喀什市土地利用变化下的生态敏感性研究

亚库普·约麦尔, 阿里木江·卡斯木,2,*

1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院, 乌鲁木齐 830054 2. 新疆师范大学新疆城镇化发展研究中心, 乌鲁木齐 830054

喀什市土地利用变化下的生态敏感性研究

亚库普·约麦尔1, 阿里木江·卡斯木1,2,*

1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院, 乌鲁木齐 830054 2. 新疆师范大学新疆城镇化发展研究中心, 乌鲁木齐 830054

亚库普·约麦尔, 阿里木江·卡斯木. 喀什市土地利用变化下的生态敏感性研究[J]. 生态科学, 2016, 35(2): 19-25.

Yakupu Yuemaier, Alimujiang Kasimu. Ecological sensitivity analysis of land use change in Kashgar City[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 19-25.

土地利用变化是导致生态敏感性的重要因素之一, 结合生态环境和土地利用相互关系的基本框架, 运用土地利用动态度模型和地理信息系统空间分析功能, 建立土地利用变化下的生态敏感性指标体系和分级标准, 分析建设用地、林地、草地、耕地、水域、未利用地等土地利用类型的面积比例和变化过程, 对近 20年来喀什市单一土地利用动态度变化和生态敏感性程度进行了定量研究。结果表明, 1990—2010年间喀什市土地利用类型的变化较快的地类分别是草地、耕地、林地、建设用地和未利用地。其中, 林地和建设用地每年以 1.58%和 1.87%的速度在增加。草地、耕地、水域和未利用地每年以 2.42%、1.36%、1.81%和 1.04%的速度在减小。城市高敏感区和不敏感区面积由 1990年的22.79 km2、113.76 km2增加到2010年的58.40 km2和125.95 km2, 呈逐年增加的趋势。反而中敏感区和低敏感区面积由1990年的30.21 km2、121.76 km2减小到2010年的15.54 km2、88.63 km2, 呈现逐年减小的变化特征。

土地利用变化; 生态敏感性; 喀什市; GIS

1 前言

生态敏感性是指生态系统对自然环境变化和人类活动干扰的反映程度, 说明发生区域生态环境问题的难易程度和可能性大小[1]。通过生态敏感性, 可以清楚地掌握一个地区的生态环境情况, 对不同区域的生态敏感性高低进行开发利用和保护。土地利用作为人类最基本的实践活动, 与土地生态系统及其功能密切相关[2–3]。土地利用变化是导致生态敏感性的重要因素, 不仅体现了土地资源的数量、质量方面的特征, 还反映了土地利用格局动态[4]。城市用地的时空动态变化格局与过程是城乡关系变化和城乡土地利用现代化过程的主要方面之一[5]。土地利用生态敏感性分析是区域生态规划的核心内容, 也是区域土地利用总体规划的基础性研究, 是评价不同的土地利用方式对区域生态环境的影响及其生态效用的主要方法[6]。研究土地利用状况及其变化趋势是区域生态环境状况的综合表现形式, 已经成为城市时空扩展过程研究的主要信息源[7]。

目前, 国外对于生态敏感性研究比较广泛, 主要针对单一生态敏感性问题展开[8], Suffling提出了从生态敏感性到生态扰动的指标[9]、Horne研究了澳大利亚雨林对选择性伐木的生态敏感性[10]、Rodriguez研究了大陆架生态敏感性[11]、Japtap则研究了湿地生态敏感区的海草生态系统等[12]。国内研究目前已从单一生态问题发展到生态敏感性综合评价[13], 对生态敏感性做了大量的研究工作, 但这些研究主要集中在我国东部发达地区, 而对中国内陆特别是地处西北干旱区的研究较少。从研究尺度上看, 包含了国家、河流、省域和市域尺度; 从研究区特征和类型上看, 则涉及到干旱和半干旱区、水域、城市等,包括中国生态环境的敏感性及其区域分布规律[14]、省域尺度的生态敏感性、河流和城市范围的生态敏感性等[15–16]。专门针对干旱地区市县级尺度上的土地利用生态敏感性研究还未见。

