喀什噶爾河流域平原區(qū)土地利用類型時空分布特征及趨勢分析

王友年

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

土地資源的合理利用將直接關(guān)系到區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。而土地利用類型的改變不僅有著其必然性，也存在著眾多的影響因素[1-3]。喀什噶爾河流域平原區(qū)面積廣闊，土地資源充足[4]，但可利用土地資源較少[5]。近年來，流域平原區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)變一方面受區(qū)域社會經(jīng)濟和人口增長而發(fā)生著顯著改變，另一方面，隨著政府及對于土地資源利用的重要性認識程度不斷加深，流域水土資源的利用程度也得到了提升。因此，為實現(xiàn)喀什噶爾河流域水土資源更加充分、合理利用及促進區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)良好發(fā)展，掌握流域平原區(qū)土地利用類型時空分布特征及轉(zhuǎn)變規(guī)律則顯得十分重要。

由于水土資源的重要性，針對土地利用類型的研究一直是眾多學者的研究重點，其研究也從簡單的定性[6-7]轉(zhuǎn)為定量[8-13]。如黃秋霞[6]、張大偉[7]等通過分析研究區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)變規(guī)律為研究區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和水土資源的可持續(xù)利用提供了理論支撐；杜清等[8]對喀什噶爾河流域1990—2010年全流域土地利用類型的變化做了相應(yīng)研究，可以看出流域山區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)變較小，這為本文確定研究區(qū)范圍提供了依據(jù)；郭穎悅等[9]簡述了遙感技術(shù)在土地利用類型的應(yīng)用及前景，這為本文土地利用數(shù)據(jù)的獲取及分析提供了理論支撐；戴娜敏等[12]及李碩等[13]應(yīng)用多種方法對大清河流域土地利用景觀的時空變化進行了分析研究，而這為本文確定研究方法提供了思路。

喀什噶爾河流域位于西北干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱[14]，且是集民族地區(qū)、貧困地區(qū)為一體的區(qū)域。受自然條件及管理水平的限制，流域水土資源利用率較低，土地利用類型轉(zhuǎn)變復(fù)雜[15]。另對于喀河流域土地利用類型轉(zhuǎn)變的研究大都較早[4-5，16-17]，且針對流域人類社會主要活動的平原區(qū)卻并未深入研究。故本文在獲取研究區(qū)多年土地利用類型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，首先分析研究區(qū)不同土地利用類型的時空分布特征及面積變化，其次運用土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣定量分析不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化量及變化趨勢。以期為流域制定水土資源開發(fā)與規(guī)劃及生態(tài)環(huán)境保護提供理論支撐，同時可進一步促進流域生態(tài)文明建設(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展。

1 材料及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔里木盆地西緣，地理位置介于東經(jīng)73°30′～80°30′，北緯38°30′～40°39′之間，地形整體呈西高東低。通過收集并統(tǒng)計喀什噶爾河流域不同時期土地利用類型，結(jié)合野外實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)山區(qū)變化較小，而平原區(qū)較大，故本次以流域平原區(qū)為研究重點。其主要包括流域的低山丘陵區(qū)邊緣地帶及流域中、東部的廣大地區(qū)，行政區(qū)劃包含喀什、克州、阿克蘇及兵團第三師等區(qū)域。本次依據(jù)等高線及流域水系分布劃定邊界條件，西北部以山區(qū)平原區(qū)界限為邊界，南部以喀什噶爾河與葉爾羌河分水嶺為界，東北及東南部以綠洲界限為界。同時通過野外實際調(diào)查及資料顯示，近年來，隨著喀什噶爾河流域經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，用水量隨之猛增，流域各河流地表來水出山口后幾乎都被引入灌區(qū)，加之下游河道基本被渠系化，流域各河流下游河道基本無水通過，故本次針對流域下游僅分析研究主河道兩岸有天然林草分布的區(qū)域。研究區(qū)位置圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置圖

喀什噶爾河流域主要由克孜河、蓋孜河、庫山河、依格孜牙河、恰克馬克河、布谷孜河和吐曼河七條河流組成，多年平均水資源總量55.19億m3。流域內(nèi)平原區(qū)主要氣象要素(氣溫、降水量、蒸發(fā)量)的多年平均值在地域上的變化不大，氣溫在11.2～13.2℃，降水量在61.7～99.6mm/a，蒸發(fā)量在1076～1794mm/a。流域平原區(qū)面積2.34萬km2，生態(tài)環(huán)境脆弱，呈現(xiàn)荒漠綠洲、灌溉農(nóng)業(yè)的特點。

