新疆迪那河流域轮台人工绿洲耕地时空变化特征分析

2019-06-04 01:11管文轲刘洪霞张和钰李志鹏冯益明
农业机械学报 2019年5期
关键词:耕地面积绿洲土地利用

张 谱 管文轲 刘洪霞 张和钰 李志鹏 冯益明

(1.中国林业科学研究院荒漠化研究所, 北京 100091; 2.新疆林业科学院造林治沙研究所, 乌鲁木齐 830000; 3.中国农业科学院农业信息研究所, 北京 100081)

0 引言

绿洲是维系干旱区经济发展和人民生活的命脉[1],也是干旱区人民赖以生存的基础。新疆南部地区(南疆)独特的山盆相间地貌格局,形成了众多以流域为单元的绿洲农业景观[2],绿洲农业是南疆绿洲经济的重要组成部分。南疆独特的气候环境,为绿洲粮食和棉花提供了优越的生长条件。目前,南疆环塔里木盆地已经成为全球最大棉花(GossypiumhirsutumLinn.)产区,约占全国棉花总产量的一半、全球棉花总产量的十分之一。绿洲耕地的时空变化是新疆南部绿洲土地利用时空变化的重要组成部分。

国内外学者对耕地时空变化进行了大量研究,研究尺度从全球范围[3-4]、全国范围[5-6]、省域范围[7]到县域为研究单元[8],多数研究尺度较大,不易揭示微观层面的差异。我国土地面积广大,不同区域的自然环境、生态条件、社会经济发展状况各不相同,尤其是不同地形地貌下的耕地时空变化特征差异明显[9]。绿洲耕地的扩张是干旱区土地利用与覆被变化最典型的人为过程之一,它将引起水资源的空间分布变化[10-11]、沙漠化[12-13]等全球环境变化问题。与全国耕地面积不断减少的趋势不同[6,14-15],干旱区部分地区绿洲耕地面积不断扩张[16-18],甚至高速增长[19]。然而目前涉及干旱区小流域绿洲耕地时空变化特征的研究较少。

鉴于此,本文以新疆迪那河流域为研究区,以区域内耕地为主要研究对象,利用RS和GIS手段,通过解译1992年8月、1998年8月、2007年9月和2018年8月4期Landsat系列卫星遥感影像和无人机影像数据,对新疆迪那河流域轮台人工绿洲耕地进行动态监测,量化和描述26年来绿洲耕地的时空变化规律,以期为未来小流域人工绿洲空间规划和管理提供基础数据和理论支持,为解决干旱区绿洲可持续发展问题提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 迪那河流域示意图Fig.1 Location of Dina River Watershed

以新疆迪那河流域轮台人工绿洲为主要研究对象。迪那河发源于天山南脉的哈尔克山南麓及霍拉山南麓,以冰雪融水和山区降水为主要水源,并在山前倾斜平原蕴藏丰富的地下水。轮台人工绿洲依靠迪那河和地下水等水资源形成。迪那河在进入沙漠前的绿洲-沙漠过渡带消散。整个流域地跨新疆巴音郭楞蒙古自治州的轮台县与阿克苏地区库车县,地理坐标介于东经83°38′~ 84°41′、北纬41°26′~ 42°32′之间,面积51.93万hm2(图1),是塔里木盆地南北缘典型的山区-戈壁-绿洲-沙漠生态系统。

迪那河流域地处中纬度地带,属于温带大陆性干旱气候,地形北高南低。北部山区气候寒冷,南部戈壁-绿洲-沙漠地带气候干燥,年平均气温9.7~10.8℃,1月平均气温-10.5~-8.7℃,7月平均气温24.8℃,降水稀少、蒸发强烈,冬夏较长、春秋较短,昼夜温差大,一年四季气候相对比较温和。流域山区以南、绿洲以北的戈壁区以麻黄、裸果木、盐穗木为主要植被;中部和南部绿洲-沙漠过渡带以红柳、盐穗木、芦苇为主要植被。轮台绿洲物产丰富,是全国商品粮基地和重要产棉区之一,同时绿洲内种植有杏子、核桃、香梨等16种果树种类。

