基于GIS干旱区绿洲县域土地利用生态风险分析及动态预测

2018-01-19程珍珍张永福范小晶

安徽农业科学 2018年3期

程珍珍，张永福，2*，范小晶，2，吴楠，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)

土地利用总体规划从全局和长远利益出发，对县(市)域内各类用地的结构和布局进行调整或配置的长期计划[1]。随着库车县人口的快速增长和城市化、工业化进程的加快，干旱区绿洲土地生产力降低等土地生态问题凸显。区域生态环境条件与人类社会经济活动长期相互作用形成了县域固有的土地利用方式。人类现如今面临的许多生态环境方面的问题都与所选择的利用土地资源的方式有关，不同的土地利用结构和类型会直接影响县域生态环境的安全。

库车县是我国向西开放的主要陆路通道，国家“一带一路”战略的实施，库车县作为建设重要支点，在新疆改革发展稳定大局中战略地位和作用日益凸显。这为库车县城市化、工业化进程和经济社会协调发展提供了一个良好的契机。但库车县东南部胡杨林由于干旱影响，生长脆弱，面积逐渐减少，对绿洲生态的保护作用下降。库车县农业是典型的灌溉农业。由于自然和灌溉两方面原因造成平原地区地下水位升高，造成局部土地次生盐渍化。此外，由于日益增加的人口和资源压力，使得人们过度地开发土地，在一定程度上加剧了土地的荒漠化和次生盐渍化。

因城市发展所需进行的人为活动、各种类型的自然灾害、各种企业只注重自己的发展而不顾及对环境造成的破坏等一系列的活动都会对生态系统的结构和功能产生影响[2-5]。其影响程度、影响范围、影响时间长短很难准确预判。不仅如此，土地利用生态影响具有空间性和累加性，这是因为土地利用的方式及其强度不同，并且这种影响以较为直观的形式反映到土地利用生态系统的结构和功能上[6-9]。

土地利用生态风险预测是依据县市的土地利用总体规划，掌握县市的各种土地类型之间的相互转换，在此基础上，构建生态风险的评价方法与评价模型，借助GIS软件对干旱区绿洲土地生态安全进行空间研究分析，利用地统计学中的空间分析方法定量化地反映不同等级的生态风险区的分布和变化，从静态的现状评价转为动态的预测，并及时采取措施，实施有效的土地生态安全规划和保护，使得县市有序健康的发展[10-12]。这对促进区域自然生态环境和社会经济的协调发展有重要意义。

1 数据来源和研究方法

1.1研究区概况库车县(82°34′～84°25′E、40°49′～42°38′N)位于天山中段之南麓，塔里木盆地北缘。库车县地处阿克苏地区最东部，东与巴音郭楞蒙古自治州的轮台县为邻，东南与尉犁县相接，南靠塔克拉玛干沙漠，西南与沙雅县相连，西以渭干河与库车县相接，西北与拜城县相邻，北部与巴音郭楞蒙古自治州和静县毗连。库车县地形北高南低，自西北向东南倾斜，最高海拔4 550 m，最低海拔922 m。库车县地貌可概括划分为北部天山山地，山前冲积扇形砾石戈壁地和南部冲积平原。北部山区以林牧为主，南部平原以农业为主。北部天山山地面积约为685 444.21 hm2；山前冲积扇形砾石戈壁地面积约为76 218.06 hm2；南部冲积平原面积约为764 839.45 hm2。南部冲积平原海拔930～1 225 m，地势平坦，土壤肥沃，为农业发展提供了良好的条件。库车县南北长193.0 km，东西宽164.0 km，土地总面积1 452 512.91 hm2。2014年末总户数113 688户，农业户口73 475户；总人口488 535人，其中，城镇人口163 451人，乡村人口325 084人。

