1990—2020年天山北坡经济带耕地时空动态变化的分析

陈乐，程勇翔*，王江丽

(1 石河子大学生命科学学院，新疆 石河子 832003； 2 石河子大学农学院，新疆 石河子 832003)

土地利用/覆被变化是全球变化的重要组成部分和主要原因[1-3]。通过改变地表覆被的组成类型和空间结构，对地—气系统、水—气系统、生物圈、生态系统平衡与稳定产生了重要影响[4-7]。耕地变化是区域土地利用变化的主要驱动因素。耕地的时空动态变化能够反映区域景观变化的方向[8]，耕地资源数量的稀缺性、分布的不均匀性、土壤的贫瘠性以及污染的日益严重性，在经济快速发展、资源日益短缺、消耗日益增长的今天，已成为影响农业生产和经济发展的瓶颈因素[9-10]。天山北坡经济带位于我国西北干旱区，经济欠发达，却是西北干旱区最具开发潜力和发展最快的经济区之一[11]，也是干旱区绿洲农业发展最具代表性的发展区域。其面积148 749.98 km2，约占新疆面积的9.15%，其耕地面积占新疆耕地面积的30%。目前已有学者围绕天山北坡经济带人工绿洲扩张的时空过程分析了人类活动影响下绿洲景观演变的驱动机制,其中，吴建寨等[12]对天山北坡山地、绿洲、荒漠3个带状区域的土地利用与生态系统服务功能价值变化及其空间差异做了对比分析；陶江等[13]对天山北坡经济带土地利用效益的变化及协调度进行了综合评价；雷军等[14]、徐丽萍等[15]利用天山北坡的土地类型分类数据研究了该区景现动态变化及其驱动力；孙智斌等[16]从土地利用变化速度、土地利用转移矩阵、土地利用动态度及土地利用程度等方面分析了天山北坡经济带2000—2015年土地利用的变化。

上述研究从宏观的角度分析了天山北坡经济带下垫面土地利用类型整体变化特点及驱动力，而对荒漠绿洲异质性景观中耕地这一最重要的因素，往往只是简单描述其时空变化过程，很难对耕地空间分布、时空变化及影响因素有比较完整的认识。因此，本文借助于3S技术手段，利用1990—2020年的Landsat遥感影像数据解译天山北坡经济带4期土地利用/覆被变化信息，通过耕地定量分析统计、耕地重心迁移及气候时空变化趋势3个模型，分析天山北坡经济带耕地的分布特征及时空变化过程，并结合该区气候和灌溉模式的变化探究其绿洲扩张的驱动因素。

1 研究区概况、数据来源及处理

1.1 研究区概况

天山北坡经济带地处亚欧大陆腹地，天山北麓中段(80°93′E～90°79′E，43°42 N′～45°41′N)，面积为148 749.98 km2(图1)。经济带的核心绿洲分布区为温带大陆性干旱半干旱气候，夏季炎热冬季寒冷，年均气温7.4 ℃，年均降水量181.99 mm，年均蒸发量1 948 mm[17]。绿洲耕地呈带状和片状集中分布在水资源丰富、海拔200～2 400 m的山前冲积洪积扇、冲积扇边缘带和冲积平原上。面积较大且分布范围广，在较湿润的灰漠土，有机质含量高、腐殖质层较厚、土壤团粒结构较好、水肥较好的潮土、草甸土、沼泽土和黑钙土，盐分较高、钙化明显、极度干旱缺水的盐碱土、棕钙土和风沙土上均有分布。随着“西部大开发”及“一带一路”的开展，天山北坡经济快速发展[16]，耕地面积也显著增加。

图1 研究区示意图

1.2 数据来源

本研究所用遥感影像数据包括1990、2000、2010、2020年5—10月Landsat 30 m空间分辨率数据，数据来源于美国国家地质调查局(https://www.usgs.gov/)；1∶50000地形图来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www．resdc．cn)；2006年7月实地调查的120个校准点；研究区及周边50个气象站点1990—2020年逐日温度、降水等气象数据来源于中国气象数据网(http://www.nmic.cn/)和国家气象局。此外，分别从地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)和中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx)获取GDEMDEM 30 m分辨率高程数据和1∶100万土壤空间分布类型数据，用于研究区概况分析。

1.3 数据处理的方法

本文对获取的Landsat遥感影像数据进行大气较正、投影、镶嵌等预处理，得到覆盖全区的无云数据产品。结合实地考察点和地形图，在面向对象分类软件eCognition中采用人机交互相结合的方法对Landsat遥感影像进行解译。为保证获取遥感解译的准确性和一致性，结合谷歌地图验证后的2020年的分类结果，分别对每期数据进行统一的质量检查和数据集成，使得4期遥感影像的整体解译精度均达到91.3%以上，将解译后的结果划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地(沙漠、裸地)和积雪冰川7种地类供后续研究。

1.4 数据分析

1.4.1 耕地面积时空动态变化定量分析

基于天山北坡经济带行政区划范围，在时间变化过程上，利用土地分类结果，通过转移矩阵和定量化参数变化幅度ΔU[4]获取耕地面积的时间变化过程；在空间格局分析上，通过ArcGIS空间叠置分析工具对各时段耕地进行统计分析，计算定量化参数空间动态度Rss和变化趋势Ps[16]，用于定量分析各时段耕地的空间变化程度和转换特征。

