用變化,對其時空格局的演變展開研究。結果表明,區域內土地利用變化速度始終保持增長態勢,耕地面積始終保持上升趨勢,人類活動對土地利用變化的驅動作用愈來愈大,這與張軍峰[10]等對新疆孔雀河流域地利用變化的研究結果一致。楊玉海[11]等認為,天山北坡草地的減少是由于過度放牧和開墾荒地造成的,這與本研究結果相似,過度放牧是造成塔里木盆地草地面積減少的主要原因之一。過度的開發資源與不合理的資源利用,將導致地下水位上升、土壤資源品質下降、生物多樣性降低、生態系統脆弱、草地退化及荒漠化進程加速等問題,制約生活環境的改善。

4 結論

1990—2020年,塔里木盆地的各種土地類型都發生了變化,其中耕地、建設用地面積保持上升趨勢,耕地面積增長了181.37×104hm2,平均每年增長5.85×104hm2,大部分是由草地、水域及未利用地轉入進來的,草地以每年6.08×104hm2的速度退化,共縮減188.43×104hm2。

2000年前,耕地和林地擴增趨勢較為明顯,動態度分別為0.91%、0.47%,草地和建設用地面積縮減趨勢較為明顯,動態度分別為-1.23%、-0.92%。2000年以后,耕地和建設用地面積增長速率加快,動態度分別為3.14%、6.05%,2000年以后人類活動強度加大,城鎮化進程加速,土地利用間的相互轉化頻繁。

降水量降低與氣溫升高是導致天然草地退化及荒漠化擴張的重要驅動因素。人口數量的增加及城鎮化進程的加速,使得耕地面積擴張。牲畜產品的需求量不斷上升,加大了對土地資源、草地資源及水資源的需求量,造成草地、林地和水域面積縮減。