?2000—2020年阿克蘇河流域土地利用時空變化圖譜分析?

摘要：基于2000—2020年阿克蘇河流域Landsat遙感影像以及DEM數(shù)據(jù)，運用圖譜理論探究其土地利用時空演變特征及規(guī)律。結(jié)果表明：（1）2000—2020年阿克蘇河流域耕地呈擴張趨勢，擴張面積為2 951.58 km2，主要從草地、未利用地流入，在原有耕地內(nèi)部及四周擴張，2015年后面積基本保持穩(wěn)定；（2）建設(shè)用地呈現(xiàn)擴張趨勢，擴張面積為206.84 km2，主要從耕地流入，在原有建設(shè)用地的基礎(chǔ)上向四周擴張，2015年后面積基本保持穩(wěn)定；（3）水域呈萎縮趨勢，萎縮面積為1 653.89 km2，主要流出為未利用地和草地，在溫宿縣冰川積雪處萎縮幅度最大，2015年后有所增長。總體來看，研究區(qū)由耕地開墾、建設(shè)用地增長的發(fā)展模式開始向兼顧生態(tài)文明建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)型，各主要地類的變化也由急劇發(fā)展轉(zhuǎn)向基本可控。

關(guān)鍵詞：阿克蘇河流域；土地利用；圖譜；時空變化

中圖分類號：F301.24 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2024）10-0045-08

Atlas of Spatial and Temporal Changes of Land Use in the Aksu River Basin During 2000–2020

YANG Qiu-lan1，2，3，WANG Xin-jun1，2，3，GAO Sheng-han1，2，3，SU Tong1，2，3

（1. College of Resources and Environmental Science， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， PRC;

2. Xinjiang Laboratory of Soil and Plant Ecological Processes， Urumqi 830052， PRC;

3. Xinjiang Engineering Technology Research Center of Soil Big Data， Urumqi 830052， PRC）

Abstract： According to the atlas theory， this study explored the spatial and temporal evolution characteristics and patterns of land use in the Aksu River Basin based on the Landsat remote sensing images and DEM data from 2000 to 2020. The results were as follows. （1） During 2000–2020， the cultivated land in the Aksu River Basin was expanding within and around the existing cultivated areas， mainly from grasslands and unused land， with an expansion area of 2 951.58 km2， and the area remained basically stable after 2015. （2） The construction land presented an expansion trend around the existing construction land， mainly from cultivated land， with an expansion area of 206.84 km2， and the area remained basically stable after 2015. （3） The water area showcased a narrowing trend and mainly developed into unused lands and grasslands， with a reduction area of 1 653.89 km2， which was the largest at the glacier and snow areas of Wensu County. The water area showed a growing trend after 2015. Overall， the land use in the Aksu River Basin was transitioning from a model of expanding cultivated land and construction land to a sustainable development model with consideration to ecological progress. The rapid changes of the main land types became basically controllable.

Key words： Aksu River Basin; land use; atlas; spatial and temporal changes

土地利用/覆被變化（LUCC）是影響全球環(huán)境變化的主要驅(qū)動因素之一[1-3]，對生態(tài)系統(tǒng)水碳氮循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡及區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有重要影響[4-5]。土地利用變化圖譜主要聚焦于研究隨著時間推移土地利用類型變化的時空格局規(guī)律，核心內(nèi)容包括土地利用類型的轉(zhuǎn)變和空間分布的變化。土地利用變化圖譜是土地利用/覆被變化研究的重要內(nèi)容[6]，對土地利用變化空間模擬、水土資源空間優(yōu)化配置以及應(yīng)對氣候變化具有重要作用[7]。國內(nèi)外研究學(xué)者開展了大量土地利用變化圖譜相關(guān)的研究[8-9]，主要包括兩種類型。第一類是土地利用類型數(shù)量變化，這類研究聚焦于特定時間段內(nèi)土地利用類型的數(shù)量變化，通過比較起始和結(jié)束時的土地利用狀態(tài)，定量分析土地利用變化的規(guī)律。張國坤等[10]運用地學(xué)信息圖譜方法定量分析了新開河流域的土地利用變化規(guī)律，Ye等[11]則對黃河三角洲土地利用變化進行了整合研究。這類研究可以將復(fù)雜的地理現(xiàn)象簡化為空間格局單元圖和時間序列變化過程圖譜，主要側(cè)重于圖譜單元表面的時空變化信息，較少關(guān)注空間變化模式和特征。第二類是土地利用類型轉(zhuǎn)移模式變化，這類研究專注于時間段內(nèi)土地利用類型的轉(zhuǎn)移特征及其時間變化規(guī)律。張韻等[12]基于圖譜分析了江漢平原土地利用時空變化的模式和特征；楊愛民等[13]以瑪納斯河流域為例，構(gòu)建土地利用時空復(fù)合變化圖譜分析土地利用變化特征和模式，定量分析了該流域土地利用變化的格局與過程。這類研究較好地反映了土地利用變化在時空維度上的細節(jié)，但一定程度上忽略了土地利用類

