李 瑩，劉文昊，靳瑰麗，魏秀紅，宮 珂，馬 建，劉智彪，王生菊，李嘉欣，王瑾瑜

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 / 新疆草地資源與生態(tài)重點實驗室 / 西部干旱荒漠區(qū)草地資源與生態(tài)教育部重點實驗室, 新疆烏魯木齊 830052；2.烏魯木齊市園林工程質(zhì)量監(jiān)督站(烏魯木齊市林草種苗站), 新疆 烏魯木齊 830092）

草地面積是草地調(diào)查的重要依據(jù)，常作為土地利用、生態(tài)保護和規(guī)劃方面的評價指標(biāo)[1-2]。近年來，隨著氣候趨向暖濕化發(fā)展，加之人類不斷對草地進(jìn)行開墾、放牧等活動的干擾，草地面積處于動態(tài)變化之中，多為處于面積減少的不利變化[3-4]。草地面積的減少是判斷草地退化的指征，及時掌握草地面積變化，揭示草地面積消長規(guī)律，找出影響其變化的驅(qū)動因子，可為草地的恢復(fù)治理及利用提供參考依據(jù)。

目前有關(guān)草地面積方面的相關(guān)數(shù)據(jù)，有20 世紀(jì)80 年代草地資源普查數(shù)據(jù)以及第3 次國土資源調(diào)查的數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)都以具體的調(diào)查時點為統(tǒng)計節(jié)點[5]。隨著時間的發(fā)展，草地面積不斷變化，草地資源管理需要掌握草地面積動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。遙感技術(shù)具有長期、動態(tài)、連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點，在大尺度面積監(jiān)測中具有不可替代的優(yōu)勢[6-7]。近年來，隨著遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用及越來越多大數(shù)據(jù)平臺的逐漸搭建，遙感技術(shù)成為草地面積時空動態(tài)變化研究不可或缺的監(jiān)測手段[8-10]。目前利用遙感技術(shù)專門針對草地面積變化的研究較少，大都涵蓋在土地利用變化中，如肖云飛等[11]、劉芳等[12]、常虹等[13]利用遙感手段對不同區(qū)域的土地利用類型中的草地面積進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測；許曉聰?shù)萚14]和張海燕等[15]利用不同影像數(shù)據(jù)和方法對草地面積進(jìn)行監(jiān)測；劉亞茹等[16]和向珊[17]分析了土地利用類型中草地面積變化的影響因子。雖然前人對草地面積進(jìn)行了相關(guān)研究，但多探討了草地與其他地類之間的轉(zhuǎn)換，忽略了草地類型與其他類型草地間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。草地類型反映了草地的發(fā)生和演替規(guī)律，以及草地的生產(chǎn)力和生態(tài)功能，不同草地類型具有獨特的植被特征、生境因素和經(jīng)營管理措施[18]，研究不同類型下的草地面積在時間、空間上的變化規(guī)律以及導(dǎo)致其變化的驅(qū)動因素對區(qū)域草地資源的科學(xué)保護和利用具有重要意義。

烏魯木齊市是新疆維吾爾自治區(qū)的首府，具有豐富的草地資源，但生態(tài)環(huán)境十分脆弱，近年來，受諸多因素的影響，不同草地類型在不同年份里呈現(xiàn)出不同的動態(tài)變化[19]，研究烏魯木齊市天然草地不同草地類型面積時空變化特征及驅(qū)動力對該市草地可持續(xù)利用及合理規(guī)劃具有一定的指導(dǎo)意義。因此，本研究以烏魯木齊市為研究區(qū)，利用單一土地利用動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣、灰色關(guān)聯(lián)分析等方法，對1990－2020 年烏魯木齊市草地及草地類型面積動態(tài)變化進(jìn)行研究，并分析其驅(qū)動因素，揭示長時間序列下草地及草地類型面積時空變化特征及規(guī)律，為烏魯木齊市草地的合理利用提供理論依據(jù)，也為掌握草地面積動態(tài)變化提供方法依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊位于中國西北地區(qū)，新疆維吾爾自治區(qū)的中部；屬于溫帶大陸性氣候，年日照時數(shù)2 400～3 000 h，年均溫7.0 ℃，年降水量271.4 mm。烏魯木齊市具有豐富的草地類型，主要分布在從北部準(zhǔn)噶爾盆地南緣至南部和東北部高山地區(qū)，不僅是烏魯木齊市草原畜牧業(yè)的主要載體，也是保護脆弱生態(tài)環(huán)境的天然屏障[20-21](圖1)。

