張 譜 管文軻 張和鈺 鄧學林 李志鵬 劉洪霞 馮益明

(1. 中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所 北京100091； 2. 新疆林業(yè)科學院造林治沙研究所 烏魯木齊830063；3.新疆巴州和碩縣林業(yè)科學技術(shù)推廣中心 巴州841200； 4. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)信息研究所 北京100081)

綠洲是干旱區(qū)人民賴以生存的基礎(chǔ)，是維系區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的命脈(李森等， 2013)。新疆南部獨特的地貌格局，孕育了許多以流域為單元的綠洲農(nóng)林業(yè)景觀(Tangetal.， 2007)，其中，林果產(chǎn)業(yè)是南疆綠洲經(jīng)濟的重要組成部分。目前，南疆環(huán)塔里木盆地已基本形成了以紅棗(Ziziphusjujuba)、蘋果(Maluspumila)、杏(Armeniacavulgaris)、香梨(Pyrussinkiangensis)等為主要樹種的林果主產(chǎn)區(qū)，林果種植面積占全疆林果產(chǎn)業(yè)規(guī)模的80%以上(穆哈拜提帕熱提等， 2015)，林果產(chǎn)業(yè)用地時空變化南疆綠洲土地利用時空變化具有重要影響。

綠洲耕地擴張是干旱區(qū)土地利用和覆被變化最典型的人為干擾之一(任曉等， 2015； 孔君洽等， 2018)，其會引起水資源的空間分布變化(黃會平等， 2009)、沙漠化(王濤， 2016)等全球性問題。林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展是南疆綠洲土地利用時空變化的重要影響因素，但長期以來被忽略； 而且，現(xiàn)階段林果產(chǎn)業(yè)研究多側(cè)重于產(chǎn)業(yè)布局、區(qū)域林果貿(mào)易等大尺度空間布局方面(劉敬強等， 2012)，小尺度研究則集中在發(fā)展優(yōu)勢的探討(Mouradetal.， 2010)、對地區(qū)經(jīng)濟和林農(nóng)收入以及區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響(賈冬冬， 2013)、林果發(fā)展過程中存在的問題(阿麗婭·熱依木， 2012)等，針對干旱區(qū)小流域尺度林果產(chǎn)業(yè)用地變化研究相對薄弱(Tangetal.， 2007)。新疆南部林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在促進農(nóng)民增收和貧困地區(qū)農(nóng)民脫貧致富(穆哈拜提·帕熱提等， 2015)、推進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化等方面起到了重要作用(于軍， 2012)； 但同時，新疆南部林果種植面積的擴張也導(dǎo)致水土資源開發(fā)利用程度增加，對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境造成了影響(劉敬強等， 2012)。因此, 深入研究新疆林果產(chǎn)業(yè)特別是小流域尺度下人工綠洲內(nèi)林果產(chǎn)業(yè)用地時空變化特征，評估區(qū)域林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況，對小流域綠洲林果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

鑒于此，本研究以新疆迪那河流域輪臺人工綠洲為研究區(qū)，以區(qū)域內(nèi)林果產(chǎn)業(yè)用地為研究對象，在RS和GIS支持下，通過解譯4期Landsat系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)及野外調(diào)查獲取的無人機影像數(shù)據(jù)，對輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)用地進行動態(tài)監(jiān)測，以期掌握林果產(chǎn)業(yè)用地的時空變化規(guī)律，進而對區(qū)域林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況做出科學評估。

1 研究區(qū)概況

迪那河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)中西部(83°38′—84°41′E、41°26′—42°32′N)，地形北高南低，是塔里木盆地南北緣典型的山區(qū)-戈壁-綠洲-沙漠生態(tài)系統(tǒng)(圖1)。

圖1 迪那河流域地理位置Fig.1 The location map of Dina River watershed

輪臺綠洲依靠迪那河和地下水等水資源形成。綠洲內(nèi)氣候干燥，冬夏較長、春秋較短，晝夜溫差大，年均氣溫10.3 ℃，降水稀少、蒸發(fā)強烈。輪臺綠洲物產(chǎn)豐富，有杏、香梨等16種果樹，尤以“輪臺白杏”久負盛名，被原國家林業(yè)局命名為“中國白杏之鄉(xiāng)”，同時還是全國商品糧基地和棉花(Gossypiumhirsutum)重要產(chǎn)區(qū)之一。