1.2数据来源与处理以库车县2009和2014年的Landsat遥感影像为数据源(时相为植被生长茂盛的8月中旬)，其他有关数据包括库车县1∶5万地形图、库车县土地利用现状图、《库车统计年鉴》和《库车县城市总体规划(2010—2030)》，利用ENVI 4.8软件分别对2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。基于全国土地分类系统及库车县实际的土地利用/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、其他用地这6种类型。通过目视解译法对监督分类中未达到精度的模块进行更正。经过检验，两期的遥感影像解译总体精度值都达到了84%以上，满足了该研究的需要。通过对分类影像进行矢量化后导入地理信息系统软件中，并以Kappa系数作为参考指标，经过统计分析和计算，最终得到土地利用结构变化数据。

利用ArcMap 9.3软件对两期影像进行数据矢量化后通过统计分析功能和计算功能得到库车县土地利用/土地覆被变化数据，2015年土地利用/覆盖情况如图1。

图1 2015年库车县土地利用/覆盖情况Fig.1 Land use / cover situation of Kuche County in 2015

1.3研究方法

1.3.1采样方法。采样方式根据库车县土地利用类型的面积(1 452 512.91 hm2)情况，采用3 km×3 km的单元网格将生态风险指数进行空间化(图2)，采用等间距系统采样法，共有1 614个样区，可以保证空间分异特征的呈现。每一样区内各个土地类型的综合生态风险指数可以根据生态风险指数公式计算出，并以此作为样地中心点的生态风险水平。

图2 库车县生态风险样地划分Fig.2 Ecological risk plots in Kuche County

1.3.2生态风险指数。利用各土地要素的面积及所占总面积的比例得出库车县生态风险指数ERI[13-15]。通过构造LUCC与生态风险之间的经验联系，从而描述1 614个风险样区的土地利用生态风险的相对大小，其表达式为：

(4)

式中，ERI为生态风险指数；N为土地要素的总数量；A为土地总面积；Ai为第i类土地要素的面积；Ri表示各土地要素遭遇干扰时所受到的生态损失的差别。干扰度指数Si和脆弱度指数Fi的乘积即为所求第i种土地要素所反映的损失指数Ri[16]。

(1)干扰度指数。由于不同的景观类型在抵抗外界干扰能力、保护生物多样性、完善生态系统结构与功能、促进土地要素自然演替等方面的作用是有差别的[17]，所以该研究以库车县LUCC为依据，构建能体现景观受到外界干扰程度的指数干扰度指数Si，干扰度指数Si是通过对景观破碎度指数Ci、景观分离度指数Ni和景观优势度指数Di三者赋权重再经叠加后获得的。由于不同景观类型量纲存在差异，所以需要对分析得出的景观破碎度指数、景观分离度指数和景观优势度指数进行归一化处理。用a、b、c分别表示景观类型的各指标的权重值，并且要求a+b+c=1。根据分析权衡，并综合前人研究成果[18-19]，将0.5、0.3、0.2这3个权重值分别赋予Ci、Ni、Di。所以最终得到的表达式为[20]：

Si=0.5Ci+0.3Ni+0.2Di

(5)

(2)脆弱度指数。景观脆弱度指数表示不同景观类型的易损性。将各类景观类型按照脆弱度排序后进行归一化，即由各排序值与排序值总和之比获得景观脆弱度指数[21]。针对库车县LUCC特点，得出在该区内的6类土地要素中脆弱度程度由高到低依次为：其他用地、水域、耕地、草地、林地、建设用地。各土地要素的脆弱度指数Fi由归一化处理后得到。借助前人的研究成果，将归一化的值域范围设定为[0.1，0.9][22-23]。

1.3.3生态风险空间分析方法。区域生态风险指数是可以利用地统计学方法进行空间特征分析的空间变量。经过生态风险指数系统采样，利用ArcGIS 9.3中的地统计分析模块，得到半变异函数[24]：

(6)

式中,y(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。在此基础上，采用Ordinary Kriging模型进行表面模拟预测，并检查模型的合理性，得到库车县生态风险程度空间分布图，从中可以直观看出研究区域内不同等级的生态风险空间分布特征。

1.3.4生态风险分级方法。对生态风险分级的划分主要是参考以往学者的研究结果，对库车县生态风险级别划分为6类，具体划分情况见表1。

表1 生态风险指数分级

1.3.5土地利用类型动态度变化。土地利用动态度是用来反映某一区域某一时间段内的某一种土地利用类型的面积发生变化的一种量度[25]，是衡量土地利用动态变化过程的一个重要指标。单一土地利用动态度为：

