天山西部山区土地利用/土地覆被时空变化特性研究

穆振侠，于宴民

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

土地利用/土地覆被(LUCC)是人类与自然界交叉最为密切的环节，其变化是人类改造和利用自然界的显著标志。土地利用及由人类活动而导致的土地覆被的变化必然要对区域气候、水文、植被、产汇流、生物的多样性及植物种群等产生重大影响[1,2]，LUCC将改变局地能量和水量平衡，对地表径流及其动能和势能的减少或增加、径流的时空分布有一定的影响[3-5]。气候要素、人类活动及下垫面条件即土地覆被情况的改变，将对区域水文水资源及其地区分配及水文过程产生深刻的影响，进而影响到部分已建或待建水利工程兴利效益的充分发挥，可能加剧水土流失、发生溃坝洪水、山体滑坡、泥石流等自然灾害出现的概率与频次，其破坏程度与影响范围可能更广，对新形势下的防洪减灾提出了更高的要求。因此，LUCC变化造成全球环境变化及对水文过程的影响已经成为目前备受关注的科学问题之一，其时空变化规律的研究有助于我们更好地了解与LUCC相关方面的工作，更好的应对可能出现的不利用于社会经济发展的方方面面。

随着科学技术的进步、计算机、地理信息系统与遥感技术的快速发展及其在相关方面的成功应用，为我们获取不同分辨率土地利用数据提供了强有力的技术支持，也为不同学者对于LUCC相关方面的研究提供了一定数据支撑[6-9]。作为大多数河流发源地的高寒山区，由于近年来受气候变化与人类活动的影响，不同区域的土地利用/土地覆被状况、景观格局、动植物群落已经或正在发生变化，并且由于强烈的人类活动，降水分布规律、水文循环规律、流域产汇流规律等也受到了较大的影响，加之近年来极端水文气象事件的频发，给所在区域造成了巨大的经济损失。这就迫使不同学者与决策部门面对新的变化形势开展了与LUCC相关方面的工作，更好的预知与顺应自然规律的变化，并提前制定相应的应对措施。高寒山区作为河流的发源地、水源的涵养区、水利工程的重点开发区域及部分耕作区，受人类活动影响较强烈，加之其他因素的影响，下垫面变化较明显，随之传统的产汇流规律也发生了较大的变化，对已建或待建水利工程的运行提出的更大的挑战，削弱了人们对一些极端水文气象事件的预估能力，这就要求我们必须面对新的形势，开展强人类活动下水文变化规律的研究，而要更好的预知变化环境下的流域产汇流规律的变化，就必须了解下垫面的变化规律，即LUCC的情况，以扩充人们对新形势下产汇流规律的认知能力，并采取合理、科学的方法进行刻画，更好地服务于社会、生产实践。因此，本研究对于更好的理解寒区强人类活动下的下垫面变化情况，推动寒区产汇流规律的研究提供了一定的技术支撑。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

本研究以位于天山西部山区的喀什河流域为研究区，喀什河发源于依连哈比尔尕山冰川地带，介于东经81°40′～ 85°10′，北纬43°25′～44°15′之间(见图1)。流域形状呈狭长的柳叶形，为羽状水系，河道顺直，支流短小而广布，河流全长304 km，集水面积9 541 km2。流域地势西南高，北部低，海拔介于469～4 604 m之间。气候特征表现为雨量充沛、昼夜温差大的特征。多年平均降水量334.02 mm，多年平均蒸发量(20 cm蒸发皿)1 961.04 mm。由于特殊的地理位置和下垫面因素，河流水量主要以冰川、积雪融水、雨水以及地下水混合补给为主。流域上各种冰川共551条，冰川面积为421.60 km2，冰储存量为28.18 m3，冰川平均面积0.77 km2，雪线高度为3 680 m，最大冰川面积为35.06 km2，长度为11.0 km[10]。流域通常在12月封冻，次年3月解冻。