本文以喀什市作为研究对象, 通过制定土地生态敏感性指标体系和分级标准分析了研究区土地利用生态敏感性特征。研究结果不仅为喀什市土地利用生态规划和管理提供依据, 还能够反映生态系统对土地利用变化的响应灵敏程度, 是在城市合理规划和利用土地资源、保护城市生态环境及其安全、促进绿洲城市可持续发展等方面具有重要的参考价值和现实意义。

2 研究区概况

喀什市地处欧亚大陆中部, 帕米尔高原东北部,塔里木盆地西缘, 东经75°54′—76°10′E, 北纬39°26′—39°36′N之间(图1), 城市总面积288.5 km2, 总人口45 万[17]。喀什市在对外开放和西部大开发政策的大力实施下, 已成为我国与中西亚各国经济, 文化交流的重要桥梁, 是喀什地区的政治、经济、文化、交通中心。喀什作为连接亚欧大陆的主要载体和国际战略通道, 与中亚、南亚, 西亚的经贸合作具有不可估量的发展潜力[18]。随着城市化发展迅速, 人类活动日益影响和改变着喀什市土地利用结构、布局与强度。城市发展轨道与新疆其他城市相比有独特性。区内四季分明、地形复杂、远离海洋、空气较干燥、属暖温带大陆性干旱气候、夏季炎热、冬无严寒、气候差异较大、光照长、降水稀少、年平均气温11.7 ℃、年降水量62 mm。

3 资料收集与方法

3.1 资料收集与处理

图1 研究区示意图Fig. 1 The map of study area

本研究选取1990年07月06日, 2000年09月11日的Landsat-TM遥感影像, 空间分辨率为30×30 m; 2010年09月24日的ALOS-AVNIR-2遥感影像, 空间分辨率为10×10 m的遥感数据。另外, 收集喀什市地形图、行政区划图、植被分布图、矢量数据、野外考察等资料。在遥感图像处理软件ENVI4.8的支持下剪切研究区, 经过几何校正和辐射校正, 按最新颁发的《全国土地分类(试行)》(2002标准), 利用最大似然分类法和目视解译结合方法, 对喀什市不同时相的3副图像进行监督分类, 将喀什市的土地利用类型分为草地、耕地、林地、水域、建设用地、未利用地, 结合分类结果建立土地利用敏感性指标体系和分级标准获取喀什市1990年、2000年和2010年的土地利用生态敏感性分布图。

3.2 研究方法

3.2.1 单一土地利用动态度

土地利用动态度是土地利用数量和面积变化研究方面最常用的方法之一, 通过分析土地利用动态度可了解土地利用变化的总体趋势和结果, 它可定量描述一定时间范围内某一土地利用类型面积的净变化和土地利用类型的数量变化情况[19–20], 其表达式为:

式中:S1和S2代表研究初期和末期区域某种土地利用类型面积;T为研究时段, 当T的单位为年时,K值就是该研究区某种土地利用类型的年变化率。

3.2.2 构建指标体系

土地利用是人们不同土地需用量而划分出来的地表区域自然属性,各种土地利用类型受人为活动干扰与自然属性程度都不一样。喀什市土地生态敏感性是由高程、坡度、水体、植被覆盖度、土地利用、土壤盐渍化、土地沙漠化等多种生态因子的共同作用下而形成, 其中土地利用对城市生态敏感性的影响和贡献较大, 这种趋势对喀什市土地利用生态敏感性进行分级评价和分析提供了可能, 结果参照2003年国家环保总局制定的《生态功能区划暂行规程》附件[24]中提出的生态环境敏感性分级标准和指标体系, 对喀什市土地利用生态敏感区进行划分,具体划分依据如表 1 所示。

