喀什噶尔河流域平原区土地利用类型时空分布特征及趋势分析

2022-07-16王友年

水利规划与设计 2022年7期

王友年

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830000)

土地资源的合理利用将直接关系到区域经济社会发展和生态文明建设。而土地利用类型的改变不仅有着其必然性，也存在着众多的影响因素[1-3]。喀什噶尔河流域平原区面积广阔，土地资源充足[4]，但可利用土地资源较少[5]。近年来，流域平原区土地利用类型转变一方面受区域社会经济和人口增长而发生着显著改变，另一方面，随着政府及对于土地资源利用的重要性认识程度不断加深，流域水土资源的利用程度也得到了提升。因此，为实现喀什噶尔河流域水土资源更加充分、合理利用及促进区域生态文明建设良好发展，掌握流域平原区土地利用类型时空分布特征及转变规律则显得十分重要。

由于水土资源的重要性，针对土地利用类型的研究一直是众多学者的研究重点，其研究也从简单的定性[6-7]转为定量[8-13]。如黄秋霞[6]、张大伟[7]等通过分析研究区土地利用类型的转变规律为研究区生态文明建设和水土资源的可持续利用提供了理论支撑；杜清等[8]对喀什噶尔河流域1990—2010年全流域土地利用类型的变化做了相应研究，可以看出流域山区土地利用类型转变较小，这为本文确定研究区范围提供了依据；郭颖悦等[9]简述了遥感技术在土地利用类型的应用及前景，这为本文土地利用数据的获取及分析提供了理论支撑；戴娜敏等[12]及李硕等[13]应用多种方法对大清河流域土地利用景观的时空变化进行了分析研究，而这为本文确定研究方法提供了思路。

喀什噶尔河流域位于西北干旱区，生态环境脆弱[14]，且是集民族地区、贫困地区为一体的区域。受自然条件及管理水平的限制，流域水土资源利用率较低，土地利用类型转变复杂[15]。另对于喀河流域土地利用类型转变的研究大都较早[4-5，16-17]，且针对流域人类社会主要活动的平原区却并未深入研究。故本文在获取研究区多年土地利用类型数据的基础上，首先分析研究区不同土地利用类型的时空分布特征及面积变化，其次运用土地利用类型转移矩阵定量分析不同土地利用类型之间的转化量及变化趋势。以期为流域制定水土资源开发与规划及生态环境保护提供理论支撑，同时可进一步促进流域生态文明建设和社会可持续发展。

1 材料及研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于塔里木盆地西缘，地理位置介于东经73°30′～80°30′，北纬38°30′～40°39′之间，地形整体呈西高东低。通过收集并统计喀什噶尔河流域不同时期土地利用类型，结合野外实际调查发现山区变化较小，而平原区较大，故本次以流域平原区为研究重点。其主要包括流域的低山丘陵区边缘地带及流域中、东部的广大地区，行政区划包含喀什、克州、阿克苏及兵团第三师等区域。本次依据等高线及流域水系分布划定边界条件，西北部以山区平原区界限为边界，南部以喀什噶尔河与叶尔羌河分水岭为界，东北及东南部以绿洲界限为界。同时通过野外实际调查及资料显示，近年来，随着喀什噶尔河流域经济社会的快速发展，用水量随之猛增，流域各河流地表来水出山口后几乎都被引入灌区，加之下游河道基本被渠系化，流域各河流下游河道基本无水通过，故本次针对流域下游仅分析研究主河道两岸有天然林草分布的区域。研究区位置图如图1所示。

图1 研究区位置图

喀什噶尔河流域主要由克孜河、盖孜河、库山河、依格孜牙河、恰克马克河、布谷孜河和吐曼河七条河流组成，多年平均水资源总量55.19亿m3。流域内平原区主要气象要素(气温、降水量、蒸发量)的多年平均值在地域上的变化不大，气温在11.2～13.2℃，降水量在61.7～99.6mm/a，蒸发量在1076～1794mm/a。流域平原区面积2.34万km2，生态环境脆弱，呈现荒漠绿洲、灌溉农业的特点。

1.2 研究方法

研究区1990、2000、2010、2019年土地利用类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，其主要以Landsat-TM/ETM遥感影像为数据源[18]。经解译后运用动态度[19]分析研究区不同土地利用类型在不同时段的变化，同时运用马尔柯夫土地利用类型转移矩阵[20]定量分析不同土地利用类型之间的转化情况。

1.2.1动态度模型

通过构建单一土地利用动态度用以表达喀河流域平原区不同时段内不同土地利用类型的变化幅度与速度，其表达式为[19]：

(1)

