乌鲁木齐市土地利用/覆被变化及生态安全评价

朱亚楠,闫志明,蒲春玲,3,刘志有,4

(1.新疆农业大学 管理学院,乌鲁木齐 830052；2.新疆农业大学 MPA教育中心,乌鲁木齐 830052；3.新疆农业大学 经济社会发展研究中心,乌鲁木齐 830052；4.中国科学院 干旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室,兰州 730000)

党的十九大报告指出,要加快生态文明体制改革,着力解决突出的环境问题。土地是人类赖以生存和发展的最基本的物质保障,为人类从事一切社会经济活动提供基础场所[1-2]。随着城市化进程的不断推进,土地利用/土地覆被变化(Land Use/Land Cover Change,LUCC)的相关问题成为了国际社会关注的热点,所研究的成果对未来区域土地可持续利用起着十分重要的作用。绿洲是指位于干旱、半干旱地区拥有一定水资源,可供人类居住及生产生活的具有独特代表性的地理景观[3-4]。在经济和城市化进程快速发展的背景下,土地在不断开发和建设中容易导致土地荒漠化、绿洲退化等问题,尤其是绿洲城市土地生态脆弱的特性与城市土地大量开采和利用之间存在较大的矛盾,因此,土地生态安全问题也是当前社会亟待探索和研究的主题。对此,我国学者针对土地利用/覆被变化问题进行了大量研究,如,郭碧云等[5]运用RS和GIS技术对内蒙古农牧交错带近30年的土地利用/覆被变化及土地景观空间格局变化进行了分析,得出草地和农业用地占主导地位,人为干扰对土地利用结构起主导因素,并通过Markov模型预测该地区未来20年土地利用变化；孙晓月[6]运用“自然—经济—社会”模型选取20个指标,对黄河三角洲的土地生态安全建立评价指标体系,采用综合指数法对研究区域2005—2015年土地生态安全进行时间序列上的评价研究,通过RS和GIS相结合的技术分析,研究区土地生态安全空间格局演变情况；阿娜古丽·麦麦提依明等[7]基于移动窗口的方法对乌鲁木齐市1990—2014年建成区域景观格局变化进行分析,得出城市景观破碎化程度加剧,景观优势度逐渐减小。这些研究在一定程度上解释了城市土地利用/覆被变化规律,对城市生态安全作出了评价,但是对于绿洲城市土地利用/覆被变化规律与生态安全评价相结合的分析还存在不足。通过利用Erdas、ArcGIS等软件对绿洲区域的土地利用/覆被变化进行动态监测,以及对其土地生态安全进行科学合理的评价,对未来绿洲土地合理、可持续发展及了解其土地生态健康情况具有重要意义,可为未来土地利用规划及生态安全预警提供科学的参考依据。

乌鲁木齐市是坐落在绿洲上的城市,城市的生态环境较为脆弱。乌鲁木齐2017年入选为“城市双修”的第三批试点城市,通过对乌鲁木齐市的土地利用/覆被变化及利用熵权物元模型对乌鲁木齐市土地生态安全进行评价,揭示乌鲁木齐市1990—2017年间土地利用/覆被变化的规律、生态安全变化趋势,对解决未来城市发展过程中所带来的诸多土地生态环境问题具有重要意义。

1 研究区域及数据来源

1.1 研究区概况

乌鲁木齐地处北纬42°54′16″～44°58′16″,东经86°46′10″～88°59′48″,土地总面积为14 192.78hm2[8],是新疆维吾尔自治区的首府,是新疆的政治、经济、文化、科教和交通中心,是亚欧大陆的“桥头堡”。乌鲁木齐市位于中国西北、新疆中部、亚欧大陆腹地,地处北天山北麓、准噶尔盆地南缘,东、西、南三面环山,北部为广阔的冲积平原,地势由南向西北方向逐渐降低。乌鲁木齐市由于深居内陆,远离海洋,属于典型的温带半干旱大陆性气候,常年干燥少雨,昼夜温差较大。

