基于GIS的伊犁河谷2000—2010年土地利用的动态变化

2017-11-17李万年曹月娥张婷婷

湖北农业科学 2017年20期

李万年　曹月娥　张婷婷

摘要：在遥感和GIS技术的支持下，运用图像分类、叠加和空间分析等方法，对伊犁河谷2000-2010年10年土地利用变化进行分析研究。结果表明，①2000-2010年10年间，伊犁河谷耕地面积和城乡、工矿、居民用地面积不断增加，草地和未利用地不断减少，各类用地变化区域主要沿伊犁河谷分布；②2000-2005年5年间伊犁河谷土地利用动态变化较大，变化区域占土地总面积的1.36%，其中变化最大的为耕地，其次是草地和未利用地的转化，变化区域位于伊犁河与特克斯河交汇的新源县卡拉布拉乡；③2005-2010年5年间土地利用变化较2000-2005年5年小，变化区域占总面积的0.41%，其中变化最大的是耕地，其次为草地和未利用地，主要变化区域位于特克斯河沿岸及伊犁河上游。2000-2010年10年土地利用由0.243 6%下降到0.037 4%，变化趋势趋于平缓。

关键词：GIS；伊犁河谷；土地利用变化

中图分类号：F301.24；X825；TP79 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）20-3853-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.016

Abstract： With the support of remote sensing and GIS technology， using image classification，superposition and spatial analysis，the change of land use in Yili river valley in 2000-2010 10a was analyzed and reseached. The results showed that ①from 2000 to 2010 the cultivated area and urban and rural，industrial and mining，residential land area was increasing. Grassland and unused land were declining.②The change of land use in the Yili river valley during the five years from 2000 to 2005 accounted for 1.36% of the total land area， among which the most change was cultivated land，followed by grassland and unused transformation， and the change area was located at the intersection of Yili river and Tekes river.③The land use change from 2005 to 2010 was less than 5 a from 2000 to 2005，the change area accounted for 0.41% of the total area，the largest change was cultivated land，followed by grassland and unused land，the main change area was located in the Tekes river and Yili river. The trend of land use decreased from 0.243 6% to 0.037 4% in the 10 a period from 2000 to 2010，and the trend leveled off.

Key words： GIS； Yili river valley； land use change

土地利用/覆被變化（LUCC）是在一定时空范围内同时受到人类活动和自然过程驱动的结果，反映在不同时空尺度下自然和社会生态环境的变迁，其变化是由人类活动和自然环境相互影响的结果[1]。无论是全球还是区域尺度上，土地利用变化在不断地导致土地覆被加速变化。

土地利用是全球变化研究的热门和前沿课题。国内外学者分别基于LUCC驱动力机制、LUCC土地利用变化趋势及土地利用时空动态演变进行了研究。近年来，中国学者对20世纪80年代末以来全国土地利用变化的基本特征与空间格局进行了研究[2]，对21世纪初中国土地利用变化的空间格局及驱动力进行了分析[3]；杨依天等[4]对和田绿洲1980-2010年30年土地利用变化及环境效应进行了分析研究；马晴等[5]对疏勒河中下游绿洲近20年土地利用变化及驱动力进行了分析研究。对土地利用变化研究的方法主要是基于RS及ArcGIS对不同地区在时空动态下进行分析[6-13]。也有学者对伊犁河谷的土地利用/覆被变化与环境、生态服务等进行了分析研究[14-18]。

基于此，选取2000、2005、2010年三期遥感影像，利用ArcGIS软件对影像进行图像分类、叠加和空间分析等方法，做出土地利用转移矩阵。对伊犁河谷2000-2010年10年土地利用变化进行时空分析研究，运用土地利用动态度并不能完全说明土地利用变化状况，因此引入土地利用耗减度和开发度来详细分析土地利用动态变化，对合理评价伊犁河谷土地利用情况具有重要的理论和实践意义。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

