干旱区生态弹性度与土地利用分析

卢 航，孙桂丽，2，陆海燕，李 路，白一纯

(1.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052 ; 2.干旱区林业生态与产业技术重点实验室，乌鲁木齐 830052)

0 引言

1 材料与方法

1.1 材 料

鄯善县位于吐鲁番盆地东部。该地区的面积占全疆的2.5%达到39,800 km2。年平均气温11.3℃，年平均降水量26 mm。该县地处干旱荒漠地区，在鄯善县南部是面积1 880 km2库木塔格沙漠区。

基本影像数据共5期。包括1980年9月13日Landsat 4-5 TM影像、1990年9月24日Landsat 4-5 TM影像、1995年9月10日Landsat 4-5 TM影像、2005年9月9日Landsat 7E TM影像和2015年9月16日Landsat8影像为主。

运用ENVI4.8软件对五期的影像做前期的基本处理，基于LUCC分类体系，结合鄯善县的地表实际情况、采用目视解译的方法将鄯善县土地利用类型分为一、二级土地类型，经过对比表明，目视解译的最终数据满足研究要求[16-20]。运用ArcMap10.5软件通过多空间叠置分析获得研究期内的土地利用空间变化图，通过数据统计分析获得土地利用转移矩阵，以此对研究区土地利用变化进行分析。

1.2 方 法

1.2.1 土地利用动态变化

分析土地类型指数对土地利用变化。为了精准分析土地类型之间变化，研究区土地利用类型变化的转换特点，选取2005-2015年的土地利用类型一级分类和二级分类的之间的转换分析，林地、草地和水域对研究区生态起稳定性作用，因此选取林地、草地和水域的二级分类土地利用类型。表1

表1 土地利用变化计算公式

1.2.2 生态弹性度

随着互联网在我国大范围的普及，虽然其为酒店创造了新的销售模式和销售渠道，但是如何确定社交媒体的商业价值、如何衡量使用社交媒体的营销价值，以及如何通过社交媒体提高自身的品牌价值，一直是酒店经营者需要面对的重要问题。

生态弹性度是指生态系统抵抗外部干扰其内部保持稳定的能力[21]。生态弹性度与其稳定性呈正相关的多样性有关，使用香农多样性指数Hi，其计算公式如下：

Er为生态弹性度;Si为地物i的覆被面积占总面积的比例，Hi为多样性指数;n为地物数量;Pi为地物i的弹性分值。由于分为6种不同的土地利用类型，因此，n=6。弹性分值，依据土地覆被对生态环境的作用大小赋值。

1.2.3 土地利用生态价值

生态服务价值是指生态系统对经济社会产生的利益；区域生态服务的价值会因为区域土地利用的生态进程和服务间的相互作用产生影响。相对生态价值指数参照谢高地[22]等提出的“中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表”和刘川等[23]对新疆的生态价值当量测定，并结合实际情况进行调整确定评估。其具体计算公式如下：

EVi为生态价值指数;Si为地物i的覆被面积占总面积的比例。

1.2.4 土地利用动态预测

利用马尔可夫模型对鄯善县的土地开始动态预测，计算鄯善县2005年到2015年土地覆被类型之间的转移概率矩阵。选择2005-2015年作为预测原数据，研究时点k取1(2005)，2(2015)，3(2025)。以k=1基础数据、10 a为步长，对土地覆被进行多时段预测[24]。为确保Markov模型在对后期模拟准确度，以2005年为基础对2015年进行模拟，2015年的模拟结果与2015年分析数据相一致。

1.3 数据处理

运用ENVI4.8软件对五期的影像做前期的基本处理，基于LUCC分类体系，结合鄯善县的地表实际情况、采用目视解译的方法将鄯善县土地利用类型分为一、二级土地类型，经过对比表明，目视解译的最终数据满足研究要求[16-18]。运用ArcMap10.5软件通过多空间叠置分析获得研究期内的土地利用空间变化图，通过数据统计分析获得土地利用转移矩阵，以此对研究区土地利用变化进行分析。

2 结果与分析

2.1 土地利用时空变化

研究表明，根据研究区1980～2015年的土地利用现状，未利用地占比例最大，草地主要分布在鄯善县北部天山牧场。建筑用地以鄯善县为中点沿铁路方向扩散。研究区中部的耕地面积和草地面积互有转换，水域多位于建筑用地和耕地之间，零碎分布。图1

