人类活动对渭干—库车河流域土地利用变化的影响

侯一峰，汪 洋，张 帅

(新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

【研究意义】土地利用变化会影响区域气候、生态环境和生物多样性等，对人类与自然环境的关系起到重要作用[1]，目前已成为全球共同关注的热点问题[2]。自20世纪90年代以来，人类活动对渭干-库车河流域的水土资源需求量不断增加，水土资源的过度开发与利用不断加深人类与自然环境之间的矛盾，对生态环境与社会经济的稳定发展产生巨大威胁[3]。由于渭干-库车河流域的生态环境十分敏感[4]，当气候与人类活动共同作用时，导致生态环境的稳定性遭到破坏，进而引发自然灾害，直接对流域生态环境造成威胁[5]。因此研究渭干-库车河流域人类活动对土地利用变化的影响有利于保护当地的生态环境，促进社会经济与环境的可持续发展。【前人研究进展】学者们对土地利用的时空演变化及人类活动的影响等一系列问题进行了大量的研究，对于分析土地利用变化的驱动因素已经成为全球变化研究的核心主题[6]，更多学者从不同角度进行分析。Lambin等[7]对导致土地利用变化的原因进行了系统论述，认为全球化对土地利用变化具有重要作用。孙倩等[8]通过使用遥感技术对研究区10年间植被时空动态变化进行分析，发现植被在分布上有较大程度的变化，耕地的偏移程度呈显著变化；佟光臣等[9]对南京市土地利用时空变化及驱动力进行分析，研究表明人口增长、经济发展等人类活动会对区域景观格局的变化产生影响；陈龙等[10]基于土地利用主导功能分类体系，运用典型相关性分析方法定量研究了江苏省24年用地转型规律与驱动力变化；刘娟等[11]用主成分分析法研究毛乌素沙地景观格局变化及驱动力，发现人类活动对土地利用变化的影响很大；谭玉兰等[12]选择室内与野外结合的方法研究不同土地利用方式对土壤产生的影响，结果表明农田和弃耕地对土壤造成的影响远大于林地和草地；高凌寒等[13]通过分类统计和相关性分析，对影响西宁市土地利用结构的各项因素进行探讨，发现耕地和人口是主要影响因素。【本研究切入点】综上所述，关于土地利用变化及驱动力的研究，尺度不断转变，方法也趋于成熟。但是研究大尺度、发达地区的相对较多，而研究流域内绿洲的土地利用变化及驱动力尤其较少。渭干-库车河流域地处天山南麓，塔里木盆地的北缘，自然条件十分恶劣。近年来，流域内土地利用类型发生了较大变化，土地沙化、植被退化、水土流失等生态环境问题突出[14]。【拟解决的关键问题】本文结合1990-2014年TM遥感数据和统计年鉴数据，在研究流域内各土地利用时空变化的基础上，进一步分析人类活动对土地利用变化造成的影响，为干旱区土地资源利用与可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区概况 渭干-库车河流域地处塔里木盆地的北缘，属于阿克苏区域内最大的灌溉区，北部是天山山脉，南部主要为绿洲。地理坐标为81°28′～84°05′E、39°29′～42°38′N，流域总面积约523.76×104hm2，占全疆总面积的3.16 %[15]。其中绿洲土地总面积占全疆绿洲面积的3.8 %。在行政规划上包括阿克苏地区的温宿、库车、沙雅、新和和拜城县，流域内气候干旱，降水极少，风沙频繁，生态环境尤为脆弱，因此也处于十分重要的生态区位优势，属于敏感的生态环境区域(图1)。

1.1.2 数据来源 研究区遥感数据是从美国地质调查局网站(http://earthexplorer.usgs.gov/)下载，选取的是1990、2000和2014年7-8月空间分辨率为30 m的Landsat TM遥感数据；属性数据来源于《新疆辉煌50年》和《新疆阿克苏地区统计年鉴》(1990-2014)。

