1972—2018年策勒綠洲耕地時(shí)空演變及驅(qū)動(dòng)力分析

張 紅,馬 麗

(新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046)

耕地是土地資源利用方式中最重要的一種,擔(dān)負(fù)著為人類提供食物的重任,同時(shí)從人類生存與可持續(xù)發(fā)展的角度來看,耕地是國家生態(tài)安全的重要保障[1]。耕地面積變化必然導(dǎo)致糧食產(chǎn)量的波動(dòng),進(jìn)而影響糧食的有效供給[2],而我國是一個(gè)人多地少的發(fā)展中國家,耕地總面積僅占世界耕地面積的7%,但承載的人口卻占世界總?cè)丝诘?2%,人均耕地面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平[3]且耕地質(zhì)量總體不高[4]。合理配置土地資源、保護(hù)并提高耕地質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)耕地可持續(xù)發(fā)展、緩和人地之間矛盾等焦點(diǎn)問題已成為政府部門及相關(guān)研究學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的對象。分析耕地動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)力,對合理利用耕地資源,為區(qū)域耕地的動(dòng)態(tài)平衡發(fā)展,實(shí)現(xiàn)區(qū)域耕地的持續(xù)利用,以及協(xié)調(diào)好耕地保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系有著重要的意義[5]。對此大量學(xué)者在不同區(qū)域范圍時(shí)間尺度[6-9]內(nèi),基于遙感影像、社會(huì)統(tǒng)計(jì)資料、土地利用數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù),對耕地變化進(jìn)行研究,并根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)闹笜?biāo),運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行定量分析。

策勒綠洲處在西北干旱區(qū)的大環(huán)境中更兼塔克拉瑪干大沙漠的影響,生態(tài)環(huán)境尤為脆弱?？h城曾因風(fēng)沙侵?jǐn)_三次遷移,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程加快、人口持續(xù)增長,對土地的需求也變得極為迫切,特別是干旱區(qū)綠洲中的土地。如何保護(hù)綠洲耕地,守護(hù)這片阻抗風(fēng)沙的綠色屏障,是值得關(guān)注的問題。

本研究基于遙感影像及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對1972—2018年間策勒綠洲的耕地變化特征及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析,以期為干旱區(qū)綠洲農(nóng)田保護(hù)、土地利用規(guī)劃的制定提供參考資料。

1 研究區(qū)概況

策勒綠洲地處昆侖山北麓與塔克拉瑪干沙漠南緣之間,經(jīng)緯度范圍80°03′24″~82°10′34″E、35°17′55″~39°30′00″N,地勢整體上呈現(xiàn)南高北低態(tài)勢。研究區(qū)屬于暖溫帶荒漠氣候,多年平均氣溫11.9 ℃,平均年降水量小于50 mm,年平均蒸發(fā)量可達(dá)2 600 mm,土壤類型以風(fēng)沙土及棕漠土為主,植被類型以胡楊、怪柳、沙拐棗、蘆葦為主,植被覆蓋度15%~30%[10],是典型的綠洲一荒漠交錯(cuò)地區(qū)。策勒河滋養(yǎng)整片綠洲,并滿足這片綠洲上居民的生產(chǎn)生活用水。該綠洲中以農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),2018年底綠洲中總?cè)丝谝堰_(dá)16.92萬人。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究以美國偵查衛(wèi)星Corona及地球資源衛(wèi)星Landsat系列數(shù)據(jù)并《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》《新疆年鑒》數(shù)據(jù)為依據(jù),對策勒綠洲1972—2018年耕地時(shí)空變化、耕地壓力及驅(qū)動(dòng)力信息進(jìn)行提取分析。1972年Corona影像(分辨率2.8 m)下載于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http://earthexplorer.usgs.gov),Corona是冷戰(zhàn)時(shí)期美國軍事偵察的人造衛(wèi)星,攜帶高分全景相機(jī)用于獲取高分全色影像資料,其在1960—1972年期間拍攝了覆蓋全球的衛(wèi)星影像,稱之為Corona影像[11]。

2018年(OLI)、2013年(OLI)、2003年(ETM)、1993年(TM)4期Landsat影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.Gscloud.cn/),考慮到云量、植被長勢對影像的影響,因此選擇7月—9月遙感影像。

由于Corona采用的是傳統(tǒng)航空攝影相機(jī)拍攝的全景航片,數(shù)字化掃描后的影像存在全景畸變和掃描畸變[12],需對Corona影像進(jìn)行幾何精校正(誤差控制在4~8 m滿足研究需要)、影像鑲嵌及影像裁剪等處理,使之與研究所用的Landsat影像完全匹配;對Landsat系列數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、影像裁剪等預(yù)處理。2003年、1993年遙感影像空間分辨率為30 m,2018年、2013年OLI影像經(jīng)圖像融合后分辨率可達(dá)15 m。在ArcGis中運(yùn)用目視解譯參考高分辨率Google Earth歷史影像完成對策勒綠洲耕地的提取。

