塔里木河下游土地利用转型图谱特征分析

2022-09-29 08:11唐芳蒲智李小玉
湖北农业科学 2022年16期
关键词:玛湖塔里木河林地

唐芳,蒲智,李小玉

(新疆农业大学计算机与信息工程学院,乌鲁木齐 830052)

土地利用/土地覆被变化是人类活动作用于生态环境的一种复杂响应,在全球环境变化和可持续发展中占有重要的地位[1]。地学信息图谱方法作为LUCC研究的新途径,能很好复合“空间格局”和“时间过程”,是一种时空复合分析方法[2],集合RS、GIS和计算机制图等技术,用图谱单元形象、动态的展示土地利用转型[3,4]。已有诸多学者运用地学信息图谱方法开展土地利用转型相关研究。王启名等[5]运用土地利用转型图谱和分布指数分析了滇池流域土地利用结构和土地利用图谱的地形梯度效应及成因。张韵等[6]运用地学信息图谱方法,构建1990—2000年和2000—2010年江汉平原两个时序的土地利用转型图谱、涨落势图谱和转型模式图谱,形象反映该地区土地利用转型特征。唐常春等[7]以典型案例长株潭城市群为例,构建1995—2015年4个时期地学信息图谱,探索城市群LUCC数量结构与时空格局一体化耦合机理,研究用地转型与区域发展互动关系。地学信息图谱在土地利用转型研究的适用性,且研究区域集中在城市发展重点区和生态环境薄弱区。

塔里木河地处中国西北,是丝绸之路经济带建设的核心区,自然资源丰富且生态环境脆弱[8]。大规模的农业开垦和人工绿洲开发,使得支流向干流输送的水量逐年减少,塔里木河下游大西海子水库以下断流现象日益严重[9,10],地下水位逐渐下降,导致大片胡杨林死亡[11]。21世纪初,国家针对塔里木河下游沿岸的生态恢复,实施间歇性生态输水,下游区土地利用类型产生较明显变化,地下水位大幅提升,断流区域生态和环境得到初步改善[12,13]。塔里木河综合治理工程是世界范围内通过人为干预促进生态修复的典型案例,塔里木河生态环境变化状况是国家和区域政府关注的焦点[14]。

本研究以塔里木河下游为研究区,基于2000、2010、2020年土地利用数据构建土地利用图谱体系,定量分析塔里木河下游近20年土地利用转型时空格局与过程,为塔里木河流域水资源优化调度提供科学依据及生态环境治理和区域经济发展提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

研究区位于塔里木河下游恰拉水库至台特玛湖,总长约430 km,根据该地区不同的区域特点,将其划分为上段(恰拉—铁干里克)、中段(铁干里克—阿拉干)和下段(阿拉干-台特玛湖)3个河段,塔里木河是典型干旱区内陆河,干流自身不产流,属纯耗散型河流。相邻于库鲁克塔格沙漠和塔克拉玛干沙漠。研究区域地理位置为86°00′—89°30′E和39°00′—41°30′N。属暖温带极端干旱的大陆性气候,日照时间长,降水稀少,年降水量20~40 mm,年平均蒸发量高达2 500~3 000 mm[15];土壤为盐化草甸土、胡杨林土、盐土、风沙土和沼泽土等;植物主要为胡杨、多支怪柳、黑刺、芦苇、大花罗布麻和疏叶骆驼刺等[16]。20世纪后期大西海子水库的建成,阻断了塔里木河地表径流,造成主干河道断流,为此,2000年开始实施“塔里木河下游应急输水工程”,截至2020年底,已成功输水21次,累计下泄水量达84.45×108m3[17,18]。

