伊犁河流域绿洲城市土地资源利用的生态风险评价：以伊宁市为例

唐利华， 张永福*

(1.新疆大学 资源与环境科学学院， 新疆 乌鲁木齐830046; 2.新疆大学 绿洲生态教育部重点实验室， 新疆 乌鲁木齐830046)

伊犁河流域绿洲城市土地资源利用的生态风险评价：以伊宁市为例

唐利华1,2， 张永福1,2*

(1.新疆大学 资源与环境科学学院， 新疆 乌鲁木齐830046; 2.新疆大学 绿洲生态教育部重点实验室， 新疆 乌鲁木齐830046)

为伊犁河流域土地资源的合理利用及土地利用总体规划提供参考，根据伊宁市2009—2013年的土地利用变化数据，建立土地利用生态风险评价指标，以1 km×1 km的单元网格进行系统采样，借助GIS技术与半方差分析方法，对区域土地利用变化的生态效益风险及其社会影响进行综合评价，并对2013年土地利用/覆盖现状存在的生态风险进行空间量化分析。结果表明： 1) 2013年，伊宁市土地利用/覆盖存在风险集中在耕地、牧草地和城乡建设用地，三者比例占全区总面积的83.14%； 2) 土地利用结构与数量变化复杂，耕地、园地向建设用地转换是主要土地利用变化形式，突出表现为耕地锐减与建设用地大幅扩展； 3) 土地利用程度指数逐年上升，不断推进土地利用的广度和深度； 4) 伊宁市土地利用生态风险时空分异显著，伴随建设用地扩展，高生态风险区由北向南逐渐转移，人类活动在一定程度上增加了区域潜在的生态风险。

伊犁河流域;绿洲城市; 土地利用;土地资源； 生态风险; 伊宁市； 新疆

生态风险是自然和社会经济等无法预料的因素和事件，在某一特定的区域内对该生态系统及其部分结构造成影响，最终破坏生态系统的组分和功能，威胁生态系统的安全，削弱承受外界风险的能力。其产生的原因带有客观不确定性、危险性和内在价值性。土地利用以景观尺度为基础，直接或间接地揭示生态系统的作用方式和健康受到人类影响程度，并反映人为活动与自然环境变迁间的相互作用[1-2]。近年来，土地利用/覆盖变化(LUCC)作为人类活动对全球变革驱动的不可或缺的组分以及区域响应机制，逐渐成为自然地理学、人文地理学、生态水文学和土地科学等相关学科的前沿核心领域[3-5]。

西北伊犁河流域社会经济发展相对落后，城市化、工业化进程伴随着生态环境安全问题[6]。绿洲被称为人地关系最为敏感的区域，伊犁河流域绿洲即为受到伊犁河流域干旱区自然因素和人文因素双重作用的复合自然生态系统[7]。前人针对特定区域内土地资源利用的生态风险进行了大量研究，衷平等[8]构建符合研究区的生态风险指标，利用主成分分析法筛选出能反映石羊河流域生态风险的敏感性因子；宋冬梅等[9]运用GIS、RS技术研究民勤地区绿洲景观格局变化及其驱动影响因素；刘引鸽[10]采用层次分析法和综合指数法对陕西省进行基于土地利用的生态风险综合分析研究；吴文婕等[11]借助GIS技术，结合马尔可夫概率转移矩阵，评价甘州区土地利用生态风险。目前，关于伊犁河流域近期土地资源利用风险尚无相关研究。为此，笔者以2013年伊宁市土地利用现状图为源信息，基于伊宁市2009—2013年土地利用变更数据，对伊犁河流域绿洲城市土地利用的变化及其区域导致的生态风险进行时空分异研究，探讨流域土地的生态系统问题，构建集土地、生态和社会经济平衡于一体的科学利用土地模式，以期为伊犁河流域合理利用土地资源及新一轮土地利用总体规划提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