图1 研究区概况Fig.1 Sketch map of study area

表1 影像分类精度

1.1.3 数据处理 目前，国内外学者主要采用混淆矩阵的方法来评估遥感解译的准确性。根据2014年的绿洲信息，该研究提取了该领域的150个随机点，以验证混淆矩阵。这些随机单位包括耕地，草地，林地，建设用地，水域，冰川和未利用的土地；根据实地调查结果和Google Earth的高分辨率图像，验证了研究区域内的土地类型。研究区各土地类型的分类精度见表1，Kappa系数为0.89，符合研究要求。

1.2 方法

1.2.1 土地利用动态度 该指标可以定量描述研究区某一时间范围内某种土地利用类型的数量变化率，对预测未来土地变化趋势起到积极作用[16-17]。公式为：

(1)

式中：Ua、Ub分别表示研究时期开始与结束时该土地利用类型的面积；T为研究时间的长度。

1.2.2 土地利用程度综合指数 该指数反映区域内特定时期的土地利用程度的广度和深度。不同时段指数变化反映区域内土地利用程度变化。根据已有的文献资料[18]，其表达式为：

(2)

式中：L为土地利用程度综合指数；Ai为区域内第i级土地利用程度分级指数；Pi为区域内第i级土地利用程度分级面积百分比，n为土地利用程度分级数(表2)。为了与其他分类系统统一标准，土地利用分类主要参照刘纪远[19]、陈曦[20]的分类方法。

1.2.3 区域重心模型 区域重心模型可以反映某个空间均值与区域几何中心的区别，揭示这一空间现象的不均衡分布，假设一个区域由若干小区单元构成，其中第i个小区的中心坐标为(Xi,Yi)，Mi为该小区单元某种属性意义下的“重量”，则该属性意义下的区域重心坐标为[21]：

(3)

2 结果与分析

2.1 渭干-库车河流域土地利用变化

2.1.1 土地利用变化时空分布格局 1990-2014年，渭干-库车河流域土地利用发生显著变化(图2)。结合25年来土地利用面积变化(表3)的具体数据可以发现，渭干-库车河流域的草地和未利用地面积占很大比例，主要表现为耕地和未利用地面积的持续增加以及草地面积的不断减少。1990-2000年10年以来，各种土地类型的面积变化并不明显，耕地面积只增加了178.45 km2，相比于其他土地类型，草地和林地的面积有所减少。2000年以后，耕地和建设用地的面积有了明显的增加，而草地和冰川的面积却在大幅减少。综合这两个时期的土地利用面积变化分析，1990-2014年，新增耕地面积1755.87 km2，增长率达53.10 %，主要集中于渭干-库车河流域的中、下游，其中大部分集中于库车河的下游部分，小部分集中于渭干河的中游部分；未利用地面积增加了14.64 %，可以看出明显地增加在渭干河上游和库车河下游；草地则以255.70 km2/年的速度不断递减，与1990年相比减少了近23.44 %，大部分集中于库车河中、下游；冰川面积减少了54.25 %，减少的面积主要集中于渭干河上游；建设用地面积减少了7.77 %；林地面积仅增加了117.93 km2，增幅为8.81 %，主要位于渭干-库车河上游。

2.1.2 土地利用动态度分析 通过自1990年以来25年间研究区内各土地类型的动态度 (表4)可以直观的说明土地类型的变化情况。为了更好的对比不同时间段的变化情况，分为1990-2000年(a)和2000-2014年(b)两个阶段，1990-2000年，耕地的动态度为0.54 %，说明耕地在这个期间有了明显的增加；而林地和建设用地的动态度却出现了负值，反映了它们的土地利用面积出现了大幅减少，虽然草地和未利用地从动态度上并未发生显著变化，但也反映出了减少趋势；水体出现了增加趋势，其动态度为0.23 %，主要原因是期间温度上升，加速了山顶积雪消融。2000-2014年间，耕地和水体的动态度一直处于上升趋势，它们的动态度分别为3.23 %和4.84 %，表明这两类土地利用类型呈明显扩张趋势，林地的面积相比于2000年有了明显升高，动态度为1.01 %；草地面积却在大幅度下降，动态度为-1.64 %；冰川面积同样表现出减少趋势，动态度为-3.88 %；建设用地的动态度为-0.19，虽然仍处于小幅度的下降，但下降趋势相比于1990-2000年期间相对减弱。将1990-2000年(a)和2000-2014年(b)两个阶段作为对比可以看出，在两个阶段内耕地的变化率都十分高，说明耕地在两个时期的土地利用面积都发生了迅速变化。耕地和水体这两种土地利用类型相较于1990-2000年有更为明显的增加趋势，相反的是水体和草地，下降的趋势日益加剧；未利用地的动态度在2000-2014年期间有显著提升，土地利用面积也明显增加；而林地则是先减少后增加，到2000-2014年期间变为上升的趋势。

