魏光辉
(新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)
摘 要：通过GIS技术，以及1990、2000年与2010年塔里木河干流Landsat-TM影像数据和中巴资源卫星数据，分析了研究区近20 a土地利用/覆被变化。结果表明：1990—2010年，研究区主要土地利用类型为沙地、疏林地和低覆盖草地，占总面积的70%以上；研究期间，变化最显著的是耕地面积，年均变化率为9.03%。变化最不明显的是未利用地，年均变化率为-0.013%；新增耕地面积主要来自于9.09%的林地面积和14.80%的草地面积。新增水域面积则主要来自于的1.28%沙地；新增建设用地面积主要来自于0.89%的耕地面积。研究结果为塔里木河干流水土资源可持续利用及生态环境保护提供了一定的参考。
关键词：遥感；土地利用；土地覆被；塔里木河干流
土地利用/覆被变化会对区域气候、水文和生物多样性等产生影响，从而引起区域自然和生态过程的变化[1-3]，这已成为目前全球环境研究的热点问题[4-8]。近年来，随着人口增长，水资源供需矛盾不断恶化，尤其在干旱区以水资源开发为主的建设活动加剧了土地利用的改变，严重影响区域的生态环境健康和可持续发展[9-12]。为改善区域生态环境，促进社会经济的可持续发展，对区域生态环境质量进行正确认识和评价便成为当务之急[13-15]。
塔里木河干流原本是塔里木河流域九大水系的汇集点，目前是阿克苏河、叶尔羌河、和田河与开都-孔雀河的汇集点，形成“四源一干”的格局，全长1 321 km，是中国最长的内陆河，也是世界最著名的内陆河之一，具有自然资源丰富和生态环境脆弱的双重特点。目前，关于塔里木河干流1990—2010年生态环境变化特点的研究，尤其是塔里木河流域综合治理工程实施前后流域生态环境变化情况研究较少。因此，为了更好地掌握塔里木河干流在近20 a的生态环境变化特点，本文借助遥感解译所得土地利用/覆被数据对塔里木河干流1990—2010年土地利用覆被的动态变化特征及其变化原因进行初步分析，以期为流域生态环境变化特征的分析提供理论参考。
塔里木河干流位于天山以南，塔克拉玛干沙漠以北，地理位置为39°21′21″～41°34′04″N，80°53′06″～88°37′51″E。流域西起肖夹克，东至台特玛湖，全长1 321 km。研究区干旱少雨，蒸发强烈，年蒸发量达2 006.7～2 842.5 mm，为暖温带极端干旱区，行政区划包括沙雅县、库车县、轮台县、尉犁县和第二师的5个团场。
2.1 数据来源
基础数据为塔里木河干流的Landsat-T影像数据和中巴资源卫星数据，成像时间分别为1990、2000年与2010年的7—9月，图像分辨率30 m，每景覆盖度范围185 km×185 km。
2.2 数据处理
2.2.1 图像矢量化
利用Erdas软件对3期遥感影像进行几何校正、配准，并借助Arc Info对各期遥感影像进行目视判读和数字化工作。根据HJ 192-2015《生态环境状况评价技术规范》划分土地利用类型，结合研究区土地利用特点及野外实地验证，将研究区土地类型划分为耕地、林地、草地、水域湿地、建设用地、沙地、盐碱地、裸土地等10类。
2.2.2 转移矩阵计算
利用Arc GIS的intersect模块及Excel数据统计功能，将解译得到的研究区1990、2000、2010年3期遥感影像，在Arc GIS中进行叠加运算，得到研究区1990—2000年和2000—2010年土地利用转移矩阵。
3.1 流域土地利用/覆被变化总体特征
通过解译塔里木河干流1990、2000、2010年遥感影像，得到研究区不同时期的土地覆被变化情况(如图1、表1～2所示)。由图1可知，塔河干流土地利用类型较多，其中最主要的土地利用类型为沙地、疏林地和低覆盖草地，3类土地利用类型所占比例之和分别在1990、2000、2010年占流域总面积的79.01%、78.51%、73.3%。从一级土地利用类型的变化速率上看，在近20 a时间里变化最明显的为耕地、建设用地与水域，耕地面积不断增加，年均变化率达9.03%，是所有土地利用类型中变化最大的；建设用地面积不断增加，这可能与近年来城市化发展有关，年均变化率为2.36%；水域面积在近20 a里呈先减后增趋势，但总体来说，水域湿地面积是增加的且年均变化率为1.14%；林地和草地面积不断减少，年均变化率分别为-0.632%和-0.629%。
