乌伦古河流域土地利用动态变化分析

李小玉，蒲 智，唐 芳

（新疆农业大学计算机与信息工程学院，乌鲁木齐 830052）

土地利用变化作为全球环境变化的关键组成部分［1，2］，它是人类活动及行为对地表自然生态环境影响最明显的标志，是人类社会行为与自然生态过程交互和链接的纽带［3］。近几十年来海河流域经济社会高速发展、城市化建设加快、产业结构调整，流域内的土地利用随之发生调整和结构性变化［4］。河流所维持的生态资源是人类不可或缺的自然资源，定量分析流域的土地利用变化过程，能够及时监测到变化走势，进而更加合理地开发和利用流域土地，维持流域自然资源的可持续发展。越来越多的学者对河流流域的土地利用变化展开研究，何万华等［5］研究分析了雅鲁藏布江及其支流拉萨河与年楚河的土地利用时空变化的影响特征及规律。巩杰等［6］以甘肃省疏勒河中下游为研究对象分析了土地利用变化对其生态环境的响应。王爽等［7］探讨了艾比湖流域1990—2011 年土地利用和生态系统服务价值的变化特征。李景远等［8］通过车尔臣河流域土地利用/覆盖类型变化与生态环境效应进行综合分析，从而了解土地利用类型变化引起的生态环境质量问题。孙琳等［9］分析研究了东江流域土地利用变化的时空特征，为粤港澳大湾区建设提供数据支撑。

本研究以位于新疆北部的乌伦古河流域为研究区域，其为新疆阿勒泰地区第二大河流，由于其大陆性气候以及丰富光、热、水资源，使其适合于农业生产的发展，该流域农业灌溉用水量占全流域总用水量的90%以上［10-12］。大量开发耕地发展经济导致20 世纪60、70 年代河流水位下降、流域面积萎缩，从而使得生态环境质量急速下降，流域周围逐渐出现荒漠化迹象。本研究定量分析了乌伦古河流域土地利用变化的类型和方向，为其可持续发展和资源统筹管理决策等提供科学依据［13，14］。

1 研究区概况

乌伦古河是准噶尔盆地内非常重要的一条内陆河，也是新疆年际变化最大的河流［15］，地处准噶尔盆地西北边缘，其流域范围具体位于87°05′—91°04′E，45°46′—47°28′N（图1）。乌伦古河发源于青河县境内阿尔泰山脉，自东向西流经富蕴县，最终汇入福海县乌伦古湖。主要支流有4 条，即大青格里河、小青格里河、查干河、布尔根河，河流全长725 km，干流长95 km，流域面积为6.14×104km2（中国境内集水面积为2.76×104km2）［16］，其水源主要来自高山融雪和降水补给。乌伦古河为新疆农业提供丰富水源，对当地农业发展起着非常重要的作用。

图1 乌伦古河位置

2 研究数据及方法

2.1 数据来源与处理

选用Landsat5-TM 和Landsat8-OLI/TIRS 的卫星影像，数据具体来源于美国地质勘探局（http：//glovis.usgs.gov/）。共有4 期数据，分别为1990、2000、2010、2019 年，影像轨道号为141/27、141/28、142/28、143/27、143/28 共20 景，其云量均低于6%，成像日期集中在6—9 月。对影像进行预处理，包括辐射定标、几何校正和大气校正，然后进行影像镶嵌，最后根据矢量边界数据裁剪出研究区域的影像数据，最终通过监督分类与目视解译相结合的方法得到土地利用变化信息。

土地利用分类系统采用刘纪远［17］提出的分类体系，具体参考中国科学院土地资源分类系统，将影像中的土地资源按照一级分类分为6 类，即耕地（包括熟地、荒地、休耕地）、林地（包括天然林、人工林）、草地、建设用地、水域（包括天然水域、水利设施用地）、未利用地。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度综合指数 土地利用程度综合指数指土地利用程度，可以具体反映土地利用的深度和广度，此量化指标取值区间为［100，400］，在此区间内代表土地利用处于合理开发阶段，指数值越大土地利用程度越高。其数学模型［18］表示如下。

式中，L为土地利用程度综合指数；Ai为第i级土地利用程度分级指数；Ci为第i级土地利用程度分级面积百分比；n为土地利用程度分级数。

2.2.2 土地利用单一动态度 土地利用单一动态度指某一地类在一定时间段内的变化速度，定量反映土地利用变化情况，可用于预测土地利用变化情况。单一土地动态度变化在一定程度上反映了人类对土地利用方式的干扰程度，动态度越大，人为干扰越剧烈［19］。当值为正数时，表示该类型面积增加，当值为负数时，表示该类型面积减少；单一土地动态度的绝对值可以用来衡量土地利用类型转换数量的多少，当绝对值越小时，则说明该类型转换数量越少，状态较为稳定，反之则说明该类型转换数量越多，状态较为剧烈。其数学模型如下。

