赵景啟 满苏尔·沙比提 艾克旦·依萨克 阿曼尼萨·库尔班

(新疆师范大学，乌鲁木齐，830054)

土地是人类赖以生存与发展的重要资源。土地利用-覆被变化是自然、社会以及人为等诸多因素共同作用的结果，是地球自然生态系统对人类活动影响最直接的表现形式[1-3]。土地利用-覆被变化表征该地区环境的好坏，揭示人类活动对环境的影响，深刻影响着地表辐射收支与水气交换等过程，对区域乃至全球生态环境、气候变化、水文水资源时空分配产生重大影响。因此，研究土地利用-覆被变化对改善人与自然间的和谐关系具有重要的意义[4]。

目前，国内外学者对土地利用-覆被变化已经开展了大量的研究并取得了丰富的研究成果。田春艳等[5]通过对天山北麓地区土地利用类型及动态度研究发现，1976—2017年天山北麓地区土地利用类型转换复杂，城乡建设用地土地利用动态度逐年增加，耕地的土地利用动态度呈先增加后减少的趋势，草地和水域呈先减少后增大的变化趋势；1976—2017年城建用地面积增加610.33%，耕地面积增加79.75%，草地面积增加46.32%，林地面积减少61.15%。付建新等[6]对祁连山南坡土地利用变化及其驱动力进行了分析，认为1980—2018年草地是研究区土地利用类型的主体，建设用地所占比重最小，水域、草地表现为下降趋势，未利用土地、建设用地和耕地均呈现增长态势，林地变化较小；不同地类单一土地利用动态度从大到小依次为：建设用地、水域、耕地、未利用土地、林地、草地，综合土地利用动态度为0.9%；土地利用变化驱动力主要为人口数量、科技、城市化、经济发展水平和政策。赵志平等[7]利用遥感影像对秦岭地区土地利用-覆被情况进行解译，秦岭地区土地利用-覆被主要类型为落叶阔叶林，其次为耕地，针叶林、针阔混交林、灌丛、水体湿地和居民地与建设用地面积较小；围绕耕地的人类活动是该区土地利用-覆被变化的主导因子，温度和降水量变化也是该区土地利用-覆被和植被覆盖状况变化的驱动因子。

托木尔峰国家级自然保护区位于新疆阿克苏市温宿县，是我国高山自然保护区之一，其生态环境的优劣直接关系到其下游地区数万人的生态安全[8-11]。托木尔峰国家级自然保护区作为天山山脉的重要组成部分，土地利用变化作为环境变化的重要影响因素，加强托木尔峰国家级自然保护区土地利用-覆被研究对维护天山生态平衡与安全方面具有重要作用。目前，关于土地利用-覆被的研究在全球普遍存在，但研究多集中于人口集聚度较高的湿润地区，而对干旱内陆地区土地利用-覆被的关注相对较少。因此，以托木尔峰自然保护区为研究对象，应用托木尔峰自然保护区1992年、1997年、2010年与2017年的遥感影像作为数据来源，对该区域土地利用-覆被变化过程进行分析，以期为该自然保护区的有效保护提供技术支持。

1 研究区概况

天山托木尔峰国家级自然保护区位于南天山科克莎尔山与子午岭相汇的山结处，地理坐标为(79°50′～80°54′E，41°40′～42°4′N)，总面积为3 445.85 km2，属森林生态系统类型自然保护区。该地区气候干燥，昼夜温差大，年内降水分配不均匀，年降水量300 mm左右，属于温带大陆性半干旱气候。自然保护区垂直高差约6 000 m，发育了从暖温带到冰雪带7个垂直自然带谱[12-13]。托木尔峰国家级自然保护区内受保护的高等植物382种，有雪莲花(Saussureainvolucrata(Kar. et Kir.) Sch.-Bip.)、高山黄芪(Astragalusalpinus.L.)等代表性植物；野生动物主要包括陆栖脊椎动物77种，隶属13目28科73属；昆虫1 000余种。该保护区也是木扎尔特河、大库孜巴依河、小库孜巴依河、大台兰河、小台兰河、塔克拉克河和阿托依那克河等内陆河水系的发源地，是新疆重要的水源补给地[14-15]。

