1972—2018年策勒绿洲耕地时空演变及驱动力分析

张 红,马 丽

(新疆大学 资源与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830046)

耕地是土地资源利用方式中最重要的一种,担负着为人类提供食物的重任,同时从人类生存与可持续发展的角度来看,耕地是国家生态安全的重要保障[1]。耕地面积变化必然导致粮食产量的波动,进而影响粮食的有效供给[2],而我国是一个人多地少的发展中国家,耕地总面积仅占世界耕地面积的7%,但承载的人口却占世界总人口的22%,人均耕地面积远远低于世界平均水平[3]且耕地质量总体不高[4]。合理配置土地资源、保护并提高耕地质量、实现耕地可持续发展、缓和人地之间矛盾等焦点问题已成为政府部门及相关研究学者重点关注的对象。分析耕地动态变化规律及其驱动力,对合理利用耕地资源,为区域耕地的动态平衡发展,实现区域耕地的持续利用,以及协调好耕地保护与经济发展之间的关系有着重要的意义[5]。对此大量学者在不同区域范围时间尺度[6-9]内,基于遥感影像、社会统计资料、土地利用数据库等数据,对耕地变化进行研究,并根据研究区实际情况选取适当的指标,运用数学模型对其驱动力进行定量分析。

策勒绿洲处在西北干旱区的大环境中更兼塔克拉玛干大沙漠的影响,生态环境尤为脆弱。县城曾因风沙侵扰三次迁移,随着社会经济发展、城市化进程加快、人口持续增长,对土地的需求也变得极为迫切,特别是干旱区绿洲中的土地。如何保护绿洲耕地,守护这片阻抗风沙的绿色屏障,是值得关注的问题。

本研究基于遥感影像及统计数据对1972—2018年间策勒绿洲的耕地变化特征及驱动力进行分析,以期为干旱区绿洲农田保护、土地利用规划的制定提供参考资料。

1 研究区概况

策勒绿洲地处昆仑山北麓与塔克拉玛干沙漠南缘之间,经纬度范围80°03′24″~82°10′34″E、35°17′55″~39°30′00″N,地势整体上呈现南高北低态势。研究区属于暖温带荒漠气候,多年平均气温11.9 ℃,平均年降水量小于50 mm,年平均蒸发量可达2 600 mm,土壤类型以风沙土及棕漠土为主,植被类型以胡杨、怪柳、沙拐枣、芦苇为主,植被覆盖度15%~30%[10],是典型的绿洲一荒漠交错地区。策勒河滋养整片绿洲,并满足这片绿洲上居民的生产生活用水。该绿洲中以农业为主导产业,2018年底绿洲中总人口已达16.92万人。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

本研究以美国侦查卫星Corona及地球资源卫星Landsat系列数据并《新疆统计年鉴》《新疆年鉴》数据为依据,对策勒绿洲1972—2018年耕地时空变化、耕地压力及驱动力信息进行提取分析。1972年Corona影像(分辨率2.8 m)下载于美国地质调查局网站(http://earthexplorer.usgs.gov),Corona是冷战时期美国军事侦察的人造卫星,携带高分全景相机用于获取高分全色影像资料,其在1960—1972年期间拍摄了覆盖全球的卫星影像,称之为Corona影像[11]。

2018年(OLI)、2013年(OLI)、2003年(ETM)、1993年(TM)4期Landsat影像来源于地理空间数据云(http://www.Gscloud.cn/),考虑到云量、植被长势对影像的影响,因此选择7月—9月遥感影像。

由于Corona采用的是传统航空摄影相机拍摄的全景航片,数字化扫描后的影像存在全景畸变和扫描畸变[12],需对Corona影像进行几何精校正(误差控制在4~8 m满足研究需要)、影像镶嵌及影像裁剪等处理,使之与研究所用的Landsat影像完全匹配;对Landsat系列数据进行辐射定标、大气校正、几何校正、影像裁剪等预处理。2003年、1993年遥感影像空间分辨率为30 m,2018年、2013年OLI影像经图像融合后分辨率可达15 m。在ArcGis中运用目视解译参考高分辨率Google Earth历史影像完成对策勒绿洲耕地的提取。

