引用本文
艾则孜提约麦尔·麦麦提, 玉素甫江·如素力, 拜合提尼沙·阿不都克日木, 何辉. 近22年叶尔羌河-喀什噶尔河三角洲绿洲土地利用结构变化及其驱因分析. 草业科学, 2018,35(2):244-255
Aizezitiyuemaier·Maimaiti, Yusufujiang·Rusuli, Baihetinisha·Abudoukerimu, He Hui. Analysis of the land use structure change and driving factors in the delta oasis of the Yarkand-Kashghar River over the last 22 years. Pratacultural Science,2018,35(2): 244-255  
Doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2017-0291
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近22年叶尔羌河-喀什噶尔河三角洲绿洲土地利用结构变化及其驱因分析
艾则孜提约麦尔·麦麦提1, 玉素甫江·如素力1,2, 拜合提尼沙·阿不都克日木1, 何辉1
1.新疆师范大学地理科学与旅游学院/流域信息集成与生态安全实验室,新疆 乌鲁木齐 830054
2.新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830054
通信作者:玉素甫江·如素力(1975-),男(维吾尔族),新疆喀什人,教授,硕导,博士,主要从事应用3S技术从事流域水文与生态系统研究。E-mail:Yusupjan@xjnu.edu.cn

第一作者:艾则孜提约麦尔·麦麦提(1990-),男(维吾尔族),新疆疏勒人,在读硕士生,主要从事资源环境遥感研究。E-mail:Aizezitiyuemaier@126.com

收稿日期: 2017-09-04
基金: 自治区青年科技创新人才培养工程项目(QN2015YX009); 国家自然科学基金(41461006、41764003、41703341)
摘要

为了探明叶尔羌河-喀什噶尔河三角洲绿洲土地利用结构变化规律及其归因,以研究区Landsat遥感分类数据、水文和气象数据、社会经济数据为主要数据源,综合运用动态度、时间序列追踪以及MK趋势检验等方法,探寻土地利用结构的变化过程和流向及其影响因素。结果表明,1)近22年,研究区土地利用类型变化显著,其中,城镇用地、植被和湿地面积分别增加240.09、3 908.22和539.73 km2;水域和未利用地面积分别减少464.60和4 223.44 km2;各土地利用类型后10年的变化速度均大于前10年的变化速度;2)土地利用类型随时间的变化轨迹结果显示,研究区66.22%的土地利用类型未发生变化,其中稳定性最强的是未利用地,然后依次为植被、城镇用地、水域和湿地;3)在22年内,研究区的气温呈上升趋势,并达到显著水平;相对湿度呈下降趋势,达显著水平;降水量呈波动式减少趋势,未达到显著水平;人口和GDP呈不断增长趋势,但不显著;气候的暖干化、人口及GDP的急剧增长在某种程度上导致研究区的城镇用地和植被面积的增加以及水域和未利用地面积的减少。

关键词: 叶尔羌河-喀什噶尔河三角洲绿洲; Landsat; LUCC; 时间序列追踪分析; 驱动因素
中图分类号:F301.24 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2018)02-0244-12
Analysis of the land use structure change and driving factors in the delta oasis of the Yarkand-Kashghar River over the last 22 years
Aizezitiyuemaier·Maimaiti1, Yusufujiang·Rusuli1,2, Baihetinisha·Abudoukerimu1, He Hui1
1.Institute of Geographical Science and Tourism/Laboratory of Information Integration and Ecological Safety, Xinjiang Normal University, Urumqi, 830054, Xinjiang, China
2.Xinjiang Key Laboratory of lake Environment and Resources in Arid Zone, Urumqi 830054, Xinjiang, China
Corresponding author: Yusufujiang·Rusuli E-mail:Yusupjan@xjnu.edu.cn
Abstract

Land use/Cover Change (LUCC) is one of the hot topics in global change research. In order to understand the rules of LUCC structural change and its attributions in the Yarkant-Kashgar River Delta oasis, this study explored the change process, direction and attribution mechanism of LUCC by methods of change trajectory, dynamic degree and transfer matrix integration of Landsat data, hydrological data, metrological data, and socio-economic data of Yarkant-Kashgar River delta oasis area. The research results showed that: 1) the land cover changed over 22 years of research; evidently, the urban land, vegetation and wetland areas increased about 240.09, 3 908.22, and 539.73 km2, respectively, while water and unused land areas decreased by 464.60 and 4 223.44 km2, respectively. The rate of change in land cover in the latter 10 years was greater than the rate of change in the previous 10 years. 2) The results of change trajectory analysis demonstrated that 66.22% of land use type did not change; the most stable land cover types are layland, followed by vegetation, urban land, water, and wetlands. 3) During the 22 years of research, temperature showed an increasing trend, and reached a significant level; the relative humidity was shown to decrease, and also reached a significant level; precipitation fluctuation was shown to decrease, but did not reach a significant level; population and GDP were shown to increase, but not significantly; the warming and drying of climate, and the rapid growth of population and GDP, to some extent, lead to the increase of urban land and vegetation area and the decrease of water and desert land in the study area.