式中，K—动态度，表示不同时段内某种土地的年变化率；Sa、Sb—流域平原区某一时段初期和末期某一类土地的面积，km2；T—研究步长，a，本次以年为单位。

1.2.2马尔柯夫土地利用类型转移矩阵

为进一步定量分析喀河流域平原区不同土地利用类型之间的转化情况，故引入马尔柯夫土地利用类型转移矩阵，其表达式为[20]：

(2)

式中，Pxy—土地利用类型x向土地利用类型y转移的面积，km2；n—土地利用类型个数。

2 平原区土地利用类型变化分析

遥感数据分析以中国科学院地理科学与资源研究所提出的LUCC[21](土地利用/覆被变化)遥感监测数据说明书为基础。首先利用ArcGIS软件分析整理后统计出平原区不同年份的土地利用类型，其次对不同时期土地利用类型变化幅度及动态度进行分析，最后定量分析出平原区1990—2019年的土地利用类型转移矩阵。

2.1 不同时期土地利用类型时空分布特征及面积变化

依据土地利用类型二级分类[22]做出喀什噶尔河流域平原区1990、2000、2010、2019年不同时期的土地利用类型分布，结果如图2所示。

由图2可知，平原区耕地主要集中分布在西北部范围内，也就是流域水系较为发达的区域，流域下游巴楚县、图木舒克市也有零星分布，另可明显地看出自2010年后耕地分布更为广泛，已挤占部分林草用地；林地主要分布在流域中、下游河道两岸，但自2010年后下游天然林草则呈现明显萎缩状态，同时2000年前盖孜河下游也有林地分布，但自2010年后则变为戈壁，另2010年后由于各县、市大力发展林果业，导致其它林地面积增加零星分布于耕地之间；草地主要分布于西北部范围内，但均在耕地外围分布，且可以明显看出自2010年后草地则逐渐被耕地所侵占；水域主要分布于流域各河流中、下游；建设用地主要分布于流域内各县、市城区及周边郊区；未利用地主要分布于东南部范围内。可以看出耕地、林草空间分布变化较大，但水域、建设用地及未利用土地的空间分布情况并未发生明显改变。可以看出，2019年喀什噶尔河流域平原区的绿洲范围是1990年以来最大的时期，耕地面积扩增明显，草地面积缩减严重，而随着人工绿洲面积的增加，也改变了原始自然地貌和景观，自然植被被取代，生物多样性降低。

图2 喀河流域平原区不同时期土地利用类型解译

为进一步厘清平原区土地利用类型的面积变化情况，统计得出表1平原区不同时期土地利用类型解译结果。

由表1可知，喀河流域平原区面积约为2.34万km2，1990—2019年之间，流域平原区耕地、草地及未利用土地等面积变化较为明显，其中耕地面积呈明显增加趋势，由1990年的4594.50km2增加到2019年的7668.21km2，增加3073.71km2。这是因为2000年之前由于急于实现自身粮食安全，流域灌溉面积呈稳定增长，而2000年之后，受制于依赖农业资源优势发展经济、扶贫攻坚以及全国性援疆等政策因素的综合驱动，使得灌溉面积快速扩张；草地呈明显减少趋势，由1990年的8785.19km2减少到2019年的4260.27km2，共减少4524.92km2，其中又以低覆盖度草地减少的面积居多。这是因为由于耕地增加过快，造成流域内水土资源过度开发利用，从而使得流域内各河流的河道生态基流水量及河谷林草、湿地天然植被生态水量被严重挤占，有些地方的草甸植被甚至完全消失；未利用土地面积呈增加趋势，由1990年的6980.98km2增加到2019年的7983.90km2，共增加1002.92km2，其中又以沙地增加的面积居多。分析是因为随着人工绿洲面积的增加，改变了原始自然地貌和景观，自然植被被取代，生物多样性降低，土地沙漠化问题突显。同时不难看出，在2010年流域盐碱地的面积较1990年增加102.84km2，表明平原区土壤盐渍化问题也较为突出；流域平原区其它类型土地面积变化相对较小，林地面积由1990年的1668.19km2增加到2019年的1749.21km2，共增加81.02km2，但灌木林及疏林地等天然植被在逐年减少，尤其是流域沿河两岸天然林带宽度逐年收缩，远离河道的幼林枯死，植被覆盖度逐年下降，而其它林地(经济林、人工林等)的面积受人为因素增加明显，从而造成区域林地面积呈增加趋势；水域面积由1990年的435.56km2减少到2019年的413.70km2，共减少21.86km2；建设用地面积由1990年的891.51km2增加到2019年的1280.63km2，共增加389.13km2，其中又以城镇用地及其它建设用地增加的面积居多，分析是由于近年来城市规模及城镇化率在逐年增加，导致城镇用地及其它建设用地面积增加。而建设用地的不断增加，也加大了人为因素造成的水土流失。

