塔里木河下游土地利用轉(zhuǎn)型圖譜特征分析

唐芳，蒲智，李小玉

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

土地利用/土地覆被變化是人類(lèi)活動(dòng)作用于生態(tài)環(huán)境的一種復(fù)雜響應(yīng)，在全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展中占有重要的地位［1］。地學(xué)信息圖譜方法作為L(zhǎng)UCC研究的新途徑，能很好復(fù)合“空間格局”和“時(shí)間過(guò)程”，是一種時(shí)空復(fù)合分析方法［2］，集合RS、GIS和計(jì)算機(jī)制圖等技術(shù)，用圖譜單元形象、動(dòng)態(tài)的展示土地利用轉(zhuǎn)型［3，4］。已有諸多學(xué)者運(yùn)用地學(xué)信息圖譜方法開(kāi)展土地利用轉(zhuǎn)型相關(guān)研究。王啟名等［5］運(yùn)用土地利用轉(zhuǎn)型圖譜和分布指數(shù)分析了滇池流域土地利用結(jié)構(gòu)和土地利用圖譜的地形梯度效應(yīng)及成因。張韻等［6］運(yùn)用地學(xué)信息圖譜方法，構(gòu)建1990—2000年和2000—2010年江漢平原兩個(gè)時(shí)序的土地利用轉(zhuǎn)型圖譜、漲落勢(shì)圖譜和轉(zhuǎn)型模式圖譜，形象反映該地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型特征。唐常春等［7］以典型案例長(zhǎng)株潭城市群為例，構(gòu)建1995—2015年4個(gè)時(shí)期地學(xué)信息圖譜，探索城市群LUCC數(shù)量結(jié)構(gòu)與時(shí)空格局一體化耦合機(jī)理，研究用地轉(zhuǎn)型與區(qū)域發(fā)展互動(dòng)關(guān)系。地學(xué)信息圖譜在土地利用轉(zhuǎn)型研究的適用性，且研究區(qū)域集中在城市發(fā)展重點(diǎn)區(qū)和生態(tài)環(huán)境薄弱區(qū)。

塔里木河地處中國(guó)西北，是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的核心區(qū)，自然資源豐富且生態(tài)環(huán)境脆弱［8］。大規(guī)模的農(nóng)業(yè)開(kāi)墾和人工綠洲開(kāi)發(fā)，使得支流向干流輸送的水量逐年減少，塔里木河下游大西海子水庫(kù)以下斷流現(xiàn)象日益嚴(yán)重［9，10］，地下水位逐漸下降，導(dǎo)致大片胡楊林死亡［11］。21世紀(jì)初，國(guó)家針對(duì)塔里木河下游沿岸的生態(tài)恢復(fù)，實(shí)施間歇性生態(tài)輸水，下游區(qū)土地利用類(lèi)型產(chǎn)生較明顯變化，地下水位大幅提升，斷流區(qū)域生態(tài)和環(huán)境得到初步改善［12，13］。塔里木河綜合治理工程是世界范圍內(nèi)通過(guò)人為干預(yù)促進(jìn)生態(tài)修復(fù)的典型案例，塔里木河生態(tài)環(huán)境變化狀況是國(guó)家和區(qū)域政府關(guān)注的焦點(diǎn)［14］。

