天山北麓土地利用與土地退化的時空特征探析

徐麗萍, 郭 鵬, 劉 琳, 王 玲

(石河子大學 理學院 地理系, 新疆 石河子 832000)

天山北麓土地利用與土地退化的時空特征探析

徐麗萍, 郭 鵬, 劉 琳, 王 玲

(石河子大學 理學院 地理系, 新疆 石河子 832000)

研究天山北麓土地利用/覆被變化過程中的土地退化現象，有利于監測新墾綠洲的環境演變過程。采用1990年、2000年2010年3期遙感影像為基礎數據，選取土地利用變化幅度、動態度、土地利用強度指數和LUCC動態變化趨勢指數4個指標，并結合轉移矩陣，對該地區20 a來的土地利用/覆被變化時空特征及土地退化現象進行綜合分析。1990—2010年，研究區耕地和城鄉居民工礦用地所占比例持續上升，分別增加了91.05%和60.19%。草地和冰川/永久積雪面積則大幅減少，分別下降了15.45%和28.97%。通過轉移矩陣發現，草地和永久冰川退化成荒漠的趨勢明顯。各土地利用類型中以草地的土地利用變化強度指數最高，達-0.5056%，耕地次之，為0.4091%。研究區土地利用類型間主要轉移方向為：草地和冰川/永久積雪轉化為荒漠，荒漠和草地轉化為耕地，荒漠與草地間相互轉化，鹽堿地面積得到控制，但向荒漠轉化的趨勢凸顯，永久冰川的消融明顯加劇，草地持續退化，研究區生態環境惡化趨勢明顯。

土地利用/覆被變化; 土地退化; 天山北麓

土地利用/土地覆蓋變化(Land Use/Land Cover Change，LUCC)研究已經成為全球變化研究的前沿和熱點[1-2]，而不可持續的土地利用方式導致的土地退化也已成為全球備受關注的環境問題之一[3]。大量研究表明，LUCC對其生態環境的影響是多方面的[4-7]，特別是不同的土地利用類型由于人類活動方式和強度差異所造成的土地資源退化問題是各不相同的[8-15]。近年來由于人口增長、工業化和城鎮化快速發展等因素影響，綠洲土地利用強度和復雜性增加，出現了區域性土地鹽漬化、土地荒漠化等土地退化問題。以往的研究多集中在土地利用結構變化與驅動力、土地退化的類型界定、時空分布和評價方面，鮮有從土地利用類型轉化關系角度去探討土地退化程度并對其進行量化的，故本文以天山北麓經濟帶所包含的地域范圍為研究區域，探討近20年來主要土地利用類型的變化，比較工礦、居民、交通用地、草地、耕地、林地與鹽堿地等荒漠土地類型的轉換變化，剖析由于自然與人為過程改變土地利用方式對土地退化問題產生的影響。從土地利用類型轉化角度去探討土地退化問題并對其進行量化，有利于加強新墾綠洲土地退化過程的監測，對綠洲人類生存和區域可持續發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天山北麓經濟帶位于天山山脈博格達山、依連哈比爾尕山和婆羅科努山分水嶺以北地區，西起溫泉縣，東至木壘縣，行政區包括17個縣市，總面積為13.65萬km2，占新疆總面積的8.22%；山地、綠洲、荒漠共同構成了天山北坡相互依存和相互作用的完整生態系統[16]；天山北麓經濟帶總人口458萬人，占新疆總人口的23.3%，集中了全疆83%的重工業和62%的輕工業，歷年國內生產總值占全疆40%以上，城鎮、交通、能源等基礎條件好。在“十二五”期間，天山北麓經濟帶勢必會迎來更高強度的開發，大規模的農業現代化、工業化、城鎮化勢在必行，因此土地退化問題可能會長期持續存在。

1.2 材料與方法

1.2.1 數據來源 遙感數據主要利用eCongition 8.7面向對象的分類方法對1990年8月、2000年8月、2010年8月的3期TM影像解譯并輔助谷歌地圖獲得。解譯提取的32類土地利用數據轉入ArcGIS 10.0平臺，獲得土地利用變化的空間與屬性數據。經濟社會數據主要通過圖書館電子數據查閱，收集研究區地形、地貌、氣候氣象、土壤、植被、水文、人類活動因子(包括土地利用、人口、經濟、政策等)基礎資料，時間序列為1990—2010年。

1.2.2 分類方案 依據分類結果，結合實際研究需要，利用ArcGIS 10.0軟件將二級地類合并為耕地、林地、草地、水域、鹽堿地、荒漠、冰川/永久積雪和工礦、居民、交通用地8個一級地類(見表1)。最后對解譯得到的三期土地利用數據進行空間疊加分析和統計，獲得1990—2000年和1990—2010年的土地利用類型轉移矩陣。

