干旱区土地利用/覆盖变化与生态环境效应研究——以渭-库绿洲为例

古丽波斯坦·巴图， 丁建丽， 李艳菊

(1. 新疆大学资源与环境科学学院智慧城市与环境建模自治区普通高校重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046；2. 新疆绿洲生态重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046)

作为全球生态变化的主要原因之一，土地利用/覆被变化及其引起的生态过程变化已经成为全球环境方向研究的热点和前沿，引起了国际有关研究机构的广泛关注[1]。由于全球气候变暖和城市化进程的加快[2]，人类活动已扩展到生态脆弱区[3]，土地利用/覆盖的格局、深度和强度都发生着很大的变化[4]，因此深入开展土地利用/覆被变化对生态环境影响及效应[5]，乃至全球环境变化都具有重要意义[6]。

关于土地利用引起的生态环境效应研究，国内外最初从土地利用变化对水文、气候、土壤等单一要素影响的研究，其中Turner等[7]通过各要素建模研究其效应、苏维词[8]分析评述了城市土地利用变化所带来的系列环境效应，发展到李晓文[9]等和许俐俐[10]等对区域生态环境影响的研究。对于本研究区生态系统服务价值在土地利用方面的研究更多关注在如何影响生态系统服务总价值的结构变化和空间变化[11-12]。张飞等[13]对位于塔克拉玛干沙漠北缘的渭—库绿洲的土地利用景观空间格局和土地利用动态变化进行了研究。但是对于研究区进行区域生态环境效应的研究较少。

本文选择渭-库绿洲为研究对象，基于两期遥感影像数据，分析了研究区土地利用变化过程，通过估算生态系统服务价值，计算敏感性指数、生态贡献率以及生态环境质量指数，以分析生态系统服务价值的分布特征及其变化，进一步探讨土地利用对当地生态环境的影响，为当地区域生态环境保护和土地资源合理利用等方面提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

渭-库绿洲，经实地考察，确认研究区地理坐标为81°28′30″ ～84°05′06″ E，39°29′51″～42°38′01″ N，海拔1 500～2 000 m。研究区土地总面积为523.76万hm2，绿洲面积为56.096万hm2，占研究区土地总面积的10.7%，该绿洲是新和、沙雅和库车三县的核心经济带。由于独特的地理位置及生态环境，该绿洲可以作为我国西北干旱区绿洲的一个典型。渭-库绿洲是完整而典型的扇形洪、冲积倾斜平原，是我国研究生物多样性及全球变化的重要区域之一。

图1 研究区概况图Fig.1 Survey map of study area

1.2 数据获取与处理

遥感影像来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，分别为2005年(Landsat 7)和2015年的(Landsat8)的影像，影像质量较好。借助 ENVI 5.1软件对两幅遥感影像进行辐射定标、大气校正、几何校正等预处理以及波段组合后，进行监督分类。在对地类进行解译时，通过土地利用现状图以及野外考察的经验建立了分类标准，利用地形图等相关材料进行校准。利用ARCGIS10.3获取两期影像的土地利用布局图和相对应的现状属性数据库，通过扩展模块中的空间分析，得到研究区土地利用从2005年到2015年动态变化信息。

土地利用分类过程中，分类系统参考 2000 年国家环保总局《中国西部地区生态环境遥感调查》采用的土地利用与土地覆盖变化的 2 级分类系统。具体分类系统如(表1)所示: 一级分类为草地、耕地、林地、水域、建设用地和未利用地 6 类; 二级分类为水田、旱地、有林地等 20 个类型。二级分类具有较高的分辨率，因此本文将生态环境变化的分析纳入二级分类。参考该地区的其他研究，再结合相关专家评分和层次分析法，对二级分类体系下的土地利用类型及其生态环境质量指数进行赋值[14]。

表1 土地利用分类系统及其生态环境指数赋值Table 1 Land use classification and eco-environmental indicators

1.3 研究方法

1.3.1土地利用转移矩阵 利用ARCGIS10.3与ENVI 5.1对两期土地利用/覆被数据进行统计和叠加分析，得到土地利用/覆被类型面积转移矩阵，并计算贡献率等参数，从时空尺度上分析研究区内生态环境状况。

转移矩阵能够将研究区域各个土地类型转移的数量、去向及来源进行全面具体的描述，对两期土地利用/覆被类型图，根据地图代数原理[15-16]，利用ARCGIS进行空间叠加分析，得到各个时段的转移矩阵

(1)

1.3.2土地利用/覆被相对变化率 土地利用/覆被类型的空间变化差异：研究区土地利用/覆被情况主要从时间尺度上反映，而土地利用类型的变化情况一般是从空间尺度上去研究，公式(2)土地利用/覆被变化区域差异.

