摘要：為解析阿克蘇地區(qū)土地覆被變化及其影響因素，采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和景觀格局分析法，通過(guò)解譯遙感影像繪制了不同年份的土地覆被變化現(xiàn)狀圖。結(jié)果表明，阿克蘇地區(qū)的土地利用類型發(fā)生了顯著變化。2000—2020年，阿克蘇地區(qū)的耕地和城鄉(xiāng)、居民工礦用地明顯增多，其他類型的用地逐漸減少；同期氣候呈暖干特點(diǎn)。相關(guān)性分析表明，不同年份的景觀格局指數(shù)與6類用地面積的相關(guān)性存在一定差異：斑塊數(shù)量與地類面積的相關(guān)性由2000年的0.6下降至2020年的0.3；景觀分割指數(shù)與不同類型用地面積的相關(guān)性由2000年的0.6上升至2020年的0.9。草地向未利用地轉(zhuǎn)移6 255 hm2，耕地向草地轉(zhuǎn)移最多為3 706.16 hm2，未利用地向草地轉(zhuǎn)移11 848.8 hm2。景觀格局分析表明，該區(qū)域景觀呈現(xiàn)破碎化，土地承載力下降，抵抗生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的能力減弱。

關(guān)鍵詞：土地覆被變化；土地利用類型；景觀格局；降水

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.1062

中圖分類號(hào)：S28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008‐0864（2024）08‐0172‐08

在全球氣候環(huán)境變化趨勢(shì)下，土地利用和土地覆被動(dòng)態(tài)變化越來(lái)越被認(rèn)為是一個(gè)關(guān)鍵和迫切的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。土地利用/覆被變化（land use/cover change，LUCC）在全球環(huán)境變化研究中被認(rèn)為是重要的研究領(lǐng)域[2]，它是全球環(huán)境變化的關(guān)鍵因素之一，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類活動(dòng)有深遠(yuǎn)影響[3-5]。通過(guò)對(duì)比蘇州地區(qū)20年間的遙感影像，李一瓊等[6]發(fā)現(xiàn)，人類行為活動(dòng)與土地利用和土地覆被有很大的相關(guān)性；王家偉[7]研究黃陵縣并對(duì)其土地利用變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)表明，研究區(qū)農(nóng)用地將會(huì)減少，裸地和建設(shè)用地增多，應(yīng)加大土地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出力度。莫惠萍等[8]利用2年的土地轉(zhuǎn)移矩陣研究了贛州地區(qū)的土地利用變化，認(rèn)為景觀格局變化是多種因素耦合作用下生態(tài)環(huán)境變化的系統(tǒng)反映，其中包括人為和自然因素，是土地利用和土地覆被動(dòng)態(tài)變化重要驅(qū)動(dòng)力。孔祥倫等[9]通過(guò)研究人為因素和自然因素的驅(qū)動(dòng)軌跡發(fā)現(xiàn)，人類活動(dòng)在黃河三角洲土地利用/覆被變化過(guò)程中起主要作用。馬瑞芳等[10]研究了近19年西安土地覆被和景觀格局變化，發(fā)現(xiàn)該區(qū)建設(shè)用地破碎化程度較高，且耕地林地破碎化程度升高，景觀格局趨向多態(tài)性和異質(zhì)性。米爾扎提江·木艾塔爾江等[11]對(duì)新疆葉城縣土地利用變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)草地、水域面積上升，林地面積下降；常雪兒等[12]對(duì)新疆喀什噶爾河流域的土地利用變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)草地和水域面積下降，林地穩(wěn)定但有上升的趨勢(shì)，說(shuō)明在新疆不同區(qū)域的土地覆被變化存在差異。綜上所述，土地覆被與人類活動(dòng)相關(guān)，同時(shí)土地覆被變化會(huì)引起景觀格局動(dòng)態(tài)變化，因此，研究區(qū)域內(nèi)重要景觀的時(shí)空變化規(guī)律對(duì)支撐本地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。由于目前未深入解析不同景觀要素之間的轉(zhuǎn)化特征，尚不能對(duì)阿克蘇地區(qū)土地的承載力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。為緩解阿克蘇地區(qū)人口增長(zhǎng)以及耕地資源緊缺等問(wèn)題，解析阿克蘇地區(qū)土地利用/覆被變化的特征十分必要。本研究采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和景觀格局分析的方法，通過(guò)解譯遙感影像繪制不用年份的土地覆被變化現(xiàn)狀圖，分析阿克蘇地區(qū)土地利用類型的變化，預(yù)測(cè)該區(qū)域的土地承載力，為在暖干氣候下阿克蘇地區(qū)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