3.2.3 分级标准及方法

本研究参考相关研究结果[21–23], 遵守生态敏感性指标选取的综合性、动态性、科学性和系统性原则的背景下, 选择了能反映喀什市生态敏感性特征的土地利用敏感性分级标准, 详见表 2。

以土地利用生态敏感性分级标准和指标体系为基础,需要通过ArcGIS10.1的空间分析功能和自然间断点分级法(Jenks)来对单因子栅格图层分级赋值并且在ArcGIS栅格计算器的Field Calculator和Calculate Geometry模块中对分级指标的敏感性栅格图进行运算和面积统计, 其公式为:

式中,Ci为代表空间单元对第i项敏感性因子指数,m为第i因子的指标个数,Sk为第k项指标的敏感性空间分布。

表1 土地利用敏感性分级指标及划分Tab. 1 Sensitivity indicators of land use classification and division

表2 喀什市土地利用敏感性分级标准Tab. 2 Ecological sensitivity standard of land use classification in Kashgar City

4 结果与分析

4.1 土地利用变化分析

4.1.1 土地利用面积变化

区域土地利用数量变化主要表现在面积变化上,面积变化先反映在不同土地利用类型的总量变化上,通过分析土地利用类型的总量变化, 可了解土地利用变化的总态势和土地利用结构变化特征。1990年以后, 随着西部大开发政策的落实, 使大量人口涌入城市, 人口增加带动劳动力增长, 加之经济飞速发展和工业局部调整。人口增加和经济发展导致城市建设用地迅速扩展, 工农业生产和居民生活所需水量急速上升, 各种类型土地质量和面积上均发生了明显变化。从土地利用角度来看, 喀什市主要土地利用类型是草地、耕地、林地、水域、建设用地和未利用地, 见图(2)。

对比喀什市1990年、2000年、2010年的土地利用数据表3可知, 1990年到2010年, 喀什市土地利用变化速度较明显。林地和建设用地从1990年的12.47 km2、18.34 km2增加到2010年的51.81 km2、50.44 km2。草地、耕地和未利用地从1990年的30.21 km2、121.76 km2、95.42 km2减小到2010年的15.54 km2、88.63 km2、75.51 km2。草地、耕地和未利用地逐步减小, 减少的耕地是将不利于耕作的土地还为林地, 还有部分减少的耕地是因为城市化进程的原因, 转化为建设用地, 这反映了退耕还林后土地利用变化格局的总体趋势。水域面积变化差异不大, 而林地面积呈逐步增加的趋势, 这主要是喀什市自1990年来实施退耕还林政策的原因。

4.1.2 单一土地利用类型动态变化

由于土地利用调查数据受到人为因素的影响,而且遥感数据更为客观, 为准确地了解喀什市土地利用类型的变化情况, 对1990、2000、2010年的遥感影像进行解译, 利用单一土地利用动态变化度对每一种土地利用类型的变化情况进行定量描述, 反映在一定时间范围内研究区域某种土地利用类型的数量变化情况[25–27]。如图(3)所示, 1990年到2010年间, 由于喀什地区倡导农业结构调整和城市绿化,耕地还林工程, 城市耕地面积每年以1.36%的速度在减小, 林地面积每年以1.58%的速度在增加。

土地利用变化速度来看, 喀什市土地利用类型变化较快的地类是草地、耕地、林地、建设用地和未利用地。其中, 林地和建设用地每年以1.58%和1.87%的速度在增加。草地、耕地、水域和未利用地地每年以2.42%、1.36%、1.81%和1.04%的速度在减小, 呈现逐年减小的趋势。

图2 喀什市1990-2010年土地利用现状图Fig. 2 Current land use map of Kashgar City from 1990 to 2010

表3 喀什市土地利用类型变化幅度Tab. 3 The magnitude of land use changes in Kashgar City

图3 喀什市土地利用类型动态度Fig. 3 The dynamic degree of land use types in Kashgar City

4.2 土地利用变化的生态敏感区分析

根据研究区实际情况和敏感性因子分级标准,以土地利用类型选取为敏感性分析的主要因子, 使其敏感性等级划分为高敏感、中敏感、低敏感和不敏感等4个类型, 最后以划分出来的生态敏感性分布图来进行系统分析(图4)。