2.2 研究方法

2.2.1 耕地面積變化率

耕地利用變化總趨勢的研究,可以通過對耕地面積總量變化的分析研究來實(shí)現(xiàn),數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:U——研究區(qū)耕地面積變化率;K1——研究區(qū)前一期的耕地面積,hm2;K2——研究區(qū)后一期的耕地面積,hm2。

2.2.2 耕地動(dòng)態(tài)度

耕地動(dòng)態(tài)度可以用來衡量研究區(qū)耕地面積變化的速度和強(qiáng)度,數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:K——耕地面積的動(dòng)態(tài)度;Ub——期末耕地的面積;Ua——期初耕地的面積,hm2;T——研究時(shí)段長度,本研究以年為單位。當(dāng)K=0時(shí),表示耕地發(fā)展穩(wěn)定,耕地面積未發(fā)生變化;K>0,表明耕地面積不斷擴(kuò)大,且值越大,耕地?cái)U(kuò)展越明顯;K<0,表示耕地呈退化萎縮趨勢,且值越小,耕地面積萎縮越厲害。K的絕對值越大,表示耕地面積變化越劇烈,擴(kuò)展或萎縮的程度越明顯。

2.2.3 耕地壓力指數(shù)

耕地壓力指數(shù)是人均所需最小耕地面積與實(shí)際人均耕地面積之比,可以反映一個(gè)地區(qū)耕地資源的緊張程度[13]。其計(jì)算公式為:

式中:Sa——實(shí)際人均耕地面積,是實(shí)際耕地總面積與實(shí)際總?cè)丝谥?hm2/人;K——耕地壓力指數(shù)。當(dāng)K<1時(shí),表明人均耕地實(shí)際值大于最小人均耕地面積值;當(dāng)K=1時(shí),需采取措施保護(hù)耕地,保障人們的糧食安全;當(dāng)K>1時(shí),糧食生產(chǎn)不能保證區(qū)域內(nèi)的正常需求,會(huì)導(dǎo)致糧食危機(jī)。某一特定點(diǎn)的K值與1的偏離程度代表最小人均耕地面積值和實(shí)際值的離合度,偏離越大,安全或壓力的程度越強(qiáng)[14]。

3 結(jié)果分析

3.1 策勒綠洲耕地面積時(shí)間變化

通過搜集《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》中策勒綠洲的耕地面積,得到研究區(qū)耕地面積,并利用耕地面積變化率計(jì)算公式(1)得到表1。對表1分析可知,1972—2018年,策勒綠洲耕地面積總的來說呈上升狀態(tài)。由1972年的9 878 hm2上升至2018年的24 092 hm2,耕地面積凈增加14 214 hm2。研究期間耕地的相對變化率為1.438%。1972—1993年期間耕地面積呈增加趨勢,年變量為426.28 hm2,年變化率為0.906%。1993—2003年策勒綠洲耕地面積減少2 771 hm2,年變化率為-0.147%。2003—2018年研究區(qū)耕地面積顯示增加趨勢,年變量為535.53 hm2。

表1 1972—2018年策勒綠洲耕地面積及相對變化率

以研究區(qū)人口與耕地統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)計(jì)算策勒綠洲人均耕地面積,并利用耕地動(dòng)態(tài)度公式(2)得到表2。由表2可知,研究期間策勒綠洲人均耕地面積整體來看呈波動(dòng)下降狀態(tài),由1972年的0.372 hm2下降至2018年的0.142 hm2,共減少0.23 hm2,耕地動(dòng)態(tài)度為0.031%。整個(gè)期間可分為兩個(gè)階段:1972—2013年人均耕地面積不斷下降,其中1972—1993下降速度較快,人均耕地減少0.22 hm2;2013—2018年人均耕地面積呈增加態(tài)勢,增幅不大。耕地動(dòng)態(tài)度除1993—2003年呈現(xiàn)負(fù)值外,其他時(shí)段皆為正值,2013—2018年耕地動(dòng)態(tài)度最大,已達(dá)0.067%。

3.2 策勒綠洲耕地面積空間變化

耕地面積動(dòng)態(tài)度可用來解釋策勒綠洲耕地面積的規(guī)模及變化速率幅度,但不能顯示耕地的空間變化。在此,對綠洲耕地空間格局進(jìn)行分析。

由對圖1的分析可知,在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi),研究區(qū)耕地既有擴(kuò)張也有萎縮,但耕地?cái)U(kuò)張與萎縮的速率、幅度及方向都不相同。在不同時(shí)段耕地的分布格局同樣存在差異,1972—2018年間策勒綠洲耕地在原有耕地為主體的基礎(chǔ)上不斷向四周擴(kuò)張。近50年的時(shí)間里研究區(qū)耕地?cái)U(kuò)展方向明顯,整個(gè)策勒綠洲中間地帶耕地從無到有。整個(gè)研究區(qū)耕地空間分布上更加緊湊。

