米尔扎提江·木艾塔尔江,石中来,阿依吐尔逊·沙木西
(新疆农业大学公共管理学院,乌鲁木齐市,830052)
土地利用/覆被变化(land use/land cover)是指自然环境与人类社会对全球气候和生态系统产生主导性作用的影响,是全球环境变化研究的核心内容之一[1-2]。同时又是人地关系最直接的表现和实现区域可持续发展的关键,因此LUCC长期以来一直是当今社会关注全球变化的热点研究领域[3]。随着土地利用变化研究的发展,我国近几年区域土地利用/覆被变化的研究也逐渐引人注目,相关理论和研究方法取得了相对丰富的成果[4],对不同时段的土地利用/覆被变化的计算分析,在RS技术支持下定量分析土地利用/覆被变化的动因和机理,探索合理适度利用土地资源为其提供理论基础和保证[5],为实现社会经济可持续发展和土地资源合理优化配置提供决策依据等方面具有重大研究意义。国内研究学者在土地利用变化的研究主要以选择生态脆弱区域与经济发达区等热点区域进行研究[6-7]。土地利用/覆被变化通常通过土地利用动态度、土地利用转移矩阵和土地利用程度综合指数等分析方法表示土地利用数量变化与程度变化、土地利用变化类型的来源及去向以及土地利用的空间变化[8]。孔祥伦等[9]分析了三角洲干旱区近30年土地利用/覆被结构、时空变化特征与生态景观格局,得出自然因素与人类活动行为共同影响着土地利用/覆被变化过程,其中社会人文因素起到主导作用;郝晓敬等[10]以土地利用/覆被变化剧烈的普北地区为研究区,结合采用2010、2015年LUCC数据和CLUE-S模型判断拟合精度,模拟该地区2020年土地利用/覆被格局演变;朱亚楠等[11]对新疆首府生态环境脆弱的乌鲁木齐进行研究分析出1990—2017年研究期内乌市土地利用/覆被变化的规律和城市土地生态安全变化的趋向;阿迪莱·如则等[12]研究开孔河流域土地利用功能演变、转型特征和生态效益,定量分析开孔河流域土地利用转型、时空格局特征以及生态环境效应。我国有着辽阔的土地面积特别是矿产资源丰富的干旱区面积,通过开展干旱区的土地利用变化研究,分析土地利用变化对生态系统具有重要的理论和实践意义。
叶城县位于新疆西南部,地处我国西北干旱区,山地占县域总面积的76.39%,是典型生态环境脆弱的干旱山区。本文采用研究区2005、2010、2015和2020年的土地利用/覆被数据,分析土地面积、土地类型和功能转变及其动态度变化程度,为我国西部边境县域优化区域土地利用结构、土地资源开发利用管理和可持续发展研究提供参考。
叶城县(76°08′~78°31′E,35°28′~38°34′N)为叶尔羌的简称,位于新疆维吾尔自治区的西南边境,塔里木盆地的西南边,喀喇昆仑山的北麓,叶尔羌河畔的上游,属典型的少数民族边疆贫困地区的边境县,边境线长约82 km。南北长326 km,东西宽120 km,类似呈现出弯月牙形状。其下辖4个镇、17个乡、5个片区管委会、1个农村社区,土地总面积31 000 km2。叶城县处在315国道及219国道的交汇处,是新疆、西藏(喀什、和田、阿里地区)“两区三地”的物资流通的重要集散地和交通枢纽。叶城县区位优势突出,历史文化厚重,物产资源丰富。截至2020年末,县域总人口为55.04万人,全县现有13个民族,其中维吾尔族占93%、汉族占6%、其他少数民族占1%,叶城县的北部平原年平均气温为11.3 ℃,全年平均降水量为54 mm,气候属于温带大陆性干旱气候,昼夜温差较大,是以农业为主、农牧结合的农业县。
文中使用的数据主要是来源于美国USGS网站的Landsat TM7和Landsat8 OLI影像一级产品,选取2005年、2010年、2015年、2020年共4个时期的影像,其中选取覆盖的研究区轨道号分别为147-35、148-33、148-34、148-35的4景,整体云量低于10%的影像图、4个时期共16景影像,影像的成像时间均为夏季,数据获取地址为:https://earthexplorer.usgs.gov/。
2.2.1 土地利用动态度
LUCC的变化幅度是指反映不同地类在总量上的变化程度,通过分析各地类面积的变化情况,土地利用动态度可以刻画土地利用类型的数量和结构的变化。公式如式(1)所示。
(1)
式中:K——动态度,指研究期内某一种土地利用类型的变化率;
Ua、Ub——研究区初期、末期的某一种土地类型的面积;
T——研究检测时段。
2.2.2 土地利用类型转移矩阵
