盖孜河流域土地利用与生态弹性演变过程研究

徐至远，周金龙

(新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

土地利用是人类凭借土地的自然属性进行生产性或非生产性活动的过程，是一定时期内对土地进行的管理应用[1-2]。土地利用变化是指不同土地利用类型间的相互转化，是生态系统功能性转变的过程，不同土地利用类型组合对生态系统的影响有所不同[3-4]。土地利用变化是一个相当复杂的过程，往往与人类活动息息相关，一定时期内土地利用的变化情况可以反映出一个区域内环境、经济和社会的发展情况[5-6]。因此，土地利用变化研究在全球环境变化研究中占有重要地位[6-7]。

目前国内外关于土地利用变化研究的内容主要涉及土地利用/覆被分类、土地利用变化格局与过程、土地利用变化驱动力及机制和土地利用变化效应等方面[8-11]。土地利用变化能够改变生态系统的结构和功能，由于生态系统各组分之间的密切联系，生态系统结构和功能的变化会导致完整地理单元中生态环境及生态系统服务价值的显著变化[12-13]。然而，目前关于土地利用时空变化特征及其生态效应的研究大都集中在某一区域或省级行政区尺度上[14]，尚缺乏对单独完整地理单元土地利用整体变化过程、规律及其生态效应方面的研究。因此，在流域这一完整地理单元尺度上研究土地利用时空变化的特征及其生态效应，不仅能加深我们对土地利用变化过程和规律的认识，还能为区域尺度生态环境的保护和恢复提供理论支撑[9,15]。

盖孜河流域处于我国西北干旱区，降水稀少，植被盖度低，风沙危害大，属于典型的生态脆弱区[16]。近年来，随着流域内人口的不断增加，推动了流域内工农业的不断发展，人类活动的增加导致流域内的土地利用类型发生了明显的变化。本研究以盖孜河流域为例，利用1990—2019年间的4期遥感影像数据，对流域内土地利用类型及生态弹性度的变化特征进行分析，以期为盖孜河流域的社会经济建设与区域资源环境的可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

盖孜河位于塔里木盆地西缘、西昆仑山西端，发源于撒里科勒斯山北麓，由木吉河、雅玛亚河于布仑口汇合而成，全长374 km，流经疏附、疏勒、岳普湖三县和农三师41、42团场。流域地势自西南向东北倾斜，分为剥蚀低山丘陵区、洪积及冲洪积倾斜平原区和冲积平原区，复杂的地貌结构形成了多样的土地利用类型(图1)。盖孜河河水主要由墓士塔格、公格尔等高山冰雪融化和泉水汇合而成，年均径流量为11.64亿m3，年均流速为36.9 m3/s，每年5—9月为汛期，12月至次年2月为枯水期。盖孜河流域年均气温约为11.5 ℃，年均降水量为162.2 mm，降水量空间分布为北部多、南部少，山区多、平原少。流域内植被稀疏，生长期较短，以一年生、多年生矮小灌木及垫状植物为主。

图1 盖孜河流域2019年土地利用现状

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用变化分析

土地利用类型变化幅度是指在一定时期内土地利用类型面积变化的幅度，它是反映土地利用类型在总量上变化情况的主要指标之一[11]。其计算公式为

Cr=(Ab-Aa)/Aa×100%

(1)

式中：Cr为研究期内土地利用类型的变化幅度；Aa为研究开始时某种土地利用类型的面积；Ab为研究结束时某种土地利用类型的面积。

1.2.2 土地利用程度变化分析

土地利用程度是指土地在人类活动干扰下被利用的广度和深度，它反映了研究区域内土地利用的集约化程度。根据土地的自然属性在人类干扰下的平衡状态情况可以将土地利用类型分为4个等级，其中等级程度越高，等级指数值越高，土地利用的集约化程度越高。一般情况下，将未利用或难利用的土地类型划为第一级，其等级指数值为1；林地、草地和水域等土地利用类型划为第二级，其等级指数值为2；耕地和建筑用地分别划为第三级和第四级，其等级指数值分别为3和4[11]。某一区域内的土地利用程度一般可用土地利用程度综合指数来表示，其计算公式为