图1 塔河干流1990—2010年土地利用类型图
表1 塔河干流1990—2010年一级土地类型变化表
土地利用类型1990—2000年变化率/%2000—2010年变化率/%1990—2010年变化率/%耕地8．5735．1059．027林地-0．809-0．964-0．632草地-0．328-0．964-0．629水域湿地2．0975．5441．142建设用地1．3622．9542．359未利用地0．076-0．103-0．013
表2 塔河干流1990—2010年二级土地类型变化表
土地利用类型1990—2000变化率/%2000—2010变化率/%1990—2010变化率/%水田8．5735．1059．027有林地0．5930．5180．541灌木林地-1．371-0．448-0．879疏林地-0．836-0．489-0．642其它林地0 高覆盖草地-1．47-39．811-2．433中覆盖草地0．6062．0011．364低覆盖草地0．01-0．657-0．324河渠-1．045-0．958-0．952湖泊、水库-2．10514．3414．609滩涂湿地-4．2883．307-1．199城镇用地07．0723．536农村居名点1．5411．5221．648其它建设用地67．1164．87717．323沙地0．078-0．102-0．012盐碱地00．090．045裸土地-0．421-3．265-1．774
图3 塔河干流1990—2010建设用地面积变化图
从二级土地利用类型的变化速率上看,在1990—2010年变化最快的是其它建设用地、水田和湖泊水库，年均变化率分别为17.32%、9.03%和4.07%；变化最不明显的是沙地、盐碱地和低覆盖草地，年均变化率分别为-0.01%、0.05%和-0.03%。
3.2 不同土地利用类型变化特征
将塔河干流分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个一级类别，一级类别下又划分为了二级类别，由于二级类型的变化趋势与一级类型并不完全相同，因此在掌握一级土地利用类型的变化趋势的基础上，还需要了解各小类别的面积变化，才能可以更好地掌握土地利用/覆被变化情况，找到其变化原因。
3.2.1 耕地变化特征
在干旱区，耕地面积的变化会直接影响水资源的利用情况，进而对当地生态环境及社会经济可持续发展产生重大影响，因此掌握研究区耕地变化情况意义重大。根据划分标准，耕地包括水田和旱地，通过解译得到塔河干流1990、2000、2010年耕地变化数据(如图2所示)。研究区耕地面积在1990、2000、2010年分别占流域总面积的2.53%、4.69%、7.09%，可见塔河干流耕地面积在近20 a里呈不断扩张的趋势，1990—2000年耕地面积增加了85.74%，年均变化率为8.57%；2000—2010年耕地面积增加了51.05%，年均变化率为5.11%，1990—2010年共增加了180.55%，年均变化率9.03%。研究区耕地扩张迅速，但2000年后扩张速率已明显低于2000年前，这可能是由于塔里木河流域综合治理的成效引起的。
图2 塔河干流1990—2010耕地面积变化图
3.2.2 建设用地变化特征
由研究区土地利用/覆被总体变化特征分析可知，建设用地面积虽所占比列较小，但变化速率很快。而根据解译得到的数据，建设用地包括城镇建设用地、农村居民点及其它建设用地，塔河干流1990—2010年建设用地变化如图3所示。
从图3可知：在1990—2010年，建设用地面积呈不断增长趋势，2010年比1990年增加了47.19%，年变化率为2.36%。虽然建设用地面积不断增加，但在1990—2000年和2000—2010年2个时期的变化速率各不相同，1990—2000年建设用地面积增加了13.62%，年均变化率为1.36%；2000—2010年增加了29.54%，年均变化率为2.95%。
