天山北麓土地利用与土地退化的时空特征探析

徐丽萍, 郭 鹏, 刘 琳, 王 玲

(石河子大学 理学院 地理系, 新疆 石河子 832000)

天山北麓土地利用与土地退化的时空特征探析

徐丽萍, 郭 鹏, 刘 琳, 王 玲

(石河子大学 理学院 地理系, 新疆 石河子 832000)

研究天山北麓土地利用/覆被变化过程中的土地退化现象，有利于监测新垦绿洲的环境演变过程。采用1990年、2000年2010年3期遥感影像为基础数据，选取土地利用变化幅度、动态度、土地利用强度指数和LUCC动态变化趋势指数4个指标，并结合转移矩阵，对该地区20 a来的土地利用/覆被变化时空特征及土地退化现象进行综合分析。1990—2010年，研究区耕地和城乡居民工矿用地所占比例持续上升，分别增加了91.05%和60.19%。草地和冰川/永久积雪面积则大幅减少，分别下降了15.45%和28.97%。通过转移矩阵发现，草地和永久冰川退化成荒漠的趋势明显。各土地利用类型中以草地的土地利用变化强度指数最高，达-0.5056%，耕地次之，为0.4091%。研究区土地利用类型间主要转移方向为：草地和冰川/永久积雪转化为荒漠，荒漠和草地转化为耕地，荒漠与草地间相互转化，盐碱地面积得到控制，但向荒漠转化的趋势凸显，永久冰川的消融明显加剧，草地持续退化，研究区生态环境恶化趋势明显。

土地利用/覆被变化; 土地退化; 天山北麓

土地利用/土地覆盖变化(Land Use/Land Cover Change，LUCC)研究已经成为全球变化研究的前沿和热点[1-2]，而不可持续的土地利用方式导致的土地退化也已成为全球备受关注的环境问题之一[3]。大量研究表明，LUCC对其生态环境的影响是多方面的[4-7]，特别是不同的土地利用类型由于人类活动方式和强度差异所造成的土地资源退化问题是各不相同的[8-15]。近年来由于人口增长、工业化和城镇化快速发展等因素影响，绿洲土地利用强度和复杂性增加，出现了区域性土地盐渍化、土地荒漠化等土地退化问题。以往的研究多集中在土地利用结构变化与驱动力、土地退化的类型界定、时空分布和评价方面，鲜有从土地利用类型转化关系角度去探讨土地退化程度并对其进行量化的，故本文以天山北麓经济带所包含的地域范围为研究区域，探讨近20年来主要土地利用类型的变化，比较工矿、居民、交通用地、草地、耕地、林地与盐碱地等荒漠土地类型的转换变化，剖析由于自然与人为过程改变土地利用方式对土地退化问题产生的影响。从土地利用类型转化角度去探讨土地退化问题并对其进行量化，有利于加强新垦绿洲土地退化过程的监测，对绿洲人类生存和区域可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

天山北麓经济带位于天山山脉博格达山、依连哈比尔尕山和婆罗科努山分水岭以北地区，西起温泉县，东至木垒县，行政区包括17个县市，总面积为13.65万km2，占新疆总面积的8.22%；山地、绿洲、荒漠共同构成了天山北坡相互依存和相互作用的完整生态系统[16]；天山北麓经济带总人口458万人，占新疆总人口的23.3%，集中了全疆83%的重工业和62%的轻工业，历年国内生产总值占全疆40%以上，城镇、交通、能源等基础条件好。在“十二五”期间，天山北麓经济带势必会迎来更高强度的开发，大规模的农业现代化、工业化、城镇化势在必行，因此土地退化问题可能会长期持续存在。

1.2 材料与方法

1.2.1 数据来源 遥感数据主要利用eCongition 8.7面向对象的分类方法对1990年8月、2000年8月、2010年8月的3期TM影像解译并辅助谷歌地图获得。解译提取的32类土地利用数据转入ArcGIS 10.0平台，获得土地利用变化的空间与属性数据。经济社会数据主要通过图书馆电子数据查阅，收集研究区地形、地貌、气候气象、土壤、植被、水文、人类活动因子(包括土地利用、人口、经济、政策等)基础资料，时间序列为1990—2010年。

1.2.2 分类方案 依据分类结果，结合实际研究需要，利用ArcGIS 10.0软件将二级地类合并为耕地、林地、草地、水域、盐碱地、荒漠、冰川/永久积雪和工矿、居民、交通用地8个一级地类(见表1)。最后对解译得到的三期土地利用数据进行空间叠加分析和统计，获得1990—2000年和1990—2010年的土地利用类型转移矩阵。