本研究以塔里木河下游為研究區(qū)，基于2000、2010、2020年土地利用數(shù)據(jù)構(gòu)建土地利用圖譜體系，定量分析塔里木河下游近20年土地利用轉(zhuǎn)型時(shí)空格局與過(guò)程，為塔里木河流域水資源優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)及生態(tài)環(huán)境治理和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔里木河下游恰拉水庫(kù)至臺(tái)特瑪湖，總長(zhǎng)約430 km，根據(jù)該地區(qū)不同的區(qū)域特點(diǎn)，將其劃分為上段（恰拉—鐵干里克）、中段（鐵干里克—阿拉干）和下段（阿拉干-臺(tái)特瑪湖）3個(gè)河段，塔里木河是典型干旱區(qū)內(nèi)陸河，干流自身不產(chǎn)流，屬純耗散型河流。相鄰于庫(kù)魯克塔格沙漠和塔克拉瑪干沙漠。研究區(qū)域地理位置為86°00′—89°30′E和39°00′—41°30′N(xiāo)。屬暖溫帶極端干旱的大陸性氣候，日照時(shí)間長(zhǎng)，降水稀少，年降水量20～40 mm，年平均蒸發(fā)量高達(dá)2 500～3 000 mm［15］；土壤為鹽化草甸土、胡楊林土、鹽土、風(fēng)沙土和沼澤土等；植物主要為胡楊、多支怪柳、黑刺、蘆葦、大花羅布麻和疏葉駱駝刺等［16］。20世紀(jì)后期大西海子水庫(kù)的建成，阻斷了塔里木河地表徑流，造成主干河道斷流，為此，2000年開(kāi)始實(shí)施“塔里木河下游應(yīng)急輸水工程”，截至2020年底，已成功輸水21次，累計(jì)下泄水量達(dá)84.45×108m3［17，18］。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究使用的遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS，https：//glovis.usgs.gov/），TM、ETM+和OLI遙感數(shù)據(jù)為30 m空間分辨率。以2000、2010年的Landsat TM和2020年Landsat8 OLI為數(shù) 據(jù)源，運(yùn)用ArcGIS10.2對(duì)以上3期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、人機(jī)交互式目視解譯，得到塔里木河下游3期土地利用數(shù)據(jù)。土地利用類(lèi)型分類(lèi)參考國(guó)土資源部2007年頒布的《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，將土地利用類(lèi)型分為耕地、水域、未利用地、建設(shè)用地、林地和草地。設(shè)置編碼1、2、3、4、5、6，建立塔里木河下游土地利用空間數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉(zhuǎn)型圖譜土地利用信息圖譜是以圖譜單元進(jìn)行“空間格局”和“時(shí)間過(guò)程”研究的時(shí)空復(fù)合體［19，20］。選取30 m×30 m的空間分辨率作為圖譜的空間單元，選取研究區(qū)3個(gè)時(shí)點(diǎn)的遙感影像數(shù)據(jù)，以2000—2010年、2010—2020年為圖譜時(shí)序單元。利用ArcGIS 10.2的“疊加分析-相交”工具，將相鄰兩期土地利用數(shù)據(jù)疊加，初期和末期的土地利用類(lèi)型編碼值進(jìn)行地圖代數(shù)運(yùn)算構(gòu)建土地利用信息圖譜［21，22］。

地圖代數(shù)運(yùn)算公式：

式中，C表征研究時(shí)段土地利用方式演化特征的圖譜單元編碼值；A表征前期的土地利用類(lèi)型的圖譜單元編碼值；B表征后期的土地利用類(lèi)型的圖譜單元編碼值。

1.3.2 土地利用漲落勢(shì)圖譜土地利用轉(zhuǎn)型包括轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出兩個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，其他用地類(lèi)型轉(zhuǎn)化為該用地類(lèi)型為轉(zhuǎn)入，該用地類(lèi)型轉(zhuǎn)化為其他用地類(lèi)型為轉(zhuǎn)出［23，24］?；趦蓚€(gè)時(shí)間段的土地利用轉(zhuǎn)型圖譜，根據(jù)分類(lèi)原則進(jìn)行重分類(lèi)，得到塔里木河下游2000—2010年和2010—2020年兩個(gè)時(shí)序單元的土地利用漲勢(shì)圖譜和落勢(shì)圖譜。

1.3.3 土地利用轉(zhuǎn)型模式圖譜根據(jù)研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型圖譜單元的轉(zhuǎn)型特征，將圖譜轉(zhuǎn)型模式分為5種類(lèi)型：①全期穩(wěn)定型圖譜，土地利用類(lèi)型始終未發(fā)生轉(zhuǎn)型；②反復(fù)變化型圖譜，在2000—2010年、2010—2020年間均發(fā)生轉(zhuǎn)型，且2000年與2020年土地利用類(lèi)型相同；③全期變化型圖譜，土地利用類(lèi)型始終發(fā)生轉(zhuǎn)型，且3個(gè)時(shí)間點(diǎn)土地利用類(lèi)型均不同；④前期變化型圖譜，僅在2000—2010年發(fā)生轉(zhuǎn)型；⑤后期變化型圖譜，僅在2010—2020年發(fā)生轉(zhuǎn)型。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型

2000—2020年塔里木河下游不同土地利用轉(zhuǎn)型如表1所示。研究區(qū)主要用地類(lèi)型為未利用地，占比均在48%以上，但總體呈減少趨勢(shì)；其次是草地，每期數(shù)據(jù)占比均超過(guò)30%，占比逐年遞減；林地排在第三位，面積占比先減少后增加，總體變化不明顯；耕地、水域和建設(shè)用地三類(lèi)占地總面積小于10%，占比逐年增加，主要轉(zhuǎn)入來(lái)源為草地和未利用地，表明自生態(tài)輸水以來(lái)塔里木河的生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)。