1.2 数据来源及预处理

本研究使用的遥感数据来源于美国地质调查局(USGS,https://glovis.usgs.gov/),TM、ETM+和OLI遥感数据为30 m空间分辨率。以2000、2010年的Landsat TM和2020年Landsat8 OLI为数 据源,运用ArcGIS10.2对以上3期遥感数据进行预处理、人机交互式目视解译,得到塔里木河下游3期土地利用数据。土地利用类型分类参考国土资源部2007年颁布的《土地利用现状分类标准》并结合研究区实际情况,将土地利用类型分为耕地、水域、未利用地、建设用地、林地和草地。设置编码1、2、3、4、5、6,建立塔里木河下游土地利用空间数据库。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转型图谱土地利用信息图谱是以图谱单元进行“空间格局”和“时间过程”研究的时空复合体[19,20]。选取30 m×30 m的空间分辨率作为图谱的空间单元,选取研究区3个时点的遥感影像数据,以2000—2010年、2010—2020年为图谱时序单元。利用ArcGIS 10.2的“叠加分析-相交”工具,将相邻两期土地利用数据叠加,初期和末期的土地利用类型编码值进行地图代数运算构建土地利用信息图谱[21,22]。

地图代数运算公式:

式中,C表征研究时段土地利用方式演化特征的图谱单元编码值;A表征前期的土地利用类型的图谱单元编码值;B表征后期的土地利用类型的图谱单元编码值。

1.3.2 土地利用涨落势图谱土地利用转型包括转入和转出两个动态过程,其他用地类型转化为该用地类型为转入,该用地类型转化为其他用地类型为转出[23,24]。基于两个时间段的土地利用转型图谱,根据分类原则进行重分类,得到塔里木河下游2000—2010年和2010—2020年两个时序单元的土地利用涨势图谱和落势图谱。

1.3.3 土地利用转型模式图谱根据研究区土地利用转型图谱单元的转型特征,将图谱转型模式分为5种类型:①全期稳定型图谱,土地利用类型始终未发生转型;②反复变化型图谱,在2000—2010年、2010—2020年间均发生转型,且2000年与2020年土地利用类型相同;③全期变化型图谱,土地利用类型始终发生转型,且3个时间点土地利用类型均不同;④前期变化型图谱,仅在2000—2010年发生转型;⑤后期变化型图谱,仅在2010—2020年发生转型。

2 结果与分析

2.1 土地利用结构转型

2000—2020年塔里木河下游不同土地利用转型如表1所示。研究区主要用地类型为未利用地,占比均在48%以上,但总体呈减少趋势;其次是草地,每期数据占比均超过30%,占比逐年递减;林地排在第三位,面积占比先减少后增加,总体变化不明显;耕地、水域和建设用地三类占地总面积小于10%,占比逐年增加,主要转入来源为草地和未利用地,表明自生态输水以来塔里木河的生态环境好转。

表1 2000—2020年塔里木河下游土地利用转型情况

2.2 土地利用转型图谱分析

2.2.1 2000—2010年土地利用转型图谱由2000年和2010年土地利用数据相交得到2000—2010年土地利用转型图谱(图1)。转型期间共生成36类图谱单元,发生改变的图谱单元有30类,将占变化面积100%的16类图谱单元按面积大小排序(表2)。

由表2和图1可知,2000—2010年土地利用类型发生明显变化。最为明显的是“草地—未利用地”图谱类型,占变化面积的29.54%,主要分布在英苏到台特玛湖区间,变化原因是草地的原始面积较大。其次是“未利用地—草地”,占比18.28%,分布在大西海子水库到英苏区间及台特玛湖。第三是“林地—草地”,占比15.51%,面积为444.67 km2,主要分布在铁干里克到英苏区间。

表2 2000—2010年塔里木河下游主要土地利用转型情况

图1 2000—2010年塔里木河下游主要土地利用转型图谱

草地主要来源于未利用地、林地和水域,累计增加变化率达34.18%,新增面积979.85 km2;草地主要转为未利用地、林地和水域,累计减少变化率达17.22%,草地总体变化率减少,萎缩面积493.60 km2;林地主要来源于草地、未利用地、耕地和水域,累计增加变化率达17.79%,新增面积509.88 km2;林地主要转为草地、耕地和水域,累计减少变化率达22.01%,林地总体变化率减少,萎缩面积121.20 km2;水域面积稳定增长,主要来源于未利用地、草地和林地,累计增加变化率达12.59%,新增面积360.94 km2。