表1 天山北麓LUCC分类方案

1.2.3 指标选取

(1) 土地利用/覆被变化幅度。土地利用/覆被变化幅度指某一土地利用类型的面积变化幅度，反映了不同土地利用类型在总量上的变化情况[17]。其表达式为：

R=(Ub-Ua)/Ua×100%

(1)

式中：R——研究时段内某种土地利用类型的变化幅度；Ua，Ub——研究初期和末期某一类土地利用类型的面积。

(2) 土地利用动态度。单一类型的土地利用动态度可定量描述研究区一定时段内某种土地利用类型的变化速度[18]。其表达式为：

Rd=(Ua-Ub)/Ub×1/T×100%

(2)

式中：Rd——研究时段内某一土地利用类型的土地利用动态度(%)；Ua和Ub意义同上；T——研究时段。

(3) 土地利用变化强度指数。土地利用变化强度指数为一定时段内土地利用变化面积占研究区总面积的比例[19]，可以用于表示某一土地利用类型的流失或增加程度。其表达式为：

ILT=(Ub-Ua)/AL×1/T×100%

(3)

式中：ILT——土地利用变化强度指数，正值表示增加，负值表示流失；AL——研究区土地总面积。

(4) LUCC动态变化趋势指数。LUCC动态变化趋势指数值介于-1和1之间，若Ps的值大于0表示该土地类型向规模增大的方向发展，值越接近1则表示地类变化主要是其他土地类型转为该地类，处于“扩张”状态；接近0时表明该土地类型增加和减少的趋势小；若Ps值小于0表示该土地类型向规模减少方向发展，越接近-1，则表明地类变化主要是该土地类型转变为其他类型，处于“缩减”状态。具体公式如下[20]：Ps=(ΔUin-ΔUout)/(ΔUin+ΔUout)，-1≤Ps≤1

(4)

式中：ΔUout——研究时段T内某一种LUCC类型转变为其他类型的总和；ΔUin——其他类型转变为该类型的总和；Ps——LUCC类型的变化趋势和动态指数。

(5) 土地退化空间分析。在土地资源退化定义和分类辨析的基础上，用ArcGIS 10.0将各土地利用类型退化为荒漠化和盐渍化的面积按转移矩阵以不同的颜色表示出其在空间上的差异，形成空间分布图。

2 结果与分析

2.1 天山北麓土地利用/覆被变化的总体特征

天山北麓经济带土地利用总体特征表现为草地面积比例较大，其所占比例在不同年份均在55%以上，另外，耕地、林地、荒漠也是该区土地利用的主要类型，这4种土地类型面积之和分别占相应年份土地面积的94.17%，93.69%，94.38%，其他4种土地类型面积之和为5%～6%。近20年来，耕地和工矿、居民、交通用地所占比例持续增加，分别增加了91.05%和60.19%；草地退化明显，减少了15.45%；水域面积变化虽有较小波动，但总体趋势仍表现为减少；林地面积出现连续增长的态势，共增加了11.07%；盐碱地在1990年后出现小幅增加，但到2010年其面积减小趋势明显，20 a间共减少17.82%；冰川/永久积雪的面积出现大幅缩减，20 a减少了28.97%。荒漠化土地持续小幅增长，20 a间增长了近14 km2(见表2)。

表2 1990年、2000年、2010年各土地利用类型面积及占总面积比例

2.2 天山北麓土地利用动态趋势分析

1990—2000年天山北麓土地利用类型中，各土地利用类型变化总体较为强烈(见表3)。以耕地的变化幅度和土地利用动态度最大，工矿、居民、交通用地次之，二者均处于“扩张”态势。林地面积小幅增加，保持一定的“扩张”态势。水域面积也出现小幅增长，有一定的“扩张”趋势。但从土地利用变化强度指数看，草地变化最明显，耕地次之，分别为-0.4778%和0.3349%；从LUCC动态变化趋势指数看，草地“缩减”显著。值得指出的是，在此期间，冰川/永久积雪、盐碱地和荒漠均有扩张，分别增加1.01%，2.18%，5.96%。

2000—2010年，各土地利用类型变化总体依然剧烈(见表3)。耕地变化幅度和土地利用动态度持续增加；水域面积在此期间缩减明显，其变化幅度和LUCC动态变化趋势指数为-5.51%和-0.15。盐碱地的“缩减”态势明显，变化幅度和LUCC动态变化趋势指数分别为-19.57%和-0.42；工矿、居民、交通用地增幅较1990—2000年减缓4.25个百分点，但从变化幅度和土地利用动态度看，仍处于快速“扩张”状态；从土地利用变化强度指数看，依然是草地变化最明显，耕地次之，说明草地收缩、耕地扩张的趋势进一步加剧。要特别指出的是此期间冰川/永久积雪的面积急剧减少，其变化幅度和动态度分别达到-29.68%和4.22%，LUCC动态变化趋势指数剧减至-0.42。