表1 2000—2020年塔里木河下游土地利用轉(zhuǎn)型情況

2.2 土地利用轉(zhuǎn)型圖譜分析

2.2.1 2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)型圖譜由2000年和2010年土地利用數(shù)據(jù)相交得到2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)型圖譜（圖1）。轉(zhuǎn)型期間共生成36類(lèi)圖譜單元，發(fā)生改變的圖譜單元有30類(lèi)，將占變化面積100%的16類(lèi)圖譜單元按面積大小排序（表2）。

由表2和圖1可知，2000—2010年土地利用類(lèi)型發(fā)生明顯變化。最為明顯的是“草地—未利用地”圖譜類(lèi)型，占變化面積的29.54%，主要分布在英蘇到臺(tái)特瑪湖區(qū)間，變化原因是草地的原始面積較大。其次是“未利用地—草地”，占比18.28%，分布在大西海子水庫(kù)到英蘇區(qū)間及臺(tái)特瑪湖。第三是“林地—草地”，占比15.51%，面積為444.67 km2，主要分布在鐵干里克到英蘇區(qū)間。

表2 2000—2010年塔里木河下游主要土地利用轉(zhuǎn)型情況

圖1 2000—2010年塔里木河下游主要土地利用轉(zhuǎn)型圖譜

草地主要來(lái)源于未利用地、林地和水域，累計(jì)增加變化率達(dá)34.18%，新增面積979.85 km2；草地主要轉(zhuǎn)為未利用地、林地和水域，累計(jì)減少變化率達(dá)17.22%，草地總體變化率減少，萎縮面積493.60 km2；林地主要來(lái)源于草地、未利用地、耕地和水域，累計(jì)增加變化率達(dá)17.79%，新增面積509.88 km2；林地主要轉(zhuǎn)為草地、耕地和水域，累計(jì)減少變化率達(dá)22.01%，林地總體變化率減少，萎縮面積121.20 km2；水域面積穩(wěn)定增長(zhǎng)，主要來(lái)源于未利用地、草地和林地，累計(jì)增加變化率達(dá)12.59%，新增面積360.94 km2。

2.2.2 2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)型圖譜由2010年和2020年土地利用數(shù)據(jù)相交得到2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)型圖譜（圖2）。轉(zhuǎn)型期間共生成36類(lèi)圖譜單元，發(fā)生改變的圖譜單元有30類(lèi)，將占變化面積100%的17類(lèi)圖譜單元按面積大小排序（表3）。

由表3和圖2可知，2010—2020年土地利用類(lèi)型發(fā)生明顯變化。最為明顯的是“草地—未利用地”圖譜類(lèi)型，占變化面積的20.43%，主要分布在恰拉到英蘇以北及阿拉干到臺(tái)特瑪湖區(qū)間，萎縮原因是草地原始面積較大。其次是“未利用地—草地”，占比18.91%，分布在大西海子水庫(kù)到臺(tái)特瑪湖區(qū)間。第三是“草地—林地”，占比15.48%，面積為415.36 km2，主要分布在鐵干里克以下舊河道附近，說(shuō)明生態(tài)輸水使地下水位上升，河道兩旁林地面積增加。

圖2 2010—2020年塔里木河下游主要土地利用轉(zhuǎn)型圖譜

表3 2010—2020年塔里木河下游主要土地利用轉(zhuǎn)型情況

草地主要來(lái)源于未利用地、林地和水域，累計(jì)增加變化率達(dá)32.00%；草地主要轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫亍⒘值?、水域和耕地，累?jì)減少變化率達(dá)39.25%，草地總體變化率減少，萎縮面積190.58 km2；林地主要來(lái)源于草地、未利用地、耕地和水域，累計(jì)增加變化率達(dá)25.88%；林地主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、耕地、水域和未利用土地，累?jì)減少變化率達(dá)21.39%，林地總體變化率增加，新增面積119.26 km2；水域主要來(lái)源于未利用地、草地和林地，累計(jì)增加變化率達(dá)14.23%，主要分布在塔里木河下游的下段，水域主要轉(zhuǎn)為林地、未利用地和草地，累計(jì)減少變化率為4.28%；水體總體變化率增加，新增面積263.67 km2。