图1 研究区示意图Fig.1 The study area

1.2 资料来源

本研究选用1980年末(1990年)、1995年、2000年、2005年和2010年5期新疆维吾尔自治区1∶10万土地利用数据集，数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)与中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)；数字高程数据(DEM)来源于美国EOS/MODIS数据中心提供的分辨率为30 m×30 m的ASTER DEM数字高程数据；选用研究区尼勒克气象站1959-2010年年降水量数据进行与水域面积变化相关方面的分析，数据来源于新疆地面气候数据集。研究所选用的土地利用数据与气象数据是经国家相关部门进行相关现场实际勘校与校准，并达到相关标准与规范要求后公开发布供生产与科研使用的科学数据，因此选取的资料具有一定的代表性。结合GIS平台在对各类土地利用数据类型分类汇总的基础上对喀什河流域LUCC的时空分布特征及变化规律进行分析，以期更好的指导与土地利用/土地覆被变化相关方面的研究工作。

1.3 研究方法

以新疆维吾尔自治区1∶10万土地利用数据集为基础，基于GIS平台及研究区流域边界，充分考该数据集的土地覆盖分类系统一级分类标准(耕地、林地、草地、水域、城乡、工矿、居民用地和未利用土地)，对研究区不同类型的土地利用数据分类汇总，结合研究区DEM数据分析了研究区土地利用/土地覆被时空变化特性，并基于土地利用转移矩阵分析研究了人类活动是否对研究区不同土地利用类型的变化产生了影响。所采用的土地利用转移矩阵如表1所示，行表示T1时点土地类型，列表示T2时点土地类型；Aij与Pij表示T1-T2期间土地类型i转换为土地类型j的面积与转换变化比例；Aii与Pii表示T1-T2期间i种土地利用类型保持不变的面积与百分比；Bi与Ci表示T1-T2期间i种土地利用类型总面积的增减与增减比例[11]。

表1 土地利用转移矩阵Tab.1 Land use transfer matrix

2 土地利用/土地覆被时空变化特性分析

2.1 空间分布特征分析

借助GIS平台及研究区矢量边界对不同时期1∶10万土地利用数据进行裁切，并对初步处理的数据进行合并处理，得到研究区不同时期土地利用数据。研究区土地利用主要以林地、草地、水域和未利用土地为主，以草地所占的面积最大，占全流域面积的66%，其中水域包括河渠、湖泊、水库坑塘、永久性冰川雪地、滩涂、滩地和沼泽，其他土地利用类型面积较小(见图2)。结合研究区DEM数据分析可知，从空间分布特征来看耕地和居民点及工矿用地主要分布在喀什河下游区域，此处海拔多在2 km以下，多分布在喀什河谷两侧；草地主要分布在喀什河中下游区域，空间上比较连续；林地主要分布在喀什河中下游区域，且主要分布在该流域北坡，南坡及高海拔区域只有零星分布，海拔多在3 km以下；水域主要分布在喀什河流域的中高山带且多以永久性冰川雪地为主，海拔高度多在3 500 m以上，南北坡均有分布；未利用土地主要包括沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石砾地及指其他高寒荒漠和苔原等，而喀什河流域多以裸土地和裸岩石砾地为主，主要分布在该流域中上游区域且以上游区域为主，中游区域只有零星分布且主要集中在北坡，中游区域南坡无未利用土地，但总体趋势南坡未利用土地面积大于北坡，海拔高度主要在2 100～4 150 m的范围。

图2 不同土地利用类型所占比例Fig.2 The proportion of different land use types

2.2 时间变化特征分析

对研究区不同时期不同类型的土地利用数据进行分类统计，不同时期土地利用结构及动态变化如表2和表3所示。从表2和表3中可以看出，研究区土地利用类型的变化主要以2000年为临界期进行变化，2000年前研究区土地利用类型变化差异不大，2000年后随着所在区域社会经济发展的强烈需求、国家西部大开发政策的实施以及“富民兴牧”、“安居富民、定居兴牧”等相关工程的加速推进，2000年后土地利用类型发生了一系列的变化。总体上，水域面积从1990-2010年表现为持续增加，这主要与当地降水的变化情况有关外，还与近年来水利工程的大量新建有关；林地与草地面积表现为先增后减的趋势，即1995年前表现为面积增加趋势、1995年后表现为减少趋势；耕地、居民点及工矿用地面积表现为先减后增的趋势，以2000年临界点；未利用土地动态变化较明显，表现为先减后增、再减再增的反复趋势。近20年间，水域增加速度最快、居民点及工矿用地增加最为突出、林地与草地面积持续减少。总体上土地利用/土地覆被具有如下动态变化特征。

