乌鲁木齐市草地面积时空变化特征及驱动力

2024-04-24刘文昊靳瑰丽魏秀红刘智彪王生菊李嘉欣王瑾瑜

草业科学 2024年3期

李莹，刘文昊，靳瑰丽，魏秀红，宫珂，马建，刘智彪，王生菊，李嘉欣，王瑾瑜

（1.新疆农业大学草业学院 / 新疆草地资源与生态重点实验室 / 西部干旱荒漠区草地资源与生态教育部重点实验室, 新疆乌鲁木齐 830052；2.乌鲁木齐市园林工程质量监督站(乌鲁木齐市林草种苗站), 新疆乌鲁木齐 830092）

草地面积是草地调查的重要依据，常作为土地利用、生态保护和规划方面的评价指标[1-2]。近年来，随着气候趋向暖湿化发展，加之人类不断对草地进行开垦、放牧等活动的干扰，草地面积处于动态变化之中，多为处于面积减少的不利变化[3-4]。草地面积的减少是判断草地退化的指征，及时掌握草地面积变化，揭示草地面积消长规律，找出影响其变化的驱动因子，可为草地的恢复治理及利用提供参考依据。

目前有关草地面积方面的相关数据，有20 世纪80 年代草地资源普查数据以及第3 次国土资源调查的数据，但这些数据都以具体的调查时点为统计节点[5]。随着时间的发展，草地面积不断变化，草地资源管理需要掌握草地面积动态监测数据。遥感技术具有长期、动态、连续监测的优点，在大尺度面积监测中具有不可替代的优势[6-7]。近年来，随着遥感技术的广泛应用及越来越多大数据平台的逐渐搭建，遥感技术成为草地面积时空动态变化研究不可或缺的监测手段[8-10]。目前利用遥感技术专门针对草地面积变化的研究较少，大都涵盖在土地利用变化中，如肖云飞等[11]、刘芳等[12]、常虹等[13]利用遥感手段对不同区域的土地利用类型中的草地面积进行动态监测；许晓聪等[14]和张海燕等[15]利用不同影像数据和方法对草地面积进行监测；刘亚茹等[16]和向珊[17]分析了土地利用类型中草地面积变化的影响因子。虽然前人对草地面积进行了相关研究，但多探讨了草地与其他地类之间的转换，忽略了草地类型与其他类型草地间的转换关系。草地类型反映了草地的发生和演替规律，以及草地的生产力和生态功能，不同草地类型具有独特的植被特征、生境因素和经营管理措施[18]，研究不同类型下的草地面积在时间、空间上的变化规律以及导致其变化的驱动因素对区域草地资源的科学保护和利用具有重要意义。

乌鲁木齐市是新疆维吾尔自治区的首府，具有丰富的草地资源，但生态环境十分脆弱，近年来，受诸多因素的影响，不同草地类型在不同年份里呈现出不同的动态变化[19]，研究乌鲁木齐市天然草地不同草地类型面积时空变化特征及驱动力对该市草地可持续利用及合理规划具有一定的指导意义。因此，本研究以乌鲁木齐市为研究区，利用单一土地利用动态度、转移矩阵、灰色关联分析等方法，对1990－2020 年乌鲁木齐市草地及草地类型面积动态变化进行研究，并分析其驱动因素，揭示长时间序列下草地及草地类型面积时空变化特征及规律，为乌鲁木齐市草地的合理利用提供理论依据，也为掌握草地面积动态变化提供方法依据。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

乌鲁木齐位于中国西北地区，新疆维吾尔自治区的中部；属于温带大陆性气候，年日照时数2 400～3 000 h，年均温7.0 ℃，年降水量271.4 mm。乌鲁木齐市具有丰富的草地类型，主要分布在从北部准噶尔盆地南缘至南部和东北部高山地区，不仅是乌鲁木齐市草原畜牧业的主要载体，也是保护脆弱生态环境的天然屏障[20-21](图1)。

图1 研究区概况图Figure 1 Overview of the study area

1.2 数据源

1.2.1 土地利用数据

通过资源与环境数据中心(http://www.resdc.cn)获取1990－2020 年每5 年为1 期的土地利用数据集，空间分辨率30 m，该土地利用数据基于各期Landsat TM/ETM 中高分辨率遥感影像为主要数据源，通过人机交互的目视解译方法生成，得到草地、耕地、建设用地、林地、水域、未利用地6 个土地类型的面积空间及属性数据[22]。

1.2.2 草地类型数据

通过国家冰川冻土沙漠科学数据中心(http://www.ncdc.ac.cn/portal/)获取新疆1 ∶ 100 万草地资源类型图，裁剪得到乌鲁木齐市草地资源类型图[23]。该数据集根据国家农业部下发的《中国草地类型分类的划分标准和中国草地类型分类系统》将乌鲁木齐市草地类型划分为9 类草地。