表1 喀河流域平原区不同时期土地利用类型解译结果单位：km2

综上表明，近年来，喀河流域平原区形成了耕地面积大幅度增加、天然植被面积缩减、城镇建设规模扩大及植树造林等现象共存，这也与赵禾苗等[23]研究成果一致。而发展战略与相关政策的出台和推行，是驱动流域农业灌溉面积扩张的重要因素；林、草地面积的缩减，将会导致生态环境恶化；而不合理的灌溉方式也将直接导致流域平原区农耕灌区盐碱化与灌区外围荒漠化的恶性循环。

2.2 不同时段土地利用类型变化幅度及动态度分析

前文仅针对1990—2019年的土地利用类型的空间分布及变化进行了分析，为进一步地分析平原区不同时段土地利用类型变化的幅度及速度，统计出1990—2000年、2000—2010年、2010—2019年、1990—2019年平原区不同时段土地利用类型变化幅度及速度，结果见表2。

由表2可知，近年来平原区耕地呈持续增加趋势，在1990—2019年时段内增加速率为2.31%，尤其在2000—2010年时段内增加的面积及速度最快，面积增加为1279.43km2，增加速率为2.49%。这与前文分析得出2000年前耕地稳步增长，但2000年后耕地面积快速增长相一致；林地面积呈现出先减后增的趋势，在1990—2019年时段内增加速率为0.17%，在1990—2010年呈减少趋势，两个时段内面积减少分别为127.17km2及11.68km2，减少速率分别为0.76%及0.08%，在2010—2019年面积增加为219.89km2，增加速率为1.44%。而这也主要是因为人工林和经济林面积增加所致；草地面积在1990—2019年各时段均呈减少趋势，减少速率为1.78%，其中2000—2010年时段内减少的面积及速度最快，面积减少为2007.97km2，减少速率为2.77%。与耕地面积变化时段相对应，这也从侧面表明耕地面积的增加是建立在草地面积减少的前提上；水域面积总体呈现出先增后减再增的趋势，其中在1990—2019年时段内减小速率为0.17%，在1990—2000年及2010—2019年时段内面积呈增加趋势，增加速率分别为0.01%及0.91%，而在2000—2010年时段内却呈减少趋势，面积减少为56.69km2，减少速率为1.30%。但近年来平原区水域面积变化并不明显；建设用地面积各时段均呈增加趋势，在1990—2019年时段内增加速率为1.51%，且在2010—2019年时段内增加的面积及速度最快，面积增加为255.66km2，增加速率为2.49%，虽然其转换面积在数量上较少，但土地变化速率却相对最高。这是因为自2010年喀什设立经济特区，且平原区内人口增多，城镇规模发展较快所致；未利用地面积呈现先增后减的趋势，在1990—2019年时段内增加速率为0.50%，其中1990—2010年两个时段内面积增加分别为1062.37km2及710.51km2，增加速率分别为1.52%及0.88%，但在2010—2019年却呈减少趋势，面积减小为769.96km2，减小速率为0.88%。而这也是因为流域水土资源开发较大，土地沙漠化所致。

综上所述，近年来研究区不同时段内耕地和建设用地面积均呈增加趋势，耕地增加速率最大，草地面积均呈减少趋势，减少速率最大。而林地、水域、未利用土地虽经计算表明在1990—2019年时段内呈增加或减少趋势，但由于受外界及人为因素影响，不同土地利用类型在不同时段内呈现出不同的变化趋势。

2.3 平原区土地利用类型矩阵转移分析

在分析了平原区各土地利用类型变化幅度及速率的基础上，为进一步厘清平原区各土地利用类型的转换关系，构建了喀河流域1990—2019年土地利用类型转移矩阵，结果见表3。

