烏魯木齊市土地利用變化及其驅動力分析

2024年3月3日發(fā)(作者：米湯淋頭打一明星)

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烏魯木齊市土地利用變化及其驅動力分析

作者：陳月嬌 曹曉紅

來源：《安徽農(nóng)業(yè)科學》2018年第15期

摘要 [目的]了解西北干旱地區(qū)LUCC的時空變化特征及驅動力機制。[方法]選取烏魯木齊市2005、2010、2015年3期遙感影像及統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，基于RS、GIS軟件提取土地利用類型的信息，運用數(shù)理統(tǒng)計的方法，從土地利用變化幅度、土地利用類型轉移矩陣和單一土地動態(tài)度變化分析土地利用類型變化的過程，建立經(jīng)濟社會驅動力因素與土地利用類型變化相關關系矩陣。[結果]耕地和建設用地的面積明顯增加，而未利用地和水域在減少，天然植被基本保持不變；影響烏魯木齊市土地利用覆被變化的社會經(jīng)濟驅動因素主要為經(jīng)濟發(fā)展。[結論]烏魯木齊市土地利用的發(fā)展應加強土地保護的措施、優(yōu)化土地利用布局。

關鍵詞 土地利用；驅動力；主成分分析；相關關系；烏魯木齊市

中圖分類號 F301.2文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）15-0010-05

Abstract [Objective] The aim was to understand the spatial and temporal variation characteristics

and drive mechanism of LUCC （land-u and land-cover change） in the northwest of China.

[Method] Three period remote nsing images and statistical yearbook data in 2005， 2010 and 2015

were analyzed by taking Urumqi as a study ca. Three aspects including land u structure， land u

amplitude and converting matrix of land u type were analyzed for the LUCC during three periods.

Bad on the information of land u types from RS and GIS software， and using the method of

mathematical statistics， the land u change correlation matrix with economic and social drive

mechanism was established. [Result] The area of arable land and land for construction was incread

obviously， while the area of unud land and water was decread， and the natural vegetation

basically remained unchanged. The main driving factors were economic development. [Conclusion]

So development of land u in Urumqi should strengthen the measures of land protection and optimize

the layout of land u.

Key words Land u；Drive mechanism；The principal component analysis method；Correlation；Urumqi City

土地利用/土地覆被變化（LUCC）是人類活動與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式[1]。全球土地資源多，但能為人類所使用的土地資源相對較少。隨著全球人口的增長、經(jīng)濟的發(fā)展，人類生存的生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，而土地利用及其覆被變化是引起影響全球環(huán)境變化的主要原因之一[2]，目前LUCC研究已成為全球變化研究的前沿和熱點問題[3-5]。目前，國外關于土地利用變化的研究已從變化機制、驅動力逐漸轉向環(huán)境效應的綜合研究[6-7]。國內關于LUCC的研究從土地利用/覆被分類[8]、土地利用/覆被信息提取[9]，擴展到土地利用及其覆被變化的過程、驅動機制、資源環(huán)境生態(tài)研究等多個方面[10-11]，但尚缺乏對典型區(qū)域，尤其是西北地區(qū)LUCC時空變化規(guī)律以及驅動力的探討。

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我國是人口大國，土地面積廣闊，但人均耕地資源少，土地資源利用方面主要存在人地供需矛盾突出、土地退化、耕地資源流失嚴重等一系列問題[12]。土地資源的利用直接關系到我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，尤其是在地理環(huán)境比較特殊的西北干旱地區(qū)。筆者通過分析烏魯木齊市近幾年的土地利用變化趨勢，從時間、空間的角度揭示了地類變化特征，并分析了影響土地利用類型變化的驅動因子，以期為烏魯木齊市土地利用結構的優(yōu)化、土地資源的開發(fā)與保護以及經(jīng)濟社會環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市位于亞歐大陸腹地，地處天山北麓，準噶爾盆地南緣，東、西、南三面環(huán)山，北部地形開闊，地勢東南高，西北低，平均海拔800 m，受地形條件的影響，屬于典型的中溫帶干旱半干旱大陸性氣候，寒暑變化明顯，晝夜溫差大，年平均溫度為6.4 ℃，年平均降水量為236 mm，地表水蒸發(fā)量大，農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水主要來自天山雪水的融化。地理坐標：86°37′～88°58′E， 42°45′～44°08′N。