转换方向主要以转移矩阵来描述,能够十分详细地反映出研究初期各土地类型的转化数量和方向以及研究末期的转入数量和转入来源[13],它不仅包含特定研究区域在特定时间内的各土地类型面积信息,还包括各土地类型在初期和后期的转出以及转入的面积信息。反映刻画出各类用地在某一定时段内研究初期的各类土地的转移流向与流量,研究末期的各类土地的来源与构成等要素的动态过程信息[14]。公式如式(2)所示。
(2)
式中:S——土地利用/覆盖的面积;
n——土地利用/覆盖的种类数。
2.2.3 土地利用程度模型
土地利用程度,不仅反映了土地自然属性,也反映了人类因素与自然因素的综合效应。将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的状态分为若干级,并赋予指数[15],可以得出土地利用程度的综合指数及变化率的表达式,如表1所示。
表1 土地利用类型及分级图Tab. 1 Land use types and classification maps
土地利用程度综合指数
(3)
式中:Lj——研究区的土地利用程度综合指数;
n——土地利用程度分级数;
Ai——研究区第i级的土地利用程度分数;
Ci——研究区内第i级土地利用程度分级面积百分比。
土地利用程度变化量和变化率可定量地反映研究区域土地利用的综合水平及变化趋势,若ΔLb-a>0或R>0,则表明该研究区域内土地利用正处于发展时期,否则相反在处于衰退期或调整期[16-17]。
(4)
(5)
式中: ΔLb-a——土地利用程度变化量;
R——土地利用程度变化率;
La、Lb——a时间和b时间的区域土地利用程度综合指数;
Ai——第i级的土地利用程度分级指数;
Cia、Cib——该区域a时间和b时间第i级土地利用程度分级面积百分比。
对遥感影像数据的分析处理得到叶城县2020年土地利用现状及各土地利用类型的面积,其中耕地面积为1 116.73 km2;林地面积为197.40 km2;草地面积为11 596.66 km2;建设用地面积为67.87 km2;水域面积为185.82 km2;沙地面积为5 157.94 km2;冰川及永久积雪面积为1 904.81 km2;其他未利用地面积为8 487.09 km2。
由表2可知,叶城县各土地利用类型所占总面积的比例情况如下:2005—2020年间草地、其他未利用地、沙地、冰川及永久积雪所占总面积的比例均为前四,占总面积比例从大到小依次为:草地>其他未利用地>沙地>冰川及永久积雪。在研究区中建设用地所占比例最小,其约占总面积的0.1%~0.3%,在整体变化中不是很明显。研究区内的主要地类为草地、沙地和其他未利用地,从2005年至2020年期间分别占土地总面积的38.92%~40.75%、17.96%~19.08%、29.56%~29.71%;其他地类为:林地占总面积的0.69%~0.90%;耕地占总面积的3.26%~3.89%;水域占总面积的0.23%~0.65%;冰川及永久积雪占总面积的6.63%~7.69%。研究期内叶城县的不同土地利用类型面积整体呈现出“四增四减”的趋势,其中耕地、草地、水域和建设用地面积有部分增长,但是林地、沙地、冰川及永久积雪和其他未利用地面积都有不同程度的减少。
2005—2010年期间叶城县各土地利用类型中有耕地、草地及水域面积呈现增加,县域内林地、沙地、建设用地、冰川及永久积雪和其他未利用地等面积均有所减少。水域在此研究期间与其他时期相比变化速度较快,其动态度为36.96%;其他未利用地面积减少了42.46 km2,其动态度为-0.10,是变化最少的地类。
2010—2015年期间叶城县耕地、建设用地、水域及其他未利用地等土地利用类型面积增加,但是草地、林地、沙地及冰川及永久积雪等土地利用类型面积呈现减少的趋势。其中2010年耕地面积为980.15 km2,2015年为1 050.75 km2,增加了70.59 km2,其面积增加量为研究期内最大;林地和冰川及永久积雪减少面积较小,在整体减少中不显著。
2015—2020年间,耕地、建设用地、冰川及永久积雪面积有所增加,草地林地,沙地、水域和其他未利用地面积均减少。耕地面积由1 050.75 km2增加至1 116.73 km2,其面积增加量为这一时期最大,共增加65.982 km2;水域面积的减少量是在此研究期内最少的,减少了0.75 km2。