(2)

式中：LZ为土地利用程度综合指数；Aj为第j级土地利用类型面积占研究区总面积的比例；Dj为第j级土地利用类型的等级指数值；m为土地利用程度分级数，本研究中m=4。

1.2.3 生态弹性度

生态弹性度是指生态系统受到外部干扰后维持内部稳定的能力，它能很好地反映土地利用变化引起的区域气候、土壤和生物多样性等环境因子的变化[17]。生态弹性度与多样性指数有关[9]，其计算公式为

(3)

式中：Es为生态弹性度；Si为土地利用类型i面积占研究区总面积的比例；H为香农多样性指数；n为土地利用类型数；Pi为土地利用类型i的弹性分值，本研究借鉴研究中划定的新疆干旱区各土地利用类型的生态弹性分数值，将耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用土地的弹性分值分别划定为60、90、65、87、15和0。

1.3 数据处理

本研究中1990、2000和2010年的影像数据是在地理空间数据云内下载的30 m分辨率的Landsat 8数据，2019年的影像数据是哨兵数据下载的10 m分辨率的Landsat 8数据。运用ENVI 4.8软件对4期遥感影像数据做前期的基本处理，基于LUCC分类体系，结合盖孜河流域的土地利用实际情况，采用目视解译的方法将盖孜河流域土地利用类型分为一级、二级土地类型，对比分析表明，目视解译的最终数据满足研究要求。运用ArcMap 10.5软件进行制图，并获得各土地利用类型的面积数据，以此对研究区土地利用变化进行分析。

2 结果与分析

2.1 土地利用结构分析

对盖孜河流域1990—2019年的土地利用类型结构进行整理和分析，结果见表1。从表1中可以看出：1990年盖孜河流域的土地利用类型以未利用土地和草地为主，面积占比分别为69.09%和20.55%；其次为耕地，面积占比为6.93%；林地、水域和建筑用地三种土地利用类型面积均较小，三者仅占总面积的3.44%。到2000年，流域内各土地利用类型面积变化不大。到2010年，虽然流域内土地利用类型仍然以未利用土地和草地为主，但草地面积占比有所下降，为17.54%，耕地面积明显增加，为9.61%，林地面积显著下降，仅占总面积的0.66%。到2019年，耕地面积继续增加，流域内土地利用类型除未利用土地外，耕地和草地面积占绝对优势，面积占比分别为11.73%和15.42%，建筑用地面积有所增加，达到1.31%。

表1 1990—2019年盖孜河流域土地利用类型结构特征

总的来看，盖孜河流域的未利用土地面积在研究区中占绝对优势，但近30年间面积变化不大。在各种土地利用类型中，耕地面积持续增加，尤其是在2000年后，耕地面积增加明显，从2000年的1 396.53 km2增加到2019年的2 190.59 km2，增加了794.06 km2，表明2000年后随着研究区域内人口的大量增加，人们对粮食等作物的需求增加，大量的草地和林地被开垦为农田，从而导致耕地面积迅速增加，而林地和草地面积迅速减少。2000—2019年间，林地和草地面积分别减少了85.13 km2和905.35 km2。盖孜河流域地处干旱区，农田均需要灌溉才能满足作物生长需求，耕地面积的增加导致灌溉需水量增加，加之人口增加导致的水资源不合理利用增加，引起水域面积减少，从2010年的229.18 km2减少到2019年的221.23 km2。与此同时，人口的增加也导致了城镇地区的快速发展，建筑用地面积也发生了明显变化，从2000年的214.03 km2增加到2019年的245.06 km2。