伊犁河谷地区位于中国“丝绸之路”经济带北线，新疆维吾尔自治区西北角，包括伊宁市、尼勒克县、新源县、巩留县、特克斯县、昭苏县、察布查尔县、霍城县等。伊犁河谷北、东、南三面环山，北面有西北-东南走向的科古琴山、婆罗科努山；南有哈克他乌山和那拉提山；中部还有乌孙山、阿吾拉勒山等横亘，构成“三山夹两谷”的地貌轮廓。地处80°09′-84°56′E，42°14′-44°50′N，伊犁河谷东西长360 km，南北最宽处275 km，隶属于伊犁哈萨克自治州，辖伊犁州8县1市以及兵团农四师和21个团场等单位。气候温和湿润，属于温带大陆性气候，年平均气温10.4 ℃，年日照时数2 870 h，年降水量417.6 mm，山区达600 mm，是新疆最湿润的地区。因雨量充沛被称为“中亚湿岛”和“塞外江南”。伊犁河谷自然条件优越，农、牧业发展优势显著，农畜产品丰富。2000-2010年伊犁河谷地区人口增加39万，实现国内生产总值（GDP）33.59亿元，比2000年的7.63亿元增长4.4倍，2010年的GDP中，第一产业产值9.43亿元，第二产业产值10.53亿元，第三产业产值13.63亿元，三产业之比为1∶1.12∶1.45，产业结构进一步优化。由图1可知，伊犁河谷各类用地中草地面积最多，占土地总面积的55.65%，其次为耕地和林地，分别占13.73%和11.01%，最少的是城乡、工矿、居民用地，占1.13%，其土地利用变化有别于新疆其他地区。endprint

1.2 数据来源

本研究所选取的土地利用变化数据来源于刘纪远等[6]建成的1 km全国土地利用栅格数据库，人口及国民经济数据来源于中国经济社会大数据研究平台《伊犁哈萨克自治州统计年鉴》。选取的遥感影像为1 km×1 km的2000、2005、2010三期遥感影像，同时参考1∶50 000地形图，在ArcGIS 10.2支持下，对三期遥感影像进行重分类，将伊犁河谷土地利用类型进行重分类，划分为耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地及未利用地6类。通过叠加分析、图形转换等，做出土地利用时空动态变化图及土地利用转移矩阵，分析伊犁河谷土地利用动态变化状况。

2 研究方法

2.1 单一土地利用类型动态度

土地利用动态变化的研究方法主要是土地利用动态变化模型的建立，土地利用变化主要体现在土地利用类型变化、土地利用程度变化及土地利用变化的区域差异方面[19]。

单一土地利用动态度可描述区域一定时期内某种土地利用类型的变化速度，它对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势都有积极的作用[20]。其表达式为：

2.2 综合土地利用动态度

综合土地利用动态度反映某区域一段时期内土地利用变化的速度[21]，其表达式为：

土地利用动态度能较好的反映土地利用的净变化速度，但是在变化过程中增加和减少的相互抵消，反映的这种动态变化对于土地变化的实际情况有所掩盖。因此用土地利用耗减度和开发度来揭示各类土地减少和增加的速率[22]。

2.3 土地利用耗减度

土地利用耗减度，表示单位时间内某种土地利用类型面积的变化速度[23]，其表达式为：

2.4 土地利用开发度

土地利用开发度表示单位时间内某种土地利用类型实际被开发的程度[22]，其表达式为：

3 结果与分析

3.1 土地利用变化的时空特征

土地利用转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述，可全面而又具体地分析区域土地利用变化的数量结构特征与各用地类型变化的方向，因而在土地利用变化和模拟分析中具有重要意义，并得到了广泛应用[22，24]。利用GIS空间分析功能对伊犁河谷2000、2005、2010三期数据进行叠加分析，得到2000-2005、2005-2010年土地利用动态变化图及2000-2005、2005-2010、2000-2010年土地利用转移矩阵。