图1 不同时期研究区土地利用现状图

根据鄯善县的土地利用面积转换，各土地覆盖中未使用地所占总面积比例最大，均达90%以上。1980～2005年间林地面积呈持续增长，由0.13%增至0.19%，增幅达到0.06%，从2005年到2015年林地面积骤减。1995～2015年期间耕地土地面积逐年增长，耕地面积呈对号“√”型的趋势。建筑用地1980～2005年呈上升趋势占地面积仅次于耕地。水域面积由2005年的0.349 km2增加到2015年的3.682 km2。

在二级分类中，鄯善县南部的库木塔格沙漠，面积达1 880 km2是所占面积最大的未使用地。林地面积减小、除灌木林以外其他林地大部分转化为草地和未使用地，草地面积前期波动不大、后期增长。建筑用地面积转入量相对较小。2012年，全县增加对水域治理和规划修建水库，其中包括二塘沟水库和柯柯亚二库的修建，对水域生态改善效果显著。

土地利用程度指数后期增长，主要是耕地的面积增加和林地面积减少。各年份土地利用程度指数分别为108.61，108.61，108.61，109.52，111.53。表2

表2 1980～2015年鄯善县土地利用类型面积变化

2.2 土地利用速度变化

各土地利用动态变化中，五期数据的趋势指数Ps变动程度不一。耕地的Ps值在1990年之后转入量增加，后期建筑用地增长过度出现回落现象。草地和水体的土地利用类型趋势指数在1990～2005年间均为负值，土地类型大量转出。但在2005年到2015年间都有回升，水域的年均变化率达95.46%。林地变化趋势指数在长时间内基本处于稳定增长状态。在研究期内土地利用类型趋势指数整体变化不大。草地覆被以1995年为转折点，后期大量转入。表3

表3 土地利用类型变化趋势

研究表明，(1)土地利用动态变化显著，研究区的土地覆盖的年均动态变化指数为3.30%，即每年有3.30%的土地覆盖类型发生变化。土地利用动态指数变化排序是草地(盖度：中>低>高)>林地(随林地类型生长周期降低)>水域。(2)土地类型内部动态转入和转出量较高，二级分类中有林地和其他林地转出为其他一级土地利用类型面积分别为5.2和44.97 km2，除林地外的一级土地利用类型转入林地面积和其他林地分别为0.43、14.34 km2，转换不平衡。同样中、低覆盖的草地转出为面积为16.54、77.8 km2，除草地外的一级土地利用类型转为63.31、777.45 km2，在2005年后10年内草地面积增加趋势降低。(3)湖泊变化主要是未利用地的转入和部分转出为低覆盖草地，水库的变化为耕地、林地和未利用地转入。可以看出，耕地、林地和草地三者之间的转入和转出量较多。表4，表5

表4 土地利用转移矩阵

表5 土地利用转移矩阵

2.2 生态弹性变化

研究表明，根据鄯善县生态弹性强度的影响程度可分为4大类型。第1类为重要型，该类型对生态弹性度有重要影响作用，该类型的生态优势有利于生态弹性度的提升。主要土地覆盖类型为林地、水域；第2类为中间型，该类型可以有积极的助力作用，需要相对护理防止退化使研究区生态弹性度降低，主要土地覆盖类型为草地和耕地。第3类为轻威胁型，该类型对生态弹性度起边缘化效应，由于人为因素占主导、必须慎重利用和妥善管理。主要土地覆盖类型为建筑用地。第4类为威胁型，因为受研究区气候环境影响，该类型对生态弹性度造成相应负担，主要土地覆盖类型为盐碱地、裸地和荒漠等未利用地。表6

表6 鄯善县生态弹性分值

根据前文的土地利用数据为基础、利用地理数据管理软件系统，对文中图列的数据进行矢量化和数学统计，对鄯善县生态弹性分值进行分类后制表，通过公式计算得到研究区五期数据中生态弹性度变化。分析得出：(1)1980～1995年生态弹性度增长后稳定下来，三期数据表现为1.49、1.51、1.51。该时期的生态弹性度的变化幅度与土地利用类型面积净变化值的变化呈相对应关系。(2)1995～2015研究区生态弹性度出现大幅度的增涨，从2005年到2015年增加相对明显，在此期间内鄯善县生态环境抗干扰能力的增强，呈良好发展趋势。(3)2005～2015年，生态弹性度增加较快的是由于高贡献值的林地和草地面积变化。结合前文数据林地面积占比0.19%增长0.2%、虽增长相对较小，但草地面积占比扩大到8.42%，总体上提高了生态弹性度。水域面积的增加，鄯善县在2012年多处修建水库，丰富了周边生态环境。综上所述、干旱区生态弹性力是可以反映出人类活动对生态环境造成的影响。表6，表7

