李小玉，蒲 智，唐 芳

（新疆農(nóng)業(yè)大學計算機與信息工程學院，烏魯木齊 830052）

土地利用變化作為全球環(huán)境變化的關鍵組成部分［1，2］，它是人類活動及行為對地表自然生態(tài)環(huán)境影響最明顯的標志，是人類社會行為與自然生態(tài)過程交互和鏈接的紐帶［3］。近幾十年來海河流域經(jīng)濟社會高速發(fā)展、城市化建設加快、產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，流域內(nèi)的土地利用隨之發(fā)生調(diào)整和結構性變化［4］。河流所維持的生態(tài)資源是人類不可或缺的自然資源，定量分析流域的土地利用變化過程，能夠及時監(jiān)測到變化走勢，進而更加合理地開發(fā)和利用流域土地，維持流域自然資源的可持續(xù)發(fā)展。越來越多的學者對河流流域的土地利用變化展開研究，何萬華等［5］研究分析了雅魯藏布江及其支流拉薩河與年楚河的土地利用時空變化的影響特征及規(guī)律。鞏杰等［6］以甘肅省疏勒河中下游為研究對象分析了土地利用變化對其生態(tài)環(huán)境的響應。王爽等［7］探討了艾比湖流域1990—2011 年土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化特征。李景遠等［8］通過車爾臣河流域土地利用/覆蓋類型變化與生態(tài)環(huán)境效應進行綜合分析，從而了解土地利用類型變化引起的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問題。孫琳等［9］分析研究了東江流域土地利用變化的時空特征，為粵港澳大灣區(qū)建設提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究以位于新疆北部的烏倫古河流域為研究區(qū)域，其為新疆阿勒泰地區(qū)第二大河流，由于其大陸性氣候以及豐富光、熱、水資源，使其適合于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，該流域農(nóng)業(yè)灌溉用水量占全流域總用水量的90%以上［10-12］。大量開發(fā)耕地發(fā)展經(jīng)濟導致20 世紀60、70 年代河流水位下降、流域面積萎縮，從而使得生態(tài)環(huán)境質(zhì)量急速下降，流域周圍逐漸出現(xiàn)荒漠化跡象。本研究定量分析了烏倫古河流域土地利用變化的類型和方向，為其可持續(xù)發(fā)展和資源統(tǒng)籌管理決策等提供科學依據(jù)［13，14］。

1 研究區(qū)概況

烏倫古河是準噶爾盆地內(nèi)非常重要的一條內(nèi)陸河，也是新疆年際變化最大的河流［15］，地處準噶爾盆地西北邊緣，其流域范圍具體位于87°05′—91°04′E，45°46′—47°28′N（圖1）。烏倫古河發(fā)源于青河縣境內(nèi)阿爾泰山脈，自東向西流經(jīng)富蘊縣，最終匯入福海縣烏倫古湖。主要支流有4 條，即大青格里河、小青格里河、查干河、布爾根河，河流全長725 km，干流長95 km，流域面積為6.14×104km2（中國境內(nèi)集水面積為2.76×104km2）［16］，其水源主要來自高山融雪和降水補給。烏倫古河為新疆農(nóng)業(yè)提供豐富水源，對當?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展起著非常重要的作用。

圖1 烏倫古河位置

2 研究數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

選用Landsat5-TM 和Landsat8-OLI/TIRS 的衛(wèi)星影像，數(shù)據(jù)具體來源于美國地質(zhì)勘探局（http：//glovis.usgs.gov/）。共有4 期數(shù)據(jù)，分別為1990、2000、2010、2019 年，影像軌道號為141/27、141/28、142/28、143/27、143/28 共20 景，其云量均低于6%，成像日期集中在6—9 月。對影像進行預處理，包括輻射定標、幾何校正和大氣校正，然后進行影像鑲嵌，最后根據(jù)矢量邊界數(shù)據(jù)裁剪出研究區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，最終通過監(jiān)督分類與目視解譯相結合的方法得到土地利用變化信息。