(2)

1.3.3土地利用的生态系统服务价值 由于生态系统服务功能价值被多种因素以不同形式影响，因此应运而生多种测算模型。开始的研究方向基本都是估算区域平均系统服务价值[17]。近年来，生态系统服务功能及价值方面的研究在国内逐渐成为热点及研究趋势[18-20]。Costanza等[21]在这领域的研究成果使生态系统服务价值评估的原理与方法在科学意义上得以明确。众多国内学者根据中国实际状况，同时参阅了Costanza等[21]学者在这方面取得的部分可靠的研究成果，制定了中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表即表2。本研究参考其研究成果对研究区生态系统服务价值进行分析与评价。其公式为:

ESV=∑(Ak×VCk)

(3)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

(4)

式中:ESV为生态系统服务总价值(元)；

Ak为研究区k种土地利用类型的面积(hm2)；VCk为生态价值系数(元·hm-2·a-1)；ESVf为单项服务功能价值系数(元·hm-2·a-1)。

表2 中国不同陆地生态系统单位生态服务价值表Table 2 The ecosystem service value per unit area of different land ecosystems in China

1.3.4敏感性分析方法 目前，相关的研究大都通过借助敏感性指数(coefficient of Sensitivity, CS)，进而确定ESV随时间变化对VC变化的依赖程度[22-24]。为了说明ESV对VC的敏感程度，分别调整50%的VC来计算相应的CS。有相关研究可知，利用敏感性分析结果可以判断生态系统服务价值的稳健性[25]。因此本研究中利用CS指数来检验谢高地的生态系统服务价值系数是否对本研究区合适。其中敏感性指数CS的含义如下：当CS>1时，表明ESV对VC是富有弹性的；当CS<1时，表明ESV对VC是缺乏弹性的，如果比值越大，则表明VC的准确性越关键。即便CS值小于1，对于生态系统价值系数过高或过低的赋值，都会很大程度的影响生态系统价值随时间变化的准确性和真实性。

(5)

式中:i和j代表初始价值和生态价值系数调整以后的价值。

1.3.5区域生态环境质量指数 综合考虑区研究区各土地利用所具有的生态质量及面积比例，定量表征某一该研究区内生态环境质量的总体状况[26-27]，其表达式为：

(6)

式中，EVt为区域生态环境质量指数；LUi为该区域内t时期第i种土地利用类型的面积；Ci为该区域内t时期第i种土地利用类型的生态环境指数；TA为该区域总面积；N为土地利用类型数量。

1.3.6区域土地利用变化类型生态贡献率 土地利用变化类型生态贡献率[14,26]指由于某种土地利用类型变化而导致的区域生态质量的改变，其表达式为：

LEi=(LEt+1-LEt)LA/TA

(7)

式中，LEi为土地利用变化类型生态贡献率；LEt+1和LEt分别为某种土地利用变化类型所反映的变化初期和末期土地利用类型所具有生态质量指数；LA为该变化类型的面积；TA为区域总面积。

2 结果与分析

2.1 渭-库绿洲土地利用变化分析

根据公式，对渭-库绿洲2005年和2015年两期数据进行数据统计及空间叠置分析，得到渭-库绿洲土地利用类型面积及变化幅度，土地利用类型转移矩阵和空间分布图。结果如图2和表3，图3所示。

图2 2005—2015年渭-库绿洲土地利用类型面积变化幅度Fig.2 Change areas of land use in Ugan-Kuqa River Delta Oasis in 2005—2015

表3 2005—2015年渭-库绿洲土地利用类型面积转移矩阵Table 3 Transition matrix of land use areas in Ugan-Kuqa River Delta Oasis in 2005—2015