2.2.2 2010—2020年土地利用转型图谱由2010年和2020年土地利用数据相交得到2010—2020年土地利用转型图谱(图2)。转型期间共生成36类图谱单元,发生改变的图谱单元有30类,将占变化面积100%的17类图谱单元按面积大小排序(表3)。

由表3和图2可知,2010—2020年土地利用类型发生明显变化。最为明显的是“草地—未利用地”图谱类型,占变化面积的20.43%,主要分布在恰拉到英苏以北及阿拉干到台特玛湖区间,萎缩原因是草地原始面积较大。其次是“未利用地—草地”,占比18.91%,分布在大西海子水库到台特玛湖区间。第三是“草地—林地”,占比15.48%,面积为415.36 km2,主要分布在铁干里克以下旧河道附近,说明生态输水使地下水位上升,河道两旁林地面积增加。

图2 2010—2020年塔里木河下游主要土地利用转型图谱

表3 2010—2020年塔里木河下游主要土地利用转型情况

草地主要来源于未利用地、林地和水域,累计增加变化率达32.00%;草地主要转变为未利用地、林地、水域和耕地,累计减少变化率达39.25%,草地总体变化率减少,萎缩面积190.58 km2;林地主要来源于草地、未利用地、耕地和水域,累计增加变化率达25.88%;林地主要转变为草地、耕地、水域和未利用土地,累计减少变化率达21.39%,林地总体变化率增加,新增面积119.26 km2;水域主要来源于未利用地、草地和林地,累计增加变化率达14.23%,主要分布在塔里木河下游的下段,水域主要转为林地、未利用地和草地,累计减少变化率为4.28%;水体总体变化率增加,新增面积263.67 km2。

2.3 土地利用涨落势图谱分析

2.3.1 2000—2020年土地利用涨势图谱对合成的塔里木河下游土地利用图谱的“转入”进行重分类,得到研究区两个时序单元的涨势图谱,并统计分析土地利用“转入”数据。

由表4和图3可知,2000—2010年草地呈现最大涨势,转入面积为981.59 km2,主要分布在塔里木河下游的中段(铁干里克—阿拉干)及台特玛湖,草地的主要来源为未利用地和林地;其次是新增未利用地,转入面积为511.86 km2,主要分布在研究区的下段(阿拉干—台特玛湖);第三是林地,转入面积为511.86 km2,主要分布在大西海子水库以及铁干里克以下的旧河道附近;水域面积从2000年生态输水到2010年面积新增了362.12 km2,在台特玛湖重现大面积水域。2010—2020年草地仍呈最大涨势,转入面积为851.53 km2,主要分布在研究区上段(恰拉-铁干里克);第二是林地,转入面积为689.44 km2,主要分布在大西海子水库到英苏区间及台特玛湖;第三是未利用地,转入面积为603.56 km2,主要分布在英苏附近河道以北;第四是水域,转入面积为377.42 km2,主要分布在铁干里克以下的旧河道及台特玛湖。

图3 2000-2020年塔里木河下游土地利用涨势图谱

表4 2000—2020年塔里木河下游土地利用涨落势

2.3.2 2000—2020年土地利用落势图谱对合成的塔里木河下游土地利用图谱的“转出”进行重分类,得到研究区两个时序单元的涨势图谱,并统计分析土地利用“转出”数据。

由表4和图4可知,2000—2010年期间塔里木河下游按萎缩面积排序为草地、未利用地、林地、耕地、水域和建设用地。其中草地呈现最大落势,转出面积为1 340.42 km2,主要分布在塔里木河下游的下段(阿拉干—台特玛湖);其次是未利用地,转出面积为782.99 km2,主要分布在大西海子水库到英苏区间以及台特玛湖附近;第三是林地,转出面积为633.15 km2,主要分布在恰拉到英苏区间;耕地、水域和建设用地转出面积较小,主要分布在塔里木河下游的上段(恰拉—铁干里克)。2010—2020年期间塔里木河下游各类土地利用类型的萎缩面积相对于上一阶段有所减少,主要萎缩类型为草地、林地和未利用地。排名第一的仍是草地,转出面积为1 040.36km2,主要分布在铁干里克到阿拉干区间;第二是未利用地,转出面积为888.46 km2,主要分布在英苏以下到台特玛湖;第三是林地,转出面积为537.69 km2,主要分布在恰拉到英苏区间。