Keyword: Yarkand-Kashghar River delta oasis; Landsat; LUCC; time series analysis; driving mechanism

土地利用/覆被变化(Land use/cover change, LUCC)研究是揭示区域环境变化的重要途径, 是国际地圈生物圈计划(International Geosphere-Biasphere Programme, IGBP)和国际全球环境变化人文因素计划(International Human Dimension Programme on Global Enviromental Change, IHDP)的重要内容[1, 2]。作为表征人类活动行为对地球表面自然环境影响最直接的信号, 是人类活动行为与自然环境过程交互和相互链接的纽带[3]。2005年全球土地计划(Global Land Project, GLP)启动后, 土地利用/土地覆被动态过程的监测与模拟逐渐成为研究的焦点[4], 也是自然与人文因素过程互交最密切的问题[5, 6]。近20多年来, 其研究内容逐渐从全球气候变化效应, 扩展到不同空间尺度的土地利用变化过程及其驱动机制、环境效应等[6, 7], 研究领域主要集中于人地关系较强, 人口与城市化发展速度快的、生态环境脆弱的地区[8]。土地利用/覆被变化对区域生态环境产生重要影响, 并以累计的方式影响全球环境变化[9, 10]。3S技术的飞速发展为其研究提供了技术支持[11]。

绿洲是荒漠、半荒漠地区有一定的水资源, 适合于人居住, 可供人类农业、牧业和工业生产等社会经济活动的独特地理景观[12]。研究者很早就发现, 自然环境变化(包括气候变化)的背景下, 人类活动对水资源的影响, 改变了绿洲生态过程[13, 14]。另外, 在干旱区绿洲变化驱动力的研究方面, 罗格平等[15]从景观格局的角度分析了三工河绿洲变化的人为驱动力; 瓦哈甫等[16]以绿洲为研究对象, 对耕地变化、归因和驱动力等方面进行了分析。叶尔羌河-喀什噶尔河三角洲绿洲(以下简称叶-喀河绿洲)位于我国西部边境区, 该区自然条件恶劣, 社会经济发展水平较低。目前, 关于叶-喀河绿洲的研究不多而且不够深入, 从20世纪80年代末开始, 我国学者围绕绿洲治理措施[17], 绿洲化和沙漠化环境问题[18], 绿洲耕地面积和地下水的关系[19]以及LUCC景观格局变化[20]等进行了相关研究。但是, 大部分有关叶-喀河绿洲植被变化的研究仅仅是从一个或多个静态年份出发比较分析, 采用LUCC动态度和时间序列追踪分析等方法结合, 探寻区域土地利用结构的时空变化规律及其归因十分少见。近年来, 时间序列追踪分析方法在不同尺度的土地利用/覆被变化研究中取得了较大的发展。该方法根据多时相遥感数据构造土地利用/覆被变化的轨迹, 提取一个相对连续时间尺度内的变化, 弥补双时相变化检测无法探测中间过程的不足, 一方面分析土地利用/覆被变化的转移和流向, 另一方面充分揭示LUCC过程在空间上的分异规律[21, 22, 23, 24]。

鉴于此, 本研究利用叶-喀河绿洲多期Landsat遥感影像, 结合运用同样时间段的水文、气象和社会经济数据分析了叶-喀河绿洲1991-2012年的土地利用/覆被变化, 并且初步分析了背后的影响因素。在此过程中分析了叶-喀河绿洲的土地类型变化速度和变化趋势, 并采用土地类型时间序列追踪分析解析了各土地类型的变化轨迹, 希望能为研究区今后土地利用结构调整和生态恢复重建等方面提供科学依据。

1 研究区概况

研究区叶-喀河三角洲绿洲位于新疆塔里木盆地西南缘, 帕米尔高原东麓, 地理位置为75° 33'-79° 86' E, 37° 66'-40° 25' N, 在行政区划上包括整个叶-喀河绿洲(11个县级区)和新疆建设兵团农三师17个农牧团场。叶-喀河绿洲土地资源丰富, 草地面积辽阔, 有利于农牧业的发展, 是我国西北地区重要的商品粮棉基地。由于特殊的地理位置和气候条件, 形成了广布的沙漠戈壁景观, 绿洲和荒漠相交绥的过渡带分布广、结构复杂是该区的主要特征。在自然和人为因素的共同作用下绿洲和荒漠之间易发生演替, 过渡带处于不稳定状态, 已成为影响绿洲稳定与可持续发展的重要限制因素。叶-喀河绿洲共包括叶尔羌河和喀什噶尔河等10条大小河流, 叶尔羌河、克孜勒河、提孜那甫河、库山河、盖孜河等是该区域里面较大的5条河流[25]。地形地貌形态由稳定的塔里木盆地、天山、昆仑山地槽褶皱为主, 南北高差悬殊, 存在平原、中山和高山3个垂直气候区。

2 数据与方法
2.1 数据来源与预处理

该研究数据有:1)Landsat-TM、ETM+影像数据, 成像时间分别为1991、1996、2002、2006和2012年8-9月, 其分辨率均为30 m, 轨道号分别为147-32、147-34、148-32、148-33、148-34、149-32、149-33, 影像主要采用7、4、1三个波段合成, 没有云、雾和积雪等的影响, 通过大气校正、几何校正等处理, 图像质量良好。2)气象数据(气温、降水量, 相对湿度等), 源于研究区域内的5个不同气象站, 分别是51709(喀什市站)、51716(巴楚县站)、51810(麦盖提县站)、51704(阿图什市站)和51811(莎车县站), 这些站台下的数据基本上能反映出整个研究区的气候变化。3)社会经济数据源于《新疆统计年鉴》、《喀什地区统计年鉴》以及《喀什地区水资源公报》。

