朱 磊, 楊愛民, 夏鑫鑫, 武紅旗

基于空間自相關的1975—2015年瑪納斯河流域耕地時空特征變化分析*

朱 磊, 楊愛民, 夏鑫鑫, 武紅旗

(新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院/新疆土壤與植物生態(tài)過程實驗室 烏魯木齊 830052)

為揭示耕地空間分布特征與變化趨勢, 本研究以瑪納斯河流域為例, 基于7期(1975年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年)土地利用數(shù)據(jù)提取流域耕地信息, 采用空間自相關、重心模型、標準差橢圓、地學信息圖譜等方法, 分析1975—2015年流域耕地空間格局演變特征。結(jié)果表明: 耕地空間分布存在顯著全局正相關, 局部空間異質(zhì)性較強, 耕地在時間序列上呈現(xiàn)先減弱后增強再減弱的集聚態(tài)勢, 最終形成以沙灣縣商戶地鄉(xiāng)與石河子市北泉鎮(zhèn)為左、右核心的“高-高”集聚分布。耕地空間變化總體呈現(xiàn)西北方向的明顯偏移, 耕地重心遷移速度經(jīng)歷“緩慢(1975—1995年)—加速(1995—2005年)—減速(2005—2015年)”過程。1995年后標準差橢圓空間分布格局在西北方向愈加明顯, 橢圓面積大幅增長, 耕地漲幅不斷增強, 并有繼續(xù)向流域北部荒漠區(qū)擴張的趨勢。LISA頻率圖譜中穩(wěn)定不變與低頻區(qū)域占比合計達84.58%, 耕地空間格局相對穩(wěn)定。1975—2015年耕地聚集狀態(tài)主要變化特征表現(xiàn)為“低-低”集聚和“低-高”集聚向“高-高”集聚的轉(zhuǎn)變, 流域耕地呈現(xiàn)高密度擴增式發(fā)展。通過構(gòu)建LISA頻率圖譜, 結(jié)合重心模型與標準差橢圓較為全面地、動態(tài)地掌握了區(qū)域耕地空間演變趨勢, 為耕地資源的科學管理與有效保護提供理論基礎與決策依據(jù)。

瑪納斯河流域; 耕地; 重心模型; 空間自相關; 地學信息圖譜

耕地資源是保障人類生活與生產(chǎn)的物質(zhì)基礎, 其數(shù)量的控制不僅能保證糧食生產(chǎn)的安全, 生態(tài)環(huán)境的保護, 還影響到區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[1-3]。近年來, 在全國耕地面積持續(xù)減少的背景下, 西北干旱區(qū)耕地卻不斷擴張, 面積明顯增加, 如: 新疆境內(nèi)的焉耆綠洲[4]、和田綠洲[5]、塔里木河流域[6]、三工河流域[7]和瑪納斯河流域[8-9], 甘肅石羊河流域[10]、黑河流域[11], 青海香日德綠洲[12], 耕地面積均呈現(xiàn)不同幅度的增加。尤其是新疆瑪納斯河流域, 近年來在節(jié)水技術推廣下, 高效節(jié)水灌溉面積已達94.8%, 耕地面積年均增長速率較節(jié)水前增加了1.47倍[13], 至今已成為新疆最大的綠洲農(nóng)耕區(qū)和我國第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)及全國作物高產(chǎn)區(qū)[14]。由于流域自身干旱的環(huán)境條件, 耕地的迅速擴張消耗了大量地表水和地下水, 進一步加劇了流域生態(tài)用水短缺狀況, 致使生態(tài)環(huán)境日益惡化、土地資源開發(fā)潛力日益飽和[15]。因此, 通過揭示流域耕地資源空間形態(tài)分布及其動態(tài)變化規(guī)律, 探討耕地空間演變內(nèi)在機理, 對促進流域生態(tài)環(huán)境安全與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

已有的耕地空間格局研究主要集中于耕地時空變化[16]、耕地空間形態(tài)變化[17]、耕地變化驅(qū)動機制[18]及耕地變化模擬預測[19]等方面。研究區(qū)由全球[20]、洲[21]、國家[22]、區(qū)域[23-24]宏觀層面逐漸向流域[25]、縣市[26]等中觀層面過渡, 時間跨度也盡不相同。上述研究多以獨立的評價單元為基礎, 采用傳統(tǒng)的數(shù)學統(tǒng)計方法[27]、地統(tǒng)計方法[28]與空間分析等方法[29]展開分析, 取得了豐碩的成果, 推動了耕地空間格局演變研究的進程。但大多研究主要以宏觀層面揭示耕地空間分布狀況, 較少有研究耕地空間關聯(lián)性, 對耕地空間格局變化規(guī)律缺乏動態(tài)性地揭示。空間自相關方法可以很好地反映空間變量的分布特征及對鄰域的影響程度[30], 近年來在耕地空間格局研究中取得了較多成果[31-33]。然而, 現(xiàn)有研究多針對某個時期的空間聚集特征展開分析[34-35], 多時空尺度下空間關聯(lián)性整合研究較少。由此, 本文基于地學信息圖譜模型, 將“空間聚集類型圖”與“時間變化過程譜”進行匹配, 構(gòu)建LISA頻率圖譜, 動態(tài)演示了多時空尺度下的空間聚集狀態(tài), 直觀地反映空間自相關變化差異性及趨勢。再引入重心模型與標準差橢圓動態(tài)地反映耕地空間格局演變過程與軌跡[36-37], 直觀地揭示耕地空間變化幅度與趨勢[38]。綜合以上方法, 論文以瑪納斯河流域耕地為研究對象, 以行政村為地理單元, 從微觀層面定量分析?1975—2015年流域耕地空間分布特征及演變規(guī)律, 以期為該流域耕地資源動態(tài)監(jiān)測、土地資源合理利用與空間優(yōu)化布局提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

