近19年乌苏市土地利用变化规律及其驱动因素研究

穆振侠，张玉祥，田晓杰

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

为更好的促进社会经济的快速发展、改善人类居住与生存环境，人们想法设法尝试对自然环境进行有利于人类发展方面的改造，最直接的效果就是改变或重新塑造着不同区域的土地利用/土地覆被(LUCC)方式，其已经成为人类与自然界交互最直接、最密切的关键环节，成为直接反映社会发展成效的体现。土地利用变化是由自然因素与人类活动共同作用的结果，而人类活动对其的影响最为直接且显著。不同诱因共同作用下的LUCC变化将人类社会的影响较为深远，不仅可以带来可观的经济效益，而且重塑或改变的地表形态对于区域气候、水文、产汇流过程、植物群落演替、生物种群消长与多样性等产生较大的影响，进而影响到地表的能量与水分收支平衡、水文循环过程，间接又加速或减缓LUCC变化，形成循环往复的互馈机制。伴随气候变化与人类活动的影响，新形势下土地利用变化已成为部分区极端天气事多发频发，泥石流、山体滑坡、水土流失加重、沙尘暴、山洪、干旱等自然灾害频现的诱因之一，其破坏程度与影响将更好深远，加大了现阶段的防灾减灾治理的难度，并提出了更高的要求。LUCC变化将影响到部分区域水资源时空分布格局，不仅对部分已建或待建水利工程的正常运行与兴利效益的充分发挥将产生一定的影响，而且将影响到部分区域水资源开发利用方式。因此，LUCC变化引起的水资源、环境、生态等方面影响已经成为科学界与决策部门关注的热点问题，其变化规律、影响过程与机制等的研究将有助于我们更好的采取合适的应对策略，推动人与自然的和谐发展及更好的促进有利于社会经济发展的方方面面工作的开展。

随着遥感与地理信息系统的长足发展，丰富了可用于不同用途的遥感数据源，促进了数据处理方法的进步、地物信息反演的成熟及高分辨率数据获取的可能取，极大的方便了土地利用/土地覆被的研究。鉴于地物信息是人类与自然界交互的关键环节，因此，关于LUCC相关方面的研究主要集中于LUCC遥感监测方法[1]及算法优化[2]、LUCC变化规律[3-4]、LUCC变化的驱动因素[5]、LUCC变化对径流变化规律[6]、水文循环、能量平衡[7-8]、生态系统[9-10]等方面的研究。目前关于LUCC变化的研究主要涉及两个方面，一是借助高分辨率的遥感数据及合理的算法，精确获得不同时期的LUCC变化图，然后借助统计学的方法分析不同类型土地利用的变化规律及转化趋势，并进行诱因或驱动因素的探究；另一方面是为了更好研究LUCC变化对方方面面的影响，借助不同方法、模型来预估未来不同时期LUCC变化图，不同的土地利用变化模拟模型相继被提出，如元胞自动机CA模型[11]、多智能体ABM模型[12]、CA-Markov[13]、FLUS模型[14]、CLUSE-S[15]等，并应用于探究LUCC变化影响的内容。随着其他学科人们认识水平的提高，研究手段的改进，极大的促进了人们对LUCC变化影响的理解、应对方法的研究 、相关措施的制定，可更好的服务于生产实际，如分布式水文模型快速发展及不断的改进，可与LUCC变化图相结合更好的探究产汇流规律、不同土地利用类型涵养水源的能力以及LUCC变化对水资源时空分布规律影响等方面，可为决策部门生态环境治理、水土保持工作的开展、水资源的合理开发利用与优化配置等提供一定的指导依据；也为更好探究LUCC变化与气候变化、人类活动三者的联系提供了基础、理清LUCC变化对于植物群落演替、生物种群消长与多样性之间的关系提供了强有力的支撑。总之，土地利用变化方面的研究在一定程度上对于其他学科的发展、人们对于自然规律的认知、合理措施与政策的制定等方面有极大的帮助，反过来一定程度上推进了土地利用变化本身的研究。

