1980—2015年伊犁盆地土地利用/覆被变化及驱动力研究

任 杰, 姜纪沂*, 赵振宏, 徐 亮, 程 敏

(1.防灾科技学院地球科学学院，北京 101601；2.中国地质调查局西安地质调查中心，西安 710054；3.中国冶金地质总局浙江地质勘察中心，衢州 324000)

20世纪90年代，土地利用/覆被变化(land use/cover change，LUCC)研究计划由全球环境变化人文因素计划与国际地圈生物圈计共同发起。LUCC的主要研究内容包括土地利用/覆被变化的格局与过程研究、驱动因素研究、动态模拟与预测研究和环境效应[1]。LUCC在任何时空尺度下均能发生，是人类活动与地表环境之间进行物质、能量等相互作用的重要体现，也是地球陆地生态系统结构的客观表现[2]。

由于LUCC能够反映人类活动对于地球物质能量循环以及生态系统的空间分布格局、生态系统功能的影响，并且重现地表时空演化过程[3]。近年来，学者们对于LUCC的研究方向主要集中在LUCC所带来的生态环境效应、生态系统类型划分与驱动力分析等。周旭等[4]利用Landsat-TM共3期遥感影像研究了武汉市近20年间的土地利用结构特征、土地利用与覆被变化的时空格局与重心迁移特征，结果表明研究区各用地类型之间相互转换较多，其中以耕地动态变化最为显著，耕地的重心偏移也最明显。城乡、工矿与居民用地、水域用地类型变化不显著，重心迁移量微弱；张军峰等[5]通过对孔雀河流域长达40 a的研究发现，研究区内耕地与建设用地显著增加，其中人口增长与政策因素是主要驱动因子；马志昂等[6]研究表明,格尔木市盆地地区近十年来的耕地、林地与建设用地总体上呈现出不断增加的趋势，草地与水域则不断减少，区内土地利用的多样化程度在降低，区域内人口增长是主要驱动因素。谌利[7]基于2004、2009、2014 年遥感数据，利用(remote sensing,RS)、地理信息系统(geographic information system, GIS)平台统计土地利用二级指标，再根据《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2015)的方法和分级标准，计算九江生态环境质量评价指数。得出九江地区十年间生态环境综合指数呈现先降低后抬升的变化趋势等相关结论。

近年来，随着区域经济社会的发展，伊犁盆地地区的重要性日益增加，伴随而来的就是各种生态资源的需求量不断增长。在逐渐增加的人类活动和气候变化的双重影响下，伊犁盆地出现了天然植被退化、土壤盐渍化、土地沙化等生态环境退化现象，这些自然条件的退化严重威胁着地区生态环境与社会经济的可持续发展。为掌握伊犁盆地的多年生态环境变化特点，借助遥感解译等技术手段与相关数据对研究区1980—2015年土地利用/覆被动态变化特征及其驱动因素进行了初步研究与分析。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

伊犁盆地位于中国的西北边陲，天山山脉西末。科古琴山与那拉提山等山峰分别位于盆地的南北两侧，高程由南北两端不断向中段降低。盆地内河流纵横，形成了以伊犁河谷平原为主体的独特的地形地貌，外形轮廓近似以西部国境线为底边的等腰三角形(图1)。其地理位置介于80°09′42″～84°56′50″E,42°14′16″～44°50′30″N。东西长约350 km，南北平均宽180 km，最宽处达280 km，伊犁州总面积约5.57×104km2。研究区一年中冬夏两季较长，春秋两季较短，日照时间长，光热资源比较丰富。四季当中，春季升温迅速，夏季温和多雨，秋季降温较强，冬季较长较暖。因受周山所阻不能外溢，所以形成盆地气候湿润，降雨量较充沛但分布较不均匀。年平均气温为7.18 ℃，最低气温一般出现在1月，月平均气温-8～15 ℃。