型變化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性和其在空間位置上的特征規(guī)律。

阿克蘇河是西北干旱區(qū)內(nèi)陸河，其流域地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，生態(tài)環(huán)境較為脆弱；且阿克蘇河流域作為塔里木河的重要補給來源，其土地利用變化對塔里木河流域乃至整個新疆的生態(tài)環(huán)境的影響都十分重大[14]。鑒于此，研究以阿克蘇河流域為研究區(qū)，利用2000—2020年的土地利用數(shù)據(jù)，根據(jù)土地利用動態(tài)度和土地利用轉(zhuǎn)移圖譜構(gòu)建圖譜體系，定量分析流域內(nèi)土地利用時空變化的特征與流動過程，探討干旱區(qū)典型流域土地利用變化規(guī)律，以期為該流域土地資源合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河流域（75°23′～82°34′E，37°55′～42°34′N）位于天山山脈中部、塔里木盆地西北地帶，屬溫帶大陸性干旱氣候，降水稀少，蒸發(fā)量大[15-16]。流域年平均氣溫11.32℃，年平均年降水量113.8 mm，年平均蒸發(fā)量1 890 mm，年平均日照時間2 850 h，無霜期188～207 d。阿克蘇河是高山跨境河流，發(fā)源于吉爾吉斯斯坦境內(nèi)，是塔里木河的最大源流，海拔890～7 378 m，高于4 000 m海拔區(qū)域主要為極高山帶，雪線處于4 100 m位置處[17]。該研究中阿克蘇河流域主要包括阿克蘇地區(qū)的阿克蘇市、阿瓦提縣、烏什縣、溫宿縣和克孜勒蘇柯爾克孜自治州的阿合奇縣以及第一師阿拉爾市[18]（圖1），提取測得流域總面積約為6.64×104 km2。主要植被有胡楊、檉柳、梭梭和蘆葦，主要農(nóng)作物有水稻、玉米、小麥、棉花和花生。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1.1 數(shù)據(jù)來源 遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），選取2000、2005、2010、

2015和2020年7—9月的Landsat系列遙感影像為數(shù)據(jù)ekFqsPs8+0mP2EwOboR1oA==源，軌道號均為145/033、146/031、146/032、146/033、147/031、147/032、148/031、148/032、149/032，每個年份包含9景影像，共45景影像，影像質(zhì)量較好（云量低于10%）。其中2000、2005、2010年采用Landsat-7 ETM影像，空間分辨率為30 m，2015、2020年采用Landsat-8 OLI影像，空間分辨率為30 m。數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)平臺（http：//www.resdc.cn/）。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理 基于ENVI 5.3軟件對遙感影像數(shù)據(jù)進行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理，并通過掩膜提取得到研究區(qū)范圍影像。支持向量機（Support Vector Machine，SVM）是一種二分類模型，相對傳統(tǒng)分類方法能夠更好地提取土地利用信息[19-21]。該研究基于ENVI 5.3、ArcGIS 10.2軟件和Google Earth平臺，結(jié)合研究區(qū)實際土地利用類型，參考中國科學(xué)院土地利用/土地覆蓋分類系統(tǒng)[22]，按照土地利用一級分類標(biāo)準(zhǔn)，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個大類。針對影像數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳造成的誤分狀況進行人工修正，利用ArcGIS在研究區(qū)建立300個隨機點，主要利用目視解譯進行人工判讀，結(jié)合谷歌高清影像并對部分重點區(qū)域進行實地踏勘，對遙感影像的分類結(jié)果進行精度驗證[23]。運用ENVI 5.3軟件的混淆矩陣，參照Google Earth高分辨影像進行精度驗證，得到5期土地利用分類精度Kapptewt3Ay8AVCN8RYg92HCUQ==a系數(shù)均在0.85以上，滿足研究精度要求[24]。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態(tài)度 土地利用動態(tài)度是評價土地利用類型數(shù)量變化、土地利用程度變化及土地利用變化區(qū)域差異的指標(biāo)[25]，劉紀(jì)遠等[26]根據(jù)綜合動態(tài)度值將區(qū)域景觀變化劃分為極緩慢變化型（0～3%）、慢速變化型（3%～12%）、快速變化型（12%～20%）、急劇變化型（20%～24%）。為分析2000—2020年阿克蘇河流域的土地利用動態(tài)變化，計算了阿克蘇河流域不同地類的單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度。單一土地利用動態(tài)度反映了某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，可根據(jù)公式（1）計算單一土地利用動態(tài)度。