土地利用分類系統(tǒng)采用劉紀遠［17］提出的分類體系，具體參考中國科學院土地資源分類系統(tǒng)，將影像中的土地資源按照一級分類分為6 類，即耕地（包括熟地、荒地、休耕地）、林地（包括天然林、人工林）、草地、建設用地、水域（包括天然水域、水利設施用地）、未利用地。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度綜合指數(shù) 土地利用程度綜合指數(shù)指土地利用程度，可以具體反映土地利用的深度和廣度，此量化指標取值區(qū)間為［100，400］，在此區(qū)間內(nèi)代表土地利用處于合理開發(fā)階段，指數(shù)值越大土地利用程度越高。其數(shù)學模型［18］表示如下。

式中，L為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比；n為土地利用程度分級數(shù)。

2.2.2 土地利用單一動態(tài)度 土地利用單一動態(tài)度指某一地類在一定時間段內(nèi)的變化速度，定量反映土地利用變化情況，可用于預測土地利用變化情況。單一土地動態(tài)度變化在一定程度上反映了人類對土地利用方式的干擾程度，動態(tài)度越大，人為干擾越劇烈［19］。當值為正數(shù)時，表示該類型面積增加，當值為負數(shù)時，表示該類型面積減少；單一土地動態(tài)度的絕對值可以用來衡量土地利用類型轉換數(shù)量的多少，當絕對值越小時，則說明該類型轉換數(shù)量越少，狀態(tài)較為穩(wěn)定，反之則說明該類型轉換數(shù)量越多，狀態(tài)較為劇烈。其數(shù)學模型如下。

式中，Kt為Ta到Tb時段內(nèi)i類土地利用類型動態(tài)度；Sa、Sb分別表示在Ta、Tb時間點時土地利用類型面積；Ta和Tb分別表示研究時間區(qū)間的初期和末期。

2.2.3 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣指研究區(qū)間內(nèi)不同時間點上土地利用情況的轉化關系，由此得到的二維矩陣，用來描述土地利用變化的結構特征和各類型之間的轉移方向，能夠定量表達研究區(qū)土地利用的結構變化特征、反映土地利用類型的轉變趨勢［20］，同時可以詳細地描述各土地利用類型變化的數(shù)量、去向以及來源［21］。其數(shù)學模型如下。

式中，S為土地利用面積；n為土地利用的類型；i和j分別為研究區(qū)域初期和末期的土地利用類型。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構變化分析

由圖2 可以看出，在近30 年的發(fā)展中，每種土地利用類型所占比例差異較大，其中，占比最大的是未利用地，1990、2000、2010、2019 年所占比例分別為62.84%、62.48%、58.70%、57.35%，均超過總面積的50%以上；占比最小的是建設用地，4 期占比分別為0.06%、0.10%、0.20%、0.39%；所占比例逐年增加的是耕地，分別為2.32%、2.99%、5.64%、7.40%；所占比例呈減少趨勢的是林地，分別為3.67%、3.88%、2.72%、2.71%；在4 期數(shù)據(jù)中草地的占比分別為26.73%、25.83%、27.97%、27.31%，水域占比分別為4.38%、4.72%、4.77%、4.84%，這2 種土地利用所占比例變化波動比較平穩(wěn)。

圖2 1990—2019 年烏倫古河流域各類土地利用類型占比

由表1 可以看出，1990、2000、2010、2019 年未利用地的面積分別為16 191.18、16 095.13、15 121.51、14 772.53 km2，1990—2019年共計減少了1 418.65 km2，是面積數(shù)量變化最大的土地類型，尤其是在2000—2010 年 表 現(xiàn) 最 為 明 顯，減 少 了973.62 km2；1990、2000、2010、2019 年 草 地 的面 積 分 別 為6 887.06、6 655.72、7 207.36、7 036.99 km2，整體趨勢為先減少后增加再減少，但最終的面積增加了149.93 km2；耕地、水域和建設用地面積一直為上升趨勢，耕地是1990—2019 年增加面積最多的一種土地利用類型，增加了1 311.16 km2，其中2000—2010 年是面積增加最多的一個時間段，耕地面積增加了682.25 km2，占總體增加面積的52%；水域的面積共增加了118.62 km2，其中1990—2000 年增加面積最多，由初期的1 128.72 km2增加至末期的1 214.83 km2。建設用地在1990—2000 年增加了11.42 km2、2000—2010年增加了24.84 km2、2010—2019年增加了49.01 km2，共增加了85.27 km2，增加的面積一直呈上升趨勢；林地的面積變化情況為先增加后減少再減少，在近30 年來，共計減少了246.32 km2，其中2000—2010 年減少了299.56 km2，占整體變化面積的122%。