从不同类型的建设用地面积变化情况看，在近20 a时间里变化最快的是其它建设用地，其它建设用地年均变化速率高达17.32%，近年来随着采煤、有色金属、石油、轻工业等的快速发展，厂矿等企业的规模和占地面积也随之增长。另外，其它诸如高速公路、乡村公路的建设，均使得其它建设用地面积增加。近年来，随着人口数量的不断增加及城镇化的推进，使流域城镇用地面积不断增加。城镇化进程同时也使得农村人口向城镇人口进行转化，流域农村居民点面积在1990—2010年的20 a里呈不断增加趋势，在1990—2000农村居民点面积年增加了15.41%，年均变化率1.54%；2000—2010年增加了15.22%，年均变化率1.52%；整个研究期年均变化率1.65%。
3.2.3 水域面积变化特征
水域湿地面积是研究区近20 a里变化最快的3种土地类型之一，对于干旱区而言，水域湿地面积的变化对流域生态环境变化具有直接影响，分析不同类型水域面积对于掌握流域水资源变化情况具有重要意义。根据解译数据，可得研究区不同时期不同类型水域面积变化情况(如图4所示)。
图5 塔河干流1990—2010林地面积变化图
从水域湿地总面积变化情况来看，研究区水域面积在1990—2010年呈现先减后增趋势，在1990—2000年，水域湿地总面积呈不断减少趋势，共计减少了20.97%，年均变化率-2.1%。而从不同类型的水域湿地面积变化情况上看，在1990—2000年，水域湿地面积减少是由流域滩涂湿地面积、湖泊水库面积及河渠面积共同减少引起，三者年均变化率分别为-4.29%、-2.11%和-1.05%。在2000—2010年流域水域湿地面积有所回升，共计增加了55.45%，年均变化率为5.55%，从不同类型的水域湿地面积变化看，水域湿地总面积增加主要由湖泊水库和滩涂湿地面积增加引起，而河渠面积仍呈减少趋势，三者年均变化率分别为5.54%、3.31%和-0.96%。总体来说，1990—2010年流域水域面积共增加了22.84%，年均变化率1.14%；滩涂湿地面积在近20 a呈减小趋势，2010年比1990年减少了24%，年均变化率-1.2%；湖泊水库面积整体增加了22.84%，年均变化率1.14%；河渠面积减少19%，年均变化率-0.95%。
图4 塔河干流1990—2010水域湿地面积变化图
3.2.4 林地变化特征
研究区林地分为有林地、灌木林地、疏林地及其它林地(如图5所示)。从林地总面积变化来看，在1990—2010年的20 a里，林地面积处于不断减少中，期间累计减少12.64%，年均变化率-0.63%。虽然近20 a林地面积在不断减少，但不同时期其变化速率不同，1990—2000年林地总面积减少8.09%，年均变化率为-0.81%；2000—2010年，林地面积减少4.95%，年均变化率-0.5%。从不同类型林地面积变化情况看，林地中变化最快的是其它林地，其它林地经历了一个从无到有的过程，这是因为其它林地中主要是经济林，由于新疆在2000年以后才开始大力提倡种植经济林，因此面积所占比例很小，其它林地面积很小，所以未在图5中表示出来。
林地中的有林地、灌木林地、疏林地在1990—2010年均呈不断减少趋势，年均变化率分别为-0.54%、-0.88%和-0.64%。有林地在1990—2000年变化率为-0.59%，2000—2010年变化率-0.52%；灌木林地在1990—2000年变化率为-1.37%，2000—2010年变化率-0.45%；疏林地在1990—2000年变化率为-0.84%，2000—2010年变化率-0.50%。
