阿克蘇河灌區種植結構動態變化與驅動力分析

王志成，張 超，劉江華

(1.塔里木河流域阿克蘇管理局， 新疆 阿克蘇 843300； 2.西南林業大學林學院， 云南 昆明 650224)

阿克蘇河灌區種植結構動態變化與驅動力分析

王志成1，張 超2，劉江華2

(1.塔里木河流域阿克蘇管理局， 新疆 阿克蘇 843300； 2.西南林業大學林學院， 云南 昆明 650224)

在對研究區進行系統全面調查的基礎上，劃分了7類一級景觀要素和19類二級景觀要素，基于Landsat衛星遙感影像獲得了1998年、2002年、2006年、2010年和2014年共5期解譯結果，選取了8個景觀指數，分別在阿克蘇河灌區土地利用現狀特征分析、種植結構動態變化分析和驅動力分析三個方面開展研究。研究結果表明:(1) 2014年，灌區耕地面積58.59萬hm2，占灌區土地總面積的26.51%，主要作物品種為棉花、水稻、小麥、玉米和馬鈴薯；園地面積30.07萬hm2，占灌區總面積的13.60%，主要經濟林品種為核桃、棗、蘋果和葡萄。(2) 1998—2014年間，林地、其它土地和水域的面積變化相對不大，園地、住宅用地、草地和耕地的面積變化則較大。其中，水稻和馬鈴薯耕種面積有所減少，分別減少了25.5%和1.7%，棗、蘋果、核桃、小麥、玉米和棉花耕種面積則有所增加，分別增加了382.3%，150.4%，110.3%，232.8%，139.7%和29.0%。(3) 受到近年來高強度、大范圍的墾荒和集約化產業發展的影響，各類種植作物和植被的斑塊面積逐漸減小，離散化程度提高，景觀破碎化程度加劇。(4) 導致阿克蘇河灌區種植結構動態變化的主要驅動力因子是經濟和產業發展、人口變化等社會經濟因素，自然驅動力則發揮較為穩定的累積效應。

種植結構；景觀格局；動態變化；驅動力；阿克蘇河灌區

近年來，阿克蘇河灌區水資源管理方面的問題和矛盾日益突出[1]。在城市化速度加快、人口增加、經濟發展、水土資源需求量增大的背景下，如何充分提高阿克蘇河灌區的用水效率和水資源管理水平，以最終實現水資源時空分布的優化配置，已成為阿克蘇河灌區水資源管理中亟待解決的重要科學問題[2-4]。了解和掌握阿克蘇河灌區種植結構的數量、質量、空間分布、動態變化及主要驅動力，是解決上述問題的前提和基礎。

利用遙感與地理信息系統技術，可以獲得阿克蘇河灌區種植結構的多源、多時相數據[5]，為阿克蘇河灌區種植結構的空間分布和動態變化分析提供數據基礎。利用景觀格局分析技術，通過分析阿克蘇河灌區內景觀組成的類型、多樣性及其空間作用關系[6]，可以研究阿克蘇河灌區景觀結構的數量和質量特征以及景觀的功能；通過對阿克蘇河灌區景觀在結構和功能方面隨時間的變化分析，可以揭示景觀動態變化特征[7]；結合阿克蘇河灌區景觀變化的主要社會經濟影響因素，可以定量分析引起該變化的主要驅動力[8-9]。本文基于阿克蘇河灌區多期遙感圖像解譯結果，提出了阿克蘇河灌區各主要需水作物和植被的面積、分布和動態變化數量特征，分析了導致上述景觀格局演變的主要驅動力，旨在為今后阿克蘇河灌區水資源管理提供基礎數據和決策支持。

1 研究區概況

本文研究區位于塔里木河流域阿克蘇河灌區，地處東經78°46′～82°44′，北緯40°7′～41°35′之間，總面積221.03萬hm2，涉及烏什縣、溫宿縣、阿克蘇市、阿瓦提縣、柯坪縣共5個縣市的部分區域和新疆生產建設兵團農一師16個團場。灌區位于歐亞大陸深處，氣候干燥，蒸發量大(年均蒸發量1 890 mm)，降水稀少(年均降水量64 mm)，寒冬酷夏，晝夜溫差大，年均氣溫9.2℃～12℃。灌區屬河谷平原地貌，土壤肥沃，宜農宜牧。灌區內的阿克蘇河是新疆三大國際河流之一，由庫木艾日克河和托什干河匯流而成，亦是灌區內主要作物和植被的灌溉水來源。