(7)

式中，Ua、Ub分别为研究期开始和结束某一土地类型的数量；T为研究时段长。

综合土地利用动态模型为：

(8)

式中，LUi为检测开始时第i类土地利用类型面积；ΔLUi-j为监测时段内第i类土地利用类型转化为其他土地利用类型面积总和；T为研究时间段。该研究设定的研究时段为年，LC的值为土地利用类型年变化率。

2 结果与分析

2.1土地利用结构动态变化2009—2014年，库车县不同的土地利用类型变化规模大小与速度都不尽相同。2009—2014年库车县土地利用类型变化率由大到小表现为：耕地、其他用地、林地、建设用地、水域、草地。5年内，库车县耕地面积增加了3 094.16 hm2；林地面积增加了662.99 hm2；建设用地面积增加了6 949.25 hm2；草地面积减少了1 169.97 hm2；水域面积减少了233.86 hm2；其他用地面积减少了9 302.57 hm2。依据最新库车县土地利用总体规划，与2009年相比，预计到2020年，库车县耕地面积减少了4 356.22 hm2；林地面积减少了286.78 hm2；草地面积减少了916.33 hm2；建设用地面积增加了562.96 hm2；水域面积增加了152.88 hm2；其他用地面积增加了4 843.49 hm2，具体见表2。2009和2014年库车县主要的土地利用类型分布在库车县的北部和东部，然而在这期间，城市建设用地面积明显增加，生态风险程度也呈现由较高生态风险向高生态风险转换的趋势，土地利用系统稳定性降低。

表2 库车县土地利用变化情况

2.2土地利用生态风险评价根据土地利用生态风险指数计算方法以及预测模型，分别计算出库车县2009、2014和2020年的景观破碎度Ci、景观分离度Ni、景观优势度Di、干扰度指数Si、脆弱度指数Fi，并得出每种景观类型的损失度指数Ri，最终计算出2009、2014和2020年的生态风险指数ERI，结果见表3。

表3 2009、2014、2020年库车县景观指数

2009—2014年，6种土地利用类型中，各类型的斑块数均呈现增加趋势，共增加了6 949块。但草地、水域、其他用地的面积不仅没有增加，反而有所减少。其中，其他用地面积减少了9 302.57 hm2。这导致原本空间分布集中连片、破碎化程度低、斑块分离程度小的地类变成小块随机散落的景观类型。致使耕地景观破碎度Ci和分离度指数Ni不断减小，由此可知耕地的景观破碎度加深，分离度减小。其他用地的景观损失度Ri呈不断增大的趋势，主要是因为多种景观类型都是由其他用地转换而来的，这导致其他用地的面积不断减少，斑块支离破碎，这会引起斑块数目快速增加。致使其景观优势度Di不断降低，景观破碎度Ci和干扰度指数Si不断增大，结果表明：通过加权平均的方法得到景观损失指数中Ri，6种土地利用类型中其他用地Ri最大，草地Ri最小。总体来看，2009—2014年整个研究区域土地利用生态风险呈现升高的趋势，土地利用生态风险指数由2009年的0.046上升到2014年的0.048。2014—2020年，建设用地与耕地的景观破碎度Ci增加最为明显；草地的景观分离度Ni减少明显；建设用地的景观优势度Di降低；草地和建设用地的干扰度指数增大Si；规划至2020年，除了草地的损失指数保持在0.007以外，其余各景观类型的景观损失度Ri均呈现增加的趋势。

2009—2020年，库车县土地利用生态风险指数呈现逐渐增大的变化趋势。通过计算可以得到，2009、2014、2020年库车县生态风险指数ERI分别为 0.046、0.048、0.051。