表2 土地利用类型分级指数

图2 1990-2014年渭干-库车河流域土地利用变化Fig.2 Land uses in the Weigan-Kuqa rivers basin from 1990 to 2014

表3 1990-2014年渭干-库车河流域土地利用面积变化

表4 1990-2014年渭干-库车河流域土地利用动态度

2.1.3 土地利用程度变化 通过公式(2)计算出流域内5个县在1990、2000、2014年的土地利用程度综合指数，由图3可知，流域内5个县的土地利用程度变化趋势基本相同，1990-2000年呈缓慢上升的趋势，2000-2014年明显下降的趋势，其中沙雅县的土地利用综合指数相对较高，较低的则是库车县，流域内5个县的土地利用程度综合指数在3个阶段都处于164～167范围内，表明这5个县的土地利用程度较低；根据土地利用程度变化量的变化情况(表5)可知，流域土地利用在1990-2000年处于发展时期，而2000年以后，随着人口的增多，经济的快速发展使流域内对土地利用的方式发生改变，导致土地利用变化量小于0，在此期间土地利用处于调整期，整体上在1990-2014年期间渭干—库车河流域的土地利用程度处于较低水平。

2.2 土地利用变化驱动因素分析

2.2.1 驱动因子的选取 通过对渭干-库车河流域土地利用的时空格局变化进行分析，根据研究区内的实际情况，选取12个重要因子作为相关指标，分别为X1年末总人口(万人)、X2农业人口(万人)、X3人口密度(人/km2)、X4GDP总值(万元)、X5人均GDP(万元)、X6第一产业产值比重(%)、X7第二产业产值比重(%)、X8第三产业产值比重(%)、X9全社会固定资产投资(万元)、X10农林牧渔业总产值(万元)、X11农作物播种面积(千公顷)、X12粮食产量(t)。利用主成分分析对研究区耕地面积变化的驱动因素进行分析[22]。

图3 渭干—库车河流域不同时期土地利用程度综合指数Fig.3 Comprehensive index of land use degree in different periods in the Weigan-Kuqa river basin

表5 渭干—库车河流域不同时期土地利用程度变化量

运用SPSS软件，首先对选取的12个因子进行典型相关分析，剔除相关性较小的因子，之后进行主成分分析，计算特征值、累计贡献率(表6)、主成分载荷矩阵等(表7)。 第一、二主成分累计贡献率>85 %，符合主成分分析要求。第一主成分与X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11的载荷系数较大，反映研究区的经济发展状况，归为经济因素；第二主成分与X1、X2、X12的载荷系数较大，反映该地区的人口发展状况，归为人口因素。由此可见，影响流域土地利用变化的主导因素有经济因素和人口因素。

2.2.2 渭干-库车河流域人口重心演变分析 由图4可以看出，1990-2014年期间，渭干—库车河流域的人口整体趋势为由西北向东南方向迁移，人口重心向新河县方向迁移。从空间角度来看，由1990年的82°20′E、41°55′N迁移到2014年的82°22′E、41°54′N，在经度方向上向东迁移了0.0105°，在纬度方向上向南迁移了0.0094°，表明人口在空间上出现不均衡分布。从人口重心迁移的轨迹可以看出，25年来，人口的迁移过程前后发生了四次改变，人口先是向西南方向进行迁移，但到了1996年后开始向东南方向迁移；2004-2009年，迁移方向改变为东北方向，在2009年以后，恢复原来向东南的迁移方向。25年间人口迁移距离共计15.85 km，平均每年向东南方向迁移0.63 km，迁移的直线距离为1.37 km。人口重心迁移与人类的生存和经济发展有着密不可分的联系，一方面是由于人口数量不断上升，对耕地和水资源的需求逐渐增加，另一方面则是当地经济的快速发展导致产业结构发生改变。由于人口不断增加，人口重心的迁移会改变对土地的利用方式，从而对土地利用类型造成影响。