1.4.2 土地利用转移矩阵分析

基于1990—2020年4期土地利用的数据，通过ArcGIS软件字段融合和数据相交工具，分别叠加1990和2000年、2000和2010年、2010和2020年3个时期的土地利用数据，统计各土地利用类型之间的转换面积，并制作土地利用类型空间转移图，用于研究各时期耕地的转换特征及与其他地类的空间转移关系。

1.4.3 耕地重心迁移模型

本文利用耕地分布重心坐标和迁移变化反映耕地的空间格局变化，重心坐标及迁移距离计算过程参照文献[18]。

1.4.4 气候时空变化趋势模型

基于气象站点获得的1990—2020年逐日平均温度、降水量数据，合成年平均温度和年降水总量数据，通过空间插值和地形校正，得到研究区31年的年平均温度和年降水总量空间数据。分别统计1990—2000年、2001—2010年、2011—2020年3个时期的年平均温度和年平均降水量，用于研究不同时段的温度及降水变化。通过最小二乘法线性回归方程的斜率(Slope)[19]分析1990—2020年每个栅格点温度和降水的变化趋势，用于研究温度和降水总量的空间变化特征，其中，Slope>0，表示向降水增加、温度增高方向发展，反之，表示向降水减少、温度降低方向发展。

2 结果与分析

2.1 研究区土地利用变化

结果见图2、图3。

图2 1990—2020年4期研究区土地利用图

图3 1990—2020年研究区各土地利用/覆被类型面积比例变化

(1)天山北坡经济带土地利用类型的总体特征如下：草地、未利用地及耕地面积较大，分别占研究区面积的39.08%、39.15%、15%(2020年)，成面状或片状集中分布；林地、水域、建设用地和积雪冰川面积较小，分别占研究区面积的2.74%、1.37%、1.05%、1.62%(2020年)，呈线状、点状散布。

(2)1990—2020年间耕地、林地、水域和建设用地面积分别增加8 025.20、1 423.56、668.23、1 330.76 km2，分别增长了研究区面积的5.40%、0.96 %、0.45 %、0.89%；草地、未利用地和积雪冰川面积分别减小了7 134.89、464.96、3 847.78 km2，分别减小了研究区面积的4.80%、0.31%、2.59%。耕地和建设用地面积增加主要与草地和未利用地面积减少，而高山积雪冰川融化后大90%以上面积转变为未利用地和草地。

2.2 耕地分布及面积的时空动态变化特征

从地理分布看，天山北坡经济带耕地呈带状和片状分布在天山山前冲洪积扇、冲积扇边缘带和冲积平原上，面积占研究区面积的9.6%以上，在1990—2020年期间呈持续增长趋势。其中:

1990—2000年期间，耕地双向转化频繁(Ps=0.29)，转入转出空间变化大(Rss=34.80)(表1)。其他地类转耕地3 218.434 km2，其中草地和未利用地分别向耕地转入2 638.36、552.79 km2(图4)，分别占转入耕地面积的81.98%和12.22%，是新增耕地的主要来源,主要发生(转入面积>100 km2)在乌苏市、博乐市、呼图壁县、奇台县、温泉县和玛纳斯县。耕地转其他类型1 752.46 km2，其中分别向草地和建设用地转入了1 589.23、73.83 km2，分别占转出耕地面积的90.69%和4.21%,主要发生在乌鲁木齐市和石河子市。

表1 1990—2020年耕地定量分析统计模型参数

2000—2010年期间，耕地由双向转化逐渐过渡到单向转入(Ps=0.76)，转入空间变化增大(Rss=45.60)。其他地类向耕地转入6 332.39 km2，使得耕地面积增加了5 544.4 km2，其中草地和未利用地分别向耕地转入了4 587.90、1 713.1 km2，分别占转入耕地面积的72.45%、27.05%，主要发生在沙湾县、乌苏县、克拉玛依市呼图壁县和玛纳斯县(新增耕地面积>400 km2)。耕地转其他地类面积847.51 km2，其中分别向草地和建设用地转入了660.14、100.41 km2，分别占转出耕地面积的77.89%、11.85%。

2010—2020年耕地面积继续扩大，单向转入减小，双向转化频繁(Ps=0.18)。其中林地、草地、水域、建设用地和荒漠分别向耕地转入了11.96、2 922.87、37.08、0.13、320.03 km2，主要发生在乌苏县和沙湾县。耕地转其他地类面积2 270.35 km2，其中有92.01%和5.17%分别转入了草地和建设用地,主要发生在乌鲁木齐市和奇台县。

