尹慧慧，毋兆鵬，王珊珊，王娟娟

（新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院/新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，烏魯木齊 830054）

作為人類生存和發(fā)展的基本要素，土地資源能為人類的生活和生產(chǎn)提供基本保障。土地利用變化是人類活動與自然資源進行物質(zhì)和能量交換的重要途徑，在一定程度上，既能反映社會經(jīng)濟的發(fā)展又能直接影響生態(tài)環(huán)境的變化。

隨著社會經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，大規(guī)模的人類活動將加大土地利用的開發(fā)，導(dǎo)致土地供需矛盾突出。土地利用/覆被變化（Land use/cover change，LUCC）的研究已成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點問題［1］。目前國內(nèi)外學(xué)者對土地利用變化的研究內(nèi)容，主要涉及土地利用的時空演變［2］、驅(qū)動力及驅(qū)動機制［3，4］、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)［5-8］及情景模擬與預(yù)測［9-13］等方面。從研究區(qū)選擇來看，主要集中于人口密集、經(jīng)濟繁榮、濕潤、半濕潤和半干旱區(qū)，而對生態(tài)脆弱的干旱區(qū)綠洲城市土地利用變化的研究相對薄弱。

烏魯木齊市位于西北干旱區(qū)，屬于典型河谷綠洲城市，是絲綢之路經(jīng)濟帶的核心區(qū)，是開展對外經(jīng)濟文化交流的重要門戶。在工業(yè)現(xiàn)代化過程中，由于其地形條件及水土資源空間分布不平衡，已無法按照“以水定地”的原則實現(xiàn)耕地占補平衡，適宜城市建設(shè)發(fā)展的空間與周邊耕地和基本農(nóng)田分布高度重疊，導(dǎo)致土地利用在布局上頻頻掣肘［14］。在此背景下，以烏魯木齊市為研究區(qū)，主要分析2000—2018 年土地利用變化時空特征，設(shè)置3 種情景模擬預(yù)測2035 年土地利用發(fā)展趨勢，為土地利用規(guī)劃、可持續(xù)發(fā)展與資源管理統(tǒng)籌決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市深處大陸腹地，遠離海洋，屬中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)。地勢由東南向西北降低，分為山地、山間盆地與丘陵、平原3 個梯級，市區(qū)平均海拔800 m；降水稀少，蒸發(fā)強烈，四季分布不均?，F(xiàn)轄7 區(qū)1 縣，總面積1.42×104km2（圖1）。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

主要選取的影像數(shù)據(jù)分別是2000 年和2010 年的 Landsat5 TM，2018 年的 Landsat8 OLI 影像，成像時間均為當(dāng)年8 月，影像云量小于5%，影像數(shù)據(jù)均來源于地理空間數(shù)據(jù)云。在完成輻射定標(biāo)、大氣糾正、幾何糾正等常規(guī)處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)和研究目標(biāo)，采用最大似然監(jiān)督分類法將土地類型分為草地、建設(shè)用地、耕地、林地、水體、未利用地。分類結(jié)果與Google 影像對比驗證，總體精度均在89%以上。

2 研究方法

2.1 單一土地利用動態(tài)度

分析2000—2018 年研究區(qū)土地利用類型演變特征及某一土地利用類型在一定研究時段內(nèi)變化速率，采用單一土地利用動態(tài)度表示［15］（式1）。

式中，R表示某一土地利用類型在研究期間的變化速率，Ua、Ub分別表示同時期內(nèi)土地利用類型初期、末期的面積，T為期限。

2.2 土地利用預(yù)測

FLUS 模型是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（ANN）處理各土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化過程中復(fù)雜性與不確定性的一種預(yù)測模型［16，17］，由自適應(yīng)慣性系數(shù)、發(fā)展概率和鄰域因子構(gòu)成。在模擬過程中為了使各類用地的數(shù)量能符合實際需求特征，通過在迭代中采用自適應(yīng)慣性系數(shù)來合理調(diào)整土地利用類型之間的預(yù)期需求和實際分配差異（式2）。

考慮坡度、高程、距道路距離、距城市中心距離、距水體距離及人口數(shù)量等驅(qū)動因子影響，通過計算各用地總體轉(zhuǎn)換概率，確定土地利用轉(zhuǎn)換類型，獲取土地利用類型的適宜性概率（式3）和鄰域影響因子（式4）。

