塔里木河下游土地利用轉型圖譜特征分析

唐芳，蒲智，李小玉

（新疆農業大學計算機與信息工程學院，烏魯木齊 830052）

土地利用/土地覆被變化是人類活動作用于生態環境的一種復雜響應，在全球環境變化和可持續發展中占有重要的地位［1］。地學信息圖譜方法作為LUCC研究的新途徑，能很好復合“空間格局”和“時間過程”，是一種時空復合分析方法［2］，集合RS、GIS和計算機制圖等技術，用圖譜單元形象、動態的展示土地利用轉型［3，4］。已有諸多學者運用地學信息圖譜方法開展土地利用轉型相關研究。王啟名等［5］運用土地利用轉型圖譜和分布指數分析了滇池流域土地利用結構和土地利用圖譜的地形梯度效應及成因。張韻等［6］運用地學信息圖譜方法，構建1990—2000年和2000—2010年江漢平原兩個時序的土地利用轉型圖譜、漲落勢圖譜和轉型模式圖譜，形象反映該地區土地利用轉型特征。唐常春等［7］以典型案例長株潭城市群為例，構建1995—2015年4個時期地學信息圖譜，探索城市群LUCC數量結構與時空格局一體化耦合機理，研究用地轉型與區域發展互動關系。地學信息圖譜在土地利用轉型研究的適用性，且研究區域集中在城市發展重點區和生態環境薄弱區。

塔里木河地處中國西北，是絲綢之路經濟帶建設的核心區，自然資源豐富且生態環境脆弱［8］。大規模的農業開墾和人工綠洲開發，使得支流向干流輸送的水量逐年減少，塔里木河下游大西海子水庫以下斷流現象日益嚴重［9，10］，地下水位逐漸下降，導致大片胡楊林死亡［11］。21世紀初，國家針對塔里木河下游沿岸的生態恢復，實施間歇性生態輸水，下游區土地利用類型產生較明顯變化，地下水位大幅提升，斷流區域生態和環境得到初步改善［12，13］。塔里木河綜合治理工程是世界范圍內通過人為干預促進生態修復的典型案例，塔里木河生態環境變化狀況是國家和區域政府關注的焦點［14］。

本研究以塔里木河下游為研究區，基于2000、2010、2020年土地利用數據構建土地利用圖譜體系，定量分析塔里木河下游近20年土地利用轉型時空格局與過程，為塔里木河流域水資源優化調度提供科學依據及生態環境治理和區域經濟發展提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

研究區位于塔里木河下游恰拉水庫至臺特瑪湖，總長約430 km，根據該地區不同的區域特點，將其劃分為上段（恰拉—鐵干里克）、中段（鐵干里克—阿拉干）和下段（阿拉干-臺特瑪湖）3個河段，塔里木河是典型干旱區內陸河，干流自身不產流，屬純耗散型河流。相鄰于庫魯克塔格沙漠和塔克拉瑪干沙漠。研究區域地理位置為86°00′—89°30′E和39°00′—41°30′N。屬暖溫帶極端干旱的大陸性氣候，日照時間長，降水稀少，年降水量20～40 mm，年平均蒸發量高達2 500～3 000 mm［15］；土壤為鹽化草甸土、胡楊林土、鹽土、風沙土和沼澤土等；植物主要為胡楊、多支怪柳、黑刺、蘆葦、大花羅布麻和疏葉駱駝刺等［16］。20世紀后期大西海子水庫的建成，阻斷了塔里木河地表徑流，造成主干河道斷流，為此，2000年開始實施“塔里木河下游應急輸水工程”，截至2020年底，已成功輸水21次，累計下泄水量達84.45×108m3［17，18］。