烏魯木齊市是新疆維吾爾自治區(qū)首府，全疆政治、經(jīng)濟、文化、科教和交通中心，是我國對中亞地區(qū)開放的門戶，尤其是在“一帶一路”新發(fā)展的浪潮中，作為陸上絲綢之路的重要節(jié)點，將在我國的經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。2007年烏魯木齊市經(jīng)過行政區(qū)劃調整，將昌吉回族自治州米泉市并入烏魯木齊市，設立米東區(qū)。該研究采用行政區(qū)劃調整后范圍，轄7區(qū)1縣，即天山區(qū)、沙依巴克區(qū)、高新區(qū)（新市區(qū)）、水磨溝區(qū)、經(jīng)濟區(qū)（頭屯河區(qū)）、達坂城區(qū)、米東區(qū)和烏魯木齊縣。2015年末總人口達266.83萬，人均地區(qū)生產(chǎn)總值達74 340元，經(jīng)濟發(fā)展呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2005—2015年社會經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)主要來源于歷年烏魯木齊市統(tǒng)計年鑒和烏魯木齊市政府工作報告，以此作為土地利用變化及其驅動力分析的依據(jù)。烏魯木齊市2005、2010、2015年3期遙感影像來源于中國科學院地理空間數(shù)據(jù)云Land sat 8 OLI數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)來源于烏魯木齊市土地變更調查數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

因烏魯木齊特殊的氣候環(huán)境，遙感影像下載時選擇了土地利用類型比較明顯的7、8月。首先應用ENVI 5.1軟件對該影像進行輻射定標、大氣糾正、圖像融合、幾何裁剪等處理，采用決策樹分類的方法對遙感影像進行目視解譯，并結合烏魯木齊市實際情況對分類結果進行手動修改，最后對其分類精度進行評價，Kappa系數(shù)分別為85.37%、89.20%、86.42%，分類精度良好，滿足該研究需要，分類結果予以使用，建立3期LUCC數(shù)據(jù)。

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由于土地利用方式不同，其分類方式也不同[13]。為分析烏魯木齊土地利用變化特征，該研究結合遙感影像解譯、實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料和烏魯木齊市土地利用的具體情況，將烏魯木齊市土地利用類型分為耕地、天然植被（林地、草地）、建筑用地（道路用地、居民點和工礦用地）、水域、未利用地5類。

1.4 研究方法

1.4.1 土地利用變化幅度。

土地利用數(shù)量變化的總趨勢和土地利用結構的變化主要體現(xiàn)在土地利用類型總面積上的變化。土地利用變化幅度是指土地利用類型面積的變化，反映了不同土地利用類型總量變化。其表達式為：

式中，Ua、Ub分別表示研究末期和研究初期某種土地利用類型的面積；ΔU表示研究時間段內土地利用變化幅度。

1.4.2 土地利用轉移矩陣。

土地利用轉移矩陣反映了研究時間段內不同土地類型之間數(shù)量上的相互轉化關系。土地利用轉移矩陣的公式為：

式中，U表示轉化面積；m表示不同土地利用類型；i、j分別表示研究初期和末期土地利用利用類型。

1.4.3 單一土地動態(tài)度變化。

土地利用動態(tài)度可定量描述土地利用變化速度，對土地利用變化區(qū)域差異的比較和未來土地利用變化趨勢的預測尤為重要。單一土地利用類型動態(tài)度表示研究區(qū)域一定時間內某種土地利用類型數(shù)量變化情況[12]，表達式為：

式中，Ua、Ub表達意義同（1）式；T表示研究時段長；K是研究區(qū)的研究時段內某一土地利用類型的動態(tài)度。

1.4.4 主成分分析。

主成分分析法是一種多變量統(tǒng)計方法，可以減弱自變量之間的相互干擾，其基本思路就是降維[14]。在進行土地利用變化驅動力定量分析時，選擇的因素一般細致全面，與土地利用之間存在相關關系，它們之間相互耦合關聯(lián)，通過主成分分析法可以將引起土地利用變化的多個社會經(jīng)濟因素歸納為幾個具有綜合性的代表因子，且這些綜合因子能反映原所有變 量的大部分信息。因此，該研究采用主成分分析法研究烏魯木齊市社會經(jīng)濟驅動力機制。