2 研究方法

2.1 數據收集

于2015年6—7月對研究區進行了較系統的遙感樣地調查，涉及烏什縣、溫宿縣、阿克蘇市和阿瓦提縣，共設置了調查樣地338個，建立了研究區典型地物的遙感解譯標志。

獲取了覆蓋研究區的1998年、2002年、2006年、2010年和2014年共5期Landsat TM/ETM/OLI遙感影像(空間分辨率為30 m，均成像于作物生長季7—9月)和2000—2014年每月MOD13A1植被指數數據(空間分辨率為500 m，16天合成)，來源于美國馬里蘭大學；收集了覆蓋研究區的1∶25萬基礎地理信息數據，來源于國家基礎地理信息中心；收集了阿克蘇地區1998—2014年統計年鑒，來源于阿克蘇地區統計局。

2.2 景觀要素劃分

以景觀要素的外在特征(包括景觀的尺度、景觀鑲嵌體特征、基質的形狀和大小等)作為劃分依據[10-11]，同時考慮研究區主要土地利用類型分布特征，采用二級區劃法劃分研究區景觀要素。一級景觀要素包括：耕地、園地、林地、草地、住宅用地、水域和其它土地共7類；二級景觀要素包括：水稻、棉花、馬鈴薯、小麥、玉米、核桃、蘋果、葡萄、棗、喬木林、灌木林、草地、居民區、河流水面、水庫水面、坑塘水面、空閑地、裸地和其它土地共19類。

2.3 遙感圖像解譯

基于覆蓋研究區的5期Landsat TM/ETM/OLI遙感影像和外業調查中建立的解譯標志，采用監督分類和目視解譯相結合的方法，以19類二級景觀要素為分類系統，進行了研究區各類地物的遙感信息提取和分類。在進行信息提取時，首先采用監督分類方法得到初步結果，在此基礎上利用2000—2014年每月MOD13A1植被指數數據，根據不同作物的物候期和產期不同所致的地表反射率差異，采用人工目視解譯方法實現了對研究區各類種植作物的進一步識別。

2.4 景觀指數選取

結合本研究區的特點，選取生態學意義明確的8個指標[11]，分別為：斑塊類型面積(CA，用于描述景觀的組成結構)、斑塊數量(NP，用于描述景觀的組成結構)、斑塊平均面積(MPS，用于描述景觀粒度的大小，在一定意義上也可用來表示景觀破碎化程度)、斑塊密度(PD，反映景觀要素或整個景觀的鑲嵌程度)、平均斑塊形狀指數(MSI，反映斑塊形狀的規則程度)、面積加權平均斑塊形狀指數(AWMSI，反映斑塊形狀的規則程度)、平均斑塊分維數(MPFD，用于描述類型斑塊形狀的復雜程度)和面積加權平均斑塊分維數(AWMPFD，用于描述類型斑塊形狀的復雜程度)[12-13]。以上各景觀指數的計算方法可查閱相關參考文獻[14-15]。

2.5 種植結構動態變化的驅動力分析

在相對較短的時間尺度上，自然驅動力表現為相對穩定且緩慢，人為驅動力(社會經濟方面)則突出表現較為活躍[8]。阿克蘇河灌區內的種植結構動態變化受當地自然、社會、經濟多方面因素的共同影響和作用，因素間存在著耦合效應。借鑒國內外已有的相關研究成果[16-18]，結合本研究區自身特點，選取了影響當地種植結構變化的12個主要自然、社會、經濟指標進行分析。定量分析種植結構動態變化驅動力，需要考慮多維因素間的相關性和信息重疊[19]。本文采用主成分分析方法[20]，將各影響因素的信息壓縮到若干合成因子(主分量)中。

3 結果與分析

3.1 阿克蘇河灌區土地利用現狀特征分析

據2014年8月Landsat OLI遙感影像解譯結果，阿克蘇河灌區總面積為221.03萬hm2，其中：其它土地面積為79.13萬hm2，占灌區總面積的35.80%；耕地面積為58.59萬hm2，占灌區總面積的 26.51%；林地面積為40.47萬hm2，占灌區總面積的18.31%；園地面積為30.07萬hm2，占灌區總面積的13.60%；水域面積為7.33萬hm2，占灌區總面積的3.32%；草地面積為3.29萬hm2，占灌區總面積的1.49%；住宅用地面積為2.16萬hm2，占灌區總面積的0.98%。空間分布如圖1所示。

