基于GIS的新疆喀什地区耕地变化及驱动力研究

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摘要：利用1990-2009年喀什地区长序列、多时相遥感影像图，获取了1990年初期、2000年末期、2009年末期的土地利用/覆盖分类图，结合喀什地区各项统计资料，阐述了喀什地区耕地总面积以及人均耕地面积变化趋势。利用Arc/Info 9.3对研究区域的耕地动态变化程度进行了分类，并且重点讨论了影响研究区域耕地变化的驱动力因子。结果表明，①喀什地区耕地在1990-2009年呈现先缓慢上升再缓慢下降最后快速上升的三个阶段。②对研究区域的耕地相对变化率（RID）进行统计分析，位于北部的巴楚县RID相对较高，位于南部的塔什库尔干塔吉克自治县和叶城县RID相对较低。③研究区域驱动力因素与人口因子、经济发展因子、农业生产因子高度相关。综上所述，近20年喀什地区耕地时空变化是自然地理条件和人类活动综合作用的结果。

关键词：遥感影像；耕地；驱动力；喀什地区

中图分类号：F224.0；F323.211 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）17-4560-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.050

Abstract： Base on Kashgar area long sequences and multiple remote sensing image from 1990 to 2009， the land use / cover classification map was obtained in the early 1990，the late 2000 and the late 2009. And Kashgar area"s statistical data was obtained to introduce the total area of arable land and per capita cultivated land change trend. The dynamic changes of cultivated land in the study area were classified by Arc/Info 9.3 and the driving force factors affecting the change of cultivated land were discussed. The results showed that ①cultivated land in Kashgar region presented three trend of slow rise， slow down and rapidly rise.②The relative change rate of cultivated land in study area were analyzed， the change rate in Bachu area located in north was relatively higher， while the Taxkorgan autonomous county and Yecheng County located in the south was relatively lower. ③the driving forces were related to the factors of population， economic development and agricultural production. Overall，the temporal and spatial changes of cultivated land in Kashgar region was due to the comprehensive effects of natural geographical conditions and human activities.

Key words： remote sensing image； cultivated land； drive forces； Kashgar area

耕地是国家生态安全的重要保障[1-4]，耕地作为干旱区绿洲的精华，其动态变化无疑影响地区可持续发展问题[5-9]。喀什地区是新疆重要的绿洲县市聚集地，地理位置、土地利用、经济快速发展和广东、上海、深圳等大城市对喀什地区的大力援助使其具有一定的代表性。对喀什地区耕地变化驱动力的研究，不仅为喀什地区的可持续发展提供依据，也对新疆其他地州的耕地保护工作有重要的借鉴意义。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

喀什地区位于新疆维吾尔自治区西南部，地处东经71°39′～79°52′、北纬35°28′～40°16′，是古丝绸之路的重要贸易区。东临塔克拉玛干大沙漠，东北与柯坪县、阿瓦提县相连，西北与阿图什市、乌恰县和阿克陶县相连，东南与皮山县相连，西部与塔吉克斯坦相连，西南与阿富汗、巴基斯坦接壤。边境线总长888 km。周边邻近国家还有吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、印度3个国家。全区行政总面积16.2万km2，东西宽约750 km，南北长535 km。喀什地区由1个县级市（喀什市），1个自治县（塔什库尔干塔吉克自治县），10个县（疏附县、疏勒县、英吉沙县、岳普湖县、伽师县、莎车县、泽普县、叶城县、麦盖提县、巴楚县）组成。喀什地区1990年耕地总面积为39.241万hm2，2009年耕地总面积为54.843万hm2，1990年地区总人口为280.94万人，截至2009年末，喀什地区总人口数为397.93万人。

1.2 研究方法

在GIS技术支持下，以县域为单位，全面分析了新疆喀什地区20年来耕地的时空变化规律和空间变化趋势。运用SPSS19和Execl 2010统计软件和主成分分析法，选取与耕地动态变化密切相关的因子进行分析，并建立多元回归模型。①对喀什地区20年来耕地数量、人口数量、人均耕地面积进行统计分析，并对其变化特征进行阐述。②根据统计数据，对喀什地区各县市的耕地变化率（RID）进行计算，并利用Arcgis 9.3画出空间分布图。③根据政府统计公报及实地调研分析喀什地区20年耕地变化的驱动因素，利用回归分析方法对耕地变化与经济发展因素的关系进行定量表达，对喀什地区的耕地变化人文驱动机制作进一步说明。