1.2 數據來源及預處理

本研究使用的遙感數據來源于美國地質調查局（USGS，https：//glovis.usgs.gov/），TM、ETM+和OLI遙感數據為30 m空間分辨率。以2000、2010年的Landsat TM和2020年Landsat8 OLI為數 據源，運用ArcGIS10.2對以上3期遙感數據進行預處理、人機交互式目視解譯，得到塔里木河下游3期土地利用數據。土地利用類型分類參考國土資源部2007年頒布的《土地利用現狀分類標準》并結合研究區實際情況，將土地利用類型分為耕地、水域、未利用地、建設用地、林地和草地。設置編碼1、2、3、4、5、6，建立塔里木河下游土地利用空間數據庫。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉型圖譜土地利用信息圖譜是以圖譜單元進行“空間格局”和“時間過程”研究的時空復合體［19，20］。選取30 m×30 m的空間分辨率作為圖譜的空間單元，選取研究區3個時點的遙感影像數據，以2000—2010年、2010—2020年為圖譜時序單元。利用ArcGIS 10.2的“疊加分析-相交”工具，將相鄰兩期土地利用數據疊加，初期和末期的土地利用類型編碼值進行地圖代數運算構建土地利用信息圖譜［21，22］。

地圖代數運算公式：

式中，C表征研究時段土地利用方式演化特征的圖譜單元編碼值；A表征前期的土地利用類型的圖譜單元編碼值；B表征后期的土地利用類型的圖譜單元編碼值。

1.3.2 土地利用漲落勢圖譜土地利用轉型包括轉入和轉出兩個動態過程，其他用地類型轉化為該用地類型為轉入，該用地類型轉化為其他用地類型為轉出［23，24］?；趦蓚€時間段的土地利用轉型圖譜，根據分類原則進行重分類，得到塔里木河下游2000—2010年和2010—2020年兩個時序單元的土地利用漲勢圖譜和落勢圖譜。

1.3.3 土地利用轉型模式圖譜根據研究區土地利用轉型圖譜單元的轉型特征，將圖譜轉型模式分為5種類型：①全期穩定型圖譜，土地利用類型始終未發生轉型；②反復變化型圖譜，在2000—2010年、2010—2020年間均發生轉型，且2000年與2020年土地利用類型相同；③全期變化型圖譜，土地利用類型始終發生轉型，且3個時間點土地利用類型均不同；④前期變化型圖譜，僅在2000—2010年發生轉型；⑤后期變化型圖譜，僅在2010—2020年發生轉型。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構轉型

2000—2020年塔里木河下游不同土地利用轉型如表1所示。研究區主要用地類型為未利用地，占比均在48%以上，但總體呈減少趨勢；其次是草地，每期數據占比均超過30%，占比逐年遞減；林地排在第三位，面積占比先減少后增加，總體變化不明顯；耕地、水域和建設用地三類占地總面積小于10%，占比逐年增加，主要轉入來源為草地和未利用地，表明自生態輸水以來塔里木河的生態環境好轉。

表1 2000—2020年塔里木河下游土地利用轉型情況

2.2 土地利用轉型圖譜分析

2.2.1 2000—2010年土地利用轉型圖譜由2000年和2010年土地利用數據相交得到2000—2010年土地利用轉型圖譜（圖1）。轉型期間共生成36類圖譜單元，發生改變的圖譜單元有30類，將占變化面積100%的16類圖譜單元按面積大小排序（表2）。

由表2和圖1可知，2000—2010年土地利用類型發生明顯變化。最為明顯的是“草地—未利用地”圖譜類型，占變化面積的29.54%，主要分布在英蘇到臺特瑪湖區間，變化原因是草地的原始面積較大。其次是“未利用地—草地”，占比18.28%，分布在大西海子水庫到英蘇區間及臺特瑪湖。第三是“林地—草地”，占比15.51%，面積為444.67 km2，主要分布在鐵干里克到英蘇區間。

表2 2000—2010年塔里木河下游主要土地利用轉型情況

圖1 2000—2010年塔里木河下游主要土地利用轉型圖譜

草地主要來源于未利用地、林地和水域，累計增加變化率達34.18%，新增面積979.85 km2；草地主要轉為未利用地、林地和水域，累計減少變化率達17.22%，草地總體變化率減少，萎縮面積493.60 km2；林地主要來源于草地、未利用地、耕地和水域，累計增加變化率達17.79%，新增面積509.88 km2；林地主要轉為草地、耕地和水域，累計減少變化率達22.01%，林地總體變化率減少，萎縮面積121.20 km2；水域面積穩定增長，主要來源于未利用地、草地和林地，累計增加變化率達12.59%，新增面積360.94 km2。

2.2.2 2010—2020年土地利用轉型圖譜由2010年和2020年土地利用數據相交得到2010—2020年土地利用轉型圖譜（圖2）。轉型期間共生成36類圖譜單元，發生改變的圖譜單元有30類，將占變化面積100%的17類圖譜單元按面積大小排序（表3）。