表3 1990-2010年天山北麓不同土地利用类型的变化幅度、动态度、变化强度指数和动态变化趋势指数

2.3 土地利用/覆被变化转化及土地退化时空动态

2.3.1 土地利用/覆被转化及土地退化的时间动态 近20 a天山北麓经济带各地类转化较为活跃(见表4)。1990—2000年，耕地与各土地利用类型间的转化十分活跃，新增耕地主要由草地转化而来，占耕地转入总面积的92.7%。草地与荒漠的相互转化十分活跃，各占对方转入总面积的81.8%和76.4%。盐碱地的转换幅度较小，工矿、居民、交通用地的增加主要靠草地和荒漠的转入，分别占新转入工矿、居民、交通用地的80.1%和12.9%。林地向草地转化的现象突出，占林地转出总面积的69.16%。水域主要向耕地和草地的转化，二者分别占水域转出面积的35.6%和36.7%。盐碱地恢复为草地的面积占转出总面积的33.4%，而退化为荒漠的面积占36.8%。草地大量转化为耕地、工矿、居民、交通用地正是这一时期毁草开荒等开发活动的表征，而草地和冰川/永久积雪向荒漠的转化则是研究区生态环境恶化的标志。

2000—2010年，耕地保持持续增加的趋势，主要转入土地利用类型依然为草地，占耕地转入总面积的92.8%。荒漠与草地之间的转化有所放缓，分别占对方新转入面积的60.4%和58.9%。林地转化为草地的趋势明显增加，占新转入草地面积的23.4%，较1990—2000年林地向草地的转换面积增加127%。冰川/永久积雪面积大幅缩减，转化为草地和荒漠，转出面积分别占研究期初冰川/永久积雪面积的14.2%和36.1%。盐碱地单从变化幅度来看，其面积缩小，盐碱化似乎得到一定遏制，但从转移矩阵中发现本时期水域转化为盐碱地的面积为84 km2，较1990—2000年间的水域向盐碱地转化面积13 km2增长了4.3倍，而盐碱地向荒漠转化的规模也急剧扩大，荒漠化占盐碱地转出面积的占比和实际转出面积分别为85.9%和233 km2，比1990—2000年增加49.1%和210 km2。工矿、居民、交通用地的增加除了原来的草地之外，新加入了耕地作为主要转移来源，二者分别占新转入工矿、居民、交通用地面积的44.0%和43.6%，但草地转化为工矿、居民、交通用地的规模仅比1990—2000年缩减6.7%。林地急剧向草地转化，同时草地和冰川/永久积雪面积持续减少以及水域盐渍化、荒漠面积持续增加显示天山北麓生态环境的进一步恶化，与此同时人类活动占用的区域正在急剧扩大。

综合分析可知，1990—2010年，天山北麓各土地利用类型间的主要转化方向为：草地转变为耕地、林地和荒漠，草地、耕地转变为工矿、居民、交通用地，盐碱地和冰川/永久积雪转变为荒漠，以及荒漠与草地间的相互转化。

表4 1990-2010年天山北麓土地利用类型转移矩阵

注：某一行数据表示该年份时段起始年某地类转化为末年各地类的面积。

2.3.2 土地退化空间动态分析 整个研究区植被类型以荒漠草原为主，自然条件恶劣，生态环境非常脆弱。由于快速增长的人口压力、牲畜数量的剧增、草场长期超载过牧、耕地过度垦殖、地下水使用过度等原因，致使土地退化非常严重，各地类的荒漠化和盐碱化的地域分布变化特征明显。