表1 1990—2019 年烏倫古河流域各類土地利用類型面積及變化 （單位：km2）

3.2 土地利用動態(tài)度變化分析

1990—2019 年烏倫古河流域的草地、耕地、水域、林地、建設用地、未利用地的動態(tài)變化情況如表2 所示。

表2 1990—2019 年烏倫古河流域土地利用單一動態(tài)度 （單位：%）

1）1990—2000 年草地和未利用地的動態(tài)度分別為-0.34%和-0.06%，耕地、水域、林地、建設用地的動態(tài)度分別為2.93%、0.76%、0.58%、7.37%，表明在該時間內(nèi)草地和未利用地的面積均在減少，而其余4 種土地利用類型均在增加，這6 種土地利用類型動態(tài)度的絕對值大小表現(xiàn)為建設用地＞耕地＞水域＞林地＞草地＞未利用地，表明建設用地的轉換數(shù)量最多，狀態(tài)變化最劇烈，未利用地的轉換數(shù)量最少，狀態(tài)變化最穩(wěn)定。

2）2000—2010 年林地和未利用地的動態(tài)度分別為-2.99%和-0.60%，表明這2 類土地利用類型面積均在減少，而其余4 類動態(tài)度均為正值，表明面積均在增加，其中，建設用地的動態(tài)度為9.23%，在所有類型中絕對值最大，表明建設用地的轉換數(shù)量最多，狀態(tài)變化最劇烈，其次是耕地，動態(tài)度為8.85%，轉換數(shù)量最少、狀態(tài)變化最穩(wěn)定的是水域，其動態(tài)度為0.12%。

3）2010—2019 年草地、林地、未利用地的動態(tài)度分別為-0.24%、-0.03%、-0.23%，表明這3 種土地利用類型的面積呈下降趨勢，其余3 種類型的動態(tài)度均為正值，表明面積呈上升趨勢。動態(tài)度絕對值最大的是建設用地，為9.47%，絕對值最小的是林地，為-0.03%，表明建設用地的轉換數(shù)量最多，狀態(tài)變化最劇烈，而林地則與之相反。

4）1990—2019 年林地和未利用地的動態(tài)度分別為-0.90%和-0.30%，表明這2 種土地利用類型的面積在近30 年有所減少，草地、耕地、水域、建設用地的動態(tài)度分別為0.08%、7.58%、0.36%、18.97%，這4 種類型的土地利用面積均有所增加，從而可以看出建設用地的數(shù)量變化最多，狀態(tài)變化最劇烈，其次是耕地。草地、水域、林地、未利用地的動態(tài)度絕對值均在1%以內(nèi)，表明這4 種類型的變化較為平穩(wěn)，并且數(shù)量變化相對較少。

3.3 土地利用程度變化分析

通過土地利用面積占比數(shù)據(jù)和土地利用類型分級指數(shù)，計算得到1990—2019 年烏倫古河流域土地利用程度。由表3 可以看出，1990、2000、2010、2019年土地利用程度綜合指數(shù)分別為139.59、140.74、147.34、150.84，呈逐步上升趨勢，4 期的數(shù)據(jù)值均在100～400，表明這30 年的土地利用開發(fā)都處在合理開發(fā)階段，并且具有充足的上升空間。在1990—2000 年土地利用程度綜合指數(shù)增加了1.15，2000—2010 年增加了6.60，2010—2019 年增加了3.50，綜上，2000—2010 年土地利用和開發(fā)程度最高。

表3 1990—2019 年烏倫古河流域土地利用程度綜合指數(shù)

3.4 土地利用轉移矩陣分析

由表4 至表6 可知，1990—2000 年、2000—2010年、2010—2019 年發(fā)生轉移的土地利用面積分別為1 174.58、3 316.91、910.91 km2，由 此 得 到2000—2010 年土地利用變化波動較大，轉移方向比較活躍。這與表3 中土地利用程度綜合指數(shù)變化最大的年份相對應，說明2000—2010 年土地利用變化的發(fā)展速度較快，并且呈多樣化發(fā)展的趨勢。