式中，Kt为Ta到Tb时段内i类土地利用类型动态度；Sa、Sb分别表示在Ta、Tb时间点时土地利用类型面积；Ta和Tb分别表示研究时间区间的初期和末期。

2.2.3 土地利用转移矩阵 土地利用转移矩阵指研究区间内不同时间点上土地利用情况的转化关系，由此得到的二维矩阵，用来描述土地利用变化的结构特征和各类型之间的转移方向，能够定量表达研究区土地利用的结构变化特征、反映土地利用类型的转变趋势［20］，同时可以详细地描述各土地利用类型变化的数量、去向以及来源［21］。其数学模型如下。

式中，S为土地利用面积；n为土地利用的类型；i和j分别为研究区域初期和末期的土地利用类型。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构变化分析

由图2 可以看出，在近30 年的发展中，每种土地利用类型所占比例差异较大，其中，占比最大的是未利用地，1990、2000、2010、2019 年所占比例分别为62.84%、62.48%、58.70%、57.35%，均超过总面积的50%以上；占比最小的是建设用地，4 期占比分别为0.06%、0.10%、0.20%、0.39%；所占比例逐年增加的是耕地，分别为2.32%、2.99%、5.64%、7.40%；所占比例呈减少趋势的是林地，分别为3.67%、3.88%、2.72%、2.71%；在4 期数据中草地的占比分别为26.73%、25.83%、27.97%、27.31%，水域占比分别为4.38%、4.72%、4.77%、4.84%，这2 种土地利用所占比例变化波动比较平稳。

图2 1990—2019 年乌伦古河流域各类土地利用类型占比

由表1 可以看出，1990、2000、2010、2019 年未利用地的面积分别为16 191.18、16 095.13、15 121.51、14 772.53 km2，1990—2019年共计减少了1 418.65 km2，是面积数量变化最大的土地类型，尤其是在2000—2010 年 表 现 最 为 明 显，减 少 了973.62 km2；1990、2000、2010、2019 年 草 地 的面 积 分 别 为6 887.06、6 655.72、7 207.36、7 036.99 km2，整体趋势为先减少后增加再减少，但最终的面积增加了149.93 km2；耕地、水域和建设用地面积一直为上升趋势，耕地是1990—2019 年增加面积最多的一种土地利用类型，增加了1 311.16 km2，其中2000—2010 年是面积增加最多的一个时间段，耕地面积增加了682.25 km2，占总体增加面积的52%；水域的面积共增加了118.62 km2，其中1990—2000 年增加面积最多，由初期的1 128.72 km2增加至末期的1 214.83 km2。建设用地在1990—2000 年增加了11.42 km2、2000—2010年增加了24.84 km2、2010—2019年增加了49.01 km2，共增加了85.27 km2，增加的面积一直呈上升趋势；林地的面积变化情况为先增加后减少再减少，在近30 年来，共计减少了246.32 km2，其中2000—2010 年减少了299.56 km2，占整体变化面积的122%。

表1 1990—2019 年乌伦古河流域各类土地利用类型面积及变化 （单位：km2）

3.2 土地利用动态度变化分析

1990—2019 年乌伦古河流域的草地、耕地、水域、林地、建设用地、未利用地的动态变化情况如表2 所示。

表2 1990—2019 年乌伦古河流域土地利用单一动态度 （单位：%）

1）1990—2000 年草地和未利用地的动态度分别为-0.34%和-0.06%，耕地、水域、林地、建设用地的动态度分别为2.93%、0.76%、0.58%、7.37%，表明在该时间内草地和未利用地的面积均在减少，而其余4 种土地利用类型均在增加，这6 种土地利用类型动态度的绝对值大小表现为建设用地＞耕地＞水域＞林地＞草地＞未利用地，表明建设用地的转换数量最多，状态变化最剧烈，未利用地的转换数量最少，状态变化最稳定。

2）2000—2010 年林地和未利用地的动态度分别为-2.99%和-0.60%，表明这2 类土地利用类型面积均在减少，而其余4 类动态度均为正值，表明面积均在增加，其中，建设用地的动态度为9.23%，在所有类型中绝对值最大，表明建设用地的转换数量最多，状态变化最剧烈，其次是耕地，动态度为8.85%，转换数量最少、状态变化最稳定的是水域，其动态度为0.12%。

3）2010—2019 年草地、林地、未利用地的动态度分别为-0.24%、-0.03%、-0.23%，表明这3 种土地利用类型的面积呈下降趋势，其余3 种类型的动态度均为正值，表明面积呈上升趋势。动态度绝对值最大的是建设用地，为9.47%，绝对值最小的是林地，为-0.03%，表明建设用地的转换数量最多，状态变化最剧烈，而林地则与之相反。

4）1990—2019 年林地和未利用地的动态度分别为-0.90%和-0.30%，表明这2 种土地利用类型的面积在近30 年有所减少，草地、耕地、水域、建设用地的动态度分别为0.08%、7.58%、0.36%、18.97%，这4 种类型的土地利用面积均有所增加，从而可以看出建设用地的数量变化最多，状态变化最剧烈，其次是耕地。草地、水域、林地、未利用地的动态度绝对值均在1%以内，表明这4 种类型的变化较为平稳，并且数量变化相对较少。