2.2 土地利用变化分析

1990—2019年间盖孜河流域各土地利用类型的变化特征见表2。从表2中可以看出，不同时期，各种土地利用类型的面积变化趋势不一，这种不同在一定程度上也反映出了不同时期人们对土地利用的差异。总的来看，近30年间流域内的土地利用方式可以分为明显的三个类型：①第一种类型为持续增长型，主要为耕地和建筑用地，1990—2019年间分别增加了69.41%(897.54 km2)和14.91%(31.80 km2)，其中耕地面积从2000年开始迅速增加，而建筑用地面积从2010年开始迅速增加。这与流域内人口的增加趋势一致，2000年后流域内人口迅速增加，对粮食的需求增加，从而导致耕地面积迅速增加，同时人口的增加和人们生活水平的提高也促进了建筑用地面积增加，更多的土地被用来建成房屋供人们居住和使用。②第二种类型为持续减少型，主要为草地，1990—2019年间草地面积减少了24.95%(957.23 km2)。其中1990—2000年间草地面积减少不多，2000年后草地面积迅速减少，2000—2010和2010—2019年间草地面积分别减少了13.44%和12.11%，这与流域内耕地的变化趋势正好相反。耕地面积的增加，必然会导致人们对其他土地利用类型的开发，而在其他土地利用类型中，草地是最适合开垦为耕地的土地利用类型，也是最容易被人们利用的土地利用类型，因此流域内草地和耕地面积呈现出截然相反的变化趋势也是显而易见的。③林地、水域和未利用土地属于第三种类型，为波动变化型。林地面积在1990—2010年持续减少，尤其是在2000—2010年间，面积急剧下降，下降幅度达到了41.48%。此时期由于林地和草地面积的迅速减少，流域生态环境有所恶化，因此人们开始反思对土地的不合理利用。同时，随着政府环境保护意识的增强，人们开始逐渐减少对林地和草地的破坏，而且在政府相关部门的支持和引导下，开始施行退耕还林还草等政策。因此，林地面积在2010—2019年间增加了1.52%。水域面积在1990—2000年间呈减少趋势，2000—2010年间增加，而2010—2019年间又呈减少趋势。盖孜河处于干旱区，降水很少，河水主要依靠高山冰雪融水和泉水汇合而成，因此气候变化尤其是温度变化对流域内水域面积的影响很大。此外，耕地面积的持续增加导致农田灌溉用水量不断增加，但是随着大田漫灌向农田滴灌的转变，也在一定程度上影响了人们的灌溉用水量，相比大田漫灌节省了部分灌溉用水，因而水域面积在近30年间发生了波动性的变化。未利用土地在1990—2019年间也呈现出先降低再增加最后再降低的趋势，但波动幅度不大。

表2 1990—2019年盖孜河流域各土地利用类型的变化特征

土地利用程度综合指数可以反映人类活动对土地的干扰程度，土地利用程度综合指数值越高，表明人类活动对土地的干扰程度越大，利用越剧烈。经计算，1990、2000、2010和2019年盖孜河流域内土地利用程度综合指数值分别为140.12、140.92、142.11和144.67，表明近30年间流域内的土地利用程度一直呈增加趋势，土地利用的集约化程度越来越高。

为了更好地分析流域内土地利用程度的变化，我们进一步分析了各种人类活动对土地利用类型利用程度指数的影响(图2)。由计算结果和图2可知，耕地和草地的利用程度指数较高，在1990年时分别为20.78和41.09。随后两种土地利用类型发生了截然相反的变化趋势。1990—2019年间草地的利用程度指数值持续下降，从1990年的41.09下降到2019年的30.84，下降了24.95%；而耕地的利用程度指数值持续上升，从1990年的20.78上升到2019年的35.20，上升了69.39%。草地和耕地利用程度指数的变化与两种土地利用类型面积的变化趋势一致，反映了近30年间人口数量的增加导致人们对流域内土地利用的程度增加。虽然流域内建筑用地的利用程度指数值低于草地和耕地，但在近30年间一直呈现出明显的增加趋势，从1990年的4.57增加到2019年的5.25，增加了14.88%，也在一定程度上反映了盖孜河流域土地利用程度的增加。林地和水域两种土地利用类型的利用程度指数较低，均在2.50以下，其变化对盖孜河流域土地利用程度综合指数的贡献不大。总的来看，近30年间盖孜河流域内土地利用程度综合指数的增加主要是耕地和建筑用地利用程度增加导致的，而草地的利用程度下降，在一定程度上减缓了流域内土地利用综合程度的增加。