2.2 研究方法

2.2.1 耕地面积变化率

耕地利用变化总趋势的研究,可以通过对耕地面积总量变化的分析研究来实现,数学表达式为:

式中:U——研究区耕地面积变化率;K1——研究区前一期的耕地面积,hm2;K2——研究区后一期的耕地面积,hm2。

2.2.2 耕地动态度

耕地动态度可以用来衡量研究区耕地面积变化的速度和强度,数学表达式为:

式中:K——耕地面积的动态度;Ub——期末耕地的面积;Ua——期初耕地的面积,hm2;T——研究时段长度,本研究以年为单位。当K=0时,表示耕地发展稳定,耕地面积未发生变化;K>0,表明耕地面积不断扩大,且值越大,耕地扩展越明显;K<0,表示耕地呈退化萎缩趋势,且值越小,耕地面积萎缩越厉害。K的绝对值越大,表示耕地面积变化越剧烈,扩展或萎缩的程度越明显。

2.2.3 耕地压力指数

耕地压力指数是人均所需最小耕地面积与实际人均耕地面积之比,可以反映一个地区耕地资源的紧张程度[13]。其计算公式为:

式中:Sa——实际人均耕地面积,是实际耕地总面积与实际总人口之比,hm2/人;K——耕地压力指数。当K<1时,表明人均耕地实际值大于最小人均耕地面积值;当K=1时,需采取措施保护耕地,保障人们的粮食安全;当K>1时,粮食生产不能保证区域内的正常需求,会导致粮食危机。某一特定点的K值与1的偏离程度代表最小人均耕地面积值和实际值的离合度,偏离越大,安全或压力的程度越强[14]。

3 结果分析

3.1 策勒绿洲耕地面积时间变化

通过搜集《新疆统计年鉴》中策勒绿洲的耕地面积,得到研究区耕地面积,并利用耕地面积变化率计算公式(1)得到表1。对表1分析可知,1972—2018年,策勒绿洲耕地面积总的来说呈上升状态。由1972年的9 878 hm2上升至2018年的24 092 hm2,耕地面积净增加14 214 hm2。研究期间耕地的相对变化率为1.438%。1972—1993年期间耕地面积呈增加趋势,年变量为426.28 hm2,年变化率为0.906%。1993—2003年策勒绿洲耕地面积减少2 771 hm2,年变化率为-0.147%。2003—2018年研究区耕地面积显示增加趋势,年变量为535.53 hm2。

表1 1972—2018年策勒绿洲耕地面积及相对变化率

以研究区人口与耕地统计数据为依据计算策勒绿洲人均耕地面积,并利用耕地动态度公式(2)得到表2。由表2可知,研究期间策勒绿洲人均耕地面积整体来看呈波动下降状态,由1972年的0.372 hm2下降至2018年的0.142 hm2,共减少0.23 hm2,耕地动态度为0.031%。整个期间可分为两个阶段:1972—2013年人均耕地面积不断下降,其中1972—1993下降速度较快,人均耕地减少0.22 hm2;2013—2018年人均耕地面积呈增加态势,增幅不大。耕地动态度除1993—2003年呈现负值外,其他时段皆为正值,2013—2018年耕地动态度最大,已达0.067%。

3.2 策勒绿洲耕地面积空间变化

耕地面积动态度可用来解释策勒绿洲耕地面积的规模及变化速率幅度,但不能显示耕地的空间变化。在此,对绿洲耕地空间格局进行分析。

由对图1的分析可知,在整个研究时段内,研究区耕地既有扩张也有萎缩,但耕地扩张与萎缩的速率、幅度及方向都不相同。在不同时段耕地的分布格局同样存在差异,1972—2018年间策勒绿洲耕地在原有耕地为主体的基础上不断向四周扩张。近50年的时间里研究区耕地扩展方向明显,整个策勒绿洲中间地带耕地从无到有。整个研究区耕地空间分布上更加紧凑。

