人工绿洲林果产业用地时空变化*——以新疆迪那河流域为例

张 谱 管文轲 张和钰 邓学林 李志鹏 刘洪霞 冯益明

(1. 中国林业科学研究院荒漠化研究所 北京100091； 2. 新疆林业科学院造林治沙研究所 乌鲁木齐830063；3.新疆巴州和硕县林业科学技术推广中心 巴州841200； 4. 中国农业科学院农业信息研究所 北京100081)

绿洲是干旱区人民赖以生存的基础，是维系区域经济发展和人民生活的命脉(李森等， 2013)。新疆南部独特的地貌格局，孕育了许多以流域为单元的绿洲农林业景观(Tangetal.， 2007)，其中，林果产业是南疆绿洲经济的重要组成部分。目前，南疆环塔里木盆地已基本形成了以红枣(Ziziphusjujuba)、苹果(Maluspumila)、杏(Armeniacavulgaris)、香梨(Pyrussinkiangensis)等为主要树种的林果主产区，林果种植面积占全疆林果产业规模的80%以上(穆哈拜提帕热提等， 2015)，林果产业用地时空变化南疆绿洲土地利用时空变化具有重要影响。

绿洲耕地扩张是干旱区土地利用和覆被变化最典型的人为干扰之一(任晓等， 2015； 孔君洽等， 2018)，其会引起水资源的空间分布变化(黄会平等， 2009)、沙漠化(王涛， 2016)等全球性问题。林果产业发展是南疆绿洲土地利用时空变化的重要影响因素，但长期以来被忽略； 而且，现阶段林果产业研究多侧重于产业布局、区域林果贸易等大尺度空间布局方面(刘敬强等， 2012)，小尺度研究则集中在发展优势的探讨(Mouradetal.， 2010)、对地区经济和林农收入以及区域产业结构的影响(贾冬冬， 2013)、林果发展过程中存在的问题(阿丽娅·热依木， 2012)等，针对干旱区小流域尺度林果产业用地变化研究相对薄弱(Tangetal.， 2007)。新疆南部林果产业发展迅速，在促进农民增收和贫困地区农民脱贫致富(穆哈拜提·帕热提等， 2015)、推进农业经济结构调整和优化等方面起到了重要作用(于军， 2012)； 但同时，新疆南部林果种植面积的扩张也导致水土资源开发利用程度增加，对区域内生态环境造成了影响(刘敬强等， 2012)。因此, 深入研究新疆林果产业特别是小流域尺度下人工绿洲内林果产业用地时空变化特征，评估区域林果产业发展状况，对小流域绿洲林果产业可持续发展具有重要意义。

鉴于此，本研究以新疆迪那河流域轮台人工绿洲为研究区，以区域内林果产业用地为研究对象，在RS和GIS支持下，通过解译4期Landsat系列卫星遥感影像数据及野外调查获取的无人机影像数据，对轮台人工绿洲林果产业用地进行动态监测，以期掌握林果产业用地的时空变化规律，进而对区域林果产业发展状况做出科学评估。

1 研究区概况

迪那河流域位于新疆维吾尔自治区中西部(83°38′—84°41′E、41°26′—42°32′N)，地形北高南低，是塔里木盆地南北缘典型的山区-戈壁-绿洲-沙漠生态系统(图1)。

图1 迪那河流域地理位置Fig.1 The location map of Dina River watershed

轮台绿洲依靠迪那河和地下水等水资源形成。绿洲内气候干燥，冬夏较长、春秋较短，昼夜温差大，年均气温10.3 ℃，降水稀少、蒸发强烈。轮台绿洲物产丰富，有杏、香梨等16种果树，尤以“轮台白杏”久负盛名，被原国家林业局命名为“中国白杏之乡”，同时还是全国商品粮基地和棉花(Gossypiumhirsutum)重要产区之一。

2 研究方法

2.1 遥感数据源选择

从USGS网站(http:∥glovis.usgs.gov/)选取1992年8月、1998年8月、2007年9月和2018年8月4期覆盖轮台人工绿洲的Landsat系列卫星遥感影像作为人工绿洲及区域林果产业用地时空变化制图的遥感数据源(表1)。对遥感影像进行预处理，主要包括辐射校正、几何校正、投影转换等。

2.2 野外调查

为了确定轮台人工绿洲边界及人工绿洲内林果产业用地状况，在流域内设置36块样地，样地大小均为100 m ×100 m。采用四旋翼无人机(大疆悟1pro)机载传感器禅思X5(1 600万像素)获取样地无人机影像(穆悦等， 2018； 韩东等， 2018)，无人机飞行高度为60 m，获得影像地面分辨率为1.5 cm，观测日期为2018年7月21日—8月9日。