灌區內需引水灌溉的耕地和園地總面積為88.65萬hm2，分布于灌區中部。灌區以發展農業和林果業為主，是重要的糧食、棉花和特色林果生產基地。經外業調查發現，隨著水資源需求量的不斷增加，已出現較為突出的水資源供需矛盾及無序開發利用等問題。

圖1 阿克蘇河灌區土地利用現狀分布

種植結構方面，2014年棉花面積為519 755.4 hm2，是灌區最主要的種植作物；核桃面積為196 800.4 hm2，主要分布于溫宿縣西南部、烏什縣中部、阿瓦提縣北部和阿克蘇市中西部；棗面積為75 493.9 hm2，主要分布于阿拉爾市中部、阿克蘇市西部和阿瓦提縣北部；水稻面積為39 781.1 hm2，主要分布于溫宿縣西南部和烏什縣中部；蘋果面積為27 759.4 hm2，主要分布于溫宿縣南部和阿克蘇市北部；小麥面積為18 487.6 hm2，在空間上較為分散。灌區主要種植結構組成如圖2所示。

3.2 阿克蘇河灌區種植結構動態變化分析

3.2.1 總體變化特征 在研究時段1998—2014年內，阿克蘇河灌區各土地利用類型轉移概率矩陣如表1所示。

轉移概率矩陣表示各土地利用類型在一定條件下相互轉移的可能性和概率。近16 a間，林地、其它土地和水域的面積變化相對不大。林地方面，面積由1998年的61.31萬hm2減少至2014年的40.47萬hm2，其中，喬木林變化相對較小，面積減少率為8.5%，灌木林變化較大，面積減少率為47.8%，與灌區內近年來林果業和農業快速發展有關；其它土地(主要包括空閑地、裸地等)和水域向其它類型轉移的概率較低，主要受當地自然條件的影響。

圖2 阿克蘇河灌區主要種植結構組成

園地、住宅用地、草地和耕地的面積變化相對較大。近16 a來，灌區內農業經濟快速發展，人口增加，農區面積呈現擴展趨勢。園地方面，面積由1998年的12.05萬hm2增加至2014年的30.07萬hm2，棗、蘋果和核桃等主要經濟林產品發展迅速，面積增長率分別為382.3%、150.4%和110.3%；住宅用地方面，面積由1998年的1.09萬hm2增加至2014年的2.16萬hm2，人口數量由1998年的197.71萬人增加至2013年底的245.76萬人；草地方面，面積由1998年的4.44萬hm2減少至2014年的3.29萬hm2，主要的變化方向為耕地和水域；耕地方面，面積由1998年的46.58萬hm2增加至2014年的58.59萬hm2，主要農作物品種為棉花、水稻、小麥、玉米和馬鈴薯，其中，水稻和馬鈴薯耕種面積有所減少，面積減少率分別為25.5%和1.7%，小麥、玉米和棉花耕種面積有所增加，面積增長率分別為232.8%、139.7%和29.0%。

3.2.2 景觀要素格局特征(見圖3)

表1 阿克蘇河灌區1998—2014年土地利用類型轉移概率矩陣/%

圖3 阿克蘇河灌區種植結構主要景觀指數排序

(1) 景觀組成方面。各景觀要素中面積最大的為裸地，占景觀總面積的29.8%，斑塊個數為180個，占總斑塊數的3.0%。需水作物和植被總面積占景觀總面積的40.1%，斑塊個數占總斑塊數的77.8%，其中：面積最大的為棉花，面積占總面積的23.5%，斑塊個數1329個，占景觀總斑塊數的22.0%；其次為核桃，面積占總面積的8.9%，斑塊個數為941個，占需水總斑塊數的15.6%。

(2) 斑塊面積方面。各主要土地利用類型中，裸地、河流水面、喬木林、灌木林、水庫水面和草地的斑塊平均面積較大，均在500 hm2以上；棉花、蘋果、核桃和葡萄居中，斑塊平均面積處于200～400 hm2之間；玉米、水稻、馬鈴薯和小麥的斑塊平均面積較小，均在100 hm2以下。

(3) 斑塊形狀方面。在需水作物和植被中，棉花、蘋果、核桃、棗、玉米和水稻的斑塊周長/面積較大，反映其景觀破碎化程度較高；馬鈴薯、葡萄和小麥斑塊形狀的規則程度較高。核桃、棉花和水稻的斑塊面積離散程度較高，表明這些類型的斑塊面積差異程度較大，而蘋果、棗、玉米、小麥、葡萄和馬鈴薯的斑塊面積離散程度較小，其斑塊大小趨近一致。