由表3和圖2可知，2010—2020年土地利用類型發生明顯變化。最為明顯的是“草地—未利用地”圖譜類型，占變化面積的20.43%，主要分布在恰拉到英蘇以北及阿拉干到臺特瑪湖區間，萎縮原因是草地原始面積較大。其次是“未利用地—草地”，占比18.91%，分布在大西海子水庫到臺特瑪湖區間。第三是“草地—林地”，占比15.48%，面積為415.36 km2，主要分布在鐵干里克以下舊河道附近，說明生態輸水使地下水位上升，河道兩旁林地面積增加。

圖2 2010—2020年塔里木河下游主要土地利用轉型圖譜

表3 2010—2020年塔里木河下游主要土地利用轉型情況

草地主要來源于未利用地、林地和水域，累計增加變化率達32.00%；草地主要轉變為未利用地、林地、水域和耕地，累計減少變化率達39.25%，草地總體變化率減少，萎縮面積190.58 km2；林地主要來源于草地、未利用地、耕地和水域，累計增加變化率達25.88%；林地主要轉變為草地、耕地、水域和未利用土地，累計減少變化率達21.39%，林地總體變化率增加，新增面積119.26 km2；水域主要來源于未利用地、草地和林地，累計增加變化率達14.23%，主要分布在塔里木河下游的下段，水域主要轉為林地、未利用地和草地，累計減少變化率為4.28%；水體總體變化率增加，新增面積263.67 km2。

2.3 土地利用漲落勢圖譜分析

2.3.1 2000—2020年土地利用漲勢圖譜對合成的塔里木河下游土地利用圖譜的“轉入”進行重分類，得到研究區兩個時序單元的漲勢圖譜，并統計分析土地利用“轉入”數據。

由表4和圖3可知，2000—2010年草地呈現最大漲勢，轉入面積為981.59 km2，主要分布在塔里木河下游的中段（鐵干里克—阿拉干）及臺特瑪湖，草地的主要來源為未利用地和林地；其次是新增未利用地，轉入面積為511.86 km2，主要分布在研究區的下段（阿拉干—臺特瑪湖）；第三是林地，轉入面積為511.86 km2，主要分布在大西海子水庫以及鐵干里克以下的舊河道附近；水域面積從2000年生態輸水到2010年面積新增了362.12 km2，在臺特瑪湖重現大面積水域。2010—2020年草地仍呈最大漲勢，轉入面積為851.53 km2，主要分布在研究區上段（恰拉-鐵干里克）；第二是林地，轉入面積為689.44 km2，主要分布在大西海子水庫到英蘇區間及臺特瑪湖；第三是未利用地，轉入面積為603.56 km2，主要分布在英蘇附近河道以北；第四是水域，轉入面積為377.42 km2，主要分布在鐵干里克以下的舊河道及臺特瑪湖。

圖3 2000-2020年塔里木河下游土地利用漲勢圖譜

表4 2000—2020年塔里木河下游土地利用漲落勢

2.3.2 2000—2020年土地利用落勢圖譜對合成的塔里木河下游土地利用圖譜的“轉出”進行重分類，得到研究區兩個時序單元的漲勢圖譜，并統計分析土地利用“轉出”數據。

由表4和圖4可知，2000—2010年期間塔里木河下游按萎縮面積排序為草地、未利用地、林地、耕地、水域和建設用地。其中草地呈現最大落勢，轉出面積為1 340.42 km2，主要分布在塔里木河下游的下段（阿拉干—臺特瑪湖）；其次是未利用地，轉出面積為782.99 km2，主要分布在大西海子水庫到英蘇區間以及臺特瑪湖附近；第三是林地，轉出面積為633.15 km2，主要分布在恰拉到英蘇區間；耕地、水域和建設用地轉出面積較小，主要分布在塔里木河下游的上段（恰拉—鐵干里克）。2010—2020年期間塔里木河下游各類土地利用類型的萎縮面積相對于上一階段有所減少，主要萎縮類型為草地、林地和未利用地。排名第一的仍是草地，轉出面積為1 040.36km2，主要分布在鐵干里克到阿拉干區間；第二是未利用地，轉出面積為888.46 km2，主要分布在英蘇以下到臺特瑪湖；第三是林地，轉出面積為537.69 km2，主要分布在恰拉到英蘇區間。