表4 1990—2000 年烏倫古河流域土地利用轉移矩陣 （單位：km2）

表6 2010—2019 年烏倫古河流域土地利用轉移矩陣 （單位：km2）

1990—2000 年草地的轉出面積最多，占總轉出面積的49.32%，而草地的主要轉入來自于耕地和林地；耕地共轉出了122.23 km2，但其中52.19%都轉為草地；林地的轉移方向主要集中在耕地和草地，占其轉出總面積的88.28%；水域和建設用地的轉移數(shù)量較少，表明這2 種類型的土地利用變化較為緩慢。

2000—2010 年各類型的轉出面積排序為未利用地＞草地＞林地＞耕地＞水域＞建設用地，其中，未利用地轉出面積中有62.29%的面積轉為草地，33.08%的面積轉為耕地；草地的轉入面積除了未利用地以外，還來源于耕地和林地，轉入面積分別為92.71 km2和385.80 km2；林地轉出面積有75.33%轉向了草地；耕地的轉出較為平均，48.00%轉為草地，33.28%轉為林地，12.74%轉為未利用地，而水域主要向草地和未利用地轉出。

2010—2019 年未利用地的轉出面積最多，占轉出總面積的48.97%，主要轉向草地和耕地；其次是草地，占轉出總面積的38.33%，主要轉向了耕地和未利用地；耕地轉出比為7.31%，主要轉向草地，同時耕地的轉入面積最多，其轉入面積占總轉入面積的57.18%，主要來源于未利用地和草地。林地、水域、建設用地的轉出占比較少，轉出面積最少的是建設用地，僅有1.01 km2。

表5 2000—2010 年烏倫古河流域土地利用轉移矩陣 （單位：km2）

4 小結與討論

1）1990—2019 年由于人口數(shù)量的增長和發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的需求，使得河流沿岸的耕地和建設用地面積不斷增長，1990—2000 年耕地和建設用地增加面積分別為174.67、11.42 km2，2000—2010 年耕地和建設用地增加面積分別為682.25、24.84 km2，2010—2019 年耕地和建設用地增加面積分別為454.24、49.01 km2，耕地共計增加了1 311.16 km2，建設用地共計增加了85.27 km2。

2）1990、2000 、2010、2019 年林地面積分別為945.69、1 000.88、701.32、699.37 km2。從2000 年開始林地面積逐漸下降，尤其是在2000—2010 年，林地減少面積最多，并且林地主要轉向草地。因為隨著人口數(shù)量和耕地面積的增長，用水量的使用也同時增長，導致流域的地表徑流量逐漸下降，原有的生態(tài)系統(tǒng)逐漸被破壞，開始發(fā)生逆向演替。流域附近的林地開始發(fā)生退化，逐步退化為草地、荒地，最終演變?yōu)榛哪车亍?/p>

3）水域的變化一直處在比較平穩(wěn)的狀態(tài)，變化波動較小。由《阿勒泰地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護條例》可知，為滿足人們?nèi)找嬖龃蟮挠盟枨?，需要對烏倫古河流域的水資源進行合理規(guī)劃，目前主要采取對流域內(nèi)的耕地進行滴灌澆水的方法，并且修建水庫及防滲透的水渠，這一系列措施減少了水的損耗。同時，修建了引額濟烏倫古湖的渠道工程，將額爾齊斯河的水注入烏倫古湖，緩解了烏倫古河流域的水域壓力，避免生態(tài)環(huán)境的進一步惡化，保持自然資源的綠色發(fā)展。

4）烏倫古河作為阿勒泰地區(qū)的重要水源地，對青河縣、富蘊縣、福海縣和兵團農(nóng)十師182 團這些區(qū)域發(fā)展起到關鍵作用。由于之前的過度開發(fā)導致植被范圍出現(xiàn)大量縮減，造成河流區(qū)域部分土地甚至出現(xiàn)沙化趨勢。因此對土地利用要做到規(guī)范、合理、適度，同時要及時監(jiān)測土地利用變化情況，看其是否在合理的開發(fā)范圍之內(nèi)，進而幫助生態(tài)環(huán)境的恢復，使其可持續(xù)發(fā)展。

本研究選取烏倫古河流域作為研究對象，探討了1990—2019 年其流域土地利用的動態(tài)變化特征，運用監(jiān)督分類中的最大似然法與數(shù)理統(tǒng)計方法，最終結果與前人研究的發(fā)展趨勢相一致，但仍有不足之處。采用的影像為低中分辨率的影像，其分類的精準度不如高分辨的影像，最終的結果僅展示出1990—2019 年的變化，沒有對以后發(fā)展狀況的預測。