1.3 数据来源

基础数据包括喀什地区数据库中1990年土地利用数据；2000年、2009年土地利用数据；喀什地区1990年、2000年、2009年的TM遥感影像；2009年4～9月的中巴资源卫星数据；来自新疆维吾尔族自治区统计年鉴（1978-2009）的人口、GDP、工业、粮食产量等数据；喀什地区统计年鉴（1990-2009）。

土地利用数据采用国家全国土地分类系统，利用Envi 4.8软件分别对3幅遥感影像进行波段合成、辐射校正、几何纠正、图像整饰、投影变换、镶嵌、特征提取等综合处理。结合喀什地区实际的土地利用/土地覆被特征，将研究区域土地类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、其他用地6种类型。结合野外实地勘察，对监督分类中未达到精度的模块通过人机交互目视解译法进行更正。运用Arc/Info 9.3软件，最终将数字化后的矢量土地利用数据作为研究区的基础数据。

2 结果与分析

2.1 耕地数量及人均耕地变化

如图1所示，喀什地区1990-2009年的耕地总面积经历了缓慢上升再缓慢下降最后快速上升的变化情况。耕地总面积最少的年份是1990年为39.241万hm2，耕地面积最多的年份2009年为54.843万hm2。在这20年中，耕地面积净增长15.602万hm2。如图2～图4所示，具体情况可以分为3个阶段。第一阶段，1990-2000年的耕地面积出现了缓慢增长的趋势。原因是国家实行了分产到户的政策，鼓励农民自主拓荒开发耕地，但由于水源、环境、技术等原因，耕地增长速度较为缓慢。第二阶段，2000-2005年的耕地面积出现了下降的趋势，从40.981万hm2减少到40.208万hm2，共减少了0.773万hm2。原因是随着喀什地区的经济发展水平不断提高以及广东上海等大城市的不断援助，喀什市、疏附县、英吉沙县等县市分别规划了中亚南亚工业园区、喀什市经济特区、疏附县广东工业城、英吉沙纺织工业园区。工业园区占用了部分耕地、林地、牧草地，对耕地面积有一定的影响。第三阶段，2006-2009年的耕地面积出现了大规模增长，由41.177万hm2增长到54.843万hm2，期间面积增加了13.666万hm2。耕地面积增长的主要原因是喀什地区大部分县市园区规划已完成，国家对耕地保护提出了新的政策。喀什地区的土地整理项目大部分经过了新疆维吾尔族自治区国土厅的验收，通过土地整治项目对耕地面积比较大的莎车县、叶城县、疏附县的耕地进行合理的开发改造，把一些荒地、未利用地、裸地变更为可以耕种的耕地。

与耕地总面积息息相关的是人均耕地面积。1990-2009年人均耕地面积基本与耕地面积变化趋势一致，1990年人均耕地面积为1 400 m2，而2009年人均耕地面积为1 380 m2，总体呈减少趋势。虽然喀什地区的耕地在不断地增长，但是随着人口数量的不断上升，人均耕地面积还是在不断下降，这也进一步说明了人类活动对生态环境影响的不断扩大。

2.2 耕地空间变化趋势

由于区域水资源等自然条件差异以及生产力水平、人口、绿洲平原和山区分布特征点等的变化，研究区域20年来的耕地变化表现出一定的区域差异性。因此，用相对变化率的概念进行定量分析[10-14]。某地区某一特定土地利用类型相对变化率表示为：