表1 遥感数据基本参数Tab.1 Basic parameters of remote sensing data

36块样地分布及果园(深绿色)、耕地(浅绿色)、人工绿洲(褐色)典型样地对应的Landsat OIL遥感影像(成像时间为2018年8月17日，在ENV1软件中R∶G∶B相应波段为6∶5∶4,可以较好突出植被信息)和无人机影像如图2所示。人工绿洲边界明显，果园和耕地区分度较高。同时，在野外调查过程中也获得了轮台县第二次全国土地调查数据和部分乡镇果园分布数据。

图2 样地分布Fig.2 Sample plot distribution

2.3 遥感影像解译

基于光谱直接分类法(John， 2011)对4期Landsat遥感影像进行解译，即采用野外调查获取的带地理坐标的无人机影像与Landsat5 TM影像(1992年8月、1998年8月和2007年9月，波段组合5∶4∶3)和Landsat8 OIL_TRIS影像(2018年8月，波段组合6∶5∶4)叠加，通过目视解译对不同土地利用类型进行识别，先确定人工绿洲边界，然后在已划定的人工绿洲内部确定林果产业用地分布。

根据研究目的和我国土地利用分类体系，将人工绿洲内部划分为5种土地利用/覆被类型： 果园(林果产业用地)、耕地、水体、城镇村居民用地和未利用土地。研究获得4期轮台人工绿洲土地利用图，进而得到林果产业分布数据(果园分布数据)。

2.4 林果产业用地面积变化分析

采用动态度模型(Pontiusetal.， 2017； 孙智斌等， 2018)对比迪那河流域轮台人工绿洲林果产业用地时空变化特征。动态度是指一定时间范围内研究区某种土地利用类型的数量变化，可反映某种土地利用类型变化的剧烈程度，其表达式为：

(1)

式中： LC为研究时段内林果产业用地面积动态度；Ua和Ub分别为研究期初和期末林果产业用地面积；T为研究时长。

2.5 林果产业用地转入和转出情况分析

采用土地利用转移矩阵(Matsushitaetal.， 2006； Fengetal.， 2009； Shoyamaetal.， 2018)监测林果产业用地转入和转出情况。土地利用转移矩阵能够反映林果产业用地在某一期初和期末与其他土地类型之间相互转变的动态过程，不仅包含某期林果产业用地面积信息，而且还包含其他土地类型在期初和期末向林果产业用地转出和转入的面积信息。林果产业用地变化表达采用Circos可视化软件(Krzywinski， 2009)。

2.6 林果产业用地分布重心迁移分析

采用重心模型(Grossetal.， 2017； Lietal.， 2018)对迪那河流域轮台人工绿洲林果产业用地分布状况进行分析。人工绿洲内林果产业用地分布重心处于不断变动中，重心模型可反映林果产业用地空间集聚及其位移规律。模型公式如下：

(2)

(3)

式中：xj和yj为第j年人工绿洲林果产业用地分布重心坐标；xij和yij为第j年第i个果园坐标；sij为第j年第i个果园斑块面积；n为果园数量。

2.7 林果产业用地扩张程度分析

为进一步研究林果产业用地扩张程度，利用已获得的林果产业用地分布重心坐标，计算果园辐射平均距离和人工绿洲辐射距离：

(4)

(5)

(6)

3 结果与分析

3.1 遥感影像解译

通过遥感影像解译，获得1992、1998、2007和2018年迪那河流域轮台人工绿洲土地利用图(图3)和人工绿洲主要用地类型面积变化(表2)。可以看出，26年间轮台人工绿洲林果产业用地持续增加，从1992年的2 138 hm2、1998年的3 568 hm2、2007年的6 949 hm2增至2018年的7 626 hm2。林果产业用地是轮台人工绿洲的主要土地利用类型，其面积占人工绿洲总面积比例在10%～18%之间，26年间稳中有所波动，从1992年的10%增至1998年的14%， 2007年达到最大值18%， 2018年又回落到12%。

相比特色林果产业用地，耕地对人工绿洲影响更大，其面积从1992年的8 381 hm2、1998年的9 529 hm2、2007年的23 978 hm2增至2018年的46 284 hm2，占人工绿洲总面积比例从1992年的40%增至2018年的71%。2018年特色林果产业用地和耕地总面积占人工绿洲总面积的83%。