图1 伊犁盆地地理位置概图

伊犁哈萨克自治州直属县市包括伊宁市、奎屯市、伊宁县、察布查尔县、霍城县、巩留县、新源县、昭苏县、特克斯县和尼勒克县等10县(市)，其中“八县一市”(不含奎屯市)都位于伊犁州西南端的伊犁河流域内。截至2013年年底，伊犁盆地内各个行业国民生产总值为1 078.547×108元，其中第一产业生产总值为295.794×108元，占全区生产总值的27.43%，第二产业生产总值为414.255×108元，占全区生产总值的38.41%。

1.2 数据来源

以1980、2000、2010、2015年4期Landsat-multispectral scanner(MSS)/thematic mapper(TM)/enhanced thematic mapper(ETM)遥感影像为主，影像空间分辨率为1 km，数据采用投影坐标系为Krasovsky_1940_Albers，数据源来自美国国家航空航天局(NASA)。

1.3 研究方法

1.3.1 数据处理

首先利用ENVI(the environment for visualizing images)、Arcgis软件对影像进行波段融合、几何校正、研究区裁剪等前期基础处理，在此基础上进行监督分类，生成4期(1980、2000、2010、2015年)伊犁盆地土地利用类型图。并参照中科院“中国土地利用/土地覆被遥感监测数据分类系统”，结合研究区实际土地利用特征与实地野外验证。将土地覆盖类型划分为10类土地利用类型，分别为建设用地、耕地、林地、草地、水域、半永久性冰川雪地、沙地、裸岩地、沼泽地与盐碱地。

1.3.2 转移矩阵计算

土地转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述。在传统的土地利用/覆被变化研究中，通常使用土地利用类型的增减来表现土地利用的实际状况，但其实际上并不能完全反映真实的土地利用变化情况，而转移矩阵不仅可以分析土地利用类型的面积变化情况，更可以很好地揭示不同土地利用类型之间的相互转化过程，有利于更好地研究土地利用的演化进程[8]。

在一般的土地利用转移矩阵中(表1)，行(A1，A2，…，An)表示T1时点土地利用类型，列(A1，A2，…，An)表示T2时点土地利用类型。Pij表示T1～T2期间土地类型i转换为土地类型j的面积占土地总面积的百分比；Pii表示T1～T2期间i种土地利用类型保持不变的面积百分比。Pi+表示T1时点土地类型i的总面积百分比。P+j表示T2时点j种土地利用类型的总面积百分比。Pi+-Pii表示T1～T2期间土地类型i面积减少的百分比；P+j-Pii为T1～T2期间土地类型j面积增加的百分比[9]。

表1 土地利用转移矩阵

最后利用Arcgis软件的数据处理与空间分析相关功能模块，结合Excel数据统计功能。将已有研究区1980、2000、2010、2015年遥感影像，进行叠加运算和综合制表分析，得到伊犁盆地1980—2000、2000—2010、2010—2015、1980—2015年土地利用转移矩阵。

2 结果分析

2.1 土地利用结构特征

从表2中可以看出，伊犁盆地内以草地占地面积为最大，其次分别是耕地、林地、裸岩地、半永久性冰川积雪、建设用地、水域、沙地、沼泽地、盐碱地。1980—2015年草体面积总体呈减少趋势(图2)，建设用地、水域、耕地、沙地、盐碱地面积呈稳步上升的态势，林地、裸岩地、沼泽地、半永久性冰川积雪保持相对稳定。这一现象可能与研究区内经济快速发展与城镇化建设密切相关:由于经济的发展带动城市化的兴起，造成非农业人口包括城市居民的迅速增加，由此带来的便是对于建设面积以及供给城市人口所需粮食的增加，最终导致研究区内的草地面积减少，耕地与建设用地面积不断增长。