1.2 数据源及预处理

1.2.1遥感数据源选择

选取覆盖轮台人工绿洲的4期(1992年8月、1998年8月、2007年9月和2018年9月)Landsat系列卫星遥感影像作为绿洲耕地时空变化制图的遥感数据源(表1)。影像云覆盖度均小于10%,影像时段选择均在8—9月生长季。对选择的遥感数据进行预处理,主要包括辐射校正、几何校正、投影转换等。遥感数据来自美国USGS网站(http:∥glovis.usgs.gov/)。

表1 遥感数据基本参数Tab.1 Basic parameters of remote sensing data

1.2.2野外调查

野外调查在人工绿洲内部和人工绿洲外围进行,共设置样地36个,样地尺寸设置为100 m×100 m。

图2 人工绿洲调查样地分布Fig.2 Sample plot distribution of artificial oasis investigation

调查采用四旋翼大疆无人机(悟1pro型,DJIINC.,中国),机载传感器为禅思X5(1 600万像素),获取样地无人机影像。飞行方案利用无人机航线飞行控制软件Litchi for DJI Drone(Ver.3.10.5,VC Technology Ltd.,美国)实现[20-21],飞行高度设置为60 m,获得影像地面分辨率为1.5 cm,观测日期在2018年7月21日—8月9日。

图2为野外调查36个样地的分布和3个典型样地对应的Landsat OIL遥感影像(成像时间为2018年8月17日)和无人机影像。Landsat8 OIL影像在ENVI软件中R∶G∶B相应波段为6∶5∶4(可以比较好地突出植被信息),果园呈深绿色,耕地呈浅绿色,人工绿洲外土地(红柳灌木林地)呈褐色。人工绿洲边界明显,果园和耕地区分度较高。

1.2.3遥感影像解译

采用光谱直接分类法[22-23]对4期Landsat遥感影像进行解译,即采用2018年7月下旬—8月中旬野外调查获取的大量带地理坐标的无人机、数码相机影像和图像,与1992年8月、1998年8月、2007年9月Landsat5 TM影像(采用波段组合5∶4∶3)和2018年8月Landsat 8 OIL_TRIS影像(采用波段组合6∶5∶4)叠加,通过目视解译、手工勾绘对不同土地利用类型进行识别。解译分两个阶段进行:第1阶段确定人工绿洲边界,将流域的戈壁-绿洲-沙漠区划分为人工绿洲内和人工绿洲外土地;第2阶段在已划定的人工绿洲内部确定耕地分布。根据研究目的和我国土地利用分类体系,将人工绿洲内部划分为果园、耕地、水体、城镇居民用地和人工绿洲内未利用地等5种土地利用/覆被类型。对提取的结果再次进行了实地校核、修改,获得4期轮台人工绿洲土地利用图。

1.3 研究方法

1.3.1用地面积变化分析

为了详细地对比迪那河流域轮台人工绿洲耕地时空变化特征,本文采用动态度模型[24-25]进行分析。动态度是指一定时间范围内研究区某种土地类型的数量变化,其意义在于反映某种土地类型变化的剧烈程度,表达式为

(1)

式中D——研究时期内某一类型土地动态度

Ua——研究期初某一类型土地面积

Ub——研究期末某一类型土地面积

T——研究时间

图3 轮台人工绿洲土地利用情况Fig.3 Land use maps of Luntai Artificial Oasis

1.3.2土地利用转移矩阵

为了对绿洲耕地转入和转出情况进行监测,采用土地利用转移矩阵[26-28]对4期数据进行分析处理。土地利用转移矩阵能够反映绿洲耕地在某期期初和期末与各土地类型面积之间相互转变的动态过程,不仅包含某期绿洲耕地面积信息,还有各土地类型在期初和期末向绿洲耕地转出和转入的面积信息。采用Circos可视化软件[29]表达绿洲耕地变化。

1.3.3重心模型

重心模型是研究区域发展过程中要素空间变动的重要分析工具[30-33]。本文依据重心模型理论构建了迪那河流域轮台人工绿洲耕地重心模型,基本模型为

(2)

(3)

式中i——耕地编号j——年份

n——耕地总块数

(xj,yj)——第j年人工绿洲耕地重心坐标

(xij,yij)——第j年第i块耕地重心坐标

sij——第j年第i块耕地斑块的面积

2 结果与分析

2.1 遥感影像解译

通过遥感影像解译,获得1992年8月、1998年8月、2007年9月和2018年8月迪那河流域轮台人工绿洲土地利用图(图3)。从解译结果可以看出,26年来轮台人工绿洲耕地面积和分布变化较大。