1.2 数据来源与处理

通过分析乌鲁木齐市1990,2000,2010年和2017年云量低于0.5的遥感影像信息(表1),利用Erdas 9.2软件对4期遥感影像图解译分析等处理,从中提取研究所需的遥感数据。

依据国家于2007年公布的《土地利用现状分类》分类标准,结合乌鲁木齐市的实际情况,将乌鲁木齐市土地利用类型划分为以下7类:耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地,如图1、图2所示。为了保证分类结果的精确性,对4期遥感影像分类结果进行了精度检验,其Kappa系数均达到0.84以上,说明解译结果具备可靠性,可以满足本次研究的需求。

2 研究方法

2.1 土地利用/覆被变化分析

2.1.1土地利用/覆被时空变化分析

通过在ArcGIS 10.2中完成4期土地利用类型图的叠加分析,结合统计分析功能,获取1990—2017年乌鲁木齐市土地利用/覆被变化图(图1、图2)以及土地利用/覆被变化转移矩阵(具体内容在本文第3章节中展开)。基于此,对乌鲁木齐市不同时期的土地利用/覆被变化进行分析。

表1 乌鲁木齐市影像资料特征Tab.1 Urumqi image data features

图1 乌鲁木齐市1990—2000年土地利用/覆被变化图Fig.1 Land use/cover change map of Urumqi city from 1990 to 2000

图2 乌鲁木齐市2010—2017年土地利用/覆被变化图Fig.2 Land use/cover change map of Urumqi city from 2010 to 2017

2.1.2土地利用/覆被动态变化分析

土地利用/覆被动态变化可用定量模型相关要素和指标来表示,如总变化、净变化以及变化趋势、方向及状态等。计算公式如下[9]:

(1)

(2)

(3)

(ΔUin+ΔUout≠0,-1≤Ps<1)

(4)

式中:1)Nc表示为某一土地利用类型的净变化,其总变化用Tc表示；Ua为土地利用类型研究初期的面积,研究末期某种土地利用类型的面积用Ub表示。2)ΔUin指某一土地利用类型的转入面积,ΔUout指某一土地利用类型的转出面积,土地利用类型的变化趋势和状态以Ps表示。其中,如若0

对于土地利用/覆被整体变化来说。趋势指数Pt公式定义如下:

(5)

式中:ΔUin-i表示其他类型土地转为i类型土地的面积,ΔUout-i表示某土地类型转为i土地类型的面积。其中,若0

2.1.3土地利用/覆被变化程度分析

根据刘纪远等[10]所提出的综合分析法,结合乌鲁木齐市实际情况,分别将乌鲁木齐市土地利用程度划分为4个级别,第1等级为园地和水域,第2等级为耕地、林地和草地,第3等级为未利用地,第4等级为建设用地。计算公式如下:

(6)

式中:L表示为土地利用程度综合指数,Ai表示为第i级土地利用程度分级指数,Ci表示为第i级土地利用类型面积的比例。

土地利用程度变化模型计算公式如下:

(7)

式中:ΔLb-a表示为土地利用程度变化量,La与Lb表示为研究初期和研究末期的土地利用综合程度指数,R表示为土地利用程度的变化率。如果,式中的Δb-a>0或者R>0,则表示该区域土地利用正处在发展期;如果ΔLb-a<0或者R<0,则表示该区域土地利用正处于衰退期或者调整期。

2.2 土地生态安全评价的物元模型

2.2.1数据标准化处理

文章运用“最小—最大标准化”的方法对评价指标进行标准化处理,计算公式如下[11-12]:

当评价指标趋向性为正时:

(8)

当评价指标趋向性为负时:

(9)

2.2.2熵权法确定评价指标权重

熵最初是热力学名词,后又出现信息熵,用以反映不确定性的量度。熵权法确定权重的原理就是依照各项评价指标的变化水平,运用熵得出各项指标的熵权,然后运用熵权来修正各项指标的数值,用以获得更为客观准确的权重数值[13-14]。