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)源選擇

從USGS網(wǎng)站(http:∥glovis.usgs.gov/)選取1992年8月、1998年8月、2007年9月和2018年8月4期覆蓋輪臺人工綠洲的Landsat系列衛(wèi)星遙感影像作為人工綠洲及區(qū)域林果產(chǎn)業(yè)用地時空變化制圖的遙感數(shù)據(jù)源(表1)。對遙感影像進行預(yù)處理，主要包括輻射校正、幾何校正、投影轉(zhuǎn)換等。

2.2 野外調(diào)查

為了確定輪臺人工綠洲邊界及人工綠洲內(nèi)林果產(chǎn)業(yè)用地狀況，在流域內(nèi)設(shè)置36塊樣地，樣地大小均為100 m ×100 m。采用四旋翼無人機(大疆悟1pro)機載傳感器禪思X5(1 600萬像素)獲取樣地無人機影像(穆悅等， 2018； 韓東等， 2018)，無人機飛行高度為60 m，獲得影像地面分辨率為1.5 cm，觀測日期為2018年7月21日—8月9日。

表1 遙感數(shù)據(jù)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of remote sensing data

36塊樣地分布及果園(深綠色)、耕地(淺綠色)、人工綠洲(褐色)典型樣地對應(yīng)的Landsat OIL遙感影像(成像時間為2018年8月17日，在ENV1軟件中R∶G∶B相應(yīng)波段為6∶5∶4,可以較好突出植被信息)和無人機影像如圖2所示。人工綠洲邊界明顯，果園和耕地區(qū)分度較高。同時，在野外調(diào)查過程中也獲得了輪臺縣第二次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)和部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)果園分布數(shù)據(jù)。

圖2 樣地分布Fig.2 Sample plot distribution

2.3 遙感影像解譯

基于光譜直接分類法(John， 2011)對4期Landsat遙感影像進行解譯，即采用野外調(diào)查獲取的帶地理坐標的無人機影像與Landsat5 TM影像(1992年8月、1998年8月和2007年9月，波段組合5∶4∶3)和Landsat8 OIL_TRIS影像(2018年8月，波段組合6∶5∶4)疊加，通過目視解譯對不同土地利用類型進行識別，先確定人工綠洲邊界，然后在已劃定的人工綠洲內(nèi)部確定林果產(chǎn)業(yè)用地分布。

根據(jù)研究目的和我國土地利用分類體系，將人工綠洲內(nèi)部劃分為5種土地利用/覆被類型： 果園(林果產(chǎn)業(yè)用地)、耕地、水體、城鎮(zhèn)村居民用地和未利用土地。研究獲得4期輪臺人工綠洲土地利用圖，進而得到林果產(chǎn)業(yè)分布數(shù)據(jù)(果園分布數(shù)據(jù))。

2.4 林果產(chǎn)業(yè)用地面積變化分析

采用動態(tài)度模型(Pontiusetal.， 2017； 孫智斌等， 2018)對比迪那河流域輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)用地時空變化特征。動態(tài)度是指一定時間范圍內(nèi)研究區(qū)某種土地利用類型的數(shù)量變化，可反映某種土地利用類型變化的劇烈程度，其表達式為：

(1)

式中： LC為研究時段內(nèi)林果產(chǎn)業(yè)用地面積動態(tài)度；Ua和Ub分別為研究期初和期末林果產(chǎn)業(yè)用地面積；T為研究時長。

2.5 林果產(chǎn)業(yè)用地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出情況分析

采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(Matsushitaetal.， 2006； Fengetal.， 2009； Shoyamaetal.， 2018)監(jiān)測林果產(chǎn)業(yè)用地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出情況。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠反映林果產(chǎn)業(yè)用地在某一期初和期末與其他土地類型之間相互轉(zhuǎn)變的動態(tài)過程，不僅包含某期林果產(chǎn)業(yè)用地面積信息，而且還包含其他土地類型在期初和期末向林果產(chǎn)業(yè)用地轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入的面積信息。林果產(chǎn)業(yè)用地變化表達采用Circos可視化軟件(Krzywinski， 2009)。

2.6 林果產(chǎn)業(yè)用地分布重心遷移分析

采用重心模型(Grossetal.， 2017； Lietal.， 2018)對迪那河流域輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)用地分布狀況進行分析。人工綠洲內(nèi)林果產(chǎn)業(yè)用地分布重心處于不斷變動中，重心模型可反映林果產(chǎn)業(yè)用地空間集聚及其位移規(guī)律。模型公式如下：

