1990—2020年烏昌地區土地利用與土地覆蓋變化動態研究

趙金鵬 哈麗娜·努爾布爾

新疆農業大學科學技術學院，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

新疆維吾爾自治區（以下簡稱新疆）是我國土地面積最大的省級行政區，而烏魯木齊市和昌吉回族自治州（烏昌地區）是新疆天山的核心經濟地帶，研究其土地利用與覆蓋變化（Land Use and Land Cover Change，LUCC）十分重要且必要。而目前在土地利用與土地覆蓋變化研究方面，有關烏昌地區的研究報道相對較少。基于此，以烏昌地區為研究區，采用遙感技術對其進行土地利用類型、土地利用轉移情況進行分析，探究1990—2020 年烏昌地區LUCC 的變化特征和變化規律。

1 研究區域和研究方法

1.1 研究區概況

烏昌地區是指烏魯木齊市和昌吉回族自治州。其中，烏魯木齊市為新疆首府，是世界上距離海洋最遠的大城市，有“亞心之都”之稱。昌吉回族自治州為新疆重要的農產品輸出地，是首府烏魯木齊市的重要補充。烏昌地區地處我國西北、亞歐大陸中心，在準噶爾盆地南部、天山山脈北麓，位于東經85°17′～91°32′、北緯42°45′～45°00′。烏昌地區地勢整體呈南部和東北部高、中部和西北部低的趨勢，為溫帶大陸性氣候區，冬季寒冷干燥，夏季炎熱，溫差極大［1］。

1.2 數據來源與研究方法

1.2.1 數據來源

研究區遙感數據中的高程數據來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/），其分辨率為30 m；從中國生命周期基礎數據庫（Chinese Life Cycle Database，CLCD）土地利用數據網站獲得1990 年、1995 年、2000年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年新疆的土地覆被數據，使用Arcgis 軟件根據烏昌地區行政區劃矢量圖進行裁剪，并進行掩膜提取，進而形成該地區的土地利用變化數據。之后完善土地利用變化數據，并根據實際情況對其進行分類，包括水域、耕地、林地、草地、濕地、建設用地、灌木地、裸地和冰山融雪等9類［2］。

1.2.2 研究方法

1.2.2.1 土地利用變化幅度

土地利用變化幅度指某一時間段土地利用類型面積的變化，反映不同類型的土地在總量上的變化，可了解土地利用變化的總態勢和土地利用結構的變化［3］。其計算公式為

式（1）中：K為某一地區土地利用類型在研究期的變化幅度，Va為某一種土地利用類型研究末期土地面積，Vb為某一種土地利用類型研究初期土地面積。

1.2.2.2 土地利用轉移矩陣

土地利用變化分析的轉移矩陣能夠完全描述不同類型土地之間的相互轉換關系，可以具體、全面地體現出研究區各土地利用類型變化的結構特征與變化方向［4］。其計算公式為

式（2）中：LUCC為土地利用變化分析的轉移矩陣，Cn為研究區土地利用變化前分類結果，Cn+1為研究區土地利用變化后分類結果。

2 研究結果與分析

2.1 不同土地利用類型的空間分布

烏昌地區的地勢南高北低，且烏昌地區東北部有高海拔地區。實地走訪調研發現，烏昌地區以裸地和草地為主，裸地主要分布在該區域的東北部，草地主要分布在西南部，兩者對稱分布。由圖1 可知，烏昌地區不同海拔的土地利用空間分布差異明顯，但海拔高于4 200 m的區域幾乎很少有利用土地分布。其中，耕地分布在海拔低于1 800 m 的區域，以分布在海拔298～1 000 m 的區域為主，面積達8 867.26 km2；林地主要分布在海拔1 800～2 600 m 的區域；建設用地主要分布在海拔298～1 000 m 的區域；草地、裸地在高海拔地區和較低海拔地區均有分布，但裸地主要分布在海拔298～1 000 m 的區域，草地在不同海拔的分布較為均勻；水域和濕地分布在海拔低于2 000 m 的區域，在不同海拔的分布沒有明顯規律；高山融雪基本均存在于海拔高于3 000 m 的區域。由于烏昌地區南部為天山山地，所以烏昌地區南部主要是冰川融雪、林地和高山型草地。烏昌地區中部主要為沖積平原，水域、耕地和草地分布面積較大。受南部天山山脈的影響，烏昌地區中部耕地和建設用地的水資源主要來源于高山積雪和山地地表徑流，這有利于滿足當地農業和工業用水需求。烏昌地區北部廣泛分布沙漠盆地，加之當地氣候干燥，所以當地土地類型主要為裸地，開發難度大。