位于祖国边陲的新疆，降水稀少、气候干燥、生态环境极其脆弱。相伴而生的绿洲生态系统对所在区域社会经济的发展起到了极其重要的作用，为更好的顺应自然环境、创造更加适宜的生存环境、加大开发的力度，新疆采取了一系列措施进行着绿洲环境的拓展，如吸引移民、加大开荒力度、植树造林等，重塑着所在区域的自然景观与地表形态，在人为因素与自然因素共同作用下，所在区域土地利用方式或地表覆被发生着巨大的变化。由于不同区域自然环境及可开发利用资源的差异，其基本上发展定位也存在一定的异同，因此，对于土地利用的影响程度也存在一定的差异，进而影响到了与LUCC变化相关的方方面面。乌苏市历史上历经多次管辖区域的更迭，1968年后属塔城地区，并于1996年7月10日设市。由于所在区域跨准噶尔盆地和北天山山地两大地貌单元，气候地貌的地带性差异很大，垂直分带明显，地貌类型多样，所在区域为更好的适应自然环境、发展社会，对土地利用方式进行了较大的人为扰动，进而影响到了其他方面。为更好的探究所在区域土地利用变化规律、理清人类活动对影响以及更好指导LUCC变化对其他方面工作开展，本研究以2001-2019年MODIS土地利用/覆被变化(LUCC)数据MCD12Q1为基础，借助GIS平台、统计学方法及相应社会经济发展数据开展了土地利用变化对人类活动响应的研究。

1 资料来源及研究方法

1.1 研究区概况

乌苏市地处准噶尔盆地西南部缘，天山支脉婆罗科努山和依连哈比尔尕山北麓，介于东经83°20′～85°18′北纬43°26′～45°15′之间。，地势由北而南随海拔程度的升高，气候地貌的地带性差异很大，垂直分带明显，地貌类型多样。属北温带大陆性干旱气候，气候四季分明，夏季炎热、冬季严寒，降水较少，空气干燥，温度年、日变化较大，光照充足。多年平均气温8.1℃，极端最高气温42.2℃，极端最低气温-36.5℃；多年平均降水量为175.9 mm，多年平均蒸发量为1 164.0 mm，年平均风速为2.9 m/s，年平均日照时数为2 832 h；无霜期为190 d；灌冬季最大积雪深度为41 cm，最大冻土深度150 cm。

1.2 资料来源

本研究用到的资料主要包括：实测气象站点数据、MODIS土地利用/覆被变化(LUCC)数据MCD12Q1、分辨率为30的ASTER DEM数据与社会经济数据。

(1)实测气象站点数据。本研究选取乌苏市气象站点1960～2019年气温和降水数据，数据来源于中国气象科学数据共享服务网。

(2) 土地利用/覆被数据。研究中所用到的土地利用/覆被变化(LUCC)数据来源美国EOS/MODIS数据中心提供的LUCC数据(MCD12Q1)，选取时间序列为2001-2019年，空间分辨率为500 m×500 m。

(3)ASTER DEM数据。研究中所用到的地形起伏变化分析的DEM数据来源于美国EOS/MODIS数据中心提供的ASTER GDEM数据，水平分辨率为30 m×30 m。

(4) 社会经济数据。研究中所用到的土地利用变化对人类活动的响应分析的社会经济数据来源于新疆统计年鉴，时间序列为2001-2019年。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用的动态变化特征分析

通过对处理的土地利用/覆被数据统计不同土地利用类型研究期末与初期的变化量，并分析不同土地利用类型变化量与研究期初的比例关系，探究土地利用的动态变化特征分析。

1.3.2 土地利用转移矩阵

考虑到尽管通过分析不同土地利用类型的增减能够反映出土地利用的实际情况，但其并不能够反应出真实土地利用类型间变化与转变情况，而土地利用转移矩阵不仅能够反应出不同土地利用类型的变化规律，而且也能够较好的揭示不同土地利用类型间的相互转化关系(转移方向与转换面积)，更有助于理清土地利用的演化规律，揭示人类活动对其的扰动影响，探究其变化驱动因素。其表达式为：