式中，K1表示某县域的某个土地类型的初期面积；K2表示某县域的某个土地类型的末期面积；C1表示全部区域的某个土地类型的初期面积；C2表示全部区域的某个土地类型的末期面积；若某个区域的某种土地利用类型的相对变化率RID为负数，则表示该区域这种土地利用类型呈减少趋势[15]。运用Excel 2010软件对喀什地区各县市的耕地面积进行分析计算。从图5可以看出，喀什地区各县域RID分布差异较大，其中北部巴楚县相对变化率最大。造成这一变化的原因是巴楚县位于国道314线、省道215线上，构成了巴楚县优越的陆路交通优势，合理开发利用土地，发展粮食、棉花等传统农业，实现了耕地的稳步增长。此外巴楚县的国家土地整理项目也较多。而南部的塔什库尔干塔吉克自治县和叶城县相对变化率较小。经过分析，塔什库尔干塔吉克自治县属于高原高寒干旱-半干旱气候，海拔高、气压低，耕地面积较少，因此相对变化率不明显。而叶城县近些年大力发展以核桃为主的林果业，导致林地面积相对变化率较高，但耕地的面积变化并不是很大，因此其相对变化率也较低。

2.3 耕地变化形态特征

土地利用结构的变化主要是形态特征，而各县市的社会宏观大背景相同，所以必然有一定的相似性[16-18]；另一方面，各个县市的生态环境、地理位置、经济发展等情况不同，必定会造成一定的形态特征差异。耕地的相对变化率主要考虑研究区初期和末期各个区域耕地的不同分布情况，但是这种变化用相对变化率的形态无法表述。因此引入系统分析中的主成分分析法将若干变量转换为几个独立的因素，以减弱变量之间的相互影响并增加研究区域的真实可靠性。

把喀什地区12个县市初期、末期的耕地数据作为样本，运用统计分析软件SPSS 19对各个样本进行主成分分析，分别得出主成分贡献率、主成分载荷矩阵以及喀什地区各县市耕地变化形态的相似性和差异性。表1可知，主成分1～3的特征值都大于1，3个主成分的累积贡献率达到97.701%，完全可以代表喀什地区20年各个县市耕地变化的主要信息，所以可以用主成分1～3对全地区12个县市的耕地变化特点进行描述。表2为主成分载荷矩阵，若某一县市的载荷系数越大则表明该主成分与其表达的形态特征相关性越强。

1）主成分1的方差贡献率为59.084%，与麦盖提县、伽师县、巴楚县具有较高的正载荷系数，与塔什库尔干塔吉克自治县、疏附县、英吉沙县载荷系数呈负相关。主要原因是由县域位置所引起的水资源、耕地后备资源、生态环境、主要产业和社会发展情况的差异。

2）主成分2的方差贡献率23.724%，与其载荷系数呈正相关的是疏附县。1990-2009年疏附县耕地面积持续减少，从4.383万hm2下降到3.381万hm2，这20年间耕地面积净减少1.002万hm2。主要原因是疏附县靠近喀什市，自治区确定了以喀什城区为核心，以喀什经济开发区、疏勒县和疏附县为三大增长极，构筑“一核三极、一廊三带”的“大喀什”空间发展框架，逐步推进“大喀什”一体化进程。“大喀什”战略目标的确定，对疏附县的土地利用结构，尤其是耕地面积造成很大的影响。以及广东援建并且政府大力扶持的疏附县国际物流产业园区里的一部分企业，对疏附县的耕地面积也有一定影响。

3）主成分3的方差贡献率14.893%，与其载荷系数绝对值较大的是塔什库尔干塔吉克自治县，究其原因在于塔什库尔干塔吉克县的地理位置，与耕地总量变化的原因相似，在此处不再赘述。

3 耕地变化的驱动力定量分析

喀什地区各县市耕地变化有明显的区域差异性，人类活动区域的不断扩大对耕地面积变化影响显著。但是人口因素、经济发展因素、农业生产因素对喀什地区的耕地数量变化具有较大的影响。故把这三种因素作为喀什地区耕地变化的主要驱动力。

3.1 人口因素

人类是最具活力的土地利用与土地覆盖变化驱动力之一[19]。喀什地区人口由1990年的280.94万人增加到2009年的397.93人，20年间增加了116.99万人。人口增长最快的县市是喀什市和莎车县。增长较慢的县市是塔什库尔干塔吉克自治县，这与同期耕地面积变化趋势一致。而针对人为驱动力，人口增长情况、人口素质、保障人们生活的基本粮食和收入等要素以及政府的宏观政策等具有明显的显著性。1990-2009年喀什地区的人口增长、耕地面积扩张和绿洲城市经济快速增长，直接或间接对土地结构变化产生了影响。