表2 叶城县2005—2020年土地利用变化及动态度分析Tab. 2 Analysis of land use change and dynamic degree in Yecheng county from 2005 to 2020
以探讨土地利用类型间的内部转换为目的,依据叶城县四期的土地利用分类图,通过利用Arcgis软件的空间分析功能,相交叠加分析不同时期的土地利用图,以此获取研究区四个不同时期不同地类间的转移变化图(图1)。
由表3和表4可知,从提取的叶城县土地利用转移矩阵分析及贡献率分析结果分析整个研究时期,各种土地利用类型的相互转换,导致各地类面积不同程度的变化,2005—2020年期间研究区草地、耕地、建设用地和水域的净转入面积均大于净转出面积;而林地、沙地、冰川永久积雪和其他未利用地的净转出面积大于净转入面积的现象。其中增加的草地面积主要由其他未利用地、沙地,林地和冰川永久积雪转入,其转入量分别为2 114.61 km2、157.28 km2、115.46 km2和154.95 km2,分别占净转入面积的82.01%、6.10%、4.48%和6.01%。草地、林地、沙地和建设用地的转入是耕地面积增长的主要原因,其分别向耕地转移了124.78 km2、63.09 km2、90.93 km2和40.74 km2,分别占其他地类向耕地转移总面积的36.95%、18.68%、26.93%和12.06%。增长的建设用地面积主要是由耕地和沙地两大类转入,分别转入36.58 km2、13.31 km2,其占净转入面积的67.01%、24.38%。草地及其他未利用地面积的转入是水域面积增长的首要来源,其分别向水域转入了117.80 km2和27.12 km2,占净转入面积的66.22%和15.25%。林地面积主要向草地和耕地转移,共转移115.46 km2和63.09 km2,分别占净转出面积的54.30%,29.67%;研究区沙地面积则是主要向草地、耕地和其他未利用地等转移,分别转移了157.28 km2、90.93 km2和764.32 km2,占净转出面积的15.13%、8.749%和73.543%。冰川永久积雪主要向草地和其他未利用地转移,占净转出面积的77.98%和17.17%。其他未利用地面积主要向草地、冰川永久积雪和沙地转移,分别转移了598.73 km2、2 114.61 km2和82.92 km2;分别占净转出面积的21.19%、74.85%和2.94%。
(a) 2005—2010年
(b) 2010—2015年
(c) 2015—2020年
(d) 2005—2020年
图1 叶城县2005年、2010年、2015年、2020年间土地转移矩阵图Fig. 1 Land transfer matrix diagram of Yecheng County in 2005, 2010, 2015 and 2020
表3 叶城县2005—2020年各土地利用类型转移矩阵表Tab. 3 Table of transfer matrix of land use types in Yecheng County from 2005 to 2020 km2
表4 叶城县2005—2020年土地利用类型转移贡献率Tab. 4 Contribution rate of land use type transfer in Yecheng County from 2005 to 2020 %
通过将研究区沙地、冰川及永久积雪和其他未利用地等土地利用类型划分为未利用土地级,草地、林地和水域等类型划分为林草水用地级,耕地划分为农业用地级,建设用地划分为城镇聚落用地级,共四个等级。由表5可知,叶城县2005—2020年期间整体土地利用程度变化量大于0,表明县域土地利用状态还处于发展期,到2005—2010年期间土地利用程度变化量小于0,表示在这段研究时期,叶城县的土地利用正处于衰退期或调整期。而导致这一现象的关键因素可能由于土地利用的退化以及未利用土地级面积的增加。但是从整体分析,叶城县土地利用程度呈现出向好的趋势,说明人类活动对土地资源的利用起到了积极的影响和作用。
表5 叶城县土地利用程度变化Tab. 5 Change of land use degree in Yecheng county
3.4.1 土地功能类型数量变化分析