1.2.3 其他数据

通过查阅《新疆统计年鉴》，获取乌鲁木齐市1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020 年总播种面积、年末牲畜存栏、人口数、建成区面积、人均地区生产总值、农业产值、农林牧渔业总产值、牧业产值、地区生产总值、林业产值；通过国家地球系统科学数据中心 (http://www.geodata.cn)获取研究区1990－2020 年均温、年降水量数据[24]。

1.3 研究方法

1.3.1 草地面积动态变化

利用乌鲁木齐市1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020 年土地利用中的草地数据裁剪1 ∶ 100 万草地类型数据，得到1990－2020 年乌鲁木齐市草地类型及其他土地利用类型数据集，分析土地利用中草地的不同草地类型间面积的年际变化规律，计算单一土地利用动态度，分析不同草地类面积变化程度及速率，计算公式[25-26]为：

式中：K是某一特定时期某一类型草地的动态度；Ua和Ub分别是研究的起始阶段和研究结束后的某个草地类型的面积 (km2)；T为时间间隔。

1.3.2 草地面积流向分析

为阐明乌鲁木齐市不同草地类草地面积流转情况，根据1990－2020 年土地利用中草地的草地类及其他地类面积数据，计算其转移矩阵，公式如下[27-29]：

式中：A代表面积；n代表土地类型数；i和j表示转移前后的土地利用类型；Aij表示i类土地利用类型转移为j类土地利用类型的面积。

1.3.3 草地面积变化驱动力分析

为摸清乌鲁木齐市草地变化的驱动因素，考虑到数据获取的可行性，选取自然因素(年均温、年降水量)、人为因素(总播种面积、年末牲畜存栏、人口数、建成区面积、人均地区生产总值、农业产值、农林牧渔业总产值、牧业产值、地区生产总值、林业产值)与不同草地类型面积进行灰色关联度分析，根据关联度来衡量驱动因子的影响程度。为更好地解释年均温及年降水量对草地面积的影响，利用ArcGIS 10.7 软件提取了不同时期不同草地类型的年均温及年降水量数据。

1.4 数据处理

利用ArcGIS 10.7、ENVI 3.5 软件对栅格数据进行提取和转换；Excel 软件对数据进行计算处理；SPSS Pro 软件进行灰色关联度分析；Origin Pro 2021绘图。

2 结果与分析

2.1 草地面积动态变化

2005－2010 年乌鲁木齐市草地面积变化最大，减少了415.52 km2，平均每年减少69.25 km2，动态度为–1.29% (表1)；其次是2015－2020 年，减少了99.69 km2，平均每年减少16.62 km2，动态度为–0.33%；然后是2000－2005 年，减少了45.46 km2，平均每年减少7.58 km2，动态度为–0.14%；2010－2015 年，减少了29.63 km2，平均每年减少4.94 km2，动态度为–0.10%；1995－2000 年，减少了4.63 km2，平均每年减少0.77 km2，动态度为–0.01%；1990－1995 年变化最小，减少了0.01 km2，平均每年减少0.002 km2，动态度为–0.000 3%。

表1 1990－2020 年乌鲁木齐市草地面积变化Table 1 Change of grassland area in Urumqi City from 1990 to 2020

1990－2020 年，乌鲁木齐市草地面积整体呈减少趋势，减少了594.94 km2，动态度为–0.31% (表2)。2020 年，在9 种草地类中，TS (温性草原类)、TD (温性荒漠类)、TDS (温性荒漠草原类)的面积较大，占总面积的74.42%，面积分别为1 529.15、1 454.81、1 405.20 km2。面积减少的草地类为TGD (温性草原化荒漠类)、TDS、TD，其中速率减少最快的是TD，动态度为–1.17%，主要发生在米东区，最慢的是TDS，动态度为–0.03%，主要分布在水磨沟区、达坂城区北部及东部；其余草地类面积呈增加趋势，其中速率变化最快的是LM (低平地草甸类)，动态度为0.97%，主要发生在达坂城区西部，最慢的是AG (高寒草原类)，动态度为0.08%，主要发生在南部达坂城区(图2)。

表2 乌鲁木齐市不同草地类面积Table 2 Grassland area of different grassland types in Urumqi City

图2 乌鲁木齐市不同草地类分布图Figure 2 Map of the distribution of different grassland species in Urumqi City