1.3.3 土地利用变化驱动因素分析

考虑到土地利用变化受自然因素与社会因素的影响较大，选用降水、气温与地形等自然因素分析其对研究区土地利用变化影响的关系；借助统计数据，选用对土地利用/覆被变化较大的人口因素，分析社会经济因素对LUCC变化的影响。

2 结果分析

2.1 总体特征分析

本研究借助2001-2019年MODIS土地利用/覆被变化(LUCC)数据(MCD12Q1)进行研究区LUCC变化方面分析。鉴于MCD12Q1数据是根据一年中某一时期的Terra和Aqua观测数据经过联合处理生用于描述土地覆盖情况。该数据包含17个主要土地覆盖类型，即依据国际地圈生物圈计划(IGBP)划分依据，包含11个自然植被类型、3个土地开发和镶嵌的地类和3个非草木土地类型定义类，由五种分类方案。根据研究区的特点， 本研究以IGBP的全球植被分类方案为依据进行土地覆盖类型的划分，研究区土地覆盖类型共有12种，并最终进行归类汇总，分为8大类，如表 1所示。由表可知，研究区土地覆盖类型以草地、农用地、稀疏植被为主，其他地类所占的比重不大，近19年来也主要是这三种地类类型有较明显的波动变化，其中草地、农用地、稀疏植被主要分别分布在平均海拔高度在1 338 m、351m与2 174 m范围内；农用地主要分布于研究区河流流经的东北部，草地主要分布于海拔较低、且降水较丰富的中、低带区域；稀疏植被主要散布于海拔相对较高、降水偏少、土壤相对较贫瘠的区域，其他地类面积不大，散布地整个研究区。近19 a来研究区城市和建筑区用地面积几乎没有发生变化，面积始终保持在70 km2，说明人类活动对该地类没有大的影响，城建区几乎没有扩张。

表1 土地覆盖类型分类表

2.2 不同地类变化趋势分析

经过对2001-2019年MODIS土地利用/覆被变化(LUCC)数据进行拼接、投影、裁剪、格式转换、地类信息提取、分类归并等步骤最终得到不同时间尺度研究区LUCC数据，计算不同地类在当年所占例，并根据不同地类所占百分比的特点，分类统计其变化趋势(图 1)。由图1可以看出，研究区除草地与稀疏植被面积所占比例呈下降趋势、城市和建筑区面积占比例基本不变外，其他地类面积所占比例呈波动上升趋势，其变化率存在一定的差异，整个上可以说明，在2001-2019年间研究区其他地类面积的增加是以挤占草地与稀疏植被面积为基础。研究区林地面积本身较小，近19 a来所占的比例波动变化较小，呈弱的增加趋势，其线性变化倾向率为0.006%/10a。尽管湿地面积不大，但由于受近年来整个新疆变暖、变湿气候变化特征的影响，湿地所占的比例波动增大较明显，尤其是2008年后，但明显增大的趋势在2016年后有所减缓，整体其线性变化倾向率为0.14%/10a。水体所占比例在2018年前波动增加不太明显，但由于2019年所在区域水库蓄水量的较大，水域面积增大非常明显，其次是2019年LUCC数据获取的遥感影响时间与其他年份有可能有差异，引起水域面积所占的比例增大近3倍左右；2018年前其线性变化倾向率为0.023%/10a，整个时间段其线性变化倾向率为0.047%/10a。草地与稀疏植在研究区的面积较大，2001-2019年被所占面积的比例呈弱的波动减小的趋势，其线性变化倾向率分别为-3.368%/10a、-1.951%/10a；由于所在区域支柱产业为农业，因此，近19 a来农用地的面积呈持续增加的趋势，与2001年相比，到2019年农用地所占面积比例较2001年增大了1.72倍，其整个线性变化倾向率为4.71%/10a。由于在整个新疆降水增多、气温升高的大气候变化背景下，研究区山区降水量也在明显较多，最好的印证就是不同时期遥感解译冰雪面积在增大，冰雪面积所占比例波动增大较明显，与2001年相比，到2019年冰雪区所占面积比例较2001年增大了1.82倍，其整个线性变化倾向率为0.417%/10a。研究区城市和建筑区面积所占的比例近19 a来几乎没有发生变化，其主要原因是研究区面积本身不大，所在区域近年来在城市扩张不明显、且常住居民人口数量变化较小；其次是本研究所采用LUCC数据分辨率为500 m×500 m，较粗，对于弱的城市和建筑区面积的变化反映不明显。