瑪納斯河流域地處天山北麓中段, 準噶爾盆地南緣, 位于43°50′~45°58′N、84°42′~86°33′E, 南起依連哈比爾尕山北坡, 北至古爾班通古特沙漠, 屬典型的“山地-綠洲-荒漠”結(jié)構(gòu)。流域總面積約3.35×104km2, 下轄瑪納斯縣、沙灣縣、石河子市, 還包括呼圖壁縣、和靜縣、和布克賽爾蒙古自治縣、烏蘇市、奎屯市、克拉瑪依市等地區(qū)(圖1)。綠洲區(qū)分布于中部山前平原地段, 年均降水量110~200 mm, 多年平均氣溫約6.8 ℃, 年蒸發(fā)量1 500~2 100 mm。截至?2015?年末, 瑪納斯河流域總?cè)丝跀?shù)為8.627×105人, 其中農(nóng)業(yè)人口占?64%, 經(jīng)濟收入以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主, 生產(chǎn)總值年均增長?12.4%, 人均生產(chǎn)總值超過1.7×104元[39]。近年來, 綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速, 耕地擴張愈加明顯(圖1c), 嚴重侵占了草地、林地等生態(tài)用地, 為流域脆弱的生態(tài)環(huán)境帶來極大的挑戰(zhàn)[40]。

圖1 瑪納斯河流域數(shù)字高程和地理單元分區(qū)(a)、行政區(qū)劃(b)及1975—2015年耕地擴張趨勢(c)

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用的遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù), 包括1975年Landsat-2 MSS影像(WRS-1 155/28, 155/29和155/30), 1990年、1995年、2000?年、2005?年、2010?年的Landsat-5 TM影像(WRS-2 144/28, 144/29?和?144/30)及?2015?年的Landsat-8 OLI影像(WRS-2 144/28, 144/29和144/30),成像時間為當年7—8月, 云量均在5%以下, 影像經(jīng)過正射校正、輻射定標以及基于LEDAPS的大氣校正等預處理。數(shù)字高程數(shù)據(jù)為NASA的ASTERG- DEM, 柵格大小為28.5 m×28.5 m。非遙感數(shù)據(jù)主要包括中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:// www.resdc.cn)的水系、行政界線與行政點位數(shù)據(jù), 還包括1989—2016年《新疆統(tǒng)計年鑒》[41]、2001—2017年《中國縣(市)社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》[42]、1990—2017年《新疆生產(chǎn)建設兵團統(tǒng)計年鑒》[43]及《2006—2020年新疆維吾爾自治區(qū)土地利用總體規(guī)劃》。參照中國《土地利用現(xiàn)狀分類標準(GB/T 21010—2017)》[44], 并結(jié)合瑪納斯河流域的實際情況, 基于遙感影像進行人機交互解譯, 獲得7期土地利用空間數(shù)據(jù)。1975年的解譯結(jié)果參照20世紀70年代的1∶47 000黑白航片和地形圖進行檢驗; 1990年、1995年、2000年、2005年、2010年與2015年解譯結(jié)果經(jīng)野外調(diào)查和Google Earth歷史高空間分辨率影像檢驗, 選取分層隨機抽樣方法[45], 分別在各期土地利用分類圖上隨機抽取?300?個樣點, 經(jīng)與上述參考數(shù)據(jù)進行比較, 總體精度均高于?85%, 能較好地滿足研究要求。結(jié)合土地利用現(xiàn)狀與行政區(qū)劃數(shù)據(jù), 可知流域耕地位于綠洲區(qū)與低山區(qū), 為避免異常值對分析的影響, 因此將荒漠區(qū)與高山區(qū)的村莊從行政區(qū)劃中剔除, 對綠洲區(qū)和低山區(qū)行政村的耕地空間演變展開分析。