3.3 土地利用程度变化分析

通过土地利用面积占比数据和土地利用类型分级指数，计算得到1990—2019 年乌伦古河流域土地利用程度。由表3 可以看出，1990、2000、2010、2019年土地利用程度综合指数分别为139.59、140.74、147.34、150.84，呈逐步上升趋势，4 期的数据值均在100～400，表明这30 年的土地利用开发都处在合理开发阶段，并且具有充足的上升空间。在1990—2000 年土地利用程度综合指数增加了1.15，2000—2010 年增加了6.60，2010—2019 年增加了3.50，综上，2000—2010 年土地利用和开发程度最高。

表3 1990—2019 年乌伦古河流域土地利用程度综合指数

3.4 土地利用转移矩阵分析

由表4 至表6 可知，1990—2000 年、2000—2010年、2010—2019 年发生转移的土地利用面积分别为1 174.58、3 316.91、910.91 km2，由 此 得 到2000—2010 年土地利用变化波动较大，转移方向比较活跃。这与表3 中土地利用程度综合指数变化最大的年份相对应，说明2000—2010 年土地利用变化的发展速度较快，并且呈多样化发展的趋势。

表4 1990—2000 年乌伦古河流域土地利用转移矩阵 （单位：km2）

表6 2010—2019 年乌伦古河流域土地利用转移矩阵 （单位：km2）

1990—2000 年草地的转出面积最多，占总转出面积的49.32%，而草地的主要转入来自于耕地和林地；耕地共转出了122.23 km2，但其中52.19%都转为草地；林地的转移方向主要集中在耕地和草地，占其转出总面积的88.28%；水域和建设用地的转移数量较少，表明这2 种类型的土地利用变化较为缓慢。

2000—2010 年各类型的转出面积排序为未利用地＞草地＞林地＞耕地＞水域＞建设用地，其中，未利用地转出面积中有62.29%的面积转为草地，33.08%的面积转为耕地；草地的转入面积除了未利用地以外，还来源于耕地和林地，转入面积分别为92.71 km2和385.80 km2；林地转出面积有75.33%转向了草地；耕地的转出较为平均，48.00%转为草地，33.28%转为林地，12.74%转为未利用地，而水域主要向草地和未利用地转出。

2010—2019 年未利用地的转出面积最多，占转出总面积的48.97%，主要转向草地和耕地；其次是草地，占转出总面积的38.33%，主要转向了耕地和未利用地；耕地转出比为7.31%，主要转向草地，同时耕地的转入面积最多，其转入面积占总转入面积的57.18%，主要来源于未利用地和草地。林地、水域、建设用地的转出占比较少，转出面积最少的是建设用地，仅有1.01 km2。

表5 2000—2010 年乌伦古河流域土地利用转移矩阵 （单位：km2）

4 小结与讨论

1）1990—2019 年由于人口数量的增长和发展农业经济的需求，使得河流沿岸的耕地和建设用地面积不断增长，1990—2000 年耕地和建设用地增加面积分别为174.67、11.42 km2，2000—2010 年耕地和建设用地增加面积分别为682.25、24.84 km2，2010—2019 年耕地和建设用地增加面积分别为454.24、49.01 km2，耕地共计增加了1 311.16 km2，建设用地共计增加了85.27 km2。

2）1990、2000 、2010、2019 年林地面积分别为945.69、1 000.88、701.32、699.37 km2。从2000 年开始林地面积逐渐下降，尤其是在2000—2010 年，林地减少面积最多，并且林地主要转向草地。因为随着人口数量和耕地面积的增长，用水量的使用也同时增长，导致流域的地表径流量逐渐下降，原有的生态系统逐渐被破坏，开始发生逆向演替。流域附近的林地开始发生退化，逐步退化为草地、荒地，最终演变为荒漠沙地。

3）水域的变化一直处在比较平稳的状态，变化波动较小。由《阿勒泰地区生态环境保护条例》可知，为满足人们日益增大的用水需求，需要对乌伦古河流域的水资源进行合理规划，目前主要采取对流域内的耕地进行滴灌浇水的方法，并且修建水库及防渗透的水渠，这一系列措施减少了水的损耗。同时，修建了引额济乌伦古湖的渠道工程，将额尔齐斯河的水注入乌伦古湖，缓解了乌伦古河流域的水域压力，避免生态环境的进一步恶化，保持自然资源的绿色发展。

4）乌伦古河作为阿勒泰地区的重要水源地，对青河县、富蕴县、福海县和兵团农十师182 团这些区域发展起到关键作用。由于之前的过度开发导致植被范围出现大量缩减，造成河流区域部分土地甚至出现沙化趋势。因此对土地利用要做到规范、合理、适度，同时要及时监测土地利用变化情况，看其是否在合理的开发范围之内，进而帮助生态环境的恢复，使其可持续发展。

本研究选取乌伦古河流域作为研究对象，探讨了1990—2019 年其流域土地利用的动态变化特征，运用监督分类中的最大似然法与数理统计方法，最终结果与前人研究的发展趋势相一致，但仍有不足之处。采用的影像为低中分辨率的影像，其分类的精准度不如高分辨的影像，最终的结果仅展示出1990—2019 年的变化，没有对以后发展状况的预测。