4.2.1 高度敏感区分析

高度敏感区是土地利用变化生态敏感性程度高的区域, 该区域生态系统受土地利用变化的影响最大。从空间分布来看, 喀什市生态敏感性程度高区是以林地和水域为主, 分布在荒地乡西北部、喀什市南部、多来特巴格乡东南部、乃则尔巴格乡东北部。如图(4)所示, 1990年生态高敏感区面积最小, 占敏感区总面积的7.90%。敏感区面积从1990年的22.79 km2增加到2010年的58.40 km2, 占敏感区总面积的7.9%和20.24%, 其面积变化与林地和水域面积的变化程度有关。该类型区域生态系统服务功能价值大, 由于人类活动的强烈干扰, 生态环境很敏感。

4.2.2 中度敏感区分析

中度敏感区指敏感性程度中的区域, 主要分布在浩罕乡东北部、多来特巴格乡南部、荒地乡东北部、色满乡西部。敏感区面积以草地为主, 所以其面积由1990年的30.21 km2减小到2010年的15.54 km2。生态系统服务功能好, 生态环境恢复能力弱, 是容易受到城镇建设, 公路建设等人类活动较强的干扰,其生态环境较敏感, 强调相对集中而整体分散的发展模式。

4.2.3 低度敏感区分析

低度敏感区主要分布在多来特巴格乡东南部、浩罕乡东北部和东南部、色满乡西北部、喀什市东部、乃则尔巴格乡北部。1990年生态低敏感区面积最大,占敏感区总面积的42.20%。生态低敏感区以耕地为主, 所以敏感区面积由1990年的121.76 km2减小到2010年的88.63 km2, 是耕地还林等政策的影响下产生此种趋势。该区域的地势比较低, 生态环境具有较好的自我恢复能力, 敏感性程度总体上处于良好状态。

图4 1990-2010年喀什市土地利用的生态敏感性分布图Fig. 4 Distributions ecological sensitivity area of land use changes in Kashgar City from 1990 to 2010

图5 1990-2010年喀什市土地利用变化的生态敏感性面积Fig. 5 Ecological sensitivity area of land use changes in Kashgar City from 1990 to 2010

4.2.4 不敏感区分析

不敏感区主要是指生态敏感性程度低的区域,分布在荒地乡东北部和乃则尔巴格乡北部和西北部、喀什市和怕哈太克里乡南部、色满乡西部、多来特巴格乡东北和东南区域, 是自然生态系统转变为人工生态系统的区域。该区域的土地利用类型主要是以建设用地和未利用地为主, 所以区域面积由1990年的113.76 km2增加到2010年的125.95 km2,成敏感区面积最大的区域, 分别占研究区总面积的39.43%和43.65%。生态敏感性处于平衡状态, 从生态环境保护角度来看, 适合城市的发展, 土地比较分散。

5 讨论与结论

在不同研究时段城市土地敏感区面积和比例各不相同, 土地生态敏感性结果显示, 1990年面积低敏感区面积最大, 高敏感区面积最小, 分别占研究区总面积的42.20%和7.90%。集中分布于喀什市中部和东南部、色满乡东部, 到2000低敏感区面积减小,高敏感区面积继续增加, 占研究区总面积的38.28% 和13.42%。2010年低敏感区面积继续减小, 高敏感区和不敏感区面积呈继续增加趋势, 不敏感区最大面积占敏感区总面积的43.65%, 而中敏感区面积最小。敏感性程度高的区域面积和比例均最小, 生态敏感性程度中等的区域面积和比例次之, 敏感性程度低的区域面积和比例较高。

