昆比克·巴合吐?tīng)柡?居麥尼亞孜·賽迪艾合麥提 滿(mǎn)蘇爾·沙比提 阿斯耶·奧布力塔力普

(新疆師范大學(xué)，烏魯木齊，830054)

土地利用變化是人與自然交互作用影響下的具體體現(xiàn)[1]，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地利用和覆被變化過(guò)程(LUCC)也隨之發(fā)生了巨大的改變。1995年，國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)和國(guó)際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃(IHDP)共同發(fā)起了“土地利用和覆被變化(LUCC)”研究，使得其研究在全球變化中占據(jù)了重要位置[2-5]，在全球范圍內(nèi)成為了熱點(diǎn)問(wèn)題[6-9]。

新疆綠洲的規(guī)模雖不大，但它卻擔(dān)負(fù)著干旱區(qū)主要的人類(lèi)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，其土地利用狀況對(duì)干旱區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和資源的協(xié)調(diào)起著重要的作用，影響兩者之間協(xié)調(diào)。因此，科學(xué)合理地研究土地利用的變化和演化規(guī)律，對(duì)土地利用的未來(lái)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以為綠洲土地資源的合理開(kāi)發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境的改善、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的參考。目前，許多學(xué)者對(duì)干旱區(qū)綠洲的土地利用狀況進(jìn)行了大量的研究，主要集中于土地利用的變化特征[10-12]、驅(qū)動(dòng)力因子[13-15]、生態(tài)服務(wù)價(jià)值和土地生態(tài)安全的評(píng)價(jià)[16-18]，在干旱區(qū)綠洲LUCC研究方面取得了許多成果。雖然干旱區(qū)綠洲土地利用和覆被變化研究日趨成熟，但多數(shù)研究關(guān)注歷史現(xiàn)狀變化過(guò)程，而缺乏預(yù)測(cè)未來(lái)狀況的研究。為此，本文以于田縣為研究區(qū)域，運(yùn)用土地利用變化動(dòng)態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣，對(duì)于田縣2000—2020年的土地利用和覆被變化進(jìn)行了定量分析，并應(yīng)用Markov-FLUS模型對(duì)田縣2030年的土地利用和覆被情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，對(duì)研究區(qū)的土地資源管理、維護(hù)生態(tài)安全提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

于田縣在新疆維吾爾自治區(qū)南部，塔克拉瑪干沙漠南緣，昆侖山北麓，位于81°9′～82°51′E，35°14′～39°29′N(xiāo)，東西寬30～120 km，南北長(zhǎng)466 km，全縣面積3.95×104km2。地勢(shì)南高北低，地形呈南北長(zhǎng)帶形，呈牛腿狀。從南到北劃分為高山帶、中山帶、低山丘陵帶、山前戈壁、礫石平原帶、沖洪積平原帶和沙漠帶。氣候?qū)倥瘻貛?nèi)陸干旱荒漠氣候，南部山區(qū)涼爽、中部平原暖溫、北部則極度干旱。光照與熱量豐富，年平均氣溫11.6 ℃，無(wú)霜期為200 d，年均降水量為47.7 mm，年平均蒸發(fā)量為2 432.1 mm。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文選用的2000、2005和2010年landsat5TM影像和2015和2020年landsat8OLI影像與DEM數(shù)據(jù)均下載于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m，挑選成像時(shí)間為6、7、8月，夏季無(wú)云或少云等質(zhì)量較好的影像。參照GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》，并結(jié)合于田縣實(shí)際土地利用實(shí)況，通過(guò)監(jiān)督分類(lèi)(最大似然法)和目視解譯相結(jié)合的方法，將研究區(qū)土地類(lèi)型劃分為耕地、林地、草地、水域、冰川、建設(shè)用地和未利用地，共7個(gè)地類(lèi)(其中未利用地包括沙地、戈壁、鹽堿地、裸土地、裸巖石礫地)，用混淆矩陣方法進(jìn)行精度檢驗(yàn)，分類(lèi)總體精度均在90%以上，符合研究需要；氣象數(shù)據(jù)由國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://www.geodata.cn/)獲得；河流水系、交通道路和行政中心等數(shù)據(jù)通過(guò)ArcGIS軟件中的距離分析工具獲得；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《于田縣統(tǒng)計(jì)年鑒》和《于田縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度可以量化描述某種土地利用類(lèi)型在某一時(shí)期內(nèi)的變化速度[19]，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：K是某種土地利用類(lèi)型在研究時(shí)段的單一動(dòng)態(tài)度；Ua和Ub分別是某種土地利用類(lèi)型研究初期的面積和研究末期的面積；T是研究時(shí)段；K值就表示該研究區(qū)此土地利用類(lèi)型在這研究時(shí)段內(nèi)的年變化率。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣是一種國(guó)際上通用的可定量分析出各土地利用類(lèi)型間的變化方向的方法，能夠全面且具體地反映出該區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各個(gè)土地利用類(lèi)型的變動(dòng)方向[20]，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：Sij是第i種土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換為第j種土地利用類(lèi)型的面積；i、j分別是研究初期和末期的土地利用類(lèi)型；n是土地利用類(lèi)型的數(shù)量，本文中n為7。