表6 特征值及主成分贡献率

表7 驱动因素的旋转因子载荷矩阵

2.2.3 渭干-库车河流域经济重心演变分析 通过对渭干—库车河流域GDP的重心迁移轨迹分析(图5)得出，GDP在迅速发展的同时， GDP重心呈现出由西南向东北方向迁移的特征，在经度方向上向东迁移了0.1734°，在纬度方向上向南迁移了0.0046°，在纬度上，GDP重心迁移的方向与人口重心迁移的方向基本上保持一致。1990-2005年，GDP的重心一直处于西南方向的位置，但自2005年以来GDP的重心开始向东北方向大幅度迁移，经过2009年向东南方向迁移的过程之后，2013年GDP的重心小幅度向西北方向迁移，25年间迁移的方向发生了5次改变，整体轨迹向新和县迁移。GDP重心迁移的过程是由三大产业共同作用，第一产业的重心是由1990年的82°21′E、41°55′N迁移到2014年的82°85′E、41°48′N，整体呈现出由东北向西南方向迁移的趋势。第三产业重心是由1990年的82°43′E、41°57′N迁移到2014年的82°26′E、41°54′N，整体呈现出由东北向西南方向迁移的趋势。第一和三产业重心迁移的方向一致，表明人们在发展农业的同时也促进了第三产业的发展；第二产业重心是由1990年的82°28′E、41°62′N迁移到2014年的82°60′E、41°59′N，整体呈现出由西北向东南方向迁移的趋势。

图4 渭干—库车河流域人口的重心迁移轨迹(1990-2014年)Fig.4 The migration track of population gravity center in the Weigan-Kuqa river basin (1990-2014)

图5 渭干—库车河流域GDP的重心迁移轨迹(1990-2014年)Fig.5 The migration track of GDP gravity center in the Weigan-Kuqa river basin (1990-2014)

2.2.4 人口、经济重心演变对土地利用的影响 通过SPSS分析可知，人口和经济是主导因素，可从人口和经济两个方面分析流域内土地利用变化的驱动因子。

在人口因素方面，1990-2014年期间，渭干—库车河流域内的总人口从61.44万人增加到96.16万人，增加了34.72万人，增加的人口占1990年的56.51 %，其中农业人口增加17.96万人，占增加人口的51.73 %。随着人口迅速增加，导致人类对土地使用的需求量显著上升，尤其是农业人口占比为69.51 %，人口重心迁移的方向与耕地增加的趋势基本相同，耕地集中渭干河中上游和库车河下游区域，随着人口重心的迁移，为了满足生存和发展的需求，人们需要开垦更多的土地，导致耕地面积由1990年的3306.51 km2增加至2014年的5062.38 km2，增加速度高达63.10 km2/年；同样的是人口的增加也造成草地的锐减，大部分的草地转变为农业用地，或者用于畜牧产业，25年来共减少了3286.30 km2。因此人口的增加对土地利用变化产生极大影响。

图6 渭干—库车河流域第一产业的重心迁移轨迹(1990-2014年)Fig.6 The migration track of primary industry gravity center in the Weigan-Kuqa river basin (1990-2014)

图7 渭干—库车河流域第二产业的重心迁移轨迹(1990-2014年)Fig.7 The migration track of secondary industry gravity center in the Weigan-Kuqa river basin (1990-2014)

随着人口的急剧上升，虽然非农业人口也在增加，城镇化的进程也在不断推进，导致建设用地减少的趋势有所降低，但是由于农业人口基数和比例十分大，在此期间人地关系的主要矛盾是农业人口与耕地之间的关系，因此当前造成土地利用结构变化的是农业人口的增加，在社会的不断发展之后，人口的增加会加剧城镇化，导致城市用地矛盾不断加剧，影响研究区内的土地利用结构。