1.2 研究方法

研究區(qū)1990、2000、2010、2019年土地利用類型數(shù)據(jù)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)，其主要以Landsat-TM/ETM遙感影像為數(shù)據(jù)源[18]。經(jīng)解譯后運用動態(tài)度[19]分析研究區(qū)不同土地利用類型在不同時段的變化，同時運用馬爾柯夫土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣[20]定量分析不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況。

1.2.1動態(tài)度模型

通過構(gòu)建單一土地利用動態(tài)度用以表達喀河流域平原區(qū)不同時段內(nèi)不同土地利用類型的變化幅度與速度，其表達式為[19]：

(1)

式中，K—動態(tài)度，表示不同時段內(nèi)某種土地的年變化率；Sa、Sb—流域平原區(qū)某一時段初期和末期某一類土地的面積，km2；T—研究步長，a，本次以年為單位。

1.2.2馬爾柯夫土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

為進一步定量分析喀河流域平原區(qū)不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況，故引入馬爾柯夫土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，其表達式為[20]：

(2)

式中，Pxy—土地利用類型x向土地利用類型y轉(zhuǎn)移的面積，km2；n—土地利用類型個數(shù)。

2 平原區(qū)土地利用類型變化分析

遙感數(shù)據(jù)分析以中國科學院地理科學與資源研究所提出的LUCC[21](土地利用/覆被變化)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)說明書為基礎(chǔ)。首先利用ArcGIS軟件分析整理后統(tǒng)計出平原區(qū)不同年份的土地利用類型，其次對不同時期土地利用類型變化幅度及動態(tài)度進行分析，最后定量分析出平原區(qū)1990—2019年的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

2.1 不同時期土地利用類型時空分布特征及面積變化

依據(jù)土地利用類型二級分類[22]做出喀什噶爾河流域平原區(qū)1990、2000、2010、2019年不同時期的土地利用類型分布，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，平原區(qū)耕地主要集中分布在西北部范圍內(nèi)，也就是流域水系較為發(fā)達的區(qū)域，流域下游巴楚縣、圖木舒克市也有零星分布，另可明顯地看出自2010年后耕地分布更為廣泛，已擠占部分林草用地；林地主要分布在流域中、下游河道兩岸，但自2010年后下游天然林草則呈現(xiàn)明顯萎縮狀態(tài)，同時2000年前蓋孜河下游也有林地分布，但自2010年后則變?yōu)楦瓯冢?010年后由于各縣、市大力發(fā)展林果業(yè)，導致其它林地面積增加零星分布于耕地之間；草地主要分布于西北部范圍內(nèi)，但均在耕地外圍分布，且可以明顯看出自2010年后草地則逐漸被耕地所侵占；水域主要分布于流域各河流中、下游；建設(shè)用地主要分布于流域內(nèi)各縣、市城區(qū)及周邊郊區(qū)；未利用地主要分布于東南部范圍內(nèi)。可以看出耕地、林草空間分布變化較大，但水域、建設(shè)用地及未利用土地的空間分布情況并未發(fā)生明顯改變。可以看出，2019年喀什噶爾河流域平原區(qū)的綠洲范圍是1990年以來最大的時期，耕地面積擴增明顯，草地面積縮減嚴重，而隨著人工綠洲面積的增加，也改變了原始自然地貌和景觀，自然植被被取代，生物多樣性降低。