2.4 Markov-FLUS模型

FLUS模型是以元胞自動(dòng)機(jī)(CA)為基礎(chǔ)，引入了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ANN)，依照初期的土地利用格局和驅(qū)動(dòng)因子，得到各土地利用類(lèi)型的適宜性概率，結(jié)合模型相關(guān)參數(shù)，采用基于輪盤(pán)賭選擇的自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的CA模型，有效地解決不同土地利用類(lèi)型在自然和人為因素的雙重作用下發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)的復(fù)雜性，最后得出土地利用的模擬結(jié)果。FLUS模型需要事先用Markov對(duì)未來(lái)各類(lèi)用地的需求量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將其作為FLUS模型中的規(guī)模需求參數(shù)。

根據(jù)于田縣的土地利用現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)可獲取性，并參考相關(guān)研究[21-23]，從自然地理、交通區(qū)位、社會(huì)經(jīng)濟(jì)3方面，選擇了高程、坡度、降水、溫度、蒸發(fā)量、距縣中心距離、距公路距離、距鐵路距離、距水系距離、人口密度和GDP密度，共11項(xiàng)驅(qū)動(dòng)因子。首先，以2010年土地利用數(shù)據(jù)為基期，以及土地利用適宜性概率分布情況，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用該模型對(duì)研究區(qū)2020年的土地利用狀況進(jìn)行模擬，并與2020年的實(shí)際狀況對(duì)比，得出了總體精度為0.982，Kappa系數(shù)為0.971，模擬精度達(dá)到了較高的水平，說(shuō)明FLUS模型在研究區(qū)應(yīng)用效果良好，可以用于模擬研究區(qū)2030年的土地利用狀況。然后，依據(jù)于田縣歷史土地利用變化的規(guī)律，結(jié)合對(duì)研究區(qū)生態(tài)安全的考慮，分別設(shè)慣性發(fā)展情景和生態(tài)優(yōu)化情景，以2020年為基期，對(duì)于田縣2030年兩種情景下的土地利用狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。慣性發(fā)展情景是在沒(méi)有人為干涉和限制的前提下，根據(jù)研究區(qū)的歷史土地利用變化的趨勢(shì)，故以2010—2020年土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移概率矩陣，運(yùn)用Markov模型預(yù)測(cè)各地類(lèi)的未來(lái)規(guī)模，將其作為規(guī)模需求參數(shù)。生態(tài)保護(hù)情景是在慣性發(fā)展情景的基礎(chǔ)上，控制生態(tài)用地向其他用地類(lèi)型的轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)對(duì)生態(tài)用地的保護(hù)，設(shè)林地和草地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的概率減少50%，水域向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的概率減緩30%，得到生態(tài)保護(hù)情景下的各地類(lèi)未來(lái)規(guī)模。接著，以2020年土地利用數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型獲得研究區(qū)2030年各用地類(lèi)型的適宜性概率分布情況，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)，模擬預(yù)測(cè)得到于田縣2030年慣性發(fā)展情景和生態(tài)保護(hù)情景下的土地利用空間分布狀況。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用面積變化