图2 盖孜河流域各土地利用类型的利用程度指数

2.3 流域生态弹性变化分析

不同土地利用方式对生态弹性度的影响不同，例如林地和水域等土地利用类型有利于生态的保护和恢复，对生态弹性度的提升具有重要的影响；而建筑用地等土地利用类型主要受人为因素的影响，对生态保护和修复的影响不大，因此对生态弹性度的影响也不大。1990—2019年间盖孜河流域土地利用多样性指数和生态弹性度的变化见表3。从表3中可以看出，盖孜河流域土地利用多样性指数的变化不大，其值在0.92～0.93间波动，表明近30年间，各土地利用类型的面积虽然有所变化，但总体上并没有改变土地利用类型非均衡分布的状况。

表3 1990—2019年盖孜河流域的生态弹性度

在测定的4个年份中，盖孜河流域的生态弹性度值2000年最高，为18.38，2010年最低，仅为17.48，1990和2019年生态弹性度值居中，分别为18.11和17.64。土地利用类型面积的变化导致了盖孜河流域生态弹性度的变化。1990—2000年间，流域内的生态弹性度增加了1.48%，这主要是此段时期耕地面积的迅速增加导致的。2000—2010年间，流域内的生态弹性度下降了4.91%，这一时期虽然耕地面积增加了28.45%，但是对生态弹性度影响最大的林地面积降低了41.48%，同时草地面积也下降了13.44%，林地和草地面积的显著下降导致了这一时期生态弹性度的显著下降。2010—2019年间，流域内耕地和林地面积的增加导致了生态弹性度的增加。近30年间，虽然生态弹性度值有所波动，但总的来看，盖孜河流域内生态弹性度呈下降趋势，这种变化趋势反映出了流域内土地利用的变化情况，在一定程度上反映出了人类活动对生态环境造成的影响。

3 结论与讨论

(1)1990—2019年盖孜河流域土地利用主要以未利用土地和草地为主，其次为耕地，其他土地利用类型的面积较小。在各种土地利用类型中，耕地面积增加明显，尤其是2000年后，面积增加了794.06 km2；草地面积显著减少，近30年间减少了957.23 km2；而其他土地利用类型面积虽有变化，但幅度不大。

(2)1990—2019年流域内的土地利用类型可以分为明显的三个类型。第一种类型为持续增长型，主要为耕地和建筑用地，1990—2019年间分别增加了69.41%(897.54 km2)和14.91%(31.80 km2)；第二种类型为持续减少型，主要为草地，1990—2019年间草地面积减少了24.95%(957.23 km2)；第三种类型为波动变化型，主要为林地、水域和未利用土地三种。

(3)1990、2000、2010和2019年盖孜河流域内土地利用程度综合指数值分别为140.12、140.92、142.11和144.67，表明近30年间流域内的土地利用程度一直呈增加趋势。流域内土地利用程度综合指数的增加主要是由于耕地(69.39%)和建筑用地(14.88%)利用程度增加导致的，而草地(24.95%)的利用程度下降在一定程度上减缓了流域内土地利用综合程度的增加。

(4)盖孜河流域的生态弹性度值2000年最高，为18.38，2010年最低，仅为17.48，1990年和2019年居中，分别为18.11和17.64。近30年间，虽然生态弹性度值有所波动，但总的来看，盖孜河流域内生态弹性度呈下降趋势。