由表1、图2a可知，2000-2005年5 km2耕地转化为草地，27 km2耕地转化为水域，随着伊犁河谷降水的增加，水域面积增大，低洼处的耕地变为了水域。11 km2耕地转化为城乡、工矿、居民用地，表明伊犁河谷在2000-2005年进行了退耕还林还草，随着经济的发展和人口的增加，城市化速度加快，城乡发展占了一部分城市周边的耕地；另有1 km2耕地转化为未利用地。601 km2草地和37 km2未利用地转化为耕地，对草地和未利用地进行了大面积开垦，其中64 km2草地转化为未利用地。2000-2005年变化区域占研究区总面积的1.43%。其中草地-耕地的空间变化主要集中在伊犁河上游的新源-巩留县-察布查尔县一带；草地-未利用地的转化主要集中在巩留县；尼勒克县-伊宁县-霍城县林地与草地、林地与耕地交错带，其变化主要以孤点形态分布；耕地-城乡、草地-城乡的转化主要沿伊犁河和特克斯河均有分布。表明伊犁河谷过度放牧，造成草地资源大量减少，随着人口的增加，耕地面积不断增长。其变化区域主要是沿伊犁河呈条带状分布，最严重的地区位于伊犁河与特克斯河交汇的新源县卡拉布拉乡。

由表2、图2b可知，2005-2010年伊犁河谷有47 km2耕地转化为草地，13 km2耕地转化为水域，6 km2耕地转换为城乡、工矿、居民用地，4 km2耕地转换为未利用地，变化区域主要分布在特克斯河中上游及伊犁河中下游，表明2005-2010年伊犁河谷实施退耕还林还草措施；但对于耕地的保护还有待加强，部分耕地退化为未利用地，造成了耕地的减少。180 km2草地和21 km2未利用地被开垦为耕地，4 km2草地转化为林地，6 km2未利用地转化为林地。2005-2010年5年期间，主要变化区域占研究区总面积的0.55%，其中草地-耕地的变化主要沿特克斯河及伊犁河上游呈孤点分布；未利用地-耕地、未利用地-草地转化主要集中在霍城县。

整体而言，2000-2010年伊犁河谷土地利用变化在耕地、草地、城乡及未利用地之间流动比较频繁。耕地变化主要沿河流及耕地与草地界限处。伊犁河谷耕地主要为水浇地，一部分为旱地，草地和未利用地的大幅减少主要转化为耕地。一方面，由于部分耕地肥力下降退化为草地，一部分因自然条件较差，水源、肥力等条件恶化而被撂荒；另一方面，大量水肥条件较好的草地和未利用地被不断开垦，呈现出边侵占、边开垦、边撂荒的特征。城乡工矿居民用地显著扩张，这一时期由于“西部大开发”战略的实施，资源密集型产业迅速发展，资源优势逐步向经济优势转变。

从生态的角度来看，大量草地和未利用地的减少，破坏了原有的生态景观，而新垦的耕地水肥条件差，收益不明显也不宜耕种，而减少的耕地中部分转变为草地，说明草地的保护工作有一定成效，但这一部分远远不能抵消侵占草地带来的累加效应。2000-2005年减少的草地中有89%流向耕地，2005-2010年有90%以上流向耕地。新疆草地减少量约占全国草地减少总量的45%，需严防草场进一步向耕地转化，进而丧失生态服务功能，导致局部地区生态环境的进一步恶化。

3.2 土地利用变化的速度与幅度

由表3可知，2000-2005年林地、草地减少，單一土地利用动态度分别为-0.030%、-0.410%；耕地、水域、城乡工矿居民用地和未利用地有所增加，单一土地利用动态度分别为1.650%、0.300%、0.550%、0.050%。其中草地面积减少最为迅速，耕地和城乡工矿居民用地增长最为迅速。2005-2010年草地和未利用地有所减少，减少幅度较小，单一土地利用动态度分别为-0.050%、-0.080%；耕地、林地、水域和城乡工矿居民用地有所增加，单一土地利用动态度分别为0.180%、0.030%、0.090%、0.250%。其中增长最迅速的是城乡工矿居民用地。2000-2005年的综合动态度为0.243 6%，2005-2010年的综合动态度为0.037 4%，可见伊犁河谷综合土地利用动态度有所下降，反映了伊犁河谷土地流转趋于平缓。endprint

由表4可知，2000-2010年期间，伊犁河谷耕地耗减较小，年均增加1.85%，耗减度为0，开发度为0.02%，林地稍有增加，其中耗减度为0.14%，开发度为0.16%；草地面积大量减少，年均减少0.46%；城乡、工矿、居民用地年均增长0.80%，耗减度和开发度分别为0.02%、0.17%；未利用地年均减少0.03%，开发度为0.67%。