(2)

(3)

式中：xj和yj為第j年人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)用地分布重心坐標；xij和yij為第j年第i個果園坐標；sij為第j年第i個果園斑塊面積；n為果園數(shù)量。

2.7 林果產(chǎn)業(yè)用地擴張程度分析

為進一步研究林果產(chǎn)業(yè)用地擴張程度，利用已獲得的林果產(chǎn)業(yè)用地分布重心坐標，計算果園輻射平均距離和人工綠洲輻射距離：

(4)

(5)

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 遙感影像解譯

通過遙感影像解譯，獲得1992、1998、2007和2018年迪那河流域輪臺人工綠洲土地利用圖(圖3)和人工綠洲主要用地類型面積變化(表2)?？梢钥闯?，26年間輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)用地持續(xù)增加，從1992年的2 138 hm2、1998年的3 568 hm2、2007年的6 949 hm2增至2018年的7 626 hm2。林果產(chǎn)業(yè)用地是輪臺人工綠洲的主要土地利用類型，其面積占人工綠洲總面積比例在10%～18%之間，26年間穩(wěn)中有所波動，從1992年的10%增至1998年的14%， 2007年達到最大值18%， 2018年又回落到12%。

相比特色林果產(chǎn)業(yè)用地，耕地對人工綠洲影響更大，其面積從1992年的8 381 hm2、1998年的9 529 hm2、2007年的23 978 hm2增至2018年的46 284 hm2，占人工綠洲總面積比例從1992年的40%增至2018年的71%。2018年特色林果產(chǎn)業(yè)用地和耕地總面積占人工綠洲總面積的83%。

人工綠洲內(nèi)水體面積隨著人工綠洲擴張以及特色林果產(chǎn)業(yè)用地和耕地面積持續(xù)增加呈減少趨勢，從1992年的1 218 hm2、1998年的1 137 hm2、2007年的1 128 hm2減至2018年的428 hm2，占人工綠洲總面積比例也呈持續(xù)下降趨勢，從1992年的6%、1998年的4%、2007年的3%降至2018年的1%。

人工綠洲內(nèi)未利用地面積26年間呈波動趨勢，從1992年的8 998 hm2增至1998年的11 216 hm2，2017年降至4 926 hm2，2018年又增至9 017 hm2，占人工綠洲總面積比例特征明顯，2000年前2期為43%和44%，2000年之后2期為13%和14%。

圖3 1992、1998、2007和2008年輪臺人工綠洲土地利用狀況Fig.3 The land use map of Luntai artificial oasis in 1992， 1998， 2007 and 2018

表2 人工綠洲主要用地類型面積變化Tab.2 The area change of different land use type in artificial oasis

3.2 林果產(chǎn)業(yè)用地動態(tài)度變化

為進一步了解林果產(chǎn)業(yè)用地面積變化情況，對迪那河流域輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)用地(果園)面積動態(tài)度進行計算，結(jié)果見表3。可以看出，雖然林果產(chǎn)業(yè)用地面積和人工綠洲面積同呈增長趨勢，但林果產(chǎn)業(yè)用地面積占人工綠洲總面積比例并不穩(wěn)定，分析其原因主要是林果產(chǎn)業(yè)用地面積動態(tài)度與人工綠洲面積動態(tài)度差別較大。1992—1998年、1998—2007年林果產(chǎn)業(yè)用地面積年均增長速度(11%)高于人工綠洲面積年均增長速度(4%和5%)，林果產(chǎn)業(yè)用地面積占人工綠洲總面積比例持續(xù)增加； 2007—2018年林果產(chǎn)業(yè)用地面積年均增長速度緩慢(1%)，遠小于人工綠洲(7%)，該階段林果產(chǎn)業(yè)用地面積占人工綠洲總面積比例下降。

表3 林果產(chǎn)業(yè)用地面積動態(tài)度Tab.3 The dynamic degree of forestry and fruit industry land in artificial oasis

