陳樂，程勇翔*，王江麗

(1 石河子大學生命科學學院，新疆 石河子 832003； 2 石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832003)

土地利用/覆被變化是全球變化的重要組成部分和主要原因[1-3]。通過改變地表覆被的組成類型和空間結(jié)構(gòu)，對地—氣系統(tǒng)、水—氣系統(tǒng)、生物圈、生態(tài)系統(tǒng)平衡與穩(wěn)定產(chǎn)生了重要影響[4-7]。耕地變化是區(qū)域土地利用變化的主要驅(qū)動因素。耕地的時空動態(tài)變化能夠反映區(qū)域景觀變化的方向[8]，耕地資源數(shù)量的稀缺性、分布的不均勻性、土壤的貧瘠性以及污染的日益嚴重性，在經(jīng)濟快速發(fā)展、資源日益短缺、消耗日益增長的今天，已成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸因素[9-10]。天山北坡經(jīng)濟帶位于我國西北干旱區(qū)，經(jīng)濟欠發(fā)達，卻是西北干旱區(qū)最具開發(fā)潛力和發(fā)展最快的經(jīng)濟區(qū)之一[11]，也是干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展最具代表性的發(fā)展區(qū)域。其面積148 749.98 km2，約占新疆面積的9.15%，其耕地面積占新疆耕地面積的30%。目前已有學者圍繞天山北坡經(jīng)濟帶人工綠洲擴張的時空過程分析了人類活動影響下綠洲景觀演變的驅(qū)動機制,其中，吳建寨等[12]對天山北坡山地、綠洲、荒漠3個帶狀區(qū)域的土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值變化及其空間差異做了對比分析；陶江等[13]對天山北坡經(jīng)濟帶土地利用效益的變化及協(xié)調(diào)度進行了綜合評價；雷軍等[14]、徐麗萍等[15]利用天山北坡的土地類型分類數(shù)據(jù)研究了該區(qū)景現(xiàn)動態(tài)變化及其驅(qū)動力；孫智斌等[16]從土地利用變化速度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動態(tài)度及土地利用程度等方面分析了天山北坡經(jīng)濟帶2000—2015年土地利用的變化。

上述研究從宏觀的角度分析了天山北坡經(jīng)濟帶下墊面土地利用類型整體變化特點及驅(qū)動力，而對荒漠綠洲異質(zhì)性景觀中耕地這一最重要的因素，往往只是簡單描述其時空變化過程，很難對耕地空間分布、時空變化及影響因素有比較完整的認識。因此，本文借助于3S技術(shù)手段，利用1990—2020年的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)解譯天山北坡經(jīng)濟帶4期土地利用/覆被變化信息，通過耕地定量分析統(tǒng)計、耕地重心遷移及氣候時空變化趨勢3個模型，分析天山北坡經(jīng)濟帶耕地的分布特征及時空變化過程，并結(jié)合該區(qū)氣候和灌溉模式的變化探究其綠洲擴張的驅(qū)動因素。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源及處理

1.1 研究區(qū)概況

天山北坡經(jīng)濟帶地處亞歐大陸腹地，天山北麓中段(80°93′E～90°79′E，43°42 N′～45°41′N)，面積為148 749.98 km2(圖1)。經(jīng)濟帶的核心綠洲分布區(qū)為溫帶大陸性干旱半干旱氣候，夏季炎熱冬季寒冷，年均氣溫7.4 ℃，年均降水量181.99 mm，年均蒸發(fā)量1 948 mm[17]。綠洲耕地呈帶狀和片狀集中分布在水資源豐富、海拔200～2 400 m的山前沖積洪積扇、沖積扇邊緣帶和沖積平原上。面積較大且分布范圍廣，在較濕潤的灰漠土，有機質(zhì)含量高、腐殖質(zhì)層較厚、土壤團粒結(jié)構(gòu)較好、水肥較好的潮土、草甸土、沼澤土和黑鈣土，鹽分較高、鈣化明顯、極度干旱缺水的鹽堿土、棕鈣土和風沙土上均有分布。隨著“西部大開發(fā)”及“一帶一路”的開展，天山北坡經(jīng)濟快速發(fā)展[16]，耕地面積也顯著增加。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用遙感影像數(shù)據(jù)包括1990、2000、2010、2020年5—10月Landsat 30 m空間分辨率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于美國國家地質(zhì)調(diào)查局(https://www.usgs.gov/)；1∶50000地形圖來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www．resdc．cn)；2006年7月實地調(diào)查的120個校準點；研究區(qū)及周邊50個氣象站點1990—2020年逐日溫度、降水等氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.nmic.cn/)和國家氣象局。此外，分別從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)和中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx)獲取GDEMDEM 30 m分辨率高程數(shù)據(jù)和1∶100萬土壤空間分布類型數(shù)據(jù)，用于研究區(qū)概況分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理的方法

