0 引言

土地利用/覆被变化(LUCC)作为国际全球环境变化研究中国际地圈生物圈计划(IGBP)和全球土地计划(GLP)的重点交叉学科[1-3]，将土地利用/覆被变化与人类赖以生存的生态环境和自然资源系统相结合，一直是全球环境变化研究的核心领域之一。1994年，我国响应联合国《21世纪日程》，也将LUCC研究列为中国全球变化研究方向的重要课题[4]。

LUCC的时空动态特征直接反映了陆地表面的人类活动过程与自然环境变化的交互作用，涉及人文地理、自然地理、生态学、地图学、遥感与地理信息系统等领域[5-9]，多年来一直是国内外研究的热点领域。在LUCC的研究过程中，基于土地利用变化模型对区域空间格局演化进行模拟和预测，是揭示土地利用变化时空动态规律的有效手段。目前国内外主流的土地利用变化模型包括注重驱动力要素的Logistic回归模型、Probit回归模型、元胞自动机(CA)模型、CA马尔可夫链(CA-MARKOV)模型、Agent模型、SWAT模型、土地利用变化及效应模型(Conversion of Land Use and its Effects Model，CLUE Model)、CLUE-S(at Small Region Extent)模型等[8,10,11]，以及注重驱动力动态变化的系统动力学模型、复杂系统模型等，极大地丰富了土地利用变化研究的手段及其应用范围。其中，CLUE-S模型作为适用于不同时空尺度的土地利用变化模拟工具[12]，能够有效利用社会和自然驱动因子完成LUCC时空动态模拟。

目前，国内外学者开展了大量的LUCC及其模型的相关研究，按研究领域可分为3类。1)土地利用变化特征研究。例如，Borak等[13]针对撒哈拉沙漠以南地区对比分析了不同时期农田、森林、草地及水域所占比例的变化情况；Venugopal等[14]利用多时相的IRS-1A LISS-I遥感数据对印度的旁遮普国际重要湿地土地覆盖及湿地环境等进行了研究。2)土地利用变化驱动力研究。例如，国际应用系统分析研究所(IIASA)于1995年启动的“欧洲和北亚土地利用/土地覆被变化模拟”，将土地资源、人类利用和经济因素纳入模型核心部分，并充分考虑了各种自然和人为因素对土地利用的影响[15]；Veldkamp等[16]通过案例比较及建立描述模型，对LUCC驱动因子进行了综合研究；李平等[17]从全国宏观角度，选取 11 项自然和社会经济指标，对我国土地利用变化驱动力的空间分异进行了分析；李景刚等[18]对我国北方13省4个时期的地表土地覆被特征进行分析，重点讨论了人类活动对耕地变化特征的影响和耕地变化的驱动力。3)土地利用变化环境效应研究。国际上关于LUCC变化的环境效应主要集中在气候方面[19-21]，在水文、土壤方面也有所涉及[22]。例如，苏筠[23]对内蒙古乌兰察布盟和湖南洞庭湖区LUCC对农业自然灾害的影响进行了探讨；陈强等[24]运用地理加权回归模型(GWR)对温瑞塘河流域土地利用对地表水质的影响进行了评估；张帅等[25]针对黄土丘陵区土地利用变化对深层土壤活性炭组分的影响进行了研究；王鹏等[26]对赣江流域不同土地利用方式下的河流水质进行研究，得到不同土地利用方式下水质的主要污染源。

干旱区约占地球陆地总面积的30%，对其LUCC进行研究有助于提高对全球环境变化的认知，是全球变化研究的重要部分[27]。在城市扩张的空间特征研究方面，学者们发现干旱区典型的绿洲城市有其独特的城市空间形态，许多人类活动都与自然环境中的水资源利用方式有关，如：农业与畜牧、自然资源利用、基础设施建设以及城市地区的交通网络、人口分布、居住格局等[28-30]，普遍认为干旱区城市扩张对区域水文过程和水环境具有重要影响[31]。由于水资源利用与城镇发展密切相关，水资源分布直接影响着城市的选址、规模及空间扩展等[32]，因此，在水资源条件约束下，以水为核心的土地发展规划也成为城市发展的主要决策依据[33]。

鉴于此，本文以干旱区典型绿洲城市土地利用变化时空动态模拟为主要研究内容，选取新疆天山北坡奎屯河流域为研究区，基于遥感和GIS等技术，建立不同情景驱动的CLUE-S模型，模拟在不同发展情景下奎屯河流域2011—2030年土地空间格局变化，分析水资源约束下干旱区土地利用空间发展过程，并揭示城市空间形态演变与驱动力之间的交互关系，以期为城市发展提供决策参考。

1 研究区及数据

1.1 研究区简介

中国西北干旱区地处亚欧大陆腹地，包括新疆全境、甘肃河西走廊、青海柴达木盆地及内蒙古贺兰山以西的广大区域，总面积为235.2万km2，占国土面积的24.5%[34]；该区域地形上受青藏高原阻隔，远离海洋暖湿气流，年降水量小于200 mm，是全球同纬度较干旱的地区之一[35]。研究区奎屯河流域位于新疆天山北坡中部，准噶尔盆地西南缘，地理坐标为43°20′～45°30′N，83°20′～85°20′E[36](图1)；该流域隶属于艾比湖流域，以奎屯河为主流，主要支流有四棵树河、特吾勒特河和古尔图河，支流由东向西汇入奎屯河，并最终流向艾比湖。研究区在行政区划上包括奎屯市、乌苏市、克拉玛依市的独山子区，城市间交通主要有乌—奎高速公路、312国道、217国道和北疆铁路。2011年6月，国务院发布的《全国主体功能区规划》，划定了新疆天山北坡经济区的范围，包括本文整个研究区范围；由于其经济总量在区划中的重要地位，该区域又被称为新疆天山北坡经济带的“金三角”[37]。