1.3 研究方法

1.3.1 全局自相關

全局自相關是在整個研究區(qū)域內(nèi)對地理要素進行空間特征性描述, 通常采用全局Moran’s指數(shù)、全局Geary’s和全局Getis-Ord等空間統(tǒng)計方法來分析總體空間關聯(lián)程度與空間差異性[46]。通過計算全局Moran’s指數(shù)揭示流域行政村耕地的分布狀態(tài)及趨勢, 計算模型為:

標準化值用于檢驗全局Moran’s指數(shù)的顯著性水平, 其計算公式為:

式中:()VAR()分別表示Moran’s的期望值和方差。當score>1.96或score<–1.96(=0.05)時, 表明空間單元的耕地面積比例在空間上存在顯著的空間自相關性。

1.3.2 局部自相關

全局自相關僅對觀測單元的空間相關程度進行描述, 而局部空間自相關可有效地分析不同空間單元與鄰近區(qū)域空間差異程度及其顯著水平[48]。通常以Moran散點圖來表示局部空間不穩(wěn)定性, 橫軸表示描述變量, 縱軸表示空間滯后因子, 分為4個象限來判定各地區(qū)與其相鄰地區(qū)的空間關系。第1象限(HH)表示某區(qū)域及周圍區(qū)域的水平都高; 第2象限(HL)表示某區(qū)域水平高, 周圍區(qū)域水平低; 第3象限(LL)表示某區(qū)域及周圍區(qū)域水平均低; 第4象限(LH)表示某區(qū)域水平低, 周圍區(qū)域高。第1、3象限表示局部空間正相關, 第2、4象限則表示局部空間負相關。借助GIS的空間顯示功能, 構(gòu)建LISA集聚圖, 顯示各觀測單元在空間集聚的具體位置, 計算模型如下:

式中:x、x、w、的含義上同,2表示空間單元耕地面積比例的方差[49]。

1.3.3 空間權(quán)重

空間自相關性分析的前提與基礎是構(gòu)建空間權(quán)重矩陣, Anselin將空間鄰接關系分為: 鄰接關系、距離關系、最近點關系, 以此構(gòu)建空間權(quán)重[50]。本文基于鄰接權(quán)重的Queen和Rook原則對研究區(qū)域的耕地空間鄰接性進行統(tǒng)計, 選取相鄰空間單元個數(shù)的中值“5”作為值, 建立空間權(quán)重, 進行空間自相關分析，避免了相鄰個數(shù)為的情況, 保證了各空間單元具有相同的鄰接個數(shù), 為進一步空間自相關分析提供了更合理的研究方法。

1.3.4 重心模型及標準差橢圓

區(qū)域內(nèi)各發(fā)展要素在空間上呈現(xiàn)不同的分布特征, 一般借助等值圖表示, 在空間變化描述特征上缺乏時效性、動態(tài)性, 而重心模型可通過計算各要素的平均重心、標準距離與標準差橢圓描述各要素空間聚集特征、轉(zhuǎn)移規(guī)律及變化趨勢。本文應用的重心模型可分為研究初期耕地重心與新增耕地重心, 重心位置計算公式分別為:

標準差橢圓主要由轉(zhuǎn)角、沿主軸(長軸)與沿輔軸(短軸)的標準差構(gòu)成, 長軸表示空間分布最多的方向, 短軸則為空間分布最少的方向。標準差橢圓可識別流域耕地中心位置變化及遷移趨勢, 能夠更為直觀地反映耕地空間演變趨勢[38]。

1.3.5 LISA頻率圖譜的構(gòu)建

圖譜單元是構(gòu)建LISA頻率圖譜的基礎, 其主要由以下3部分組成: 1)時間單元, 將時間采樣間隔劃分為15 a (1975—1990年)與5 a (1975—1990年、1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年與2010—2015年); 2)空間單元, 先將各期LISA集聚圖中高-高、低-低、低-高、高-低及不顯著集聚類型分別編碼為1~5, 再采用規(guī)則網(wǎng)格法對其進行空間采樣, 采樣間隔為30?m; 3)屬性單元, 記錄某一空間單元在不同采樣時刻下的空間聚集狀態(tài), 即整個研究時段內(nèi)該空間單元LISA集聚類型的轉(zhuǎn)變頻次?；诖? 借鑒前人研究[51], 應用地學信息圖譜模型, 構(gòu)建LISA頻率圖譜單元, 計算公式為:

式中:表示研究區(qū)在多個連續(xù)時期內(nèi)耕地空間集聚類型柵格圖,表示研究的連續(xù)時期數(shù)目,表示時期序列號,Q表示第個時期耕地的LISA集聚類型。圖譜單元變化比率, 即已轉(zhuǎn)變的單一LISA集聚類型圖譜單元占所有LISA集聚類型發(fā)生變化圖譜單元的比率。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地分布空間關聯(lián)性分析