伊宁市地处新疆维吾尔自治区西部边境伊犁河流域中部，北纬43°50′～44°09′、东经80°04′～81°29′，东边接伊宁县，西边接霍城县，北边靠天山西部的科古琴山，南边倚伊犁河。境内平均海拔1 083.10 m，城市中心海拔662.5 m，具有特殊的地貌单元，可分为中低山地、冲洪积扇和河谷阶地。土壤类型多样，水资源富饶。近年来，伊宁市着力调整经济结构，强力推进城镇化、工业化和农业化进程，忽视生态环境的脆弱性，导致土地利用的生态问题日益突出。全市辖8乡、1镇、1场和1市区，2013年总人口55.97万人，具有较高的城市化水平(达64.83%)。全市(除兵团)土地总面积62 279.94 hm2，其中，耕地面积15 727.31 hm2，园地867.03 hm2，牧草地22 831.12 hm2，林地4 594.46 hm2，城乡建设用地13 219.65 hm2，交通用地2 104.8 hm2，水域1 941.35 hm2，未利用地994.2 hm2。

1.2 数据来源

根据研究区2013年1∶10万土地利用现状图(MapGIS格式)及2009—2013年土地利用变化数据，结合伊宁市土地的实际状况，把伊宁市的土地覆盖类别划为耕地、园地、牧草地、林地、城乡建设用地、交通用地、水域和未利用地8大类。

将伊宁市2013年1∶10万土地利用现状底图转换为EOO格式，在ArcCatalog中转为coverage格式，拓扑重建，得到Shp格式的土地利用现状图，并借助ArcGIS 9.3将地类图斑分类、提取和归类，获取2013年土地利用/覆盖情况(图1)。

图1 2013年伊宁市土地利用/覆盖情况

Fig.1 Land utilization/coverage situation of Yining City in 2013

图2 伊宁市土地生态风险样地划分

Fig.2 Division of ecological risk sample plots in Yining City

1.3 研究方法

1.3.1 采样 根据伊宁市土地利用类型的面积(62 279.94 hm2)情况，利用ArcGIS9.3软件，采用1 km×1 km的单元网格将景观格局进行空间化，应用等间隔距离采样法，形成697个样本区(图2)，确保更好的呈现空间分异特征。根据公式得出每一样区内各个土地类型的综合R值(用作样区中心点的R值)。

1.3.2 景观生态风险分析 区域景观生态风险分析是在景观变化的基础上，阐述和评定生态环境污染、人类行为对整个生态系统的组分和功能造成不良作用的不确定性和威胁点，也属于生态风险评价[12]。依据2013年土地覆盖数据，计算各土地类型的面积和景观生态风险指数来反映土地覆盖生态风险的大小，使其转换为空间化的生态风险变量[11]。R值计算方法：

(1)

式中，RE为景观生态风险指数，n为土地利用类型的数量，Ai为第i种土地利用类型的总面积，A为土地利用类型总面积，Ri为第I种土地利用类型的的生态风险强度。土地生态风险强度参数Ri参考韦仕川等[13]的结果，耕地、园地、牧草地、林地、城乡建设用地、交通用地、水域和未利用地的Ri分别取0.112 7、0.069 3、0.755 7、0.017 4、0.295 6、0.211 9、0.079 1和0.084 4。

1.3.3 生态风险指标动态分析

1) 土地利用程度综合指数。土地利用程度用其广度和深度描述，一方面体现土地利用的自然属性，另一方面也体现其受人为活动作用的社会属性[14]。参考相关学者提出的土地利用分级指数，定义其计算公式：

(2)

式中，I为土地利用程度综合指数，Qi为第i类土地利用程度分级指数，参考刘纪远[15]赋值指标的研究成果：赋1为未利用地，赋2为牧草地、林地、水域，赋3为耕地、园地，赋4为城乡建设用地、交通用地。Pi为第i类土地面积比例。

2) 耕地垦殖指数。耕地垦殖指数是指某地区总耕地面积与其土地总面积的比值，反映土地开发利用程度，尤其是耕地。耕地垦殖指数越高，该区域的耕地开发程度明显，但可能不合理。说明城镇化、工业化进程中，区域内将耕地向建设用地转化时具有潜在的生态风险性。

(3)