阿克蘇地區(qū)（39° 28′57″—41° 30′10″N，79°43′26″—82°00′38″E）北高南低，由西北向東南傾斜。北部山峰多，南部是塔克拉瑪干沙漠，中部多種地形交叉存在。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所和全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)。土地利用原始數(shù)據(jù)為2000 和2020 年的柵格數(shù)據(jù)，為2 期Landsat TM/ETM遙感影像，通過(guò)處理解譯得到，在ArcGIS中處理遙感圖像得到2000和2020年2期的土地利用類型。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院研究所數(shù)據(jù)將該區(qū)域土地類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)居民工礦用地和未利用地6類。

1.3 研究方法

1.3.1 圖像矢量化 利用 ENVI5.1 對(duì)2000 和2020年 2 期的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)合Arc GIS處理遙感影像。

1.3.2 轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾可夫模型[13]在土地利用方面的應(yīng)用，能夠清晰地反映不同土地類型之間的轉(zhuǎn)化情況。選取阿克蘇地區(qū) 2000和2020 年2期遙感影像，利用 ArcGIS進(jìn)行裁剪、疊加分析、重分類等功能和Excel 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，得到阿克蘇地區(qū)從2000到2020 年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

1.3.3 景觀格局指數(shù) 依賴 ArcGIS 和 Fragstats 3.3軟件，計(jì)算阿克蘇地區(qū)土地利用景觀指數(shù)[11]，在景觀類型上取最大斑塊指數(shù) （largest patch index，LPI）、斑塊密度 （patch density，PD）、斑塊數(shù)量（number of patch，NP）、景觀分割指數(shù)（landscapedivision index，DIVISION）、平均分形維數(shù)（averagefractal dimension，F(xiàn)RAC）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（Shannon diversity index，SHDI）、景觀聚集度指數(shù)（aggregation index，AI）、分離度指數(shù)（splittingindex，SPLIT）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

以2000—2020年阿克蘇地區(qū)土地利用的數(shù)據(jù)結(jié)合2000和2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行分析，結(jié)果（圖1和表1）表明，2個(gè)時(shí)期中未利用地占比最大，分別為58%（2000年）和63%（2020年）。與2000年相比，2020年的耕地和未利用地增多；水域明顯減少；城鄉(xiāng)居民工礦用地零星分布，在東南部和中部有所增加。耕地、林地、城鄉(xiāng)居民工礦用地、未利用地的面積分別從2000年的835 762.0、465 385.0、40 111.5、7 378 710.0 hm2 增加到2020年的1 343 820.0、543 679.0、66 688.6、8 002 850.0 hm2；草地、水域面積分別從2000 年的3 588 080.0、465 785.0 hm2 減少到2020 年的2 595 150.0、223 699.0 hm2。20年間，耕地、林地、城鄉(xiāng)居民工礦用地、未利用地面積分別增加508 058.0、78 294.0、26 577.1、624 140.0 hm2；草地和水域面積分別減少992 930.0、242 086.0 hm2。

對(duì)比2000和2020年土地利用類型的變化，結(jié)果（表2）表明，有25.90%的草地轉(zhuǎn)化為未利用地；50.04%的城鄉(xiāng)用地轉(zhuǎn)化為耕地；27.59%的耕地轉(zhuǎn)化為草地；53.49%的林地轉(zhuǎn)化為草地，5.68%的林地轉(zhuǎn)化為耕地；水域中，16.00% 轉(zhuǎn)化為草地，11.78% 轉(zhuǎn)化為未利用地，2.58% 轉(zhuǎn)化為耕地，4.05%轉(zhuǎn)化為林地；未利用地中，14.81%轉(zhuǎn)化為草地，0.21%轉(zhuǎn)化為耕地。