根据相关文献,将土地利用按“三生功能”分类,即土地利用类型根据所能满足人类生产生活需求的方面不同,可分为生产功能、生活功能和生态功能三个类型,再按照具体土地利用类型的功能进一步分为生产生态用地、生态生产用地、生活生产用地、生态生活用地和生态容纳用地等。其中耕地是我国粮食生产的主要载体,主要功能为生产功能,与此同时还具有一定的生态功能,此外附着于耕地表面的大型农作物在一定程度上可以调节周围的生态环境,综上所述,耕地的分类可以是生产生态用地;林地及草地的主要功能包括保护生态和具有发展畜牧业生产的功能,因此,林地及草地的分类为生态生产用地;建设用地的主要功能是提供生活功能,其次是生产功能,所以建设用地则被划分为生活生产用地;水域通常都是生态生产用地;由于沙地、冰川永久积雪和其他未利用地等三类土地类型情况较为特殊,暂不考虑它们的生产、生活功能,通过相关文献检索,将这三种土地利用类型归纳为生态用地中的生态容纳用地,如表6所示。
表6 三生功能分类表Tab. 6 Functional classificationTable
由表7可知,从四个研究时期分析叶城县各土地功能利用类型的面积从高到低依次为:生态容纳用地、生态生产用地、生产生态用地、生活生产用地。生态容纳用地占研究区总面积的比例最大,超过50%,而生活生产用地的占例最小,为0.19%~0.24%。2005—2010年间,生产生态用地和生态生产用地面积呈现增加的趋势,生活生产用地和生态容纳用地面积有所减少。生产生态用地面积由934.22 km2增长至978.82 km2,面积增长了44.60 km2,其占总面积的比例由3.26%上升到3.42%。生态生产用地面积增加592.41 km2,占总面积的比例由40.03%上升到42.10%。生活生产用地面积减少5.09 km2,所占总面积的比例由0.21%下降到了0.19%。生态容纳用地面积由16 192.01 km2减少至15 561.91 km2,面积减少了630.10 km2,所占总面积的比例下降了2.20%。为了能清楚地比较和看出土地利用功能类型变化量的关系,进行图片量化处理见图2。
2010—2015年叶城县生产生态用地和生活生产用地的面积体现增加趋势,生态生产用地和生态容纳用地的面积有不同程度的减少。生产生态用地面积由978.82 km2增长到了1 049.33 km2,增长了70.51 km2,所占总面积的比例由3.42%上升到了3.66%。生活生产用地面积增加了5.23 km2,所占总面积的比例上升了0.02%。生态生产用地面积由12 065.70 km2下降到了12 011.34 km2,减少了54.36 km2,其所占总面积的比例由42.10%下降到了41.91%。生态容纳用地的面积减少了22.25 km2,由15 561.91 km2减少至15 539.66 km2,其所占比例下降了0.08%。
2015—2020年叶城县土地功能利用类型的变化同上个时期基本保持一致,生产生态用地和生活生产用地面积都有增加,而生态生产用地和生态容纳用地的面积部分减少。生产生态用地面积由1 049.33 km2增加至1 115.24 km2,增加65.91 km2,所占比例上升0.23%。生活生产用地面积增长7.22 km2,所占比例由0.21%上升至0.24%。生态生产用地面积由12 011.34 km2减少至11 954.20 km2,面积减少了57.14 km2,所占比例下降了0.2%。生态容纳用地面下降了15.47 km2,所占总面积比例由54.22%下降至54.16%。
表7 叶城县2005—2020年各土地功能类型数量变化Tab. 7 Change of the number of land function types in Yecheng County from 2005 to 2020
2005—2020年叶城县土地利用功能类型的变化呈现出“三增一减”的态势,表现为:生产生态用地、生态生产用地和生活生产用地等面积均有增加的趋势,但生态容纳面积为减少状态。生产生态面积由934.22 km2增加至1 115.24 km2,面积增加了181.02 km2,其所占总面积的比例上升了0.63%。生态生产用地的面积总共增加了480.92 km2,所占总面积的比例由初期的40.03%上升至41.71%。生活生产用地面积增加了7.36 km2,其所占总面积的比例上升了0.03%。生态容纳用地面积由16 192.01 km2减少至15 524.19 km2,共减少667.82 km2,其所占总面积的比例由56.50%下降至54.16%。