通过对研究区土地利用的动态变化特征分析可知，整体各年际间不同土地利用类型变化量与研究期初的比例关系除农用地始终呈正增大、城市和建筑区始终为零外，其他土地利用类型动态变化特征毫无规律性，时正时负。不同土地利用类型面积各年间的动态变化率林地在-27.3%～25.0%、草地在-1.1%～0.9%、湿地在-12.4%～44.0%、农用地0.5%～5.8%、冰雪区在-1.5%～9.0%、稀疏植被在-3.8%～1.2%、水体在-10.8%～131.1%、城市和建筑区为0%。林地除2002～2005、2014与2018年动态变化率为负外，其他年际间均为正；草地除2015-2017年动态变化率为正，其他年际间均为负；湿地除2002-2003、2007与2018-2019年动态变化率为负外，其他年际间均为正；农用地所有年际间的动态变化率均为正；冰雪区除2008年动态变化率为负外，其他年际间均为正；稀疏植被除2003-2007年动态变化率为负外，其他年际间均为正；水体由于受所在区域降水量多少、水利枢纽运行管理方式、水资源利用方式等因素的影响年际间动态变化差异较大，其中2002-2003、2009、2013、2015与2018年动态变化率为负外，其他年际间均为正。造成研究区土地利用的动态变化特征较复杂、无规律性(除农用地外)的原因是双重的，不仅与自然因素的变化有关，还受所在区域社会经济发展过程中人为扰动因素相关，两者相互影响、相互作用。

图1 不同地类所占比例变化趋势

2.3 不同土地利用类型间的转化特征

考虑到年际间土地利用的波动变化较敏感，且受遥感数据选取的时段、有无云天气的影响等因素的影响，可能不同土地利用类型间的转化存在较大的偏差。因此，本研究对整个研究期分为4个时间段，即2001-2005、2005-2010、2010-2015及2015-2019年探究不同土地利用类型间的转化关系(表2～表5)，由于城市和建筑区面积在整个研究期没有发生变化，因此本研究剔除了该土地类型。由表可知，2001-2005年间，共有436 km2的土地类型发生了改变，其中，稀疏植被的转入面积最大，为160 km2，全部来自草地，其次为农用地转入面积较大，为147 km2，也全部来自草地；草地主要转为稀疏植被(贡献率为50.5%)与农用地(贡献率为49.5%)，转出面积最大，为297 km2；稀疏植被主要转为草地(贡献率为67.8%)与冰雪(贡献率为31.8%)，转出面积较大，为113 km2，其主要诱因可能与这一时间段选取遥感影像期降水相对偏多有关；其他土地类型本身面积不大，相互间的转化关系不明显。2005-2010年间，共有746 km2的土地类型发生了改变，其中转入与转出规律与前一时间段基本一致，即农用地的转入面积最大，为415 km2，全部来自草地，其次为稀疏植被转入面积较大，为120 km2，也全部来自草地；草地主要转为农用地(贡献率为79.0%)与稀疏植被(贡献率为18.8%)，转出面积最大，为525 km2；稀疏植被主要转为草地(贡献率为77.5%)与冰雪(贡献率为21.3%)，转出面积较大，为191 km2；其他土地类型间的转化关系不明显。2010-2015年间，共有717 km2的土地类型发生了改变，其中转入与转出规律与前二个时间段基本一致，即农用地的转入面积最大，为349 km2，全部来自草地，其次为草地转入面积较大，为201 km2，要来自稀疏植被(贡献率为88.0%)和农用地(贡献率为13.2%)；草地主要转为农用地(贡献率为80.4%)与稀疏植被(贡献率为16.0%)，转出面积最大，为434 km2；稀疏植被主要转为草地(贡献率为75.0%)与冰雪(贡献率为23.9%)，转出面积较大，为191 km2；其他土地类型间的转化关系不明显。2015-2019年间，共有972 km2的土地类型发生了改变，其中转入与转出规律与前几个时间段基本一致，即草地的转入面积最大，为448 km2，主要来自稀疏植被(贡献率为88.0%)和农用地(贡献率为10.6%)，其次为农用地转入面积较大，为347 km2，全部来自草地；稀疏植被主要转为草地(贡献率为86.1%)与冰雪(贡献率为12.3%)，转出面积最大，为458 km2；草地主要转为农用地(贡献率为81.5%)与稀疏植被(贡献率为12.6%)，转出面积较大，为426 km2；其他土地类型间的转化关系不明显。