首先对5期遥感影像进行大气校正、几何校正、条带修复、图像镶嵌、裁剪等的预处理, 然后利用遥感图像处理软件进行监督分类(最大似然分类法), 结合研究区的基本土地利用情况, 将研究区的土地类型划分为植被、城镇用地、水域、湿地和未利用地5类。经过精度检验, 5年分类的总精度依次分别为91.4%(kappa系数为0.91)、92.2%(kappa系数为0.92)、88.8%(kappa系数为0.87)、93.2%(kappa系数为0.92)、95.4%(kappa系数为0.93)。所得研究区土地利用/覆被如图1所示。

图1 1991, 1996, 2002, 2006和2012年叶-喀河绿洲不同时期土地利用Fig. 1 Maps showing land-use types in the Yarkand-Kashghar River oasis in 1991, 1996, 2002, 2006, and 2012

2.2 土地利用变化分析

数量变化分析方法:土地变化分析运算利用土地利用动态度和土地利用转移矩阵进行研究[26]。本研究采用单一土地利用类型的动态度模型(Ks)、土地利用类型的变化趋势和状态指数(Ps)[27]进行土地利用变化分析。

2.2.1 单一土地利用变化动态度 土地利用动态度可定量描述区域土地利用变化的速度[28]。单一土地利用动态度(Ks)表示某土地类型在一定时间内的变化速度, 计算公式为[29]:

Ks= Ub-UaUb× 1T× 100% 。

式中:Ks表示研究时段内某土地类型动态度; Ua指的是某土地类型在研究期初的面积, Ub指的是研究期末的面积; T表示研究时段长, 当T=0时, Ks的值等于某种土地类型的年变化率。

2.2.2 土地利用变化趋势和状态指数 土地利用变化趋势和状态, 可以反映土地类型变化的方向, 利用转移矩阵和趋势指数表示[30]:

Ps= ΔUin-ΔUoutΔUin+ΔUout。

式中:Ps表示某土地类型的变化趋势和状态指数, Δ Uin表示研究时段内某土地类型转变为其他土地类型的面积之和; Δ Uout表示其他土地类型转换为该土地类型的面积之和。

2.3 转移矩阵计算

土地利用转移矩阵能够反映某土地类型在某时间段内初期和末期跟各土地类型面积之间相互转变的动态过程信息, 它不仅包含某静态区域某时间点的各土地类型面积信息, 还有各土地类型在期初和期末转出和转入的面积信息[31]。本研究利用Envi叠加运算得到研究区1991-1996年、1996-2002年、2002-2006年和2006-2012年土地利用转移矩阵。

2.4 土地利用类型变化轨迹

土地利用类型变化轨迹分析的含义是指, 对于一个给定的象元, 研究它在一定的时间段内所发生的所有土地类型的变化过程[32]。变化图谱信息的提取基于史培军等[33]提出的LUCC空间变化表达方法。本研究通过ArcGis空间分析功能建立基于象元尺度的变化轨迹。根据分类体系, 所有可能的LUCC变化轨迹如图2所示。图中实线指的是某象元在5个时间点内的变化轨迹为未利用地-植被-城镇用地-湿地-植被。为了定量化分析随时间变化所产生的LUCC变化图谱, 将变化轨迹划分为6类(表1)。

图2 所有可能的LUCC变化轨迹(实线代表像元在5个时间段内的变化轨迹例子)Fig. 2 All possible LUCC change trajectories in the Yarkand-Kashghar River oasis during 1991 to 2012

表1 LUCC 变化轨迹分类原则 Table 1 Classification principle of LUCC change trajectory
2.5 突变点检测与趋势分析方法

土地利用受自然环境和人类活动的影响[34]。本研究在进行土地利用结构变化驱动力分析时采用非参数Mann-Kendall趋势检验分析法[35, 36], 分析了自然和社会经济因素的变化趋势。Mann-Kendall检验方法并不需要样本遵守一定的分布, 也不需要少数异常值的干扰, 可以使用非正态分布的数据, 计算简单方便, 检测范围较宽, 人为干扰点少, 定量化程度高[37]。

