2000—2020 年新疆阿克蘇地區土地覆被變化的研究

摘要：為解析阿克蘇地區土地覆被變化及其影響因素，采用土地利用轉移矩陣和景觀格局分析法，通過解譯遙感影像繪制了不同年份的土地覆被變化現狀圖。結果表明，阿克蘇地區的土地利用類型發生了顯著變化。2000—2020年，阿克蘇地區的耕地和城鄉、居民工礦用地明顯增多，其他類型的用地逐漸減少；同期氣候呈暖干特點。相關性分析表明，不同年份的景觀格局指數與6類用地面積的相關性存在一定差異：斑塊數量與地類面積的相關性由2000年的0.6下降至2020年的0.3；景觀分割指數與不同類型用地面積的相關性由2000年的0.6上升至2020年的0.9。草地向未利用地轉移6 255 hm2，耕地向草地轉移最多為3 706.16 hm2，未利用地向草地轉移11 848.8 hm2。景觀格局分析表明，該區域景觀呈現破碎化，土地承載力下降，抵抗生態風險的能力減弱。

關鍵詞：土地覆被變化；土地利用類型；景觀格局；降水

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.1062

中圖分類號：S28 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）08‐0172‐08

在全球氣候環境變化趨勢下，土地利用和土地覆被動態變化越來越被認為是一個關鍵和迫切的熱點問題[1]。土地利用/覆被變化（land use/cover change，LUCC）在全球環境變化研究中被認為是重要的研究領域[2]，它是全球環境變化的關鍵因素之一，對生態系統和人類活動有深遠影響[3-5]。通過對比蘇州地區20年間的遙感影像，李一瓊等[6]發現，人類行為活動與土地利用和土地覆被有很大的相關性；王家偉[7]研究黃陵縣并對其土地利用變化趨勢預測表明，研究區農用地將會減少，裸地和建設用地增多，應加大土地轉入轉出力度。莫惠萍等[8]利用2年的土地轉移矩陣研究了贛州地區的土地利用變化，認為景觀格局變化是多種因素耦合作用下生態環境變化的系統反映，其中包括人為和自然因素，是土地利用和土地覆被動態變化重要驅動力。孔祥倫等[9]通過研究人為因素和自然因素的驅動軌跡發現，人類活動在黃河三角洲土地利用/覆被變化過程中起主要作用。馬瑞芳等[10]研究了近19年西安土地覆被和景觀格局變化，發現該區建設用地破碎化程度較高，且耕地林地破碎化程度升高，景觀格局趨向多態性和異質性。米爾扎提江·木艾塔爾江等[11]對新疆葉城縣土地利用變化進行了研究，發現草地、水域面積上升，林地面積下降；常雪兒等[12]對新疆喀什噶爾河流域的土地利用變化進行研究，發現草地和水域面積下降，林地穩定但有上升的趨勢，說明在新疆不同區域的土地覆被變化存在差異。綜上所述，土地覆被與人類活動相關，同時土地覆被變化會引起景觀格局動態變化，因此，研究區域內重要景觀的時空變化規律對支撐本地區農業經濟社會的可持續發展有重要意義。由于目前未深入解析不同景觀要素之間的轉化特征，尚不能對阿克蘇地區土地的承載力進行準確評估。為緩解阿克蘇地區人口增長以及耕地資源緊缺等問題，解析阿克蘇地區土地利用/覆被變化的特征十分必要。本研究采用土地利用轉移矩陣和景觀格局分析的方法，通過解譯遙感影像繪制不用年份的土地覆被變化現狀圖，分析阿克蘇地區土地利用類型的變化，預測該區域的土地承載力，為在暖干氣候下阿克蘇地區生態環境和社會的可持續發展奠定基礎。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

阿克蘇地區（39° 28′57″—41° 30′10″N，79°43′26″—82°00′38″E）北高南低，由西北向東南傾斜。北部山峰多，南部是塔克拉瑪干沙漠，中部多種地形交叉存在。