表2 1980—2015年伊犁盆地土地利用类型总体特征

图2 1980—2015年草地变化趋势

图3、表3结果表明，35年间伊犁盆地内草地与耕地面积发生的变化最为明显，建设用地与水域面积变化次之。草地面积一直在减少，且减少的速度在逐步下降，减少总面积约为2 801 km2；耕地的面积处于持续增加中，总增量为2 030 km2；建设用地经历了增加-略微减少-增加-持续增加的四个阶段，共增加面积210 km2；水域面积的变化趋势为略微减少-增加-增加-略微减少(相对稳定)，增加量达到254 km2；半永久性冰川积雪的变化幅度较小，且趋于稳定；林地、沙地、盐碱地、沼泽地、裸岩地均有所增加，最大变化发生的时间均出现在1980—2000年。由于伊犁盆地是典型的西部干旱半干旱地区，区内自然条件分布不均一，人口多集中于区内的绿洲之内，其反映在土地利用类型上来看，为草地、林地、耕地、水域和建设用地，人类活动长期直接作用于这些利用类型的土地上，使其土地利用/覆被变化较为活跃。

图3 1980—2015年相关土地利用类型变化趋势

表3 1980—2015年伊犁盆地土地利用类型变化特征

2.2 土地利用类型转移分析

伊犁盆地1980—2000年、2000—2010年、2010—2015年和1980—2015年的土地利用转移矩阵如表4～表7所示。表中的每一行表示研究时段初期的土地利用类型向时段末期土地利用类型转化的面积。

由表4～表7可知，林地的面积呈先增加，后减少，再增加的趋势:1980—2000年，林地面积增加了0.521%，新增的林地主要来自于草地与林地的转化；2000—2010年，再次增加了0.016%，这十年间林地面积保持稳定，基本未发生的大的变化；2010—2015年，林地面积减少了0.129%，减少的林地主要转化为建设用地与耕地，但面积较为有限；1980—2015年，林地面积总体上是增加的，且增加的主体主要来自于草地与耕地，其中草地占绝大多数，占林地总转入面积的79.95%。林地的面积变化趋势与研究区内的前期经济发展与后期的“退耕还林”等相关环境保护政策有关。

表4 伊犁盆地1980—2000年土地利用转移矩阵

表5 伊犁盆地2000—2010年土地利用转移矩阵

表6 伊犁盆地2010—2015年土地利用转移矩阵

表7 伊犁盆地1980—2015年土地利用转移矩阵

由表4～表7可知，草地面积在近35年间的变化趋势均为减少:1980—2000年，草地面积减少了4.781%，从此时段的转移矩阵来看，减少的草地主要转化为耕地、林地与水域。三者转化面积占总转化面积的85.2%；在2000—2010年，草地面积减少的变化率较上一时期有所下降，为2.309%，这一时期的绝大多数的草地转化面积为耕地，其次是沼泽地、水域和林地；在2010—2015年间，草地面积的变化趋势与上一个时段区别不大，减少了1.335%，减少速率较上一时期下降了42.18%，耕地依然是主要的转化接收对象。这是由于这一时期，伊犁盆地内大量的不合理放牧与在盆地内的相关流域内推行种植果树等相关经济作物，导致草地面积持续减少。从1980—2015年的长时间尺度来看，草地面积共减少了2 801 km2，占原先草地总面积的8.22%，其转出量在2000年左右达到了最高峰，其后便不断降低。从转移矩阵来看，消失的草地主要转化为耕地、林地、水域、沙地。

耕地在1980—2000年面积增加了1 020 km2，占原先耕地面积的16.532%，其中最大部分的转化来自草地，其次是建设用地与林地。在这一时期内，耕地向其他土地利用类型转出达1 021 km2，其中大部分转化为草地，达736 km2，占总转出面积的72.1%；2000—2010年，耕地的增加量达到9.235%，新增的耕地主要由草地转化而来，占总转入比例的92.17%，耕地自身共转出102 km2，主要转化为草地和水域；耕地在2010—2015年面积变化较上一时期变化放缓，10年间增加了4.405%，从土地利用转移矩阵来看，草地是主要转出对象。耕地自身共转出了94 km2，其中建设用地接收了70.2%的转出面积。1980—2015年耕地面积共增加了2 030 km2，是研究区内35年来增量变化最大的土地利用类型。原因是研究区内的经济快速发展对于粮食等作物的需求量增加，导致不断拓展土地，其中将草地变为耕地是较为普遍的做法。

