李小玉，蒲 智，唐 芳

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

土地利用變化作為全球環(huán)境變化的關(guān)鍵組成部分［1，2］，它是人類活動(dòng)及行為對(duì)地表自然生態(tài)環(huán)境影響最明顯的標(biāo)志，是人類社會(huì)行為與自然生態(tài)過(guò)程交互和鏈接的紐帶［3］。近幾十年來(lái)海河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展、城市化建設(shè)加快、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，流域內(nèi)的土地利用隨之發(fā)生調(diào)整和結(jié)構(gòu)性變化［4］。河流所維持的生態(tài)資源是人類不可或缺的自然資源，定量分析流域的土地利用變化過(guò)程，能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到變化走勢(shì)，進(jìn)而更加合理地開發(fā)和利用流域土地，維持流域自然資源的可持續(xù)發(fā)展。越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)河流流域的土地利用變化展開研究，何萬(wàn)華等［5］研究分析了雅魯藏布江及其支流拉薩河與年楚河的土地利用時(shí)空變化的影響特征及規(guī)律。鞏杰等［6］以甘肅省疏勒河中下游為研究對(duì)象分析了土地利用變化對(duì)其生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)。王爽等［7］探討了艾比湖流域1990—2011 年土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化特征。李景遠(yuǎn)等［8］通過(guò)車爾臣河流域土地利用/覆蓋類型變化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行綜合分析，從而了解土地利用類型變化引起的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題。孫琳等［9］分析研究了東江流域土地利用變化的時(shí)空特征，為粵港澳大灣區(qū)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究以位于新疆北部的烏倫古河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，其為新疆阿勒泰地區(qū)第二大河流，由于其大陸性氣候以及豐富光、熱、水資源，使其適合于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，該流域農(nóng)業(yè)灌溉用水量占全流域總用水量的90%以上［10-12］。大量開發(fā)耕地發(fā)展經(jīng)濟(jì)導(dǎo)致20 世紀(jì)60、70 年代河流水位下降、流域面積萎縮，從而使得生態(tài)環(huán)境質(zhì)量急速下降，流域周圍逐漸出現(xiàn)荒漠化跡象。本研究定量分析了烏倫古河流域土地利用變化的類型和方向，為其可持續(xù)發(fā)展和資源統(tǒng)籌管理決策等提供科學(xué)依據(jù)［13，14］。

1 研究區(qū)概況

烏倫古河是準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)非常重要的一條內(nèi)陸河，也是新疆年際變化最大的河流［15］，地處準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣，其流域范圍具體位于87°05′—91°04′E，45°46′—47°28′N（圖1）。烏倫古河發(fā)源于青河縣境內(nèi)阿爾泰山脈，自東向西流經(jīng)富蘊(yùn)縣，最終匯入福?？h烏倫古湖。主要支流有4 條，即大青格里河、小青格里河、查干河、布爾根河，河流全長(zhǎng)725 km，干流長(zhǎng)95 km，流域面積為6.14×104km2（中國(guó)境內(nèi)集水面積為2.76×104km2）［16］，其水源主要來(lái)自高山融雪和降水補(bǔ)給。烏倫古河為新疆農(nóng)業(yè)提供豐富水源，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展起著非常重要的作用。

圖1 烏倫古河位置

2 研究數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

選用Landsat5-TM 和Landsat8-OLI/TIRS 的衛(wèi)星影像，數(shù)據(jù)具體來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局（http：//glovis.usgs.gov/）。共有4 期數(shù)據(jù)，分別為1990、2000、2010、2019 年，影像軌道號(hào)為141/27、141/28、142/28、143/27、143/28 共20 景，其云量均低于6%，成像日期集中在6—9 月。對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理，包括輻射定標(biāo)、幾何校正和大氣校正，然后進(jìn)行影像鑲嵌，最后根據(jù)矢量邊界數(shù)據(jù)裁剪出研究區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，最終通過(guò)監(jiān)督分類與目視解譯相結(jié)合的方法得到土地利用變化信息。