圖1 研究區(qū)概況圖Figure 1 Overview of the study area

1.2 數(shù)據(jù)源

1.2.1 土地利用數(shù)據(jù)

通過資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)獲取1990－2020 年每5 年為1 期的土地利用數(shù)據(jù)集，空間分辨率30 m，該土地利用數(shù)據(jù)基于各期Landsat TM/ETM 中高分辨率遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人機交互的目視解譯方法生成，得到草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域、未利用地6 個土地類型的面積空間及屬性數(shù)據(jù)[22]。

1.2.2 草地類型數(shù)據(jù)

通過國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.ncdc.ac.cn/portal/)獲取新疆1 ∶ 100 萬草地資源類型圖，裁剪得到烏魯木齊市草地資源類型圖[23]。該數(shù)據(jù)集根據(jù)國家農(nóng)業(yè)部下發(fā)的《中國草地類型分類的劃分標(biāo)準(zhǔn)和中國草地類型分類系統(tǒng)》將烏魯木齊市草地類型劃分為9 類草地。

1.2.3 其他數(shù)據(jù)

通過查閱《新疆統(tǒng)計年鑒》，獲取烏魯木齊市1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020 年總播種面積、年末牲畜存欄、人口數(shù)、建成區(qū)面積、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值、牧業(yè)產(chǎn)值、地區(qū)生產(chǎn)總值、林業(yè)產(chǎn)值；通過國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http://www.geodata.cn)獲取研究區(qū)1990－2020 年均溫、年降水量數(shù)據(jù)[24]。

1.3 研究方法

1.3.1 草地面積動態(tài)變化

利用烏魯木齊市1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020 年土地利用中的草地數(shù)據(jù)裁剪1 ∶ 100 萬草地類型數(shù)據(jù)，得到1990－2020 年烏魯木齊市草地類型及其他土地利用類型數(shù)據(jù)集，分析土地利用中草地的不同草地類型間面積的年際變化規(guī)律，計算單一土地利用動態(tài)度，分析不同草地類面積變化程度及速率，計算公式[25-26]為：

式中：K是某一特定時期某一類型草地的動態(tài)度；Ua和Ub分別是研究的起始階段和研究結(jié)束后的某個草地類型的面積 (km2)；T為時間間隔。

1.3.2 草地面積流向分析

為闡明烏魯木齊市不同草地類草地面積流轉(zhuǎn)情況，根據(jù)1990－2020 年土地利用中草地的草地類及其他地類面積數(shù)據(jù)，計算其轉(zhuǎn)移矩陣，公式如下[27-29]：

式中：A代表面積；n代表土地類型數(shù)；i和j表示轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型；Aij表示i類土地利用類型轉(zhuǎn)移為j類土地利用類型的面積。