总之, 喀什市土地生态敏感性区域主要分布在生态系统服务功能较好, 受人类活动干扰强的区域。通过对生态服务功能研究可找出城市区域生态系统敏感性, 可发现城市生态系统敏感性空间分布特征。开展土地利用生态敏感性评估, 使城市生态敏感性分析在理论与实践上得到了进一步的发展,对城市生态系统敏感性评价, 分析和研究方面具有重要意义。因此, 喀什市在城市建设用地布局, 城市环境优化和保护等方面要充分考虑城市土地生态敏感性程度, 范围和生态系统服务功能价值和指数。加强区域植被重建, 实施退耕还林和退耕还草政策,减轻人类对土地生态环境的压力, 在保证城市生态系统自然环境的条件下严格控制城市及城镇建设用地的开发, 不宜做大面积建设用地, 注意保持良好的自然环境, 注重控制生态敏感区域, 防止因过度开发用地而破坏该区域的水源保护地, 合理规划与开发城市土地, 避免在敏感区内造成严重干扰与破坏。

[1] 潘峰, 田长彦, 邵峰, 等. 新疆克拉玛依市生态敏感性研究[J]. 地理学报, 2011, 66(11): 1497–1507.

[2] 关中美, 王雨村, 牛海鹏. 基于 GIS的焦作市生态敏感性分析[J]. 河南理工大学学报: 自然科学版, 2009, 27(6): 61–66.

[3] 庞莎, 刘康, 冀文慧. 土地利用变化对延安市生态服务价值的影响[J]. 地下水学报, 2011, 33(1): 154–157.

[4] 马宗文, 许学工. 土地变化的生态效应研究方法[J]. 地理与地理信息科学, 2011, 27(2): 80–86.

[5] 阿里木江·卡斯木, 唐兵, 古丽克孜·吐拉克. 基于遥感和GIS的新疆绿洲城市扩展时空动态变化分析[J]. 冰川冻土, 2013, 35(4): 1056–1064.

[6] 罗坤, 汤小华, 杨明. 基于 GIS的龙岩市土地利用生态敏感性评价[J]. 云南地理环境研究, 2008, 20(3): 6–9.

[7] 阿里木江·卡斯木, 安瓦尔·买买提明. 近40a来基于低分辨率遥感数据和GIS的全球城市时空变化研究[J]. 冰川冻土, 2012, 34(1): 216–220.

[8] 徐广才, 康慕谊, 赵从举, 等. 阜康市生态敏感性评价研究[J]. 北京师范大学学报(自然科学版), 2007, 43(1): 88–92.

[9] SUFFLING R. An index of ecological sensitivity to disturbance based on ecosystem age and related to landscape diversity[J]. journal of Environmental Management, 1980, 10(3): 253–263.

[10] HOME R, HICKEY J. Ecological sensitivity of Australian rain forests to selective logging[J]. Australian journal of Ecology,1991,16(1):119–129.

[11] RODRIGUEZ E, VILA L. Ecological sensitivity atlas of the argentine continental shelf[J]. International Hydrographic Review,1992,69(2):47–53.

[12] JAG.TAP TG, KMRMANPANTS DS, RODRIGUES RS. Status of sea grass ecosystem: an ecologically sensitive wetland habitat from India[J]. Wetlands, 2003, 23(1): 161–170.

[13] 欧阳志云, 王效科, 苗鸿. 中国生态环境敏感性及其区域差异规律研究[J]. 生态学报, 2000, 20(1): 9–12.

[14] 刘康, 欧阳志云, 王效科, 等. 甘肃省生态环境敏感性评价及其空间分布[J]. 生态学报, 2003, 23(12): 2711–2718.

[15] 林涓涓, 潘文斌. 基于 GIS的流域生态敏感性评价及其区划方法研究[J]. 安全与环境工程, 2005, 12(2): 23–34.

[16] 杨志峰, 徐俏, 何孟常, 等. 城市生态敏感性分析[J]. 中国环境科学, 2002, 22(4): 360–364.

[17] 亚库普·约麦尔, 阿里木江·卡斯木. 基于遥感数据的喀什市生态因子特征分析[J]. 中国农学通报, 2015, 31(23): 224–229.