本文對獲取的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)進行大氣較正、投影、鑲嵌等預(yù)處理，得到覆蓋全區(qū)的無云數(shù)據(jù)產(chǎn)品。結(jié)合實地考察點和地形圖，在面向?qū)ο蠓诸愜浖Cognition中采用人機交互相結(jié)合的方法對Landsat遙感影像進行解譯。為保證獲取遙感解譯的準確性和一致性，結(jié)合谷歌地圖驗證后的2020年的分類結(jié)果，分別對每期數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的質(zhì)量檢查和數(shù)據(jù)集成，使得4期遙感影像的整體解譯精度均達到91.3%以上，將解譯后的結(jié)果劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地(沙漠、裸地)和積雪冰川7種地類供后續(xù)研究。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 耕地面積時空動態(tài)變化定量分析

基于天山北坡經(jīng)濟帶行政區(qū)劃范圍，在時間變化過程上，利用土地分類結(jié)果，通過轉(zhuǎn)移矩陣和定量化參數(shù)變化幅度ΔU[4]獲取耕地面積的時間變化過程；在空間格局分析上，通過ArcGIS空間疊置分析工具對各時段耕地進行統(tǒng)計分析，計算定量化參數(shù)空間動態(tài)度Rss和變化趨勢Ps[16]，用于定量分析各時段耕地的空間變化程度和轉(zhuǎn)換特征。

1.4.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

基于1990—2020年4期土地利用的數(shù)據(jù)，通過ArcGIS軟件字段融合和數(shù)據(jù)相交工具，分別疊加1990和2000年、2000和2010年、2010和2020年3個時期的土地利用數(shù)據(jù)，統(tǒng)計各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換面積，并制作土地利用類型空間轉(zhuǎn)移圖，用于研究各時期耕地的轉(zhuǎn)換特征及與其他地類的空間轉(zhuǎn)移關(guān)系。

1.4.3 耕地重心遷移模型

本文利用耕地分布重心坐標和遷移變化反映耕地的空間格局變化，重心坐標及遷移距離計算過程參照文獻[18]。

1.4.4 氣候時空變化趨勢模型

基于氣象站點獲得的1990—2020年逐日平均溫度、降水量數(shù)據(jù)，合成年平均溫度和年降水總量數(shù)據(jù)，通過空間插值和地形校正，得到研究區(qū)31年的年平均溫度和年降水總量空間數(shù)據(jù)。分別統(tǒng)計1990—2000年、2001—2010年、2011—2020年3個時期的年平均溫度和年平均降水量，用于研究不同時段的溫度及降水變化。通過最小二乘法線性回歸方程的斜率(Slope)[19]分析1990—2020年每個柵格點溫度和降水的變化趨勢，用于研究溫度和降水總量的空間變化特征，其中，Slope>0，表示向降水增加、溫度增高方向發(fā)展，反之，表示向降水減少、溫度降低方向發(fā)展。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土地利用變化

結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 1990—2020年4期研究區(qū)土地利用圖

圖3 1990—2020年研究區(qū)各土地利用/覆被類型面積比例變化

(1)天山北坡經(jīng)濟帶土地利用類型的總體特征如下：草地、未利用地及耕地面積較大，分別占研究區(qū)面積的39.08%、39.15%、15%(2020年)，成面狀或片狀集中分布；林地、水域、建設(shè)用地和積雪冰川面積較小，分別占研究區(qū)面積的2.74%、1.37%、1.05%、1.62%(2020年)，呈線狀、點狀散布。

(2)1990—2020年間耕地、林地、水域和建設(shè)用地面積分別增加8 025.20、1 423.56、668.23、1 330.76 km2，分別增長了研究區(qū)面積的5.40%、0.96 %、0.45 %、0.89%；草地、未利用地和積雪冰川面積分別減小了7 134.89、464.96、3 847.78 km2，分別減小了研究區(qū)面積的4.80%、0.31%、2.59%。耕地和建設(shè)用地面積增加主要與草地和未利用地面積減少，而高山積雪冰川融化后大90%以上面積轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫睾筒莸亍?/p>

2.2 耕地分布及面積的時空動態(tài)變化特征

從地理分布看，天山北坡經(jīng)濟帶耕地呈帶狀和片狀分布在天山山前沖洪積扇、沖積扇邊緣帶和沖積平原上，面積占研究區(qū)面積的9.6%以上，在1990—2020年期間呈持續(xù)增長趨勢。其中:

1990—2000年期間，耕地雙向轉(zhuǎn)化頻繁(Ps=0.29)，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出空間變化大(Rss=34.80)(表1)。其他地類轉(zhuǎn)耕地3 218.434 km2，其中草地和未利用地分別向耕地轉(zhuǎn)入2 638.36、552.79 km2(圖4)，分別占轉(zhuǎn)入耕地面積的81.98%和12.22%，是新增耕地的主要來源,主要發(fā)生(轉(zhuǎn)入面積>100 km2)在烏蘇市、博樂市、呼圖壁縣、奇臺縣、溫泉縣和瑪納斯縣。耕地轉(zhuǎn)其他類型1 752.46 km2，其中分別向草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)入了1 589.23、73.83 km2，分別占轉(zhuǎn)出耕地面積的90.69%和4.21%,主要發(fā)生在烏魯木齊市和石河子市。

表1 1990—2020年耕地定量分析統(tǒng)計模型參數(shù)

2000—2010年期間，耕地由雙向轉(zhuǎn)化逐漸過渡到單向轉(zhuǎn)入(Ps=0.76)，轉(zhuǎn)入空間變化增大(Rss=45.60)。其他地類向耕地轉(zhuǎn)入6 332.39 km2，使得耕地面積增加了5 544.4 km2，其中草地和未利用地分別向耕地轉(zhuǎn)入了4 587.90、1 713.1 km2，分別占轉(zhuǎn)入耕地面積的72.45%、27.05%，主要發(fā)生在沙灣縣、烏蘇縣、克拉瑪依市呼圖壁縣和瑪納斯縣(新增耕地面積>400 km2)。耕地轉(zhuǎn)其他地類面積847.51 km2，其中分別向草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)入了660.14、100.41 km2，分別占轉(zhuǎn)出耕地面積的77.89%、11.85%。

2010—2020年耕地面積繼續(xù)擴大，單向轉(zhuǎn)入減小，雙向轉(zhuǎn)化頻繁(Ps=0.18)。其中林地、草地、水域、建設(shè)用地和荒漠分別向耕地轉(zhuǎn)入了11.96、2 922.87、37.08、0.13、320.03 km2，主要發(fā)生在烏蘇縣和沙灣縣。耕地轉(zhuǎn)其他地類面積2 270.35 km2，其中有92.01%和5.17%分別轉(zhuǎn)入了草地和建設(shè)用地,主要發(fā)生在烏魯木齊市和奇臺縣。

從行政區(qū)劃上看，耕地主要分布在沙灣縣、烏蘇市、瑪納斯縣、奇臺縣、呼圖壁縣和昌吉市(表2)，分別占耕地面積的18.61%、14.21%、10.30%、6.61%、8.54%和6.01%(2020年)。1990—2020年期間，除烏魯木齊市和石河子市外分別減小403.14 km2和109.39 km2，其余各縣市的耕地面積均呈持續(xù)增長趨勢，其中，烏魯木齊市和石河子烏蘇市、沙灣縣、呼圖壁縣、克拉瑪依市、瑪納斯縣、精河縣、博樂市耕地面積增長較大，新增耕地面積分別為1 655.11、1 590.43、812.72、804.73、592.90、563.93、538.29 km2；奎屯市、克拉瑪依市、溫泉縣和烏蘇市耕地面積增速較快，至2020年耕地面積分別達到631.37、1 282.34、587.49、3 170.69 km2，新增耕地面積分別為各縣市1990年耕地面積的2.75、1.68、1.18和1.09倍。

為進一步分析耕地的時空變化，本文計算1990—2020年天山北坡經(jīng)濟帶各時期耕地重心及遷移距離，結(jié)果(表3、表4)表明各時期耕地重心均向西北方向、沙漠方向遷移，該移動方向與西北方向低覆蓋度草地和沙漠大面積轉(zhuǎn)為耕地密切相關(guān)，說明天山北坡經(jīng)濟帶綠洲擴張主要向西北方向發(fā)展。

表2 1990—2020年各縣市耕地面積統(tǒng)計表 單位：km2

圖4 1990—2020年各時期研究區(qū)耕地時空變化分布圖

圖5 1990—2020年研究區(qū)各時期年平均溫度及趨勢變化

表3 研究區(qū)耕地重心坐標

表4 研究區(qū)耕地重心遷移情況

2.3 耕地變化的驅(qū)動力分析

2.3.1滴灌農(nóng)業(yè)及沙漠的增溫效應(yīng)對耕地擴張有顯著的促進作用

由本研究結(jié)果(圖4)可發(fā)現(xiàn)草地與荒漠是新增耕地的主要來源，這主要與干旱區(qū)滴灌農(nóng)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展和沙漠的增溫效應(yīng)相關(guān)，例如，滴灌技術(shù)的大面積推廣提高了農(nóng)田水分利用效率、增加了地表溫度，減少了土壤次生鹽漬化[20-21]，改善了農(nóng)作物生長環(huán)境，為天山北坡經(jīng)濟帶耕地面積增加提供了技術(shù)保障[8]。