表1 天山北麓LUCC分類方案

1.2.3 指標選取

(1) 土地利用/覆被變化幅度。土地利用/覆被變化幅度指某一土地利用類型的面積變化幅度，反映了不同土地利用類型在總量上的變化情況[17]。其表達式為：

R=(Ub-Ua)/Ua×100%

(1)

式中：R——研究時段內某種土地利用類型的變化幅度；Ua，Ub——研究初期和末期某一類土地利用類型的面積。

(2) 土地利用動態度。單一類型的土地利用動態度可定量描述研究區一定時段內某種土地利用類型的變化速度[18]。其表達式為：

Rd=(Ua-Ub)/Ub×1/T×100%

(2)

式中：Rd——研究時段內某一土地利用類型的土地利用動態度(%)；Ua和Ub意義同上；T——研究時段。

(3) 土地利用變化強度指數。土地利用變化強度指數為一定時段內土地利用變化面積占研究區總面積的比例[19]，可以用于表示某一土地利用類型的流失或增加程度。其表達式為：

ILT=(Ub-Ua)/AL×1/T×100%

(3)

式中：ILT——土地利用變化強度指數，正值表示增加，負值表示流失；AL——研究區土地總面積。

(4) LUCC動態變化趨勢指數。LUCC動態變化趨勢指數值介于-1和1之間，若Ps的值大于0表示該土地類型向規模增大的方向發展，值越接近1則表示地類變化主要是其他土地類型轉為該地類，處于“擴張”狀態；接近0時表明該土地類型增加和減少的趨勢小；若Ps值小于0表示該土地類型向規模減少方向發展，越接近-1，則表明地類變化主要是該土地類型轉變為其他類型，處于“縮減”狀態。具體公式如下[20]：Ps=(ΔUin-ΔUout)/(ΔUin+ΔUout)，-1≤Ps≤1

(4)

式中：ΔUout——研究時段T內某一種LUCC類型轉變為其他類型的總和；ΔUin——其他類型轉變為該類型的總和；Ps——LUCC類型的變化趨勢和動態指數。

(5) 土地退化空間分析。在土地資源退化定義和分類辨析的基礎上，用ArcGIS 10.0將各土地利用類型退化為荒漠化和鹽漬化的面積按轉移矩陣以不同的顏色表示出其在空間上的差異，形成空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 天山北麓土地利用/覆被變化的總體特征

天山北麓經濟帶土地利用總體特征表現為草地面積比例較大，其所占比例在不同年份均在55%以上，另外，耕地、林地、荒漠也是該區土地利用的主要類型，這4種土地類型面積之和分別占相應年份土地面積的94.17%，93.69%，94.38%，其他4種土地類型面積之和為5%～6%。近20年來，耕地和工礦、居民、交通用地所占比例持續增加，分別增加了91.05%和60.19%；草地退化明顯，減少了15.45%；水域面積變化雖有較小波動，但總體趨勢仍表現為減少；林地面積出現連續增長的態勢，共增加了11.07%；鹽堿地在1990年后出現小幅增加，但到2010年其面積減小趨勢明顯，20 a間共減少17.82%；冰川/永久積雪的面積出現大幅縮減，20 a減少了28.97%。荒漠化土地持續小幅增長，20 a間增長了近14 km2(見表2)。

表2 1990年、2000年、2010年各土地利用類型面積及占總面積比例

2.2 天山北麓土地利用動態趨勢分析

1990—2000年天山北麓土地利用類型中，各土地利用類型變化總體較為強烈(見表3)。以耕地的變化幅度和土地利用動態度最大，工礦、居民、交通用地次之，二者均處于“擴張”態勢。林地面積小幅增加，保持一定的“擴張”態勢。水域面積也出現小幅增長，有一定的“擴張”趨勢。但從土地利用變化強度指數看，草地變化最明顯，耕地次之，分別為-0.4778%和0.3349%；從LUCC動態變化趨勢指數看，草地“縮減”顯著。值得指出的是，在此期間，冰川/永久積雪、鹽堿地和荒漠均有擴張，分別增加1.01%，2.18%，5.96%。

2000—2010年，各土地利用類型變化總體依然劇烈(見表3)。耕地變化幅度和土地利用動態度持續增加；水域面積在此期間縮減明顯，其變化幅度和LUCC動態變化趨勢指數為-5.51%和-0.15。鹽堿地的“縮減”態勢明顯，變化幅度和LUCC動態變化趨勢指數分別為-19.57%和-0.42；工礦、居民、交通用地增幅較1990—2000年減緩4.25個百分點，但從變化幅度和土地利用動態度看，仍處于快速“擴張”狀態；從土地利用變化強度指數看，依然是草地變化最明顯，耕地次之，說明草地收縮、耕地擴張的趨勢進一步加劇。要特別指出的是此期間冰川/永久積雪的面積急劇減少，其變化幅度和動態度分別達到-29.68%和4.22%，LUCC動態變化趨勢指數劇減至-0.42。