伊犁河谷地区在2000-2010年10年期间人口大量增加，1990年以后中央及自治区地方政府推出一系列优惠政策，允许和鼓励集体和个人开垦土地，伊犁河谷因优越的土地资源和灌溉条件，在相对利益的驱使下，一部分天然牧场和未利用地被陆续开垦为耕地，促进了农业生产的快速发展；另一方面，中央和自治区对耕地的保护政策等导致了耕地面积不断增加。经济和旅游业的快速发展也加剧了人地矛盾，对优质耕地不断耗减的同时，对草地和未利用地进行了大力开垦。对伊犁河谷的生态平衡造成了极大破坏。基于此政府应完善相关政策，在保护生态环境的基础上合理规划土地利用，加强土地市场管理。

4 小结与讨论

依据干旱区土地利用结构特点，在运用土地利用动态度的基础上引入土地利用耗减度和开发度来详细说明土地利用变化。研究结果表明，2000-2010年10年间伊犁河谷耕地面积大量增加，增加主要源于对草地和未利用地的大量開垦；其次，城乡、工矿、居民用地面积在逐年增加，城乡、工矿、居民用地的增加主要来源是对周边的耕地和草地的占用；草地大面积减少，其中一部分被开垦为耕地，一部分由于不合理的放牧而退化成未利用地；林地面积稍有增长，但变化不大。2000-2005年的各类土地变化面积780 km2，其中耕地转为其他地类面积中有25%转化为城乡、工矿、居民用地；有7 km2未利用地转化为草地，各类用地转化为耕地中草地占94.05%，未利用土地占5.79%，最终导致2005年耕地增加595 km2，草地面积减少667 km2，即2000-2005年各类用地中，主要是耕地和草地面积变化幅度最大。2005-2010年各类用地变化面积303 km2，其中耕地转为其他地类面积中有67.14%的耕地转化为草地；8.57%转化为城乡、工矿、居民用地，另有5.71%转化为未利用地；各类用地转化为耕地中草地占89.55%，未利用地占10.45%。

综上所述，土地利用的变化主要受以下两个因素的影响。

1）人为因素和社会经济因素的影响。2000-2010年10年间，伊犁河谷土地利用变化表现出明显的差异。即发生变化区域主要沿伊犁河和特克斯河呈条带状分布，而河流两岸是人类活动密集区，反映了人类活动对伊犁河谷土地利用类型的影响。2000-2010年伊犁河谷耕地面积变化幅度较大，耕地增加了726 km2，耕地面积的增加与人口的增长密切相关。根据相关统计数据，伊犁河谷人口由2000年的212万增加到2010年的251万，农业机械总动力增长了12.29倍，牲畜减少了1.02倍，一系列的人为因素和社会经济因素加剧了对未利用地和林草地的开垦，导致耕地面积不断增加。在研究时期内草地和未利用地大量转化为耕地，其中草地变化幅度较大，减少了815 km2，对未利用地开发度较大，达到0.67%。其驱动因素主要是人口的大量增加。从生态角度来看，草地大面积开垦，对伊犁河谷生态造成了极大影响。其中伊犁河上游新源县和下游地区大量草地转化为未利用地。此外，受区域气候变化的影响，在比较利益驱动下，大量草地被开垦为耕地，促进了农耕经济的发展。草地和未利用地面积的减少是人为因素与自然因素共同作用的结果，但主要是受人类活动的干扰。

2000-2010年10 年间是中国经济飞速发展的时期，随着“西部大开发”10年间伊犁河谷地区GDP增长了4.4倍，人均GDP增长了3.69倍，伊犁河谷城乡、工矿、居民用地增加了56 km2，增长了9.02%。城乡、工矿、居民用地的不断增加主要是占用优质耕地和草地资源。同时也反映了区域经济的快速转变和发展。

2）受自然因素影响，据相关研究表明持续的增温导致积温不断增加，降水量的减少和本就干旱缺水为草地和未利用地的大面积开垦提供了气候条件，受生态环境的脆弱性的影响，一部分耕地被撂荒，草地转为未利用地，进一步加剧了环境的恶化。此外，受政策影响，为增加耕地面积，新疆在20世纪末曾大力提倡开垦草地和未利用地。导致各类土地的变化，同时也对生态环境造成了影响。

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