从行政区划上看，耕地主要分布在沙湾县、乌苏市、玛纳斯县、奇台县、呼图壁县和昌吉市(表2)，分别占耕地面积的18.61%、14.21%、10.30%、6.61%、8.54%和6.01%(2020年)。1990—2020年期间，除乌鲁木齐市和石河子市外分别减小403.14 km2和109.39 km2，其余各县市的耕地面积均呈持续增长趋势，其中，乌鲁木齐市和石河子乌苏市、沙湾县、呼图壁县、克拉玛依市、玛纳斯县、精河县、博乐市耕地面积增长较大，新增耕地面积分别为1 655.11、1 590.43、812.72、804.73、592.90、563.93、538.29 km2；奎屯市、克拉玛依市、温泉县和乌苏市耕地面积增速较快，至2020年耕地面积分别达到631.37、1 282.34、587.49、3 170.69 km2，新增耕地面积分别为各县市1990年耕地面积的2.75、1.68、1.18和1.09倍。

为进一步分析耕地的时空变化，本文计算1990—2020年天山北坡经济带各时期耕地重心及迁移距离，结果(表3、表4)表明各时期耕地重心均向西北方向、沙漠方向迁移，该移动方向与西北方向低覆盖度草地和沙漠大面积转为耕地密切相关，说明天山北坡经济带绿洲扩张主要向西北方向发展。

表2 1990—2020年各县市耕地面积统计表 单位：km2

图4 1990—2020年各时期研究区耕地时空变化分布图

图5 1990—2020年研究区各时期年平均温度及趋势变化

表3 研究区耕地重心坐标

表4 研究区耕地重心迁移情况

2.3 耕地变化的驱动力分析

2.3.1滴灌农业及沙漠的增温效应对耕地扩张有显著的促进作用

由本研究结果(图4)可发现草地与荒漠是新增耕地的主要来源，这主要与干旱区滴灌农业的规模化发展和沙漠的增温效应相关，例如，滴灌技术的大面积推广提高了农田水分利用效率、增加了地表温度，减少了土壤次生盐渍化[20-21]，改善了农作物生长环境，为天山北坡经济带耕地面积增加提供了技术保障[8]。

天山北坡经济带西段海拔较东段低，西北向温度高于东段，古尔班通古特沙漠主体位于西段耕地北面，夏季沙漠增温效应更为显著。低海拔和明显的沙漠增温效应使得西段耕地热量条件优于东段(图5)。该条件有利于棉花、番茄等喜温经济作物生长。通过查阅新疆统计年鉴可知，棉花、番茄两种经济作物种植比例天山经济带西段明显高于东段，呈现出自西向东逐渐减少的趋势。

2.3.2 气候的暖湿化有利于干旱区植被生长

由本研究结果(图5、图6)可发现，近30年来天山北坡经济带山前草地、绿洲区及绿洲与荒漠交错带降水呈增加趋势，这促进了北部绿洲、绿洲与荒漠交错带的农业发展，致使耕地重心向北部沙漠方向移动。此外，天山北坡经济带西北向较明显的增雨效应是植被生长的重要优势条件，也是耕地向西北方向扩张的重要原因。

图6 1990—2018 年研究区各时期年平均降水量及趋势变化

2.3.3“西部大开发”战略快速实施促进了新疆农业的快速发展

自2000年“西部大开发”战略实施以来，新疆不断调整优化农业结构[22]，促进了新疆粮食、棉花、特色林果基地的建设稳步推进[23]，促使第一产业对经济增长的贡献率高于全国平均水平[24]，2019年全区棉花产量占全国棉花总产量的84.9%，成为国内最重要的棉花种植基地之一，特色农业发展成效明显。另外，近年来天山北坡经济带农业已从单纯的粮食、棉花生产转化为多元化农产品生产，这促进了农业经济效益的极大增加和新疆农业的快速发展。

4 结论

本文以干旱区典型农业经济区—天山北坡经济带为研究区，基于1990—2020年4期Landsat遥感影像土地利用解译数据，借助于3S技术手段、耕地定量分析统计模型、耕地重心迁移模型及气候时空变化趋势模型，分析干旱区绿洲耕地的分布特征及时空变化过程，并结合当地气候整体变化和灌溉模式探究了干旱区绿洲耕地的驱动因素，得出以下结论：

(1)1990—2020年期间，天山北坡经济带土地利用类型以草地、未利用地、耕地为主，其中，耕地和建设用地持续增加，高山积雪冰川融化大面积转为裸地和草地，草地面积大幅度增加是该时期土地利用变化的主要特征。

(2)从行政区划看，耕地主要分布、面积持续增加的区域集中分布在天山北坡经济带中西段沙湾县、玛纳斯县、乌苏市、呼图壁县、昌吉市、精河县、克拉玛依市和博乐市。

(3)1990—2020年耕地总面积持续增加，耕地转入面积均大于转出面积，其中草地和未利用地是新增耕地主要来源。

(4)1990—2020年期间，天山北坡经济带西段在优良的光热条件、膜下滴灌技术的普及、经济利益的驱动、政策引导、克拉玛依市的开发等多重作用力的驱动下(自然条件、经济、政治政策、农业技术)，大面积的土地被开发或复垦，促使天山北坡经济带耕地重心整体向西北方向偏移。

(5)滴灌农业的发展促进了提高水资源利用效率的，促使大面积荒漠荒草区域转变为耕地和可耕地、适耕地面积极大的增加，这有利于新疆农业的规模化发展。