2.3 土地利用漲落勢(shì)圖譜分析

2.3.1 2000—2020年土地利用漲勢(shì)圖譜對(duì)合成的塔里木河下游土地利用圖譜的“轉(zhuǎn)入”進(jìn)行重分類(lèi)，得到研究區(qū)兩個(gè)時(shí)序單元的漲勢(shì)圖譜，并統(tǒng)計(jì)分析土地利用“轉(zhuǎn)入”數(shù)據(jù)。

由表4和圖3可知，2000—2010年草地呈現(xiàn)最大漲勢(shì)，轉(zhuǎn)入面積為981.59 km2，主要分布在塔里木河下游的中段（鐵干里克—阿拉干）及臺(tái)特瑪湖，草地的主要來(lái)源為未利用地和林地；其次是新增未利用地，轉(zhuǎn)入面積為511.86 km2，主要分布在研究區(qū)的下段（阿拉干—臺(tái)特瑪湖）；第三是林地，轉(zhuǎn)入面積為511.86 km2，主要分布在大西海子水庫(kù)以及鐵干里克以下的舊河道附近；水域面積從2000年生態(tài)輸水到2010年面積新增了362.12 km2，在臺(tái)特瑪湖重現(xiàn)大面積水域。2010—2020年草地仍呈最大漲勢(shì)，轉(zhuǎn)入面積為851.53 km2，主要分布在研究區(qū)上段（恰拉-鐵干里克）；第二是林地，轉(zhuǎn)入面積為689.44 km2，主要分布在大西海子水庫(kù)到英蘇區(qū)間及臺(tái)特瑪湖；第三是未利用地，轉(zhuǎn)入面積為603.56 km2，主要分布在英蘇附近河道以北；第四是水域，轉(zhuǎn)入面積為377.42 km2，主要分布在鐵干里克以下的舊河道及臺(tái)特瑪湖。

圖3 2000-2020年塔里木河下游土地利用漲勢(shì)圖譜

表4 2000—2020年塔里木河下游土地利用漲落勢(shì)

2.3.2 2000—2020年土地利用落勢(shì)圖譜對(duì)合成的塔里木河下游土地利用圖譜的“轉(zhuǎn)出”進(jìn)行重分類(lèi)，得到研究區(qū)兩個(gè)時(shí)序單元的漲勢(shì)圖譜，并統(tǒng)計(jì)分析土地利用“轉(zhuǎn)出”數(shù)據(jù)。

由表4和圖4可知，2000—2010年期間塔里木河下游按萎縮面積排序?yàn)椴莸?、未利用地、林地、耕地、水域和建設(shè)用地。其中草地呈現(xiàn)最大落勢(shì)，轉(zhuǎn)出面積為1 340.42 km2，主要分布在塔里木河下游的下段（阿拉干—臺(tái)特瑪湖）；其次是未利用地，轉(zhuǎn)出面積為782.99 km2，主要分布在大西海子水庫(kù)到英蘇區(qū)間以及臺(tái)特瑪湖附近；第三是林地，轉(zhuǎn)出面積為633.15 km2，主要分布在恰拉到英蘇區(qū)間；耕地、水域和建設(shè)用地轉(zhuǎn)出面積較小，主要分布在塔里木河下游的上段（恰拉—鐵干里克）。2010—2020年期間塔里木河下游各類(lèi)土地利用類(lèi)型的萎縮面積相對(duì)于上一階段有所減少，主要萎縮類(lèi)型為草地、林地和未利用地。排名第一的仍是草地，轉(zhuǎn)出面積為1 040.36km2，主要分布在鐵干里克到阿拉干區(qū)間；第二是未利用地，轉(zhuǎn)出面積為888.46 km2，主要分布在英蘇以下到臺(tái)特瑪湖；第三是林地，轉(zhuǎn)出面積為537.69 km2，主要分布在恰拉到英蘇區(qū)間。