1.2 數據來源

數據來自中國科學院地理科學與資源研究所和全國地理信息資源目錄服務系統。土地利用原始數據為2000 和2020 年的柵格數據，為2 期Landsat TM/ETM遙感影像，通過處理解譯得到，在ArcGIS中處理遙感圖像得到2000和2020年2期的土地利用類型。根據中國科學院研究所數據將該區域土地類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉居民工礦用地和未利用地6類。

1.3 研究方法

1.3.1 圖像矢量化 利用 ENVI5.1 對2000 和2020年 2 期的遙感影像進行預處理，結合Arc GIS處理遙感影像。

1.3.2 轉移矩陣計算 土地利用轉移矩陣是馬爾可夫模型[13]在土地利用方面的應用，能夠清晰地反映不同土地類型之間的轉化情況。選取阿克蘇地區 2000和2020 年2期遙感影像，利用 ArcGIS進行裁剪、疊加分析、重分類等功能和Excel 數據統計功能，得到阿克蘇地區從2000到2020 年土地利用轉移矩陣。

1.3.3 景觀格局指數 依賴 ArcGIS 和 Fragstats 3.3軟件，計算阿克蘇地區土地利用景觀指數[11]，在景觀類型上取最大斑塊指數 （largest patch index，LPI）、斑塊密度 （patch density，PD）、斑塊數量（number of patch，NP）、景觀分割指數（landscapedivision index，DIVISION）、平均分形維數（averagefractal dimension，FRAC）、香農多樣性指數（Shannon diversity index，SHDI）、景觀聚集度指數（aggregation index，AI）、分離度指數（splittingindex，SPLIT）。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構變化

以2000—2020年阿克蘇地區土地利用的數據結合2000和2020年土地利用轉移矩陣進行分析，結果（圖1和表1）表明，2個時期中未利用地占比最大，分別為58%（2000年）和63%（2020年）。與2000年相比，2020年的耕地和未利用地增多；水域明顯減少；城鄉居民工礦用地零星分布，在東南部和中部有所增加。耕地、林地、城鄉居民工礦用地、未利用地的面積分別從2000年的835 762.0、465 385.0、40 111.5、7 378 710.0 hm2 增加到2020年的1 343 820.0、543 679.0、66 688.6、8 002 850.0 hm2；草地、水域面積分別從2000 年的3 588 080.0、465 785.0 hm2 減少到2020 年的2 595 150.0、223 699.0 hm2。20年間，耕地、林地、城鄉居民工礦用地、未利用地面積分別增加508 058.0、78 294.0、26 577.1、624 140.0 hm2；草地和水域面積分別減少992 930.0、242 086.0 hm2。

對比2000和2020年土地利用類型的變化，結果（表2）表明，有25.90%的草地轉化為未利用地；50.04%的城鄉用地轉化為耕地；27.59%的耕地轉化為草地；53.49%的林地轉化為草地，5.68%的林地轉化為耕地；水域中，16.00% 轉化為草地，11.78% 轉化為未利用地，2.58% 轉化為耕地，4.05%轉化為林地；未利用地中，14.81%轉化為草地，0.21%轉化為耕地。

2.2 景觀格局變化分析

由表3 可知，在2000 年，草地的斑塊密度（PD）最大，耕地最小；未利用地的最大斑塊指數（LPI）最大，林地最小；林地和城鄉工礦建設用地的景觀分割指數（DIVISION）最大，未利用地最小；城鄉工礦建設用地的分離度指數（SPLIT）最大，未利用地最小；未利用地的景觀聚集度指數（AI）最大，城鄉工礦建設用地最小；草地的斑塊數量（NP）最大，城鄉工礦建設用地最小。在2020年，PD表現為城鄉居民工礦用地gt;耕地gt;林地gt;草地gt;未利用地gt;水域；LPI表現為未利用地gt;草地gt;耕地gt;林地gt;城鄉居民工礦用地gt;水域；DIVISION表現為水域=城鄉居民工礦用地gt;林地gt;耕地gt;草地gt;未利用地；SPLIT表現為城鄉居民工礦用地gt;水域gt;林地gt;耕地gt;草地gt;未利用地；AI表現為未利用地gt;草地gt;耕地gt;林地gt;水域gt;城鄉居民工礦用地；NP表現為草地gt;林地gt;水域gt;未利用地gt;耕地gt;城鄉居民工礦用地。