[18] 孜比布拉·司马义, 苏力叶·木沙江, 张泳福. 喀什市城市生态环境质量评价研究[J]. 云南大学学报(自然科学版), 2011, 33(2): 218–223.

[19] 何丹, 刁承泰. 重庆江津市土地利用变化及社会驱动力分析[J]. 水土保持研究, 2006, 13(2): 24–26.

[20] 彭保发, 陈端吕, 李文军, 等. 土地利用景观格局的稳定性研究[J]. 地理科学, 2013, 33(12): 1484–1485.

[21] 王佳丽, 黄贤金, 陆汝成, 等. 区域生态系统服务对土地利用变化的脆弱性评估—以江苏省环太湖地区碳储量为例[J]. 自然资源学报, 2010, 25(4): 556–563.

[22] 韩贵锋, 赵珂, 袁兴中, 等. 基于空间分析的山地生态敏感性评价—以四川省万源市为例[J]. 山地学报, 2008, 26(5): 531–537.

[23] 王大鹏, 王满堂, 陈伟. 台儿庄生态敏感性 GIS 评价[J].测绘科学, 2012, 37(1): 64–66.

[24] 国家环境保护总局.《生态功能区划暂行规程》[S]. 2002.

[25] 佘济云, 周丹华, 刘照程, 等. 基于GIS的万泉河流域生态敏感性分析[J]. 中国农学通报, 2012, 28(10): 69–73.

[26] 黄静, 崔胜辉, 李方一, 等. 厦门市土地利用变化下的生态敏感性[J]. 生态学报, 2011, 31(24): 7441–7449.

[27] 任志远, 张艳芳. 2003. 土地利用变化与生态安全评价[M]. 北京: 科学出版社, 2010: 27–29.

Ecological sensitivity analysis of land use change in Kashgar City

Yakupu Yuemaier1, Alimujiang Kasimu1,2,*
1.Institute of Geographical Sciences and Tourism,Xinjiang Normal University,Urumqi830054,China2.Center of Xinjiang Urbanization Development Study,Xinjiang Normal University,Urumqi830054,China

Land use change is one of the important factors leading to ecological sensitivity. This paper quantitatively researches the degree and extent of the ecological sensitivity and analyzes the single land use dynamic changes of Kashgar City focusing on the area ratio and change process of built-up land, forest land, grassland, cropland, water area, bare land types in the past 20 years, by combining with the basic framework of the relationship between land use and the environment, using of the land use dynamics model and GIS spatial analysis, and establishing eco-system sensitive indicators and grading standards of land use changes. The results showed that between 1990 and 2010, rapid changes in land use type classes were grass land, cropland, water area, built-up land and bare land. Among them, the forest land and built-up land increased by 1.58% and 1.87% each year. Grassland, cropland, water area and bare land decreased by 2.42%, 1.36%, 1.81% and 1.04% each year. Highly sensitive areas and non-sensitive area in 1990 to 2010 increased from 22.79 km2and 113.76 km2to 58.40 km2and 125.95 km2, respectively, showing a rising trend. But sensitive area and low sensitivity area reduced from 30.21 km2to 121.76 km2in 1990 to 15.54 km2and 88.63 km2in 2010, showing a reducing trend.

land use change; ecological sensitivity; Kashgar City; GIS

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.004

X826

A

1008-8873(2016)02-019-07

2015-03-04;

2015-03-22

国家自然科学基金项目(41361043); 新疆维吾尔自治区青年科技创新人才培养工程优秀青年科技人才项目(2013721031)

亚库普·约麦尔(1988—), 男, 新疆乌鲁木齐市人, 硕士研究生, 主要从事资源环境遥感研究, E-mail: yakupjanomar@126.com

*通信作者:阿里木江·卡斯木, 男, 博士,教授, 主要从事环境遥感研究, E-mail: alimkasim@ xjnu.edu.cn