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基于遥感和GIS的和田市近28a耕地变化及其驱动因素研究

发布时间:2023-09-26 09:05:06 来源:网友投稿

努尔比耶·奥布力艾散,阿依吐尔逊·沙木西※,布买日也木·买买提,孜比布拉·司马义,阿里木江·卡斯木

(1. **农业大学管理学院,乌鲁木齐 830052;
2. **大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐 830046;
3. **师范大学地理科学与旅游学院,乌鲁木齐 830054)

人类在一定空间上聚集进行政治、经济和社会文化活动而形成的地理实体称为城市,不断变化的城市动态特征一定程度上反映了城市空间结构和城市化进程变化的规律和矛盾[1]。城市化是社会生产力的发展带动城市空间区域的扩张,城市人口文化水平的提高,城市人口向一定的空间集聚、非建设用地向建设用地的转移和经济结构优化等综合的动态过程[2-3]。城市空间扩展是一个较为复杂的社会经济现象和过程。在经济快速发展,人口规模持续增长,城市化水平日益提高的当今社会,城市空间扩展日益显著,并且这种趋向变得越来越难控制[4-5]。目前,城市空间的快速扩展对建设用地的需求持续增大,城市空间扩展导致城市用地占据非城市用地,从而导致人地关系紧张和土地—生态环境之间的矛盾日益突出。这种变化趋势在干旱区绿洲城市空间扩展过程中最为显著[6-9]。耕地具有资产增值功能、生产功能和承载功能,是发展农林牧渔业以及整个国民经济的基础,对城市的日益扩展和经济的不断发展具有重大贡献。目前国内外有关城市空间扩展对耕地影响的研究比较多,区域比较广[10-13],但是涉及干旱区绿洲城市的研究较少[14-15],尤其是利用遥感和GIS等技术对耕地变化进行长时间序列的动态监测显得略为不足。干旱区绿洲城市的地理特性决定以耕地为最主要的自然资源,因此,干旱区绿洲城市的经济发展尤其是城市空间扩展依托城市周围的极为有限的耕地资源[16]。干旱区绿洲城市空间扩展导致的耕地面积的大量减少不仅严重破坏了干旱区本身脆弱的生态环境,还会给当地粮食产量带来影响,从而产生了一系列城市问题[17-18]。

和田市作为**南部典型的干旱区绿洲城市,耕地资源非常有限、水资源严重缺乏、生态环境极其脆弱[19]。近些年来,在国家和地方政府相关政策推动下,和田市经济得到了前所未有的发展,使和田市城市化水平提升、城市空间扩展速度日益加快[20]。但同时,城市扩展、经济增长、人口聚集及农业人口向城市人口转移等因素严重威胁着城市周边有限的耕地资源,使得耕地资源大量缺失。耕地面积减少和植被覆盖度降低导致沙漠化程度加重,沙尘天气频繁,严重阻碍城市化和城市生态环境之间的和谐发展。因此,研究和田市快速城市化背景下城市土地利用变化、城市空间扩展、城市空间扩展对耕地的影响,对改善城市生态环境和建设长期稳定的可持续发展的绿色城市有着重要的意义。

和田市是**和田地区的首府城市,是**最南端的一座绿洲城市(图1)。和田市地处欧亚大陆腹心地带,北部为塔里木盆地,南部为昆仑山脉,地理坐标在79°50"~80°1"E 和37°06"~37°12"N 之间。地势南高北低,平均海拔高度为1 350 m,是玉龙喀什河的冲积平原,城市呈现带状分布。东部与西部靠近河流地势较低,北部地区主要从事农业活动,地势相对比较平坦。气候是属于暖温带内陆沙漠气候,气候干旱,年均降水量在35 mm 左右,年均蒸发量高达2 480 mm 左右,年均气温在11.1℃~13℃之间,日照强度高达60%。根据2019 年的《**统计年鉴》[21],2018 年末和田市生产总值为75.10 亿元,其中:第一产业产值约占4.84%,第二产业产值约占19.97%,第三产业产值约占75.19%;
城镇固定资产投资为89.15 亿元;
人均GDP 为1.90 万元。2018 年末和田市总人口为40.23 万,其中,非农业人口占54.39%;
农业人口占45.61%。

