1990—2020年乌昌地区土地利用与土地覆盖变化动态研究
2023-12-06赵金鹏哈丽娜努尔布尔
赵金鹏 哈丽娜·努尔布尔
新疆农业大学科学技术学院，新疆 乌鲁木齐 830000
0 引言
新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）是我国土地面积最大的省级行政区，而乌鲁木齐市和昌吉回族自治州（乌昌地区）是新疆天山的核心经济地带，研究其土地利用与覆盖变化（Land Use and Land Cover Change，LUCC）十分重要且必要。而目前在土地利用与土地覆盖变化研究方面，有关乌昌地区的研究报道相对较少。基于此，以乌昌地区为研究区，采用遥感技术对其进行土地利用类型、土地利用转移情况进行分析，探究1990—2020 年乌昌地区LUCC 的变化特征和变化规律。
1 研究区域和研究方法
1.1 研究区概况
乌昌地区是指乌鲁木齐市和昌吉回族自治州。其中，乌鲁木齐市为新疆首府，是世界上距离海洋最远的大城市，有“亚心之都”之称。昌吉回族自治州为新疆重要的农产品输出地，是首府乌鲁木齐市的重要补充。乌昌地区地处我国西北、亚欧大陆中心，在准噶尔盆地南部、天山山脉北麓，位于东经85°17′～91°32′、北纬42°45′～45°00′。乌昌地区地势整体呈南部和东北部高、中部和西北部低的趋势，为温带大陆性气候区，冬季寒冷干燥，夏季炎热，温差极大［1］。
1.2 数据来源与研究方法
1.2.1 数据来源
研究区遥感数据中的高程数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），其分辨率为30 m；从中国生命周期基础数据库（Chinese Life Cycle Database，CLCD）土地利用数据网站获得1990 年、1995 年、2000年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年新疆的土地覆被数据，使用Arcgis 软件根据乌昌地区行政区划矢量图进行裁剪，并进行掩膜提取，进而形成该地区的土地利用变化数据。之后完善土地利用变化数据，并根据实际情况对其进行分类，包括水域、耕地、林地、草地、湿地、建设用地、灌木地、裸地和冰山融雪等9类［2］。
1.2.2 研究方法
1.2.2.1 土地利用变化幅度
土地利用变化幅度指某一时间段土地利用类型面积的变化，反映不同类型的土地在总量上的变化，可了解土地利用变化的总态势和土地利用结构的变化［3］。其计算公式为
式（1）中：K为某一地区土地利用类型在研究期的变化幅度，Va为某一种土地利用类型研究末期土地面积，Vb为某一种土地利用类型研究初期土地面积。
1.2.2.2 土地利用转移矩阵
土地利用变化分析的转移矩阵能够完全描述不同类型土地之间的相互转换关系，可以具体、全面地体现出研究区各土地利用类型变化的结构特征与变化方向［4］。其计算公式为
式（2）中：LUCC为土地利用变化分析的转移矩阵，Cn为研究区土地利用变化前分类结果，Cn+1为研究区土地利用变化后分类结果。
2 研究结果与分析
2.1 不同土地利用类型的空间分布
乌昌地区的地势南高北低，且乌昌地区东北部有高海拔地区。实地走访调研发现，乌昌地区以裸地和草地为主，裸地主要分布在该区域的东北部，草地主要分布在西南部，两者对称分布。由图1 可知，乌昌地区不同海拔的土地利用空间分布差异明显，但海拔高于4 200 m的区域几乎很少有利用土地分布。其中，耕地分布在海拔低于1 800 m 的区域，以分布在海拔298～1 000 m 的区域为主，面积达8 867.26 km2；林地主要分布在海拔1 800～2 600 m 的区域；建设用地主要分布在海拔298～1 000 m 的区域；草地、裸地在高海拔地区和较低海拔地区均有分布，但裸地主要分布在海拔298～1 000 m 的区域，草地在不同海拔的分布较为均匀；水域和湿地分布在海拔低于2 000 m 的区域，在不同海拔的分布没有明显规律；高山融雪基本均存在于海拔高于3 000 m 的区域。由于乌昌地区南部为天山山地，所以乌昌地区南部主要是冰川融雪、林地和高山型草地。乌昌地区中部主要为冲积平原，水域、耕地和草地分布面积较大。受南部天山山脉的影响，乌昌地区中部耕地和建设用地的水资源主要来源于高山积雪和山地地表径流，这有利于满足当地农业和工业用水需求。乌昌地区北部广泛分布沙漠盆地，加之当地气候干燥，所以当地土地类型主要为裸地，开发难度大。
图1 1990—2020年乌昌地区不同海拔土地利用类型变化
2.2 土地利用变化幅度分析
