开都-孔雀河流域土地利用转型及其功能变化特征

阿迪莱·如则,阿依吐尔逊·沙木西,古丽米热·艾尔肯

(新疆农业大学 管理学院,新疆 乌鲁木齐 830052)

土地利用转型是指在一定时期内，受社会经济、自然环境、政策体系等因素影响，土地数量、质量、空间结构、产权和功能的动态演变。土地利用转型作为土地利用/覆被变化(LUCC)研究的热点和前沿[1]，最早是由英国学者Grainger[2]在研究以林业为基础的国家土地利用时首次提出来的，后来龙花楼等将这一研究方向引入中国，并丰富和完善了内涵。国内其他学者主要从土地利用/土地覆被变化的角度进行研究，结合社会经济、生态环境等方面将单一土地类型转型[3-4]转变为多种土地类型转型[5-6]。关于土地利用主导功能转型的研究，不同土地类型都具有多种功能，但始终具备主导功能。土地利用主导功能的转型是土地利用转型的体现之一，也是研究土地利用转型的重要切入点，即土地利用的生产、生态和生活(以下简称“三生用地”)三个主要功能间的转换[7]。此外，在区域社会经济发展和转型过程中，土地利用主导功能的转型导致的空气污染、水环境退化、土壤质量退化和生态系统退出等环境问题已引起了社会各界的广泛关注[8]。目前，已有关于土地利用环境效应的研究，主要从土地利用时空变化角度研究土地利用变化的环境效应,但是对流域尺度的土地利用转型和生态环境效应的研究相对缺乏。鉴于此，本研究针对地处中国西部干旱与半干旱区的开都—孔雀河流域开孔河流域(以下简称“开孔河流域”)，以1990，2000，2010和2015年的遥感解译数据为基础，对1990—2015年开孔河流域基于“三生用地”的土地利用功能结构转型、空间转型特征和生态环境效应规律进行了定量研究，揭示了土地利用转型对流域生态环境的影响，为研究区的生态环境保护和可持续发展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

开孔河流域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内(简称巴州)，地处天山南坡，塔里木盆地东北部(82°54′—90°39′E，40°25′—43°21′N)，流域总面积约5.70×104km2。开孔河流域由开都河流域，孔雀河流域和博斯腾湖共同组成[9]。其中，开都河全长560 km，孔雀河全长420 km，博斯腾湖湖水面积约为980 km。开孔河流域属中温带、暖温带大陆性气候，具有远离海洋、干旱少雨、蒸发量大、日照长、风沙较多等特点。土地利用类型主要有耕地、草地、旱地、戈壁、沙漠和盐碱地等。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用类型转移矩阵 通过分析土地利用类型转移矩阵，可以实现土地利用功能结构的转型。该方法将土地利用变化转移面积以矩阵的形式加以列出，可以综合反映不同时期土地利用的结构特征和土地利用功能类型的变化[10]。本文基于土地利用主导功能的新视角，使用ArcGIS 10.2软件对4个时期的土地利用类型数据进行交叉分析(ArcToolbox>Analysis Tools>Overlay>Intersect)，并结合Excel数据透视表进行处理，建立了1990—2015年开孔河流域土地利用类型转移矩阵。计算公式为[11]：

(1)

式中：Si为转移前的土地利用类型面积；Sj为转移后的土地利用类型面积；n土地利用类型的数量。

1.2.2 土地利用转型的生态环境效应模型

(1) 土地利用生态环境质量指数分析。综合考虑研究区三生用地所具备的生态环境质量和利用面积比例，定量评定某一区域内生态环境质量的总体状况。其表达式为[12]：

(2)

式中：EVt为区域第t时期生态环境质量指数；LUi为研究区域内第t时期第i种土地利用类型的面积；Ci为第i种土地利用类型的生态质量指数；TA为研究区域的总面积；n为该区域所具有的土地利用类型的数量。

(2) 土地利用功能转型的生态贡献率分析。土地利用功能转型的生态贡献率是指某一种土地利用类型的变化所引起的区域生态环境质量的改变。其表达式为[13]：

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

(3)

式中：LEI为土地利用功能转型的生态贡献率；LEt+1，LEt分别为变化末期和初期的土地利用类型所具有的生态环境指数；LA为该变化类型的面积；TA为研究区总面积。