3.2 经济发展因素

为更直观的研究经济发展因素对喀什地区耕地的影响，引入多元线性回归分析法对耕地变化与经济发展驱动因素两者之间的相互关系进行研究，该方法是解释LUCC的一种常用方法，主要是对某一地区、某一时段的土地结构变化和驱动力之间存在的线性关系，通过多可能对土地覆被变化的各种驱动因子进行多变量分析的一种数学模型，以确定土地覆被变化的原因及其相关性[20，21]。

参考马丽娟等[18]、杜新波等[22]、张春玲等[23]的研究成果以及结合喀什地区实际情况，选取8个影响因子：X1人均耕地面积，X2国内生产总值，X3粮食作物单产，X4有效灌溉面积，X5林果业种植面积，X6社会劳动者人数，X7人均生产总值，X8种植结构比。选取这8个指标为自变量，以1990-2009年的数据为分析样本，运用SPSS 19软件，并以耕地面积作为因变量进行回归分析。得出的线性回归方程如下：

Y=1.533 4X1-0.365 8X2-0.265 8X3+0.063 9X4+0.585 5X5-0235 1X6-0.311 5X7+1.263 4X8

经过F检验，此线性回归方程是高度显著的。1990-2009年，喀什地区的耕地动态变化主要与人均耕地面积、有效灌溉面积、林果业种植面积、种植结构比呈显著地正相关，而与国内生产总值、粮食作物单产、社会劳动者人数、人均生产总值呈负相关。

3.3 农业生产因素

农业生产要素与耕地面积有最直接的联系，科技进步是粮食单产提高的重要条件[24]。喀什地区经济发展的同时农业技术水平由传统的农耕模式转变为现代化农业模式。1990年喀什地区的农业机械总动力为25.36万kw，2009年农业机械总动力为155.49万kw，是1990年的6.13倍。主要农业机械与设备1990年为15 200台，到了2009年增加到42 358台，是1990年的2.78倍。1990年喀什地区农林牧渔业总产值为56.36亿元，2009年为208.62亿元，位列全疆第一位。这也说明了水资源、土地资源、生态环境资源的合理利用，对农业科技进步具有重要的推动作用，而农业科技的进步使得粮食产量和有效灌溉面积增长，对于人口快速增长的喀什地区是非常必要的。

4 结论与讨论

通过对喀什地区20年来耕地动态变化及驱动力分析，得到以下结论：

1）1990-2009年间，喀什地区耕地经历了先缓慢增长再缓慢下降最后快速增长的三个阶段，在研究期末2009年，耕地面积达到了顶峰54.843万hm2，喀什地区耕地总体呈增加趋势，但是人均耕地面积呈减少趋势。

2）喀什地区耕地空间变化的各县域差异较为明显，其中北部巴楚县相对变化率最大，而南部的塔什库尔干塔吉克自治县和叶城县相对变化率较小。中央及自治区地方政府推出的一系列政策对喀什地区各县市耕地变化起到了重要的导向作用。

3）喀什地区耕地动态变化的主要驱动力因子为人口、经济发展以及农业生产，通过多元回归模型计算出的回归方程，得出人均耕地面积、国内生产总值、粮食作物单产、有效灌溉面积、林果业种植面积、社会劳动者人数、人均生产总值、种植结构比等因素是对喀什地区耕地动态变化的主要因素。

本研究深入分析了喀什地区耕地变化及其驱动因素，利用遥感、GIS和主成分分析方法相结合，以遥感影像解译获取的信息为基础数据，引入多元线性回归方程，更直观的反映了影响耕地变化的主要驱动因素。这种方法不仅摆脱了对长时间序列统计数据的依赖，而且充分发挥了GIS的实时性特征，对耕地变化的主导原因进行实时分析。但是利用遥感影像对驱动因素进行分析也存在着一定的局限性，对遥感影像进行解译能得到的数据毕竟有限。在未来的研究中需要结合其他基础数据，利用GIS工具获取更多信息，对某一区域的驱动力分析才能更具说服力。

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