3 结果与分析
3.1 不同时期土地利用类型结构变化

叶-喀河绿洲的5期土地利用类型面积变化显示, 植被、水域、城镇用地、未利用地和湿地5种土地类型, 只有城镇用地面积呈现持续增加的趋势, 1991-2012年总共增加了240.09 km2, 1991-1996年城镇用地面积增加7.6 km2, 1996-2002年面积增加55.86 km2, 2002-2006年面积增加37.89 km2, 2006-2012年面积增加了138.74 km2(表2); 相比于1991年, 2012年增加的植被面积为3 908.22 km2, 其中1991-1996年植被面积增加1 249.06 km2, 1996-2002年植被面积减少211.09 km2, 2002-2006年植被面积增加830.31 km2, 2006-2012年增加2 039.94 km2; 水域面积在1991-1996年减少28.02 km2, 到2002年又减少228.87 km2, 但在2006年水域面积增加811.69 km2, 在2006-2012年又减少1 019.4 km2; 未利用地1991-1996年内面积减少2 137.91 km2, 1996-2006年面积增加397.15 km2; 在2002-2006年和2006-2012年未利用地面积持续减少, 减少的面积分别为1 107.24和1 375.44 km2; 湿地面积在1991-1996年增加, 增加的面积为908.28 km2, 在1996-2002-2006年减少, 减少的面积分别为12.06和572.65 km2, 在2006-2012年面积又增加, 增加量为216.16 km2; 图3是研究区1991-2012年期间土地利用动态图。

表2 叶-喀河绿洲1991-2012年不同土地利用类型结构变化 Table 2 Structural changes in different land-use types in the Yarkand-Kashghar River oasis from 1991 to 2012
图3 1991-2012年叶-喀河绿洲土地利用变化类型动态图Fig. 3 Dynamic map of land-use change in the Yarkand-Kashghar River oasis from 1991 to 2012
3.2 土地利用变化分析

由单一土地利用动态度可知(图4), 在1991-1996年间年变化率最大的是湿地, 变化率高达17.11%, 植被和城镇用地之次, 分别为3.19%和2.73%, 而水域和未利用地的变化速度分别为-0.4%和-1.16%; 在1996-2002年城镇用地持续增加, 增加速度达14.69%, 大于1991-1996年的变化速度, 未利用地以较慢的速度增大, 变化速度为0.19%, 植被、水域和湿地面积减少, 减少速度分别为0.39%、2.77%和0.1%。在2002-2006年植被、水域、城镇用地面积增加, 增加速度分别为2.34%、17.37%和7.94%, 城镇用地的增加速度小于1996-2002年的速度, 未利用地和湿地面积减少, 减少速度分别为0.79%和0.73%。在2006-2012年植被、城镇用地和湿地面积增加, 增加速度分别为3.51%、14.72%和2.6%, 水域和未利用地面积减少, 减少速度分别为8.67%和0.68%。

图4 1991-2012年单一土地利用动态度和变化趋势Fig.4 The dynamic degrees of single land use and changing trends in the Yarkand-Kashghar River oasis from 1991 to 2012

从土地利用变化趋势和状态来看, 植被在1991- 1996年变化趋势指数0.24, 虽然处于扩张状态, 但规模增长较慢, 转变为其他土地类型的面积略小于其他土地类型转变为该土地类型的面积, 1996-2002年的变化趋势指数为-0.02, 这说明该时段的植被面积呈缓慢缩减趋势, 转变为其他土地类型的面积略大于其他类型转变为该类型的面积, 2002-2006年和2006-2016年变化趋势指数分别为0.07和0.16, 状况跟1991-1996年一样; 水域的变化情况较复杂, 尤其是在2002-2006和2006-2012年期间, 变化趋势指数从0.27变化到-0.39; 城镇用地的变化趋势表明, 其类型一直处于扩张状态; 未利用地除了在1996-2002年呈扩张趋势, 其他研究阶段都处于缩减状态, 其中1991-1996年较明显, 趋势指数为-0.34; 湿地的变化趋势较不稳定, 在1991-1996年处于快速扩张状态, 趋势指数为0.43, 但在1996-2002年和2002-2006年阶段趋势指数分别为-0.003和-0.18, 处于缓慢缩减和较快缩减状态。

3.3 转移矩阵分析

从土地利用变化矩阵(表3)可知, 在1991-1996年流域植被面积由7 827.21 km2增加到9 076.27 km2, 主要由未利用地转移而来, 净转移量为1 482.08 km2, 而在1996-2002年植被面积减少到8 865.18 km2, 主要向湿地输出; 在2002-2006年和2006-2012年植被分别增加830.31和2 089.94 km2, 主要由未利用地转移而来。

表3 叶-喀河绿洲1991-2012年土地利用类型转移矩阵 Table 3 Transition matrix of land-use types in the Yarkand-Kashghar River oasis from 1991 to 2012

城镇用地在1991-1996年增加7.60 km2, 主要由3.75 km2的植被和3.85 km2的未利用地转移而来; 在1996-2002年增加55.86 km2, 主要由16.95 km2的植被和29.50 km2的未利用地转移而来; 在2002-2006年增加37.89 km2, 主要由36.02 km2的未利用地转移而来; 在2006-2012年城镇用地面积增加138.74 km2, 主要由59.60 km2植被和44.48 km2的未利用地转移而来。

水域在1991-2012年主要与植被、湿地和未利用地之间相互转换; 在1991-1996年水域面积减少28.02 km2, 主要向湿地输出; 在1996-2002年水域持续减少228.87 km2, 主要向未利用地输出; 在2002-2006年水域增加811.69 km2, 主要由未利用地和植被转移而来; 在2006-2012年又减少1 019.40 km2, 主要向未利用地和植被转出。