1.3 数据来源与数据处理

本文使用的影像数据来源于中国地理空间数据云网站，为了确保研究区土地利用变化数据的准确性，一般选取流域丰水期和植被旺盛期(成像时间夏天8月份)且云层覆盖度小于10%的遥感影像，包括1990，2000，2010和2015年开孔河流域的Landsat TM遥感影像数据，空间分辨率为30 m。土地利用现状数据根据《土地利用现状分类标准(GB/T21010-2017)》和《中国资源环境遥感宏观调查与动态研究》中的相关标准，从土地利用的主导功能角度出发，按照三生用地分类体系，建立土地利用的“生产—生态—生活”主导功能分类体系，利用ArcGIS 10.2的地理处理功能对土地利用基础数据进行重新分类，包括9个一级土地利用类型，23个二级土地利用类型。此外，参照傅颖秀[14]和李晓文[15]的研究成果，制定不同二级地类的生态环境质量指数(详见表1)。按照各土地利用类型的功能，分为农业生产用地、林地生态用地、牧草生态用地、水域生态用地、其他生态用地和城乡生活用地。耕地的主要功能是生产功能，是保障国家食品安全的基石。因此，耕地的分类应该是生产用地；林地与草地不仅有保护生态环境的功能，同时也有发展畜牧业生产的功能。近年来，开孔河流域实施退耕还林、退耕还草及禁止放牧等措施，凸显了林地与草地的生态功能。因此，林地和草地的分类应为生态用地；水域与湿地也属于生态用地；建设用地一般情况下主要提供其生活功能，所以建设用地则被划分为生活用地；由于盐碱化地、沙漠和未利用地这3种土地类型较为特殊，本文将这3种土地利用类型归纳为生态用地中的其他生态用地(见表2)。

表1 土地利用主导功能分类及其生态环境质量指数

表2 开孔河流域三生用地功能分类

2 结果与分析

2.1 土地利用结构转型分析

2.1.1 土地利用变化分析 开孔河流域土地利用类型主要以牧草生态用地和其他生态用地为主(见表3)。土地利用总体变化趋势表现为生产用地和生活用地面积迅速增加，生态用地面积迅速减少。其中1990—2015年变化较为明显，生产用地面积从1990年的1 627.51 km2增加到2015年的4 321.9 km2，增加了2倍多；生活用地面积从1990年的292.68 km2上升至2015年的533.24 km2；而生态用地面积从1990年的41 118.04 km2减少到2015年的38 024.79 km2，缓慢减少。从1990—2000年、2000—2010年以及2010—2015年3个时期的土地利用类型变化来看，开孔河流域1990—2015年土地利用类型发生了巨大变化，农业生产用地面积大幅度增加，其次是林地生态用地、牧草生态用地、水域生态用地、其他生态用地面积有所减少，城乡生活用地面积略有增加。农业生产用地、城乡生活用地面积分别增加2 694.39，240.56 km2。林地生态用地、牧草生态用地、水域生态用地和其他生态用地面积分别减少1 253.94，1 160.25，147.68，531.38 km2。从土地利用结构转型角度看，开孔河流域牧草生态用地和其他生态用地面积最多，2015年开孔河流域牧草生态用地和其他生态用地面积分别为26 300.80和7 805.53 km2，占流域总面积的46.14%和13.69%，呈不断下降趋势。这表明开孔河流域其他生态用地无序开发为农业生产用地和城乡生活用地，造成林木减少、地下水位下降与地下水碱度增加，由于农业生产用地与城乡生活用地面积的持续增加导致农业用水和生活用水增加，过度的水资源开发利用导致开孔河流域水域面积的锐减，河流沿岸的中覆盖度草地退化为戈壁、旱地造成生态环境质量的恶化。

表3 开孔河流域1990-2015年各地类面积及其变化 km2

2.1.2 土地利用空间分布变化分析 1990—2015年开孔河流域土地格局发生了巨大变化，生态用地面积大幅度减少，生产用地面积迅速增加，生活用地面积也有所增加。生态用地主要分布在开孔河上游和静县域内、和硕县南部与尉犁县南部，生产用地主要集中在流域中游的焉耆县和库尔勒市，生活用地主要位于孔雀河中上游和库尔勒市中部。随着社会经济的发展，开孔河流域生产用地面积不断扩大到库尔勒市中南部与和硕县的南部，新增的生产用地主要以城市近郊区的生态用地占用而不断增加，流域中部其他生态用地转化为生产用地趋势很明显(见图1)。