图1 和田市区位示意图Fig.1 Location of the study area

2.1 数据来源与处理

选取和田市1990 年8 月2 日、2000 年8 月5 日、2010 年6 月22 日和2018 年5 月11 日的4期Landsat影像数据(空间分辨率为30 m×30 m的321波段合成,云层覆盖度<2%)为基础数据源,结合和田市社会经济统计数据、历年土地利用现状图和Google Earth影像地图等辅助数据,在ENVI4.6、ArcGIS10.3和SPSS19等软件的支持下,对和田市4个时期的土地利用进行了监督分类。根据中国科学院“国家资源环境遥感宏观调查与动态分析”[22]课题组建立的土地资源分类系统,该文把和田市土地利用类型分为建设用地、耕地、林地、水域以及未利用地等五大类型。分类前对原始影像进行了几何校正和大气校正,从而提高了原始影像的分类精度。由于2010年的影像存在影像条带,对这期影像数据进行了去除条带处理。在此基础上,利用最大似然法进行了监督分类,并进行了精度验证。经检验Kappa系数均在0.85以上,说明数据可靠。

2.2 研究方法

(1)耕地变化动态度

耕地变化动态度常被用于反映某一段时间内耕地发生改变的情况,即耕地资源稳定性,动态度越高,耕地资源的稳定性越差。其数学计算公式为:

式(1)中,R表示耕地变化动态度;
Uc-Ue表示某一时间段内耕地面积的变化量(km2);
T表示某一时间段的时间间隔(年)。

(2)耕地利用转移矩阵

耕地利用转移矩阵全面而又具体地刻画区域耕地利用变化的结构特征,反映出人类活动所引导的耕地利用变化方向,是通过土地利用转移矩阵分析模型来获取。转移矩阵数据是将各土地利用类型的转移面积按矩阵形式列出来,定量描述在一定时间间隔下,不同土地利用类型和耕地之间的转化情况,从而可以更好地揭示耕地利用格局的时空演化过程。其数学计算公式为:

式(2)中,S表示为面积;
n为各类土地利用类型数量;
Sij表示某种土地利用类型i转为j类土地类型的面积;
i和j分别为研究初期和研究末其的土地利用类型。

3.1 和田市土地利用变化分析

和田市土地利用分类结果表明(图2),城市耕地、建设用地和林地的空间动态度发生了很大的变化,其次为水域和未利用地。耕地的空间稳定性明显下降,且在分布上呈现比较分散状态,逐渐集中在城市边缘区域;
建设用地的扩张速度较快、较明显,主要集中在城市中心,并逐渐向外迅速扩张;
林地规模明显上升,并逐渐集中在城市西、南部区域;
水域和未利用地的变化幅度相比耕地、建设用地和林地相对低,但水域出现了减少、干枯、被占用等情况,此变化对城市水资源的影响较大。未利用地作为城市的土地后备资源逐渐被利用。

图2 土地利用分类结果Fig.2 Land use classification results

1990—2018 年这28a 间,和田市土地利用结构的变化体现在以下方面:①林地从1990年的23.77 km2(约占13.93%)增加到2018年的33.00 km2(约占19.34%),共增加了9.23 km2(约占5.41%),基本上呈逐年增加趋势,年均增加速率为1.39%。②耕地从92.61 km2(约占54.28%)减少到45.55 km2(约占26.70%),共减少了47.06 km2(约占27.58%),呈逐年减少趋势而且减少幅度较大,年均减少速率为1.81%。③水域从14.11 km2(约占8.27%)减少到6.61 km2(约占3.87%),共减少了7.5 km2(约占4.4%),呈逐年减少趋势,年均减少速率为1.90%,其中2010—2018 年间减少幅度较大,从11.44 km2(约占6.70%)减少到6.61 km2(约占3.87%),年均减少速率为5.28%。④建设用地从10.82 km2(约占6.34%)增加到69.50 km2(约占40.73%),共增加了58.68 km2(约占34.39%),呈逐年增加趋势并且每年增加幅度都很高,年均增加速率为19.37%。⑤未利用地从29.31 km2(约占17.18%)减少到15.96 km2(约占9.36%),共减少了13.35 km2(约占7.82%),总体上呈减少趋势,年均减少速率为1.63%;
但2000—2010年,有增加趋势,从10.04 km2(约占5.88%)增加到16.67 km2(约占9.77%)。