2.2 景觀格局變化分析

由表3 可知，在2000 年，草地的斑塊密度（PD）最大，耕地最?。晃蠢玫氐淖畲蟀邏K指數(shù)（LPI）最大，林地最小；林地和城鄉(xiāng)工礦建設(shè)用地的景觀分割指數(shù)（DIVISION）最大，未利用地最??；城鄉(xiāng)工礦建設(shè)用地的分離度指數(shù)（SPLIT）最大，未利用地最小；未利用地的景觀聚集度指數(shù)（AI）最大，城鄉(xiāng)工礦建設(shè)用地最小；草地的斑塊數(shù)量（NP）最大，城鄉(xiāng)工礦建設(shè)用地最小。在2020年，PD表現(xiàn)為城鄉(xiāng)居民工礦用地gt;耕地gt;林地gt;草地gt;未利用地gt;水域；LPI表現(xiàn)為未利用地gt;草地gt;耕地gt;林地gt;城鄉(xiāng)居民工礦用地gt;水域；DIVISION表現(xiàn)為水域=城鄉(xiāng)居民工礦用地gt;林地gt;耕地gt;草地gt;未利用地；SPLIT表現(xiàn)為城鄉(xiāng)居民工礦用地gt;水域gt;林地gt;耕地gt;草地gt;未利用地；AI表現(xiàn)為未利用地gt;草地gt;耕地gt;林地gt;水域gt;城鄉(xiāng)居民工礦用地；NP表現(xiàn)為草地gt;林地gt;水域gt;未利用地gt;耕地gt;城鄉(xiāng)居民工礦用地。

從2000 年至2020 年，NP 持續(xù)增長(zhǎng)，說(shuō)明景觀的破碎化程度逐步提高；PD呈上升趨勢(shì)，這與阿克蘇地區(qū)未利用地面積的增加以及草地面積的減少有關(guān)，水域、未利用地、林地、工礦用地的PD波動(dòng)性較大，耕地PD最小，破碎化程度加大，不同土地類型的均衡被破壞，整體的破碎化程度增加；未利用地和草地 的LPI較高，說(shuō)明在該研究區(qū)內(nèi)未利用地和草地占優(yōu)勢(shì)；6 種地類的DIVISION都較大，分離性較高，抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力較小，景觀安全性低[12]；從SPLIT來(lái)看，水域、城鄉(xiāng)居民工礦用地、草地、林地、耕地都有比較明顯的變化，未利用地變化較小，表明該地在這20年間景觀破碎化程度加大；從AI 來(lái)看，未利用地、草地、耕地較其他類型的聚合度高，林地、水域、城鄉(xiāng)居民工礦用地的聚合度較低，說(shuō)明其在阿克蘇地區(qū)的分布較為分散；SHDI 呈現(xiàn)波動(dòng)且減少的變化趨勢(shì)，這20年間耕地、林地、建設(shè)用地、未利用地的面積增加，使各景觀類型面積比例的差異縮?。ū?）。

由圖2可知，在2000年，LPI與每個(gè)地類的總面積呈極顯著正相關(guān)；DIVISION與每個(gè)地類的總面積呈極顯著負(fù)相關(guān)；LPI與DIVISION呈極顯著負(fù)相關(guān)；AI與SPLIT呈顯著負(fù)相關(guān)。在2020年，DIVISION與每個(gè)地類的總面積呈極顯著負(fù)相關(guān)；LPI和每個(gè)地類的總面積呈極顯著正相關(guān)；AI和每個(gè)地類的總面積呈顯著正相關(guān)；NP與PD呈極顯著正相關(guān)；LPI與DIVISION呈極顯著負(fù)相關(guān)，與AI呈顯著正相關(guān)。

2.3 溫度和降水變化趨勢(shì)

氣候會(huì)影響土地覆被的變化。將阿克蘇地區(qū)2000—2020 年的溫度和降水通過(guò)滑動(dòng)平均擬合[29]，結(jié)果（圖3）表明，阿克蘇地區(qū)這20年間氣溫總體呈上升趨勢(shì)；降水呈波動(dòng)變化，在2003年較高，在2007年較低，總體呈略有下降趨勢(shì)。

3 討論

本文基于利用新疆阿克蘇地區(qū)2000和2020年2期遙感影像數(shù)據(jù)，使用景觀格局分析和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，對(duì)阿克蘇地區(qū)20年的土地利用變化特點(diǎn)進(jìn)行分析表明，耕地、城鄉(xiāng)居民工礦用地明顯增多，水域、草地面積不斷減少，其原因可能是受到政策、自然環(huán)境變化的影響，及人口密度的增大導(dǎo)致；景觀格局指數(shù)表明，該區(qū)域整體景觀呈現(xiàn)破碎化，土地承載能力降低；暖干氣候變化加劇了該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 氣候?qū)ν恋乩妙愋偷挠绊?/p>

