基于RS的新疆塔里木盆地土地利用及驱动因素研究

闫晓旭,汪 洋,2,王 寅

(1.新疆农业大学 a.资源与环境学院; b.草业学院,乌鲁木齐 830052; 2.新疆草地资源与生态重点实验室,乌鲁木齐 830052)

0 引言

土地是人类开展农业生产活动的前提[1],而土地利用/覆被变化(Land Use and Land Cover Change,LUCC)是人类与陆地自然环境相互影响与交互作用中最基本的表现,是整个生物圈大环境变化中的主要驱动因素[2]。近年来,塔里木盆地的土地利用结构变化剧烈,水土资源不匹配现象加重[3],生态环境较为脆弱[4]。对土地利用/覆被变化的研究热点已从气候变化影响转变为土地利用/覆被变化演变过程、驱动因素与演变规律及生态环境之间的关系等[5]。Lambin[6]等阐述了导致土地利用变化的因素。目前,大多研究都集中于发达地区[7]及生态环境脆弱区域[8]等空间尺度下,通过量化变化程度、预测、地学信息图谱等模型与手段,探究人口、自然因素、经济政策等驱动机制对土地利用变化的作用。探究塔里木盆地各类土地利用变化及影响因素,对改善环境、提升人们生活质量具有重要的作用。根据1990—2020年塔里木盆地土地利用数据、气象数据及社会经济统计资料,对土地资源利用变化规律进行解释,通过研究区域内各土地资源利用类型的时空变化规律、自然发展规律及环境驱动原因等问题,为干旱区土地资源开发利用及可持续发展提供理论依据。

塔里木盆地(73°10′～94°05′ E、34°55′～43°08′ N)位于天山南麓,属于典型的大陆性干旱气候,总面积可达1.03×106km2。研究区内有42个县市级行政单位,属于生态环境极其脆弱的区域,其生态区位非常重要。

1 数据来源与土地利用动态度

1.1 数据来源

数据包括1990—2020年共4期土地利用现状栅格数据,取自于中国科学院环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)。塔里木盆地边界矢量数据主要来自于1∶400万国家基础地理数据库。研究区内的各项社会经济统计指标数据,主要源自于《新疆统计年鉴》、新疆各县市的县志;气象数据主要取自中国气象数据共享网(http://www.nmic.cn/data);土地类型的分类,选取中国科学院统一的土地利用分类。

1.2 土地利用动态度

根据动态度可了解不同时期内各类土地类型间的转化速率,对土地类型的变化趋势进行估算及预测[9],利用1990年、2000年、2010年和2020年研究区内土地利用数据,对土地利用类型进行分析。

(1)

式中:Ma和Mb为研究开始时和结束时指定区域内的一类土地利用类型的面积,T为研究时间长度,K为研究时间内某类土地利用类型的年变化率。

2 结果与分析

2.1 土地利用空间变化特征

2.1.1 总体特征

从1990开始到2020年,塔里木盆地的土地利用有着显著变化。各土地利用类型间差异非常明显,未利用地面积最大,且显著大于其他土地类型,主要集中分布于塔里木河流域中部和东北部。西北部呈现斑块状分布,中部未利用地坐落于塔克拉玛干沙漠,西部和北部的未利用地主要地貌类型为山地荒漠及戈壁地带。研究区内面积占比第二的是草地,集中在塔里木河流域的北部、西部山地区域,且塔里木河干流河道周围及研究区的东南部也存在零星状分布。塔里木河流域内变化比较明显的是耕地,分布在人口密度较为密集的沙漠边缘地带,以流域上游与中游地区居多。这些年间,土地利用格局演变较为显著,不同土地类型间的转化十分剧烈。

土地利用类型间的转变主要集中于该地区北部和西部地区。较其他土地利用类型而言,草地和耕地变化十分显著,其中渭干-库车河流域、阿克苏河流域、孔雀河流域、喀什噶尔河流域耕地扩张明显,巴音布鲁克草原的草地面积变化较为剧烈,呈现出明显的退化趋势。

由表1可以看出,31年间,土地利用类型变化量最多的依次为草地、耕地、水域,未利用地、建设用地、林地变化量较小。1990—2000年,草地退化率最高,此后下降速度减慢,但在2010—2020年下降速度提升,共减少了186.39×104hm2。与此相反,耕地面积呈现逐年上升趋势,2010—2020年增长速率达到了峰值,总量增长了181.37×104hm2。林地、水域呈现出先增后减趋势,林地总量减少了4.87×104hm2,水域总量减少了122.11×104hm2。建设用地呈现出先减后增趋势,总量增加了13.77×104hm2,未利用地在波动变化中有所增加,总量增加了117.23×104hm2。

表1 4个年度塔里木盆地土地利用面积变化 (×104 hm2)Tab.1 Land utilization area change in Tarim Basin from 1990 to 2020 (×104 hm2)