表2 1990-2010年的土地利用结构及动态变化Tab.2 Land use Structure and dynamics during 1990-2010

表3 1990-2010年的不同类型土地利用变化面积及变化率Tab.3 Land-use change area and the rate of change during 1990-2010

(1)耕地呈先减后增的趋势。耕地面积1990与1995年基本未发生变化，分别为445.31与445.40 km2，占所在流域面积比例一致，为4.63%。1995年后耕地表现为先减后增的趋势，2000、2005与2010年耕地面积分别为412.40、435.76、440.05 km2，分别占流域面积的4.29%、4.53%与4.58%。1995-2005年耕地面积减少33.00 km2，年际变化率为-7.41%，年均增长率为-1.48%；2000-2005年耕地面积增加23.36 km2，年际变化率为5.66%，年均增长率为1.13%；2005-2010年耕地面积增加4.29 km2，年际变化率为0.98%，年均增长率为0.20%。2000年前耕地面积减少可能的原因有两个方面：一方面是国家为保护生态环境大力实行退耕还林还草及保护水源政策使得研究区耕地面积有减少的趋势；另一方面是由于研究区居民点及工矿用地面积快速增加部分耕地被占用。2000年后耕地面积增加可能的原因为由于当地为发展经济，为提高部分牧民的收入开垦部分荒地用于种植经济作物，其次由于“安居富民、定居兴牧”的大力推进及人口的增加，使得所在区域相应的增加了部分耕地面积，以解决部分牧民的粮食及提高收入的问题。

(2)林地、草地呈减少的趋势。林地、草地面积1990与1995年变化不大，基本一致，可能产生的较小的误差与遥感解译有关，其中林地面积分别为889.3与890.45 km2、草地面积分别为6 388.08与6 388.05 km2，占所流域面积的比例一致，其中林地占9.25%、草地占66.47%。1995-2000、2000-2005、2005-2010年林地面积分别减少了7.80、2.87、0.18 km2；草地面积分别减少了54.07、27.58、29.72 km2；1995-2010年林地与耕地面积年际变化率分别为1.22%和1.75%、平均年均增长率为-0.08%与0.12%。尽管研究区林地、草地面积呈减少趋势，但相对而言变化不是很明显，其主要与过度放牧、降水时空分布不均匀、开垦耕地以及植物群落发生变化等原因有关。

(3)水域面积呈持续增大趋势。水域面积1990与1995年几乎持平，变化不大，分别为702.68和702.86 km2，占所在流域面积比例一致，为7.31%，1990-1995年面积增加了0.18 km2，年际变化率为0.03%，年均增长率为0.005%。1995年后水域面积增大较快，2000、2005与2010年分别为785.08、795.31与812.16 km2，占流域面积的比例分别为8.17%、8.27%、8.45%；1995-2000年面积增加了82.22 km2，年际变化率为11.70%，年均增长率为2.34%；2000-2005年面积增加了10.23 km2，年际变化率为1.30%，年均增长率为0.26%；2005-2010年面积增加了16.85 km2，年际变化率为2.12%，年均增长率为0.42%。水域面积持续增大的可能原因为1997年后的降水量明显偏多，尤其是冬季，使得研究区永久性冰川及雪地面积增大，从图3阶段平均降水量也可以看出1995年后年降水量呈增多趋势，且高于多年平均水平(1959-2010年)，因此水域面积有增大的趋势，并且2000年后该区域有较多的水利工程建设，主要是蓄水水库，使水域面积持续增大。

图3 不同阶段与多年平均降水量Fig.3 The annual average precipitation of different stages

(4)居民点及工矿用地面积呈先减后增的趋势。居民点及工矿用地面积1990与1995年相差不大，分别为68.87与68.95 km2，未发生变化，占全流域面积的比例也一致，为0.72%。1995后发生了相应的一系列变化，表现为先减后增的趋势。2000年居民点及工矿用地面积为60.55 km2、占全流域面积的比例为0.63%，与1995年相比面积减少8.40 km2，减少达12.18%。2000年后居民点及工矿用地面积呈增加趋势，2005与2010年面积分别为60.55与60.65 km2，2000年后面积累计增加4.17 km2，并且2005-2010年年际变化率较大，为6.71%，2000-2005、2005-2010年年均增长率为分别为0.033%与1.34%。