熵权法计算过程为:xij(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n)

假设研究对象有m个评价样本,n项评价指标,原始数据矩阵可表示为R=(rij)m×n:

(10)

求取指标比重pij:

(11)

计算第j个指标的熵值ej:

(12)

计算第j个指标的熵权wj:

(13)

2.2.3熵权物元模型

物元模型是我国学者蔡文于20世纪80年代初所创立[15],物元模型对生态安全进行评价的基本步骤为:首先是要确定待评价的物元,其次是要对物元模型的经典域以及节域进行确定,再者是要确定其关联函数的关联度,最后是要对物元模型的等级进行确定。

1) 确定土地生态安全物元模型

土地生态安全物元模型表示如下:

(14)

式中:N表示为土地生态安全水平,C和V分别表现为模型的特征和特征量值。

2) 确定土地生态安全经典域和节域

构建土地生态安全物元模型经典域表示如下:

(15)

土地生态安全物元的节域矩阵表示如下:

(16)

式中:物元的经典域和节域分别为Roj和Rp,Noj表示为划分的第j个评价等级,(aoj1,boj1)和(apn,bpn)分别表示经典域和节域值的范围,p表示为物元评价的所有等级。

3) 确定土地生态安全关联函数和关联度

土地生态安全评价指标的关联函数K(x)表示如下:

其中|Xo|=|bo-ao|

(17)

(18)

(19)

式中:p(X,X0)为点X与其所对应的特征向量区间的距离；p(X,Xp)为点X与其特征向量节域的距离；X,Xo,Xp分别为待评价物元、经典域和节域的量值范围。

4) 计算出土地生态安全评价等级

待评价对象Nx第j等级的综合关联度公式如下:

(20)

Kjx=maxKj(Nx)

(21)

式中：评价指标的权重表示wi,kj(xi)表示待评价对象的关联度,Kjx表示待评价对象Nx生态安全最终属于第j等级。

3 结果与分析

3.1 土地利用/覆被变化分析

3.1.1土地利用/覆被面积变化分析

通过对乌鲁木齐市4期遥感影像的分析,1990—2017年乌鲁木齐市各类土地利用面积变化情况如表2所示。通过分析得出,乌鲁木齐市土地利用占比较大的是草地和未利用地,占比分别为56.22%和28.84%。1990—2017年耕地、林地和草地的面积有所减少,分别减少了30 870.9,9 669.24 hm2和58 065.84 hm2,其中草地面积减少的比例尤为明显。同时,园地、水域、建设用地和未利用地的面积有所增加,分别增加了455.13,1 790.46,2 7151.47 hm2和69 208.92 hm2。随着城市化进程以及经济水平不断快速发展,乌鲁木齐市的建设用地有了一定的增涨,米东区荒漠面积较大,受土地荒漠化的影响,导致未利用地面积有所增加。

3.1.2土地利用/覆被结构变化分析

对研究区土地利用/覆被面积变化分析不仅体现在不同时段土地利用/覆被面积的变化上,还体现在不同土地利用类型面积的相互转化中。通过ArcGIS软件将不同时期土地利用类型图进行叠加分析,获得如表3所示的乌鲁木齐市土地利用/覆被时空变化转移矩阵,以此分析乌鲁木齐市土地利用/覆被结构变化情况。