天山北坡經(jīng)濟帶西段海拔較東段低，西北向溫度高于東段，古爾班通古特沙漠主體位于西段耕地北面，夏季沙漠增溫效應(yīng)更為顯著。低海拔和明顯的沙漠增溫效應(yīng)使得西段耕地熱量條件優(yōu)于東段(圖5)。該條件有利于棉花、番茄等喜溫經(jīng)濟作物生長。通過查閱新疆統(tǒng)計年鑒可知，棉花、番茄兩種經(jīng)濟作物種植比例天山經(jīng)濟帶西段明顯高于東段，呈現(xiàn)出自西向東逐漸減少的趨勢。

2.3.2 氣候的暖濕化有利于干旱區(qū)植被生長

由本研究結(jié)果(圖5、圖6)可發(fā)現(xiàn)，近30年來天山北坡經(jīng)濟帶山前草地、綠洲區(qū)及綠洲與荒漠交錯帶降水呈增加趨勢，這促進了北部綠洲、綠洲與荒漠交錯帶的農(nóng)業(yè)發(fā)展，致使耕地重心向北部沙漠方向移動。此外，天山北坡經(jīng)濟帶西北向較明顯的增雨效應(yīng)是植被生長的重要優(yōu)勢條件，也是耕地向西北方向擴張的重要原因。

圖6 1990—2018 年研究區(qū)各時期年平均降水量及趨勢變化

2.3.3“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略快速實施促進了新疆農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展

自2000年“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略實施以來，新疆不斷調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)[22]，促進了新疆糧食、棉花、特色林果基地的建設(shè)穩(wěn)步推進[23]，促使第一產(chǎn)業(yè)對經(jīng)濟增長的貢獻率高于全國平均水平[24]，2019年全區(qū)棉花產(chǎn)量占全國棉花總產(chǎn)量的84.9%，成為國內(nèi)最重要的棉花種植基地之一，特色農(nóng)業(yè)發(fā)展成效明顯。另外，近年來天山北坡經(jīng)濟帶農(nóng)業(yè)已從單純的糧食、棉花生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為多元化農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，這促進了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益的極大增加和新疆農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。

4 結(jié)論

本文以干旱區(qū)典型農(nóng)業(yè)經(jīng)濟區(qū)—天山北坡經(jīng)濟帶為研究區(qū)，基于1990—2020年4期Landsat遙感影像土地利用解譯數(shù)據(jù)，借助于3S技術(shù)手段、耕地定量分析統(tǒng)計模型、耕地重心遷移模型及氣候時空變化趨勢模型，分析干旱區(qū)綠洲耕地的分布特征及時空變化過程，并結(jié)合當?shù)貧夂蛘w變化和灌溉模式探究了干旱區(qū)綠洲耕地的驅(qū)動因素，得出以下結(jié)論：

(1)1990—2020年期間，天山北坡經(jīng)濟帶土地利用類型以草地、未利用地、耕地為主，其中，耕地和建設(shè)用地持續(xù)增加，高山積雪冰川融化大面積轉(zhuǎn)為裸地和草地，草地面積大幅度增加是該時期土地利用變化的主要特征。

(2)從行政區(qū)劃看，耕地主要分布、面積持續(xù)增加的區(qū)域集中分布在天山北坡經(jīng)濟帶中西段沙灣縣、瑪納斯縣、烏蘇市、呼圖壁縣、昌吉市、精河縣、克拉瑪依市和博樂市。

(3)1990—2020年耕地總面積持續(xù)增加，耕地轉(zhuǎn)入面積均大于轉(zhuǎn)出面積，其中草地和未利用地是新增耕地主要來源。

(4)1990—2020年期間，天山北坡經(jīng)濟帶西段在優(yōu)良的光熱條件、膜下滴灌技術(shù)的普及、經(jīng)濟利益的驅(qū)動、政策引導、克拉瑪依市的開發(fā)等多重作用力的驅(qū)動下(自然條件、經(jīng)濟、政治政策、農(nóng)業(yè)技術(shù))，大面積的土地被開發(fā)或復墾，促使天山北坡經(jīng)濟帶耕地重心整體向西北方向偏移。

(5)滴灌農(nóng)業(yè)的發(fā)展促進了提高水資源利用效率的，促使大面積荒漠荒草區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾涂筛?、適耕地面積極大的增加，這有利于新疆農(nóng)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。