新疆北疆“金三角”地区土地利用/覆被动态变化分析

新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司 杨海峰

近年随着土地利用／覆被变化研究在全球环境变化研究领域的逐渐加强，作为土地利用/覆被变化机制和驱动力研究基础的格局与时空变化研究仍然是热点问题[1]。西北干旱区的耕地扩张无疑是当代中国土地利用变化中的一个重要现象，由耕地扩张等原因引起的土地利用/覆被变化过程与驱动力的研究是干旱区环境调控和可持续发展的基础[2]。新疆作为西北干旱区的核心区域，其以牺牲自然荒漠植被为代价的绿洲农业耕作区扩张活动使土地覆被发生显著变化。开展对人口密集、产业集中等区域土地利用/覆被动态变化研究更有助于分析社会因素对土地利用变化的作用。鉴于此，本文以遥感数据为信息源，研究具有北疆“金三角”之称的奎屯、乌苏和克拉玛依市独山子区的土地利用/覆被变化，以期为该区域城镇融合化发展与区域社会经济的可持续发展模式的制定提供决策依据。

一、研究区概况

北疆“金三角”是天山北麓的奎屯、乌苏和克拉玛依市独山子区的简称。因这两市一区距离均为十余千米，呈三角形分布，且人口密集、产业集中、交通便利、经济发达，是新疆区域经济发展的中受到广泛关注的热点和亮点，故被称为“金三角”。该区域位于天山北坡中西部和准葛尔盆地西南缘，总面积约15964km2，人口约45.34万人。

北疆“金三角”深居亚欧大陆腹地，属典型大陆性气候，冬夏长，春秋短，四季分明，年内温差变幅大，光照充足，降雨稀少，蒸发强烈，相对湿度小。自北向南随海拔高度的升高，地貌地带差异性明显，垂直分带明显。

二、数据来源及研究方法

（一）数据来源

本研究的土地利用/覆被数据以2000年、2010年和2020年的Landsat数据为基本信息源，利用ERDAS IMAGE图像处理软件和1:100000地形图对上述影像进行几何校准数据融合、信息增强和拼接等处理，生成2000年、2010年和2020年的遥感影像图。参照“中国科学院土地利用分类系统”为分类方案，并在综合考虑研究目的和研究区特点后，将研究区土地利用/覆被类型归并划分为：耕地、林地、草地、水域、永久性冰川积雪、建设用地、盐碱地和未利用地8种类型。

在ArcGIS软件支持下，针对2000年、2010年和2020年遥感影像，按照上述土地利用/覆被分类方法，分别建立解译标志，对遥感影像进行目视解译及数字化，建立拓扑关系生成三期土地利用/覆被数据，并通过野外调查对数据精度予以验证。

（二）研究方法

1.土地利用/覆被变化幅度

土地利用/覆被变化幅度(Nc)指一定时间范围内某种土地利用类型在面积方面的变化幅度，采用单一土地类型变化幅度表示，其数学表达式可定义为：

式中：Ua、Ub分别为研究初期和末期某土地利用类型的面积；△Uout为研究时段内该类型转变为其它类型的面积之和；△Uin为其它类型转变为该类型的面积之和。

2.土地利用/覆被变化速度

土地利用/覆被变化度可定量描述LUCC的速度，对于单一土地利用/覆被变化速度目前多采用算术平均法表示，本文采用周德成等建立的净变化速度表达式，其中单一LUCC类型净变化速度表达为：

式中：Ua、Ub、△Uin、△Uout定义同上，T为研究时段长。

综合LUCC净变化速度Rt用于表征所有土地类型的综合净变化速度，表达为：

式中：Ua、Ub、△Uin、△Uout、T定义同上，n为LUCC类型总数。

3.土地利用程度变化

土地利用程度指数一方面可反应特定时期的土地利用程度，另一方面通过研究期内该指数的变化反应区域土地利用程度的变化。表达式定义为：

式中：L为某区域土地利用程度指数，Ai为区域内第i类土地利用类型的程度分级指数；Ci为区域内第i类土地利用类型百分比，n为土地利用类型数。

三、研究结果

（一）2000-2020年北疆“金三角”地区土地利用/覆被变化分析

通过对3期土地利用/覆被分类数据分别进行空间叠加分析以及数理统计，获得了各时期土地利用/覆被分类面积（图1）及转移矩阵。利用式（1）—（3）对以上数据进行计算，获得了2000至2010年，2010至2020年的不同类型土地利用类型的变化幅度和变化速率，以及所有土地类型的综合净变化速度。