式中，t為迭代次數(shù)為 像 元p在 迭 代 次數(shù)t時轉(zhuǎn)化為地類k的總概率；sp(p,k,t)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的適宜性概率；scc→k為地類c轉(zhuǎn)化為地類k的成本；1-scc→k為轉(zhuǎn)換的難易程度為鄰域作用；為在t-1 次迭代中N×N的界面上地類k的數(shù)量，本研究N=7，ωk為不同用地類型的鄰域作用強度不同而設(shè)定的權(quán)重。

鄰域因子參數(shù)∈（0，1），其值越接近1，表示該用地類型擴張能力越強。參考前人研究［18］并考慮研究區(qū)各地類特征對各鄰域因子參數(shù)進行賦值（表1）。

表1 鄰域因子參數(shù)

2.3 土地利用情景設(shè)置

結(jié)合研究區(qū)當(dāng)前的自然資源環(huán)境和社會經(jīng)濟因素對土地利用設(shè)置3 種情景進行2035 年模擬預(yù)測（表2）。

表2 情景模擬轉(zhuǎn)換成本矩陣

自然發(fā)展情景（情景1）。結(jié)合研究區(qū)實際情況和土地利用發(fā)展?fàn)顩r，對所有土地利用類型不設(shè)轉(zhuǎn)化限制進行預(yù)測。

基本保護情景（情景2）。在自然發(fā)展情景1 基礎(chǔ)上，適當(dāng)控制城市用地發(fā)展速度即限制將建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為其他地類，其他地類之間可相互轉(zhuǎn)換。

生態(tài)保護發(fā)展情景（情景3）。參考《烏魯木齊市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020 年）》確定的自然保護區(qū)、水源保護區(qū)和永久基本農(nóng)田，將具有重要生態(tài)保護作用的林地、草地設(shè)定為不可轉(zhuǎn)出區(qū)域，但可彼此互轉(zhuǎn)；水體設(shè)定為不可轉(zhuǎn)出區(qū)域。

2.4 土地利用模擬精度驗證

以2010 年實際土地利用類型為基期，模擬2018年土地利用類型，并將模擬結(jié)果與實際2018 年土地利用對比，計算得出總體精度為0.95，Kappa 系數(shù)為0.91，F(xiàn)OM（Figure of Merit）值為0.70，模擬結(jié)果與真實土地利用情況呈現(xiàn)出較好的一致性（圖2）。

圖2 2018 年土地利用模擬結(jié)果對比

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時空格局變化

在空間上，2000—2018 年建設(shè)用地由中心向四周擴大，向北部發(fā)展最為明顯。受此影響，建設(shè)用地東、西部的草地和北部的耕地面積大量減少，在東部與南部山區(qū)，林地面積明顯增加，但水體面積增加僅出現(xiàn)在研究區(qū)北部（圖3）。

圖3 研究區(qū)土地利用分類

2000—2018 年研究區(qū)各地類面積表現(xiàn)為“三增三減”的變化特征（表3）。其中，建設(shè)用地、林地和水體面積呈逐年遞增的趨勢，面積分別增加了495.54、69.90、29.29 km2，動態(tài)變化度分別為7.79%、0.43%、1.11%；草地、耕地和未利用地面積處于逐年遞減趨勢，減少面積分別為157.72、179.34和239.67 km2，動態(tài)變化度分別為0.11%、1.02%、0.35%。

表3 2000—2018 年土地利用類型面積變化

對2000—2018 年土地利用類型間轉(zhuǎn)移情況進行分析，結(jié)果表明，研究區(qū)總體土地利用類型面積轉(zhuǎn)移，最明顯的是草地向未利用地轉(zhuǎn)移，共計轉(zhuǎn)移435.40 km2。其次，林地轉(zhuǎn)為草地、未利用地轉(zhuǎn)為草地及草地轉(zhuǎn)為耕地的面積，分別為277.60、200.60 和215.82 km（2圖4）。

圖4 各時段土地利用類型轉(zhuǎn)移面積

其中，2000—2010 年，土地利用面積轉(zhuǎn)移數(shù)量表現(xiàn)為草地向未利用地＞林地向草地＞草地向耕地＞未利用地向草地，分別為 403.45、265.67、227.84 和218.59 km2，表明該時期草地受到一定程度的破壞。2010—2018 年，土地利用面積轉(zhuǎn)移數(shù)量表現(xiàn)為草地轉(zhuǎn)為耕地＞草地轉(zhuǎn)為未利用地＞草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地＞林地轉(zhuǎn)為草地＞未利用地轉(zhuǎn)為草地，分別為77.05、57.51、39.90、23.25 和 3.99 km2。其中，草地向未利用地面積的轉(zhuǎn)移下降明顯，而向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移由2000—2010 年的20.97 km2增長至2010—2018年的39.90 km2，說明建設(shè)用地的擴張一部分是在犧牲草地面積的基礎(chǔ)上發(fā)展的。