表3 1990-2010年天山北麓不同土地利用類型的變化幅度、動態度、變化強度指數和動態變化趨勢指數

2.3 土地利用/覆被變化轉化及土地退化時空動態

2.3.1 土地利用/覆被轉化及土地退化的時間動態 近20 a天山北麓經濟帶各地類轉化較為活躍(見表4)。1990—2000年，耕地與各土地利用類型間的轉化十分活躍，新增耕地主要由草地轉化而來，占耕地轉入總面積的92.7%。草地與荒漠的相互轉化十分活躍，各占對方轉入總面積的81.8%和76.4%。鹽堿地的轉換幅度較小，工礦、居民、交通用地的增加主要靠草地和荒漠的轉入，分別占新轉入工礦、居民、交通用地的80.1%和12.9%。林地向草地轉化的現象突出，占林地轉出總面積的69.16%。水域主要向耕地和草地的轉化，二者分別占水域轉出面積的35.6%和36.7%。鹽堿地恢復為草地的面積占轉出總面積的33.4%，而退化為荒漠的面積占36.8%。草地大量轉化為耕地、工礦、居民、交通用地正是這一時期毀草開荒等開發活動的表征，而草地和冰川/永久積雪向荒漠的轉化則是研究區生態環境惡化的標志。

2000—2010年，耕地保持持續增加的趨勢，主要轉入土地利用類型依然為草地，占耕地轉入總面積的92.8%。荒漠與草地之間的轉化有所放緩，分別占對方新轉入面積的60.4%和58.9%。林地轉化為草地的趨勢明顯增加，占新轉入草地面積的23.4%，較1990—2000年林地向草地的轉換面積增加127%。冰川/永久積雪面積大幅縮減，轉化為草地和荒漠，轉出面積分別占研究期初冰川/永久積雪面積的14.2%和36.1%。鹽堿地單從變化幅度來看，其面積縮小，鹽堿化似乎得到一定遏制，但從轉移矩陣中發現本時期水域轉化為鹽堿地的面積為84 km2，較1990—2000年間的水域向鹽堿地轉化面積13 km2增長了4.3倍，而鹽堿地向荒漠轉化的規模也急劇擴大，荒漠化占鹽堿地轉出面積的占比和實際轉出面積分別為85.9%和233 km2，比1990—2000年增加49.1%和210 km2。工礦、居民、交通用地的增加除了原來的草地之外，新加入了耕地作為主要轉移來源，二者分別占新轉入工礦、居民、交通用地面積的44.0%和43.6%，但草地轉化為工礦、居民、交通用地的規模僅比1990—2000年縮減6.7%。林地急劇向草地轉化，同時草地和冰川/永久積雪面積持續減少以及水域鹽漬化、荒漠面積持續增加顯示天山北麓生態環境的進一步惡化，與此同時人類活動占用的區域正在急劇擴大。

綜合分析可知，1990—2010年，天山北麓各土地利用類型間的主要轉化方向為：草地轉變為耕地、林地和荒漠，草地、耕地轉變為工礦、居民、交通用地，鹽堿地和冰川/永久積雪轉變為荒漠，以及荒漠與草地間的相互轉化。

表4 1990-2010年天山北麓土地利用類型轉移矩陣

注：某一行數據表示該年份時段起始年某地類轉化為末年各地類的面積。

2.3.2 土地退化空間動態分析 整個研究區植被類型以荒漠草原為主，自然條件惡劣，生態環境非常脆弱。由于快速增長的人口壓力、牲畜數量的劇增、草場長期超載過牧、耕地過度墾殖、地下水使用過度等原因，致使土地退化非常嚴重，各地類的荒漠化和鹽堿化的地域分布變化特征明顯。