2.1.1 全局空間自相關分析

運用Geoda軟件計算研究區(qū)各年份行政村耕地面積比值的全局Moran’s指數(shù), 并對其進行顯著性檢驗。結(jié)果顯示: 1975—2015年Moran’s值為0.076 6~0.219 1, 全局Moran’s指數(shù)均大于0, 且通過了顯著性水平=0.05的檢驗, 即值均大于1.65(表1)。表明近40 a流域各行政村耕地在空間上呈現(xiàn)顯著空間自相關性, 具有明顯的集聚分布態(tài)勢。

近40 a流域耕地全局空間自相關Moran’s值具有一定差異性, 耕地面積比例空間集聚程度呈現(xiàn)“減弱-增強-減弱”趨勢。即1975—1990年耕地聚集程度有所降低, 主要由于起初耕地分布相對較集中, 空間聚集性較強, 但隨著流域水土開發(fā)不斷增強, 耕地開始逐漸擴散至流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政村, 空間聚集性逐漸減弱。1990—2000?年, 流域大力推行節(jié)水灌溉技術, 綠洲墾殖率大幅上升, 耕地集聚態(tài)勢愈加明顯。2000—2015?年, 流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水占總用水量比重始終維持在?93%以上, 水資源超負荷運行[52], 2005年自治區(qū)代表大會提出水土開發(fā)開始轉(zhuǎn)向內(nèi)涵挖潛、深度開發(fā), 對耕地的擴張規(guī)模進行嚴格管控, 耕地擴張速度有所減緩, 空間聚集性也隨之減弱。

表1 1975—2015年瑪納斯河流域耕地面積比例值的全局Moran’s I指數(shù)與檢驗

2.1.2 局部空間自相關分析

由圖2可知, 流域行政村耕地局部空間自相關異質(zhì)性較為顯著, 4個象限均有分布, 大多數(shù)行政村位于第2、3象限內(nèi), 屬于“低-高” “低-低”類型。即區(qū)域耕地面積比例低值或周圍高值的空間單元呈現(xiàn)聚集分布, 且“低-低”集聚特征更為明顯, 存在顯著的局部空間正相關性, 而“高-高” “高-低”類型的行政村數(shù)量相對較少。1975—2005年, 落入第2象限的行政村數(shù)量持續(xù)上升, 說明耕地面積比例低值、高值區(qū)域相互交錯、密集分布, 耕地局部空間異質(zhì)性也愈加顯著。2005—2015年, 落入第1、2象限的行政村數(shù)量開始減少, 表示耕地面積比例高區(qū)域空間集聚性有所減弱, 耕地擴張趨勢逐漸減緩。

為揭示各行政村單元耕地面積比例自相關差異程度, 在=0.05的顯著性水平下, 將各空間單元屬性與位置進行匹配繪制LISA集聚圖, 以此顯示局部空間單元異質(zhì)性及變化趨勢(圖3)。同時根據(jù)計算結(jié)果, 結(jié)合其性質(zhì)可將各行政村耕地空間單元劃分為4種類型: 密集區(qū)、貧瘠區(qū)、低谷區(qū)和退化區(qū), 具體有以下特征:

圖2 1975—2015年瑪納斯河流域行政村耕地面積比例局部Moran’s I指數(shù)散點圖

圖3 1975—2015年瑪納斯河流域耕地面積比例LISA集聚圖

1)“密集區(qū)”: 該類型區(qū)域指自身空間單元與鄰域單元的耕地面積比例均高, 也稱為“高-高(HH)”集聚區(qū)。即屬于耕地面積比例高值“聚集區(qū)”。1975—1995年該類區(qū)域主要集中分布于綠洲區(qū)北部, 1995—2015?年逐漸擴散, “插花式”分布于沙灣縣的商戶地鄉(xiāng)、大泉鄉(xiāng)、烏蘭烏蘇鎮(zhèn)、安集海鎮(zhèn)、四道河子鎮(zhèn)、西戈壁鎮(zhèn)、東灣鎮(zhèn), 瑪納斯縣的廣東地鄉(xiāng)、塔西河哈薩克民族鄉(xiāng)行政村。2010—2015年, 在克拉瑪依市小拐鄉(xiāng)擴增尤為明顯(圖3)。

2)“貧瘠區(qū)”: 表示自身單元與鄰域單元的耕地面積比例均低的區(qū)域, 即“低-低(LL)”集聚區(qū)。此類型在空間分布最為集中, 主要位于山前平原沙灣縣的博爾通古牧場、牛圈子牧場、東灣鎮(zhèn), 瑪納斯縣的清水河哈薩克民族鄉(xiāng), 呼圖壁縣的雀兒溝鎮(zhèn),綠洲荒漠交界處克拉瑪依市的白堿灘區(qū)行政村。由于流域南部山區(qū)地形起伏大, 荒漠區(qū)水資源短缺, 土壤養(yǎng)分匱乏, 加之經(jīng)濟水平較低, 不利于農(nóng)作物生長。