通过分析得出,1990—2017年乌鲁木齐市整体土地利用/覆被结构变化主要是以耕地、林地、草地类型的转出和建设用地、未利用地类型的转入为主。1990—2000年,乌鲁木齐市耕地、林地和牧草地类型的转出面积分别为11 140.2,1 402.56 hm2和12 339 hm2；建设用地和未利用地转入面积分别为8 945.46 hm2和13 027.59 hm2。2000—2010年,乌鲁木齐市耕地、林地和牧草地的转出面积分别为19 160.82,7 573.32 hm2和52 363.26 hm2；建设用地和未利用地转入面积分别为15 753.06hm2和48 164.22 hm2。2010—2017年,乌鲁木齐市耕地、林地和牧草地的转出面积分别为14 167.44,7 824.96公顷和36 567.81 hm2；建设用地和未利用地转入面积分别为11 483.19 hm2和29 382.39hm2。乌鲁木齐市土地利用类型转化主要发生在耕地与草地、建设用地与未利用地、林地与草地、草地与建设用地和未利用地、建设用地与未利用地之间相互转化,1990—2017年,耕地、林地与草地转出面积最大,转出面积分别为40 060.8,13 227.57 hm2和81 921.24 hm2。建设用地与未利用地转入面积最多,转入面积分别为30 786.84 hm2和75 324.69 hm2。

表2 1990—2017年乌鲁木齐市土地利用/覆被面积变化Tab.2 Land use/cover area change in Urumqi city from 1990 to 2017

表3 1990—2017年乌鲁木齐市土地利用/覆被结构变化转移矩阵Tab.3 Land use/cover structure change transfer matrix in Urumqi city from 1990 to 2017 hm2

乌鲁木齐市建设用地面积处于逐年增加的状态,主要是以耕地、草地和未利用地的转入为主。其中,未利用地转入面积相对较少,主要是由于乌鲁木齐市是绿洲上的城市,未利用地大多是沙漠,可利用面积相对较少。同时,未利用地面积有明显的增加,绝大部分是由耕地和草地转为未利用地。在城市快速发展的背景下,人口大量向城市流动,乌鲁木齐市对耕地和草地过度开发利用,城市生态环境较为脆弱,耕地撂荒严重,过度放牧加剧了草地的荒漠化,从而致使未利用地面积增加。总体来说,乌鲁木齐土地利用/覆被变化是以建设用地和未利用地面积增加,耕地、林地和草地面积减少为主。

3.1.3土地利用/覆被动态变化分析

由表4可知,通过对乌鲁木齐市土地利用/覆被变化趋势相关指数进行计算分析,可以看出,1990—2017年间乌鲁木齐市土地利用/覆被变化中,耕地、林地和草地呈萎缩型的变化趋势,变化趋势值分别是-0.63,-0.58和-0.55,说明其土地利用类型以单向转换为主,处于一种不平衡的状态；园地、水域、建设用地和未利用地呈扩张型的变化趋势,尤其是园地和建设用地呈单方向极不平衡的扩张态势,同时其总体变化趋势值为0.85。不难看出,乌鲁木齐市整体变化趋势处于一个极度不平衡状态。但将其分为3个不同时段,各时段总体的土地利用/覆被变化都逐渐向平衡的双向转换的趋势变化,说明近年来,乌鲁木齐市土地利用/覆被变化趋势呈良性发展状态。

表4 乌鲁木齐市土地利用/覆被变化趋势指数Tab.4 Urumqi land use/cover change trend index

注:Nc,Tc分别表示为单一土地利用类型的净变化和总变化量;Pt,Ps表示为土地利用类型的总体和单一变化趋势和状态指数。

3.1.4土地利用程度分析

由表5可知,乌鲁木齐市1990—2017年土地利用程度由226.53上升至235.08,说明随着城市的发展需求,对城市土地开发和利用程度逐渐增加,人类活动对土地生态系统影响也逐渐加深。同时,1990—2017年乌鲁木齐市土地利用程度变化量和土地利用程度变化率均大于0,说明乌鲁木齐市土地利用正处于发展期。

表5 乌鲁木齐市1990—2017年土地利用程度变化Tab.5 Land use change in Urumqi from 1990 to 2017

3.2 土地生态安全评价

3.2.1指标选择及评价指标体系构建

运用“PSR”模型构建乌鲁木齐市的评价指标体系,其数据源自《乌鲁木齐市统计年鉴》[16 ]、《乌鲁木齐市国民经济和社会发展统计公报》[16 ],同时结合《生态文明建设考核目标体系》[ 17]和《生态县、生态市、生态省建设指标》[ 18]所规定的评价土地生态安全的指标和标准,结合乌鲁木齐市的情况归纳了22项指标构建评价指标体系,具体情况如表6所示。