阿克蘇地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，夏季炎熱干燥，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大。該地區(qū)2000—2020年的平均氣溫為10～12 ℃，呈微弱的上升趨勢(shì)，降水呈減小趨勢(shì)。本研究發(fā)現(xiàn)，阿克蘇地區(qū)在2020 年的平均降水量較2000 年明顯減少，且20 年間該區(qū)中水域的面積減少了242 086 hm2。該區(qū)的水域主要由山地降水和冰雪融水補(bǔ)給[13]，由于降水的減少，造成該區(qū)的水域面積降低。在阿克蘇地區(qū)的耕地中，水田占1.86%，旱地占98.14%，降水和氣溫的變化對(duì)旱地的種植影響較小，所以降水對(duì)阿克蘇地區(qū)耕地變化影響較弱[14]。本研究表明， 2000—2020年阿克蘇地區(qū)有25.90%的草地轉(zhuǎn)化為未利用地，這與鐘業(yè)喜等[15]的研究結(jié)果存在一定差異，可能是由于研究時(shí)間段不同。在1960—2008年，新疆草地的區(qū)域歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）平均增加6.21%，林地有所減小，草地面積與降水和氣溫成正比，且降水對(duì)草地凈初級(jí)生產(chǎn)力（netprimary production，NPP）和NDVI的影響較大，由此表明，降水量是新疆草地植被的主要影響因子[16]。本研究也表明，阿克蘇地區(qū)降水的減少是影響草地面積變化的重要因素。林地密閉性較強(qiáng)，受外界影響較低，故降水量對(duì)林地的影響較?。欢诎⒖颂K地區(qū)的未利用地中大部分為荒漠和戈壁，植被稀少，受降水影響較大。氣溫上升導(dǎo)致適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的區(qū)域增加，從而增加了耕地面積。

3.2 人為驅(qū)動(dòng)力分析

3.3.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素 人為驅(qū)動(dòng)力中人口因素是影響土地利用變化的重要驅(qū)動(dòng)力之一[17]。隨著社會(huì)發(fā)展、技術(shù)提升，為了滿足人口增加對(duì)糧食的需求，對(duì)耕地的需求加大，從而導(dǎo)致一些其他用途類型的土地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。人口的增加必然伴隨著國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（gross domestic product， GDP）的增長(zhǎng)，研究表明，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素會(huì)對(duì)土地利用變化產(chǎn)生影響[18]。由于城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，耕地和林地的需求增多，導(dǎo)致一些其他地類（草地、未利用地、水域等）轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾土值?。研究表明，隨著人們?cè)絹?lái)越重視農(nóng)業(yè)效益的提高，果園的面積逐漸增加，其對(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興起重要作用[19]。

3.3.2 政策因素 土地利用變化與政策因素息息相關(guān)。阿克蘇地區(qū)林地面積的增加重要原因之一是國(guó)家退耕還林政策的實(shí)施[20]，本研究也表明，一部分耕地轉(zhuǎn)向林地，使林地面積有所增加。2000—2020年阿克蘇地區(qū)土地利用變化的整體趨勢(shì)較明顯：草地、水域的面積有所減少，耕地、林地、城鄉(xiāng)居民工礦用地及未利用地均有增加。在這20年間，由于國(guó)家基本農(nóng)田保護(hù)政策的實(shí)施，耕地面積增加508 058 hm2。草地和水域面積急劇下降，其原因是多方面的，如坑塘轉(zhuǎn)化為耕地、林地等。由于經(jīng)濟(jì)進(jìn)步發(fā)展和土地沙化會(huì)降低土地效益，甚至可能出現(xiàn)撂荒現(xiàn)象，導(dǎo)致未利用地面積增多。

1999 年為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，國(guó)家實(shí)施了退耕還林、還草等政策[21]；以我國(guó)生態(tài)工程[22]為指引，強(qiáng)化對(duì)林地、草地、水域等的保護(hù)，控制耕地和城鄉(xiāng)用地的漲幅，并控制林地、草地、灌木地、濕地和水體向其他地類轉(zhuǎn)變；將坡度大于15°的耕地進(jìn)行退耕還林，河流周圍50 m緩沖區(qū)轉(zhuǎn)為草地[23]。近年來(lái)，阿克蘇地區(qū)大力發(fā)展特色林果業(yè)的政策也對(duì)該地區(qū)的土地利用產(chǎn)生了較大的影響[17，24‐25]。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，提高財(cái)力、物力的投資強(qiáng)度，增加生態(tài)治理項(xiàng)目，促使該地區(qū)土地利用類型結(jié)構(gòu)優(yōu)化[26‐29]。

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