从以上林地面积的分析可知，在1990—2010年，林地总面积不断减少，不同类型的林地面积也呈不同程度的降低，只有其它林地面积出现增加，但所占的比例却不到0.01%。虽然林地面积在20 a里不断减少，但其减小的速率不同，2000—2010年间，不同类型林地面积减小的速率均较小于1990—2000年。究其变化原因无非为自然和人为2种因素，而自然干扰是一个长期的过程，因此，导致其林地面积变化的主导因素是人为因素，由于人口的增加，人们为了满足生活需要，出现大量的垦荒伐林现象，使林地面积不断减少；从2000年开始有关政府部门对干流实施了一系列的环境保护工程和措施，虽没有改变其退化趋势，但退化速率已明显低于以往。
3.2.5 塔河干流草地变化特征
草地对于水源涵养及沙漠化防止具有重要作用，因此分析研究区草地面积变化情况对于流域生态环境保护具有重大意义。根据划分标准，将草地分为高覆盖草地、中覆盖草地和低覆盖草地，通过解译数据，得到研究区1990—2010年不同类型草地面积(如图6所示)。
图7 塔河干流1990—2010未利用地面积变化图
图6 塔河干流1990—2010草地面积变化图
从不同类型草地面积变化情况上看，草地面积减少主要由高覆盖草地面积减少引起，高覆盖草地面积减少了14.70%，年变化率为-1.47%；中覆盖草地增加了6.06%，年变化率为0.61%；低覆盖草地在1990—2000年变化不大，只增加了0.10%。在2000—2010年草地面积减少9.64%，年变化率为-0.96%，此间草地面积减少主要由高覆盖草地和低覆盖草地面积减少引起，中覆盖草地面积呈与之相反趋势，三者年均变化率分别为-3.98%、-0.66%和2%。就整个研究时段而言，1990—2010年的20 a里，草地面积总共减少12.60%，年变化率为-0.63%；其中高覆盖草地面积减少48.66%，年均变化率为-2.43%；中覆盖草地面积总共增加了27.28%，年变化率为1.36%；低覆盖草地面积总共减少了6.47%，年变化率为-0.32%。
由以上分析可知，研究区草地总面积在1990—2010年不断减少，年均变化率-0.63%，且2000年以后减少趋势大于2000年前。在这20 a中，高覆盖草地以年均2.43%的速率减少，中覆盖草地以年均1.36%速率增加，低覆盖草地以年均0.32%速率减少。20世纪以来，由于各种因素的影响，流域地下水位下降，生态环境恶化，高覆盖草地不断退化为中覆盖草地，再加之人为的破坏流域草地面积不断减少。
3.2.6 未利用地变化特征
未利用地包括沙地、盐碱地、裸土地、裸石岩砾和其它未利用地。根据遥感解译所得数据，研究区未利用地类型只有沙地、盐碱地和裸土地，未利用地面积变化如图7所示。
从研究区未利用地总面积变化来看，未利用地面积在1990—2000年中增加了0.77%，年均变化率为0.08%，2000—2010年未利用地面积有所降低，2010年比2000年减少1.03%，年均变化率为-0.10%；总体来看，未利用地在2010年比1990年减少0.28%，年均变化率为-0.01%。从不同类型未利用地变化情况看，未利用地中最主要的是沙地，占未利用地面积的90%以上。沙地面积在近20 a呈先增后减趋势，在1990—2000年里不断增加，2000年沙地面积比1990年增加了0.78%，年均变化率0.08%；在2000—2010年，沙地面积略有减少，2010年沙地面积比2000年减少1.02%，年均变化率-0.10%。从总体看，沙地面积在近20 a不断减少，2010年比1990年减少0.25%，年均变化率-0.01%。盐碱地在1990—2000年变化不大，2010年比2000年增加了9.03%。裸土地所占比例很小，在近20 a面积不断减小，2010年裸土地面积比1990年减少了35.49%，年均变化率为-1.77%。
3.3 研究区土地覆被变化原因分析
将研究区1990和2010年2期遥感影像解译得到的土地利用现状图，通过要素提取和融合，形成新的大类型土地利用图，然后在ArcGIS中进行叠加运算，可得到1990—2010年土地利用转移矩阵，进而可利用此矩阵对各土地利用类型的相互转化进行分析，结果见表3。
表3 塔河干流1990—2010年土地利用转移矩阵表 /km2