1992—2018年迪那河流域轮台人工绿洲耕地面积持续增加,从1992年的8 381 hm2、1998年的9 529 hm2、2007年的23 978 hm2增长到2018年的46 284 hm2。耕地是轮台人工绿洲的主要用地类型,其面积在人工绿洲总面积中占有较大比重。20世纪90年代有减少趋势,从1992年的40.18%减少到1998年的37.04%,之后持续增长,2007年的63.41%,2018年达到71.28%。绿洲耕地面积在迪那河流域总面积中所占比例持续增加,从1992年的11.61%、1998年的1.84%、2007年的4.62%增长到2018年的8.91%。

2.2 绿洲耕地动态度变化

1992—1998年、1998—2007年和2007—2018年迪那河流域轮台人工绿洲耕地动态度和人工绿洲动态度差别较大,这是绿洲耕地面积在人工绿洲总面积中所占的比例出现波动的主要原因。1992—1998年耕地面积年均增长速度(2.28%)低于人工绿洲面积年均增长速度(3.89%),在此期间,绿洲耕地面积占人工绿洲总面积的比例降低;1998—2007年(16.85%)和2007—2018年(8.46%)绿洲耕地面积年均增长速度均高于人工绿洲面积年均增长速度(5.22%、6.53%),这两个阶段,绿洲耕地面积占人工绿洲总面积的比例持续上升。

2.3 绿洲耕地时空变化特征

为了更确切地了解绿洲解耕地变化情况,采用4期迪那河流域土地利用图在ArcGIS软件下进行空间分析,获取人工绿洲耕地与其他土地利用类型之间面积转移信息(图4)。1992—1998年间有5 247 hm2其他土地利用类型土地转为耕地,从图4可以看出,转入较多的为人工绿洲内未利用地(3 151 hm2)和人工绿洲外围土地(1 380 hm2),占转入总面积的86.35%;有4 104 hm2耕地转为其他用途,其中转为绿洲内未利用地(2 523 hm2)和果园(1 534 hm2)的面积占转出总面积的98.85%;有4 264 hm2耕地未改变土地利用用途。1998—2007年间有17 376 hm2其他土地利用类型土地转为耕地,转入较多的为绿洲外围土地(8 516 hm2)和人工绿洲内未利用地(6 823 hm2),占转入总面积的88.28%;有3 038 hm2耕地转为其他用途,其中80.12%转为果园(2 434 hm2);有6 479 hm2耕地未改变土地利用用途。2007—2018年有28 569 hm2其他土地利用类型土地转为耕地,其中79.23%来源于人工绿洲外围土地(22 635 hm2),少量来源于果园(3 003 hm2)和人工绿洲内未利用地(2 458 hm2);6 011 hm2耕地转为其他用途,其中60.79%转为果园(3 654 hm2)。

对比1992年和2018年耕地情况,可以看出,26年间有41 545 hm2其他土地利用类型土地转为耕地,远大于耕地转出面积3 441 hm2。耕地扩张的土地主要来源于人工绿洲外围土地(35 179 hm2),占转入总面积的84.68%;而转出类型主要是果园(2 671 hm2),占转出总面积的77.62%。

图4 轮台人工绿洲耕地流动情况Fig.4 Transformation of farmland in Luntai Artificial Oasis

2.4 绿洲耕地重心迁移

1992、1998、2007、2018年迪那河流域轮台人工绿洲耕地重心以及人工绿洲(主体)扩张边界见图5(人工绿洲扩张边界为绿洲主体部分扩张边界,图中忽略飞地部分)。从图5可以看出,1992—2018年人工绿洲(主体)向西南方向、正南方向和东南方向扩张明显,轮台人工绿洲耕地重心随着人工绿洲(主体)扩张向东南移动明显。相对于1992年,1998年耕地重心变化较小;随着2007年和2018年人工绿洲(主体)向东南方向扩张,耕地重心向东南方向明显移动。

图5 轮台人工绿洲耕地重心迁移图Fig.5 Transferring map of gravity center of farmland in artificial oasis