土地利用类型Type of land use林地Forestland/104hm2耕地Farmland/104hm2草地Grassland/104hm2盐渍地Salty land/104hm2水体Water/104hm2其他Others/104hm2林地Forestland5.238.012.970.030.202.34耕地Farmland1.356.670.620.180.367.85草地Grassland0.562.030.180.160.103.14盐渍地Salty land0.600.610.000.830.075.58水体Water0.140.110.000.020.220.33其他Others1.571.950.140.340.275.59

注：表中其他土地利用类型中包括未利用地、建设用地等

Note：Other types of land use in the table include unused land, construction land, etc

图3 2005—2015年渭-库车绿洲土地覆被类型变化图Fig.3 Change of land use/land covers in Ugan-Kuqa River Delta Oasis in 2005—2015

从图表中看出，2005—2015年研究区林地面积明显增加，面积增加了9.34×104hm2，主要由草地和耕地转移而来，其中耕地转移为林地的面积为8.01×104hm2。可见研究区在10年期间，耕地面积减少，面积减少了2.35×104hm2，年变化幅度为-0.21×104hm2,说明当地在研究时期内，实施的退耕还林政策效果明显。草地的主要转出方式是林地，转移面积2.97×104hm2。盐渍地面积增加明显，面积增加了6.14×104hm2，年变化幅度为0.56×104hm2，变化量占2015年盐渍地总量的79.83%，表明研究区在10年期间，盐渍化程度加重。盐渍地面积增加主要靠草地、耕地转换而来，其中耕地转移为盐渍地的面积最多，为0.61×104hm2。水域面积有所减少，面积减少0.42×104hm2，其减少量占2015水域总量的51.11%，水域面积主要转出方向是耕地和其他，转移面积分别为0.36×104hm2，0.27×104hm2。

2.2 土地利用/覆被变化生态环境效应定量分析

2.2.1生态系统服务价值的变化 由于Costanza[21]等人对全球生态系统类型的划分与本研究区土地利用类型的分类不完全一致，为了获得与不同土地利用类型相应的生态系统服务价值，本研究将Costanza[21]划分的生态系统类型与本研究区土地利用类型进行对照表4。进一步结合渭-库绿洲土地详实数据和中国不同陆地生态系统单位生态服务价值表即表2，估算本研究区在10年间不同土地利用对应的生态价值变化情况见表5，估算时将盐渍地划分在未利用地之中，建设用地的生态价值不予考虑，将其设为零[28]。

表4 与土地利用类型相对应的生态系统类型及生态价值系数Table 4 Ecosystem types corresponding to land use types and their ecological value coefficients

表5 2005—2015年渭-库绿洲生态系统服务价值变化Table 5 Change of ecosystem services value in the Ugan-Kuqa River Delta Oasis

2005—2015年间，对生态系统服务价值具体的分析如下：2005—2015年，研究区生态系统服务价值减幅最大的为水体，增幅最大的为林地。生态系统服务价值总量从2005年的3.90亿元增至2015年的5.50亿元，共增加了1.6亿元。生态系统服务价值增加的主要原因是林地面积的增加，而草地面积的减少是导致生态系统总量部分损失的一个重要原因。从表5中可以看出，未利用地的生态系统服务价值系数远小于林地、水体、耕地和草地的价值系数。由计算结果可以得出：未利用地的生态系统服务价值远小于林地、水体、草地、和耕地。结合2.1对土地利用变化情况的分析得出：由于各类土地利用类型相应的服务价值系数存在一定的差异，因此不同土地利用变化对生态系统服务价值的影响也随之出现一定的差异。

2.2.2敏感性分析 根据敏感性指数的计算公式，将各项生态系统服务价值系数上下调整50%，进一步计算出调整之后的生态系统服务价值(ecosystem services value,ESV)总量，分析其变化；与此同时计算出相应的敏感性指数(CS)，以此来分析某一种土地利用/覆盖类型的变化对生态系统服务价值变化的重要程度。

表6 调整价值系数后总生态系统服务价值的变化及敏感性指数(2005—2015年)Table 6 The total ecosystem services value and the sensitivity coefficients after adjusting value coefficients (2005—2015)