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2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

土地利用變化主要體現(xiàn)在土地利用結構的空間變化、土地利用類型數(shù)量的變化、土地利用類型的變化、土地利用區(qū)域差異等多個方面的變化[6]。該研究主要采用土地利用變化幅度、土地利用轉移矩陣、單一土地動態(tài)度變化等模型，分析近15年來烏魯木齊市土地利用的數(shù)量變化和土地利用類型的轉化方向。

2.1.1 土地利用結構變化分析。

根據(jù)遙感影像解譯結果和實際調查數(shù)據(jù)的修正，確定不同土地利用類型的面積，并依據(jù)（1）式 得出烏魯木齊市土地利用變化幅度（表1）。在2005年，烏魯木齊市的優(yōu)勢景觀主要是天然植被、耕地和建設用地，面積占比分別為30.83%、8.24%和7.40%，未利用土地面積占比大，高達52.68%；至2015年，優(yōu)勢景觀排序未變，面積占比發(fā)生變化，分別為26.74%、15.95%和12.11%，未利用土地仍占較大比重。

在總量一定的情況下，一種土地利用類型數(shù)量的增加必然會導致其他土地利用類型數(shù)量的減少，通過土地利用變化幅度的計算可知，近15年來，烏魯木齊市土地利用類型數(shù)量的變化主要表現(xiàn)在耕地和建設用地的增加以及天然植被、水域和未利用地的減少上，各地類類型之間存在調整變化。近15年來烏魯木齊城市不斷擴張，且隨著城市發(fā)展與人口增長，糧食需求的增加引起耕地面積增加，水域面積減少的原因主要來自降雨量少、蒸發(fā)量大、補給不足等自然因素，以及鋼鐵、石化高耗水行業(yè)和水質污染等人為因素。因而從不同時期用地結構上看，目前烏魯木齊市的土地利用存在一定問題：土地利用布局有待改善，未利用地的開發(fā)有很大空間；從區(qū)域用地發(fā)展來說，烏魯木齊市城市逐漸向北（米東區(qū)）擴張，而辦公區(qū)和商業(yè)區(qū)主要集中在城市南部，烏魯木齊市區(qū)交通用地接近飽和，居民上下班路途遠，交通堵塞，這將給城市交通帶來嚴重壓力，影響城市的健康發(fā)展。

2.1.2 土地利用類型轉化分析。

轉移矩陣能夠揭示地類變化過程中的細節(jié)特點，可全面、具體地刻畫區(qū)域土地利用變化的結構特征與各用地類型變化方向[15]。

為明確研究區(qū)土地利用類型的相互轉化關系，在完成對烏魯木齊市3期遙感影像分類的基礎上，對2005—2010、2010—2015年的分類結果分別創(chuàng)建土地利用轉移矩陣，如表2、3所示。從遙感影像分類圖中可更加直觀地表示分類結果，如圖1所示。

2005—2010年，天然植被向耕地的轉化量最大，這是由于人口增長對糧食和畜牧產(chǎn)品的需求使得大量耕地將林地、園地、草地等占用；耕地主要向建設用地和未利用地轉化，轉化量分別為6.54%、2.28%，近年來烏魯木齊市對其經(jīng)濟發(fā)展和城市建設越來越重視，不斷增加的住房需求、交通運輸用地需求等使得建設用地呈現(xiàn)增長趨勢。而隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，城

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鎮(zhèn)、村莊和工礦用地的面積還將迎來更進一步的增長；建設用地同樣向耕地和未利用地轉化較多，土地復墾工程措施保證了耕地的數(shù)量和質量；水域主要向天然植被和未利用地轉化，轉入量較小。由于烏魯木齊市特殊的地理、氣候環(huán)境，耕地、天然植被、建設用地、水域等土地利用類型在廢棄后都主要向未利用地轉化，隨著人口增多、城市擴張、人民生活水平的提高，人們會尋找新的適合居住和生產(chǎn)的場所，而新的場所主要就是未利用地的開發(fā)。