(a) 2005年叶城县土地利用功能类型图
(b) 2010年叶城县土地利用功能类型图
(c) 2015年叶城县土地利用功能类型图
(d) 2020年叶城县土地利用功能类型图 图2 叶城县2005年、2010年、2015年、2020年间土地利用功能类型图Fig. 2 Land use function type map of Yecheng County in 2005, 2010, 2015 and 2020
3.4.2 土地利用功能类型转移分析
根据叶城县2005—2010年,2010—2015年,2015—2020年和2005—2020年4个研究期各土地利用功能类型转移矩阵分析表,可以相应的得出土地功能分类下的各土地利用类型间的转移数据。
由表8可知,2005—2010年间叶城县生产生态用地转入转出主要对象为生态生产用地和生态容纳用地,生态生产用地占其净转入总面积的57.63%,占其净转出总面积的63.29%,生态容纳用地占其净转入总面积的25.24%,占其净转出总面积的19.07%;生活生产用地转入主要以生态容纳用地和生产生态用地为来源,而转出对象大部分为生态生产用地和生产生态用地,其生产生态用地面积占净转入总面积的77.77%,占其净转出总面积的83.40%,生态容纳用地占其净转入总面积的13.08%,生态生产用地占其净转出总面积的13.67%;生态容纳用地转入转出的主要对象为生态生产用地,生态生产用地占净转入总面积的95.13%,占净转出总面积的97.45%;生态生产用地的主要转入转出对象为生态容纳用地,生态容纳用地占其净转入总面积的95.13%,占其净转出总面积的93.10%。
表8 叶城县2005—2010年各土地功能类型转移矩阵表Tab. 8 Transfer matrixTable of land function types in Yecheng County from 2005 to 2010 km2
由表9可知,2010—2015年间叶城县的生产生态用地转入来源主要为生态容纳用地和生态生产用地,转出对象为生态生产用地和生活生产用地,生态生产用地占其净转入总面积的72.19%,占净转出总面的27.46%,生态容纳用地占其净转入总面积的27.00%,生活生产用地占净转出总面积的59.60%;生活生产用地的转入对象主要为生产生态用地、生态生产用地和生态容纳用地,分别占其净转入总面积的55.86%、22.01%和22.13%,主要转出对象为生产生态用地,占净转出总面积的93.56%;生态容纳用地主要的转入转出对象均为生态生产用地和生产生态用地,其中生产生态用地占其净转入总面积的8.65%,占其净转出总面积的68.70%,生态生产用地占其净转入总面积的91.09%,占其净转出总面积的26.97%;生态生产用地面积的主要转入转出对象为生产生态用地和生态容纳用地,生产生态用地占其净转入总面积的15.79%,占净转出总面积的86.15%,生态容纳用地占其净转入总面积的84.00%,占净转出总面积的11.80%。
表9 叶城县2010—2015年各土地功能类型转移矩阵表Tab. 9 Transfer matrixTable of land function types in Yecheng County from 2010 to 2015 km2
由表10可知,2015—2020年间叶城县生产生态用地面积主要的转入转出对象均为生态容纳用地和生态生产用地,生态生产用地占其净转入总面积的79.99%,占其净转出总面积的59.39%,生态容纳用地占其净转入总面积的18.05%,占其净转出总面积的27.73%;生活生产用地面积主要的转入对象均为生态容纳用地和生产生态用地,而主要的转出对象为生态生产用地和生产生态用地,生产生态用地占其净转入总面积的28.65%,占净转出总面的45.13%,生态容纳用地占其净转入总面积的67.48%,生态生产用地占其净转出总面积的32.62%;生态容纳用地面积主要的转入转出对象为生态生产用地和生产生态用地,生产生态用地面积占净转入总面积的37.62%,占净转出总面积的48.14%,生态生产用地占其净转入总面积的57.58%,占其净转出总面积的29.72%;生态生产用地面积主要的转入转出对象均为生态容纳用地和生产生态用地,生产生态用地占其净转入总面积的56.39%,占其净转出总面积的86.88%,生态容纳用地占其净转入总面积的38.69%,占其净转出总面积的12.61%。