20101990耕地林地草地水域建设用地沙地盐碱地耕地1119．354．410．572．3210．200林地839．77975．66112．9741．525．27256．830草地1190．5546．626596．7697．955．6692．321．64水域21．315．37112．81484．55045．910建设用地0．9100052．0400沙地11．5316．5199．05326．632．7625079．70盐碱地000000181．49合计3183．348058．576922．16952．9775．9325474．76183．13变化幅度180．547%-12．639%-12．597%22．842%47．185%0．241%0．902%
从表3可知，在1990—2010年，面积增加的土地利用类型有耕地、水域、建设用地和盐碱地；面积减少的土地利用类型为林地、草地和沙地。从转移矩阵可得，2010年新增加的耕地面积主要来自于草地、林地、水域和沙地，其中，14.8%的草地，9.09%的林地，2.69%水域，0.05%的沙地面积均转化成了耕地。林草面积在近20 a是减少的，从转移矩阵来看，林地主要转移成了耕地、沙地和草地，其中,839.7 km2林地转移为耕地，256.83 km2林地转为沙地，112.97 km2林地转移为草地，而从林地的转入量看，耕地，沙地和草地的转入量均远小于林地转出量，表明在研究时段，林地一方面被占用为耕地，另一方面不断退化成草地和沙地，流域生态环境恶化；草地面积则主要转换成了耕地、林地和沙地，其中转移到耕地、水域和沙地面积分别占草地面积的14.79%、1.21%和1.15%，而由于草地转为沙地的量与沙地转移为草地的量相当，水域转入草地量大于草地转成水域的量，因此在1990—2010年，草地减少的面积主要是被耕地占用导致，其净转移量占草地总面积的14.82%。水域湿地面积增加，从转移矩阵看水域湿地增加的面积主要来自于沙地，占沙地面积的1.28%。新增的建设用地主要由0.89%的耕地转换而来，转移而来的耕地占新增建设用地的44.39%。盐碱地增加了1.64 km2,主要由草地转移而来。
总体而言，在1990—2010年，研究区土地利用类型中林地和草地主要转换成了耕地和沙地，而沙地面积总体上是减少的且主要转换成了水域。塔河干流耕地面积的不断扩张是以林草水面积减少为代价的，干流耕地面积的不断增加导致塔河干流林草水总面积不断减少，使得干流生态环境不断恶化。因此，塔河干流耕地面积的扩张是研究区严重生态环境中不可忽视的重要影响因素。耕地增加，一方面是以开垦林地和草地为代价,从而使林草面积减少；另一方面耕地不断扩张，农业用水量将增加，农业用水量增加必将导致生态用水量减少，这又进一步导致林草及水域面积减少。
(1) 塔里木河干流在1990—2010年间主要土地利用类型为沙地、疏林地和低覆盖草地，3类土地利用类型所占比例之和占流域总面积的70%以上。在1990—2010年，变化最显著的是耕地、建设用地和水域湿地，年均变化率分别为9.03%、2.36%和1.14%；变化最不明显的是未利用地，年变化率为-0.013%；林、草地面积变化处于两者之间，年均变化率分别为-0.632%和-0.629%。
(2) 从不同土地利用类型看，在1990—2010年变化较快的是其它建设用地，年均增加17.32%。水域面积中变化最快的是湖泊水库面积，年均变化率为4.61%。林地面积中变化最快的是灌木林地，年均变化率为-0.88%。草地面积中变化最快的是高覆盖草地，年均变化率达为-2.43%；最慢的是低覆盖草地，年均变化率为0.32%。
(3) 在1990—2010年，流域新增耕地主要来自于9.09%的林地面积和14.80%的草地面积；新增水域面积则主要来自于的1.28%沙地；新增建设用地面积主要来自于0.89%的耕地面积。研究区耕地面积的不断扩张是以林草面积减少为代价的，因此，耕地面积的扩张是研究区生态环境中不可忽视的重要影响因素。
参考文献：
[1] 陈赛赛,杨艳丽,孙艳玲. 1984-2013年于桥水库流域土地利用变化对植被覆盖度的影响[J].天津师范大学学报(自然科学版),2016,36(02):39-46.