从表3可以看出1990—2019年间喀河流域平原区土地利用类型转化整体上较为复杂。喀河流域2019年较1990年平原区不同土地利用面积共转变7166.74km2，其中由耕地转为其它类型土地的面积为567.35km2，其中大部分都转为其它林地，经实际调查多为经济林等，而其它类型土地转为耕地的有3641.06km2，其主要由草地转变；由林地转为其它类型土地的面积为575.87km2，其主要转为耕地及未利用土地，其它类型土地转为林地的有656.91km2，其主要由耕地、草地及未利用地转变；由草地转为其它类型土地的面积为4934.08km2，其主要转为耕地，其它类型土地转为草地的有409.15km2，其主要由未利用地转变；由水域转为其它类型土地的面积为47.29km2，其主要转为草地和未利用地，其它类型土地转为水域的有25.43km2，其主要由草地转变；由建设用地转为其它类型土地的面积为6.74km2，其中大部分都转为耕地，其它类型土地转为建设用地的有395.87km2，其主要由耕地、草地及未利用地转变；由未利用地转为其它类型土地的面积为1035.41km2，其主要转为耕地、林地及草地，其它类型土地转为未利用土地的有2038.33km2，其主要由草地及林地转变。

上述分析得出平原区其它类型土地转换为耕地的共有3641.06km2，其占比最大，故以耕地为例，对2019年新增耕地的原土地性质进行分析，结果见表4。

表4 2019年较1990年平原区耕地利用类型转移矩阵单位：km2

可以发现，流域平原区耕地主要由中、低覆盖度草地转变而来，也由部分沙地和戈壁转变。而其余各类土地利用面积转变则相对较少。为进一步分析1990—2019年平原区耕地在空间上的转变情况，做出2019年较1990年平原区耕地变化如图3所示。图中显示面积为喀河流域平原区2019年耕地分布情况，其中红色为1990年耕地分布，而其余颜色则表示为自1990年以来其它类型土地转变为耕地的面积分布。

由图3可以明显的看出新增耕地多由阿克陶县、英吉沙县、岳普湖县及伽师县的草地转变而来，且在依格孜牙河及黑孜泉河下游也有大片的草地转为耕地。并经计算，其中阿克陶县主要向东南外扩3～10km；英吉沙县外扩范围较小，主要向东外扩2～3km；岳普湖县也主要向东南外扩3～8km；伽师县则同时向西北及东南方向外扩，向西北外扩4～9km，向东南外扩2.5～11km；依格孜牙河及黑孜泉河下游耕地则主要向东外扩3～4km。同时可以看出在平原区西部的兰多乡与中部的阿克喀什乡及格达良乡有大片的戈壁被开发为耕地，且在黑孜泉河下游也有大片的戈壁转为耕地。另在平原区中下游伽师总场附近也有部分林地转变为耕地，而在平原区东部靠近喀什噶尔河两岸的巴楚县及图木舒克市也有部分林草转变为耕地。综上所述，受喀河流域地形条件限制，近年来平原区耕地主要向东南方向外扩，且新增耕地多由原耕地向外扩展，而外扩耕地则多由草地转变而来。另外，随着区内灌溉渠系等水利设施条件的不断完善，也促使部分沙地及戈壁土地新开发为耕地。

图3 喀河流域平原区2019年较1990年耕地变化

3 讨论

通过对研究区土地利用类型时空分布规律研究发现，近年来流域平原区内土地利用类型空间分布变化显著。但受流域天然条件限制，多年来平原区绿洲主要分布在流域水系较为发达的西北部，而向东南方向外扩的耕地也多是挤占天然林、草转变而来。但随着研究区土地利用类型空间分布及面积的转变也伴随着不少问题的出现。如灌溉面积过大，但农业灌溉用水利用效率低，导致生产、生态用水矛盾突出；且流域下游因多年断流，河岸分布的以胡杨为优势群种的荒漠河岸林生态系统退化显著，流域土地沙化明显，生态环境问题突出。因此，为实现喀河流域平原区土地资源合理利用，应加强对绿洲农田[24-25]、荒漠林和天然草原的保护，如可采取封育保护、自然修复等措施减少对于天然林和草原的人为干扰，并在水资源综合调配的基础上保证生态用水，适度建设人工林及人工草场，使得流域水土资源利用更趋合理化。

通过对研究区土地利用类型的转变及趋势分析发现，与刘纪远[26]提出的中国土地利用变化的基本特征与空间格局相一致。位于西北干旱区半干旱区的喀河流域平原区内的土地利用类型大都为其它类型土地转为耕地，而在位于内陆的其它流域则存在着耕地转为其它类型土地，如耕地转为林地[27]、建设用地等[28]。因此，喀什噶尔河流域在产业结构调整方面还存在着一定的提升空间。同时，本文仅针对流域平原区内土地利用类型时空分布规律及趋势分析，但造成研究区土地利用类型转变的驱动因素[27，29]却未开展进一步研究，这将是本文后续的研究重点。