3.3 林果產(chǎn)業(yè)用地時空變化特征

采用4期迪那河流域土地利用圖獲取人工綠洲內(nèi)林果產(chǎn)業(yè)用地與其他土地類型之間面積轉(zhuǎn)移信息(圖4)，以更確切了解林果產(chǎn)業(yè)用地流動情況。 1992—1998年，2 600 hm2其他類型土地轉(zhuǎn)為林果產(chǎn)業(yè)用地，轉(zhuǎn)入最多為耕地(1 534 hm2)和人工綠洲內(nèi)未利用地(817 hm2)； 1 131 hm2林果產(chǎn)業(yè)用地轉(zhuǎn)為其他用途，其中轉(zhuǎn)為人工綠洲內(nèi)未利用地663 hm2、耕地438 hm2； 1 013 hm2林果產(chǎn)業(yè)用地未改變土地用途。1998—2007年，5 015 hm2其他類型土地轉(zhuǎn)為林果產(chǎn)業(yè)用地，轉(zhuǎn)入最多為耕地(2 434 hm2)和人工綠洲內(nèi)未利用地(2 061 hm2)； 1 853 hm2林果產(chǎn)業(yè)用地轉(zhuǎn)為其他用途，其中85%轉(zhuǎn)為耕地(1 569 hm2)； 1 759 hm2林果產(chǎn)業(yè)用地未改變土地用途。2007—2018年，4 211 hm2其他類型土地轉(zhuǎn)為林果產(chǎn)業(yè)用地，3 553 hm2林果產(chǎn)業(yè)用地轉(zhuǎn)為其他用途，耕地在林果產(chǎn)業(yè)用地轉(zhuǎn)入(87%)和轉(zhuǎn)出(85%)中均占最高比例。

對比1992和2018年林果產(chǎn)業(yè)用地狀況可知，26年間6 645 hm2其他類型土地轉(zhuǎn)為林果產(chǎn)業(yè)用地，遠大于林果產(chǎn)業(yè)用地轉(zhuǎn)出面積1 362 hm2。林果產(chǎn)業(yè)擴張土地主要來源于耕地(2 671 hm2)、人工綠洲內(nèi)未利用地(2 345 hm2)和人工綠洲外圍土地(1 421 hm2)，而轉(zhuǎn)出土地主要是耕地(918 hm2)。

3.4 林果產(chǎn)業(yè)用地分布重心遷移

由圖5可知，1992—2018年，輪臺人工綠洲(主體)向西南、正南和東南方向擴張明顯，人工綠洲內(nèi)林果產(chǎn)業(yè)用地分布重心隨人工綠洲(主體)擴張輕微移動，變化較小。1992、1998年，林果產(chǎn)業(yè)用地分布重心隨人工綠洲(主體)向西擴張而向西偏移； 2007年，林果產(chǎn)業(yè)用地分布重心隨人工綠洲(主體)向西南擴張而向西南移動； 2018年，人工綠洲(主體)向南擴張，林果產(chǎn)業(yè)用地分布重心向南移動。

3.5 林果產(chǎn)業(yè)用地擴張程度

迪那河流域輪臺人工綠洲和林果產(chǎn)業(yè)(果園)輻射距離見圖6?？梢钥闯?，1992、1998、2007和2018年，人工綠洲輻射距離不斷增加，分別為8.15、9.05、10.97和14.39 km； 而林果產(chǎn)業(yè)(果園)輻射距離1992—1998年從5.75 km增至7.27 km，1998—2018年保持穩(wěn)定。

4 討論

4.1 迪那河流域輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展受政策驅(qū)動

迪那河流域輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(表2、表3)與所在新疆維吾爾自治區(qū)林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢一致(劉敬強等， 2012)。20世紀90 年代中期到2000年，林果產(chǎn)業(yè)作為新疆實施資源轉(zhuǎn)移戰(zhàn)略的一項重要內(nèi)容被大力推廣，輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)在此期間(1992—1998年)增長顯著； 2000—2013年，自治區(qū)黨委、自治區(qū)人民政府堅持把林果產(chǎn)業(yè)作為糧、棉、果、畜四大基地之一強力推進， 2005和2008年2次召開林果產(chǎn)業(yè)工作會議，出臺《關(guān)于加快特色林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》和《關(guān)于進一步提高特色林果產(chǎn)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的意見》，明確加快推進林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)思想、戰(zhàn)略重點、總體目標和政策措施，林果產(chǎn)業(yè)進入跨越式擴張期，輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)在此期間(1998—2007年)快速增長； 2012年底，新疆已完成林果基地建設(shè)任務(wù)，不再擴大林果種植規(guī)模，出臺《關(guān)于推進南疆特色林果產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效工作的通知》(新林發(fā)〔2018〕24號)，并印發(fā)《南疆特色林果產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效工作推進方案》，全力推進林果產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效； 2012年至今，新疆林果產(chǎn)業(yè)進入提質(zhì)增效期，輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)用地面積在此期間(2007—2018年)平穩(wěn)增長。