圖4 2000—2020年塔里木河下游落勢(shì)圖譜

2.4 土地利用轉(zhuǎn)型模式圖譜分析

根據(jù)2000、2010和2020年3期塔里木河下游土地利用數(shù)據(jù)構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)型模式圖譜，將其分級(jí)為5個(gè)圖譜類(lèi)型（表5）。統(tǒng)計(jì)圖譜類(lèi)型及最大圖譜單元面積和比例，定量分析土地利用類(lèi)型的數(shù)量和轉(zhuǎn)型過(guò)程。由表5可知，2000—2020年土地利用變化模式圖譜以全期穩(wěn)定型為主，變化面積達(dá)9 166.55 km2，占總面積的68.14%，主要圖譜單元類(lèi)型為“未利用地”和“草地”，空間分布分散；前期變化型位居第二，變化面積達(dá)1 615.55 km2，占總面積的12.01%，主要圖譜單元類(lèi)型為“草地-未利用地-未利用地”和“林地-草地-草地”；后期變化型位居第三，變化面積達(dá)1 398.94 km2，主要圖譜單元類(lèi)型為“草地-草地-林地”和“草地-草地-未利用地”空間分布較為分散，僅在大西海子水庫(kù)、英蘇和臺(tái)特瑪湖周邊呈現(xiàn)聚集特征；反復(fù)變化型位居第四，變化面積達(dá)938.96 km2，主要圖譜單元類(lèi)型為“未利用地-草地-未利用地”和“草地-未利用地-草地”；全期變化型所占比例最小，僅占總面積的2.47%，主要圖譜單元類(lèi)型為“草地-未利用地-水域”和“草地-未利用地-林地”，在研究區(qū)上段（恰拉—鐵干里克）的南面及臺(tái)特瑪湖呈現(xiàn)空間聚集特征。

表5 2000—2020年塔里木河下游土地利用轉(zhuǎn)型模式

2000—2020年塔里木河下游土地利用轉(zhuǎn)型模式圖譜單元空間總體呈離散分布特征，僅全期變化型呈“聚集型”分布。轉(zhuǎn)型模式以全期穩(wěn)定型為主，前期變化型占比大于后期變化型，即2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)型更穩(wěn)定。

3 小結(jié)與討論

本研究基于地學(xué)信息圖譜及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)塔里木河下游近20年土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、土地利用轉(zhuǎn)型圖譜、土地利用漲落勢(shì)圖譜和土地利用轉(zhuǎn)型模式圖譜特征進(jìn)行分析。塔里木河下游土地利用結(jié)構(gòu)以林地、草地和未利用地為主，三者占研究區(qū)總面積的90%以上。2000—2020年，草地和未利用地呈持續(xù)減少趨勢(shì)，水域、耕地和建設(shè)用地呈持續(xù)增加趨勢(shì)，林地變化不明顯。土地利用轉(zhuǎn)型圖譜單元以草地和未利用地之間的相互轉(zhuǎn)型為主，草地減少面積相對(duì)較大，主要減少區(qū)域在阿拉干到臺(tái)特瑪湖。未利用地和水域間的相互轉(zhuǎn)型，主要分布在臺(tái)特瑪湖。鐵干里克以下舊河道附近增加大片林地，臺(tái)特瑪湖重現(xiàn)大面積湖水并每年持續(xù)增長(zhǎng)。兩個(gè)時(shí)序單元中，發(fā)生變化的主要圖譜單元類(lèi)型具有較高相似性，最顯著的為草地和未利用地之間的相互轉(zhuǎn)型。

由土地利用漲落勢(shì)圖譜分析研究區(qū)空間變化程度，塔里木河下游以林地、草地和未利用地之間的相互轉(zhuǎn)型為主，且水域面積擴(kuò)張明顯，主要分布在鐵干里克以下的舊河道和臺(tái)特瑪湖，新增面積739.54 km2，萎縮面積僅為165.11 km2。2000—2020年，土地利用漲勢(shì)圖譜中草地新增面積最大，為1 833.12 km2，主要分布于恰拉到英蘇區(qū)間；落勢(shì)圖譜中草地萎縮面積最大，為2 380.78 km2，主要在英蘇以下呈“聚集型”分布。

由土地利用轉(zhuǎn)型模式圖譜分析研究區(qū)時(shí)間變化情況，除全期穩(wěn)定型外，塔里木河下游土地利用轉(zhuǎn)型圖譜以前期變化型為主，占比12.01%，表明2000年人為干預(yù)促進(jìn)生態(tài)修復(fù)的塔里木河綜合治理工程使2000—2010年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型更為頻繁，2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)型表現(xiàn)較穩(wěn)定。

本研究應(yīng)用土地利用轉(zhuǎn)型信息圖譜方法，將土地利用轉(zhuǎn)型空間格局的“圖”和土地利用轉(zhuǎn)型過(guò)程的“譜”聯(lián)合［25，26］，分析了塔里木河下游近20年土地利用時(shí)空變化規(guī)律及發(fā)展過(guò)程，為后續(xù)土地利用研究及預(yù)測(cè)未來(lái)研究區(qū)土地利用發(fā)展趨勢(shì)和水資源優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)，在未來(lái)將繼續(xù)開(kāi)展土地利用轉(zhuǎn)型所引發(fā)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等研究。