湿地在1991-2012年内主要与水域、未利用地之间相互转换; 在1991-1996年, 湿地面积增加908.28 km2, 主要由158.52 km2的水域和586.93 km2的未利用地转移而来的, 其余的从其他类型转移而来; 在1996-2002年湿地减少12.06 km2, 主要向水域转出; 在2002-2006年又减少572.65 km2, 主要向水域和植被转出, 转出面积分别为413.95和152.23 km2; 在2006-2012年湿地面积增加216.16 km2, 主要由水域转移而来。

未利用地在1990-1996年减少2 137.90 km2, 主要向植被和湿地转出, 转出面积分别为1 442.18和586.93 km2, 其余的向其他类型转出; 在1996-2002年未利用地面积增加397.15 km2, 主要由水域和湿地转移而来; 在2002-2006年未利用地减少1 107.24 km2, 向植被转出774.40 km2, 向水域转出319.24 km2; 在2006-2012年减少1 375.44 km2, 其中向植被转出1 257.32 km2, 其余的向其他类型输出。

3.4 土地利用类型变化轨迹分析

按表1土地类型变化轨迹分类原则所得的结果如图5所示。结果表明:在1991-2012年里研究区未发生变化的类型总面积为31 180.48 km2, 占总土地面积的66.22%; 其中未变的植被像元面积3 498.33 km2, 占1991年植被总面积的44.69%; 未变化的城镇用地像元面积为20.60 km2, 占1991年城镇用地总面积的36.94%, 说明研究时段该区域的城镇化情况较明显; 未变的未利用地像元面积为27 426.18 km2, 占1991年未利用地总面积的74.65%, 未变的水域和湿地像元面积分别为220.16和15.21 km2, 占1991年水域和湿地面积的15.67%和1.43%。亚稳定型变化轨迹总面积为7 795.51 km2, 主要集中在绿洲边缘; 渐变型变化轨迹面积为1 590.26 km2, 主要分布在叶尔羌河流域两侧、非连续变化型轨迹面积为930.16 km2、循环型变化轨迹面积为2 016.77 km2、波动型变化轨迹面积为3 570.68 km2, 分别占总土地面积的16.56%、3.38%、1.96%、4.28%和7.58%, 主要分布在叶尔羌河与喀什噶尔河两岸以及城镇用地和水库周边。

图5 1991-2012年叶-喀河绿洲土地类型变化轨迹图Fig. 5 Map of LUCC change trajectories in the Yarkand-Kashghar River oasis from 1991 to 2012

4 土地利用变化的影响因素分析
4.1 自然因素的影响分析

由于叶-喀绿洲是典型的干旱区域, 对气候变化响应较敏感, 使得小幅度的气候变化都将对该绿洲的生态环境产生明显的影响。本研究主要考虑的自然因素包括气温、降水量、相对湿度, 且结合由喀什地区水资源公报得到的水文资料进行分析。

(1)气象要素对LUCC的影响:本研究选择研究区内5个气象站检测1991-2012年的年平均气温、相对湿度和降水量进行分析。MK趋势检验结果显示(图6), 在过去22年里叶-喀绿洲的气温呈增加趋势, 在1995年发生一次突变, 且达到显著性水平; 相对湿度呈下降趋势, 在1998年发生一次突变, 且在2009年达到显著性水平; 降水量呈波动式的减少趋势, 并且在2003、2004、2008年分别发生突变, 但未达到显著水平。因此, 可以认为研究区的气候在22年里呈向暖干化方向发展的趋势。在降水量略微减少的情况下, 气温的上升和相对湿度的下降导致研究区蒸散量的增大, 其一方面导致地表水的大量蒸发, 另一方面导致植被、土壤等需水量的增加。

图6 叶-喀河绿洲1991-2012年均气温、相对湿度和降水量突变点曲线Fig. 6 MK test of annual average air temperature, relative humidity, and precipitation in the oasis of the Yarkand-Kashghar River from 1991 to 2012

(2)径流量对LUCC的影响:1991-2012年, 水域面积明显缩小(图1、表2), 但其中2006年水域面积发生突然增大, 这是因为2006年叶尔羌河卡群站发生大洪水, 最大洪峰流量达3 510 m3· s-1, 而2002和2012年在叶尔羌河并未发生类似较大的洪水。2002年全区地表水资源总量70.52亿m3, 地表水用水量73.56亿m3, 2006年全区地表水资源总量93.00亿m3, 而地表水用水量89.66亿m3, 2012年全区地表水资源总量98.84亿m3, 地表水用水量101.1亿m3, 可见, 2006年前后期的地表水用水量均大于地表水资源总量。

4.2 人文因素的影响分析

在短时间内对土地利用变化起到主导作用的应该是人类活动[19]。本研究根据《新疆统计年鉴》研究区1991-2012年的人口和生产总产值数据进行分析(图7)。从MK趋势检验结果可得, 在过去22年里叶-喀河绿洲的人口呈不断增长的趋势(图7), MKSneyers突变检验结果显示, 在2001年发生一次突变, 但并未显著。总人口从1991年的287.52万人增长到2012年的415.13万人, 22 年间增长127.61万人, 在1991-2001年增长的人口数量为61.24万人, 2001-2012年增长的人口数量为72.44万人。GDP呈增长趋势(图7), 在2003年发生突变, 但并未显著。由1991年的32.02亿元增加到2012年的517.35亿元, 前10年的增加量为60.41亿元, 后10年的增加量为434.72亿元。