1990 年、1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015年和2020 年乌昌地区土地利用类型面积如表1 所示。利用公式（1）计算1990—2020 年乌昌地区土地利用类型面积的变化幅度，结果如表2 所示。由表1 可知，乌昌地区林地和建设用地面积随着时间的推移而增加。相比1990年，2020年乌昌地区林地面积增加754.45 km2，其原因可能是造林政策逐渐落实到位；2020 年乌昌地区建设用地面积增加602.08 km2，主要是由城市化的不断发展造成的。自1995 年以后，乌昌地区草地面积逐渐减少。由表2可知，1990—2020年，乌昌地区建设用地呈现正向变化（且其变化幅度排第一），排第二位的是林地，而草地整体变化趋势为负向，其余土地利用类型变化幅度呈现上下波动趋势。其中，2015—2020 年乌昌地区耕地面积变化幅度为-7.59%，此期间耕地面积减少798.44 km2；2015—2020 年乌昌地区灌木地面积变化幅度为2 230.77%，其余时间段变化幅度均为负值；2010—2015 年、2015—2020 年乌昌地区水域面积变化幅度分别为-8.36% 和-0.61%，但1990—2020 年整体变化幅度为81.47%，说明除特定年份外，水域面积整体呈增加趋势；1990—2020 年乌昌地区冰山融雪面积的变化差异较大、阶段性较为显著，1990—1995 年、2005—2010 年、2010—2015 年变化幅度分别为17.58%、10.81%、3.86%，其余时间段均为负值，可能是全球气候变暖和极端天气天不断出现导致的；1990—2010 年乌昌地区裸地面积不断减少，变化幅度为负值；2005 年以前，乌昌地区湿地面积逐年减少，之后则反之，可能是受国家开始注重生态湿地修复的影响。
表1 1990—2020年乌昌地区土地利用类型面积km2
表2 1990—2020年乌昌地区土地利用类型面积变化幅度%
2.3 土地利用转移矩阵
利用Arcgis软件中的空间分析工具中的栅格计算器进行乌昌地区地图的代数计算，参照公式（2），得出1990—2020 年乌昌地区土地利用转移矩阵（见表3 至表8）。整体来看，1990—2020 年乌昌地区土地转移变化频繁，由于当地草地和裸地本身面积大，所以主要是以草地和裸地的转出、建设用地和林地面积的日渐增加为整体趋势而发展的。当地面临的生态压力较大，耕地和草地大面积退化成裸地。
表3 1990—1995年乌昌地区土地利用转移矩阵
表4 1995—2000年乌昌地区土地利用转移矩阵
表5 2000—2005年乌昌地区土地利用转移矩阵
表6 2005—2010年乌昌地区土地利用转移矩阵
表7 2010—2015年乌昌地区土地利用转移矩阵
表8 2015—2020年乌昌地区土地利用转移矩阵
1990—1995 年，乌昌地区耕地的主要转出方向是草地，而草地的主要转出方向是耕地、林地和裸地，特别是转变为裸地的面积占草地转出总面积的2.67%。草地转变为裸地的原因可能是当地气候干燥，降水量小于蒸发量，使得草地荒漠化。裸地主要转为草地，其转变为草地的面积占裸地转出总面积的4.44%，表明乌昌地区开始注重裸地开发。
1995—2000 年，在乌昌地区转出土地类型中，草地成为主要的转出利用类型，草地转为耕地、林地、建设用地的面积分别为909.57、224.93、41.84 km2。
2000—2005年，乌昌地区土地利用变化频繁，主要是草地和裸地的互相转换。另外，草地转为耕地的面积也占有一定的比重，转为耕地的面积为1 010.83 km2，占草地转出总面积的2.85%。
2005—2010 年，乌昌地区草地主要转出方向与前两个时期有所变化，草地转化为耕地的面积最大（转化面积为1 476.01 km2，占草地转出总面积的4.24%，相比2000—2005 年增长了1.39 个百分点），同时部分草地转化成了裸地。
2010—2015 年，乌昌地区裸地对草地的转入相比前几个时期大幅度减少（这个时期裸地对草地的转入面积为860.60 km2，与2005—2010 年转入面积1 887.68 km2相比减少了1 027.08 km2）；而草地退化成裸地的面积与前期相比只增不减，说明草原荒漠化在乌昌地区是一个较为严重的问题。
2015—2020 年，乌昌地区土地转移变化显著，耕地转出总面积（10 522.42 km2）与前几个时期相比大大增加，相比2010—2015 年转出总面积9 806.65 km2增加了715.77 km2；相比较而言，草地的转出面积有所减少。
3 结论与讨论
3.1 结论
①乌昌地区以裸地和草地为主，裸地主要分布在该区域的东北部，草地主要分布在西南部，两者对称分布。另外，乌昌地区不同海拔的土地利用空间分布差异明显。
②从整体的土地利用幅度来看，乌昌地区建设用地呈现正向变化（且其变化幅度排第一），排第二位的是林地，而草地整体变化趋势为负向，其余土地利用类型变化呈现上下波动的趋势。
③从土地利用转移矩阵来看，乌昌地区土地转移变化频繁，由于当地草地和裸地本身面积大，所以主要是以草地和裸地的转出、建设用地和林地面积的日渐增加为整体趋势而发展的。当地面临的生态压力较大，耕地和草地大面积退化成裸地。
3.2 讨论
1990—2020 年，乌昌地区建设用地面积逐年增长，其主要是受当地城市化发展的影响。谭远模等［5］开展了类似研究，发现自我国加速城市化发展以来，城市规模急剧扩张，部分耕地被纳入城市建设用地。虽然1990—2020 年乌昌地区建设用地面积逐年增长，但是建设用地面积的增长与耕地、草地等面积的增长相比微乎其微。另外，乌昌地区草地和林地面积的变化主要受国家退耕还林还草政策的影响。