3 讨论

3.1 人工绿洲耕地扩张主要影响因素分析

迪那河流域轮台人工绿洲的产业结构与其所在的新疆地区的产业结构相似,以农业生产为主[34],且后期棉花产业占有重要地位[35]。绿洲耕地扩张可以分为3个阶段:① 1992—1998年间,绿洲耕地面积增加主要由政府推动的开垦政策驱动。②1998—2007年间,绿洲耕地增加受开垦政策和棉花产业发展状况两种因素共同影响。③2007—2018年间,绿洲耕地增加主要受棉花产业发展状况影响。绿洲耕地面积经历了“缓慢增加—急剧增加—缓慢增加”的变化过程,总体上呈增加趋势。

20世纪90年代,中央及新疆维吾尔自治区(简称新疆)政府推出一些优惠政策(低息、无息贷款,免征土地所得税、农业税等),鼓励集体和个人开垦土地;90年代后期,随着农业生产成本的增大,政府开始对粮食生产进行补贴,并且继续实行农业税减免等政策,推动了耕地的开发[36]。1992—1998年间,轮台人工绿洲耕地以年均2.28%的速度扩张。

1998年后,棉花产业在新疆逐渐占据重要地位。种植面积方面,据新疆维吾尔自治区统计局统计,新疆棉花种植面积在耕地总面积中所占的比重从1992年的20.97%、1998年的30.48%,增长到2007年的40.57%,2017年有回落,但是仍然占到耕地总面积的34.77%;产量方面,从1993年起,新疆棉花总产量居全国第一,到2017棉花总产量全国占比达到81.86%。目前新疆已经成为我国重要的商品棉生产基地和国家棉花安全战略基地。在这种大环境下,迪那河流域逐渐成为重要产棉区之一。据轮台县农业局统计,轮台县棉花种植面积占耕地总面积的比例从1992年的13.03%、1998年的45.45%、 2007年的57.09%,增长到2017年的81.31%。这一时期,棉花产业政策变化是影响轮台绿洲耕地面积扩张速度的主要因素之一。1998年12月,国务院发布《关于深化棉花流通体制改革的决定》,决定从1999年9月1日起,棉花的收购和销售价格均由市场形成。新疆棉花单产较高,同时棉田广阔,地势平坦,生产规模大,适合大面积机械作业,所以棉花生产的劳动生产率高于其他地区,在市场力量的作用下,棉花生产向新疆集中[37];2000年获国家西部大开发战略支持,新疆棉花产业进一步扩张。在开垦政策的同时影响下,这一期间轮台人工绿洲耕地面积快速增长,2007绿洲耕地面积是1998年的2.52倍,增长速度达到年均16.85%(图3)。

2007年后,市场、政策和环境因素共同影响棉花产业,进而影响新疆耕地面积。2008年全球金融危机爆发后,大宗商品在2009—2011年出现了不同程度的暴涨暴跌。为应对国际棉花价格的剧烈波动,2011—2013年我国实行棉花临时收储制度,棉花价格维持在偏高水平,造成新疆棉花种植面积大幅扩张,棉花市场过剩。2014年以来国家选择新疆作为棉花目标价格制度改革试点,解决之前市场失灵以及相关的政府失灵问题[38]。棉花价格回落,植棉成本不断提高,植棉效益下降,棉农放弃种植棉花,或去种植劳动投入及技术要求低的粮食作物,或去种植更具优势的林果作物[39],或是撂荒,导致棉花种植面积波动,进而引起耕地面积波动。此外,耕地的扩张,加剧水资源的消耗,加速了区域的荒漠化进程,限制耕地后备资源开发[37]。2016年农业部发布《全国种植业结构调整规划(2016—2020年)》(中发〔2016〕1号),要求新疆棉花面积要稳定在166.67 万hm2左右。在这种大环境下,2007—2018年轮台人工绿洲耕地面积扩张速度(8.46%)明显下降。

3.2 人工绿洲耕地流动情况

迪那河流域轮台人工绿洲耕地开垦扩张面积远大于耕地转出面积(图4)。1992—1998年、1998—2007年和2007—2018年间绿洲耕地扩张面积是耕地转出面积的1.50、5.72、4.75倍。