式中，K为耕地垦殖指数，F为耕地面积，A为土地总面积。

3) 植被覆盖指数。植被覆盖指数是指研究区域内土地被植被覆盖的比例。在一定程度上，草场过渡放牧及退耕还林会改变牧草地、林地的生态风险大小[14]。

(4)

式中,C为植被覆盖指数，W为林地面积，G为草地面积，A为土地总面积。

4) 土地多样性指数。土地多样性指数用来评价区内土地类型的复杂程度和多样性，是衡量其丰富度和均匀度的综合指标。计算公式：

(5)

式中,D为土地多样性指数，Pi为第i类土地面积比例，n为研究区土地利用类型的总数。

5) 土地利用优势度指数。土地利用优势度指数是指某种土地利用在整个评价区域中的优势度，可用来评定景观格局组成分中土地利用类型支配景观的程度[16]。计算公式如下：

(6)

式中,S为土地利用优势度指数，Pi为第i类土地面积比例，n为研究区土地利用类型的总数，Dmax=lnN(N=n)。

最后，根据伊宁市实际情况，并参照6位土地高级工程师、环境影响评价专家的意见，均赋予各项指标权重，由归一化加权得到综合风险指数。

1.3.4 生态风险空间分析 由于半方差函数能密切关联到评价样本间的属性空间独立量，能够更好地反映地理现象的分布规律。因此，根据统计学中的半方差函数法来进行生态风险指数的空间分析[17]。

(7)

式中,γ(h)为变异函数；Z(xi)、Z(xi+h)为系统某属性Z在空间位置x，x+h处的值；N(h)为样本对数；h为空间距离。

1.3.5 生态风险可视化表达 根据系统采样的样区分布，用ArcGIS9.3中的Geostatistical Analyst，获取试验变异函数，然后拟合理论半变异函数。采用Ordinary Kriging模型进行球状表面模拟预测，并检测该模型的适用性，得出研究区域生态风险空间状况分布图，直观预测伊宁市土地利用生态风险空间分布状况。

2 结果与分析

2.1 伊宁市土地覆盖的生态风险特征

2.1.1 2013年各生态风险等级面积及比例 从表1可知，2013年伊宁市土地利用覆盖存在的生态风险多分布在耕地、牧草地和城乡建设用地，三者的比例占全区总面积的83.14%。其中，牧草地生态风险指数为0.277 031，属于高风险区，究其原因一是牧民放牧频繁，对牧草地破坏的现象严重；二是牧草地面积占全区面积比例达36.66%，对海拔高的区域利用不充分，荒废现象严重，导致牧草地生态风险指数最高。被自然植被覆盖的林地和零星分布在农村居民点周边的园地以及人为活动较少的未利用地整体上面积较少，三者在2013年总面积6 455.69 hm2，属于生态低风险区域。交通用地和连片水域，生态系统较稳定，其风险等级也低，潜在的威胁性也相应小。伊宁市中心城区及周边的城乡建设用地由2009年的9 191.9 hm2增加至2013年的13 219.65 hm2，主要来源于城市周边的耕地、园地及林地，满足中心城区不断扩展，以及各类交通水利用地的增长需求。人类活动较为频繁，对其影响明显，生态风险发生的几率相对较高，因此，城乡建设用地存在较高程度的生态风险。

表1 2013年伊宁市景观生态风险的等级和面积

2.1.2 伊宁市土地各生态风险级面积比例变化 由图3、图4可知，研究区内2009年、2013年的生态风险指数面积比例不同。其中，2009年低风险区(园地、林地)占研究区总面积的9.78%，较低风险区(交通用地、水域、未利用地)占研究区总面积的7.37%，无中等风险区，较高风险区(耕地、城乡建设用地)占研究区总面积的45.17%，高风险区(牧草地)占研究区总面积的37.68%。2013年低生态风险区(园地、林地、未利用地)面积占研究区面积的比例增至10.37%，较低生态风险区(水域、交通用地)面积占研究区面积的比例减至6.50%，中等风险区(耕地)面积占研究区面积的比例增至25.25%，较高生态风险区(城乡建设用地)占研究区总面积的比例缩减至21.23%，高生态风险区(牧草地)面积占研究区面积的比例减至36.66%。说明，2009—2013年间，较高、高生态风险区面积虽然有所缩减，但中等风险区面积却有大幅度增加，研究期间此状况仍然对伊宁市土地利用生态环境构成威胁。