图3 和田市1990年、2000年、2010年和2018年土地利用变化结果统计Fig.3 Statistical map of Land use change results in Hotan City in 1990,2000,2010 and 2018

3.2 和田市耕地变化的转移矩阵分析

3.2.1 耕地转变为非耕地的转移矩阵分析

整体上,1990—2018 年总共有69.26 km2耕地有不同程度转出为其他4 种土地类型。其中:25.34 km2耕地转出为林地,占总转出面积的36.59%;
3.77 km2耕地转出为水域,占总转出面积的5.44%;
38.00 km2耕地转出为建设用地占总转出面积的54.87%;
2.15 km2耕地转出为未利用地,占总转出面积的3.10%。耕地转移为建设用地和林地的面积和比例最大,二者之和高达63.34 km2,约占转出总面积的91.45%(表1)。空间上,1990—2000年,建设用地对城市中心的核心耕地的占用比较显著,林地对东北区域耕地的占用较显著,水域和未利用地对耕地的占用力小,耕地在总体分布上没有受到太大干扰,处于比较稳定状态;
2000—2018年间耕地的稳定性明显下降,耕地转出面积依然很大,且耕地一直处在向城市边缘转移趋势,中心耕地不断被建设用地和林地占用;
1990—2018年总体研究阶段内,建设用地、林地对耕地空间分布的影响最大,耕地出现细碎化特征的主要用地类型,其次为水域和未利用地(图4)。

表1 和田市耕地转变为非耕地的转移矩阵统计表Table 1 Statistical table of conversion matrix of cultivated land transform to non-cultivated land in Hotan City

图4 和田市耕地转变为非耕地的空间分布Fig.4 The spatial distribution map of cultivated land transform to non-cultivated land of the Hotan city

具体分析:①1990—2000年,共39.27 km2耕地转出为其他4种土地类型。其中:耕地转出为建设用地和林地的面积最大,分别占耕地转出面积的51.13%和42.78%;
耕地转出为水域和未利用地的土地面积甚少,贡献不显著。耕地转出为林地和建设用地的主要原因是由于20世纪90年代开始,我国城市房地产开发开始升温,内外投资步步增加,因此和田市也受到其影响,建设用地开始增加并占用耕地资源。另外,由于城市自身存在的自然环境特征要求当地政府部门采取沙尘暴等恶劣天气的防范措施,因此增加林地面积占用耕地。②2000—2010年,共49.48 km2耕地转出为其他4种土地类型。其中:耕地转出为林地和建设用地的面积仍然很大,分别占耕地转出面积的41.47%和39.75%;
耕地转出为水域和未利用地的面积依然很少,但略有增加,说明在这个研究分段内耕地对林地和建设用地面积增加的贡献度依然很大。其原因主要是和田市自身的生态环境需求所导致的,在城市建设用地不断扩张的不良影响下,为了防止区域风沙、水土流失等自然灾害以及生态问题进行退耕还林措施。③2010—2018年,共46.33 km2耕地转出为其他4种土地类型。其中,耕地转出为建设用地和林地的面积很大,分别占耕地转出面积的51.76%和38.83%,且耕地转出为建设用地的土地面积在这28a间达到最高值,说明在这个研究分段内耕地对建设用地面积增加的贡献度达到最高值。