1.3.3 草地面積變化驅(qū)動力分析

為摸清烏魯木齊市草地變化的驅(qū)動因素，考慮到數(shù)據(jù)獲取的可行性，選取自然因素(年均溫、年降水量)、人為因素(總播種面積、年末牲畜存欄、人口數(shù)、建成區(qū)面積、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值、牧業(yè)產(chǎn)值、地區(qū)生產(chǎn)總值、林業(yè)產(chǎn)值)與不同草地類型面積進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，根據(jù)關(guān)聯(lián)度來衡量驅(qū)動因子的影響程度。為更好地解釋年均溫及年降水量對草地面積的影響，利用ArcGIS 10.7 軟件提取了不同時期不同草地類型的年均溫及年降水量數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用ArcGIS 10.7、ENVI 3.5 軟件對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和轉(zhuǎn)換；Excel 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理；SPSS Pro 軟件進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析；Origin Pro 2021繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地面積動態(tài)變化

2005－2010 年烏魯木齊市草地面積變化最大，減少了415.52 km2，平均每年減少69.25 km2，動態(tài)度為–1.29% (表1)；其 次 是2015－2020 年，減 少 了99.69 km2，平 均 每 年 減 少16.62 km2，動 態(tài) 度 為–0.33%；然后是2000－2005 年，減少了45.46 km2，平均每年減少7.58 km2，動態(tài)度為–0.14%；2010－2015 年，減少了29.63 km2，平均每年減少4.94 km2，動態(tài)度為–0.10%；1995－2000 年，減少了4.63 km2，平均每年減少0.77 km2，動態(tài)度為–0.01%；1990－1995 年變化最小，減少了0.01 km2，平均每年減少0.002 km2，動態(tài)度為–0.000 3%。

表1 1990－2020 年烏魯木齊市草地面積變化Table 1 Change of grassland area in Urumqi City from 1990 to 2020

1990－2020 年，烏魯木齊市草地面積整體呈減少趨勢，減少了594.94 km2，動態(tài)度為–0.31% (表2)。2020 年，在9 種草地類中，TS (溫性草原類)、TD (溫性荒漠類)、TDS (溫性荒漠草原類)的面積較大，占總面積的74.42%，面積分別為1 529.15、1 454.81、1 405.20 km2。面積減少的草地類為TGD (溫性草原化荒漠類)、TDS、TD，其中速率減少最快的是TD，動態(tài)度為–1.17%，主要發(fā)生在米東區(qū)，最慢的是TDS，動態(tài)度為–0.03%，主要分布在水磨溝區(qū)、達(dá)坂城區(qū)北部及東部；其余草地類面積呈增加趨勢，其中速率變化最快的是LM (低平地草甸類)，動態(tài)度為0.97%，主要發(fā)生在達(dá)坂城區(qū)西部，最慢的是AG (高寒草原類)，動態(tài)度為0.08%，主要發(fā)生在南部達(dá)坂城區(qū)(圖2)。

表2 烏魯木齊市不同草地類面積Table 2 Grassland area of different grassland types in Urumqi City

圖2 烏魯木齊市不同草地類分布圖Figure 2 Map of the distribution of different grassland species in Urumqi City

2.2 草地面積流向分析

1990－2020 年烏魯木齊市草地流出面積大于流入面積，凈變化面積為594.84 km2，其中，草地與未利用地之間的轉(zhuǎn)化面積最大，流入與流出面積分別為535.60、1 131.07 km2，其次是草地與林地之間的轉(zhuǎn)化面積，流入與流出面積分別為223.87、83.29 km2，然后是草地與建設(shè)用地、耕地之間的轉(zhuǎn)化面積，流入面積分別為6.54、133.70 km2，流出面積分別為212.96、53.12 km2(表3)；轉(zhuǎn)化面積最小的是草地與水域之間，流入與流出面積分別為14.74、28.85 km2。從草地類來看(圖3)，烏魯木齊市各草地類均有流入與流出，流出主要分布在烏魯木齊市城區(qū)周邊及米東區(qū)北部，流入主要分布在米東區(qū)南部及達(dá)坂城區(qū)西部。流出面積最大的草地類型是TD，占流出總面積的78.57%，且流出至未利用地938.43 km2，占流出面積的79.14%；流出面積最小的是AG，僅流向未利用地。流入面積較多的是TD 和TS，共占流入面積的71.69%，主要來源于未利用地，分別占流入面積的71.09、71.45%；流入面積最小的是AG，主要來源于未利用地。凈變化面積最大的是TD，凈減少787.07 km2，最小的是AG，凈增加0.36 km2。