3)“低谷區(qū)”: 此類區(qū)域?qū)儆诟孛娣e比例低, 但其周圍鄰近單元相對較高的行政村單元, 空間關系呈現(xiàn)負相關性, 空間異質(zhì)性較強, 屬于“低-高”集聚區(qū)。由圖3可知, 該類型行政村較少, 僅在2000年和2005年沿流域西北方向聚集分布, 離散分布于蘑菇湖水庫、夾河子水庫、大泉溝水庫及瑪納斯河下游周邊(圖3)。主要由于隨著灌溉技術的發(fā)展與農(nóng)業(yè)技術的進步, 拓墾開荒的力度不斷增強, 逐漸形成新的空間異質(zhì)性區(qū)域。

4)“退化區(qū)”: 表示局域空間負相關, 指耕地比例在某行政村較高, 但在周圍行政村較低, 空間異質(zhì)性較強, 屬于“高-低”集聚區(qū)。此類型空間單元個數(shù)較少, 交錯分布于新湖農(nóng)場、石河子市北泉鎮(zhèn)。2000—2015年, 集中分布于流域綠洲區(qū)中部沙灣縣商戶地鄉(xiāng)、烏蘭烏蘇鎮(zhèn)與石河子市總場一分場、北泉鎮(zhèn)行政村。說明該區(qū)域在耕地擴張過程中伴隨棄耕現(xiàn)象, 即耕地面積比例增大, 但周邊耕地呈現(xiàn)不同幅度的萎縮(圖3)。

2.2 耕地空間格局演變分析

2.2.1 耕地重心遷移

采用耕地重心模型分別計算與識別各時期的耕地面積比例重心遷移距離與方向, 并繪制重心轉(zhuǎn)移軌跡(表2與圖4), 可知耕地重心變化主要分為兩個階段:

1975—1995年, 耕地重心主要在沙灣縣的商戶地鄉(xiāng)商戶地村發(fā)生變化, 耕地重心整體先向西南方向移動0.898 7 km, 再向東偏移0.630 7 km, 平均移動速率為0.076 5 km·a-1。由于20世紀70年代中期至90年代中期, 流域受到水資源的限制, 大多采用漫灌、畦灌, 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展較為緩慢, 因此耕地重心移動范圍偏小, 耕地面積變化幅度較小。

1995年以后, 在機壓式噴灌、膜下滴灌等高效節(jié)水灌溉技術支持下, 解決了水資源供給不足問題, 為綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了新動力。2000年后, 在西部大開發(fā)與免除農(nóng)業(yè)稅等惠農(nóng)政策的積極實施下, 耕地面積明顯增加, 耕地重心主要向西北方向偏移。1995—2005?年偏移距離最大, 說明期間耕地擴張最為迅速, 2005—2015?年偏移距離開始遞減, 擴張趨勢逐漸減緩, 但擴張方向仍表現(xiàn)為西北方向。

表2 1975—2015年瑪納斯河流域耕地重心遷移

圖4 1975—2015年瑪納斯河流域耕地重心及標準差橢圓分布

由上可知, 耕地重心總體在西北方向發(fā)生偏移, 近40 a移動距離為19.182 0 km, 偏移速率呈現(xiàn)先增后減趨勢。1995—2005?年偏移速率增至1.083 7 km·a-1, 2005—2015?年減至0.681 5 km·a-1, 說明耕地擴張幅度由持續(xù)上升到下降, 最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.2 耕地空間格局演變

通過計算1975—2015年流域耕地面積比例的標準差橢圓各參數(shù)(表3), 并繪制其空間分布態(tài)勢(圖5), 可知各年份標準差橢圓變化特征具一定差異性, 具體分析如下:

圖5 1975—2015年瑪納斯河流域耕地LISA頻率圖譜分析

Fig. 5 Analysis of LISA frequency geo-spectrum of cultivated land in the Manas River Basin during 1975–2015

近40 a標準差橢圓變化具有一定的方向性, 這與耕地重心變化具有一定關聯(lián)性, 1975—1995年以沙灣縣商戶地鄉(xiāng)商戶地村為核心, 轉(zhuǎn)角逐漸縮小至97.845 5°, 空間分布總體呈現(xiàn)西南—偏東格局, 并具有繼續(xù)向西轉(zhuǎn)變的趨勢。1995—2015年則以沙灣縣老沙灣鎮(zhèn)居士堂村為基準, 轉(zhuǎn)角在121.487 5°~127.976 5°波動, 空間分布在西北方向的空間格局不斷增強。

表3 1975—2015年瑪納斯河流域耕地標準差橢圓參數(shù)變化

由主軸方向上看, 主軸標準差在1975—1995年期間, 先上升后下降, 表明流域耕地面積呈現(xiàn)先擴增后收縮的態(tài)勢。從1995—2015年主半軸上看, 年均增長12.430 4 km, 耕地呈現(xiàn)較快地擴張趨勢, 主要沿西北方向逐漸蔓延。從輔半軸方向來看, 標準差主要經(jīng)歷“減小(1975—1990年)—增大(1990—2005年)—減小(2005—2015年)”變化, 表明1990—2005年耕地在西南—偏東方向逐漸分散化, 2005—2015年期間逐漸在西北方向上出現(xiàn)極化。