從2000 年至2020 年，NP 持續增長，說明景觀的破碎化程度逐步提高；PD呈上升趨勢，這與阿克蘇地區未利用地面積的增加以及草地面積的減少有關，水域、未利用地、林地、工礦用地的PD波動性較大，耕地PD最小，破碎化程度加大，不同土地類型的均衡被破壞，整體的破碎化程度增加；未利用地和草地 的LPI較高，說明在該研究區內未利用地和草地占優勢；6 種地類的DIVISION都較大，分離性較高，抵御風險的能力較小，景觀安全性低[12]；從SPLIT來看，水域、城鄉居民工礦用地、草地、林地、耕地都有比較明顯的變化，未利用地變化較小，表明該地在這20年間景觀破碎化程度加大；從AI 來看，未利用地、草地、耕地較其他類型的聚合度高，林地、水域、城鄉居民工礦用地的聚合度較低，說明其在阿克蘇地區的分布較為分散；SHDI 呈現波動且減少的變化趨勢，這20年間耕地、林地、建設用地、未利用地的面積增加，使各景觀類型面積比例的差異縮小（表3）。

由圖2可知，在2000年，LPI與每個地類的總面積呈極顯著正相關；DIVISION與每個地類的總面積呈極顯著負相關；LPI與DIVISION呈極顯著負相關；AI與SPLIT呈顯著負相關。在2020年，DIVISION與每個地類的總面積呈極顯著負相關；LPI和每個地類的總面積呈極顯著正相關；AI和每個地類的總面積呈顯著正相關；NP與PD呈極顯著正相關；LPI與DIVISION呈極顯著負相關，與AI呈顯著正相關。

2.3 溫度和降水變化趨勢

氣候會影響土地覆被的變化。將阿克蘇地區2000—2020 年的溫度和降水通過滑動平均擬合[29]，結果（圖3）表明，阿克蘇地區這20年間氣溫總體呈上升趨勢；降水呈波動變化，在2003年較高，在2007年較低，總體呈略有下降趨勢。

3 討論

本文基于利用新疆阿克蘇地區2000和2020年2期遙感影像數據，使用景觀格局分析和土地利用轉移矩陣，對阿克蘇地區20年的土地利用變化特點進行分析表明，耕地、城鄉居民工礦用地明顯增多，水域、草地面積不斷減少，其原因可能是受到政策、自然環境變化的影響，及人口密度的增大導致；景觀格局指數表明，該區域整體景觀呈現破碎化，土地承載能力降低；暖干氣候變化加劇了該區域生態系統的風險。

3.1 氣候對土地利用類型的影響

阿克蘇地區屬于溫帶大陸性氣候，夏季炎熱干燥，蒸發量大，晝夜溫差大。該地區2000—2020年的平均氣溫為10～12 ℃，呈微弱的上升趨勢，降水呈減小趨勢。本研究發現，阿克蘇地區在2020 年的平均降水量較2000 年明顯減少，且20 年間該區中水域的面積減少了242 086 hm2。該區的水域主要由山地降水和冰雪融水補給[13]，由于降水的減少，造成該區的水域面積降低。在阿克蘇地區的耕地中，水田占1.86%，旱地占98.14%，降水和氣溫的變化對旱地的種植影響較小，所以降水對阿克蘇地區耕地變化影響較弱[14]。本研究表明， 2000—2020年阿克蘇地區有25.90%的草地轉化為未利用地，這與鐘業喜等[15]的研究結果存在一定差異，可能是由于研究時間段不同。在1960—2008年，新疆草地的區域歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）平均增加6.21%，林地有所減小，草地面積與降水和氣溫成正比，且降水對草地凈初級生產力（netprimary production，NPP）和NDVI的影響較大，由此表明，降水量是新疆草地植被的主要影響因子[16]。本研究也表明，阿克蘇地區降水的減少是影響草地面積變化的重要因素。林地密閉性較強，受外界影響較低，故降水量對林地的影響較小；而在阿克蘇地區的未利用地中大部分為荒漠和戈壁，植被稀少，受降水影響較大。氣溫上升導致適宜農作物生長的區域增加，從而增加了耕地面積。