人工绿洲内水体面积随着人工绿洲扩张以及特色林果产业用地和耕地面积持续增加呈减少趋势，从1992年的1 218 hm2、1998年的1 137 hm2、2007年的1 128 hm2减至2018年的428 hm2，占人工绿洲总面积比例也呈持续下降趋势，从1992年的6%、1998年的4%、2007年的3%降至2018年的1%。

人工绿洲内未利用地面积26年间呈波动趋势，从1992年的8 998 hm2增至1998年的11 216 hm2，2017年降至4 926 hm2，2018年又增至9 017 hm2，占人工绿洲总面积比例特征明显，2000年前2期为43%和44%，2000年之后2期为13%和14%。

图3 1992、1998、2007和2008年轮台人工绿洲土地利用状况Fig.3 The land use map of Luntai artificial oasis in 1992， 1998， 2007 and 2018

表2 人工绿洲主要用地类型面积变化Tab.2 The area change of different land use type in artificial oasis

3.2 林果产业用地动态度变化

为进一步了解林果产业用地面积变化情况，对迪那河流域轮台人工绿洲林果产业用地(果园)面积动态度进行计算，结果见表3。可以看出，虽然林果产业用地面积和人工绿洲面积同呈增长趋势，但林果产业用地面积占人工绿洲总面积比例并不稳定，分析其原因主要是林果产业用地面积动态度与人工绿洲面积动态度差别较大。1992—1998年、1998—2007年林果产业用地面积年均增长速度(11%)高于人工绿洲面积年均增长速度(4%和5%)，林果产业用地面积占人工绿洲总面积比例持续增加； 2007—2018年林果产业用地面积年均增长速度缓慢(1%)，远小于人工绿洲(7%)，该阶段林果产业用地面积占人工绿洲总面积比例下降。

表3 林果产业用地面积动态度Tab.3 The dynamic degree of forestry and fruit industry land in artificial oasis

3.3 林果产业用地时空变化特征

采用4期迪那河流域土地利用图获取人工绿洲内林果产业用地与其他土地类型之间面积转移信息(图4)，以更确切了解林果产业用地流动情况。 1992—1998年，2 600 hm2其他类型土地转为林果产业用地，转入最多为耕地(1 534 hm2)和人工绿洲内未利用地(817 hm2)； 1 131 hm2林果产业用地转为其他用途，其中转为人工绿洲内未利用地663 hm2、耕地438 hm2； 1 013 hm2林果产业用地未改变土地用途。1998—2007年，5 015 hm2其他类型土地转为林果产业用地，转入最多为耕地(2 434 hm2)和人工绿洲内未利用地(2 061 hm2)； 1 853 hm2林果产业用地转为其他用途，其中85%转为耕地(1 569 hm2)； 1 759 hm2林果产业用地未改变土地用途。2007—2018年，4 211 hm2其他类型土地转为林果产业用地，3 553 hm2林果产业用地转为其他用途，耕地在林果产业用地转入(87%)和转出(85%)中均占最高比例。

对比1992和2018年林果产业用地状况可知，26年间6 645 hm2其他类型土地转为林果产业用地，远大于林果产业用地转出面积1 362 hm2。林果产业扩张土地主要来源于耕地(2 671 hm2)、人工绿洲内未利用地(2 345 hm2)和人工绿洲外围土地(1 421 hm2)，而转出土地主要是耕地(918 hm2)。

3.4 林果产业用地分布重心迁移

由图5可知，1992—2018年，轮台人工绿洲(主体)向西南、正南和东南方向扩张明显，人工绿洲内林果产业用地分布重心随人工绿洲(主体)扩张轻微移动，变化较小。1992、1998年，林果产业用地分布重心随人工绿洲(主体)向西扩张而向西偏移； 2007年，林果产业用地分布重心随人工绿洲(主体)向西南扩张而向西南移动； 2018年，人工绿洲(主体)向南扩张，林果产业用地分布重心向南移动。

3.5 林果产业用地扩张程度

迪那河流域轮台人工绿洲和林果产业(果园)辐射距离见图6。可以看出，1992、1998、2007和2018年，人工绿洲辐射距离不断增加，分别为8.15、9.05、10.97和14.39 km； 而林果产业(果园)辐射距离1992—1998年从5.75 km增至7.27 km，1998—2018年保持稳定。