3.2.2 和田市非耕地转变为耕地的转移矩阵分析

整体上,1990—2018年共有22.20 km2土地由其他用地类型转入到耕地,其中未利用地和林地的转入最为明显,分别为8.38 km2和7.39 km2(约占71.04%);
水域和建设用地的转入面积不显著(表2)。空间上,1990—2000年,林地转入耕地的贡献最为显著,其次为水域和未利用地的转入较显著,但转入耕地的各类土地在空间分布上明显呈现细碎分布特征;
2000—1010年、2010—2018年,林地、水域、建设用地和未利用地对耕地的转入各不相同,但主要从城市边缘区域转入到耕地,且以分散式转入到耕地。1990—2018年总体研究阶段内,未利用地、林地和水域对耕地的转入以及空间分布较明显,由未利用地和水域转入耕地的土地主要集中在城市北部区域,由林地转入耕地的土地较分散分布(图5)。

图5 和田市非耕地转变为耕地的空间分布Fig.5 The spatial distribution map of non-cultivated land transform to cultivated land of the Hotan city

表2 和田市非耕地转变为耕地的转移矩阵统计表Table 2 Statistical table of conversion matrix of non-cultivated land transform to cultivated land in Hotan City

具体分析:①1990—2000年,共有33.47 km2土地由其他用地类型转入到耕地。其中林地和未利用地的转入面积最大,占新增耕地面积的78.01%,水域和建设用地对耕地的转入最小。表1和表2的对比中看出,此10a间耕地对建设用地的转出和建设用地转入耕地的面积间存在很大的差异;
耕地和林地间的转入与转出极为相似,在数量上对彼此的影响不大。另外,当地政府部门开始利用土地后备资源减轻耕地压力,并在一定程度上占补流失耕地。②2000—2010年共有26.15 km2土地由其他用地类型转入到耕地。其中林地和建设用地对耕地数量增加的贡献比较大,占新增耕地面积的86.12%,其次为建设用地、水域和未利用地。这10a 间耕地和林地间的转入面积小于转出面积,其原因主要是和田市自身的生态环境需求所导致的。另外,建设用地对耕地的转入开始增加,逐渐平衡耕地与建设用地间的矛盾。③2010—2018年共有28.40 km2土地由其他用地类型转入耕地。其中林地的转入最大,占新增耕地面积的52.66%,其次为建设用地和水域的转入比较大,未利用地转入不明显。

据和田市耕地变化的转移矩阵分析,28a间和田市耕地转出面积大小分别是建设用地>林地>水域>未利用地,其中耕地转变为建设用地和林地的面积比例最大,耕地对建设用地的转出面积在2010—2018年间达到最大,耕地对林地的转出面积在2000—2010年间达到最大,其中耕地对建设用地面积增加的贡献最大;
耕地转入面积大小分别是未利用地>林地>水域>建设用地。林地和未利用地以及水域是耕地的主要转入来源。研究表明,和田市耕地对城市建设的作用非常大,其次为生态用地的贡献最为明显。其中:耕地与林地之间的转变虽然不突出,但在空间转移上发生了很大的变化,其变化的主要原因可能是随着和田市内外投资的不断增加,城市GDP 的不断上升以及城镇人口持续增长,导致城市建设用地的快速扩大。同时,城市扩张所带来的生态负反馈使政府部门采取退耕还林等生态保护措施保护城市生态环境,因此耕地对城市建设用地和林地的转移非常显著。此外,1990年开始地方政府部门一直开垦未利用地,因此研究初期到末期未利用地转入耕地的比较多。