3.2 土地利用格局預(yù)測

為了土地利用在未來發(fā)展中科學(xué)合理的規(guī)劃與布局，運用FLUS 模型分情景對研究區(qū)進行2035 年模擬預(yù)測（圖5）。結(jié)果表明，耕地面積變化較大的區(qū)域主要分布在頭屯河區(qū)、米東區(qū)及烏魯木齊縣。建設(shè)用地面積變化較大區(qū)域主要分布在新市區(qū)、頭屯河區(qū)、米東區(qū)。

圖5 研究區(qū)2035 年土地利用變化預(yù)測

在自然發(fā)展情景下，2018—2035 年土地利用類型間轉(zhuǎn)移情況分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)移面積位于前四的是草地向耕地、未利用地向草地、草地向未利用地和草地向建設(shè)用地，分別為 105.26、84.10、35.97 和31.31 km（2圖6）。從空間分布格局來看，建設(shè)用地面積變化明顯區(qū)域主要分布在頭屯河區(qū)、新市區(qū)及米東區(qū)，耕地面積變化明顯區(qū)域主要分布在頭屯河區(qū)和新市區(qū)，這些區(qū)域地勢平坦，適宜城市建設(shè)和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。

圖6 3 種情景土地利用類型轉(zhuǎn)移面積

在基本保護情景下，轉(zhuǎn)移面積位于前四的是草地向建設(shè)用地、耕地和未利用地的轉(zhuǎn)移，林地向草地的轉(zhuǎn)移，分別為 59.91、48.81、31.34 和 26.61 km2。從空間分布格局來看，建設(shè)用地面積變化明顯區(qū)域主要分布在頭屯河區(qū)和米東區(qū)，耕地面積變化區(qū)域與建設(shè)用地變化區(qū)域相對應(yīng)，這一趨勢符合烏魯木齊市“南控、北擴、先西延、后東進”的城市發(fā)展戰(zhàn)略。

在生態(tài)保護情景下，土地利用類型間轉(zhuǎn)移面積位于前二位的是未利用地向草地、林地向草地，分別為36.83和25.34 km2。從空間分布上來看，林地面積變化明顯區(qū)域主要分布在達坂城區(qū)與烏魯木齊縣。

4 驅(qū)動因素分析

4.1 自然因素

降水和氣溫的變化直接影響區(qū)域徑流和土地覆被的特征，氣候數(shù)據(jù)表明，近18 年的年均氣溫上升趨勢不顯著，降水量卻呈上升趨勢（圖7）。參考2017 年《新疆統(tǒng)計年鑒》，烏魯木齊市地表水資源量為11.70×108m3，其中第一產(chǎn)業(yè)用水占比54.09%，第二產(chǎn)業(yè)用水占比16.87%，第三產(chǎn)業(yè)用水占比3.02%，居民生活用水占16.16%，生態(tài)環(huán)境用水量占9.86%。按照目前水資源利用情況，唐宏等［19］、李韌等［20］研究結(jié)果表明如果肆意擴大建設(shè)用地面積，2030 年流域內(nèi)會將出現(xiàn)用水緊張局面。

圖7 研究區(qū)年均氣溫與降水變化

4.2 人文因素

人口在土地利用變化過程中是最具有影響的人文因素。近18 年，研究區(qū)城市人口數(shù)量從2000 年的164.38 萬人增長至2018 年的222.26 萬人，年均增長率為1.96%。與此相對應(yīng)，國內(nèi)生產(chǎn)總值從2000 年275 億元增長至 2018 年的 3 099.37 億元，年均增長率為57.06%（圖8）。人口的膨脹與經(jīng)濟迅猛發(fā)展必然會引起耕地與建設(shè)用地面積的變化。從國內(nèi)生產(chǎn)總值來看，第一產(chǎn)業(yè)所占比重相對穩(wěn)定；第二產(chǎn)業(yè)比重有所下降，降幅為14.3 個百分點；第三產(chǎn)業(yè)比重呈增長趨勢，增幅為14.9 個百分點，表明各產(chǎn)業(yè)在不斷發(fā)展的同時，土地利用類型也在變化。