表3 1990－2020 年烏魯木齊市不同草地類面積流向Table 3 Flow direction of different grassland areas in Urumqi City from 1990 to 2020 km2

圖3 1990－2020 年烏魯木齊市草地流向分布圖Figure 3 Distribution of grassland flow direction in Urumqi from 1990 to 2020

1990－2020 年，烏魯木齊市草地流出面積呈波動式增加，在2005－2010 年流出最多，為1 463.76 km2，在1990－1995 年流出最少，為1.8 km2(圖4)。從草地類來看，各草地類的流出面積變化也呈波動式增加，AM (高寒草甸類)、MM (山地草甸類)、TMG (溫性草甸草原類)、TGD、TDS、TD 均在2005－2010 年流出最多，范圍為13.36～1 088.99 km2，其中，MM、TGD 草地均在1995－2000 年流出最少，為0～0.04 km2，其余4 個草地類均在1990－1995 年流出最少，為0.03～0.97 km2；LM、TS 在201－2020 年流出最多，面積分別為9.75、154.90 km2，在1990－1995 年流出最少，分別為0.03、0.58 km2；而AG 流出較小，變化范圍為0～0.01 km2。

圖4 烏魯木齊市1990－2020 年不同年度間草地類面積流出圖Figure 4 Outflow map of grassland area in Urumqi from 1990 to 2020

1990－2020 年30 年間，烏魯木齊市草地流入面積呈現(xiàn)波動式增加，2005－2010 年烏魯木齊市草地流入面積最多，為1 048.28 km2，在1990－1995 年流入最少，為1.80 km2(圖5)。從草地類來看，各草地類型的流出面積變化也呈波動式增加，LM、AM、AG、MM、TMG、TS、TD 均在2005－2010 年流入面積最多，為5.16～426.10 km2，其中LM、TD 均在1990－1995 年流入最少，分別為0.03、1.29 km2，其余4 個草地類型均在1995－2000 年最少，為0.01～0.10 km2；TGD、TD 在2015－2020 年最大，分別為5.16、107.91 km2，其 中，TGD 在1995－2000 年 最 少，為0.02 km2，TDS 在1990－1995 年最少，為0.1 km2，AG草地面積流入變化較小，范圍為0～0.37 km2。

圖5 烏魯木齊市1990－2020 年不同草地類面積流入圖Figure 5 Inflow of different grassland areas in Urumqi from 1990 to 2020

2.3 草地面積變化驅(qū)動力分析

由烏魯木齊市不同草地類與驅(qū)動力因子的關(guān)聯(lián)度 (表4)可以看出，選取的12 個因子中，草地總面積與總播種面積的關(guān)聯(lián)度最大，為0.998；其次是年均溫，為0.990；然后是年降水、年末牲畜存欄數(shù)、人口數(shù)，關(guān)聯(lián)度均在0.97 以上。從草地類來看，高寒草甸類、高寒草原類、山地草甸類、溫性草甸草原類及溫性草原類面積與總播種面積關(guān)聯(lián)度最大，均為0.998；低平地草地類面積與年末牲畜存欄數(shù)關(guān)聯(lián)度最大，為0.999；溫性荒漠草原類及溫性荒漠類面積均與年均溫及總播種面積關(guān)聯(lián)度最大，分別為0.998、0.996。人均地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值、牧業(yè)產(chǎn)值、地區(qū)生產(chǎn)總值、林業(yè)產(chǎn)值與9 個草地類面積的關(guān)聯(lián)度較小，在0.765～0.884?？偟膩砜矗昃鶞?、年降水量、總播種面積、年末牲畜存欄數(shù)、人口數(shù)及建成區(qū)面積這幾個因子與草地面積變化關(guān)系密切。