3.3 和田市耕地变化的影响因素分析

为了进一步解释和田市耕地面积变化的影响因素,该文通过自然、政策、人口和经济等四个方面对其进行定性和定量研究。

3.3.1 自然因素

气候干旱、降水量少、蒸发量强烈、多风、沙尘暴天气频繁、砂质土壤等脆弱性的生态环境作为城市严重干旱的主要原因,是和田市耕地发生变化的主要影响因素。①和田市气候干旱、降水少、蒸发强烈以及城市水资源不足等条件一直存在。虽然随着气温升温降水量有所增加,但在不同发展阶段跟随着蒸发量的作用,降水量的变化存在较平衡情况,因此通常对以高耗水性冬小麦、玉米、棉花等农作物的生长过程满足不了足够的水量,导致耕地浪费以及利用效率低等现象;
②和田市耕地春季农作物和冬小麦播种时期经常会受到昼夜温差的影响,通常会出现部分农作物冻死等现象,从而导致耕地弃耕。③由于和田市北部为塔里木盆地和塔克拉玛干沙漠,南部为昆仑山脉,因此经常受到大风、沙尘暴天气的威胁,大量耕地在大风中失去沃土,并受到沙埋,且此情况在冬小麦、玉米等农作物的重要生长时期频繁出现,因此会容易造成耕地肥力、水文下降,从而导致耕地沙漠化、退化以及撂荒等现象。

3.3.2 政策因素

和田市不仅是干旱区绿洲城市,同时也是**的较贫困地区,成为了南疆脱贫攻坚的棋根。和田市作为和田地区首府城市,对反映和田地区综合实力具有重大作用,因此为了加强和田地区经济发展与区域地位,国家和地方政府部门提供足够的人力、物力和财力助于了和田市的发展,使和田市经济得到了快速增长。2000 年颁布《西部大开发“十一五”规划》后和田市经济实现了又好又快发展,城市建设取得了新突破;
2010 年召开的“全国对口支援**工作会议”。2010年、2014年、2020年的第一、二、三届中央**工作座谈会以及2015年提倡的“一带一路”发展战略落实后和田特色产品走出了国门、基础设建设迎来了高峰,助于实现了区域的经济转型。同时,面临着城市发展带来的耕地变化、粮食产量下降、生态安全下降以及社会可持续发展受到制约等一系列生产、生态、社会等负面效应,国家和地方正负部门因地制宜提出了相应的保护政策,正确利用地区土地后备资源控制逐渐控制了负面状况。因此政策因素对和田市耕地变化发挥着重要作用。

3.3.3 人口因素

随着城市化进程,更多的农村人口人聚集到城市生活。由于城市人口数量的增加,导致了城市人口在城市中的干扰方式、范围的不断夸大,构成了城市建设区域与有限的可利用土地规模之间的尖锐矛盾,从而造成了耕地变化,使城市耕地的变化过程得以强化,成为了耕地变化的重要影像与作用因素。从图6可以得出,1990—2018年,和田市总人口从13.08 万人增加到40.23 万人,总共增加了27.15 万人,年均增加速率为7.41%。其中,非农业人口从7.01 人万增加到21.88 万人,增加了14.87 万人,年均增加速率为7.58%,对总人口增加的贡献度为54.77%。人口密度从767 人/km2增加到2 358 人/km2,共增加了1 591 人/km2,年均增加速率为7.41%。在过去28a 间,和田市总人口规模急剧增加,农业人口和非农业人口都呈增加趋势,但非农业人口增加幅度远远超过农业人口增加幅度。同时,农业人口向非农业人口转移,使得非农业人口在总人口的比重总体上呈上升趋势,城市水平大幅度提升。

图6 1990—2018年和田市人口结构统计表Fig.6 The demographic structure of the Hotan city from 1990 to 2018

和田市总人口和非农人口数量的增加让城市陷入了“人增—建增—耕退”的恶性循环。和田市耕地面积和总人口数之间的线性相关分析结果显示(表3),研究阶段内,城市总人口变化和耕地面积变化之间具有较强的相关性,皮尔逊相关系数达到了-0.995,表明了耕地变化与人口变化间具有高度负相关,且显著性检验P值在0.01时呈显著,因此具有显著的统计效果。以上分析充分表明,人口规模的变化直接引起城市耕地变化的重要因素。

表3 和田市人口和GDP与耕地变化之间的相关性分析Table 3 Correlation analysis between the population and GDP with farmland change of Hotan City