3.2 人為驅動力分析

3.3.1 社會經濟因素 人為驅動力中人口因素是影響土地利用變化的重要驅動力之一[17]。隨著社會發展、技術提升，為了滿足人口增加對糧食的需求，對耕地的需求加大，從而導致一些其他用途類型的土地轉變為耕地。人口的增加必然伴隨著國內生產總值（gross domestic product， GDP）的增長，研究表明，社會經濟因素會對土地利用變化產生影響[18]。由于城鎮化水平的不斷提高，耕地和林地的需求增多，導致一些其他地類（草地、未利用地、水域等）轉變為耕地和林地。研究表明，隨著人們越來越重視農業效益的提高，果園的面積逐漸增加，其對促進社會經濟發展和實現鄉村振興起重要作用[19]。

3.3.2 政策因素 土地利用變化與政策因素息息相關。阿克蘇地區林地面積的增加重要原因之一是國家退耕還林政策的實施[20]，本研究也表明，一部分耕地轉向林地，使林地面積有所增加。2000—2020年阿克蘇地區土地利用變化的整體趨勢較明顯：草地、水域的面積有所減少，耕地、林地、城鄉居民工礦用地及未利用地均有增加。在這20年間，由于國家基本農田保護政策的實施，耕地面積增加508 058 hm2。草地和水域面積急劇下降，其原因是多方面的，如坑塘轉化為耕地、林地等。由于經濟進步發展和土地沙化會降低土地效益，甚至可能出現撂荒現象，導致未利用地面積增多。

1999 年為了保護生態環境，國家實施了退耕還林、還草等政策[21]；以我國生態工程[22]為指引，強化對林地、草地、水域等的保護，控制耕地和城鄉用地的漲幅，并控制林地、草地、灌木地、濕地和水體向其他地類轉變；將坡度大于15°的耕地進行退耕還林，河流周圍50 m緩沖區轉為草地[23]。近年來，阿克蘇地區大力發展特色林果業的政策也對該地區的土地利用產生了較大的影響[17，24‐25]。因此，應加強對生態系統的保護，提高財力、物力的投資強度，增加生態治理項目，促使該地區土地利用類型結構優化[26‐29]。

參考文獻

［1］ 劉紀遠，劉明亮，莊大方，等.中國近期土地利用變化的空間

格局分析[J].中國科學，2002，32（12）：1031-1040，1058-1060.

［2］ 史培軍.人地系統動力學研究的現狀與展望[J].地學前緣，

1997，4（1-2）：205-215.

SHI P J. Today and future of the dynamics of human-earth

earth surface system [J]. J. Earth Sci. Front.， 1997， 4（1-2）：

205-215.

［3］ 何立恒，賈子瑞，王志杰，等.延安市土地利用/土地覆被格局

變化特征[J].南京林業大學學報（自然科學版），2015，25（ 6）：

173-176.

HE L H， JIA Z R， WANG Z J， et al .. Land-use/cover spatialtemporal

change characteristic in Yan'an region [J]. Nanjing

For. Univ. （Nat. Sci.）， 2015， 25（6）：173-176.

［4］ 劉曉君，李占斌，李鵬，等.基于土地利用/覆被變化的流域景

觀格局與水沙響應關系研究[J].生態學報，2016，18（6）：1-10.

LIU X J， LI Z B， LI P， et al .. Land use/cover change based

relationship between landscape， run off and sedimentation [J].

J. Ecol.， 2016， 18（6）：173-176

［5］ 張燕，王立娜，胡毅佳，等.基于遙感影像的欽州市土地利用

動態變化研究[J].地理空間信息，2016，14（2）：56-59.

ZHANG Y， WANG L N， HU Y J， et al .. Research on land use

dynamic changes in Qinzhou city based on remote sensing

images [J]. Geospatial Inf.， 2016， 14（2）：56-59.

［6］ 李一瓊，白俊武.近20年蘇州土地利用動態變化時空特征分

析[J].測繪科學，2018，43（6）：58-64.

LI Y Q， BAI J W. Analysis of temporal and spatial dynamic

changes of land use of Suzhou inrecent 20 years [J]. Sci.