(1) 土地荒漠化的空间动态。20 a间天山北麓土地荒漠化持续加重，出现林地、草地、盐碱地和冰川/永久积雪荒漠化转化明显。林地的荒漠化有所加重，由1990—2000年的7 km2增加到2000—2010年的13 km2。但同时由荒漠土地向林地转化的面积却由1990—2000年的185 km2减少至2000—2010年的15 km2。草地的荒漠化趋势有所放缓。1990—2000年草地退化为荒漠的面积为4 441 km2，而2000—2010年比1990—2000年缩减2 018 km2。2000—2010年天山北麓中西部—博乐市至玛纳斯县一带，包括克拉玛依北部的草场退化为荒漠的面积较1990—2000年大幅减少，东部—吉木萨尔县至木垒哈萨克自治县一带的北部地区也有明显缩小，仅在乌鲁木齐县境内有少数草地退化的增加。这可能与后十年里退牧还草有关。盐碱地和冰川/永久积雪向荒漠化土地转化加剧。2000—2010年盐碱地转化为荒漠的面积是1990—2000年转化面积的近10倍(表4)；盐碱地向荒漠退化的地域集中分布在艾丁湖周围。2000—2010年冰川/永久积雪转化为荒漠的面积较1990—2000年转化面积大幅增长了46.6%；冰川退化的范围由1990—2000年的乌苏至玛纳斯一带向东南延伸至乌鲁木齐县境内。

(2) 土地盐碱化的空间特征。20 a间，盐碱地面积先是由1990年的802 km2小幅增长到2000年的820 km2，再迅速缩减为2010年的659 km2。1990—2000年主要是林地、草地、水域和荒漠向盐碱地转化，其占转入总面积的比重分别为25.9%，24.8%，12.2%，37%，林地和水域转变成盐碱地的面积分别为32 km2和13 km2；2000—2010年主要是草地和水域向盐碱地转化，其比重分别为：21.3%和76.3%，林地和水域转变成盐碱地的面积分别为0.24 km2和84 km2。说明此时期内，林地盐碱化趋势得到遏制，应该得益于新疆退耕还林的生态修复政策和国家“三北防护林”工程的实施，林地保护成效显著。但水域的盐渍化明显加剧，主要是因为精河流域艾丁湖的急剧萎缩，大片的湖面干涸后成为新的盐碱地。

3 结 论

近20 a天山北麓土地利用/覆被转化活跃。耕地、建设用地持续增长，草地、冰川/永久积雪持续大幅度减少，植被退化严重，土地退化加剧。其中林地、草地、盐碱地和冰川/永久积雪向荒漠化转化明显，尤以草地的荒漠化转化为重，空间上表现为中、西部草地退化2000—2010年比1990—2000年明显得到控制，而东部则出现扩大的态势。在整个研究区来看，盐渍化得到有效控制，但转化为荒漠的面积大大增加，转入的来源逐渐减少，水域盐渍化有扩大趋势。在极个别地区出现了大幅加重的情况，尤其是艾比湖地区近十年出现剧烈的湖面萎缩，盐渍化土地面积急剧扩大。

本文对土地退化的探讨仅限于荒漠化和盐渍化，比较有局限性。进一步研究预结合实际踩点验证并结合土壤质量分析评价做更严谨深入的分析，并对土地退化的驱动力进行探讨，这对加深天山北麓土地退化问题的剖析和认识，预测未来土地退化的趋势，以便于提出切实可行的改善土地退化现状的意见和建议具有重要意义。

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AnalysisoftheSpatiotemporalFeaturesofLandUseandLandDegradationintheNorthernPiedmontAreaoftheTianshanMountain

XU Li-ping, GUO Peng, LIU Lin, WANG Ling

(DepartmentofGeography,CollegeofScience,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832000,China)

In order to study the Tianshan Mountains land use change and land degradation status, land use/cover change and land degradation within 20 years in the region were analyzed based on remote sensing data of 1990, 2000 and 2010, and by selecting the range of land use change, land use dynamic degree and intensity index, and combining with the transfer matrix. The area of farmland and urban and rural residents and industrial land continued to increase from 1990 to 2010, and increased by 91.05% and 60.19%, respectively. Meadows and glaciers or permanent snow area significantly reduced, decreased by 15.45% and 28.97%. Based on the transfer matrix, degeneration of grassland and permanent glaciers into desert was obvious. Various land-use types, land-use change in grassland intensity index was up to -0.5056%, followed by arable land, which is 0.4091%. The main land use types in the transfer direction in the study area was grassland and glaciers/permanent snow into the desert, desert and grassland into arable land, desert and grassland mutual transformation, area was under control, but the trend of the conversion of the saline land to desert was obvious, and losses of permanent glaciers was rapid.

land use/cover; land degradation; northern piedmont area of the Tianshan Mountain

2013-11-06

：2013-11-30

国家自然科学基金“天山北麓新垦绿洲土地覆被变化与局地气候互动效应研究”(41001387)

徐丽萍(1978—),女,新疆库尔勒人,副教授,研究方向:土地覆被变化与景观生态。E-mail:xlpalw@sina.com

X171

：A

：1005-3409(2014)05-0316-06