圖8 研究區(qū)人文因素變化

5 小結(jié)

人類社會活動受到地形地質(zhì)條件、自然資源和社會經(jīng)濟等諸多因素的影響，科學(xué)合理規(guī)劃土地利用是干旱區(qū)綠洲城市發(fā)展首要考慮的問題。2000—2018 年，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，烏魯木齊市土地利用類型面積的變化各不相同。為滿足研究區(qū)的發(fā)展需要，草地、耕地及未利用地呈逐年遞減趨勢，耕地與草地在西北部面積明顯減少，林地、水體、建設(shè)用地呈逐年遞增的趨勢，建設(shè)用地面積在北部遞增顯著。由此可見，土地利用類型的變更勢必引起社會經(jīng)濟在區(qū)域的發(fā)展方向。研究期間，烏魯木齊市始終以服務(wù)型經(jīng)濟為重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)，大量的產(chǎn)業(yè)集中區(qū)聚集在中心城區(qū)周邊，對建設(shè)用地、耕地的需求增多，就會通過掠奪其他土地類型（如草地、耕地等）來滿足發(fā)展需要，從而使得建設(shè)用地擴張顯著。但自《烏魯木齊市城市總體規(guī)劃（2011—2020 年）》實施以來，城市用地符合“南控、北擴、先西延、后東進”的空間布局，建設(shè)用地及耕地擴張受到限制。由此可見，人類對土地資源的改造是土地類型更替變化的主要誘因。

在多情景模擬預(yù)測中，對基本保護情景與生態(tài)保護情景轉(zhuǎn)換規(guī)則的設(shè)置是結(jié)合烏魯木齊市發(fā)展戰(zhàn)略要求，“南控”是指南山風(fēng)景區(qū)及水資源保護區(qū)發(fā)展受限，因此草地、林地及水體這三者之間可相互轉(zhuǎn)化，設(shè)置代碼為1；“北擴”指北部沖洪積扇綠洲，是拓展建設(shè)用地、耕地發(fā)展的必然選擇，因此草地可以向建設(shè)用地、耕地轉(zhuǎn)化，設(shè)置代碼為1，而水資源是稀缺資源，不能轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、未利用地，設(shè)置代碼為0；“西延、東進”均是在生態(tài)保護基礎(chǔ)上進行發(fā)展的，因此，草地、耕地、林地、水體及建設(shè)用地不能轉(zhuǎn)化為未利用地，設(shè)置代碼為0。在上述規(guī)則設(shè)置下，模擬預(yù)測結(jié)果對調(diào)控未來土地利用生態(tài)保護具有一定指導(dǎo)作用。尤其是，對于主要分布在烏魯木齊縣及達坂城區(qū)的天然牧場以及森林、河流和灘涂等新增核心生態(tài)用地，更應(yīng)注意避免人類活動對其占用，一旦被破壞，很難重建起原有的生態(tài)體系，同時影響未來生態(tài)屏障建設(shè)。

2000—2018 年烏魯木齊市土地利用類型面積呈“三增三減”的變化特征，其中，建設(shè)用地面積增長動態(tài)變化度最大，為7.79%，耕地面積減少動態(tài)度最大，為1.02%。2000—2018 年，土地利用類型轉(zhuǎn)移最明顯的是草地向未利用地、林地向草地及草地向耕地的轉(zhuǎn)換，面積分別為 435.40、277.60 和 215.82 km2。自然發(fā)展情景下，草地轉(zhuǎn)為耕地面積最多，為105.26 km2，其次是未利用地轉(zhuǎn)為草地、草地轉(zhuǎn)為未利用地和草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地?；颈Ｗo情景下，草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地面積最多，為59.91 km2，其次是草地轉(zhuǎn)為耕地、草地轉(zhuǎn)為未利用地和林地轉(zhuǎn)為草地。生態(tài)保護情景下，未利用地和林地面積均向草地轉(zhuǎn)移，分別為 36.83 和 25.34 km2。

運用FLUS 模型預(yù)測研究區(qū)2035 年土地利用發(fā)展趨勢，選取自然和人文等驅(qū)動因子，最大程度地保證模型的精確度。由于面對多個復(fù)雜因素，對生物和地質(zhì)環(huán)境等因素未能充分考慮，F(xiàn)LUS 模型的模擬結(jié)果準(zhǔn)確性仍然存在一定的局限。