研究结果表明：在2000至2020年的20年间，土地利用/覆被单一类型面积变化特点表现为：耕地、林地、建设用地和水域面积增加（图1），净增面积分别为1307.0平方千米、108.84平方千米、59.99平方千米、18.86平方千米；草地、盐碱地、未利用地以及冰川和永久性积雪面积减少（图1），减少面积分别为1061.98平方千米、234.56平方千米、147.02平方千米、51.13平方千米。

图1 北疆“金三角”地区土地利用/覆被分类面积

从土地利用/覆被变化幅度及变化速度来看（表1），20年间面积增加幅度和增加速度最快的类型仍为耕地，分别为71.19%和4.22%；其次为建设用地，其增加幅度和速度分别为39.38%和2.59%；再次为水域，其增加幅度和速度分别为13.02%和0.95%；最低的为林地，其增加幅度和速度分别为12.75%和0.93%。面积减少幅度和速度最快的为盐碱地，其减少幅度和速度分别为32.91%和3.02%；其次为草地，其减少幅度和速度分别为12.31%和1.01%；再次为冰川和永久性积雪，其减少幅度和速度分别为7.92%和0.63%；最低的为未利用地，其减少幅度和速度分别为4.91%和0.39%。

表1 北疆“金三角”地区土地利用/覆被类型的变化幅度（Nc）和速度（Rs）（%）

（二）2000-2020年北疆“金三角”地区土地利用程度变化分析

利用式（4）分别计算了2000年、2010年和2020年研究区土地利用程度综合指数和2000-2010年、2010-2020年、2000-2020年3个时段土地利用程度变化量、变化幅度、变化速度（表2）。

表2 北疆“金三角”地区土地利用程度综合指数及其变化（%）

从2000年、2010年和2020年各土地利用类型对区域土地利用程度贡献率变化来看：草地贡献率较大，约占各年总利用程度的60%，但其随时间变化而降低，除草地外、冰川和永久性积雪、盐碱地和未利用地贡献率也随时间变化不断降低，而耕地、林地、水域、建设用地贡献率不断增大。

在2000-2020年的20年间北疆“金三角”地区土地利用程度不断增加，该区域土地利用处于发展时期。其中2000年土地利用综合率为51.33%，2010年上升为53.43%，到2020年已上升至53.97%。这与研究区土地利用程度分级指数较低的土地类型转为分级指数较高类型有着密切关系，如草地转换为耕地、建设用地等土地利用类型。

从土地利用程度变化量来看2000-2010年变化量占20年间总变化量的79.46%，是2010-2020年变化量的3.87倍。同时2000-2010年土地利用程度变化幅度是2010-2020年变化幅度的4.03倍。虽从变化速度来看，2000-2010年变化速度则仅为2010-2020年的2.48倍数，但也证明在2000-2020年间土地利用转移总体表现为由土地利用程度分级指数较低的向较高的分级指数转移，且2000-2010年转移规模和速率高于2010-2020年转移规模和速率。

四、结论与讨论

北疆“金三角”地区土地利用/覆被变化显著，其主要原因包括自然和社会经济技术两方面因素。在本研究区内，耕地和建设用地为增加速度最快的两种土地类型，主要是因为：（1）进入21世纪后，先进的滴灌技术的推广普及以及农田管理技术（灌溉、施肥等）不断增强，水资源利用效率显著提高，以及人口不断增加的压力，促进或迫使研究区内农户将有利用价值且利用程度分级指数相对较低的草地、盐碱地等开垦为耕地。农业用地规模进一步增大的同时也提高了土地利用程度。但耕地的开垦并不是一个无限制的过程，受到可开垦资源限制以及草场保护相关法律法规约束，开垦规模逐步缩小。（2）进入2000年以后，我国进入高速发展时期，建设用地规模不断增加，虽然其增加面积较小，但其变化幅度和速度仅低于耕地变化情况。(3)为满足日益增加的耕地灌溉用水需要，相关水利设施的修建也会促进水域面积的增大。他们的扩张直接导致土地利用程度的增加。

综上所述，本文以遥感数据为信息源，在2000-2020年20年间北疆“金三角”地区耕地、林地、建设用地和水域面积增加，其他土地利用类型面积则减少。其中耕地变化最为剧烈，其次为草地和建设用地。另外，建设用地虽变化面积小，但其幅度与速度仅次于耕地。同时对不同时间段综合变化速度和土地利用程度的研究表明2000-2010年期土地利用变化比2010-2020年间变化剧烈。本文获取的土地利用变化信息不仅有利于流域生态系统、气候和水文变化等问题的研究，更有助于土地利用规划和决策。