在4个时期中，研究区主要发生变动较大的土地类型为草地、稀疏植被、农用地，并以主要以草地与稀疏植被面积向其他土地类型转入为主；林地、水体与湿地的波动变化最小；农用地本身的波动变化较小，主要是向草地转变，这与国家所倡导、当地实施的农作物休耕轮种制度相关。

表2 2001-2005土地利用转移矩阵 km2

表3 2005-2010土地利用转移矩阵 km2

表4 2010-2015土地利用转移矩阵 km2

表5 2015-2019土地利用转移矩阵 km2

2.4 LUCC变化潜在驱动因素分析

诱发LUCC变化的因素主要有自然因素与社会因素两个方面，自然因素主要是降水与气温要素的变化引起的，相对而言LUCC变化对其的响应过程较缓慢、周期较长；社会因素对LUCC变化主要是人为因素(人类活动)对其的影响，其强度相对而言比较剧烈、效果明显、影响深远。自然因素与人为因素又存在显著的互馈作用与机制，较复杂。因此，LUCC变化潜在驱动因素也相对较复杂，为更好的理清所在区域LUCC变化潜在驱动因素，指导科学合理的土地利用开发，从自然与社会因素两个方面分析近19年来其对LUCC变化的影响。

2.4.1 自然因素与LUCC变化的联系

鉴于降水的多少与气温的高低区域植被覆盖起决定性的作用，而最高气温的变化又直接影响着研究区中、高海拔区域冰川与积雪消融量的多少，进而决定着所在区域可用的水资源量，间接又诱发LUCC变化，因此，选用研究区1960～2019年乌苏市气象站降水、平均气温与最高气温要素，采用差积曲线分析各要素变化规律(图2)，分析其与LUCC变化间的联系。由图2可知，各要素明显经历了三个变化阶段，即降水明显减少(1960-1982年)、缓慢波动增多(1983-1996年)、急剧增加(1997-2019年)，平均气温与最高气温明显降低(1960-1988年)、缓慢波动升高(1989-1995年)、快速升高(1996-2019年)。本研究LUCC变化的分析期刚好处于降水急剧增加、温度快速升高阶段，降水与气温因素的变化，利于所在区域植被覆盖与生态环境的改善；由于气温的升高又利于中、高山带冰川与积雪融水消融量的增加，不仅利于自然植被的生长，又为人类通过水利工程蓄存水量，加快所在区域的开发创造了一定的条件，进而为强人类活动诱发LUCC变化提供了有力的支撑，关于自然因素变化对LUCC变化的具体的影响图还有待于进一步的研究。