图7 叶-喀河绿洲1991-2012年人口和GDP突变点曲线Fig. 7 MK test of population and GDP in the oasis of the Yarkand-Kashghar River from 1991 to 2012

随着人口的增长、经济的发展必然导致绿洲的开发、城镇化速度的加快, 进而导致大量人口向城市迁移。日益增加的人口使粮食与居住用地之间的矛盾更加激烈, 人们为了解决居住问题不断向周边的耕地、草地等植被方向扩展, 原本的耕地、草地等植被区域被城镇用地占用, 导致人们不得不开垦未利用地来满足生活需求, 最终导致河流两岸以及绿洲与周边的未利用地之间的过渡带的缩小, 加上气温上升、降水量和相对湿度下降等对农作物和水资源不利的气候条件, 使研究区的人-地关系变得更为复杂和敏感。

5 结论

本研究通过利用Landsat TM、ETM+遥感数据与研究时段内的自然和社会经济数据, 分析了叶-喀河绿洲1991-2012年LUCC特征及影响因素, 主要结论如下:

1)1991-2012年叶-喀河绿洲LUCC结构总体上有了较明显的变化, 各土地利用类型之间发生了相互转化。总体表现为城镇用地面积持续增加, 增加了240.09 km2; 植被除1996-2002年阶段减少, 其他研究阶段都发生增加, 相比于1991年, 2012年植被面积增加了3 908.22 km2; 湿地面积在研究阶段发生一些波动, 但是相比于1991年, 2012年面积增加539.73 km2; 水域和未利用地面积有所减少, 分别减少了464.6和4 223.44 km2。

2)在22年里叶-喀河绿洲土地类型的变化速度经历了缓慢变化-显著变化-急剧变化的过程, 各土地利用类型2002-2012年阶段的变化速度均大于1991-2002年阶段的变化速度。

3)叶-喀河绿洲在1991-2012年间的气候变化趋势和人口、GDP变化使得研究区的土地利用发生较明显的变化。城镇用地和植被面积的增加以及水域和未利用地面积的减少可以说在某种程度上是气候暖干化和人口增加的影响所致。