（1）

式中，K為單一土地利用動態(tài)度，即區(qū)域單一土地利用類型年變化率，Ua、Ub分別為研究初期及研究末期的土地利用類型的面積，T為研究時長。

將研究區(qū)劃分為1 km2的格網(wǎng)，計算每個格網(wǎng)的綜合動態(tài)度并以此為圖譜單元計算阿克蘇河流域2000—2020年綜合土地利用動態(tài)度，根據(jù)公式（2）計算綜合土地利用動態(tài)度[27-28]。

（2）

式中，Lc為綜合土地利用動態(tài)度，LUi為研究起始時刻第i類土地類型的面積，LUij為研究時段第i類土地類型轉(zhuǎn)為第j類土地類型的面積。

2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移圖譜 將各個時間段的土地利用數(shù)據(jù)劃分為1 km2的網(wǎng)格作為圖譜單元，計算土地利用轉(zhuǎn)移空間分布圖譜。將相鄰兩期土地利用數(shù)據(jù)相交，再對前后兩期土地利用類型編碼進行代數(shù)計算[29-31]，根據(jù)公式（3）計算土地利用變化圖譜。

（3）

式中，N為研究時段內(nèi)新生成的土地利用圖譜單元類型，A、B分別為研究初期和末期的土地利用類型編碼。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時間變化分析

3.1.1 土地利用面積時間變化分析 由圖2可知，2000—2020年阿克蘇河流域耕地和建設(shè)用地面積呈增加趨勢，其中耕地面積增加2 951.58 km2，建設(shè)用地面積增加206.84 km2；2000—2020年阿克蘇河流域水域、草地、未利用地、林地面積呈減少趨勢，其中水域面積減少1 653.89 km2，但研究期間呈現(xiàn)出先減后增的特征，轉(zhuǎn)折點發(fā)生在2015年；草地面積減少775.12 km2；未利用地面積減少423.12 km2；林地面積減少294.76 km2。

3.1.2 土地利用動態(tài)度時間變化分析 由圖3可知，2000—2020年阿克蘇河流域建設(shè)用地和耕地動態(tài)度為正，說明研究期間其面積呈現(xiàn)逐年遞增趨勢。2010—2015年建設(shè)用地和耕地動態(tài)度分別為12.63%、4.38%，達到最大；2015—2020年建設(shè)用地和耕地動態(tài)度有所下降，分別為0.72%、0.08%，但建設(shè)用地和耕地面積仍呈現(xiàn)遞增趨勢。雖然耕地面積仍在擴大，但2015年后，在水土資源的承載力和宏觀土地管理的共同作用下，阿克蘇河流域的耕地擴張速度已經(jīng)開始減緩。2000—2015年阿克蘇河流域水域動態(tài)度均為負值，說明在此期間水域面積呈遞減趨勢。2000—2005年水域動態(tài)度為-0.09%；2005—2010年水域動態(tài)度為-0.30%；2010—2015年水域動態(tài)度為-10.28%，達到最大；2015—2020年阿克蘇河流域水域動態(tài)度首次為正數(shù)（2.38%）。