圖2 喀河流域平原區(qū)不同時期土地利用類型解譯

為進一步厘清平原區(qū)土地利用類型的面積變化情況，統(tǒng)計得出表1平原區(qū)不同時期土地利用類型解譯結(jié)果。

由表1可知，喀河流域平原區(qū)面積約為2.34萬km2，1990—2019年之間，流域平原區(qū)耕地、草地及未利用土地等面積變化較為明顯，其中耕地面積呈明顯增加趨勢，由1990年的4594.50km2增加到2019年的7668.21km2，增加3073.71km2。這是因為2000年之前由于急于實現(xiàn)自身糧食安全，流域灌溉面積呈穩(wěn)定增長，而2000年之后，受制于依賴農(nóng)業(yè)資源優(yōu)勢發(fā)展經(jīng)濟、扶貧攻堅以及全國性援疆等政策因素的綜合驅(qū)動，使得灌溉面積快速擴張；草地呈明顯減少趨勢，由1990年的8785.19km2減少到2019年的4260.27km2，共減少4524.92km2，其中又以低覆蓋度草地減少的面積居多。這是因為由于耕地增加過快，造成流域內(nèi)水土資源過度開發(fā)利用，從而使得流域內(nèi)各河流的河道生態(tài)基流水量及河谷林草、濕地天然植被生態(tài)水量被嚴重擠占，有些地方的草甸植被甚至完全消失；未利用土地面積呈增加趨勢，由1990年的6980.98km2增加到2019年的7983.90km2，共增加1002.92km2，其中又以沙地增加的面積居多。分析是因為隨著人工綠洲面積的增加，改變了原始自然地貌和景觀，自然植被被取代，生物多樣性降低，土地沙漠化問題突顯。同時不難看出，在2010年流域鹽堿地的面積較1990年增加102.84km2，表明平原區(qū)土壤鹽漬化問題也較為突出；流域平原區(qū)其它類型土地面積變化相對較小，林地面積由1990年的1668.19km2增加到2019年的1749.21km2，共增加81.02km2，但灌木林及疏林地等天然植被在逐年減少，尤其是流域沿河兩岸天然林帶寬度逐年收縮，遠離河道的幼林枯死，植被覆蓋度逐年下降，而其它林地(經(jīng)濟林、人工林等)的面積受人為因素增加明顯，從而造成區(qū)域林地面積呈增加趨勢；水域面積由1990年的435.56km2減少到2019年的413.70km2，共減少21.86km2；建設(shè)用地面積由1990年的891.51km2增加到2019年的1280.63km2，共增加389.13km2，其中又以城鎮(zhèn)用地及其它建設(shè)用地增加的面積居多，分析是由于近年來城市規(guī)模及城鎮(zhèn)化率在逐年增加，導致城鎮(zhèn)用地及其它建設(shè)用地面積增加。而建設(shè)用地的不斷增加，也加大了人為因素造成的水土流失。

表1 喀河流域平原區(qū)不同時期土地利用類型解譯結(jié)果 單位：km2

綜上表明，近年來，喀河流域平原區(qū)形成了耕地面積大幅度增加、天然植被面積縮減、城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模擴大及植樹造林等現(xiàn)象共存，這也與趙禾苗等[23]研究成果一致。而發(fā)展戰(zhàn)略與相關(guān)政策的出臺和推行，是驅(qū)動流域農(nóng)業(yè)灌溉面積擴張的重要因素；林、草地面積的縮減，將會導致生態(tài)環(huán)境惡化；而不合理的灌溉方式也將直接導致流域平原區(qū)農(nóng)耕灌區(qū)鹽堿化與灌區(qū)外圍荒漠化的惡性循環(huán)。

2.2 不同時段土地利用類型變化幅度及動態(tài)度分析

前文僅針對1990—2019年的土地利用類型的空間分布及變化進行了分析，為進一步地分析平原區(qū)不同時段土地利用類型變化的幅度及速度，統(tǒng)計出1990—2000年、2000—2010年、2010—2019年、1990—2019年平原區(qū)不同時段土地利用類型變化幅度及速度，結(jié)果見表2。

由表2可知，近年來平原區(qū)耕地呈持續(xù)增加趨勢，在1990—2019年時段內(nèi)增加速率為2.31%，尤其在2000—2010年時段內(nèi)增加的面積及速度最快，面積增加為1279.43km2，增加速率為2.49%。這與前文分析得出2000年前耕地穩(wěn)步增長，但2000年后耕地面積快速增長相一致；林地面積呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，在1990—2019年時段內(nèi)增加速率為0.17%，在1990—2010年呈減少趨勢，兩個時段內(nèi)面積減少分別為127.17km2及11.68km2，減少速率分別為0.76%及0.08%，在2010—2019年面積增加為219.89km2，增加速率為1.44%。而這也主要是因為人工林和經(jīng)濟林面積增加所致；草地面積在1990—2019年各時段均呈減少趨勢，減少速率為1.78%，其中2000—2010年時段內(nèi)減少的面積及速度最快，面積減少為2007.97km2，減少速率為2.77%。與耕地面積變化時段相對應(yīng)，這也從側(cè)面表明耕地面積的增加是建立在草地面積減少的前提上；水域面積總體呈現(xiàn)出先增后減再增的趨勢，其中在1990—2019年時段內(nèi)減小速率為0.17%，在1990—2000年及2010—2019年時段內(nèi)面積呈增加趨勢，增加速率分別為0.01%及0.91%，而在2000—2010年時段內(nèi)卻呈減少趨勢，面積減少為56.69km2，減少速率為1.30%。但近年來平原區(qū)水域面積變化并不明顯；建設(shè)用地面積各時段均呈增加趨勢，在1990—2019年時段內(nèi)增加速率為1.51%，且在2010—2019年時段內(nèi)增加的面積及速度最快，面積增加為255.66km2，增加速率為2.49%，雖然其轉(zhuǎn)換面積在數(shù)量上較少，但土地變化速率卻相對最高。這是因為自2010年喀什設(shè)立經(jīng)濟特區(qū)，且平原區(qū)內(nèi)人口增多，城鎮(zhèn)規(guī)模發(fā)展較快所致；未利用地面積呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在1990—2019年時段內(nèi)增加速率為0.50%，其中1990—2010年兩個時段內(nèi)面積增加分別為1062.37km2及710.51km2，增加速率分別為1.52%及0.88%，但在2010—2019年卻呈減少趨勢，面積減小為769.96km2，減小速率為0.88%。而這也是因為流域水土資源開發(fā)較大，土地沙漠化所致。