(1) 土地荒漠化的空間動態。20 a間天山北麓土地荒漠化持續加重，出現林地、草地、鹽堿地和冰川/永久積雪荒漠化轉化明顯。林地的荒漠化有所加重，由1990—2000年的7 km2增加到2000—2010年的13 km2。但同時由荒漠土地向林地轉化的面積卻由1990—2000年的185 km2減少至2000—2010年的15 km2。草地的荒漠化趨勢有所放緩。1990—2000年草地退化為荒漠的面積為4 441 km2，而2000—2010年比1990—2000年縮減2 018 km2。2000—2010年天山北麓中西部—博樂市至瑪納斯縣一帶，包括克拉瑪依北部的草場退化為荒漠的面積較1990—2000年大幅減少，東部—吉木薩爾縣至木壘哈薩克自治縣一帶的北部地區也有明顯縮小，僅在烏魯木齊縣境內有少數草地退化的增加。這可能與后十年里退牧還草有關。鹽堿地和冰川/永久積雪向荒漠化土地轉化加劇。2000—2010年鹽堿地轉化為荒漠的面積是1990—2000年轉化面積的近10倍(表4)；鹽堿地向荒漠退化的地域集中分布在艾丁湖周圍。2000—2010年冰川/永久積雪轉化為荒漠的面積較1990—2000年轉化面積大幅增長了46.6%；冰川退化的范圍由1990—2000年的烏蘇至瑪納斯一帶向東南延伸至烏魯木齊縣境內。

(2) 土地鹽堿化的空間特征。20 a間，鹽堿地面積先是由1990年的802 km2小幅增長到2000年的820 km2，再迅速縮減為2010年的659 km2。1990—2000年主要是林地、草地、水域和荒漠向鹽堿地轉化，其占轉入總面積的比重分別為25.9%，24.8%，12.2%，37%，林地和水域轉變成鹽堿地的面積分別為32 km2和13 km2；2000—2010年主要是草地和水域向鹽堿地轉化，其比重分別為：21.3%和76.3%，林地和水域轉變成鹽堿地的面積分別為0.24 km2和84 km2。說明此時期內，林地鹽堿化趨勢得到遏制，應該得益于新疆退耕還林的生態修復政策和國家“三北防護林”工程的實施，林地保護成效顯著。但水域的鹽漬化明顯加劇，主要是因為精河流域艾丁湖的急劇萎縮，大片的湖面干涸后成為新的鹽堿地。

3 結 論

近20 a天山北麓土地利用/覆被轉化活躍。耕地、建設用地持續增長，草地、冰川/永久積雪持續大幅度減少，植被退化嚴重，土地退化加劇。其中林地、草地、鹽堿地和冰川/永久積雪向荒漠化轉化明顯，尤以草地的荒漠化轉化為重，空間上表現為中、西部草地退化2000—2010年比1990—2000年明顯得到控制，而東部則出現擴大的態勢。在整個研究區來看，鹽漬化得到有效控制，但轉化為荒漠的面積大大增加，轉入的來源逐漸減少，水域鹽漬化有擴大趨勢。在極個別地區出現了大幅加重的情況，尤其是艾比湖地區近十年出現劇烈的湖面萎縮，鹽漬化土地面積急劇擴大。

本文對土地退化的探討僅限于荒漠化和鹽漬化，比較有局限性。進一步研究預結合實際踩點驗證并結合土壤質量分析評價做更嚴謹深入的分析，并對土地退化的驅動力進行探討，這對加深天山北麓土地退化問題的剖析和認識，預測未來土地退化的趨勢，以便于提出切實可行的改善土地退化現狀的意見和建議具有重要意義。

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AnalysisoftheSpatiotemporalFeaturesofLandUseandLandDegradationintheNorthernPiedmontAreaoftheTianshanMountain

XU Li-ping, GUO Peng, LIU Lin, WANG Ling

(DepartmentofGeography,CollegeofScience,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832000,China)

In order to study the Tianshan Mountains land use change and land degradation status, land use/cover change and land degradation within 20 years in the region were analyzed based on remote sensing data of 1990, 2000 and 2010, and by selecting the range of land use change, land use dynamic degree and intensity index, and combining with the transfer matrix. The area of farmland and urban and rural residents and industrial land continued to increase from 1990 to 2010, and increased by 91.05% and 60.19%, respectively. Meadows and glaciers or permanent snow area significantly reduced, decreased by 15.45% and 28.97%. Based on the transfer matrix, degeneration of grassland and permanent glaciers into desert was obvious. Various land-use types, land-use change in grassland intensity index was up to -0.5056%, followed by arable land, which is 0.4091%. The main land use types in the transfer direction in the study area was grassland and glaciers/permanent snow into the desert, desert and grassland into arable land, desert and grassland mutual transformation, area was under control, but the trend of the conversion of the saline land to desert was obvious, and losses of permanent glaciers was rapid.

land use/cover; land degradation; northern piedmont area of the Tianshan Mountain

2013-11-06

：2013-11-30

國家自然科學基金“天山北麓新墾綠洲土地覆被變化與局地氣候互動效應研究”(41001387)

徐麗萍(1978—),女,新疆庫爾勒人,副教授,研究方向:土地覆被變化與景觀生態。E-mail:xlpalw@sina.com

X171

：A

：1005-3409(2014)05-0316-06