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究使用的数据为1992年、1997年、2010年和2017年的Landsat TM/ETM+遥感影像，成像时间均为当年的8—9月份，分辨率为30 m，且云量均不超过10%，所有影像均经过大气校正等预处理。以该保护区的地形图及实地考察资料作为辅助资料，运用ENVI软件对遥感影像进行合成与几何校正，并利用研究区范围进行裁切。

2.2 土地利用类型分类

本研究以自然资源部最新的国家土地利用分类标准为依据，同时结合托木尔峰国家级自然保护区的实际情况，将保护区土地利用类型划分为草地、林地、冰川与水体、裸地等4类(如图1)，总体精度较高，满足土地利用变化研究的需要。并对土地利用类型进行编码，将草地、林地、冰川与水体和裸地依次赋值1、2、3、4。

图1 托木尔峰国家级自然保护区土地利用分类

2.3 土地利用变化及土地利用转移矩阵

利用Arcgis软件，将前后两期土地利用数据进行叠加，将初期与末期的土地利用编码分别作为十位数与个位数，进而生成4期(1992—1997、1997—2010、2010—2017及1992—2017年)具有两位数编码的土地利用变化图[16](见图2)。同时，通过对新生成的4期土地利用变化图进行栅格计算，进而获得4期土地利用转移矩阵。

图2 托木尔峰国家级自然保护区土地利用变化

转移矩阵是国内外通用的一种能够定量反映土地利用类型间变化方向的工具，可以全面且具体地反映区域土地利用变化的结构特征与各用地类型变化的方向[17]，通过对一定时间内研究区土地利用类型转移矩阵的分析，可以更好的观察该研究区土地利用类型变化情况。其数学表达式为：

式中：Sij表示第i种土地利用类型转变为第j种土地利用类型的面积；i、j分别为研究初期与末期的土地利用类型；n为土地利用类型的数目(本文n=4)。

2.4 土地利用-覆被类型单一动态度

土地利用-覆被单一动态度可以反映研究区域一定时间范围内特定土地利用-覆被类型的数量的变化程度，可以定量描述该时间段内某种土地利用类型的变化速度[18-19]。其计算公式为：

式中：K表示研究时段的某种土地利用-覆被的单一动态度；Ua、Ub分别表示研究初期与末期的某种土地利用-覆被的面积；T所表示的是研究时段长度(当T的表示为年时，K值所表示的就是研究区此土地类型的年变化率)。

土地利用-覆被单一动态度(K)的正负可以表征土地利用类型的增减，当K值大于0时，代表该时间段内该种土地利用类型呈增加趋势，否则是减少趋势。

2.5 土地利用-覆被类型综合动态度

土地利用-覆被类型综合动态度可以从整体上度量其动态变化的大小程度[20]，其综合动态度越大，表明该类土地面积变化趋势越明显，变化程度越剧烈。其计算公式为:

式中：LC为综合土地利用类型动态度；LCi为研究初期第i类土地利用类型的面积；ΔLCi-j为研究时段内第i类土地利用类型转为其他土地利用类型(j)面积的绝对值；T为研究时段。

土地利用-覆被综合动态度(LC)体现了空间变化的剧烈程度，其值越大，表明研究区内土地利用-覆被变化的面积越大，空间变化程度也越大。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构及数量变化分析

由表1可知，托木尔峰国家级自然保护区土地利用类型以冰川与水体为主，其次是裸地、草地、林地。1992—2017年，草地总体呈增长趋势；林地略有增长，但增长不大；冰川与水体亦呈增长趋势；仅裸地呈减少趋势。