土地利用分類系統(tǒng)采用劉紀(jì)遠(yuǎn)［17］提出的分類體系，具體參考中國(guó)科學(xué)院土地資源分類系統(tǒng)，將影像中的土地資源按照一級(jí)分類分為6 類，即耕地（包括熟地、荒地、休耕地）、林地（包括天然林、人工林）、草地、建設(shè)用地、水域（包括天然水域、水利設(shè)施用地）、未利用地。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度綜合指數(shù) 土地利用程度綜合指數(shù)指土地利用程度，可以具體反映土地利用的深度和廣度，此量化指標(biāo)取值區(qū)間為［100，400］，在此區(qū)間內(nèi)代表土地利用處于合理開發(fā)階段，指數(shù)值越大土地利用程度越高。其數(shù)學(xué)模型［18］表示如下。

式中，L為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Ci為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積百分比；n為土地利用程度分級(jí)數(shù)。

2.2.2 土地利用單一動(dòng)態(tài)度 土地利用單一動(dòng)態(tài)度指某一地類在一定時(shí)間段內(nèi)的變化速度，定量反映土地利用變化情況，可用于預(yù)測(cè)土地利用變化情況。單一土地動(dòng)態(tài)度變化在一定程度上反映了人類對(duì)土地利用方式的干擾程度，動(dòng)態(tài)度越大，人為干擾越劇烈［19］。當(dāng)值為正數(shù)時(shí)，表示該類型面積增加，當(dāng)值為負(fù)數(shù)時(shí)，表示該類型面積減少；單一土地動(dòng)態(tài)度的絕對(duì)值可以用來(lái)衡量土地利用類型轉(zhuǎn)換數(shù)量的多少，當(dāng)絕對(duì)值越小時(shí)，則說(shuō)明該類型轉(zhuǎn)換數(shù)量越少，狀態(tài)較為穩(wěn)定，反之則說(shuō)明該類型轉(zhuǎn)換數(shù)量越多，狀態(tài)較為劇烈。其數(shù)學(xué)模型如下。

式中，Kt為Ta到Tb時(shí)段內(nèi)i類土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Sa、Sb分別表示在Ta、Tb時(shí)間點(diǎn)時(shí)土地利用類型面積；Ta和Tb分別表示研究時(shí)間區(qū)間的初期和末期。

2.2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣指研究區(qū)間內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)上土地利用情況的轉(zhuǎn)化關(guān)系，由此得到的二維矩陣，用來(lái)描述土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類型之間的轉(zhuǎn)移方向，能夠定量表達(dá)研究區(qū)土地利用的結(jié)構(gòu)變化特征、反映土地利用類型的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)［20］，同時(shí)可以詳細(xì)地描述各土地利用類型變化的數(shù)量、去向以及來(lái)源［21］。其數(shù)學(xué)模型如下。

式中，S為土地利用面積；n為土地利用的類型；i和j分別為研究區(qū)域初期和末期的土地利用類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

由圖2 可以看出，在近30 年的發(fā)展中，每種土地利用類型所占比例差異較大，其中，占比最大的是未利用地，1990、2000、2010、2019 年所占比例分別為62.84%、62.48%、58.70%、57.35%，均超過(guò)總面積的50%以上；占比最小的是建設(shè)用地，4 期占比分別為0.06%、0.10%、0.20%、0.39%；所占比例逐年增加的是耕地，分別為2.32%、2.99%、5.64%、7.40%；所占比例呈減少趨勢(shì)的是林地，分別為3.67%、3.88%、2.72%、2.71%；在4 期數(shù)據(jù)中草地的占比分別為26.73%、25.83%、27.97%、27.31%，水域占比分別為4.38%、4.72%、4.77%、4.84%，這2 種土地利用所占比例變化波動(dòng)比較平穩(wěn)。