图8 渭干—库车河流域第三产业的重心迁移轨迹(1990-2014年)Fig.8 The migration track of tertiary industry gravity center in the Weigan-Kuqa river basin (1990-2014)

在经济因素方面，25年来位于渭干—库车河流域内的新河县、沙雅县和库车县的地区生产总值、人均生产总值和全社会固定资产投资等均处于迅速增加的状态，其中地区生产总值由1990年的7129万元上升至2014年的5161 571万元，平均每年增加高达203 611.24万元，人均GDP也有了显著提高， 1990-2005年，GDP和三大产业的重心并没有发生大幅度迁移，到了2005年以后，经济得到了快速发展，导致GDP和三大产业的重心发生快速迁移，建设用地面积虽然一直处于减少趋势，但2000年以后随着城镇化的推进，导致建设用地面积减少的趋势有所降低。建设用地面积的变化趋势与第二产业的重心迁移轨迹相同，因此，经济与土地利用变化之间具有一定的联系。

农林牧渔业总产值增加98.55×104万元，是1990年的17倍，农作物播种面积也增长为1990年的2倍，粮食产量在这25年里增加了272 332 t，年增长率高达10 893.28 t/年，粮食产量增多的原因是当地调整产业结构，通过大量种植棉花取代粮食作物，与此同时在2000年以后国家减免农业税的政策，以及粮食作物的价格不断上升，导致耕地的不断扩张[24]，从中可以看出农牧业仍然是研究区当前的主要发展产业，因此耕地和草地面积的变化可以明显体现出农牧业的快速发展，伴随经济的快速发展，用地结构也在发生变化。

3 讨 论

随着社会的发展，人们生活质量越来越高, 人类活动对生态系统的影响也随之增加，虽然当地的耕地面积在不断增加，意味着经济也在快速发展，但是敏感的生态环境依然是经济快速发展过程中不可忽略的重要问题。本文基于遥感数据获得的土地利用数据，通过计算动态度和重心迁移模型，定量分析了1990-2014年的土地利用变化，土地利用程度综合指数及人口和经济重心的迁移轨迹，结果表明人口因素和经济因素主要影响渭干—库车河流域土地利用变化。

人口的增加会加剧城镇化，加深人地关系之间的矛盾，在人口增长与经济快速发展的过程中，合理配置农业用水量，避免水资源的浪费；在经济效益提高的同时更多的兼顾生态环境。由于研究区当前的主要发展产业仍然是农牧业，所以土地利用结构主要是耕地和草地面积的变化，因此需要相关部门通过更加有效的措施提高土地利用程度，合理使用土地资源，减缓耕地扩张，控制土壤盐渍化，加快新型农业现代化的实现速度。

4 结 论

(1)1990-2014年，渭干—库车河流域土地利用发生明显变化，主要特征是耕地和未利用地明显增加，而草地和冰川面积的持续减少；耕地面积共增加了1755.87 km2，主要集中在流域的中、下游，未利用地的增加主要表现在2000年以后，草地面积每年减少255.7 km2，冰川面积锐减，减少面积为1036.70 km2。

(2)1990-2000年，渭干—库车河流域的土地利用动态度变化显著。其中，耕地的动态度为0.54 %，表明耕地呈扩张趋势，而林地和建设用地则出现了负值，说明其面积呈减少趋势；2000-2014年，耕地和水体的面积呈显著上升趋势，动态度为3.23 %和4.84 %，冰川和草地的面积明显减少。通过计算出土地利用程度综合指数，发现流域内五个县的土地利用程度变化趋势基本相同，主要表现为先缓慢上升的趋势后下降的趋势，整个研究期间，渭干—库车河流域的土地利用程度均处于较低水平。

(3)1990-2014年，渭干—库车河流域的人口和GDP发生了显著迁移，人口整体由西北向东南方向迁移，GDP的重心则是由西南向东北方向迁移；25年间人口累计迁移15.85 km，平均每年向东南方向迁移0.63 km，迁移的直线距离为1.37 km。第一产业与第三产业的重心迁移趋势相同，呈由东北向西南方向迁移的趋势，第二产业重心则是自西北向东南方向发生迁移。