2000年前居民点及工矿用地面积减少的主要原因可能为所在区域梯级水利开发、相应水库的建设存在移民的问题，2000年后居民点及工矿用地面积增加的原因主要有两个方面：一方面是国家在2000年左右为保护自然生态大力实行退耕还林还草和退牧还草的政策，使得一些牧民放异游牧的生活方式；另一方面是国家“富民兴牧”、“安居富民、定居兴牧”等相关工程的加速推进，使得所在区域牧民得益于相关政策，改变生活方式。

(5)未利用土地面积呈弱的“减-增-减-增”动态变化趋势。未利用土地面积呈“减-增-减-增”动态变化趋势，但总体上变化趋势不明显，与其他不同类型地利用面积的增减存在一定的联系，1990、1995、2000、2005、2010年的面积分别为1 116.86、1 115.39、1 136.44、1 133.20、1 137.89 km2，所占流域面积的比例分别为11.62%、11.61%、11.82%、11.79%、11.84%。1990-1995、1995-2000、2000-2005、2005-2010年未利用土地面积的增减分别-1.47、21.05、-3.24、4.69 km2；年际变化率分别为-0.13%、1.89%、-0.29%、41%。

3 土地利用转移矩阵分析

借助GIS平台对前期处理好1990、1995、2000、2005与2010年5期土地利用数据进行相应的剪切和叠加处理，得到不同时期年土地利用图，进行分类统计并提取了相关的土地利用变化信息，创建了研究区以5 a为一阶段的土地利用变化转移矩阵(见表4～表7)。总体可以看出，研究区不同时期，以1995-2000年期间土地利用类型变化较为明显，并且以耕地、林地与居民点及工矿用地为主，其中耕地未变比例为74.36%、林地为76.41%、居民点及工矿用地为60.07%，其中耕地与林地主要向草地转换，而居民点及工矿用地主要向耕地转换；其他各时期不同土地利用类型变化幅度不大，未变比例达到90%以上，未变比例非常高。研究区土地利用变化规律可以总结为耕地与林地向草地、居民点及工矿用地向耕地的转换构成了土地利用变化的主导过程，其他土地利用类型几乎保持不变，并且主要发生在1995-2000年。从表4～表7中各土地利用类型之间的转化情况可以看出土地利用转移的具体情况如下。

表4 研究区1990-1995年土地利用转移矩阵Tab.4 Land use transfer matrix during 1990-1995

表5 研究区1995-2000年土地利用转移矩阵Tab.5 Land use transfer matrix during 1995-2000

表6 研究区2000-2005年土地利用转移矩阵Tab.6 Land use transfer matrix during 2000-2005

表7 研究区2005-2010年土地利用转移矩阵Tab.7 Land use transfer matrix during 2005-2010

(1)1990-1995年期间土地利用转化规律。由表4可知，1990-1995年期间研究区不同土地利用类型未发生明显的相互转化，呈弱的变化趋势，不同土地类型未变比例较高，达到91%以上。耕地保持不变的比例为96.79%(431.02 km2)、有较小面积转化为林地、草地与居民点及工矿用地，其中转化为林地的比例为0.14%(0.64 km2)、转化为草地的比例为2.24%(9.97 km2)、转化为居民点及工矿用地的比例为0.83%(3.69 km2)，相对而言耕地主要转化为草地最为明显；林地面积保持不变的比例达92.86%(825.82 km2)、部分转化为耕地、草地、水域、居民点及工矿用地与未利用土地，但转化面积较小，其中转化比例分别为0.08%、6.53%、0.03%、0.01%与0.49%，相对而言林地主要向草地转化最为明显；草地面积保持不变的比例达98.32%(6 280.69 km2)，向各不同土地利用类型转变的比例非常小，相对而言主要向林地与未利用土地类型转化，转化比例分别为0.98%与0.45%；水域面积保持不变的比例达96.76%(679.89 km2)，除未向耕地转化外，向其余各不同土地利用类型均有较小比例转换，相对而言主要向未利用土地类型转换，转化比例为2.49%；居民点及工矿用地未变比例达91.53%(63.04 km2)，部分面积分别向耕地、林地与草地转化，转化比例分别为4.25%、0.28%、3.93%；未利用土地面积未变比例达95.36%(1 065.04 km2)，部分面积分别向林地、草地与水域转化，转化比例分别为0.11%、2.82%、1.71%。