2.1.2 土地利用类型转移情况

通过计算塔里木盆地1990—2020年土地利用转移矩阵来探究各土地利用类型间的转化情况(表2)。2020年,未利用地面积增加了1 088.89×104hm2,主要由其他土地类型转换而来,包括耕地(4.84×104hm2)、林地(16.22×104hm2)、草地(918.1×104hm2)、水域(149.38×104hm2)、建设用地(0.35×104hm2)。耕地是变化最为显著的土地利用类型,2020年耕地面积为426.76×104hm2,与1990年(245.39×104hm2)相比,增加了73.9%。其中有226.88×104hm2的耕地由其他土地类型转换而来,包括林地(18.91×104hm2)、草地(147.02.19×104hm2)、水域(3.48×104hm2)、建设用地(9.49×104hm2)、未利用地(47.98×104hm2)。可见,耕地扩张受人类活动影响较大,主要体现在对草地和林地的开垦。2020年,林地面积为128.16×104hm2,与1990年(133.03×104hm2)相比,减少了约3.6%。其中,38.91×104hm2林地面积未发生变化,林地向耕地、草地、水域、建设用地及未利用地分别转化了18.91×104、55.72×104、2.68×104、0.59×104、16.22×104hm2,减少的区域主要分布在开孔河、和田河、叶尔羌河及迪那河流域。草地转化了918.1×104hm2为未利用土地,转化了147.02×104hm2为耕地,向水域、林地、建设用地分别转化了45.1×104、63.68×104、3.84×104hm2,减少的区域主要分布在阿克苏河流域与渭干-库车河等流域。

表2 1990—2020年塔里木盆地土地利用转移矩阵 (×104 hm2)Tab.2 Matrix of land use transfer in Tarim Basin from 1990 to 2020 (×104 hm2)

2.1.3 土地利用变化动态度

塔里木盆地不同土地类型的动态度存在较为明显的差异。1990—2000年,草地的动态度变化为-1.228%,此后动态度呈现出波动上升趋势,但总体动态度仍为负值。动态度一直保持较高的是耕地和建设用地,二者动态度分别为2.384%、2.840%。此外,林地、水域和未利用地动态度都呈现出波动性变化,其中林地和水域动态度持续下降,分别为-0.118%、-0.988%,未利用地动态度变化不明显。

1990—2010年,土地利用变化较为显著,耕地和草地尤为突出。随着城镇化进程的逐渐加快,耕地和建设用地扩张加剧,水域面积显著减少,导致原有的土地利用局势被打破,各种土地类型之间变化得更加频繁。

2.2 土地利用变化驱动因素

2.2.1 自然变化特征

1990—2020年,气温呈上升趋势,2001—2020年上升趋势最为显著。2001—2020年的平均气温与1990—2000年相比高出0.64 ℃。31年间的降水量总体处于持续上升状态,每年以0.4 mm速度增长,2001—2020年,年平均降水量与1990—2000年相比呈上升趋势,升高了3.76 mm。降水量降低与气温升高的相互作用使得天然草地的供水不足,致使出现大面积草地退化,荒漠化进程加速。

2.2.2 人口因素

为分析人口分布对土地利用格局及结构的影响,根据2020年人口密度,将研究区划分为9个区域(0、0～5、5～10、10～50、50～100、100～500、500～1 000、1 000～4 000、>4 000)。

1990—2020年,该地区人口增长了516.1万人,但人口在空间分布上非常不均匀,多集中于盆地西部的绿洲地带。人口密度呈现上升趋势,平均人口密度增长4.99人/km2。在绿洲地区,尤其是喀什市、库尔勒市及和田市出现人口密度大幅度上升。平均人口密度的变化反映了西部地区土地利用格局演变的多样化程度。为应对人口的快速增长,人们开垦土地,大量放牧,灌溉用水不断增多,造成了林地、草地、水域面积的退化。

1990—2020年,喀什市总人口不断增长,而分布在城市周围的县乡都出现不同程度的人口密度下降,这是因为城市现代化发展与经济的快速增长对劳动力需求增大,人们涌入城市中。

3 讨论

选取不同指标,综合分析塔里木盆地的土地利用变化,对其时空格局的演变展开研究。结果表明,区域内土地利用变化速度始终保持增长态势,耕地面积始终保持上升趋势,人类活动对土地利用变化的驱动作用愈来愈大,这与张军峰[10]等对新疆孔雀河流域地利用变化的研究结果一致。杨玉海[11]等认为,天山北坡草地的减少是由于过度放牧和开垦荒地造成的,这与本研究结果相似,过度放牧是造成塔里木盆地草地面积减少的主要原因之一。过度的开发资源与不合理的资源利用,将导致地下水位上升、土壤资源品质下降、生物多样性降低、生态系统脆弱、草地退化及荒漠化进程加速等问题,制约生活环境的改善。

4 结论

1990—2020年,塔里木盆地的各种土地类型都发生了变化,其中耕地、建设用地面积保持上升趋势,耕地面积增长了181.37×104hm2,平均每年增长5.85×104hm2,大部分是由草地、水域及未利用地转入进来的,草地以每年6.08×104hm2的速度退化,共缩减188.43×104hm2。

2000年前,耕地和林地扩增趋势较为明显,动态度分别为0.91%、0.47%,草地和建设用地面积缩减趋势较为明显,动态度分别为-1.23%、-0.92%。2000年以后,耕地和建设用地面积增长速率加快,动态度分别为3.14%、6.05%,2000年以后人类活动强度加大,城镇化进程加速,土地利用间的相互转化频繁。

降水量降低与气温升高是导致天然草地退化及荒漠化扩张的重要驱动因素。人口数量的增加及城镇化进程的加速,使得耕地面积扩张。牲畜产品的需求量不断上升,加大了对土地资源、草地资源及水资源的需求量,造成草地、林地和水域面积缩减。