3.1.3 土地利用類型時間尺度流動分析 由圖4可知，從時間尺度上分析，阿克蘇河流域主要有3種土地利用流動模式。（1）2000—2020年建設(shè)用地總體呈擴張趨勢，擴張了206.84 km2，從耕地流入的面積為271.14 km2，占總流入面積的73.61%；主要流出土地類型為耕地，流出面積為142.57 km2，占流出總面積的88.24%；流入流出動態(tài)主要發(fā)生在2010—2015年。（2）2000—2020年耕地總體呈擴張趨勢，擴張了2 951.58 km2；土地利用類型流動主要發(fā)生在2010—2015年，耕地擴張了1 527.81 km2，從草地、未利用地、林地流入面積分別為1 267.12、614.76、

427.34 km2，流出為林地、草地、建設(shè)用地的面積為330.05、315.51、271.22 km2。（3）2000—2020年水域總體呈萎縮趨勢，萎縮了1 653.89 km2，流出為未利用地、草地、耕地的面積分別為1 489.93、616.09、159.69 km2；流入流出動態(tài)主要發(fā)生在2010—2015年，期間水域萎縮了1 785.50 km2?？傮w來看，2000—2020年阿克蘇河流域不同地類的交叉流動較強，耕地和建設(shè)用地都以流入為主，水域以流出為主，表明該地區(qū)正在進行土地開發(fā)和城市化進程，以滿足人口增長和經(jīng)濟發(fā)展的需求。

3.2 土地利用空間變化分析

3.2.1 土地利用動態(tài)度空間變化分析 阿克蘇河流域土地利用動態(tài)度主要有3種變化。（1）建設(shè)用地以圈層式向外圍擴張。建設(shè)用地是阿克蘇河流域城市化及現(xiàn)代化進程的核心區(qū)域，由圖5可以看出，2000—2020年阿克蘇河流域建設(shè)用地的動態(tài)度呈現(xiàn)圈層狀分布，動態(tài)度高的位置集中在原有建設(shè)用地的外圍邊，以原有的建設(shè)用地為中心向周邊呈近鄰式擴張。

（2）耕地以圈層式向外圍擴張為主，星點式內(nèi)部挖潛為輔。耕地是阿克蘇河流域的重要地類，耕地的可持續(xù)發(fā)展影響著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平。由圖6可以看出，2000—2020年阿克蘇河流域耕地空間動態(tài)度高的地方集中在原有耕地的內(nèi)部及四周；2000年原有耕地內(nèi)部分布破碎化程度相對較高，耕地之間連接不夠緊密；2020年耕地空間分布明顯更加緊密，且往原有耕地向外圍擴張。

（3）水域呈上山式萎縮。阿克蘇河流域是重要的農(nóng)業(yè)基地，農(nóng)田灌溉對水資源需求巨大，水資源的合理利用和管理對保障農(nóng)田灌溉、農(nóng)作物生長、農(nóng)村居民生活水平和維護該地區(qū)的生態(tài)平衡及生物多樣性至關(guān)重要。由圖7可以看出，2000—2020年阿克蘇河流域水域向高海拔移動，且面積呈現(xiàn)萎縮趨勢。阿克蘇河流域動態(tài)度高的位置集中在溫宿縣高山區(qū)海拔為4 100～5 800 m的冰川積雪處，氣候變暖、降水變化和人類活動等因素共同作用造成了溫宿縣高山區(qū)冰川大量融化[32]。

3.2.2 土地利用類型空間尺度流動分析 從空間尺度看，阿克蘇河流域主要有3種土地利用流動模式。（1）建設(shè)用地擴張。2000—2020年建設(shè)用地總體擴張面積為206.84 km2，占2000年建設(shè)用地總面積的82.22%。由表1可知，從耕地流入的面積為271.14 km2，

占建設(shè)用地總變化量的51.16%；流出為耕地的面積為142.57 km2，占建設(shè)用地總變化量的26.90%。由圖8可知，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地主要發(fā)生在原有建設(shè)用地周圍，從原有建設(shè)用地向四周擴張，且主要發(fā)生在阿克蘇河流域中上游位置；建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貏t較為零散的分布在原有耕地的內(nèi)部。