表10 叶城县2015—2020年各土地功能类型转移矩阵表Tab. 10 Transfer matrixTable of land function types in Yecheng County from 2015 to 2020 km2
由表11可知,2005—2020年研究期间,生产生态用地面积主要的转入对象为生态容纳用地和生态生产用地,主要转出对象则为生活生产用地、生态生产用地和生态容纳用地,生态生产用地占其净转入总面积的60.61%,占其净转出总面积的56.39%,生态容纳用地占其净转入总面积的27.32%,占其净转出总面积的20.22%,生活生产用地占其净转出总面积的23.38%;生活生产用地面积主要的转入对象为生态容纳用地和生产生态用地,而主要转出对象为生态生产用地和生产生态用地,生产生态用地占其净转入总面积67.02%,占其净转出总面积的86.28%,生态容纳用地占其净转入总面积的24.38%,生态生产用地占其净转出总面积的11.74%;生态容纳用地的主要转入转出对象为生态生产用地,占其净转入总面积的98.30%,占净转出总面积的95.92%;生态生产用地面积主要转入来源是生态容纳用地,但主要转出对象为生产生态用地和生态容纳用地,生态容纳用地占其净转入总面积的96.36%,占净转出总面积的89.99%,生产生态用地占其净转出总面积的9.78%。
表11 叶城县2005—2020年各土地功能类型转移矩阵表Tab. 11 Transfer matrixTable of land function types in Yecheng County from 2005 to 2020 km2
通过分析新疆叶城县近15年的土地利用/覆被变化及分类结果,在转移矩阵和土地利用变化分析相关模型基础上,得出研究区土地利用/覆被变化的基本规律与结论如下。
1) 研究区主要土地利用/覆被的类型包括:耕地、林地、草地、水域、建设用地、冰川及永久积雪、沙地、和其他未利用地,因受地形和气候的影响,叶城县土地利用结构变化较大。在研究期内草地、耕地、水域面积和建设用地等土地利用类型面积整体呈现不断增加的趋势,分别增加了421.21 km2、181.25 km2、120.49 km2和7.37 km2;而沙地、冰川及永久积雪、林地和其他未利用地等面积在逐渐减少,分别减少了320.58 km2、303.92 km2、61.16 km2和43.21 km2。其中主要的转出的土地类型中草地、沙地、冰川及永久积雪等土地利用类型的转化面积较大。但转入地类主要为建设用地和耕地。此外其他未利用地面积大部分被转化为草地,表明土地生态系统受到人为干预的影响较为显著。
2) 土地利用程度方面,叶城县2005—2020年期间整体土地利用程度变化量大于0,得出在近15年研究期内全县土地利用程度总体呈现上升趋势,土地利用正处于发展兴盛期,在2010—2015年间土地利用程度指数最高。
3) 在2005—2020年期间,土地利用功能类型中生态生产用地增加幅度最大,增加了480.92 km2,其次是生产生态用地位居第二,为181.02 km2,而生态容纳用地却呈现减少趋势,在研究期内共减少了667.82 km2,表明叶城县土地利用功能类型的变化同人类活动密切相关且受到人为影响较大。
4) 叶城县作为温带大陆性干旱区气候,受农牧业发展、人口增加及气候变化等多方面的影响,研究前期土地利用覆被变化剧烈,之后到末期的变化幅度有所下降,存在生态系统依旧较为脆弱的现象,从土地资源节约集约利用、合理优化配置和可持续发展的角度来看,可通过持续加强生态恢复功能和优化土地利用的空间格局的方法,同时加强遥感技术的应用,并建立定时的遥感监测,为将来高效合理利用土地资源提供合理理论和实践意义。
自然因素与社会经济因素共同作用于土地利用景观格局,其演变过程中前者是根本条件,后者是土地利用在较短时间内发生变化的主要影响因素。根据新疆叶城县土地利用/覆被变化及功能转型特征分析,在遵循土地利用时空变化规律的前提下,建议政府相关职能部门在制定土地利用规划设计时应适当结合土地利用实际状况,考虑经济发展潜力,优先发展优势产业。重视土地利用与经济发展的协调,继续加强深入探讨节约集约用地水平,将调查研究和制定政策紧密结合,保证叶城县人与环境的生态可持续发展和土地资源的可持续利用。