圖1 1990—2020年烏昌地區不同海拔土地利用類型變化

2.2 土地利用變化幅度分析

1990 年、1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015年和2020 年烏昌地區土地利用類型面積如表1 所示。利用公式（1）計算1990—2020 年烏昌地區土地利用類型面積的變化幅度，結果如表2 所示。由表1 可知，烏昌地區林地和建設用地面積隨著時間的推移而增加。相比1990年，2020年烏昌地區林地面積增加754.45 km2，其原因可能是造林政策逐漸落實到位；2020 年烏昌地區建設用地面積增加602.08 km2，主要是由城市化的不斷發展造成的。自1995 年以后，烏昌地區草地面積逐漸減少。由表2可知，1990—2020年，烏昌地區建設用地呈現正向變化（且其變化幅度排第一），排第二位的是林地，而草地整體變化趨勢為負向，其余土地利用類型變化幅度呈現上下波動趨勢。其中，2015—2020 年烏昌地區耕地面積變化幅度為-7.59%，此期間耕地面積減少798.44 km2；2015—2020 年烏昌地區灌木地面積變化幅度為2 230.77%，其余時間段變化幅度均為負值；2010—2015 年、2015—2020 年烏昌地區水域面積變化幅度分別為-8.36% 和-0.61%，但1990—2020 年整體變化幅度為81.47%，說明除特定年份外，水域面積整體呈增加趨勢；1990—2020 年烏昌地區冰山融雪面積的變化差異較大、階段性較為顯著，1990—1995 年、2005—2010 年、2010—2015 年變化幅度分別為17.58%、10.81%、3.86%，其余時間段均為負值，可能是全球氣候變暖和極端天氣天不斷出現導致的；1990—2010 年烏昌地區裸地面積不斷減少，變化幅度為負值；2005 年以前，烏昌地區濕地面積逐年減少，之后則反之，可能是受國家開始注重生態濕地修復的影響。

表1 1990—2020年烏昌地區土地利用類型面積km2

表2 1990—2020年烏昌地區土地利用類型面積變化幅度%

2.3 土地利用轉移矩陣

利用Arcgis軟件中的空間分析工具中的柵格計算器進行烏昌地區地圖的代數計算，參照公式（2），得出1990—2020 年烏昌地區土地利用轉移矩陣（見表3 至表8）。整體來看，1990—2020 年烏昌地區土地轉移變化頻繁，由于當地草地和裸地本身面積大，所以主要是以草地和裸地的轉出、建設用地和林地面積的日漸增加為整體趨勢而發展的。當地面臨的生態壓力較大，耕地和草地大面積退化成裸地。

表3 1990—1995年烏昌地區土地利用轉移矩陣

表4 1995—2000年烏昌地區土地利用轉移矩陣

表5 2000—2005年烏昌地區土地利用轉移矩陣

表6 2005—2010年烏昌地區土地利用轉移矩陣

表7 2010—2015年烏昌地區土地利用轉移矩陣

表8 2015—2020年烏昌地區土地利用轉移矩陣

1990—1995 年，烏昌地區耕地的主要轉出方向是草地，而草地的主要轉出方向是耕地、林地和裸地，特別是轉變為裸地的面積占草地轉出總面積的2.67%。草地轉變為裸地的原因可能是當地氣候干燥，降水量小于蒸發量，使得草地荒漠化。裸地主要轉為草地，其轉變為草地的面積占裸地轉出總面積的4.44%，表明烏昌地區開始注重裸地開發。

1995—2000 年，在烏昌地區轉出土地類型中，草地成為主要的轉出利用類型，草地轉為耕地、林地、建設用地的面積分別為909.57、224.93、41.84 km2。

2000—2005年，烏昌地區土地利用變化頻繁，主要是草地和裸地的互相轉換。另外，草地轉為耕地的面積也占有一定的比重，轉為耕地的面積為1 010.83 km2，占草地轉出總面積的2.85%。

2005—2010 年，烏昌地區草地主要轉出方向與前兩個時期有所變化，草地轉化為耕地的面積最大（轉化面積為1 476.01 km2，占草地轉出總面積的4.24%，相比2000—2005 年增長了1.39 個百分點），同時部分草地轉化成了裸地。

2010—2015 年，烏昌地區裸地對草地的轉入相比前幾個時期大幅度減少（這個時期裸地對草地的轉入面積為860.60 km2，與2005—2010 年轉入面積1 887.68 km2相比減少了1 027.08 km2）；而草地退化成裸地的面積與前期相比只增不減，說明草原荒漠化在烏昌地區是一個較為嚴重的問題。

2015—2020 年，烏昌地區土地轉移變化顯著，耕地轉出總面積（10 522.42 km2）與前幾個時期相比大大增加，相比2010—2015 年轉出總面積9 806.65 km2增加了715.77 km2；相比較而言，草地的轉出面積有所減少。

3 結論與討論

3.1 結論

①烏昌地區以裸地和草地為主，裸地主要分布在該區域的東北部，草地主要分布在西南部，兩者對稱分布。另外，烏昌地區不同海拔的土地利用空間分布差異明顯。

②從整體的土地利用幅度來看，烏昌地區建設用地呈現正向變化（且其變化幅度排第一），排第二位的是林地，而草地整體變化趨勢為負向，其余土地利用類型變化呈現上下波動的趨勢。

③從土地利用轉移矩陣來看，烏昌地區土地轉移變化頻繁，由于當地草地和裸地本身面積大，所以主要是以草地和裸地的轉出、建設用地和林地面積的日漸增加為整體趨勢而發展的。當地面臨的生態壓力較大，耕地和草地大面積退化成裸地。

3.2 討論

1990—2020 年，烏昌地區建設用地面積逐年增長，其主要是受當地城市化發展的影響。譚遠模等［5］開展了類似研究，發現自我國加速城市化發展以來，城市規模急劇擴張，部分耕地被納入城市建設用地。雖然1990—2020 年烏昌地區建設用地面積逐年增長，但是建設用地面積的增長與耕地、草地等面積的增長相比微乎其微。另外，烏昌地區草地和林地面積的變化主要受國家退耕還林還草政策的影響。