綜上所述，近年來研究區(qū)不同時段內(nèi)耕地和建設(shè)用地面積均呈增加趨勢，耕地增加速率最大，草地面積均呈減少趨勢，減少速率最大。而林地、水域、未利用土地雖經(jīng)計算表明在1990—2019年時段內(nèi)呈增加或減少趨勢，但由于受外界及人為因素影響，不同土地利用類型在不同時段內(nèi)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。

2.3 平原區(qū)土地利用類型矩陣轉(zhuǎn)移分析

在分析了平原區(qū)各土地利用類型變化幅度及速率的基礎(chǔ)上，為進一步厘清平原區(qū)各土地利用類型的轉(zhuǎn)換關(guān)系，構(gòu)建了喀河流域1990—2019年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果見表3。

從表3可以看出1990—2019年間喀河流域平原區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)化整體上較為復(fù)雜。喀河流域2019年較1990年平原區(qū)不同土地利用面積共轉(zhuǎn)變7166.74km2，其中由耕地轉(zhuǎn)為其它類型土地的面積為567.35km2，其中大部分都轉(zhuǎn)為其它林地，經(jīng)實際調(diào)查多為經(jīng)濟林等，而其它類型土地轉(zhuǎn)為耕地的有3641.06km2，其主要由草地轉(zhuǎn)變；由林地轉(zhuǎn)為其它類型土地的面積為575.87km2，其主要轉(zhuǎn)為耕地及未利用土地，其它類型土地轉(zhuǎn)為林地的有656.91km2，其主要由耕地、草地及未利用地轉(zhuǎn)變；由草地轉(zhuǎn)為其它類型土地的面積為4934.08km2，其主要轉(zhuǎn)為耕地，其它類型土地轉(zhuǎn)為草地的有409.15km2，其主要由未利用地轉(zhuǎn)變；由水域轉(zhuǎn)為其它類型土地的面積為47.29km2，其主要轉(zhuǎn)為草地和未利用地，其它類型土地轉(zhuǎn)為水域的有25.43km2，其主要由草地轉(zhuǎn)變；由建設(shè)用地轉(zhuǎn)為其它類型土地的面積為6.74km2，其中大部分都轉(zhuǎn)為耕地，其它類型土地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的有395.87km2，其主要由耕地、草地及未利用地轉(zhuǎn)變；由未利用地轉(zhuǎn)為其它類型土地的面積為1035.41km2，其主要轉(zhuǎn)為耕地、林地及草地，其它類型土地轉(zhuǎn)為未利用土地的有2038.33km2，其主要由草地及林地轉(zhuǎn)變。

上述分析得出平原區(qū)其它類型土地轉(zhuǎn)換為耕地的共有3641.06km2，其占比最大，故以耕地為例，對2019年新增耕地的原土地性質(zhì)進行分析，結(jié)果見表4。

表4 2019年較1990年平原區(qū)耕地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

可以發(fā)現(xiàn)，流域平原區(qū)耕地主要由中、低覆蓋度草地轉(zhuǎn)變而來，也由部分沙地和戈壁轉(zhuǎn)變。而其余各類土地利用面積轉(zhuǎn)變則相對較少。為進一步分析1990—2019年平原區(qū)耕地在空間上的轉(zhuǎn)變情況，做出2019年較1990年平原區(qū)耕地變化如圖3所示。圖中顯示面積為喀河流域平原區(qū)2019年耕地分布情況，其中紅色為1990年耕地分布，而其余顏色則表示為自1990年以來其它類型土地轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐拿娣e分布。