表2 1972—2018年策勒绿洲人均耕地面积及动态变化度

图1 策勒绿洲耕地分布

3.3 策勒绿洲耕地压力指数变化

采用联合国粮农组织确定的400 kg/人的人均粮食需求量标准,粮食自给率按照100%来计算,运用公式(3)求得策勒绿洲1988—2018年耕地压力指数及最小人均耕地面积。由图2(a)分析可知,最小人均耕地面积较高的年份耕地压力指数也相对高些,特别是1993年、1994年、2001年迎来压力指数高峰;由图2(b)可知,整体上研究区耕地压力呈波动下降趋势,由1988年的0.85到2018年的0.65。相关分析结果显示,研究期间策勒绿洲耕地压力指数与粮食总产量的相关程度(r=-0.931)高于与年末人口数的相关程度(r=-0.867),二者皆比农作物的相关程度高(r=-0.805)。由此可知,1988—2018年研究区耕地压力的变化与粮食总产量及年末人口数的变化有关。

图2 策勒绿洲最小人均耕地面积及耕地压力指数变化

3.4 耕地变化的驱动力

本研究根据策勒绿洲的现实情况、借鉴相关学者的研究成果并考虑数据的可获得性,选用研究区1988—2018年的总人口X1、乡村人口X2、年末机械总动力X3、化肥使用量X4、年末牲畜头数X5、农林牧渔总产值X6、农业总产值X7、林业总产值X8、牧业总产值X9、渔业总产值X10、农作物耕地面积X11、粮食作物耕地面积X12、粮食总产量X13、粮食单产X14共14个指标,定量分析研究时段内各指标与耕地变化的内在关系。在对各指标与耕地变化的联系进行量化研究前,需对数据进行标准化处理以消除量纲影响,通过KMO检验后,运用主成分分析法对以上指标进行运算分析。

进行主成分分析时,主成分的累计贡献率决定成分个数的选取,累计贡献率一般需达到85%以上,以确保综合变量概括原始变量的大部分信息。由表3可知,第一主成分与第二主成分的累计贡献率已达86.641%(特征值>1),满足分析要求。

由表4可知第一主成分与X1、X6、X7、X9、X10、X13呈正相关且相关度高,X12与第二主成分的相关性较高。因此可将策勒绿洲耕地变化的驱动因子归纳为经济因子与人口及产业结构因子。

1998—2017年策勒绿洲农林牧渔业总产值由4 667万元增长到118 342万元,增加超过25倍;人民生活水平逐渐提高,生活条件也在改善,对农业副产品的需求增多,一定程度上影响耕地面积变化。民以食为天,人口的增加导致对粮食需求的增长,进而要求更多的耕地来满足生存需要。策勒绿洲人口由1988年的11.21万人到2018年的16.92万人,随着化肥使用量及农业机械力等农业科学技术不断且大量的投入,粮食单产逐渐提升,在一定程度上可以缓解耕地压力。

表3 特征值与主成分贡献率

表4 主成分荷载矩阵

4 结论

通过对以上结果分析可知,耕地在空间上不断扩张,1972—2018年策勒绿洲耕地在空间上变得更加紧凑;策勒绿洲耕地面积呈波动增长状态,净增长14 214 hm2,人均耕地面积整体呈波动下降状态,耕地压力在缓慢地下降。

由相关分析可知,其压力与人口数量、粮食总产量有关,而粮食总产量受农业科学技术进步的影响。对经过标准化后的数据进行主成分分析,结果表明策勒绿洲耕地变化主要受经济因素、人口及产业结构因子的影响。