由表6可知，研究区所有不同土地利用类型的敏感性指数均小于1，由高到低依次为水体、林地、耕地、草地、未利用地。计算结果中最小值为0.004，其表明当未利用地的生态价值系数(VC)增加1%时，生态系统服务总价值只增加0.04%；最大值为0.629，说明当耕地的生态价值系数(VC)增加1%时，生态系统服务总价值只增加6.29%。数据表明：研究区生态系统服务价值(ESV)对生态价值系数(VC)是缺乏弹性的，虽然不同土地利用类型的生态价值系数具有不确定性，但是利用该系数估算研究区生态系统服务价值较为准确，结果具有稳健性。

2.2.3生态环境质量指数的变化特征 根据公式(5)，得到研究区2005年，2015年区域生态环境质量指数分别是0.38和0.43。在10年间，研究区区域生态环境指数从0.38上升至0.43，增加了0.05。根据表7的计算结果可以得出以下结论：研究区在10年间整体的生态环境质量呈现出逐年好转并上升的态势，而生态环境的稳定性基本维持。即使区域生态环境质量整体上维持这稳定的状态，但是在区域内部生态环境质量依然存在着改善和恶化两种趋势。在一定程度上两种趋势相互抵消，致使整体生态环境质量处于相对稳定的状态。

表7 2005—2015年渭-库绿洲生态环境质量指数Table 7 Variation of eco-environmental quality index in the Ugan-Kuqa River Delta Oasis in 2005—2015

表8 2005—2015导致区域生态环境改善和恶化的主要土地利用类型变化及贡献率Table 8 Major contribution rate to influence regional eco-environment in 2005—2015

由表8可得出以下结论：研究区10年期间导致区域环境质量好转的主要驱动因子是未利用地向耕地的转化和耕地向林地的转化。导致研究区环境质量恶化的主要驱动因子是林地面积的减少，即林地转换为未利用地。虽然总体上研究区区域环境质量保持着一定的稳定趋势，但是在区域环境内部生态改善与恶化两种趋势并存。

3 讨论与结论

土地利用方式作为人类利用土地各类活动的综合反映，是影响土壤质量变化最普遍、最直接、最深刻的因素，是影响陆地生态系统有效的主要因素。在干旱区生态系统中，绿洲处于较为重要的地位。渭-库绿洲是塔里木盆地北缘的具有代表性的绿洲之一，因此研究该绿洲土地利用对区域生态环境效应的影响，有利于进一步了解塔里木盆地北缘绿洲的发展与变化规律，同时有利于揭示绿洲生态稳定性的机理，促进绿洲以及干旱区经济可持续发展。本文以渭-库绿洲为研究区，在前人的研究基础上，加入对生态环境质量指数、生态环境改善和恶化贡献率、以及生态系统服务价值和敏感性指数的计算，不仅有利于对该地区生态系统资本价值量的估算，而且对其生态系统资本价值量的估算以及GDP的估算都起到了很重要的作用。

2005—2015年研究区土地面积减少的土地类型依次为有未利用地、水体和耕地。林地、草地、盐渍地则呈增加趋势，这些特征均说明在此研究时期对绿洲影响最大的因素是人类活动。土地利用变化转移过程中，草地转化为林地、耕地转化为林地变化类型分布最为广泛，其中耕地转化为林地的转换率最大，转化面积为8.01×104hm2。

对2005—2015年由渭-库绿洲土地利用变化而导致的ESV的变化进行初步探讨，得出2005—2015年间渭-库绿洲总ESV增加，增加了1.6亿元，总年变化率为3.71%。导致总ESV增加的重要因素是林地的ESV增加。

通过对研究区2005—2015年之间生态环境质量指数的计算，可以看出区域生态环境质量保持着一定程度上的相对平衡，即使内部存在生态环境改善与恶化两种趋势，但是总体来看有一定的好转，呈上升趋势，生态环境指数从0.38上升至0.43。其中，引起生态环境变化的主导因素是生态贡献率高的土地利用类型向生态贡献率低的土地利用类型的转变。

虽然研究区近10年间生态环境在一定程度上维持着相对平衡，但是不能忽略区域内部发生的局部生态环境恶化。不同土地利用方式会影响全球环境变化和社会的可持续发展，因此在土地利用过程中，当地要积极有效地调整土地利用结构和布局[29]，对致使生态环境负向发展的人类活动给予一定的限制，加强当地生态环境修复与重建的力度，同时通过生态系统的自我修复功能，从而使生态系统改善并恢复。