图1 开孔河流域1990-2015年土地利用空间格局

2.1.3 土地利用功能转型分析 为探讨各土地利用类型间的转型特征，利用1990，2000，2010和2015年4个时期的土地利用现状数据，采用ArcGIS 10.2软件的空间分析功能对研究区4个时期的土地利用功能结构进行分析，获得1990—2000年、2000—2010年和2010—2015年3个时期的土地利用转移矩阵(详见表4—6)。从转移矩阵分析可知，研究区土地利用功能结构变化明显，总体来看，林地生态用地和牧草生态用地面积的迅速减少，其他生态用地、水域生态用地、农业生产用地以及城乡生活用地面积的增加。1990—2000年，研究区牧草生态用地主要转变为农业生产用地，水域生态用地和其他生态用地，转移的面积分别为1 179.29，702.81和403.56 km2，相应的转移率分别为0.31%，0.28%和0.22%；林地生态用地主要转化为农业生产用地，转化面积为241.62 km2；其他生态用地主要转换为牧草生态用地，转换面积为1 975.8 km2；城乡生活用地主要转化为其他生态用地，转化面积为365.33 km2；其他土地功能类型间的转化情况不太明显。2000—2010年，农业生产用地向林地生态用地转化的面积大幅度增加，较1990—2000年增加了436.74 km2，林地生态用地向其他各功能类型土地转化的面积大幅度下降，比1990—2000年的减少了0.15倍；牧草生态用地向农业生产用地和水域生态用地转化的面积分别为958.64和18.44 km2，比1990—2000年相比，分别减少了220.65，684.37 km2；水域生态用地主要转化为牧草生态用地，转化面积为131.27 km2。2010—2015年，农业生产用地转为林地生态用地的面积从2000—2010年的449.43 km2减少到0.00 km2；林地生态用地主要向农业生产用地转化，转化面积比2000—2010年增加了93.06 km2；牧草生态用地转化为其他各功能类型用地的面积大幅度减少，其中牧草生态用地转化为农业生产用地、林地生态用地和其他生态用地转化的面积分别减少了862.98，171.22，380.67 km2；其他生态用地主要转变为农业生产用地和林地生态用地，转移面积分别为101.84和169.37 km2，相应的转换率分别为2.37%和5.89%。

表6 开孔河流域2010-2015年各土地功能类型面积转移矩阵 km2

2.2 土地利用转型的生态环境效应

2.2.1 生态环境综合质量演变

(1) 生态环境质量指数。根据公式(2)，计算得到研究区1990，2000，2010和2015年的土地生态环境质量指数分别为0.465 4，0.456 8，0.453 9，0.455 9。由表7可知，1990—2015年开孔河流域生态环境质量总体上比较稳定，但在区域内部生态环境的改善与恶化趋势并存，其中在1990—2000年、2000—2010年2个时间段生态环境质量指数呈持续下降趋势，2010—2015年生态环境质量指数稍有增加。

表7 开孔河流域生态环境质量指数变化

(2) 生态环境质量空间格局。利用自然断点法将开孔河流域生态环境质量分为5个等级，并对流域内生态环境质量空间变化进行分析，得出1990，2000，2010和2015年4个时期的生态环境质量分布特征。从图2可知，低质量区、较低质量区和较高质量区面积约占流域总面积的80%以上，构成了研究区土地利用环境状况的主体。流域中上游地区为较高质量区，功能类型主要有牧草生态用地和其他生态用地，生态环境得到改善；中游地区为低质量区和较低质量区，生态环境质量比较稳定，但改善和恶化的趋势并存，部分牧草生态用地和水域生态用地退化为其他生态用地；下游高质量区面积逐渐减少，大量高质量区和较高质量区变为较低质量区，总体上研究区生态环境质量呈严重恶化趋势。1990—2000年，流域中游地区即为焉耆县、库尔勒市、和静县南部和博湖县生态环境质量等级下降明显，主要是由中质量区下降为较低质量区；2000—2010年，流域上游和硕县西北部分地区由较高质量区转化为中质量区和较低质量区，中游地区存在低质量区向较低质量区转移和中质量区向较低质量区转移的现象；2010—2015年，流域中游地区即库尔勒市、焉耆县等生态环境质量有明显改善，主要表现为低质量区转化为较低质量区和较低质量区转化为中质量区，究其原因在于城乡生活用地面积的减少和林地生态用地和牧草生态用地面积的增加。