(4) 景觀鑲嵌程度方面。在需水作物和植被中，棉花和核桃的斑塊密度相對較大，這是由于當地棉花和核桃規模種植、斑塊平均面積較大所致。在景觀鑲嵌格局中，裸地、喬木林、灌木林和草地等類型的最大斑塊指數較大，表明這些類型的斑塊對整個景觀組成和結構具有較大影響，占有較為重要的地位，而玉米、小麥、葡萄和馬鈴薯等需水作物和植被的最大斑塊指數較小，這主要是因為其斑塊面積離散程度較小所致。

(5) 景觀破碎度方面。從平均斑塊密度來看，1998年到2014年，景觀總斑塊數由3397個增加至6050個，景觀水平的平均斑塊密度由0.154個/km2增加至0.274個/km2，說明從1998年到2014年，阿克蘇河灌區的景觀破碎度為上升趨勢。灌區內高強度、大范圍的墾荒和集約化林果業、農業生產導致了園地、耕地面積和斑塊數量的大量增加，大面積的人為干擾使景觀破碎化程度加劇。

3.3 阿克蘇河灌區種植結構動態變化驅動力分析

綜合考慮數據資料的可獲得性和研究區自身特點，結合外業調查結果，本文首先選取了影響當地種植結構變化的12個主要自然、社會、經濟指標，如表2所示。對以上12個指標進行主成分分析，得到特征值及主成分貢獻率(如表3所示)和成分載荷矩陣(如表4所示)。前2個主成分的累計貢獻率達84.78%，包含了原始數據的大部分信息。

表2 阿克蘇河灌區1998～2013年主要自然、社會、經濟因素

注：X1為氣溫(℃)，X2為降水量(mm)，X3為第一產業生產總值(億元)，X4為第二產業生產總值(億元)，X5為第三產業生產總值(億元)，X6為人均GDP(元)，X7為總人口(萬人)，X8為鄉村人口(萬人)，X9為農林牧漁總產值(億元)，X10為農業產值(億元)，X11為糧食作物總產量(萬t)，X12為水果總產量(萬t)。

Note:X1, temperature(℃);X2,precipitation(mm);X3,primary industry GDP(108yuan);X4,second industry GDP(108yuan);X5,third industry GDP(108yuan);X6,per capita GDP(yuan);X7,total population(million);X8,rural population(million);X9,total output value of agriculture forestry, animal husbandry and fishery(108yuan);X10, agricultural output value;X11,total crop yield(104t);X12,total output of fruits(104t).

表3 特征值及主成分貢獻率

表4 成分載荷矩陣

主成分1的特征值為8.875，顯著高于其它主成分，其貢獻率為73.96%。對各指標在主成分1中的載荷量分析，第一產業生產總值、第二產業生產總值、第三產業生產總值、人均GDP、總人口、農林牧漁總產值、農業產值和水果總產量對主成分1的貢獻度最大，載荷量均在0.920以上，均表現為正影響。結果表明，主成分1受經濟和產業發展、人口變化等社會經濟因素綜合影響。主成分2的特征值為1.298，貢獻率為10.82%，主要受自然氣候條件的影響。氣溫和降水量對主成分2的貢獻度最大，氣溫表現為負影響，降水量表現為正影響。

綜合以上主成分分析結果可以看出，影響阿克蘇河灌區種植結構動態變化的主要驅動力是經濟和產業發展、人口變化等社會經濟因素，發揮著顯著的驅動作用，各社會經濟指標間存在較強的相關性，體現為指標間相互作用的綜合影響。因研究時段較短，自然條件對阿克蘇河灌區種植結構變化的影響明顯較弱，但不能忽視較大時間尺度上自然條件的驅動作用，需尤其關注在氣候變化、水資源供應日趨緊張等形勢下的自然條件的穩定的累積效應。

4 結 論

本文分別從阿克蘇河灌區土地利用現狀特征分析、種植結構動態變化分析和驅動力分析三個方面進行了研究，較準確地提取了阿克蘇河灌區5個時期的土地利用現狀尤其是灌區種植結構組成、分布的數量特征和動態變化特征，分析了灌區主要需水作物和植被的景觀格局特征，提取了導致灌區種植結構動態變化的主要驅動力因子。