2010—2015年，天然植被、耕地、水域的轉出量相對前期有所減少，未利用地的轉出量較大。造成該變化的原因主要來自于政策的影響，隨著近年來烏魯木齊市自然環(huán)境的惡化，依靠原有的天然植被已不足以吸收空氣中的污染物，出于對天然植被和1.2億hm2耕地紅線的保護，當?shù)爻雠_一些新政策，激勵建設用地開發(fā)商把土地開發(fā)的重任放到對未利用土地的開發(fā)上，故未利用地也主要向天然植被轉化。

2.1.3 土地利用/覆被變化動態(tài)度分析。

單一土地動態(tài)度變化在一定程度上反映了人類對土地利用方式的干擾程度，動態(tài)度越大，人為干擾越劇烈。單一動態(tài)度為正值時，表示該類型面積增加，反之則減少；用絕對值來衡量土地利用類型的轉換數(shù)量，絕對值越低，則表明轉換數(shù)量少，狀態(tài)較穩(wěn)定，反之則變化相對劇烈。根據(jù)公式（3）計算可以得出烏魯木齊市2005—2015年耕地、天然植被、建設用地、未利用地、水域的年均動態(tài)變化情況（表4）。結果表明，耕地、建設用地的動態(tài)度在前后兩期均為正數(shù)，說明耕地和建設用地每年都在增加；天然植被前期為負，后期為正，表明天然植被用地先減少后增加，但總體是在增加；水域和未利用地前期為正，后期為負，說明水域和未利用地的前期面積在增多，后期在減少，總體來說，水域在增加，未利用地在減少。從同一時段來看，第一時段水域、建設用地和未利用地變化最快；第二個時段水域和耕地變化相對劇烈。上述結果與烏魯木齊市人口的增加、經(jīng)濟的發(fā)展密切相關。人口增多，人們的食、住問題都需要解決，這就需要大量土地轉化為建設用地和耕地，出于對天然植被的保護，土地的開發(fā)以未利用地為主。

2.2 土地利用變化社會驅動力分析

土地利用變化的驅動機制研究已成為國內外土地覆被變化的研究重點，對其研究有利于人類認識土地利用變化規(guī)律，預測其未來發(fā)展趨勢，并為土地可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。驅動力可概括為促使土地利用方式發(fā)生變化的自然因素、社會經(jīng)濟因素和政策法規(guī)因素三大類。一般從時間尺度上看土地利用方式的主導因素，在較長的時間范圍內，3類因素都是引起土地利用變化的驅動力，但在短期內，社會經(jīng)濟因素占主導地位，因此，社會經(jīng)濟驅動因素會對土地利用變化起著決定性作用。由于氣候、地形、地貌、水文等自然因素以及政策法規(guī)因素難以定量表示，該研究就著重對社會經(jīng)濟驅動力進行分析。

2.2.1 主成分分析。

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根據(jù)主成分分析的方法和目前已掌握的相關數(shù)據(jù)以及烏魯木齊市的實際情況，以2005—2015年的經(jīng)濟社會統(tǒng)計資料作為基礎數(shù)據(jù)，選取以下8個社會經(jīng)濟驅動力影響因子：總人口（萬人）X1、非農(nóng)人口（萬人）X2、地區(qū)生產(chǎn)總值（萬元）X3、人均地區(qū)生產(chǎn)總值（元/人）X4、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（萬元）X5、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（萬元）X6、工業(yè)總產(chǎn)值（萬元）X7、固定資產(chǎn)投資（萬元）X8。

利用SPSS 16.0軟件，采用主成分分析方法計算相關系數(shù)矩陣、主成分貢獻率和累計貢獻率等，可以得到驅動因子相關系數(shù)矩陣。相關系數(shù)矩陣值越接近1，表明2個因素之間正相關關系越強；值越接近0，則相關性越弱；若為負值，則表明因素之間呈現(xiàn)負相關關系。

由表5可知，所有變量間的相關系數(shù)均在0.800 0以上，8個驅動因子具有較強的相關性，它們之間信息大量重疊，如X3與X4、X5與X8、X6與X7之間存在極大的相關關系，相關系數(shù)高達0.999、0.998、0.993，表明選取的這些因素可以作為引起烏魯木齊市土地利用變化的社會經(jīng)濟驅動因子。

在主成分分析法中，特征值大于1、累計貢獻率≥80%，就可以選定為主成分。由表6可知，第一主成分的特征值為7.556，累計貢獻率為94.455%，第一主成分達到要求，故選用第一主成分就能反映烏魯木齊市土地利用的綜合狀況。