2.3生态风险动态演变分析利用生态风险等级评价方法，对库车县2009、2014、2020年各景观类型的生态风险情况进行分级，计算库车县2009、2014和2020年间，不同等级的生态风险占各年份区积的比例(图3)。2009年库车县5个生态风险等级占库车县总行政面积的1.17%(低生态风险区)、29.05%(较低生态风险区)、45.13%(中等生态风险区)、23.09%(较高生态风险区)、1.56%(高生态风险区)；2014年，库车县5个生态风险等级占库车县总行政面积的1.16%(低生态风险区)、28.41%(较低生态风险区)、45.05%(中等生态风险区)、23.34%(较高生态风险区)、2.03%(高生态风险区)；预计到2020年，库车县5个生态风险等级占库车县总行政面积的1.17%(低生态风险区)、28.74%(较低生态风险区)、44.99%(中等生态风险区)、23.02%(较高生态风险区)、2.07%(高生态风险区)。2009—2020年库车县生态风险空间变化分布见图4。

图3 不同等级的生态风险区在各年份中所占比例Fig.3 Proportions of ecological risk zones in different grades in different years

图4 2009、2014、2020年库车县综合生态风险程度空间分布Fig.4 Spatial distribution of integrated ecological risk in Kuche County in 2009，2014 and 2020

由2009、2014和2020年综合生态风险程度空间分布图可以发现，高风险区主要集中在库车县库车镇周围等的建设用地分布区域；较高风险区广泛分布在库车县西南部，主要的土地利用类型为耕地和林地；中等风险区则主要集中分布在库车县北部、东南部，主要的土地利用类型为草地；较低风险区主要分布在库车县中部，主要的土地利用类型为其他用地；低风险区主要集中分布于库车县西南部，主要的土地利用类型为水域用地。总体来看2009—2020年库车县生态风险整体趋于恶化。这个变化趋势和前述的整个研究区的趋势是一致的。

3 结论与讨论

土地利用规划是将县市行政区范围内的各类土地利用结构不合理的地方实施调整完善，并进行较为合理的长期布局以实现县市的安全稳定发展。各县市应将土地利用规划与社会经济发展以及生态安全相结合，树立正确发展观，构建良好的生态用地格局，提高土地利用的综合效益。

(1)2009—2020年，库车县的主要景观类型未发生较大变化，但是各要素的面积、斑块数以及各要素占研究区的总面积比值发生了较大变化。2009—2014年，库车县耕地面积、建设用地出现较大面积的增长，耕地面积增长的主要原因是库车县2011、2012年实施的多个土地整治项目经过了自治区国土资源厅的验收，突出农业的基础地位，体现发展特色农业的基本要求。规划调整完善重点加强对农业用地规模和布局的引导，促进粮食、饲料与养畜基地建设。加大特色林果业基地建设力度，便于形成规模效益；建设用地的快速扩张是因为库车县充分依托现状城镇建设用地空间，保障城镇重点区块新增建设用地的需求，同时通过积极引导，优化城镇用地布局，提高建设用地集约利用水平。其他用地、水域和林地面积呈减少趋势，主要原因是其他用地不断转化为其他土地要素。可见随着人口快速增长和社会经济不断的发展，人类活动对土地结构变化的影响越来越显著。

(2)土地利用生态风险分析是在LUCC上建立起生态风险的评价方法，并对研究区的生态系统进行风险评价的过程。此过程将静态的现状评价转为动态的预测、预警，在当前生态风险评价研究的发展中得到广泛应用。该研究利用新疆库车县2009—2020年土地利用类型变化数据分析了库车县2009和2020年的生态风险指数，研究表明库车县的生态风险指数由2009年的0.046增长到2014年的0.048，再增长到2020年的0.051，研究区域的生态环境情况趋于恶化。

(3)根据风险等级划分和风险等级分布图可以发现，库车县地区高风险区域增加，整体由中风险向高风险转变。这可能是由于：首先，随着我国经济建设的发展，库车县人口增加加速，致使该县的建设用地面积不断扩大，尤其是近几年库车县工业园区建设兴起，虽然带动了库车县的经济发展，但也引起了一系列的生态安全问题；其次，库车县草地和水域面积在2009—2014年呈减少的趋势，草地和水域对生态环境有一定的净化功能，其面积的减少必然会增加库车县的生态风险指数。

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