4 讨论

4.1 迪那河流域轮台人工绿洲林果产业发展受政策驱动

迪那河流域轮台人工绿洲林果产业发展趋势(表2、表3)与所在新疆维吾尔自治区林果产业发展趋势一致(刘敬强等， 2012)。20世纪90 年代中期到2000年，林果产业作为新疆实施资源转移战略的一项重要内容被大力推广，轮台人工绿洲林果产业在此期间(1992—1998年)增长显著； 2000—2013年，自治区党委、自治区人民政府坚持把林果产业作为粮、棉、果、畜四大基地之一强力推进， 2005和2008年2次召开林果产业工作会议，出台《关于加快特色林果产业发展的意见》和《关于进一步提高特色林果产业综合生产能力的意见》，明确加快推进林果产业发展的指导思想、战略重点、总体目标和政策措施，林果产业进入跨越式扩张期，轮台人工绿洲林果产业在此期间(1998—2007年)快速增长； 2012年底，新疆已完成林果基地建设任务，不再扩大林果种植规模，出台《关于推进南疆特色林果产业提质增效工作的通知》(新林发〔2018〕24号)，并印发《南疆特色林果产业提质增效工作推进方案》，全力推进林果产业提质增效； 2012年至今，新疆林果产业进入提质增效期，轮台人工绿洲林果产业用地面积在此期间(2007—2018年)平稳增长。

4.2 迪那河流域林果产业对人工绿洲扩张的推动作用小于耕地

迪那河流域轮台人工绿洲产业结构与所在新疆维吾尔自治区产业结构相似(邓铭江， 2016)，以棉花种植为主的耕地扩大在人工绿洲扩张中起主导作用。1998年，国务院发布《关于深化棉花流通体制改革的决定》，棉花收购和销售价格由市场形成。新疆棉花单产较高，棉田广阔，地势平坦，适合大面积机械作业，所以棉花生产的劳动生产率高于其他地区，在市场力量作用下，棉花生产向新疆集中(朱会义， 2013)； 2000年，新疆得到国家西部大开发战略支持，棉花产业进一步扩张。在开垦政策的同时影响下，这一期间轮台人工绿洲耕地面积在棉花产业带动下快速增长，耕地增长速度远大于林果产业扩张速度。2008年，全球金融危机爆发后，国际棉花价格剧烈波动，且随着植棉成本不断提高，植棉效益逐渐下降，部分棉农放弃种植棉花，去种植劳动力投入和技术要求低的粮食作物，或去种植更具优势的林果作物(包艳丽， 2016)，但以棉花种植为主的耕地面积扩大仍然高于这一时期林果产业扩张速度(1%)。

图4 1992—1998年、1998—2007年、2007—2018年和1992—2018年林果产业用地流动情况Fig.4 The land transformation of forestry and fruit industry from 1992 to 1998， 1998 to 2007， 2007 to 2018 and 1992 to 2018

图5 1992、1998、2007和2018年人工绿洲林果产业用地分布重心Fig.5 The distribution center of forestry and fruit industry in artificial oasis in 1992， 1998， 2007 and 2018

图6 1992、1998、2007和2018年林果产业和人工绿洲辐射距离Fig.6 The radiation distance of forestry and fruit industry and artificial oasis in 1992， 1998， 2007 and 2018

4.3 迪那河流域轮台人工绿洲林果产业发展范围稳定

迪那河流域轮台人工绿洲林果产业用地分布重心和辐射范围稳定说明近年来轮台人工绿洲林果产业发展范围比较稳定(图5、图6)，林果产业用地面积增加多来源于原有人工绿洲内耕地的转化和未利用土地的开垦，少量来源于在人工绿洲外围戈壁区土地的转入(图4)。不同于耕地倾向于向沙漠区扩张，流域内林果产业倾向于向戈壁区扩张(图3)，这与迪那河流域轮台人工绿洲所处的地理位置和自然条件有关。新疆天山以南广阔的山前洪积、冲积平原，土地平坦，山前堆积型戈壁区的砾石覆盖度和粒径均值随海拔降低而下降(穆悦等， 2018)，砾石下土层深厚疏松，透气性好，多壤土、沙壤土和灰漠土，这些自然条件适宜新疆林果产业发展(刘敬强等， 2012)。

5 结论

迪那河流域轮台人工绿洲林果产业发展受政策影响较大， 1992—1998年增长显著， 1998—2007年进入跨越式发展阶段， 2007—2018年平稳增长，发展趋势与所在新疆维吾尔自治区林果产业发展趋势一致； 林果产业对人工绿洲扩张的推动作用小于耕地； 林果产业用地面积增加多来源于原有人工绿洲内耕地的转化和未利用土地的开垦，少量来源于人工绿洲外围戈壁区土地的转入； 相比于沙漠区，戈壁区更适合林果产业发展。未来干旱区小流域林果产业发展需要管理者综合考虑产业、环境和资源等影响因素，制定适合区域的林果产业政策，为人工绿洲的全面协调可持续发展奠定基础。