Survey. Map.， 2018， 43（6）：58-64.

［7］ 王家偉.基于ArcGIS的黃陵縣土地利用變化模式研究[D].

西安：西安科技大學，2018.

WANG J W. The study with land use change pattern in

Huangling county based on ArcGIS [D]. Xi’an： Xi’an

University of Science and Technology， 2018

［8］ 莫惠萍，黃宇斌，胡欣雨，等.基于MCE-CA-Markov模型的佛

山市土地利用景觀格局演變及模擬預測[J].湖南城市學院

學報（自然科學版），2022，31（2）：38-45.

MO H P， HUANG Y B， HU X Y， et al .. Evolution and

simulation prediction of land use landscape pattern in Foshan

city based on MCE-CA-Markov model [J]. J. Hunan City Univ.

（Nat. Sci.）， 2022， 31（2）：38-45.

［9］ 孔祥倫，李云龍，韓美，等.1986—2016年黃河三角洲土地利

用/覆被變化及景觀格局分析[J].西南林業大學學報（自然科

學），2020，40（4）：122-131.

KONG X L， LI Y L， HAN M， et al .. Analysis of land use/cover

change and landscape pattern in the Yellow River Delta during

1986—2016 [J]. J. Southwest For. Univ. （Nat. Sci.）， 2020，

40（4）：122-131.

［10］ 馬瑞芳，員學峰.近19年西安市土地利用/覆被及景觀格局

變化分析[J].安徽農業科學，2021，49（5）：90-94.

MA R F， YUAN X F. Analysis of changes in land use/cover

and landscape pattern in Xi’an in recent 19 years [J]. J. Anhui

Agric. Sci.， 2021， 49（5）：90-94.

［11］ 米爾扎提江·木艾塔爾江，石中來，阿依吐爾遜·沙木西.基

于RS 和GIS 的土地利用/覆被變化及其功能轉型特征分

析——以新疆葉城縣為例[J].中國農機化學報，2022，43（9）：

191-200，209.

Mierzhatijiang Muaitaerjiang， SHI Z L， Aituerxun Shamuxi.

Analysis on the characteristics of land use/cover change and its

functional transformation based on RS and GIS： a case study of

Yecheng county， Xinjiang [J]. J. Chin. Agric. Mech.， 2022 43

（9）：191-200，209.

［12］ 常雪兒，汪洋，甄慧，等.1990—2018年新疆喀什噶爾河流域

土地利用/覆被變化空間耦合及其生態效應[J].西南農業學

報，2022，35（3）：596-607.

CHANG X E， WANG Y， ZHEN H， et al .. Spatial couple of

land use/cover changes and its consequence for ecological

systems in Kaxgar River basin in Xinjiang from 1990 to 2018 [J].

Southwest China J. Agric. Sci.， 2022 35（3）：596-607.

［13］ 昆比克·巴合吐爾汗，居麥尼亞孜·賽迪艾合麥提，滿蘇爾·

沙比提，等.新疆于田縣20a土地利用和覆被變化及預測[J].

東北林業大學學報，2023，51（2）：116-122.

Kunbike Bahetuerhan， Jumainiyazi Saidiaihemaiti， Mansuer

Shabiti， et al .. Land use and cover change and their simulation

in Yutian county Xinjiang in the past 20 years [J]. J. Northeast

For. Univ.， 2023， 51（2）：116-122.

［14］ 李佳倩，劉超.黃山區景觀格局時空變化及旅游業發展影響

評價[J].湖北農業科學，2021，60（22）：101-106，116.

LI J Q， LIU C. Temporal and spatial changes of landscape

pattern and impact assessment of tourism development in

Huangshan district [J]. Hubei Agric. Sci.， 2021， 60（22）：101-

106，116.

［15］ 鐘業喜，邵海雁，徐晨璐，等.2001—2018 年鄱陽湖區土地利

用及景觀格局時空演變[J]. 江西師范大學學報（自然科學

版），2021，45（1）：94-102.

ZHONG Y X， SHAO H Y， XU C L， et al .. The spatial-temporal

evolution analysis of land utilization and landscape pattern in

poyang lake area from 2001 to 2018 [J]. J. Jiangxi Norm. Univ.