圖2 1990—2019 年烏倫古河流域各類土地利用類型占比

由表1 可以看出，1990、2000、2010、2019 年未利用地的面積分別為16 191.18、16 095.13、15 121.51、14 772.53 km2，1990—2019年共計(jì)減少了1 418.65 km2，是面積數(shù)量變化最大的土地類型，尤其是在2000—2010 年 表 現(xiàn) 最 為 明 顯，減 少 了973.62 km2；1990、2000、2010、2019 年 草 地 的面 積 分 別 為6 887.06、6 655.72、7 207.36、7 036.99 km2，整體趨勢(shì)為先減少后增加再減少，但最終的面積增加了149.93 km2；耕地、水域和建設(shè)用地面積一直為上升趨勢(shì)，耕地是1990—2019 年增加面積最多的一種土地利用類型，增加了1 311.16 km2，其中2000—2010 年是面積增加最多的一個(gè)時(shí)間段，耕地面積增加了682.25 km2，占總體增加面積的52%；水域的面積共增加了118.62 km2，其中1990—2000 年增加面積最多，由初期的1 128.72 km2增加至末期的1 214.83 km2。建設(shè)用地在1990—2000 年增加了11.42 km2、2000—2010年增加了24.84 km2、2010—2019年增加了49.01 km2，共增加了85.27 km2，增加的面積一直呈上升趨勢(shì)；林地的面積變化情況為先增加后減少再減少，在近30 年來(lái)，共計(jì)減少了246.32 km2，其中2000—2010 年減少了299.56 km2，占整體變化面積的122%。

表1 1990—2019 年烏倫古河流域各類土地利用類型面積及變化 （單位：km2）

3.2 土地利用動(dòng)態(tài)度變化分析

1990—2019 年烏倫古河流域的草地、耕地、水域、林地、建設(shè)用地、未利用地的動(dòng)態(tài)變化情況如表2 所示。

表2 1990—2019 年烏倫古河流域土地利用單一動(dòng)態(tài)度 （單位：%）

1）1990—2000 年草地和未利用地的動(dòng)態(tài)度分別為-0.34%和-0.06%，耕地、水域、林地、建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)度分別為2.93%、0.76%、0.58%、7.37%，表明在該時(shí)間內(nèi)草地和未利用地的面積均在減少，而其余4 種土地利用類型均在增加，這6 種土地利用類型動(dòng)態(tài)度的絕對(duì)值大小表現(xiàn)為建設(shè)用地＞耕地＞水域＞林地＞草地＞未利用地，表明建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換數(shù)量最多，狀態(tài)變化最劇烈，未利用地的轉(zhuǎn)換數(shù)量最少，狀態(tài)變化最穩(wěn)定。

2）2000—2010 年林地和未利用地的動(dòng)態(tài)度分別為-2.99%和-0.60%，表明這2 類土地利用類型面積均在減少，而其余4 類動(dòng)態(tài)度均為正值，表明面積均在增加，其中，建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)度為9.23%，在所有類型中絕對(duì)值最大，表明建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換數(shù)量最多，狀態(tài)變化最劇烈，其次是耕地，動(dòng)態(tài)度為8.85%，轉(zhuǎn)換數(shù)量最少、狀態(tài)變化最穩(wěn)定的是水域，其動(dòng)態(tài)度為0.12%。

3）2010—2019 年草地、林地、未利用地的動(dòng)態(tài)度分別為-0.24%、-0.03%、-0.23%，表明這3 種土地利用類型的面積呈下降趨勢(shì)，其余3 種類型的動(dòng)態(tài)度均為正值，表明面積呈上升趨勢(shì)。動(dòng)態(tài)度絕對(duì)值最大的是建設(shè)用地，為9.47%，絕對(duì)值最小的是林地，為-0.03%，表明建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換數(shù)量最多，狀態(tài)變化最劇烈，而林地則與之相反。