3.3.4 经济因素

和田市经济变化可以分为3个阶段:1990—2000年经济发展比较缓慢,三产业增长幅度较小;
2001—2010年三产业增加幅度比较显著,增长速度比较快;
2011—2018年三产业增加幅度非常显著,增长速度非常快(图7)。1990—2018年,和田市地区生产总值(GDP)总增长了85.44亿元,年均增长率为15.29%。其中:第一产业值累计增长了3.67亿元,对地区生产总值(GDP)增长的贡献率为4.30%;
第二产业值累计增长了16.50亿元,对地区生产总值(GDP)增长的贡献率为19.31%;
第三产业值累计增长了65.27 亿元,对地区生产总值(GDP)增长的贡献率为76.39%;

图7 1990—2018年和田市三产业结构变化图(单位:亿元)Fig.7 The change of three industry structure of the Hotan city from 1990 to 2018

分析不同研究分段内的耕地变化与地区生产总值(GDP)之间的皮尔逊相关性,定量描述地区生产总值(GDP)对耕地变化的影像强度(表3)。分析结果显示,和田市地区生产总值(GDP)与耕地变化之间的皮尔逊相关系数大于-0.8,显著性检验P 值小于0.05时呈显著。相关性分析结果充分表明了和田市的经济发展与耕地变化之间具有较强的负相关关系,因此经济因素也是城市耕地的变化主要影响性因素。

4.1 结论

该文从以上分析可以得出以下结论:①在过去28a 间,和田市土地利用结构发生了巨大变化,主要是建设用地面积显著增加,耕地面积大幅度减少,林地面积有所增加,水域和未利用地面积有所减少。②研究期间内耕地面积共减少了47.06 km2,而其中有38.00 km2的耕地被建设用地侵占,因此耕地对城市发展及城市空间扩展的贡献程度最大。③皮尔逊相关性分析结果表明,和田市人口增长是导致城市耕地面积减少的重要原因之一,人口增加和建设用地面积增加与耕地资源的减少有着密切的联系。人口增加必然依托更多的建设用地,而建设用地的增加占用了城市核心耕地。④和田市GDP 在1990—2018 年共增加了85.44 亿元,年均增加速率为15.29%。其中:第一产业产值共增加了3.67亿元,对GDP增加的贡献度为4.30%;
第二产业产值共增加了16.50亿元,对GDP增加的贡献度为19.31%;
第三产业产值共增加了65.27 亿元,对GDP 增加的贡献度为76.36%,且和田市GDP 与耕地变化之间的皮尔逊相关性分析比较显著地表明了和田市GDP 的变化是耕地变化的重要影响因素之一。这说明和田市的经济增长主要依赖于二、三产业的发展,其发展依然需要更多的土地资源,这导致城市用地往外扩展和建设用地占用耕地,最终导致耕地面积大幅的减少。

4.2 讨论

绿洲城市的空间扩展往往会依托大量建设用地规模的增加。因此,快速城市化会导致城市土地利用结的变化、建设用地规模的增加、城市空间的扩展。在和田市快速城市化和城市空间扩展过程中对耕地的侵占程度较大,导致耕地面积大幅度减少,对城市生态环境和粮食安全带来了一定的负面影响。因此,从城市土地规划和城市生态环境等角度出发,对和田市城市发展提出以下几点建议,为城市长期稳定的可持续发展提供一定的科学依据。①通过全面宣传国家的计划生育政策,加强人口规模的控制,减少城市人口带来的土地空间压力。②因地制宜地发挥土地利用相关政策作用,提高政策效率。合理布局城市土地空间,合理控制建设用地对耕地等城市生态用地的占用程度,加强耕地占补平衡问题,努力实现耕地的量补与质补,从而减少快速城市化而引起的一系列生态环境问题,保障城市环境良性发展,同时使粮食生产得到保障。③城市化过程中要提高土地资源保护意识,提高城市绿地覆盖度,提高城镇居民的耕地保护意识,积极推进城市和生态和谐发展。④在干旱半干旱气候严重缺水情况下提高农田灌溉效率,加强对有限耕地资源的保护,从而防止土地退化和沙漠化。⑤充分利用未利用地,高效利用城市内部的碎片未利用地和废弃地,从而提高城市用地效率,降低快速城市化对耕地带来的压力。

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