(责任编辑 武艳培)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 李秀彬. 全球环境变化研究的核心领域: 土地利用/土地覆被变化的国际研究动向. 地理学报, 1996(6): 553-558.
Li X B. A Review of the international researches on land use/land cover change. Acta Geographica Sinica, 1996(6): 553-558. (in Chinese) [本文引用:1]
[2] Ojima D, Moran E, Mcconnell W, Stafford S M, Laumann G, Morais J, Yong B. Global and Project: Science Plan and Implementation Strategy. Stocholm: Environmental Policy Collection, 2005. [本文引用:1]
[3] Mooney H A, Duraiappah A, Larigauderie A. Evolution of natural and social science interactions in global change research programs. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013, 110(S1): 3665-3672. [本文引用:1]
[4] 刘纪远, 张增祥, 徐新良, 匡文慧, 周万村, 张树文, 李仁东, 颜长珍, 于东升, 吴世新, 江南. 21世纪初中国土地利用变化的空间格局与驱动力分析. 地理学报, 2009, 64(12): 1411-1420.
Liu J Y, Zhang Z X, Xu X L, Kuang W H, Zhou W C, Zhang S W, Li R D, Yan C Z, Yu D S, Wu S X, Jiang N. Spatial pattern and driving forces of land use change in China in the early 21st centry. Acta Geographica Sinica, 2009, 64(12): 1411-1420. (in Chinese) [本文引用:1]
[5] 蔡运龙. 自然地理学的创新视角. 北京大学学报(自然科学版), 2000, 36(4): 576-582.
Cai Y L. Perspectives on innovation in physical geography. Acta Scientiarum Universitatis Pekinensis, 2000, 36(4): 576-582. (in Chinese) [本文引用:1]
[6] 哈丽旦·司地克, 玉素甫江·如素力, 海米提·依米提. 新疆焉耆盆地人类活动与气候变化的生态效应研究. 生态学报, 2016, 36(18): 5750-5758.
Halida·Sidik, Yusufujiang·Rusuli, Hamit·Yimit. Ecological effects of human activities and climate chiange in Yanqi Basin, Xinjiang, China. Ecologica Sinica, 2016, 36(18): 5750-5758. (in Chinese) [本文引用:2]
[7] 蔡运龙. 土地利用/土地覆被变化研究: 寻求新的综合途径. 地理研究, 2001, 20(6): 645-652.
Cai Y L. A study on land use/cover change: The need for a new integrated approach. Geographical Research, 2001, 20(6): 645-652. (in Chinese) [本文引用:1]
[8] 罗娅, 杨胜天, 刘晓燕, 刘昌明, 宋文龙, 董国涛, 赵海根, 娄和震. 黄河河口镇-潼关区间1998-2010年土地利用变化特征. 地理学报, 2014(1): 42-53.
Luo Y, Yang S T, Liu X Y, Liu C M, Song W L, Dong G T, Zhao H G, Lou H Z. Land use change in the reach from Hekouzhen to Tongguan of the Yellow River during 1998 to 2010. Acta Geographica Sinica, 2014(1): 42-53. (in Chinese) [本文引用:1]
[9] IGBP Secretariat Science Plan and Implementation Strategy. IGBP Report No. 53/IHDP Report No. 19, 005, Stockholm: 2005. [本文引用:1]
[10] Foley J A, Defries R, Asner G P, Barford C, Bonan G, Carpenter S R. Global consequences of land use. Science, 2005, 309: 570-574. [本文引用:1]
[11] 王敏, 高新华, 陈思宇, 冯琦胜, 梁天刚. 基于Land sat 8遥感影像的土地利用分类研究: 以四川省红原县安曲示范区为例. 草业科学, 2015, 32(5): 694-701.
Wang M, Gao X H, Chen S Y, Feng Q S, Liang T G. The land use classification based on Land sat 8 remote sensing image: A case study of Anqu demonstration community in Hongyuan County of Sichuan Province. Pratacultural Science, 2015, 32(5): 694-701. (in Chinese) [本文引用:1]
[12] Mertens B, Lambin E F. Land -cover-change trajectories in southern Cameroon. Annals of the Association of American Geographers, 2000, 90(3): 467-494. [本文引用:1]
[13] 王涛. 干旱区绿洲化、荒漠化研究的进展与趋势. 中国沙漠, 2009, 29(1): 1-9.
Wang T. Review and prospect of research on oasification and desertification in arid regions. Journal of Desert Research, 2009, 29(1): 1-9. (in Chinese) [本文引用:1]
[14] 陈曦, 罗格平. 干旱区绿洲生态研究及其进展. 干旱区地理, 2008(4): 487-495.
Chen X, Luo G P. Researches and progress of oasis ecology in arid areas. Arid Land Geography, 2008(4): 487-495. (in Chinese) [本文引用:1]
[15] 罗格平, 周成虎, 陈曦. 干旱区绿洲土地利用与覆被变化过程. 地理学报, 2003(1): 63-72.
Luo G P, Zhou C H, Chen X. Process of land use/land cover change in the oasis of arid region. Acta Geographica Sinica, 2003(1): 63-72. (in Chinese) [本文引用:1]
[16] 瓦哈甫·哈力克, 海米提·依米提, 塔西甫拉提·特依拜, 熊黑钢. 绿洲耕地变化趋势及其驱动力: 塔里木盆地南部策勒绿洲为例. 地理学报, 2004(4): 608-614.
Wahap·Halik, Hmid·Yimit, Tashpulat·Teyip, Xiong H G. Tendency and driving forces of cultivated land use change in Qira oases: The case of Qira oases in south of Tarim basin. Acta Geographica Sinica, 2004(4): 608-614. (in Chinese) [本文引用:1]
[17] 孙万忠, 周兴佳, 樊自立. 叶尔羌河、喀什噶尔河流域绿洲环境变化及环境治理. 干旱区地理, 1988(2): 33-37.
Sun W Z, Zhou X J, Fan Z L. The change and administration of the ecological environment in the oasis of Yarcant and Kaxgar river basin. Arid Land Geography, 1988(2): 33-37. (in Chinese) [本文引用:1]
[18] 崔望诚. 叶尔羌河、喀什噶尔河流域的绿洲化和沙漠化环境问题. 干旱区研究, 1994(3): 52-57.
Cui W C. Oases process and desertification in the Yeerqiang River and Kashigaer River valley. Arid zone research, 1994(3): 52-57. (in Chinese) [本文引用:1]
[19] 满苏尔·沙比提, 阿布力米提·阿巴白克热, 热汗古丽·吾买尔. 喀什地区近10 a绿洲耕地变化及其地下水位效应分析. 干旱区资源与环境, 2011, 25(11): 145-151.