從主成分載荷矩陣表（表7）可知，選取的因子與第一主成分之間均有較大的載荷系數(shù)。以上所選驅動因子對土地利用變化都有影響。

2.2.2 相關分析。

主成分分析僅對驅動因素做了綜合定量分析，無法確定不同土地利用類型與每一個因子之間的驅動力關系。該研究采用相關分析法來確定變量間的緊密程度。在相關分析中，相關系數(shù)能夠反映變量間的緊密程度，相關系數(shù)在-1～1變化，若大于0為正相關，表示2個變量之間變化趨勢相同；若小于0，則呈相反變化趨勢[15]。因建設用地和耕地的變化較大且其變化對人類生活的環(huán)境影響較大，故該研究選取建設用地、耕地和主成分分析中的8個驅動因子之間的相關系數(shù)。

由表8可知，耕地面積與所選因子之間存在明顯的負相關關系，說明耕地強度隨著社會人口的增多、工業(yè)的發(fā)展、第三產(chǎn)業(yè)的興起和科技進步而逐漸減弱，研究區(qū)域不再將大量的人力資源利用到農(nóng)業(yè)發(fā)展上，其次是烏魯木齊市特殊的地理環(huán)境和短缺的水資源，不適合大面積的農(nóng)業(yè)開發(fā)。相反，建設用地則與所選因子之間存在較強的正相關關系，這是由于隨著人口的增多、人民生活水平的提高和科技的進步，城市的發(fā)展需要在土地上開展大量的建設活動，以供人們滿足基本 “住”的需求，此外，由于全國房地產(chǎn)業(yè)的熱度居高不下，開發(fā)商抓住機會大搞開發(fā)建設，因而建設用地的發(fā)展與經(jīng)濟發(fā)展驅動因子有著密不可分的正向關系。

3 結論與討論

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通過對烏魯木齊市2005—2015年地類變化及其驅動因子的分析，可以得出以下結論：

（1）在2005—2015年這一時段內，烏魯木齊市耕地、未利用地、水域的變化幅度較大。其中，耕地面積增多，由于農(nóng)產(chǎn)品的需求隨著人口數(shù)量的增加而不斷增加，耕地保護的任務意義重大；未利用地減少幅度大、利用率低，研究區(qū)的未利用地幾乎是荒漠和山地，由于該地類的基數(shù)大、開發(fā)難度大等原因，因而大量土地閑置不能被使用，土地利用率較低；水域呈減少趨勢，烏魯木齊市是一個缺水的城市，其水源現(xiàn)有量少，再加之工、農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要大量的水資源，造成水資源的減少幅度大，但每年通過大量的冰川融雪的形式補充水量，從而保證了區(qū)域的水源相對充足。

（2）2005—2015年，研究區(qū)域建設用地和天然植被的變化相對較小。建設用地變化主要通過舊城改造和對耕地的占用，隨著烏魯木齊市城市化水平的提高、人口的增多，對“住”的需求越來越多，質量要求也越來越高，開發(fā)建設活動帶來建設用地的面積增大；天然植被減少，該研究區(qū)位于生態(tài)脆弱的干旱區(qū)，天然植被對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境尤為重要，所以加強天然植被的保護至關重要。

（3）由驅動因素分析可知，在短期內，烏魯木齊市土地利用變化受經(jīng)濟發(fā)展的影響較大。大規(guī)模地發(fā)展工業(yè)，過分地追求短期內經(jīng)濟的增長，致使當?shù)丨h(huán)境污染嚴重。

烏魯木齊市市域范圍不小，但能為人們所利用的土地并不多。就當?shù)氐默F(xiàn)狀來說，既要保護耕地，又要維持經(jīng)濟發(fā)展所需的建設規(guī)模，這就需要政府采取適當?shù)拇胧侠黹_發(fā)未利用土地，同時嚴格執(zhí)行土地出讓、劃撥程序，確定土地使用類型、使用年限，合理規(guī)劃各類土地。另外，對一些利用粗放的土地，要適當做出調整，對閑置和低效的土地，應加強土地整理和盤活，即對市區(qū)舊城改造、閑置低效用地進行合理的規(guī)劃。

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