图3 伊宁市景观生态风险的空间分级(2009—2013)

图4 伊宁市2009年和2013年不同等级生态 风险区的比例

Fig.4 Proportion of different ecological risk regions with different grade in Yining City in 2009 and 2013

2.2 土地利用程度指数

从图5看出，伊宁市土地利用综合指数从2009年264.54增长到2013年274.26，表明，该地区受社会经济、人类活动的影响在不断加剧。其中，耕地、牧草地及城乡建设用地土地利用程度指数变化尤为显著。2009—2013年，耕地减少16.96%，园地减少1.89%，牧草地减少3.35%，林地减少1.44%，水域减少0.01%，未利用地减少1.09%；城乡建设用增加21.27%，交通用地增加3.58%。随着伊宁市城镇化进程的不断加快，土地利用的广度和深度也将得到推进，土地利用处在多变的发展时期，由此引起的生态风险也将呈现出一定的潜在性和波动性。

注：A为耕地，B为园地，C为牧草地，D为林地，E为城乡建设用地，F为交通用地，G为水域，H为未利用地。

Note: A，Arable land; B，Garden land; C，Grassland; D，Forest land; E，Urban and rural construction land; F，Land for transportation; G，Water area; H，Unused land.

图5 2009、2011和2013年伊宁市土地利用综合指数

Fig.5 Integrated land utilization index in Yining City in 2009, 2011 and 2013

2.3 土地利用变化的风险

本研究参照前人的研究成果，各项指标与土地利用风险成反比[18]，即土地利用综合指数、耕地垦殖数、植被覆盖率、多样性和优势度指数越大，风险程度越小。从表2看出，2009—2013年伊宁市耕地的垦殖指数和植被的覆盖指数逐年减少，而土地利用的综合指数、多样性指数及优势度逐年增加。耕地的垦殖指数保持递减趋势，这与近年伊宁市的大力发展建设和忽视对耕地保护有关；植被覆盖指数的下降意味着林地、牧草地面积在逐年减少。

多样性反映的是评价区内土地类型的复杂和多样程度，多样性指数逐渐增加，说明该区景观格局分布较均匀；伊宁市优势度指数2013年较2009年下降0.035 6，说明2013年伊宁市各土地类型主导功能性较2009年减弱，地区生态稳定性较弱，即在一定程度上导致风险指数增加。

但从各指标综合来看，伊宁市2013年的风险指数较2009年下降0.017 4，说明伊宁市研究期内生态风险指数有所缓和，但缓和程度较小。因此，在伊犁河流域这个特殊的自然生态环境里，伊宁市还应加强引导采取正确的土地利用方式，科学规划土地类型间转换，利用伊犁河谷资源优势推进土地功能建设，注重土地、生态及环境综合整治，构建环境友好型伊犁河谷城市。

2.4 土地利用生态风险的空间分布变化

由图6看出，2009—2013年伊宁市的土地综合生态风险发生明显波动，综合生态风险严重区由北向南转移。南部地区的大部分耕地、园地、林地转换成城乡建设用地，生态环境受到一定破坏，由此引发中等风险区蔓延的速度很快。主要归因于伊宁市的工业发展步入正轨，英也尔乡、喀尔墩乡和达达木图乡结合本身的土地资源利用潜力和经济发展的方向目标，转型升级，大力发展能源、电力、科技贸易产业园、建材园等高新产业，如新入驻的国网新疆电力公司伊犁供电公司、伊犁川宁生物技术有限公司和新疆伊犁建能煤化工机械有限公司，过度重视工业带来的眼前利益，从而无暇顾及生态环境的保护，带来潜在生态风险。伊宁市市区始终是伊宁市土地利用未来发展的重中之重，其发展方向主要是从市区向四周辐射发展，并向南部及西北方向拓延，而北部和东北部乡镇(巴彦岱镇、潘津乡和克伯克圩孜乡)多趋向于发展农业型，重点发展小麦生产与特色林果业。市域北部大比例面积虽是牧草地，但随着城镇建设发展存在的潜在影响值得考虑，应在大片草场转化为建设用地前加大保护力度，防患于未然。