图2 开孔河流域1990-2015年生态环境质量空间格局

2.2.2 土地利用转型对生态环境影响的贡献率分析 为探讨研究区生态环境内部的变化情况，根据公式(3)计算出开孔河流域1990—2015年导致生态环境改善和恶化的主要土地利用功能类型的生态贡献度详见表8—10。

表8 开孔河流域1990-2000年影响生态环境质量的主要用地转型及贡献率

由此得知，1990—2000年，研究区生态环境改善的主导因子是其他生态用地转型为城镇生活用地，生态贡献率为0.005 8，导致生态环境恶化的主导因子是水域生态用地转型为其他生态用地，生态贡献率为0.035 6。土地利用转型对生态环境改善的贡献率小于对生态环境恶化的贡献率，这表明研究区生态环境质量的恶化趋势加剧；2000—2010年，开孔河流域生态环境质量改善的主导因素是其他生态用地转型为城镇生活用地和林地生态用地，生态贡献率分别为0.327 9，0.243 3。导致生态环境质量恶化的主要原因是其他生态用地转型为其他生态用地，生态贡献率为0.208 9，占总贡献率的82.54%，生态环境改善趋势大于恶化趋势，表明研究区生态环境稍有了改善；2010—2015年研究区只存在生态环境改善趋势，导致生态环境改善的究其原因是其他生态用地转型为林地生态用地，生态贡献率为1.054 7，占总贡献率的75.4%。整体上开孔河流域生态环境存在改善和恶化2种趋势，但生态环境内部的变化维持着相对平衡。

表9 2000-2010年影响生态环境质量的主要用地转型及贡献率

表10 2010-2015年促使生态环境质量改善的主要用地转型及贡献率

3 讨论与结论

(1) 从土地利用类型的总体变化趋势来看，1990—2015年研究区生产用地和生活用地面积快速增加，而生态用地面积缩小，且在1990—2000年和2000—2010年变化最明显，2010—2015年变化相对稳定。从土地利用主导功能的二级土地类型看，农业生产用地面积明显增加，城乡生活用地面积略有增加；林地生态用地、牧草生态用地、水域生态用地和其他生态用地面积有所减少。牧草生态用地面积的减少说明研究区草地状况退化，草地质量有恶化趋势；其他生态用地面积的减少表明研究区土地荒漠化和盐碱化等趋势得到有效控制。

(2) 从土地生态环境质量角度而言，1990—2015年，开孔河流域生态环境质量总体上比较稳定，但在区域内部生态环境的改善与恶化趋势并存，1990—2000年、2000—2010年2个时间段生态环境质量指数呈持续下降趋势，2010—2015年总体生态环境质量指数稍有增加。1990—2015年，开孔河流域的生态环境质量主要以低质量区、较低质量区和高质量区为主，面积约占流域总面积的80%以上。流域中上游地区为较高质量区，中游地区为低质量和较低质量区，下游高质量区面积逐渐减少，大量高质量区和较高质量区转变为较低质量区，总体上研究区生态环境质量呈严重恶化趋势。

(3) 1990—2015年期间开孔河流域生态环境整体上存在改善和恶化2种趋势，但整体变化相对稳定。1990—2000年研究区促使生态环境改善的主导因子是其他生态用地转型为城镇生活用地，导致生态环境恶化的主导因子是水域生态用地转型为其他生态用地；2000—2010年，开孔河流域生态环境质量改善的主要原因是其他生态用地转型为林地生态用地，导致生态环境恶化的主导因子是其他生态用地转型为其他生态用地，较1990—2000年相比生态环境改善趋势大于恶化趋势；2010—2015年研究区只存在生态环境改善趋势，究其原因是其他生态用地转型为林地生态用地。

由于受遥感数据分辨率的影响，本研究仅根据三生土地利用主导功能分类，对开孔河流域土地利用类型转型进行了分析，并未进一步细化划分。然而，对于以流域为单元的研究，如果采用更详细的土地利用分类，更能保证研究成果的准确性；由于时间和条件原因，本文只选取了1990年、2000年、2010年与2015年4个时期节点，2010—2015年时间跨度较合适，数据时效性较好，但是1990—2010年，有些年份数据没有获取成功，数据时效性较差；目前，开孔河流域最大的问题是地下水大量开采造成的生态环境恶化，而本文因水资源开采量数据获取难度较大未能实现开孔河流域资源环境承载能力测算，在后期研究中可进一步验证水资源开发与生态环境变化的相关性。