3.2.2确定乌鲁木齐市土地生态安全的经典域和节域

根据已有的数据资料和土地生态安全评价的可拓性,参考《生态文明建设考核目标体系》[17 ]和《生态县、生态市、生态省建设指标》[ 18]中的标准值,以及在大量相关研究的基础上,结合乌鲁木齐市实际发展状况,将乌鲁木齐市划分为4个等级,综合确定了乌鲁木齐市土地生态安全经典域矩阵,分别为R1(安全)、R2(较安全)、R3(临界安全)、R4(不安全)和节域矩阵Rp:

3.2.3确定乌鲁木齐市土地生态安全关联函数和关联度

将待评价物元输入模型公式中,即可得到相应的计算结果,根据已确定的4个年份的指标,代入到公式(17)—(19)中,可以得出各个年份相对应的评价等级的关联度。以1990年C1指标(人口密度)为例,通过数据整理得到1990年的人口密度指标值为113.19,将1990年C1(人口密度)指标值113.19代入公式,可以得出:N1=0.3404、N2=-0.3404、N3=-0.6702、N4=-0.7801,所以1990年的人口密度属于N1,安全。照此计算,可以得出各个年份各个指标的安全度,如表7所示。

表6 乌鲁木齐市土地生态安全评价指标体系及权重Tab.6 Urumqi city land ecological security evaluation index system and weight

R1=N1C1(100,120)C2(-3,0)C3(345,360)C4(1500,2000)C5(90,100)C6(130,260)C7(0,1)C8(0,2)C9(0,0.4)C10(2850,3800)C11(60,70)C12(1.5,2)C13(4.5,6)C14(40,50)C15(15,20)C16(975000,130000)C17(65,70)C18(13500,18000)C19(75,100)C20(75,100)C21(75,100)C22(0.4,0.5)

R2=N2C1(120,140)C2(0,3)C3(330,345)C4(1000,1500)C5(80,90)C6(260,390)C7(1,2)C8(2,4)C9(0.4,0.8)C10(1900,2850)C11(50,60)C12(1,1.5)C13(3,4.5)C14(30,40)C15(10,15)C16(65000,975000)C17(60,65)C18(9000,13500)C19(50,75)C20(50,75)C21(50,75)C22(0.3,0.4)

R3=N3C1(140,160)C2(3,6)C3(315,330)C4(500,1000)C5(70,80)C6(390,520)C7(2,3)C8(4,6)C9(0.8,1.2)C10(950,1900)C11(40,50)C12(0.5,1)C13(1.5,3)C14(20,30)C15(5,10)C16(32500,65000)C17(55,60)C18(4500,9000)C19(25,50)C20(25,50)C21(25,50)C22(0.2,0.3)

R4=N4C1(160,180)C2(6,9)C3(300,315)C4(0,500)C5(60,70)C6(520,650)C7(3,4)C8(6,8)C9(1.2,1.6)C10(0,950)C11(30,40)C12(0,0.5)C13(0,1.5)C14(10,20)C15(0,5)C16(0,32500)C17(50,55)C18(0,4500)C19(0,25)C20(0,25)C21(0,25)C22(0.1,0.2)

Rp=NpC1(100,180)C2(-3,9)C3(300,360)C4(0,2000)C5(60,100)C6(130,650)C7(0,4)C8(0,8)C9(0,1.6)C10(0,3800)C11(30,70)C12(0,2)C13(0,6)C14(10,50)C15(0,20)C16(0,130000)C17(50,70)C18(0,18000)C19(0,100)C20(0,100)C21(0,100)C22(0.1,0.5)