（Nat. Sci.）， 2021， 45（1）：94-102.

［16］ 趙麗紅.南昌市景觀格局時空變化及其驅動力研究[D].南

昌：江西農業大學，2016.

ZHAO L H. Study on changes of landscape pattern and driving

force in Nanchang city [D]. Nanchang： Jiangxi Agricultural

University， 2016.

［17］ 胡令.新疆吉力湖和博斯騰湖枝角類化石記錄的近2000年

來環境變化[D].蘭州：蘭州大學，2021.

HU L. Environment changes over the past 2000 years

documented by cladoceran fossils in Bosten lake and Jili lake，

Xinjing， China [D]. Lanzhou： Lanzhou University， 2021.

［18］ 張露洋.氣候變化背景下三江平原耕地利用變化研究[D].

哈爾濱：東北農業大學，2017.

ZHANG L Y. Study on the change of cultivated land use under

the background of climate change in Sanjiang plain [D].

Harbin： Northeast Agricultural University， 2017.

［19］ 周德成，羅格平，許文強，等. 1960—2008年阿克蘇河流域生

態系統服務價值動態[J].應用生態學報，2010，21（2）： 399-408.

ZHOU D C， LUO G P， XU W Q， et al .. Dynamics of ecosystem

services value in Aksu River watershed in 1960—2008 [J].

Chin. J. Appl. Ecol.， 2010， 21（2）：399-408.

［20］ 陳輝，張永福.阿克蘇市土地利用變化驅動力分析[J].安徽

農學通報，2010，16（21）：13-15.

CHEN H， ZHANG Y F. Analysis on driving forces of land use

change in Aksu city [J]. Anhui Agric. Sci. Bull.， 2010， 16（21）：

13-15.

［21］ 李強.土地利用變化與社會經濟因素的內在關聯性研究[D].

廣州：廣州大學，2012.

LI Q. The research of inherent relationship between land use

changes and the factors of socio-economic [D]. Guangzhou：

Guangzhou University， 2012.

［22］ 周曉雄.阿克蘇地區林果產業發展現狀與對策[D].阿拉爾：

塔里木大學，2021.

ZHOU X X. Present situation and countermeasures of forest

fruit industry development in Aksu region [D]. Alar： Tarim

University， 2021.

［23］ 劉海元.2000—2020年天津市土地利用覆被變化及其驅動

力分析[J].農村經濟與科技，2021，32（16）：17-19.

［24］ 王悅.新疆生產建設兵團第一師新一輪退耕還林政策績效

評價[D].阿拉爾：塔里木大學，2022.

WANG Y. The first division of the Xinjiang production and

construction corps has a new round of performance evaluation

of the policy of returning farmland to forests [D]. Alar： Tarim

University， 2022.

［25］ 新疆生態環境保護\"十四五\"規劃[N].新疆日報（漢），2022-01-

10（005）.

［26］ 趙葦康，井長青，陳宸.新疆天然草地時空變化及其對氣候因

子的響應[J].中國農業科技導報，2023，25（7）：197-206.

ZHAO W K， JING C Q， CHEN C. Temporal and spatial

variation of Xinjiang natural grassland and their responses to

climate factors [J]. J. Agric. Sci. Technol.， 2023， 25（7）：197-206.

［27］ 趙英，張開春，張春山，等.新疆特色林果業發展面臨的機遇

與挑戰[J].北方園藝，2011 （19）：166-168.

ZHAO Y， ZHANG K C， ZHANG C S， et al .. Opportunities and

challenges in the development of Xinjiang characteristic fruit [J].

Northern Hortic.， 2011 （19）：166-168.

［28］ 圍繞兵團深化改革和向南發展調整優化黨政機構和職

能[J].中國機構改革與管理，2019，90（8）：22-23.

［29］ 裴益軒，郭民.滑動平均法的基本原理及應用[J].火炮發射

與控制學報，2001（1）：21-23.

PEI Y X， GUO M. The fundamental principle and application of

sliding average method [J]. J. Gun Launch Control， 2001（1）：21-23.