根據(jù)研究區(qū)5期土地利用數(shù)據(jù)，得到各土地利用和覆被類(lèi)型的面積變化情況。如表1與圖1所示，未利用地是于田縣主要的土地利用類(lèi)型，約占整個(gè)研究區(qū)總面積的75%以上。其次是草地，在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布。冰川只分布在南邊的山區(qū)，耕地和建設(shè)用地主要分布在中部的綠洲，其他土地利用類(lèi)型在整個(gè)研究區(qū)都有零散分布，建設(shè)用地所占面積最少。2000—2005年，耕地的增加面積最大，為89.10 km2。未利用地的面積減少最大，為95.18 km2。

圖1 2000—2020年于田縣土地利用和覆被類(lèi)型

表1 2000—2020年土地利用和覆被類(lèi)型面積變化

此階段，耕地和未利用地面積變化較大，其他土地利用類(lèi)型都是小幅度變化，是由于人口持續(xù)增長(zhǎng)的壓力，耕地的面積快速增加。2005—2010年，各土地利用類(lèi)型的面積變化最強(qiáng)烈，尤其是草地、冰川和未利用地。草地面積大幅度增加，增加面積為2 256.56 km2，水域與上個(gè)階段相比，面積增加相對(duì)明顯。冰川和未利用地大幅度減少，減少面積分別為958.26、1 297.34 km2。2010—2015年，耕地增加面積最大，增加面積為100.55 km2，耕地的面積不斷擴(kuò)大。未利用地持續(xù)減少，減少面積為56.68 km2。草地從2010年開(kāi)始出現(xiàn)減少趨勢(shì)，減少面積為51.37 km2。2015—2020年，耕地、水域、建設(shè)用地面積增加。林地、草地、冰川和未利用地面積減少，其中未利用地減少面積最大，其他土地利用類(lèi)型變化趨勢(shì)基本平穩(wěn)。2000—2020年，耕地、草地、水域和建設(shè)用地的面積均呈增加趨勢(shì)，其中耕地和草地的變化面積較大。林地、冰川和未利用地呈減少趨勢(shì)，其中冰川和未利用地大幅度減少?？傊?，雖然研究區(qū)未利用地所占面積較大，但在這20 a間減少幅度大，同時(shí)研究區(qū)耕地和建設(shè)用地明顯增加，未利用土地不斷被開(kāi)發(fā)、面積持續(xù)減少。

3.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

通過(guò)公式(1)計(jì)算求得于田縣不同時(shí)段土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度(表2)，結(jié)果反映了于田縣土地利用類(lèi)型的變化幅度與趨勢(shì)。從表2可以看出，2000—2005年，耕地和建設(shè)用地變化幅度較大，增加趨勢(shì)顯著。其他土地利用類(lèi)型的變化幅度較小。2005—2010年，草地和水域增加幅度較大。冰川、未利用地減少幅度較大，其中冰川的變化幅度最大，其規(guī)模下降非常明顯。未利用地的減少面積很大，但因其基數(shù)較大的原因，年變化率并不顯著。2010—2015年，耕地和建設(shè)用地的單一動(dòng)態(tài)度相比上個(gè)階段有增幅，繼續(xù)保持增加的趨勢(shì)。水域和冰川單一動(dòng)態(tài)度接近零，經(jīng)上個(gè)階段大幅度變化后相對(duì)比較穩(wěn)定。2015—2020年，變化幅度最大的為建設(shè)用地，其他土地利用類(lèi)型的變化幅度相對(duì)穩(wěn)定。建設(shè)用地規(guī)模雖小，但是因其面積持續(xù)增加，并且與其基數(shù)相比增長(zhǎng)的數(shù)量較大使變化幅度明顯。