[2] 王丰,刘书明,卢文虎.基于遥感的天津滨海新区土地利用/覆盖变化分析[J].海洋通报,2014,16(06):683-689.
[3] 任秀金,盖艾鸿,宋金蕊.1999-2009年青海省德令哈市土地利用/覆盖变化特征[J].水土保持通报,2014,34(05):248-253.
[4] 徐娜,罗菊花,马荣华. 2000～2010年长江三角洲土地利用/覆盖空间格局动态变化研究[J].第四纪研究,2014,34(04):856-864.
[5] 卢响军,周益民,侯秀玲.基于土地利用/覆盖的干旱绿洲区植被覆盖度变化--以第八师为例[J].中国生态农业学报,2015,23(02):246-256.
[6] 张成扬,赵智杰. 近10年黄河三角洲土地利用/覆盖时空变化特征与驱动因素定量分析[J].北京大学学报(自然科学版),2015,51(01):151-158.
[7] 王冬辰,杜培军,苏红军.近20年大同市土地利用/覆盖遥感变化分析[J].干旱区资源与环境,2015,29(07):68-75.
[8] 王新军,田锡文.1990-2011年凯拉库姆水库地区土地利用/覆盖动态变化及驱动力分析[J].国土与自然资源研究,2015,37(01):23-26.
[9] 马志昂,盖艾鸿,孙林军.格尔木市盆地地区土地利用/覆盖变化时空演变[J].水土保持通报,2015,35(05):268-273,278.
[10] 娄和震,杨胜天.延河流域2000-2010年土地利用/覆盖变化及驱动力分析[J].干旱区资源与环境,2014,28(04):15-21.
[11] 曹琦,陈兴鹏,师满江.黑河中游土地利用/覆盖变化及主导因素驱动力[J].农业工程学报,2014,30(05):220-227.
[12] 刘宇,傅伯杰.黄土高原植被覆盖度变化的地形分异及土地利用/覆被变化的影响[J].干旱区地理,2013,36(06):1097-1102.
[13] 孙力炜,张勃,张建香.内陆河流域土地利用/覆盖变化的生态效益评价--以疏勒河中下游地区为例[J].干旱区资源与环境,2013,27(03):80-85.
[14] 夏双,阮仁宗,颜梅春.洪泽湖区土地利用/覆盖变化分析[J].遥感信息,2013,28(01):54-59,64.
[15] 张金龙,陈英,葛劲松.1977-2010年青海湖环湖区土地利用/覆盖变化与土地资源管理[J].中国沙漠,2013,33(04):1256-1266.
Study on Land Utilization and Vegetation Variation in the Catchment of Main Stream of Tarim River
WEI Guanghui
(Xinjiang Tarim River Catchment Administration, Korla, Xinjiang 841000,China)
Abstract：By application of GIS technology and in accordance with the Landset-TM image data of the main stream of the Tarim River in 1990, 2000 and 2010, and data from Sino-Pakistan resource satellite, the land utilization and the vegetation variation in the study region in last 20 years are analyzed. The study presents that in the study region in 1990—2010, the land utilized was mainly sand land, sparse-forest land and lower-coverage grass land, which account for over 70% the total area of the study region. In the studied years, the farmland area changed obviously, the average annual change rate was 9.03%. The land most unchanged is the one not utilized, its average change rate is -0.013%. The newly increased farmland area were mainly from 9.09% the forest land area and 14.80% the grass land area. The newly increased water field area was from 1.28% the sand land. The increased land area for construction was from 0.89% the farmland area. The study provides the sustainable application of water & soil resources and the ecological & environmental protection of the main stream of the Tarim River with reference.
Key words：remote sense; land utilization; land vegetation; main stream of Tarim River
文章编号：1006—2610(2017)03—0015—07
收稿日期：2017-03-06
作者简介：魏光辉(1981- ),男，新疆石河子市人，高级工程师，博士，主要从事干旱区水资源利用研究.
基金项目：基金资助：水利部公益性行业科研专项经费资助(课题编号：201501059).
中图分类号：X826
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.03.004
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