4.2 迪那河流域林果產(chǎn)業(yè)對人工綠洲擴張的推動作用小于耕地

迪那河流域輪臺人工綠洲產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與所在新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似(鄧銘江， 2016)，以棉花種植為主的耕地擴大在人工綠洲擴張中起主導(dǎo)作用。1998年，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于深化棉花流通體制改革的決定》，棉花收購和銷售價格由市場形成。新疆棉花單產(chǎn)較高，棉田廣闊，地勢平坦，適合大面積機械作業(yè)，所以棉花生產(chǎn)的勞動生產(chǎn)率高于其他地區(qū)，在市場力量作用下，棉花生產(chǎn)向新疆集中(朱會義， 2013)； 2000年，新疆得到國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略支持，棉花產(chǎn)業(yè)進一步擴張。在開墾政策的同時影響下，這一期間輪臺人工綠洲耕地面積在棉花產(chǎn)業(yè)帶動下快速增長，耕地增長速度遠大于林果產(chǎn)業(yè)擴張速度。2008年，全球金融危機爆發(fā)后，國際棉花價格劇烈波動，且隨著植棉成本不斷提高，植棉效益逐漸下降，部分棉農(nóng)放棄種植棉花，去種植勞動力投入和技術(shù)要求低的糧食作物，或去種植更具優(yōu)勢的林果作物(包艷麗， 2016)，但以棉花種植為主的耕地面積擴大仍然高于這一時期林果產(chǎn)業(yè)擴張速度(1%)。

圖4 1992—1998年、1998—2007年、2007—2018年和1992—2018年林果產(chǎn)業(yè)用地流動情況Fig.4 The land transformation of forestry and fruit industry from 1992 to 1998， 1998 to 2007， 2007 to 2018 and 1992 to 2018

圖5 1992、1998、2007和2018年人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)用地分布重心Fig.5 The distribution center of forestry and fruit industry in artificial oasis in 1992， 1998， 2007 and 2018

圖6 1992、1998、2007和2018年林果產(chǎn)業(yè)和人工綠洲輻射距離Fig.6 The radiation distance of forestry and fruit industry and artificial oasis in 1992， 1998， 2007 and 2018

4.3 迪那河流域輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展范圍穩(wěn)定

迪那河流域輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)用地分布重心和輻射范圍穩(wěn)定說明近年來輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展范圍比較穩(wěn)定(圖5、圖6)，林果產(chǎn)業(yè)用地面積增加多來源于原有人工綠洲內(nèi)耕地的轉(zhuǎn)化和未利用土地的開墾，少量來源于在人工綠洲外圍戈壁區(qū)土地的轉(zhuǎn)入(圖4)。不同于耕地傾向于向沙漠區(qū)擴張，流域內(nèi)林果產(chǎn)業(yè)傾向于向戈壁區(qū)擴張(圖3)，這與迪那河流域輪臺人工綠洲所處的地理位置和自然條件有關(guān)。新疆天山以南廣闊的山前洪積、沖積平原，土地平坦，山前堆積型戈壁區(qū)的礫石覆蓋度和粒徑均值隨海拔降低而下降(穆悅等， 2018)，礫石下土層深厚疏松，透氣性好，多壤土、沙壤土和灰漠土，這些自然條件適宜新疆林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展(劉敬強等， 2012)。

5 結(jié)論

迪那河流域輪臺人工綠洲林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展受政策影響較大， 1992—1998年增長顯著， 1998—2007年進入跨越式發(fā)展階段， 2007—2018年平穩(wěn)增長，發(fā)展趨勢與所在新疆維吾爾自治區(qū)林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢一致； 林果產(chǎn)業(yè)對人工綠洲擴張的推動作用小于耕地； 林果產(chǎn)業(yè)用地面積增加多來源于原有人工綠洲內(nèi)耕地的轉(zhuǎn)化和未利用土地的開墾，少量來源于人工綠洲外圍戈壁區(qū)土地的轉(zhuǎn)入； 相比于沙漠區(qū)，戈壁區(qū)更適合林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展。未來干旱區(qū)小流域林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要管理者綜合考慮產(chǎn)業(yè)、環(huán)境和資源等影響因素，制定適合區(qū)域的林果產(chǎn)業(yè)政策，為人工綠洲的全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。