由圖3可以明顯的看出新增耕地多由阿克陶縣、英吉沙縣、岳普湖縣及伽師縣的草地轉(zhuǎn)變而來，且在依格孜牙河及黑孜泉河下游也有大片的草地轉(zhuǎn)為耕地。并經(jīng)計算，其中阿克陶縣主要向東南外擴3～10km；英吉沙縣外擴范圍較小，主要向東外擴2～3km；岳普湖縣也主要向東南外擴3～8km；伽師縣則同時向西北及東南方向外擴，向西北外擴4～9km，向東南外擴2.5～11km；依格孜牙河及黑孜泉河下游耕地則主要向東外擴3～4km。同時可以看出在平原區(qū)西部的蘭多鄉(xiāng)與中部的阿克喀什鄉(xiāng)及格達良鄉(xiāng)有大片的戈壁被開發(fā)為耕地，且在黑孜泉河下游也有大片的戈壁轉(zhuǎn)為耕地。另在平原區(qū)中下游伽師總場附近也有部分林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀谄皆瓍^(qū)東部靠近喀什噶爾河兩岸的巴楚縣及圖木舒克市也有部分林草轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍＞C上所述，受喀河流域地形條件限制，近年來平原區(qū)耕地主要向東南方向外擴，且新增耕地多由原耕地向外擴展，而外擴耕地則多由草地轉(zhuǎn)變而來。另外，隨著區(qū)內(nèi)灌溉渠系等水利設(shè)施條件的不斷完善，也促使部分沙地及戈壁土地新開發(fā)為耕地。

圖3 喀河流域平原區(qū)2019年較1990年耕地變化

3 討論

通過對研究區(qū)土地利用類型時空分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，近年來流域平原區(qū)內(nèi)土地利用類型空間分布變化顯著。但受流域天然條件限制，多年來平原區(qū)綠洲主要分布在流域水系較為發(fā)達的西北部，而向東南方向外擴的耕地也多是擠占天然林、草轉(zhuǎn)變而來。但隨著研究區(qū)土地利用類型空間分布及面積的轉(zhuǎn)變也伴隨著不少問題的出現(xiàn)。如灌溉面積過大，但農(nóng)業(yè)灌溉用水利用效率低，導致生產(chǎn)、生態(tài)用水矛盾突出；且流域下游因多年斷流，河岸分布的以胡楊為優(yōu)勢群種的荒漠河岸林生態(tài)系統(tǒng)退化顯著，流域土地沙化明顯，生態(tài)環(huán)境問題突出。因此，為實現(xiàn)喀河流域平原區(qū)土地資源合理利用，應(yīng)加強對綠洲農(nóng)田[24-25]、荒漠林和天然草原的保護，如可采取封育保護、自然修復(fù)等措施減少對于天然林和草原的人為干擾，并在水資源綜合調(diào)配的基礎(chǔ)上保證生態(tài)用水，適度建設(shè)人工林及人工草場，使得流域水土資源利用更趨合理化。

通過對研究區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)變及趨勢分析發(fā)現(xiàn)，與劉紀遠[26]提出的中國土地利用變化的基本特征與空間格局相一致。位于西北干旱區(qū)半干旱區(qū)的喀河流域平原區(qū)內(nèi)的土地利用類型大都為其它類型土地轉(zhuǎn)為耕地，而在位于內(nèi)陸的其它流域則存在著耕地轉(zhuǎn)為其它類型土地，如耕地轉(zhuǎn)為林地[27]、建設(shè)用地等[28]。因此，喀什噶爾河流域在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面還存在著一定的提升空間。同時，本文僅針對流域平原區(qū)內(nèi)土地利用類型時空分布規(guī)律及趨勢分析，但造成研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)變的驅(qū)動因素[27，29]卻未開展進一步研究，這將是本文后續(xù)的研究重點。

4 結(jié)語

(1)流域平原區(qū)綠洲面積在逐年增加，最終出現(xiàn)了耕地面積向東南擴增，天然林、草面積縮減、城鎮(zhèn)建設(shè)用地外擴及植樹造林等現(xiàn)象共存，同時生態(tài)環(huán)境問題突顯。

(2)受外界及人為因素影響，流域內(nèi)平原區(qū)不同土地利用類型面積在不同時段內(nèi)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。

(3)1990—2019年間平原區(qū)各土地利用類型之間轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜，以耕地為例，平原區(qū)內(nèi)向東南外擴的耕地由草地轉(zhuǎn)變而來，同時，區(qū)內(nèi)灌溉渠系等水利設(shè)施的不斷完善也促使部分沙地及戈壁被新開發(fā)為耕地。