表1 1992—2017年托木尔峰国家级自然保护区土地利用类型面积及比例

由表2可知，1992—2017年，草地经历了“增加—减少—大幅增加”3个阶段，2010—2017年间增加比例高达43.75%，25 a内共增加40.74 km2。1992—2010年林地均呈增长趋势，2010年后呈减少趋势，总体变化幅度不大，趋于稳定，25年内仅增加2.51 km2；冰川与水体变化趋势与林地相似，总体亦呈增长趋势，共增加了299.42 km2；裸地呈“减少—减少—略微增加”的趋势，总体减少了342.68 km2。总体来说，草地增长幅度最大，增长比例为34.33%；减少幅度最大的是裸地，减少了24.98%。

表2 1992—2017年托木尔峰国家级自然保护区土地利用类型数量变化

3.2 土地利用-覆被矩阵分析

土地利用转移矩阵能够全面、具体地揭示土地利用类型变化过程中的细节特点，可以细致的刻画区域土地利用变化的结构特征与各用地类型的变化方向，能够揭示土地利用类型转换的数量、来源以及去向[21]。

通过对托木尔峰国家级自然保护区土地利用类型变化图进行栅格计算，进而得到保护区土地利用转移矩阵(见表3～6)。

由表3可知，1992—1997年内，转入最多的是冰川与水体，共由其他类型转入204.89 km2，其次是裸地、草地、林地，其转入面积分别为98.70、31.89、22.59 km2。转出部分最多的是裸地，共转为其他土地类型239.66 km2，其次是冰川与水体、草地、林地，其转出面积分别为89.06、16.67、12.68 km2。

表3 1992—1997年托木尔峰国家级自然保护区土地利用转移矩阵 km2

由表4可知，1997—2010年间，草地、林地、冰川与水体、裸地依次转入18.14、27.29、310.48、107.31 km2；依次转出41.14、18.23、74.96、328.89 km2。

表4 1997—2010年托木尔峰国家级自然保护区土地利用转移矩阵 km2

由表5可知，2010—2017年内，草地转出了9.10 km2，转入了57.62 km2，总体面积有所增加；林地转出了33.45 km2，转入了16.99 km2，总体面积减少；冰川与水体转出了220.30 km2，转入了168.38 km2，总面积亦呈减少趋势；裸地转出了207.61 km2，转入了227.47 km2，总体呈增加趋势。

表5 2010—2017年托木尔峰国家级自然保护区土地利用转移矩阵 km2

由表6可知，托木尔峰国家级保护区25年内最主要的土地利用变化类型是裸地的转出以及冰川与水体的转入。转出部分由高到低分别为裸地(438.69 km2)、冰川与水体(86.01 km2)、林地(22.01 km2)、草地(17.62 km2)，其中裸地主要转化为冰川与水体，其转出面积为379.30 km2。转入部分由高到低依次为冰川与水体、裸地、草地、林地，其转入面积分别为385.43、96.01、58.36、24.52 km2，冰川与水体的转入亦主要来源于裸地。其中，裸地转出面积大于转入面积，裸地面积减少；冰川与水体、林地、草地转出面积均小于转入面积，三者土地利用类型均有所增加，其中冰川与水体增加面积最大，其次是草地，林地转入面积与转出面积相差不大，总体略有增加。

表6 1992—2017年托木尔峰国家级自然保护区土地利用转移矩阵 km2

3.3 土地利用-覆被动态度分析

由表7可知，1992—1997年土地利用-覆被单一动态度的绝对值林地最大，其次是草地、裸地、冰川与水体，其中仅有裸地为负值，整体呈减少趋势。1997—2010年土地利用-覆被单一动态度的绝对值由大到小依次为：裸地、草地、冰川与水体、林地，其中，草地与裸地呈减少趋势，其余土地类型呈增加趋势。2010—2017年土地利用-覆被变化由快到慢依次是草地、林地、冰川与水体、裸地，草地与裸地其K值为正，其余土地利用类型K值为负。1992—2017年，草地、林地、冰川与水体均呈增加趋势，仅裸地减少，其单一动态度由大到小依次为：草地、裸地、冰川与水体、林地。