4）1990—2019 年林地和未利用地的動(dòng)態(tài)度分別為-0.90%和-0.30%，表明這2 種土地利用類型的面積在近30 年有所減少，草地、耕地、水域、建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)度分別為0.08%、7.58%、0.36%、18.97%，這4 種類型的土地利用面積均有所增加，從而可以看出建設(shè)用地的數(shù)量變化最多，狀態(tài)變化最劇烈，其次是耕地。草地、水域、林地、未利用地的動(dòng)態(tài)度絕對(duì)值均在1%以內(nèi)，表明這4 種類型的變化較為平穩(wěn)，并且數(shù)量變化相對(duì)較少。

3.3 土地利用程度變化分析

通過(guò)土地利用面積占比數(shù)據(jù)和土地利用類型分級(jí)指數(shù)，計(jì)算得到1990—2019 年烏倫古河流域土地利用程度。由表3 可以看出，1990、2000、2010、2019年土地利用程度綜合指數(shù)分別為139.59、140.74、147.34、150.84，呈逐步上升趨勢(shì)，4 期的數(shù)據(jù)值均在100～400，表明這30 年的土地利用開發(fā)都處在合理開發(fā)階段，并且具有充足的上升空間。在1990—2000 年土地利用程度綜合指數(shù)增加了1.15，2000—2010 年增加了6.60，2010—2019 年增加了3.50，綜上，2000—2010 年土地利用和開發(fā)程度最高。

表3 1990—2019 年烏倫古河流域土地利用程度綜合指數(shù)

3.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

由表4 至表6 可知，1990—2000 年、2000—2010年、2010—2019 年發(fā)生轉(zhuǎn)移的土地利用面積分別為1 174.58、3 316.91、910.91 km2，由 此 得 到2000—2010 年土地利用變化波動(dòng)較大，轉(zhuǎn)移方向比較活躍。這與表3 中土地利用程度綜合指數(shù)變化最大的年份相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明2000—2010 年土地利用變化的發(fā)展速度較快，并且呈多樣化發(fā)展的趨勢(shì)。

表4 1990—2000 年烏倫古河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

表6 2010—2019 年烏倫古河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

1990—2000 年草地的轉(zhuǎn)出面積最多，占總轉(zhuǎn)出面積的49.32%，而草地的主要轉(zhuǎn)入來(lái)自于耕地和林地；耕地共轉(zhuǎn)出了122.23 km2，但其中52.19%都轉(zhuǎn)為草地；林地的轉(zhuǎn)移方向主要集中在耕地和草地，占其轉(zhuǎn)出總面積的88.28%；水域和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移數(shù)量較少，表明這2 種類型的土地利用變化較為緩慢。

2000—2010 年各類型的轉(zhuǎn)出面積排序?yàn)槲蠢玫兀静莸兀玖值兀靖兀舅颍窘ㄔO(shè)用地，其中，未利用地轉(zhuǎn)出面積中有62.29%的面積轉(zhuǎn)為草地，33.08%的面積轉(zhuǎn)為耕地；草地的轉(zhuǎn)入面積除了未利用地以外，還來(lái)源于耕地和林地，轉(zhuǎn)入面積分別為92.71 km2和385.80 km2；林地轉(zhuǎn)出面積有75.33%轉(zhuǎn)向了草地；耕地的轉(zhuǎn)出較為平均，48.00%轉(zhuǎn)為草地，33.28%轉(zhuǎn)為林地，12.74%轉(zhuǎn)為未利用地，而水域主要向草地和未利用地轉(zhuǎn)出。