(2)1995-2000年期间土地利用转化规律。由表5可知，1995-2000年期间为研究区不同土地利用类型发生相对变化明显的主要时期，并且以耕地、林地与居民点及工矿用地发生变化为主。耕地面积保持不变的比例为74.36%(331.22 km2)，部分面积转化其他不同类型土地利用面积，其中转化为林地的比例为2.26%、转化为草地的比例为15.01%、转化为水域面积的比例为1.49%、转化为居民点及工矿用地面积的比例为2.62%、转化为未利用土地面积的比例为4.16%，相对而言耕地主要转化为草地最为明显；林地面积保持不变的比例达76.41%、部分转化为耕地、草地、水域、居民点及工矿用地与未利用土地，其中转化比例分别为0.49%、 20.42%、1.98%、0.08%与0.62%，相对而言林地主要向草地转化最为明显；草地面积保持不变的比例达93.94%，向各不同土地利用类型转变的比例非常小，向耕地、林地、水域、居民点及工矿用地与未利用土地类型转换比例分别为0.97%、2.91%、1.11%、0.10%、0.96%；水域面积保持不变的比例达92.33%，除未向耕地转化外，向其余各不同土地利用类型均有较小比例转换，相对而言主要向草地与未利用土地类型转换，转化比例分别为1.56%与2.49%；居民点及工矿用地未变比例达60.07%，部分面积主要分别向耕地、林地、草地与水域转化，转化比例分别为21.36%、3.19%、11.62%、3.68%；未利用土地面积未变比例达90.40%，部分面积分别向林地、草地与水域转化，转化比例分别为0.29%、5.84%、3.47%。

(3)2000-2005与2005-2010年期间土地利用转化规律。由表6和表7可知，鉴于2000-2005与2005-2010年期间不同类型土地利用转化不明显，不同土地利用类型未变比例均在95%以上。2000-2005年耕地面积保持不变的比例为98.94%，只有小部分面积向草地、水域与居民点及工矿用地转换，转换比例分别为0.24%、0.74%、0.08%；林地面积保持不变的比例为99.67%，只有小部分面积向草地与水域转换，转换比例分别为0.09%、023%；草地面积保持不变的比例为99.44%，只有小部分面积向耕地、水域与居民点及工矿用地转换，转换比例分别为0.41%、0.07%、0.07%；水域面积几乎保持不变，其比例为99.99%，只有0.01%比例的面积向耕地转换；居民点及工矿用地面积不变比例达99.64%，其余较小面积向耕地与草地转换，转换比例分别为0.05%与0.31%；未利用土地保持不变比例较高，达99.71%，且面积仅向草地转换，转换比例为0.29%。

2005-2010年土地利用面积转换规律与2000-2005年期间相似。耕地面积保持不变的比例为94.91%，只有小部分面积向草地、水域、居民点及工矿用地与未利用土地转换，转换比例分别为1.23%、2.77%、0.03%、1.07%；林地面积保持不变的比例为99.98%，仅有小部分面积向水域转换，转换比例为0.02%；草地面积保持不变的比例为99.44%，只有小部分面积向耕地、水域与居民点及工矿用地转换，转换比例分别为0.41%、0.07%、0.07%；水域面积几乎保持不变，其比例为99.98%，只有0.02%比例的面积向耕地转换；居民点及工矿用地面积不变比例达98.98%，其余较小面积向耕地、草地与水域转换，转换比例分别为0.30%、0.28%与0.45%；未利用土地面积几乎不变，不变比例达99.99%，仅0.01%面积向耕地转换。

从1990-2010年研究区不同土地利用/土地覆被变化以草地与居民点及工矿用地面积的减少、水域与未利用土地面积的增加为主，总体上耕地面积减少0.74%、林地面积减少了1.09%、草地面积减少了1.75%、水域面积增大了15.15%、居民点及工矿用地面积减少了5.19%、未利用土地面积增大了1.88%。