（2）耕地擴張。2000—2020耕地總體呈現(xiàn)擴張趨勢，擴張面積為2 951.58 km2，占2000年耕地面積的52.83%，主要從草地和未利用地流入（圖9）。由表2可知，草地流入面積為1 892.54 km2，占耕地總變化量的40.30%，主要原因在于原有耕地向四周擴張，將外圍的草地轉(zhuǎn)為耕地，且轉(zhuǎn)移集中分布在阿克蘇河流域中上游海拔較低的區(qū)域；未利用地流入面積為973.66 km2，占耕地總變化量的20.74%，轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在原有耕地內(nèi)部。主要流出用地類型為林地、建設(shè)用地和草地，流出面積分別為291.72、271.14、215.01 km2，流出的區(qū)域主要集中在流域中上游，水資源較為豐富，說明耕地傾向于集中分布在水土資源較好的中心地區(qū)。

（3）水域上移萎縮。2000—2020年水域總體萎縮面積為1 653.89 km2，占2000年水域面積的46.69%。

由表3可知，主要流出地類為未利用地和草地，流出面積分別為1 489.93 km2、616.10 km2。由圖10可知，流出為未利用地的區(qū)域主要是溫宿縣冰川積雪分布海拔超過4 100 m的高山區(qū)，流出為草地的區(qū)域主要是原有的草地的位置和溫宿縣高山區(qū)冰川積雪處。流入為水域的地類主要為草地和未利用地，流入面積分別為314.98、255.89 km2，草地流入主要發(fā)生在原有草地的外圍，未利用地流入主要發(fā)生在原有耕地內(nèi)部，為滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需求隨著耕地面積的增加而增加。

4 討論與結(jié)論

研究借助ArcGIS軟件和地理信息圖譜理論，基于阿克蘇河流域2000—2020年間土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建2000—2005、2005—2010、2010—2015和2000—2020年4個時序的土地利用變化信息圖譜，分析研究區(qū)20 a間土地利用時空演變特征及規(guī)律。2000—2020年阿克蘇河流域建設(shè)用地及耕地呈現(xiàn)擴張趨勢，水域呈現(xiàn)萎縮趨勢，與周德成等[33]的研究結(jié)果“耕地、建設(shè)用地處于‘漲勢’，永久性冰川積雪處于‘落勢’”相互印證。2000—2020年，阿克蘇河流域水域面積減幅最大，主要集中在溫宿縣高山區(qū)[34]。該研究中阿克蘇河流域水域動態(tài)度高的位置集中在溫宿縣高山區(qū)海拔為4 100～5 800 m之間的冰川積雪處，與前人研究相互補充。

總體而言，2000—2020年，阿克蘇河流域土地利用變化以建設(shè)用地和耕地的持續(xù)擴張與水域的不斷萎縮為主要特征。建設(shè)用地擴張的主要原因是原有建設(shè)用地四周大量耕地流入，耕地擴張的主要原因是原有耕地內(nèi)部及四周大量草地流入，水域萎縮的主要原因是冰川積雪區(qū)域大量流出為未利用地。土地利用變化圖譜單元空間分布由離散向聚集轉(zhuǎn)化，土地利用變化幅度先增后減，最終趨于穩(wěn)定；圖譜單元總體流動特征為草地轉(zhuǎn)向耕地（1 892.54 km2）、水域轉(zhuǎn)向未利用地（1 489.93 km2）、耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地（271.14 km2）。

該研究集成遙感技術(shù)、地學(xué)信息圖譜、GIS網(wǎng)格法，結(jié)合時間和空間兩個維度，基于多期土地利用信息構(gòu)建土地利用時空變化圖譜體系，闡釋了土地利用類型時空變化的特征和規(guī)律，與已有相關(guān)研究[35]相比，該研究得出的土地利用變化時空特征可以更加清晰地揭示阿克蘇河流域土地利用類型變化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性和其在空間位置上的特征規(guī)律，豐富了區(qū)域土地利用變化過程和特征的綜合分析，可為今后開展多時空尺度的土地利用變化研究提供有效手段。但該研究僅依托地學(xué)圖譜理論與方法對土地利用變化時空過程特征進行分析，關(guān)于土地利用變化的驅(qū)動力分析以及變化趨勢的模擬預(yù)測還有待進一步研究。

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（責(zé)任編輯：王婷）