表4 烏魯木齊市不同草地類與驅(qū)動力因子的關(guān)聯(lián)度Table 4 Correlation between different grassland types and driving factors in Urumqi

3 討論

土地利用動態(tài)度指在一定時期內(nèi)，某一具體土地利用類型的變化速率，能夠反映不同時期的土地利用類型的差異，并對未來的土地利用發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測[30]。有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，如劉金巍等[31]、杜金龍等[32]、阿依努·吐遜等[33]對不同地區(qū)的草地及其他地類進(jìn)行分析，均發(fā)現(xiàn)未利用地、建設(shè)用地面積呈增加趨勢，草地面積呈減少趨勢，這與本研究結(jié)果一致。1990－2020 年烏魯木齊市草地與其他地類間的流向 (表2)也證實了這一規(guī)律，草地面積凈減少594.84 km2，其中，未利用地、建設(shè)用地占流出總面積的89.05%，并且在2005－2010 年草地面積變化劇烈，這是因為2000 年以后，烏魯木齊市在“西部大開發(fā)政策”實施后，城市化進(jìn)程迅速，大量人口涌進(jìn)了城市，建設(shè)用地規(guī)模擴大，占用了部分耕地、草地和未利用地，城市生態(tài)環(huán)境趨于惡劣，耕地撂荒面積增加，過度放牧使草地加劇向荒漠化轉(zhuǎn)變，進(jìn)而導(dǎo)致未利用地面積增加[31,34]。

從草地類型看，本研究發(fā)現(xiàn)，30 年間草地及各草地類型與其他地類均存在流入和流出，其中，溫性荒漠類草地面積變化最為劇烈，凈減少面積為787.07 km2，而高寒草原類變化相對穩(wěn)定，凈增加面積為0.36 km2。這一結(jié)果與陳宸等[35]對近1999－2018 年新疆荒漠草地動態(tài)變化的研究結(jié)果相似，19 年來，荒漠草地面積呈減少趨勢，表明荒漠草地減少嚴(yán)重，需要加強保護。這是因為：1) 溫性荒漠類草地分布較大，且植被本身生長脆弱、可利用面積相對較少，隨著對草地過度放牧、開墾等不合理利用的人類活動使草地處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，不斷退化成未利用地，進(jìn)而使未利用地面積增加[36-37]；2) 2005－2010 年，993.33 km2的溫性荒漠類草地轉(zhuǎn)移給未利用地，主要是轉(zhuǎn)移給北部未利用地中的沙地，可能是土地利用數(shù)據(jù)2010 年分類系統(tǒng)認(rèn)知的變化導(dǎo)致與前面20 年數(shù)據(jù)的不同。而高寒草原類草地分布的地勢較高，植被以寒生叢生禾草為主，受人類干擾較小，變化較為穩(wěn)定。本研究還發(fā)現(xiàn)，水域與溫性荒漠草地之間存在流轉(zhuǎn)，1990－2020 年有15.36 km2的溫性荒漠類草地流出至水域，這是因為截止1990 年，烏魯木齊溫性荒漠草地面積最大，為2 241.95 km2，占烏魯木齊市草地面積的34.53%，可能隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，加強了水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，興修了水庫，從而使溫性荒漠類草地面積減少，如2002 年“500”水庫的建立[38]，以及紅巖水庫、牛魔湖、鹽湖、104 團小水庫等面積的增加；這30 年間，又有1.40 km2的水域流入溫性荒漠草地，可能是在氣候變化和人類活動的影響下，湖水蒸發(fā)嚴(yán)重、入湖水量減少、農(nóng)業(yè)引水增加，導(dǎo)致湖泊面積萎縮[39]。