图4 2000—2020年塔里木河下游落势图谱

2.4 土地利用转型模式图谱分析

根据2000、2010和2020年3期塔里木河下游土地利用数据构建土地利用转型模式图谱,将其分级为5个图谱类型(表5)。统计图谱类型及最大图谱单元面积和比例,定量分析土地利用类型的数量和转型过程。由表5可知,2000—2020年土地利用变化模式图谱以全期稳定型为主,变化面积达9 166.55 km2,占总面积的68.14%,主要图谱单元类型为“未利用地”和“草地”,空间分布分散;前期变化型位居第二,变化面积达1 615.55 km2,占总面积的12.01%,主要图谱单元类型为“草地-未利用地-未利用地”和“林地-草地-草地”;后期变化型位居第三,变化面积达1 398.94 km2,主要图谱单元类型为“草地-草地-林地”和“草地-草地-未利用地”空间分布较为分散,仅在大西海子水库、英苏和台特玛湖周边呈现聚集特征;反复变化型位居第四,变化面积达938.96 km2,主要图谱单元类型为“未利用地-草地-未利用地”和“草地-未利用地-草地”;全期变化型所占比例最小,仅占总面积的2.47%,主要图谱单元类型为“草地-未利用地-水域”和“草地-未利用地-林地”,在研究区上段(恰拉—铁干里克)的南面及台特玛湖呈现空间聚集特征。

表5 2000—2020年塔里木河下游土地利用转型模式

2000—2020年塔里木河下游土地利用转型模式图谱单元空间总体呈离散分布特征,仅全期变化型呈“聚集型”分布。转型模式以全期稳定型为主,前期变化型占比大于后期变化型,即2010—2020年土地利用转型更稳定。

3 小结与讨论

本研究基于地学信息图谱及数理统计方法对塔里木河下游近20年土地利用结构转型、土地利用转型图谱、土地利用涨落势图谱和土地利用转型模式图谱特征进行分析。塔里木河下游土地利用结构以林地、草地和未利用地为主,三者占研究区总面积的90%以上。2000—2020年,草地和未利用地呈持续减少趋势,水域、耕地和建设用地呈持续增加趋势,林地变化不明显。土地利用转型图谱单元以草地和未利用地之间的相互转型为主,草地减少面积相对较大,主要减少区域在阿拉干到台特玛湖。未利用地和水域间的相互转型,主要分布在台特玛湖。铁干里克以下旧河道附近增加大片林地,台特玛湖重现大面积湖水并每年持续增长。两个时序单元中,发生变化的主要图谱单元类型具有较高相似性,最显著的为草地和未利用地之间的相互转型。

由土地利用涨落势图谱分析研究区空间变化程度,塔里木河下游以林地、草地和未利用地之间的相互转型为主,且水域面积扩张明显,主要分布在铁干里克以下的旧河道和台特玛湖,新增面积739.54 km2,萎缩面积仅为165.11 km2。2000—2020年,土地利用涨势图谱中草地新增面积最大,为1 833.12 km2,主要分布于恰拉到英苏区间;落势图谱中草地萎缩面积最大,为2 380.78 km2,主要在英苏以下呈“聚集型”分布。

由土地利用转型模式图谱分析研究区时间变化情况,除全期稳定型外,塔里木河下游土地利用转型图谱以前期变化型为主,占比12.01%,表明2000年人为干预促进生态修复的塔里木河综合治理工程使2000—2010年研究区土地利用转型更为频繁,2010—2020年土地利用转型表现较稳定。

本研究应用土地利用转型信息图谱方法,将土地利用转型空间格局的“图”和土地利用转型过程的“谱”联合[25,26],分析了塔里木河下游近20年土地利用时空变化规律及发展过程,为后续土地利用研究及预测未来研究区土地利用发展趋势和水资源优化调度提供科学依据,在未来将继续开展土地利用转型所引发的生态环境效应等研究。

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