(1) 阿克蘇河灌區總面積221.03萬hm2，需引水灌溉的耕地和園地總面積88.65萬hm2。其中，耕地面積58.59萬hm2，占灌區土地總面積的26.51%，主要作物品種為棉花、水稻、小麥、玉米和馬鈴薯；園地面積30.07萬hm2，占灌區總面積的13.60%，主要經濟林品種為核桃、棗、蘋果和葡萄。

(2) 近年來，灌區林果業和農業發展迅速，種植結構亦隨之發生了較大變化。1998—2014年間，林地、其它土地和水域的面積變化相對不大，園地、住宅用地、草地和耕地的面積變化則較大。其中，水稻和馬鈴薯耕種面積有所減少，面積減少率分別為25.5%和1.7%；棗、蘋果、核桃、小麥、玉米和棉花耕種面積則有所增加，面積增長率分別為382.3%、150.4%、110.3%、232.8%、139.7和29.0%。

(3) 灌區內非種植區域的斑塊平均面積較大，均在500 hm2以上，而棉花、蘋果、核桃和葡萄居中，斑塊平均面積處于200～400 hm2之間；玉米、水稻、馬鈴薯和小麥的斑塊平均面積較小，均在100 hm2以下。伴隨著高強度、大范圍的墾荒和集約化產業發展，各類種植作物和植被的斑塊面積逐漸減小，離散化程度提高，景觀破碎化程度加劇。

(4) 短期內，社會經濟因素(包括經濟和產業發展、人口變化等)是導致阿克蘇河灌區種植結構動態變化的主要驅動力因子，表現為相互作用的綜合影響；從長期看，亦不能忽視自然條件的穩定的累積效應。

通過對阿克蘇河灌區土地利用現狀和種植結構動態變化的分析發現，灌區草地面積需適量增加，今后應避免對灌區范圍內草地類型的占用，盡量控制草地的轉移變化；水域作為灌區內一種重要的土地利用類型，為灌區提供豐富的灌溉水資源，應保護水域的面積不受侵占，以保障灌區內重要的工農業需水來源；需水的耕地和原地面積應受到嚴格控制，以減輕灌區水資源的供需矛盾。需要注意的是，本文在進行阿克蘇河灌區種植結構動態變化驅動力分析時，選取了影響當地種植結構變化的12個主要自然、社會、經濟指標。科學構建驅動力影響的評價指標體系是一個較為復雜的問題，針對不同區域、不同時間、不同特點的研究對象所構建的指標體系必然不同。

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StudyondynamicchangeofplantationstructureanditsdrivingforcesinAkesuRiverIrrigationArea

WANG Zhi-cheng1, ZHANG Chao2, LIU Jiang-hua2

(1.AksuManagementBureauoftheTarimRiverBasin,Aksu843300,China；2.SouthwestForestryUniversity，ForestrySchool，YunnanKunming, 650224,China)

Akesu River Irrigation Area, based on a comprehensive survey on the agriculture and fruit industry, was classified into 7 landscape elements at the first level and 19 landscape elements at the second level. According to the result of the year 1998, 2002, 2006, 2010, and 2014 obtained from the remote sensing images of Landsat and 8 selected landscape indexes, the research was carried out in the following aspects: characteristic analysis on the land use status, dynamic change of plantation structure and its driving forces. The results show: (1) In the year of 2014, the cultivated area 585852 hm2, accounted for 26.51% of total area, where the main types of crop were cotton, rice, winter wheat, corn and potato; the garden area 300659 hm2, accounted for 13.60% of total area, where the main types of fruits were walnut, jujube, apple and grape. (2) The area of forest land, other lands and water didn't change much between 1998 and 2014, in contrast, the area of garden, residential land, grassland and cultivated land changed more, where the area of rice and potato decreased, and the area of jujube, apple, walnut, winter wheat, corn and cotton increased. (3) The patch area of crop vegetation of cultivated land and fruit forest gradually decreased which was affected by the large range of reclaiming wasteland and intensive industry development, and the trend of fragmentation intensified. (4) The main driving forces of the changes were economic development and the population change, and the natural driving forces showed a steady cumulative effect.

plantation structure; landscape pattern; dynamic change; driving forces; Aksu River Irrigation Area

1000-7601(2017)03-0278-07doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.43

2016-03-20

：2017-05-03

：國家自然科學基金項目(31460195，31660236)

王志成(1963—)，男，山東海陽人，高級工程師，主要從事水資源管理及研究工作。E-mail:13765432215@qq.com。

劉江華(1970—)，男，湖北天門人，副教授，主要從事植被生態學研究。 E-mail：583711802@qq.com。

S127；TV213.4

： A