表7 鄯善县生态弹性度

2.3 土地利用生态价值

研究表明，从1980年的16 143.42×104元到2015年的17 522.42×104元，整体生态价值增长1 379×104元。从表中可以发现土地生态价值的变化和土地利用类型面积的变化相互对应，土地生态价值和生态弹性的年均变化幅度相对应。各土地生态价值中未使用地所占基数最大，占总价值比率达到60%。1980～2005年间林地生态价值呈持续增长，由247.69×104元增至353.89×104元，增幅达到42%，从2005年到2015年林地面积骤减导致林地生态价值下降到187.12×104元。1995～2015年期间耕地土地生态价值逐年增长，增幅达到35%。建设用地是人类活动最为强烈的地方，所具有生态系统服务功能主要是对生态环境负向影响，建筑用地1980～2005年生态价值负向上升。水域生态价值由2005年3.28×104元增加到2015年的35.47×104元，可以表现出当地对水资源保护有所提高。表8

表8 鄯善县生态系统服务价值

2.4 土地利用动态预测

(1)2015～2025年土地类型面积以转出为主：水域面积减少0.24 km2，整体变化幅度较小。未利用地面积减少792.83 km2，与2005～2015年数据同比例减少。(2)2015～2025年土地类型面积以转入为主：耕地、林地和草地面积变化与2005～2015年数据同比增加。建筑用地面积的增长幅度较大。表9

表9 运用Markov模型预测未来土地利用变化

3 讨 论

以鄯善县作为研究区域，利用遥感和地理信息技术，结合国内外相关研究对鄯善县1980～2015年近35年间土地利用进行了初步分析。首次结合生态弹性度，生态服务价值和土地利用动态预测三个方面，对研究区生态环境进行分析，并采用一、二级土地利用类型交叉转换补充说明土地转换形态。从数据分析可以看出，一级土地类型中林地面积和未利用地面积呈下降趋势，其他土地类型面积呈上升趋势，草地面积和建筑用地面积增加幅度较大。

各土地类型速度变化的主要原因：(1)耕地和建筑用地土地类型是由于城市的发展与人口的增长，导致粮食和居住环境的需求。(2)水域土地类型的改善与当地的水利建设密切相关，2012年修建的两个水库密切相关。(3)草地和林地的土地类型变化是生态评级的关键，是生态调节的结果。生态弹性度和生态服务价值从2005～2015年增加相对明显，原因是主要是草地面积占比扩大到8.42%，该区适宜于畜牧业发展，草地地和耕地土地利用类型面积净变化上升，是粮食需求驱动的结果。水库的建立后通过水渠和管道输送，低覆盖草地面积增大。植被的覆盖直接影响沙地面积的缩小，形成生态环境呈良性循环发展的趋势。

由于数据和图件限制，仅能以10年间隔来分析土地利用的发展轨迹，无法获取更短年份期间内的变化形势。今后研究中需要获取到2019年以后的土地利用动态数据,叠加生态保护措施实施后的土地利用类型面积的变化。

4 结 论

4.1 鄯善县土地利用面积变化在1980～2015年间，土地利用程度综合指数呈上升趋势。土地利用以林地面积和未利用地面积转出为主，其他土地类型面积都有转入。草地面积和建筑用地面积增加幅度较大。从各二级分类的对比中，低覆盖草地转入量最大。土地利用总体趋势与状态指数缓慢上升，鄯善县土地利用现状不稳定状态。

4.2 鄯善县生态弹性度整体呈现上升幅度且增大趋势，1980～1995年生态弹性度呈现缓慢增长变化趋势，1995～2015年研究区生态弹性度出现大幅度的增涨。

4.3 鄯善县生态价值整体增长，各土地生态价值中未使用地所占基数最大，占总价值比率达到58%。土地生态价值的变化和土地利用类型面积的变化相互对应，土地生态价值和生态弹性的年均变化幅度相对应。

4.4 以2015年为基期，应用Markov对2005年、2015年和2025年土地利用进行预测。2015～2025年，除水域和未利用地面积相对减少之外，耕地面积、林地面积、草地面积和建设用地面积在缓慢持续增加。