表2 2009年和2013年伊宁市土地利用风险度

图6 2009—2013年伊宁市土地利用生态风险的空间分布变化

Fig.6 Spatial distribution of land utilization ecological risk in Yining City during 2009-2013

3 结论与讨论

1) 2013年伊宁市土地利用覆盖存在的生态风险大都分布在耕地、牧草地和城乡建设用地，三者总和占全区总面积的83.14%。反映了该区随着城镇化建设的加快，城区周边的耕地逐渐转化为城乡建设用地，土地利用正处在多变的发展时期，由此引发的生态风险也将凸显一定的潜在性和波动性。

2) 近几年城镇化、工业化的迅猛发展，促使中心城区以伊宁市市区为中心逐渐向外围扩展，工业园区随之兴建，土地利用综合指数逐年上升，反映出人类活动和社会经济对土地利用结构和效益的影响与日俱增。

3) 2009—2013年研究期内，耕地的垦殖指数、植被的覆盖指数不断降低，反映了研究区内土地利用类型的差异在减小。多样性和优势度的增加，一方面是由于伊宁市牧草地、耕地面积远远大于其他土地类型面积，并且分布较集中；另一方面是牧草地的主导作用最突出，虽处在高风险区，但通过合理利用和规划，在一定程度上可以减缓该区生态风险的恶化速度。

4) 2009—2013年间，研究区生态风险空间变化分异明显，土地覆被生态风险由北向南逐渐转移，预测研究区的土地利用综合生态环境状况总体不容乐观。

5) 土地利用生态风险预测是在LUCC景观格局上构建生态风险的评价方法与评价模型，从静态的现状评价转为动态的预测，进一步建立在人类活动频繁下的土地利用与区域生态环境的有机联系。如何增强伊犁河流域城市土地利用功能和生态功能，以及构建环境、社会经济建设和平共处模式将成为伊宁市今后发展的重点。

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(责任编辑： 姜 萍)

Ecological Risk Assessment of Land Resources Utilization of Oasis Cities in Ili River Basin——Taking Yining City as an example

TANG Lihua1,2, ZHAGN Yongfu1,2*

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046; 2.KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China)

The index system to evaluate land utilization ecological risk was established according to the data of land utilization in Yininh City from 2009 to 2013, then the ecological benefit risk and social influence of regional land utilization change were comprehensively evaluated by GIS and semi-variance analysis based on 1 km×1 km unit grid and finally the spatial distribution of land utilization/coverage ecological risk in Yining City in 2013 was evaluated by quantitative analysis to provide a reference for land resources rational utilization and overall land utilization plan in Ili River Basin. Results: 1) The risk of land utilization/coverage in Yining City mainly concentrates on arable land, grassland and urban and rural construction land and their proportion accounts for 83.14% of total area in 2013; 2) Changes in land utilization structure and quantity are complex and the main change form of land utilization is transform of arable land and garden land to construction land, which results in reduction of arable land and substantial expansion of construction land; 3) The index of land utilization degree increases year by year, which pushes on breadth and depth of land utilization continuously; 4) The spatial-temporal differentiation of land utilization ecological risk is significant in Yining City and the higher ecological risk regions transfer from north to south gradually with expansion of construction land, which indicates human activities increases the regional potential ecological risk to a certain degree.

Ili River Basin; Oasis city; land utilization; land resources; ecological risk; Yining City; Xinjiang

2015-09-15； 2016-03-27修回

新疆伊宁市土地利用总体规划修编项目“新疆伊宁市中期实施评估项目”

唐利华(1988-)，女，在读硕士，研究方向：土地资源规划及土地资源评。E-mail：tanglihuahappy@126.com

*通讯作者：张永福(1964-)，男，副教授，硕士生导师，从事土地资源评价及土地整治开发研究。E-mail：zyf431@sina.com

1001-3601(2016)04-0185-0165-06

S-9； F301.24

A