標準差橢圓基本覆蓋了耕地密集區(qū), 以沙灣縣老沙灣鎮(zhèn)與商戶地鄉(xiāng)行政村為核心, 東至瑪納斯縣的廣東地鄉(xiāng)、北五岔鎮(zhèn)、新湖農(nóng)場、石河子市北五泉鎮(zhèn)行政村, 南連沙灣縣大泉鄉(xiāng)、金溝河鎮(zhèn)、烏蘭烏蘇鎮(zhèn)行政村。近40 a標準差橢圓變化幅度具有一定時間階段性, 1975—1995年整體變化幅度較小, 面積在5 000 km2上下浮動, 先增大后減小。1995—2015年, 橢圓面積年均增長1 471.703 km2, 耕地擴張趨勢逐年遞增, 空間分布趨于分散。

2.3 LISA頻率圖譜分析

LISA頻率圖譜是由“LISA空間集聚單元圖”、“時間變化過程譜”及“空間單元變化頻率”構(gòu)成的“空間-屬性-過程”一體化數(shù)據(jù), 能夠較為直觀地反映空間自相關變化的連續(xù)性與差異性, 具體分析如下:

1)穩(wěn)定不變區(qū): 表示近40 a空間穩(wěn)定不變的地理單元, 覆蓋研究區(qū)?49.04%, 按照圖譜單元面積大小依次為“不顯著”、“低-低”集聚與“高-高”集聚圖譜單元(表4), 說明流域耕地空間分布具有顯著的空間正相關性, 即耕地面積比例高值或低值的行政村空間呈現(xiàn)集聚分布態(tài)勢。其中不顯著與低-低集聚區(qū)域, 主要分布在流域低山區(qū)瑪納斯縣清水河子哈薩克民族鄉(xiāng)、沙灣縣博爾通古鄉(xiāng)、西戈壁鎮(zhèn)、東灣鎮(zhèn), 烏蘇市巴音溝牧場, 克拉瑪依市白堿灘區(qū)行政村。高-高集聚區(qū)則主要分布于流域東北部區(qū)域(圖5)。

表4 1975—2015年瑪納斯河流域耕地LISA頻率圖譜特征

HH: 高-高集聚; LL: 低-低集聚; LH: 低高集聚; HL: 高-低集聚; NS: 不顯著. HH: high-high agglomeration; LL: low-low agglomeration; LH: low-high agglomeration; HL: high-low agglomeration; NS: not significant.

2)低頻區(qū): 該類型區(qū)域占研究區(qū)的35.54%, 圖譜單元僅在?1975—1995?年變化最為劇烈, 主要呈現(xiàn)為“低-低”集聚的分布態(tài)勢, 集中分布于克拉瑪依市小拐鄉(xiāng)、奎屯市開干齊鄉(xiāng)、沙灣縣烏蘭烏蘇鎮(zhèn)、瑪納斯縣旱卡子灘哈薩克民族鄉(xiāng)行政村及周邊區(qū)域(圖5)。

3)中頻區(qū): 中頻區(qū)圖譜單元變化以“低-低”集聚為主要特征, 即耕地面積比例低值的行政村在1995年、2000年與2010年空間分布較為集中, 主要分布在瑪納斯縣塔西河哈薩克民族鄉(xiāng)行政村。其次, 圖譜單元在2000—2015年變化較為顯著, 主要表現(xiàn)為“低-高”集聚向“高-高”集聚轉(zhuǎn)變, 集中分布于克拉瑪依市小拐鄉(xiāng)(圖5)。

4)高頻區(qū): 高頻區(qū)圖譜單元僅占研究區(qū)1.61%, 其中圖譜單元變化最明顯的是“低-低”集聚轉(zhuǎn)向“低-高”集聚, 主要沿瑪納斯河下游沙灣縣四道河子鎮(zhèn)周邊行政村交錯分布。其次,由“不顯著”集聚轉(zhuǎn)向“高-低”集聚圖譜單元變化較為顯著, 集中分布于沙灣縣商戶地鄉(xiāng)和瑪納斯縣蘭州灣鎮(zhèn)行政村(表4)。

1975—2015年耕地LISA頻率圖譜中穩(wěn)定不變與低頻區(qū)覆蓋流域84.58%, 流域耕地空間格局較為穩(wěn)定。其次, 以中頻區(qū)域位居第二, 大多位于綠洲區(qū)北部及低山區(qū)東南部。高頻區(qū)域占比最小, 空間分布最為離散, 主要分布在綠洲荒漠交界處(圖5)。LISA集聚變化最顯著的特征為“低-低”集聚、“低-高”集聚向“高-高”集聚的轉(zhuǎn)變, 說明耕地空間分布狀態(tài)主要向高密度擴增式發(fā)展。