4 结 语

随着区域社会经济发展的必然趋势以及国家近年来对西部地区发展的卓有成效的政策、项目与资金等方面的支持，加之强烈人类活动与气候变化的影响，所在区域土地利用情况已经或多或少的受到了一定的影响，植被群落也相应地发生了一定的变化，进而影响到了与LUCC相关的方方面面。研究区所在区域为喀什河流域的源流区，若LUCC发生明显的变化必将影响到产汇流规律、人们对一些极端水文事件的预知与应对能力，进而影响到所建水利工程的正常运行与兴利效益的充分发挥，也将影响到正常的工农业生产。因此，为合理的了解的研究多年来的LUCC变化规律，更好地服务于与LUCC变化相关方面的研究与生产实践工作，本研究以1990、1995、2000、2005与2010年5期1∶10万LUCC数据为基础，开展了研究区LUCC时空变化特性研究，可以看出：

(1)研究区不同土利用类型中以林地、草地、水域和未利用土地为主，以草地所占的面积最大，占全流域面积的66%，其他土地利用类型面积较小。

(2)从空间上可以看出，耕地和居民点及工矿用地主要分布在喀什河下游河谷两侧区域；林地主要分布在喀什河中下游区域，且主要分布在该流域北坡，南坡及高海拔区域只有零星分布；水域主要分布在喀什河流域的中高山带且多以永久性冰川雪地为主，南北坡均有分布；未利用土地多以裸土地和裸岩石砾地为主，主要分布在该流域中上游区域且以上游区域为主，总体趋势南坡未利用土地面积大于北坡。

(3)从时间上看，土地利用类型的变化主要以2000年为临界期进行变化，2000年前研究区土地利用类型变化差异不大。总体上，水域面积从1990-2010年表现为持续增加；林地与草地面积以1995年为界表现为先增后减的趋势；耕地、居民点及工矿用地面积表现为先减后增的趋势，以2000年临界点；未利用土地动态变化较明显，表现为先减后增、再减再增的反复趋势。近20年间，水域增加速度最快、居民点及工矿用地增加最为突出、林地与草地面积持续减少。

(4)基于土地利用变化转移矩阵可以看出，研究区不同时期以1995-2000年期间土地利用类型变化较为明显，并且以耕地、林地与居民点及工矿用地为主，其中耕地与林地主要向草地转换，而居民点及工矿用地主要向耕地转换；其他各时期不同土地利用类型变化幅度不大，未变比例达到90%以上，未变比例非常高。

(5)喀什河流域土地利用变化规律可以总结为耕地与林地向草地、居民点及工矿用地向耕地的转换构成了土地利用变化的主导过程，其他土地利用类型几乎保持不变，并且主要发生在1995-2000年。

研究区LUCC的主要诱因主要有以下几个方面：一是2000年左右国家实行退耕还林、退耕还草的政策初见成效；二是随着新疆“富民兴牧、安居富民、定居兴牧”政策的实施，部分牧民结束了游牧的生活方式，进而影响到了所在区域LUCC的变化；三是所在区域2000年左右水利工程的相继开发，且研究区降水量较丰富，高于多年平均情况，使水域面积持续增大。总体而言从1990-2010年研究区LUCC变化不大，并且主要以草地与居民点及工矿用地面积的减少、水域与未利用土地面积的增加为主要特征。

随着人类社会的快速发展、人民生活水平的提高、城市的扩展，加之全球气候变化的影响，区域LUCC类型的改变已不可避免，进行会影响到与LUCC相关的方方面面，如产汇流规律、水利工程的正常运行、生物的多样性及植物种群等，有可能加剧与之相关自然灾害出现的概率与频次，因此，在新形势下对防洪减灾提出了更高的要求，也必将得到更多学者与政府决策部门的关注，适时、及时采取相关决策，并且随着航天技术与计算机术的快速发展，高分辨率土地利用数据的获取成为可能，进而可更好的时时动态监测土地利用类型，使之朝着有利用于人类社会进步方面改变及发展，能够更好地实现不同土地利用类型区化功能的保护。

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