隨著自然環(huán)境的變化和社會經(jīng)濟的發(fā)展，草地面積會發(fā)生不同程度的變化。為摸清導(dǎo)致草地面積發(fā)生變化的驅(qū)動因子，有學(xué)者做了相關(guān)研究，如任繼周和林慧龍[40]指出區(qū)域的暖干化和人為干擾強度的增強是江河源區(qū)草地退化的重要原因；王新源等[41]發(fā)現(xiàn)驅(qū)動河西走廊綠洲面積變化的驅(qū)動因子為地區(qū)總?cè)丝冢焕钤旱萚42]發(fā)現(xiàn)甘南和川西北地區(qū)草地面積變化的主導(dǎo)因子是牧業(yè)GDP。這與本研究結(jié)果相似，本研究利用灰色關(guān)聯(lián)法分析12 個因子烏魯木齊草地類型面積進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)年均溫、年降水量、總播種面積、年末牲畜存欄數(shù)、人口數(shù)及建成區(qū)面積這幾個因子與草地面積變化關(guān)系密切，關(guān)聯(lián)度均為0.900 以上。主要是由于烏魯木齊屬于北疆典型荒漠區(qū)，水熱因子是限制其生長發(fā)育的關(guān)鍵因子[43]，且在“一帶一路”戰(zhàn)略實施后，烏魯木齊市不斷加快城市化進(jìn)程，人們的經(jīng)濟條件和生活水平逐漸改善[37]，總播種面積、年末牲畜存欄數(shù)、人口數(shù)及建成區(qū)面積的增加，進(jìn)一步增加了草地的放牧壓力，使其與其他地類發(fā)生轉(zhuǎn)換。從草地類型來看，除總播種面積外，低平地草甸類與牲畜存欄數(shù)關(guān)聯(lián)度最大，溫性荒漠草原類及溫性荒漠類草地與年均溫關(guān)聯(lián)度最大。這是因為低平地草甸類分布在平原區(qū)，草勢較好，受放牧影響較大；而溫性荒漠草原類及溫性荒漠類草地主要分布在烏魯木齊中部、北部及東南部等地，該種草地類型所處環(huán)境氣候干燥，降水量小，受溫度的影響較大。草地面積變化是自然因素、人文因素雙重作用的結(jié)果，對其進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析對揭示草地面積變化的驅(qū)動因子的影響程度具有一定的意義，影響草地面積減少的原因還有很多，本研究只選取了12 個指標(biāo)進(jìn)行分析，并且灰色關(guān)聯(lián)度法只能分析驅(qū)動因子的影響程度，無法判斷其正負(fù)相關(guān)性，后續(xù)研究中可進(jìn)一步加入土地規(guī)劃政策等因素及主成分分析等方法進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

1) 1990－2020 年烏魯木齊市草地面積呈縮減趨勢，主要發(fā)生在中北部，動態(tài)度–0.31%。其中，溫性荒漠類草地面積變化劇烈，動態(tài)度–1.17%；高寒草原類草地面積變化較為穩(wěn)定，動態(tài)度0.08%，說明烏魯木齊市草地呈減少趨勢，其中荒漠草地面積減少較為嚴(yán)重，應(yīng)加強對荒漠草地的保護。

2) 30 年來，草地流出面積大于流入面積，凈減少面積為594.84 km2，其中，減少面積主要轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫?、建設(shè)用地和林地，增加的主要來源為未利用地、林地和耕地，且均在2005－2010 年轉(zhuǎn)換頻繁，說明2005－2010 年烏魯木齊市草地進(jìn)行了大量開發(fā)與利用。

3) 草地類型面積與年均溫、年降水量、總播種面積、年末牲畜存欄數(shù)、人口數(shù)及建成區(qū)面積的關(guān)聯(lián)度較大，其中，除低平地草甸外，總播種面積與其他草地類面積關(guān)聯(lián)度最大，說明人為因素是影響烏魯木齊市草地面積變化最主要的驅(qū)動因子。