Mansuer·Shabiti, Ablimit·Ababakri, Riyangul·Omar. Cultivated land change and its ground water level response in Kashghar in last decade. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2011, 25(11): 145-151. (in Chinese) [本文引用:2]
[20] 杜清, 徐海量, 赵新风, 张鹏, 凌红波, 王希义. 新疆喀什噶尔河流域1990-2010年土地利用/覆被及景观格局的变化特征. 冰川冻土, 2014, 36(6): 1548-1555.
Du Q, Xu H L, Zhao X F, Zhang P, Ling H B, Wang X Y. Change characteristics of land use/cover and labdscape pattern from 1990 to 2010 in the Kaxgar basin, Xinjiang. Journal of Glaciology and Geocryology, 2014, 36(6): 1548-1555. (in Chinese) [本文引用:1]
[21] Lawrence R L, Ripple W J. Calculating change curves for multitemporal satellite imagery: Mount St. Helens 1980-1995. Remote Sensing of Environment, 1999, 67(3): 309-319. [本文引用:1]
[22] Coppin P, Jonckheere I, Nackaerts K, Muys B, Lambin E. Digital change detection methods in ecosystem monitoring: A review. International Journal of Remote Sensing, 2004, 25(9): 1565-1596. [本文引用:1]
[23] Zhou Q, Li B, Kurban A. Trajectory analysis of land cover change in arid environment of China. International Journal of Remote Sensing, 2008, 29(4): 1093-1107. [本文引用:1]
[24] 赵成义, 阎顺. 绿洲及其高效持续发展. 新疆环境保护, 1994, 16(4): 39-43.
Zhao C Y, Yan S. Oasis and its sustainable development. Environmental Protection of Xinjiang, 1994, 16(4): 39-43. (in Chinese) [本文引用:1]
[25] 刘光禹, 高敏华, 颜亮, 周志刚. 基于RS禹GIS的喀什地区绿洲近30年的变化研究. 陕西科技大学学报, 2008(3): 120-124.
Liu G Y, Gao M H, Yan L, Zhou Z G. Study on the change of Kashgar administrative offices oasis over 30 year period based on RS/GIS. Journal of Shaanxi University of Science & Technology, 2008(3): 120-124. (in Chinese) [本文引用:1]
[26] 吴晓旭, 邹学勇. 基于遥感与GIS的乌审旗土地利用变化研究. 地理科学进展, 2009(2): 199-206.
Wu X X, Zou X Y. Research on land use change of Uxin Qi. Progress in Geography, 2009(2): 199-206. (in Chinese) [本文引用:1]
[27] 臧淑英, 孙学孟, 韩冬冰. 黑龙江省大庆市土地利用/覆被变化及其驱动力分析. 北京林业大学学报, 2005(S2): 63-68.
Zang S Y, Sun X M, Han D B. The process of land -use and land -cover changes and analysis of its driving forces in Daqing. Journal of Beijing Forestry University, 2005(S2): 63-68. (in Chinese) [本文引用:1]
[28] 田霞飞, 薛娴, 廖杰, 杜鹤强, 段翰晨, 徐满厚. 1990 -2010年黄河宁蒙段所处流域土地利用变化. 中国沙漠, 2014(4): 1167-1176.
Tian X F, Xue X, Liao J, Du H Q, Duan H C, Xu M H. Land use change in the watershed of the Ningxia-Inner Mongolia reaches of the yellow river during 1990 to 2010. Journal of Desert Research, 2014(4): 1167-1176. (in Chinese) [本文引用:1]
[29] 臧淑英, 冯仲科. 资源型城市土地利用/土地覆被变化与景观动态. 北京: 科学出版社, 2008: 40-44.
Zang S Y, Feng Z K. Land Use/Land Cover Change and Land scape Dynamics in Resource Based Cities. Beijing: Science Press, 2008: 40-44. (in Chinese) [本文引用:1]
[30] 王思远, 刘纪远, 张增祥, 周全斌, 赵晓丽. 中国土地利用时空特征分析. 地理学报, 2001(6): 631-639.
Wang S Y, Liu J Y, Zhang Z X, Zhou Q B, Zhao X L. Analysis on spatial-temporal features of land use in China. Acta Geographica Sinica, 2001(6): 631-639. (in Chinese) [本文引用:1]
[31] 乔伟峰, 盛业华, 方斌, 王亚华. 基于转移矩阵的高度城市化区域土地利用演变信息挖掘: 以江苏省苏州市为例. 地理研究, 2013(8): 1497-1507.
Qiao W F, Sheng Y H, Fang B, Wang Y H. Land use change information mining in highly urbanized area based on transfer matrix: A case study of Suzhou, Jiangsu Province. Geographical Research, 2013(8): 1497-1507. (in Chinese) [本文引用:1]
[32] 李晓东, 李相坤, 姜琦刚. 基于空间变异理论的地表覆被时空变化监测方法. 草业科学, 2015, 32(6): 877-885.
Li X D, Li X K, Jiang Q G. The monitoring method of the surface vegetation based on the spatial variation analysis. Pratacultural Science, 2015, 32(6): 877-885. (in Chinese) [本文引用:1]
[33] 史培军, 陈晋, 潘耀忠. 深圳市土地利用变化机制分析. 地理学报, 2000, 55(2): 151-160.
Shi P J, Chen J, Fan Y Z. Land use change in Shenzhen City. Acta Geographica Sinica, 2000, 55(2): 151-160. (in Chinese) [本文引用:1]
[34] 刘娟, 刘华民, 卓义, 刘东伟, 王立新. 毛乌素沙地1990-2014年景观格局变化及驱动力. 草业科学, 2017, 34(2): 255-263.
Liu J, Liu H M, Zhuo Y, Liu D W, Wang L X. Dynamics and driving forces of land scape patterns in Mu Us Sand y Land , from 1990-2014. Pratacultural Science, 2017, 34(2): 255-263. (in Chinese) [本文引用:1]
[35] Mann H B. Nonparametric tests against trend. Econometrica, 1945, 13(3): 245-259. [本文引用:1]
[36] Kendall M G. Rank Correlation Methods. London: Charles Griffin, 1975. [本文引用:1]
[37] 简虹, 骆云中, 谢德体. 基于Mann-Kendall法和小波分析的降水变化特征研究: 以重庆市沙坪坝区为例. 西南师范大学学报(自然科学版), 2011, 36(4): 217-222.
Jian H, Luo Y Z, Xie D T. Precipitation variation feature research based on Mann-Kendall and wavelei analysis. Journal of Southwest China Normal University (Natural Science Edition), 2011, 36(4): 217-222. (in Chinese) [本文引用:1]