3 討論

本研究基于空間自相關分析, 并引入地學信息圖譜構(gòu)建LISA頻率圖譜, 結(jié)合重心模型與標準差橢圓對耕地空間格局演變特征展開分析, 直觀地、動態(tài)地揭示了1975—2015年瑪納斯河流域耕地擴張具有明顯的時間階段性特征: 1)20世紀70年代中期至90年代, 耕地擴張較為緩慢: 該時段初期, 流域內(nèi)勞動力匱乏, 生產(chǎn)力水平低下, 水土開發(fā)處于停滯狀態(tài); 1978年, 在“改革開放”的影響下, 大量人口遷入瑪納斯縣、沙灣縣, 流域由原來的“土地集體所有制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹彝ヂ?lián)產(chǎn)承包責任制”, 集體所有權(quán)與使用權(quán)分離, 耕地流失較多, 耕地增加并不明顯; 1981年水資源開發(fā)利用由地表水轉(zhuǎn)向地下水, 并采用井渠結(jié)合, 實現(xiàn)地表水與地下水聯(lián)合運用, 綠洲墾殖開始加速[53]; 1987年流域?qū)χ饕肋M行防滲處理, 并大力推行畦灌與細流溝灌, 灌溉方式逐漸演變?yōu)榍?、井結(jié)合的灌溉, 耕地面積緩慢上升[54]。2)20世紀90年代至2000年, 耕地面積增長最為迅速: 1993年在宏觀政策影響下, 流域人口逐漸回流, 農(nóng)用地規(guī)模迅速擴大; 1995年, 國家開始有計劃地開發(fā)利用水資源, 灌溉體系由漫灌、溝畦灌發(fā)展至低壓管道自流式滴灌, 耕地規(guī)模再次擴張[55]; 1999?年隨著西部大開發(fā)的推進, 流域進行了大規(guī)模的開荒, 加之1998—1999年流域降雨量驟增, 瑪納斯河下游水位上升[56], 提供了充沛的灌溉用水, 耕地面積持續(xù)增加。3)2000—2015年, 耕地擴張由加速到減速最終趨于穩(wěn)定狀態(tài): 2000年以后流域已全面實現(xiàn)膜下滴灌, 不僅節(jié)約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本與灌溉用水, 還具有較好的增產(chǎn)效益, 種植結(jié)構(gòu)開始轉(zhuǎn)向經(jīng)濟效益較高的棉花作物, 流域為追求規(guī)模效益, 進行了大面積的種植[57], 耕地規(guī)模急劇擴張。然而, 耕地迅速擴張的同時, 不僅導致流域水資源超負荷運行, 還產(chǎn)生了耕地鹽漬化、綠洲沙漠化及牧場、林地、濕地退化等系列生態(tài)問題[52]。由此, 2005年自治區(qū)提出土地利用規(guī)模應堅持適度外延與內(nèi)涵挖潛并舉的總體方針, 流域耕地擴張形式開始向深度開發(fā)、以水定地、節(jié)水增地的水土平衡方向發(fā)展, 2005—2015年耕地擴張速率逐漸減緩最終趨于小幅度穩(wěn)定增長狀態(tài)。

耕地作為人類生存與發(fā)展所依賴的基礎物質(zhì), 研究其空間分布狀態(tài)及演變趨勢具有重要意義。文章以空間自相關理論為基礎, 以微觀視角分析耕地空間分布狀態(tài), 應用地學信息圖譜分析法, 整合多時相空間聚集狀態(tài)信息, 構(gòu)建LISA頻率圖譜, 利用圖形語言動態(tài)地演示了近40 a流域耕地空間單元的變化趨勢。并引入重心模型與標準差橢圓, 對耕地空間演變格局展開分析, 直觀地揭示了耕地擴張過程與趨勢即耕地在西北方向具有明顯的擴張?zhí)卣? 并有繼續(xù)向流域北部荒漠區(qū)蔓延的趨勢, 這與前人研究成果基本一致[36]。本研究與傳統(tǒng)的靜態(tài)化分析相比[58-61], 不僅更為完整地表達了空間聚集狀態(tài)變化的時空連續(xù)性, 還拓展了地學信息圖譜分析的內(nèi)涵和方法。通過對不同時間階段下耕地擴張原因展開論證, 系統(tǒng)地闡釋了瑪納斯河流域近40 a耕地擴張過程, 這與前人研究一致[62]。但由于耕地驅(qū)動因素的復雜化與差異性, 今后還需要開展耕地驅(qū)動力深入分析及其變化趨勢的模擬預測, 從而達到更為精細地、動態(tài)地表達。

4 結(jié)論

本文基于1975—2015年瑪納斯河流域7期耕地數(shù)據(jù), 借助空間自相關、重心模型、標準差橢圓等方法, 并應用地學信息圖譜模型構(gòu)建LISA頻率圖譜, 定量分析了耕地空間分布狀態(tài)及變化趨勢, 并探討了耕地空間格局演變趨勢, 主要得出以下結(jié)論:

1)近40 a瑪納斯河流域耕地空間分布存在顯著正相關, 空間集聚態(tài)勢呈現(xiàn)“減弱(1975—1990年)—增強(1990—2000年)—減弱(2000—2015年)”波動變化。耕地面積比例低值或周圍高值的行政村表現(xiàn)出明顯集聚態(tài)勢, 局部空間異質(zhì)性有所增強, 最終呈現(xiàn)以沙灣縣商戶地鄉(xiāng)與石河子市北泉鎮(zhèn)為左右核心的“高-高”集聚分布態(tài)勢。

2)1975—2015年流域耕地重心主要向西北方向偏移, 標準差橢圓同樣表現(xiàn)為西北方向的空間分布格局, 耕地擴張總體呈現(xiàn)“北進西移”分布態(tài)勢。1995年后重心遷移開始加速, 橢圓面積大幅增長, 耕地漲幅不斷增強。2005—2015年重心移動速度逐漸減緩, 耕地擴張趨勢趨于穩(wěn)定。

3)LISA頻率圖譜以“不顯著”與“低-低”集聚穩(wěn)定不變占主導, 空間格局相對穩(wěn)定。中、高頻區(qū)域轉(zhuǎn)變方式以“低-低”集聚、“低-高”集聚向“高-高”集聚轉(zhuǎn)變?yōu)橹? 流域耕地主要圍繞著高密度擴增式發(fā)展。

4)近40 a瑪納斯河流域耕地擴張呈現(xiàn)出前期緩慢(1975—1990年)、中期持續(xù)加速(1990—2000年)、末期穩(wěn)定增長(2000—2015年)的階段性規(guī)律。

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Spatial distribution pattern and change characteristics analysis of cultivated land in the Manas River Basin from 1975 to 2015*

ZHU Lei, YANG Aimin, XIA Xinxin, WU Hongqi

(College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University / Xinjiang Key Laboratory of Soil and Plant Ecological Processes, Urumqi 830052, China)

The objective of this study was to reveal the spatial distribution characteristics and change trend of cultivated land, taking the Manas River as the study area, by extracting the cultivated land information based on 1975, 1990, 1995, 2000, 2005, 2010, and 2015 series of land use data, via spatial autocorrelation, gravity center mode, standard deviational ellipse, and geography informatic spectrum analysis. The results revealed that there was significant global positive correlation and strong local spatial heterogeneity in the spatial distribution of cultivated land. The cultivated land showed an aggregated time series trend, which first weakened, then strengthened, and then weakened again across the study period. The land formed a high-high agglomerate distribution situation with a left core in Shanghudi Township of Shawan County, and a right core in Beiquan Town of Shihezi City. The overall spatial change in the cultivated land showed a clear, significant shift to the northwest, and the moving speed of the cultivated land’s center of gravity experienced a process of “slowed (1975-1995)-accelerated (1995-2005)-decelerated (2005-2015)”. The spatial distribution pattern of the standard deviation ellipse appeared more obvious in the northwest direction after 1995, and the area of ellipse increased substantially. The growth range of the cultivated land was constantly strengthened and had a trend of expansion to the northern desert area of the basin. Through LISA frequency geo-spectrum analysis, we found that the total proportions of stable invariant and low frequency types accounted for 84.58%, and the spatial pattern of cultivated land was relatively stable. The overall spatial aggregation of the cultivated land generally shifted from a state of “Low-Low” aggregation “Low-High” aggregation to a state of “High-High” aggregation, which showed high-density expansion of cultivated land in the Manas River Basin from 1975 to 2015. By constructing the geo-spectrum of LISA frequency and combining the gravity center model and standard deviation ellipse, spatial evolution trends in the regional cultivated land were comprehensively and dynamically outlined, and the theoretical basis and decision-making foundations for scientific management and effective protection of cultivated land resources were provided.

Manas River Basin; Cultivated land; Gravity center model; Spatial autocorrelation; Geo-informatic spectrum

P967; F301.24

10.13930/j.cnki.cjea.190624

朱磊, 楊愛民, 夏鑫鑫, 武紅旗. 基于空間自相關的1975—2015年瑪納斯河流域耕地時空特征變化分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2020, 28(6): 887-899

ZHU L, YANG A M, XIA X X, WU H Q.Spatial distribution pattern and change characteristics analysis of cultivated land in the Manas River Basin from 1975 to 2015[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(6): 887-899

* 國家自然科學基金項目(41561019, 41561103)資助

朱磊, 主要研究方向為地理信息系統(tǒng)和遙感應用研究。E-mail: smartzhulei04@163.com

2019-09-03

2020-02-08

* This study was founded by the National Natural Science Foundation of China (41561019, 41561103).

, ZHU Lei, E-mail: smartzhulei04@163.com

Sep. 3, 2019;

Feb. 8, 2020