建设用地面积在1980—2015年间一直处于增长当中，其中增长速度最高的时期出现在2010—2015这十年间，为16.229%。主要转入面积来自于耕地与草地，自身转出量仅为8 km2；建设用地在1980—2000年的增长率为14.76%，从转移矩阵上分析，增加的面积主要来自于耕地与草地，比例分别是63.1%和36.4%；2000—2010年建设用地规模增加较为缓慢，仅达到4.019%，同一时期，建设用地本身几无转出。在35年间，研究区内的建设用地面积逐年增长，涨幅达到38.745%，新增建设用地主要由耕地和草地贡献，这与研究区内的经济社会发展与城镇化建设相对应。

盐碱地、沼泽地、沙地以及水域在1980—2015年间面积均出现了不同程度的增加，半永久性冰川积雪处于逐渐缩减的过程之中。在1980—2000年，由于研究区内大量开垦耕地与过度放牧，气候变暖。伊犁盆地盐碱地、沼泽地、沙地及水域面积不断增加，其增加的面积主要来自于草地、半永久性冰川积雪。沙地承接了大部分的转化面积，半永久性冰川积雪减少的面积主要转化为裸岩地。2000—2010年，由于开始实施环境治理，沙地与盐碱地面积开始减少，消失的面积主要转化为耕地与草地，沼泽地与裸岩地有少量增加，仍然来自于草地的转化。半永久性比冰川积雪在此时段内未发生明显变化，处于稳定状态。2010—2015年，水域、沙地与沼泽地的面积逐渐缩减，耕地仍然是其主要的接收对象，盐碱地与裸岩地保持相对稳定。35年间，伊犁盆地的盐碱地、沼泽地、沙地及水域面积的增长比例较大，但绝对数量较为有限，半永久性冰川积雪面积减少仍在继续，但已趋于停止。总体来看，转移矩阵显示出伊犁盆地的土地利用类型逐渐合理化；20世纪80年代至21世纪初由于过度放牧、开垦耕地等以及全球气候异常变暖对于研究区所造成的不良影响在逐步修复。沙地、盐碱地、沼泽地、裸岩地在35年间面积基本处于增长状态，但绝对增加面积并不大，35年间这几类土地利用类型面积共增加394 km2，基本由草地转化而来，故加强对于现有草地的环境保护仍然是伊犁盆地内防止土地退化的最为直接、有效的措施。

2.3 土地利用/覆被变化驱动因素分析

在所述的伊犁盆地土地利用格局的变化中，各土地利用类型均发生了不同程度的变化。根据研究区的实际情况，分两个方面对LUCC变化驱动因素进行分析。

2.3.1 自然因素

气温、降水和地形作为一个地区最为基本的自然条件，通常被认为是土地利用/覆被变化的主要驱动因素[10]。前人研究表明，土地利用/覆被变化驱动因素复杂，自然因素作为研究区土地利用/覆被变化的基础性环境条件，在一定程度上决定了研究区内的土地利用/覆被变化的上下限，由于自然因素在不同地区存在差异，容易造成土地利用/覆被变化的差异[11]。

(1)气温与降水。研究表明，土地利用/覆被变化在一定程度上受所在研究区气候变化的影响[12]。结合图4可知，自1980年以来，伊犁盆地的年平均气温呈上升态势，斜率约为0.044 9，上升幅度在近年颇有加速的趋向(R2=0.546 3)；研究区内的年降水量也在逐年增加，变化较为明显(R2=0.421 1)。由此，可以看出过去35年间，伊犁盆地的气温与降水条件变化较为显著，结合分析结果来看，其对于研究区内的草地、水域、半永久性冰川积雪与沼泽地影响较大，对于具体的影响程度有待进一步的分析研究。