2010—2019 年未利用地的轉(zhuǎn)出面積最多，占轉(zhuǎn)出總面積的48.97%，主要轉(zhuǎn)向草地和耕地；其次是草地，占轉(zhuǎn)出總面積的38.33%，主要轉(zhuǎn)向了耕地和未利用地；耕地轉(zhuǎn)出比為7.31%，主要轉(zhuǎn)向草地，同時(shí)耕地的轉(zhuǎn)入面積最多，其轉(zhuǎn)入面積占總轉(zhuǎn)入面積的57.18%，主要來(lái)源于未利用地和草地。林地、水域、建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出占比較少，轉(zhuǎn)出面積最少的是建設(shè)用地，僅有1.01 km2。

表5 2000—2010 年烏倫古河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

4 小結(jié)與討論

1）1990—2019 年由于人口數(shù)量的增長(zhǎng)和發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的需求，使得河流沿岸的耕地和建設(shè)用地面積不斷增長(zhǎng)，1990—2000 年耕地和建設(shè)用地增加面積分別為174.67、11.42 km2，2000—2010 年耕地和建設(shè)用地增加面積分別為682.25、24.84 km2，2010—2019 年耕地和建設(shè)用地增加面積分別為454.24、49.01 km2，耕地共計(jì)增加了1 311.16 km2，建設(shè)用地共計(jì)增加了85.27 km2。

2）1990、2000 、2010、2019 年林地面積分別為945.69、1 000.88、701.32、699.37 km2。從2000 年開始林地面積逐漸下降，尤其是在2000—2010 年，林地減少面積最多，并且林地主要轉(zhuǎn)向草地。因?yàn)殡S著人口數(shù)量和耕地面積的增長(zhǎng)，用水量的使用也同時(shí)增長(zhǎng)，導(dǎo)致流域的地表徑流量逐漸下降，原有的生態(tài)系統(tǒng)逐漸被破壞，開始發(fā)生逆向演替。流域附近的林地開始發(fā)生退化，逐步退化為草地、荒地，最終演變?yōu)榛哪车亍?/p>

3）水域的變化一直處在比較平穩(wěn)的狀態(tài)，變化波動(dòng)較小。由《阿勒泰地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》可知，為滿足人們?nèi)找嬖龃蟮挠盟枨螅枰獙?duì)烏倫古河流域的水資源進(jìn)行合理規(guī)劃，目前主要采取對(duì)流域內(nèi)的耕地進(jìn)行滴灌澆水的方法，并且修建水庫(kù)及防滲透的水渠，這一系列措施減少了水的損耗。同時(shí)，修建了引額濟(jì)烏倫古湖的渠道工程，將額爾齊斯河的水注入烏倫古湖，緩解了烏倫古河流域的水域壓力，避免生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化，保持自然資源的綠色發(fā)展。

4）烏倫古河作為阿勒泰地區(qū)的重要水源地，對(duì)青河縣、富蘊(yùn)縣、福?？h和兵團(tuán)農(nóng)十師182 團(tuán)這些區(qū)域發(fā)展起到關(guān)鍵作用。由于之前的過(guò)度開發(fā)導(dǎo)致植被范圍出現(xiàn)大量縮減，造成河流區(qū)域部分土地甚至出現(xiàn)沙化趨勢(shì)。因此對(duì)土地利用要做到規(guī)范、合理、適度，同時(shí)要及時(shí)監(jiān)測(cè)土地利用變化情況，看其是否在合理的開發(fā)范圍之內(nèi)，進(jìn)而幫助生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)，使其可持續(xù)發(fā)展。

本研究選取烏倫古河流域作為研究對(duì)象，探討了1990—2019 年其流域土地利用的動(dòng)態(tài)變化特征，運(yùn)用監(jiān)督分類中的最大似然法與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，最終結(jié)果與前人研究的發(fā)展趨勢(shì)相一致，但仍有不足之處。采用的影像為低中分辨率的影像，其分類的精準(zhǔn)度不如高分辨的影像，最終的結(jié)果僅展示出1990—2019 年的變化，沒(méi)有對(duì)以后發(fā)展?fàn)顩r的預(yù)測(cè)。