表2 1972—2018年策勒綠洲人均耕地面積及動(dòng)態(tài)變化度

圖1 策勒綠洲耕地分布

3.3 策勒綠洲耕地壓力指數(shù)變化

采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織確定的400 kg/人的人均糧食需求量標(biāo)準(zhǔn),糧食自給率按照100%來計(jì)算,運(yùn)用公式(3)求得策勒綠洲1988—2018年耕地壓力指數(shù)及最小人均耕地面積。由圖2(a)分析可知,最小人均耕地面積較高的年份耕地壓力指數(shù)也相對高些,特別是1993年、1994年、2001年迎來壓力指數(shù)高峰;由圖2(b)可知,整體上研究區(qū)耕地壓力呈波動(dòng)下降趨勢,由1988年的0.85到2018年的0.65。相關(guān)分析結(jié)果顯示,研究期間策勒綠洲耕地壓力指數(shù)與糧食總產(chǎn)量的相關(guān)程度(r=-0.931)高于與年末人口數(shù)的相關(guān)程度(r=-0.867),二者皆比農(nóng)作物的相關(guān)程度高(r=-0.805)。由此可知,1988—2018年研究區(qū)耕地壓力的變化與糧食總產(chǎn)量及年末人口數(shù)的變化有關(guān)。

圖2 策勒綠洲最小人均耕地面積及耕地壓力指數(shù)變化

3.4 耕地變化的驅(qū)動(dòng)力

本研究根據(jù)策勒綠洲的現(xiàn)實(shí)情況、借鑒相關(guān)學(xué)者的研究成果并考慮數(shù)據(jù)的可獲得性,選用研究區(qū)1988—2018年的總?cè)丝赬1、鄉(xiāng)村人口X2、年末機(jī)械總動(dòng)力X3、化肥使用量X4、年末牲畜頭數(shù)X5、農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值X6、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值X7、林業(yè)總產(chǎn)值X8、牧業(yè)總產(chǎn)值X9、漁業(yè)總產(chǎn)值X10、農(nóng)作物耕地面積X11、糧食作物耕地面積X12、糧食總產(chǎn)量X13、糧食單產(chǎn)X14共14個(gè)指標(biāo),定量分析研究時(shí)段內(nèi)各指標(biāo)與耕地變化的內(nèi)在關(guān)系。在對各指標(biāo)與耕地變化的聯(lián)系進(jìn)行量化研究前,需對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除量綱影響,通過KMO檢驗(yàn)后,運(yùn)用主成分分析法對以上指標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算分析。

進(jìn)行主成分分析時(shí),主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率決定成分個(gè)數(shù)的選取,累計(jì)貢獻(xiàn)率一般需達(dá)到85%以上,以確保綜合變量概括原始變量的大部分信息。由表3可知,第一主成分與第二主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)86.641%(特征值>1),滿足分析要求。

由表4可知第一主成分與X1、X6、X7、X9、X10、X13呈正相關(guān)且相關(guān)度高,X12與第二主成分的相關(guān)性較高。因此可將策勒綠洲耕地變化的驅(qū)動(dòng)因子歸納為經(jīng)濟(jì)因子與人口及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因子。

1998—2017年策勒綠洲農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值由4 667萬元增長到118 342萬元,增加超過25倍;人民生活水平逐漸提高,生活條件也在改善,對農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的需求增多,一定程度上影響耕地面積變化。民以食為天,人口的增加導(dǎo)致對糧食需求的增長,進(jìn)而要求更多的耕地來滿足生存需要。策勒綠洲人口由1988年的11.21萬人到2018年的16.92萬人,隨著化肥使用量及農(nóng)業(yè)機(jī)械力等農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)不斷且大量的投入,糧食單產(chǎn)逐漸提升,在一定程度上可以緩解耕地壓力。

表3 特征值與主成分貢獻(xiàn)率

表4 主成分荷載矩陣

4 結(jié)論

通過對以上結(jié)果分析可知,耕地在空間上不斷擴(kuò)張,1972—2018年策勒綠洲耕地在空間上變得更加緊湊;策勒綠洲耕地面積呈波動(dòng)增長狀態(tài),凈增長14 214 hm2,人均耕地面積整體呈波動(dòng)下降狀態(tài),耕地壓力在緩慢地下降。

由相關(guān)分析可知,其壓力與人口數(shù)量、糧食總產(chǎn)量有關(guān),而糧食總產(chǎn)量受農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的影響。對經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果表明策勒綠洲耕地變化主要受經(jīng)濟(jì)因素、人口及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因子的影響。