圖4 2000—2020年塔里木河下游落勢圖譜

2.4 土地利用轉型模式圖譜分析

根據2000、2010和2020年3期塔里木河下游土地利用數據構建土地利用轉型模式圖譜，將其分級為5個圖譜類型（表5）。統計圖譜類型及最大圖譜單元面積和比例，定量分析土地利用類型的數量和轉型過程。由表5可知，2000—2020年土地利用變化模式圖譜以全期穩定型為主，變化面積達9 166.55 km2，占總面積的68.14%，主要圖譜單元類型為“未利用地”和“草地”，空間分布分散；前期變化型位居第二，變化面積達1 615.55 km2，占總面積的12.01%，主要圖譜單元類型為“草地-未利用地-未利用地”和“林地-草地-草地”；后期變化型位居第三，變化面積達1 398.94 km2，主要圖譜單元類型為“草地-草地-林地”和“草地-草地-未利用地”空間分布較為分散，僅在大西海子水庫、英蘇和臺特瑪湖周邊呈現聚集特征；反復變化型位居第四，變化面積達938.96 km2，主要圖譜單元類型為“未利用地-草地-未利用地”和“草地-未利用地-草地”；全期變化型所占比例最小，僅占總面積的2.47%，主要圖譜單元類型為“草地-未利用地-水域”和“草地-未利用地-林地”，在研究區上段（恰拉—鐵干里克）的南面及臺特瑪湖呈現空間聚集特征。

表5 2000—2020年塔里木河下游土地利用轉型模式

2000—2020年塔里木河下游土地利用轉型模式圖譜單元空間總體呈離散分布特征，僅全期變化型呈“聚集型”分布。轉型模式以全期穩定型為主，前期變化型占比大于后期變化型，即2010—2020年土地利用轉型更穩定。

3 小結與討論

本研究基于地學信息圖譜及數理統計方法對塔里木河下游近20年土地利用結構轉型、土地利用轉型圖譜、土地利用漲落勢圖譜和土地利用轉型模式圖譜特征進行分析。塔里木河下游土地利用結構以林地、草地和未利用地為主，三者占研究區總面積的90%以上。2000—2020年，草地和未利用地呈持續減少趨勢，水域、耕地和建設用地呈持續增加趨勢，林地變化不明顯。土地利用轉型圖譜單元以草地和未利用地之間的相互轉型為主，草地減少面積相對較大，主要減少區域在阿拉干到臺特瑪湖。未利用地和水域間的相互轉型，主要分布在臺特瑪湖。鐵干里克以下舊河道附近增加大片林地，臺特瑪湖重現大面積湖水并每年持續增長。兩個時序單元中，發生變化的主要圖譜單元類型具有較高相似性，最顯著的為草地和未利用地之間的相互轉型。

由土地利用漲落勢圖譜分析研究區空間變化程度，塔里木河下游以林地、草地和未利用地之間的相互轉型為主，且水域面積擴張明顯，主要分布在鐵干里克以下的舊河道和臺特瑪湖，新增面積739.54 km2，萎縮面積僅為165.11 km2。2000—2020年，土地利用漲勢圖譜中草地新增面積最大，為1 833.12 km2，主要分布于恰拉到英蘇區間；落勢圖譜中草地萎縮面積最大，為2 380.78 km2，主要在英蘇以下呈“聚集型”分布。

由土地利用轉型模式圖譜分析研究區時間變化情況，除全期穩定型外，塔里木河下游土地利用轉型圖譜以前期變化型為主，占比12.01%，表明2000年人為干預促進生態修復的塔里木河綜合治理工程使2000—2010年研究區土地利用轉型更為頻繁，2010—2020年土地利用轉型表現較穩定。

本研究應用土地利用轉型信息圖譜方法，將土地利用轉型空間格局的“圖”和土地利用轉型過程的“譜”聯合［25，26］，分析了塔里木河下游近20年土地利用時空變化規律及發展過程，為后續土地利用研究及預測未來研究區土地利用發展趨勢和水資源優化調度提供科學依據，在未來將繼續開展土地利用轉型所引發的生態環境效應等研究。