图4 伊犁盆地多年平均气温与降水量变化

(2)地形条件。不同地形条件下的土地利用/覆被变化情况也随之不同。结合地形图(图5)与2015年LUCC(图6)来看，可以发现草地和耕地是伊犁盆地的主要土地利用/覆被变化类型，耕地只要分布在研究区内的大型河流两岸及相关流域内，集中于坡度较缓的盆地中部。这是由于河流两岸的缓坡地区有利于大规模的农业耕种作业，且有助于城市建设。草地则分布于坡度较大的北部、东部与西南部。盆地的西北部、东北部与南部高海拔地区分布着半永久性冰川雪地，西北部低海拔地区分布着较大面积的沙地，这将是未来伊犁盆地生态环境建设的重点区域。

图5 伊犁盆地地形

图6 伊犁盆地2015年土地利用分类

2.3.2 社会经济因素

大量的研究显示，社会经济因素是影响土地利用/覆被变化的主导性因素，其中以人口、经济、科技与政策等社会因素对于土地利用/覆被变化的影响尤为显著[13]。主要从人口与城市化进程及研究区内的退耕还林等环保政策方面的经济社会因素来分析其对土地利用/覆被变化的影响。

(1)人口快速增长与城市化进程加速。根据《伊犁哈萨克自治州统计年鉴》显示，1980年伊犁哈萨克自治州总人口约为310.47×104人，其中农业人口为226.80×104，占总人口数的73.1%，城镇人口83.68×104；截至2014年年底，研究区内总人口数为471.57×104，农业人口257.95×104，比重约为54.7%。在过去35年间，研究区内的人口增长率为51.89%，同时城镇人口的增长幅度大于农业人口，增长率为155.28%，城镇化率为45.3%。因此由于城镇人口的大幅度增长，其对于居住用等方面的要求升高，对于土地的需求增大，所以造成城市建设用地的增加。同时，随着城市的扩张以及周边地区基础设施建设的需要，占用了大量的林地、耕地资源。综上所述，人口增长与城市化发展导致研究区的建设用地的增加，同时也影响了林地与耕地资源。

(2)退耕还林工程等环保政策。伊犁哈萨克自治州自20世纪末开始实施退耕退牧还林还草工程。截至2015年年底，共完成造林53.12×104hm2，还林共35.39×104hm2，森林覆盖率由原先的1.92%提升到4.87%。其他诸如防风固沙工程、水土保持工程、水源涵养等环保项目均取得了明显效果。得益于上述环保措施，研究区内的林地、水域、草地面积得以增加，有效改善了区域生态环境。

3 结论

(1)伊犁盆地内占主体的土地利用类型为草地，其面积由1980—2015年呈减少趋势，草地面积在1980、2000、2005、2010、2015年分别占研究区总面积的61.70%、58.75%、58.40%和46.63%。1980—2015年，研究区面积变化幅度前4名分别是草地(-5.072%)、耕地(+3.676%)、水域(+0.46%)、建设用地(+0.38%)，变化幅度最小的土地利用类型是林地，35年间增加了0.045%，共计25 km2。

(2)1980—2015年，半永久性冰川积雪出现了小幅度的减少，减少率为0.203%，减少总面积为112 km2；同时盐碱地、沼泽地、沙地出现了不同程度的增加。但其变化趋势正在趋于稳定，说明研究区内的生态环境正在得到稳定与恢复，但仍不能忽视，需要继续加强治理。

(3)从自然因素与社会经济因素两个方面对于伊犁盆地的土地利用/覆被变化的驱动因素进行了分析，表明了土地利用/覆被变化是在社会经济发展环境与自然条件的双重影响下产生的结果，其中人类活动下的社会经济因素是其主要驱动因素。