表2 2000—2020年土地利用和覆被動(dòng)態(tài)度變化

3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

分別獲得5個(gè)階段土地利用類(lèi)型面積的轉(zhuǎn)移矩陣，將其用桑吉圖的形式進(jìn)行了可視化表達(dá)。由圖2可知，各土地利用類(lèi)型之間存在不同程度的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移。在2000—2005年，耕地的增加變化突出，未利用地是增加的主要來(lái)源。水域、林地和建設(shè)用地的基數(shù)較小，因此發(fā)生轉(zhuǎn)化的面積也較小。2005—2010年，研究區(qū)各土地利用類(lèi)型發(fā)生了強(qiáng)烈地變化，尤其是未利用地、草地和冰川之間大面積地相互轉(zhuǎn)化。未利用地主要轉(zhuǎn)向?yàn)椴莸睾透?，同時(shí)從草地、冰川大面積轉(zhuǎn)入；草地主要轉(zhuǎn)向?yàn)楦睾臀蠢玫?，主要從未利用地和冰川轉(zhuǎn)入；冰川主要轉(zhuǎn)向?yàn)椴莸睾臀蠢玫?。耕地的面積不斷增加，轉(zhuǎn)換為其余土地利用類(lèi)型較少。2010—2015年，耕地的增加是該時(shí)段的主要特征，主要從未利用地和草地轉(zhuǎn)入，其他土地利用類(lèi)型面積變化較小。2015—2020年，草地和未利用地發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，耕地和建設(shè)用地呈持續(xù)增加趨勢(shì)，主要從未利用地轉(zhuǎn)入，其他土地利用類(lèi)型變化保持穩(wěn)定?？偟膩?lái)說(shuō)，這20 a間，耕地以轉(zhuǎn)入為主，主要轉(zhuǎn)入來(lái)源為未利用地和草地。建設(shè)用地面積持續(xù)擴(kuò)大，未利用地是主要來(lái)源。大量未利用地和冰川轉(zhuǎn)化為草地，同時(shí)一部分草地退化，轉(zhuǎn)變成未利用地。其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出基本平衡，且變化趨于穩(wěn)定。

3.4 土地利用變化模擬結(jié)果分析

由預(yù)測(cè)結(jié)果(圖3、表4)來(lái)看，在慣性發(fā)展情景下，2030年未利用地仍是于田縣主要的土地利用類(lèi)型，面積占最大比重。與相比2020年，耕地依舊呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，建設(shè)用地迅速擴(kuò)張，增加趨勢(shì)最為顯著，研究區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，進(jìn)入一個(gè)加速的發(fā)展階段，需要大量土地用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)。未利用地面積減少量最大，仍有大量未利用地向其他地類(lèi)轉(zhuǎn)化，土地利用程度將繼續(xù)提高。草地在此情景下則呈減少趨勢(shì)且減少幅度較大，與2020年相比面積減少了48.93 km2。林地、冰川和水域的面積變化比較小。根據(jù)慣性發(fā)展情景的預(yù)測(cè)結(jié)果，若未來(lái)各土地利用類(lèi)型保持該變化趨勢(shì)，耕地和建設(shè)用地將快速擴(kuò)張，而林地、草地等生態(tài)用地逐漸減少，若不進(jìn)行適度的調(diào)整，將會(huì)威脅研究區(qū)生態(tài)安全。而在生態(tài)保護(hù)情景下，林地、草地和水域面積都得到增長(zhǎng)，相比于2020年，2030年此情景下林地反而呈增加趨勢(shì)，與慣性發(fā)展情景相比，林地和水域面積均有小幅度上升。草地與慣性發(fā)展情景下的減少趨勢(shì)不同，此情景下呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，并增加幅度較大。耕地仍呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但增加幅度相比慣性發(fā)展情景明顯降低，面積僅增加29.49 km2。建設(shè)用地的擴(kuò)張幅度也得到制約，從慣性發(fā)展情景的627.03 km2減少為569.02 km2。此外，未利用地與慣性發(fā)展情景相比面積進(jìn)一步縮小，減少幅度增加。

圖2 2000—2020年5期于田縣土地利用和覆被類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣桑吉圖