由表7可以看出,大部分评价指标生态安全程度均随时间序列有所提升,仅有K1(人口密度)、K6(单位耕地面积化肥施用量)、K7(单位耕地面积农药施用量)、K9(单位土地面积污水排放量)、K10(粮食单产)和K12(水土协调度)生态安全程度下降明显。可见,随着乌鲁木齐市近30年的城市发展过程中,城市化进程不断加快,人口不断增加,对粮食需求量增加,加大了农用化肥和农药的施用量,加上工业废水排放量的增加,对土地生态造成很大程度的影响。

3.2.4计算乌鲁木齐市土地生态安全评价等级

将表6各个指标值的权重和各个年份的关联度计算结果,代入公式(20),可以求出乌鲁木齐市所有指标的综合关联度。用公式(21)判断关联度属于的生态安全等级,结果如表8所示。

由表8可知,乌鲁木齐市整体土地生态安全程度由1990年的-0.194 7不安全程度增长到2017年的-0.113 5较安全程度,说明乌鲁木齐在城市发展的进程中,在政策大力支持下,城市生态安全程度有了一定的提升,也促进未来城市的可持续发展。

表7 1990—2017年乌鲁木齐市土地生态安全评价指标关联度Tab.7 Correlation degree of land ecological security evaluation index in Urumqi

(续表)

关联度1990年N1N2N3N4等级2000年等级2010年等级2017年等级K13-0.20180.3385-0.3308-0.5538较安全较安全较安全安全K14-0.6147-0.42200.1560-0.1189临界安全临界安全较安全安全K15-0.8045-0.7068-0.41360.4136不安全不安全临界安全安全K16-0.8813-0.8219-0.64380.3562不安全不安全临界安全安全K17-0.4093-0.11400.1477-0.3035临界安全较安全不安全安全K18-0.5746-0.36190.2762-0.1779临界安全临界安全临界安全安全K19-0.3337-0.00060.0012-0.3332临界安全安全不安全较安全K20-0.5944-0.39160.2168-0.1512临界安全较安全较安全安全K21-0.6484-0.47260.0548-0.0494临界安全较安全较安全安全K22-0.8333-0.7500-0.50000.5000不安全不安全安全较安全

表8 1990—2017年乌鲁木齐市土地生态安全评价等级Tab.8 Urumqi city land ecological safety assessment grade

4 结论与讨论

1) 1990—2017年间,乌鲁木齐市土地利用/覆被变化较明显,园地、水域、建设用地和未利用地的面积处于上升的趋势,耕地、林地和草地面积呈下降趋势,草地面积下降幅度较大,所占的比例下降4.09%。乌鲁木齐市整体土地利用/覆被变化类型以耕地、林地和草地转出和建设用地和未利用地的转入为主。1990—2017年乌鲁木齐市整体变化趋势处于一个极度不平衡状态。但将其分为3个不同时段,各时段总体的土地利用/覆被变化都逐渐向平衡的双向转换的趋势变化,说明近年来,乌鲁木齐市土地利用/覆被变化趋势呈良性发展状态,且乌鲁木齐市土地利用正处于发展期。

2) 通过运用物元模型对乌鲁木齐市土地生态安全进行评价,实证研究结果表明,乌鲁木齐市1990年土地生态安全处于不安全的状态,2000年和2010年乌鲁木齐市土地生态安全水平均处于临界安全状态,但是2017年乌鲁木齐市土地生态安全处于较安全水平。说明,自乌鲁木齐市成为“城市双修”的试点城市后,乌鲁木齐市在城市发展过程中更加注重城市环境保护和生态建设,尤其是在城市绿化覆盖率、人均公共绿地面积、污水处理率和环境保护投资方面都有显著增加。

3) 本文通过1990—2017年4个时段对乌鲁木齐市土地利用/覆被变化进行分析,并利用物元模型对乌鲁木齐市生态安全进行评价,但考虑到数据的可获取性,本文选择4个时段进行分析,并非持续性时间数据,获得的结果也具有一定的局限性。但通过4个时段对乌鲁木齐市近30年土地利用/覆被变化及生态安全进行监测和评价,对乌鲁木齐未来城市发展具有较大的参考价值。