2.2 草地面积流向分析

1990－2020 年乌鲁木齐市草地流出面积大于流入面积，净变化面积为594.84 km2，其中，草地与未利用地之间的转化面积最大，流入与流出面积分别为535.60、1 131.07 km2，其次是草地与林地之间的转化面积，流入与流出面积分别为223.87、83.29 km2，然后是草地与建设用地、耕地之间的转化面积，流入面积分别为6.54、133.70 km2，流出面积分别为212.96、53.12 km2(表3)；转化面积最小的是草地与水域之间，流入与流出面积分别为14.74、28.85 km2。从草地类来看(图3)，乌鲁木齐市各草地类均有流入与流出，流出主要分布在乌鲁木齐市城区周边及米东区北部，流入主要分布在米东区南部及达坂城区西部。流出面积最大的草地类型是TD，占流出总面积的78.57%，且流出至未利用地938.43 km2，占流出面积的79.14%；流出面积最小的是AG，仅流向未利用地。流入面积较多的是TD 和TS，共占流入面积的71.69%，主要来源于未利用地，分别占流入面积的71.09、71.45%；流入面积最小的是AG，主要来源于未利用地。净变化面积最大的是TD，净减少787.07 km2，最小的是AG，净增加0.36 km2。

表3 1990－2020 年乌鲁木齐市不同草地类面积流向Table 3 Flow direction of different grassland areas in Urumqi City from 1990 to 2020 km2

图3 1990－2020 年乌鲁木齐市草地流向分布图Figure 3 Distribution of grassland flow direction in Urumqi from 1990 to 2020

1990－2020 年，乌鲁木齐市草地流出面积呈波动式增加，在2005－2010 年流出最多，为1 463.76 km2，在1990－1995 年流出最少，为1.8 km2(图4)。从草地类来看，各草地类的流出面积变化也呈波动式增加，AM (高寒草甸类)、MM (山地草甸类)、TMG (温性草甸草原类)、TGD、TDS、TD 均在2005－2010 年流出最多，范围为13.36～1 088.99 km2，其中，MM、TGD 草地均在1995－2000 年流出最少，为0～0.04 km2，其余4 个草地类均在1990－1995 年流出最少，为0.03～0.97 km2；LM、TS 在201－2020 年流出最多，面积分别为9.75、154.90 km2，在1990－1995 年流出最少，分别为0.03、0.58 km2；而AG 流出较小，变化范围为0～0.01 km2。

图4 乌鲁木齐市1990－2020 年不同年度间草地类面积流出图Figure 4 Outflow map of grassland area in Urumqi from 1990 to 2020

1990－2020 年30 年间，乌鲁木齐市草地流入面积呈现波动式增加，2005－2010 年乌鲁木齐市草地流入面积最多，为1 048.28 km2，在1990－1995 年流入最少，为1.80 km2(图5)。从草地类来看，各草地类型的流出面积变化也呈波动式增加，LM、AM、AG、MM、TMG、TS、TD 均在2005－2010 年流入面积最多，为5.16～426.10 km2，其中LM、TD 均在1990－1995 年流入最少，分别为0.03、1.29 km2，其余4 个草地类型均在1995－2000 年最少，为0.01～0.10 km2；TGD、TD 在2015－2020 年最大，分别为5.16、107.91 km2，其中，TGD 在1995－2000 年最少，为0.02 km2，TDS 在1990－1995 年最少，为0.1 km2，AG草地面积流入变化较小，范围为0～0.37 km2。

图5 乌鲁木齐市1990－2020 年不同草地类面积流入图Figure 5 Inflow of different grassland areas in Urumqi from 1990 to 2020

2.3 草地面积变化驱动力分析

由乌鲁木齐市不同草地类与驱动力因子的关联度 (表4)可以看出，选取的12 个因子中，草地总面积与总播种面积的关联度最大，为0.998；其次是年均温，为0.990；然后是年降水、年末牲畜存栏数、人口数，关联度均在0.97 以上。从草地类来看，高寒草甸类、高寒草原类、山地草甸类、温性草甸草原类及温性草原类面积与总播种面积关联度最大，均为0.998；低平地草地类面积与年末牲畜存栏数关联度最大，为0.999；温性荒漠草原类及温性荒漠类面积均与年均温及总播种面积关联度最大，分别为0.998、0.996。人均地区生产总值、农业产值、农林牧渔业总产值、牧业产值、地区生产总值、林业产值与9 个草地类面积的关联度较小，在0.765～0.884。总的来看，年均温、年降水量、总播种面积、年末牲畜存栏数、人口数及建成区面积这几个因子与草地面积变化关系密切。

表4 乌鲁木齐市不同草地类与驱动力因子的关联度Table 4 Correlation between different grassland types and driving factors in Urumqi