圖3 2030年于田縣土地利用和覆被類(lèi)型空間模擬預(yù)測(cè)結(jié)果

表4 2030年于田縣土地利用和覆被類(lèi)型面積模擬預(yù)測(cè)結(jié)果

4 討論

通過(guò)對(duì)研究區(qū)土地利用和覆被變化進(jìn)行分析，研究表明，2000—2020年期間，于田縣各土地利用類(lèi)型發(fā)生了不同程度的變化，研究區(qū)耕地和建設(shè)用地持續(xù)增加，滿(mǎn)足了人口持續(xù)增長(zhǎng)的壓力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，這與過(guò)去對(duì)干旱地區(qū)綠洲的土地利用和覆被變化的研究成果相似[24-26]。研究區(qū)南部山地的冰川在全球變暖的影響下迅速消融，冰川融水為草地的擴(kuò)張?zhí)峁┧Y源保障，以及研究區(qū)的土地利用程度提高，未利用地得到開(kāi)發(fā)的原因，草地、冰川和未利用地發(fā)生大幅度變化[24，27]。

研究土地利用和覆被變化的現(xiàn)狀可以更為直觀的了解研究區(qū)的土地利用狀況，預(yù)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)土地利用變化未來(lái)可能存在的問(wèn)題[23，28]。研究區(qū)多情景預(yù)測(cè)結(jié)果表明，如果耕地和建設(shè)用地不受約束的迅速擴(kuò)張，可能會(huì)導(dǎo)致研究區(qū)生態(tài)用地減少，其中草地能起到防風(fēng)固沙的作用，會(huì)抑制沙漠化，改善生態(tài)安全[29]。因此，合理調(diào)控研究區(qū)內(nèi)耕地、建設(shè)用地和生態(tài)用地之間的轉(zhuǎn)化，對(duì)其生態(tài)安全的維護(hù)具有重要參考價(jià)值，可以為土地資源的管理提供決策思路。同時(shí)，由于土地利用是一種動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的過(guò)程，很難準(zhǔn)確地反映出各類(lèi)型的未來(lái)演變狀況。模型用到的驅(qū)動(dòng)因子的選擇容易受到主觀性和數(shù)據(jù)可獲取性的影響，加之政策因素難以量化、難以獲得，使得預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性增大，并且在設(shè)置模型參數(shù)的過(guò)程中，參數(shù)稍有不同也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不同的結(jié)果。因此，今后的研究更加重視驅(qū)動(dòng)因子的挑選，設(shè)定更為精確的模型參數(shù)，以提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

于田縣主要土地利用類(lèi)型是未利用地。2000—2020年，耕地和建設(shè)用地保持持續(xù)增加趨勢(shì)，未利用地持續(xù)減少，其他土地利用類(lèi)型在2005—2010年變化劇烈，其他年份相對(duì)穩(wěn)定。各土地利用類(lèi)型變化幅度程度不同，其中建設(shè)用地變化幅度最大。

2000—2020年，各土地利用類(lèi)型之間發(fā)生了不同程度的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移。耕地以轉(zhuǎn)入為主，其擴(kuò)張占據(jù)了大量的未利用地和草地，建設(shè)用地保持持續(xù)擴(kuò)張，未利用地是主要來(lái)源，草地、冰川和未利用地之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，說(shuō)明這20 a內(nèi)，耕地和建設(shè)用地朝著規(guī)模擴(kuò)大的方向發(fā)展，未利用土地得到開(kāi)發(fā)，頻繁地向其他用地轉(zhuǎn)換，其他土地利用類(lèi)型變化趨于穩(wěn)定。

從Markov-FLUS模型預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，2030年慣性發(fā)展情境下耕地和建設(shè)用地大幅度增加，林地、水域和冰川變化微弱，草地和未利用地面積減少較大；而生態(tài)保護(hù)情景下，各用地類(lèi)型的變化在不同程度上得到調(diào)整，林地、草地和水域面積全部得到增長(zhǎng)，耕地和建設(shè)用地的擴(kuò)張受到一定制約，在加強(qiáng)研究區(qū)生態(tài)用地保護(hù)的同時(shí)，也保障了研究區(qū)城鎮(zhèn)化的發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)更加趨于合理化，對(duì)改善于田縣的整體環(huán)境具有重要意義。