表7 托木尔峰国家级自然保护区土地利用-覆被单一动态度

由表8可知，1992—1997年，托木尔峰国家级自然保护区土地利用-覆被综合动态度由大到小依次为：林地、草地、裸地、冰川与水体；1997—2010年保护区土地利用-覆被变化速度由快到慢依次为林地、草地、裸地、冰川与水体；2010—2017年保护区土地利用-覆被综合动态度由大到小依次为草地、林地、裸地、冰川与水体。1992—2017年，保护区土地利用-覆被综合动态度草地最大，其次是林地、裸地，冰川与水体最小。

表8 托木尔峰国家级自然保护区土地利用-覆被综合动态度

4 讨论与结论

土地利用-覆被变化一直是国内外研究的重点方向，利用遥感影像数据进行土地利用-覆被的研究具有更加便捷、高效及成本低等优点[22]。本研究以1992年、1997年、2010年和2017年遥感影像作为其主要数据来源，对托木尔峰国家级自然保护区土地利用-覆被变化情况进行分析。研究表明，1992—2017年的25年内，草地、冰川与水体面积均有所增加，草地增加比例高达34.33%，冰川与水体增加量最大，增加面积高达299.42 km2，但是基于冰川与水体基数较大，故增加比例仅达到15.94%；林地经历了增加—增加—大幅减少三个阶段后，总体略有增长，但增加幅度不大；裸地大幅减少，共减少了342.67 km2，这与满苏尔·沙比提等[23]学者的研究结论基本一致。

土地利用-覆被变化是自然因素与人类活动综合作用的结果[24]，自然因素对土地利用-覆被的影响具有长期性，人类活动可以在短期内快速改变土地利用-覆被类型。近年来，西北干旱区气候呈现出暖湿化的趋势，保护区暖湿化亦十分严重[25-26]。温度的升高，降水的增多，这对草地与林地的发育具有一定的促进作用，故草地与林地面积均有所增加。同时，托木尔峰保护区自2003年晋升为国家级自然保护区以来[23]，管控力度加大，并进一步实施退耕还林、还草政策，这对草地、林地面积的增加亦有一定的影响。降水的增多使原来未利用的裸地土壤条件变好，有利于植被(草类)的增长，因此，裸地面积不断转移成为其他土地利用类型，裸地面积大幅度减少。冰川的变化与气温、降水量及其组合关系均有一定的关系[27-28]，随着温度的上升，冰川虽有一定量的消耗，但冰雪融水汇入水体，其冰雪融水所增加的面积必定大于冰川消融减少的面积，进而导致水体面积的增大；同时，近年来托木尔峰国家级自然保护区呈暖湿化趋势[26]，保护区降水量总体呈增加趋势，降水量的增多对冰川具有一定的补给作用，可以增加其冰川积累量，对其面积与体积的增大有促进作用，故总体来说冰川与水体的面积亦呈增加趋势。

1992—2017年，托木尔峰自然保护区草地总体呈增长趋势，林地略有增长，冰川与水体亦呈增长趋势，裸地呈减少趋势。1992—2017年，托木尔峰自然保护区冰川与水体增长量最大，共增长了299.42 km2，裸地减少量最大，共减少了342.67 km2；草地增长幅度最大，增长比例高达34.33%，减少幅度最大的是裸地，减少了24.98%。托木尔峰国家级自然保护区25年内最主要的土地利用变化类型是裸地的转出以及冰川与水体的转入。转出部分由高到低分别为裸地、冰川与水体、林地、草地，其中裸地主要转化为冰川与水体，其转出面积为379.301 km2。转入部分由高到低依次为冰川与水体、裸地、草地、林地，冰川与水体的转入亦主要来源于裸地。托木尔峰国家级自然保护区土地利用-覆被单一动态度草地最大，林地注销；综合动态度草地最大，冰川与水体最小。