扩张主要通过土地整理(果园转化为耕地)、复垦(绿洲内未利用地转化为耕地)和开发(绿洲外围土地转化为绿洲耕地)的方式新增绿洲耕地面积。绿洲外围土地的开发是轮台人工绿洲耕地扩张的最主要途径,分别占到1998、2007、2018年耕地扩张面积的26.30%、49.01%、79.23%;通过土地整理由果园转化为耕地的面积在耕地扩张总面积中所占比例较小,分别占到1998、2007、2018年耕地扩张面积的8.35%、9.03%、10.51%;1992—1998年和1998—2007年间,复耕在耕地扩张中发挥重要作用,分别占到1998年和2007年耕地扩张面积的60.05%和39.26%;而2018年仅占8.60%(图6)。

图6 轮台人工绿洲耕地扩张面积及来源Fig.6 Extended area of farmland and source of extension in Luntai Artificial Oasis

3.3 人工绿洲耕地减少途径

绿洲耕地转为果园是轮台人工绿洲耕地减少的最主要途径,分别占1992—1998年、1998—2007年和2007—2018年耕地转出面积的37.38%、80.12%、60.79%。不同于棉花产业,林果产业面积的扩张主要依靠绿洲耕地的转化,而非绿洲外围土地的开发(图3)。特色林果产业也是南疆绿洲经济的重要组成部分[40]。1992—1998年间,新疆把发展林果业作为实施资源转换战略的一项重要内容进行推动,新疆林果业进入增长阶段。在此期间,轮台人工绿洲林果产业用地面积的年均增长速度(11.15%)高于耕地(2.28%),这是这一时期耕地在轮台人工绿洲总面积中所占比例下降的最主要原因。1998年林果产业扩张面积的58.99%来源于耕地,31.43%来源于绿洲内未利用地的整地和复垦,仅7.52%来源于绿洲外围土地的开发。1998年以后,林果产业发展速度低于棉花产业,林果产业用地对耕地依赖性逐渐增强,2007年和2018年林果产业用地扩张面积的48.52%和86.78%来源于耕地(图4)。

3.4 人工绿洲耕地扩张特征

迪那河流域轮台人工绿洲耕地向沙漠区扩张明显,而向戈壁区扩张很小(图1、5)。由于土壤质地的限制作用,新疆新增耕地的开发显现出“壤质土壤—沙质土壤—砾质土壤”的先后顺序特征,一些地区已经将适合耕种的壤质土壤和沙质土壤开发完,开发重点转移到砾质的戈壁及山前地区[36]。轮台人工绿洲北部山前戈壁区砾石覆盖度高,海拔升高明显(图1),春季时有暴雨发生,耕地开发和维护成本较高。虽然随着耕地向南部绿洲-沙漠过渡带扩张,开发的边际成本逐渐升高,但目前仍低于戈壁区的开发成本。同时轮台人工绿洲棉花种植面积占比较高,且棉花适应气候干燥、日照强烈的绿洲-沙漠过渡带,因此迪那河流域轮台人工绿洲耕地的扩张处于开发沙质土壤阶段。

4 结论

(1)26年来,新疆迪那河流域轮台人工绿洲耕地面积呈现“缓慢增加—急剧增加—缓慢增加”的变化过程。1992—1998年间,绿洲耕地增加主要由政府推动的开垦政策驱动,耕地面积年均增长速率为2.28%;1998—2007年间,绿洲耕地增加受开垦政策和棉花产业发展状况两种因素共同影响,耕地面积急剧增加,年均增长速率达16.85%;2007—2018年间,绿洲耕地增加主要受棉花产业发展状况影响,耕地面积年均增长速率为8.46%。

(2)迪那河流域轮台人工绿洲耕地动态变化主要表现在:耕地开垦扩张面积远大于耕地转出面积,绿洲外围土地的开发是轮台人工绿洲耕地扩张的最主要途径,耕地转为果园是轮台人工绿洲耕地减少的最主要途径。

(3)迪那河流域轮台人工绿洲北部山前戈壁区耕地开发和维护成本高于南部绿洲-沙漠过渡带,且绿洲耕地种植面积占比较高的棉花适应气候干燥、日照强烈的绿洲-沙漠过渡带的环境,因此绿洲耕地重心向沙漠区移动明显,向戈壁区扩张趋势较弱。

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