3 讨论

土地利用动态度指在一定时期内，某一具体土地利用类型的变化速率，能够反映不同时期的土地利用类型的差异，并对未来的土地利用发展方向进行预测[30]。有学者进行了相关研究，如刘金巍等[31]、杜金龙等[32]、阿依努·吐逊等[33]对不同地区的草地及其他地类进行分析，均发现未利用地、建设用地面积呈增加趋势，草地面积呈减少趋势，这与本研究结果一致。1990－2020 年乌鲁木齐市草地与其他地类间的流向 (表2)也证实了这一规律，草地面积净减少594.84 km2，其中，未利用地、建设用地占流出总面积的89.05%，并且在2005－2010 年草地面积变化剧烈，这是因为2000 年以后，乌鲁木齐市在“西部大开发政策”实施后，城市化进程迅速，大量人口涌进了城市，建设用地规模扩大，占用了部分耕地、草地和未利用地，城市生态环境趋于恶劣，耕地撂荒面积增加，过度放牧使草地加剧向荒漠化转变，进而导致未利用地面积增加[31,34]。

从草地类型看，本研究发现，30 年间草地及各草地类型与其他地类均存在流入和流出，其中，温性荒漠类草地面积变化最为剧烈，净减少面积为787.07 km2，而高寒草原类变化相对稳定，净增加面积为0.36 km2。这一结果与陈宸等[35]对近1999－2018 年新疆荒漠草地动态变化的研究结果相似，19 年来，荒漠草地面积呈减少趋势，表明荒漠草地减少严重，需要加强保护。这是因为：1) 温性荒漠类草地分布较大，且植被本身生长脆弱、可利用面积相对较少，随着对草地过度放牧、开垦等不合理利用的人类活动使草地处于不稳定的状态，不断退化成未利用地，进而使未利用地面积增加[36-37]；2) 2005－2010 年，993.33 km2的温性荒漠类草地转移给未利用地，主要是转移给北部未利用地中的沙地，可能是土地利用数据2010 年分类系统认知的变化导致与前面20 年数据的不同。而高寒草原类草地分布的地势较高，植被以寒生丛生禾草为主，受人类干扰较小，变化较为稳定。本研究还发现，水域与温性荒漠草地之间存在流转，1990－2020 年有15.36 km2的温性荒漠类草地流出至水域，这是因为截止1990 年，乌鲁木齐温性荒漠草地面积最大，为2 241.95 km2，占乌鲁木齐市草地面积的34.53%，可能随着西部大开发战略的实施，加强了水利基础设施的建设，兴修了水库，从而使温性荒漠类草地面积减少，如2002 年“500”水库的建立[38]，以及红岩水库、牛魔湖、盐湖、104 团小水库等面积的增加；这30 年间，又有1.40 km2的水域流入温性荒漠草地，可能是在气候变化和人类活动的影响下，湖水蒸发严重、入湖水量减少、农业引水增加，导致湖泊面积萎缩[39]。

随着自然环境的变化和社会经济的发展，草地面积会发生不同程度的变化。为摸清导致草地面积发生变化的驱动因子，有学者做了相关研究，如任继周和林慧龙[40]指出区域的暖干化和人为干扰强度的增强是江河源区草地退化的重要原因；王新源等[41]发现驱动河西走廊绿洲面积变化的驱动因子为地区总人口；李元春等[42]发现甘南和川西北地区草地面积变化的主导因子是牧业GDP。这与本研究结果相似，本研究利用灰色关联法分析12 个因子乌鲁木齐草地类型面积进行分析，发现年均温、年降水量、总播种面积、年末牲畜存栏数、人口数及建成区面积这几个因子与草地面积变化关系密切，关联度均为0.900 以上。主要是由于乌鲁木齐属于北疆典型荒漠区，水热因子是限制其生长发育的关键因子[43]，且在“一带一路”战略实施后，乌鲁木齐市不断加快城市化进程，人们的经济条件和生活水平逐渐改善[37]，总播种面积、年末牲畜存栏数、人口数及建成区面积的增加，进一步增加了草地的放牧压力，使其与其他地类发生转换。从草地类型来看，除总播种面积外，低平地草甸类与牲畜存栏数关联度最大，温性荒漠草原类及温性荒漠类草地与年均温关联度最大。这是因为低平地草甸类分布在平原区，草势较好，受放牧影响较大；而温性荒漠草原类及温性荒漠类草地主要分布在乌鲁木齐中部、北部及东南部等地，该种草地类型所处环境气候干燥，降水量小，受温度的影响较大。草地面积变化是自然因素、人文因素双重作用的结果，对其进行灰色关联度分析对揭示草地面积变化的驱动因子的影响程度具有一定的意义，影响草地面积减少的原因还有很多，本研究只选取了12 个指标进行分析，并且灰色关联度法只能分析驱动因子的影响程度，无法判断其正负相关性，后续研究中可进一步加入土地规划政策等因素及主成分分析等方法进行分析。