图2 研究区不同气象要素差积曲线图

2.4.2 社会因素地LUCC变化的影响

社会因素是LUCC变化的主导因素，对其影响极其深远，且成效明显、强度较剧烈，其中人口的增减、经济的增长与LUCC变化尤为显著。因此，本研究从人口与各业生产总值来分析社会因素地LUCC变化的影响(图3)。由图中可以看出，研究区人口从统计期1989年以来在持续增加(1989年总人口为16.46万人，其中城镇人口4.31万人、农业人口11.85万人)，到2013年左右达到峰值，为23.14万人，2013后呈不明显的波动减少趋势。研究区总人口的增长率为43.15%，其中城镇人口的增长率为89.23%、农业人口的增长率为26.63%。尽管研究区城镇人口增长幅度较大，但由于本身城镇人口的基数较小(仅占总人口的35%左右)，而农业人口基数较大(占总人口的65%左右)，因此，为更好的生存与改善生活质量，对于土地的需求较大，尤其是农业用地及风沙治理的林地。加之2000年左右新疆为发展经济鼓励开荒背景下，对于LUCC变化的影响较为显著，占用一定的草地与稀疏植被用地。从研究区国民生产总值、一产与二产产值可以看出，研究区从统计期开始至2019年这三个要素均呈增加趋势，相对而言，一产产值增加较平缓，而国民生产总值与二产产值增加特别明显，尤其是2007年后；2007年前一产对于所在区域经济的发展的贡献非常明显，当地开荒带来的效果也较显著；2007年后所在区域产业结构的调整、发展定位的变化，二产带来的经济效益十分明显，这也在一定程度上影响到了LUCC的变化。综上所述，人口的增长与所在区域社会经济的发展导致研究区不同土地利用类型相互间的变化，尤其对草地与稀疏植被用地影响较大，同时所在区域发展定位的变化及新疆调控政策的影响将持续对于研究区的LUCC的变化，且这种变化更加有利于生态环境的保护与土地资料的合理开发利用。

图3 研究区人口与生产总值变化情况

3 结语

为更好的指导研究区土地资源的合理开发利用与生态环境的保护，本研究基于长系列MODIS土地利用/覆被数据、气象数据与社会经济探究了研究区LUCC的变化规律及其驱动因素，初步得到以下结论：

(1)从不同地类的变化趋势可知，近19 a来研究区草地与稀疏植被面积呈下减小的趋势，建设用地面积总体保持不变，其它地类呈波动增加的趋势，总体可以说明在19 a间研究区其他地类面积的增加是以挤占草地与稀疏植被面积为基础。

(2)从不同地类间的转化特征可知，研究区土地利用类型变化以草地、稀疏植被、农用地为主，并主要以草地与稀疏植被面积向其他土地类型转入为主；林地、水体与湿地的波动变化最小，主要与自然因素的变化关系较密切；农用地本身的波动变化较小，主要是向草地转变，这与休耕轮种制度有关。

(3)通过对LUCC变化潜在驱动因素分析可知，自然因素中由于研究区降水的增多、气温的升高有利用于所在区域植被覆盖与生态环境的改善，较多的中、高山区冰川积雪的消融间接到影响到了所在区域LUCC的变化，为所在区域可持续发展提供的宝贵的水资源，进一步为社会因素诱发LUCC变化提供了有力的支撑。社会因素中由于人口的增长、国民生产总值的持续增加，在一定程度上影响到了LUCC变化，或者可以说是以不同地类间的转化为基础，间接创造较大的经济效益。

尽管本研究基于长系列MODIS土地利用数据进行了研究区土地利用变化趋势及驱动因素的探究，但由于MODIS数据本身较粗的分辨率对于面积较小的地类反映不全，其次是本研究采用的MODIS数据一年只有一期遥感影像，可能对受季节影响较大的地物反映存在较大的偏差；再次，自然因素与社会因素对于LUCC变化的影响是相互的，具体的驱动因素无法明确分离出来，上述方面还需进一步的深入研究。