李 釗, 張永福, 張景路

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊830046; 2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊830046)

干旱區(qū)綠洲縣域土地利用規(guī)劃中土地生態(tài)安全預(yù)測(cè)
——以新疆阿瓦提縣為例

李 釗1,2, 張永福1,2, 張景路1,2

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊830046; 2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊830046)

土地生態(tài)安全是土地資源可持續(xù)利用的核心和基礎(chǔ)。通過運(yùn)用土地利用變化、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分析方法，基于阿瓦提縣土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)，根據(jù)規(guī)劃基期年及期末年土地利用結(jié)構(gòu)特征，測(cè)算了土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。并運(yùn)用ArcGIS 10.0對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)采樣結(jié)果進(jìn)行半變異函數(shù)分析和空間插值，分析阿瓦提縣土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)演變和空間分異特征。結(jié)果表明，阿瓦提縣土地利用總體規(guī)劃對(duì)全縣土地利用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大調(diào)整，阿瓦提縣土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有明顯區(qū)域性，生態(tài)安全狀況由南向北逐漸加重，且北部較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域有向西北和西南方向蔓延趨勢(shì)。在未來土地利用變更中應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，在阿瓦提綠洲構(gòu)建良好的生態(tài)用地格局，提高全縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

土地利用規(guī)劃; 土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn); 空間分析; 干旱區(qū)綠洲; 阿瓦提縣

土地利用總體規(guī)劃是從全局和長遠(yuǎn)利益出發(fā)，對(duì)區(qū)域內(nèi)各類用地的結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行調(diào)整或配置的長期計(jì)劃。隨著人口的快速增長和城市化、工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，干旱區(qū)綠洲土地生產(chǎn)力降低等土地生態(tài)問題凸顯。土地生態(tài)安全是自然環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素共同作用的結(jié)果，其中土地利用變化起著決定性的作用[1]。因此，在縣級(jí)土地利用規(guī)劃的基礎(chǔ)上，對(duì)干旱區(qū)綠洲土地生態(tài)安全進(jìn)行空間研究分析，預(yù)測(cè)縣域土地生態(tài)問題，及時(shí)采取措施，實(shí)施有效的土地生態(tài)安全規(guī)劃和保護(hù)，對(duì)促進(jìn)區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展有重要意義。

阿瓦提縣所屬的阿克蘇—阿瓦提荒漠綠洲是塔里木河源流和干流上游的交接地帶，是我國西部干旱區(qū)內(nèi)陸河流域典型的荒漠綠洲，也是我國生態(tài)環(huán)境變化的敏感區(qū)域及全球變化研究的關(guān)鍵區(qū)域之一[2]。阿瓦提縣主要是以綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，農(nóng)業(yè)用地所占比例較大，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)雖已初步形成，但部分地區(qū)缺乏對(duì)耕地的養(yǎng)用結(jié)合，致使耕地產(chǎn)生退化現(xiàn)象，天然草場(chǎng)也由于放牧過度，使荒漠草原破壞和退化嚴(yán)重，草場(chǎng)生產(chǎn)力低下，北部土地的大量開墾，造成荒漠植被缺水而逐步消退或死亡；而縣域南部地區(qū)是塔克拉瑪干大沙漠西北部的一部分，占土地總面積的50%以上，地表為沙丘覆蓋，因缺乏水源供給，多為難以利用的風(fēng)沙土地。阿瓦提縣地處塔里木盆地西北緣，由于干旱少雨，生態(tài)環(huán)境脆弱，土地極易荒漠化。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿瓦提縣總面積1 301 789.45 hm2，其中地方總面積1 244 392.28 hm2(除兵團(tuán))。位于新疆維吾爾自治區(qū)西部，阿克蘇地區(qū)西南部，天山南麓，北緯39°31′—40°50′、東經(jīng)79°45′—81°05′7。東、北與阿克蘇市接壤，西與柯坪縣毗鄰，西南與巴楚縣交界，南部深入塔克拉瑪干大沙漠，接洛浦、墨玉兩縣。境內(nèi)地勢(shì)平坦，海拔高度1 020～1 064 m，由西北向東南傾斜，北部為阿克蘇河沖積扇平原，土層深厚，水資源豐富，發(fā)育了阿瓦提綠洲，是主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)；中部為沖積平原，由阿克蘇河、葉爾羌河、喀什噶爾河、和田河的河谷平原組成，多湖泊、河灣及河間洼地、梁狀高地，沖積平原上局部發(fā)育草灌叢沙包，其它地方生長茂密的胡楊林、紅柳、蘆葦?shù)戎参?，是全縣的主要的林牧區(qū)，南部為沙漠地帶。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化 土地利用結(jié)構(gòu)特征可以用信息熵表示，綜合反映縣域內(nèi)各類土地利用類型的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律及其轉(zhuǎn)換程度的特點(diǎn)。Shannon信息熵[3]計(jì)算公式：

(1)

(2)

式中：A——土地總面積；Ai——某一地類面積；Li——各地類占土地總面積的比例；H——土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，可說明人類活動(dòng)與自然作用對(duì)土地利用系統(tǒng)的改造程度。根據(jù)熵值最大和最小的原理，若某一區(qū)域?qū)傩畔㈧貫榱?，說明該地區(qū)處于未開發(fā)狀態(tài)；到區(qū)域發(fā)展成熟時(shí)，各個(gè)地類趨于穩(wěn)定，此時(shí)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵最大。

1.2.2 土地利用類型動(dòng)態(tài)度變化 土地利用動(dòng)態(tài)度是分析土地利用動(dòng)態(tài)變化過程的一個(gè)重要指標(biāo)，反映的是某一地區(qū)某一時(shí)間某一土地利用類型面積發(fā)生變化的一種量度[4]。單一土地利用動(dòng)態(tài)度為：

(3)

式中：Ua,Ub——研究期開始和結(jié)束時(shí)某一土地利用類型的數(shù)量；T——研究時(shí)段長。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為：

(4)

式中：LUi——監(jiān)測(cè)開始時(shí)第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j——監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為其它土地利用類型面積總和；T——時(shí)間段。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，LC的值為土地利用類型年變化率。

1.2.3 土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù) 利用各土地利用類型的面積比重，構(gòu)造各土地利用類型的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[5](ERI),來建立土地利用類型與綜合區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系，描述綜合土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)大小，并通過采樣方法把土地空間利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為空間化的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變量，計(jì)算公式為：

(5)

式中：Ai——第i種土地利用類型面積；A是總面積；Wi——第i種土地利用類型所反映的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度參數(shù)。

1.2.4 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分析方法 區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是可以利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行空間特征分析的空間變量。經(jīng)過生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)系統(tǒng)采樣，利用Arcgis10.0中的Geostatistical Analyst(地統(tǒng)計(jì)分析模塊)，得到半變異函數(shù)[6]：

(6)

式中：r(h)——變異函數(shù)；Z(xi)、Z(xi+h)——系統(tǒng)某屬性Z在空間位置x，x+h處的值；N(h)——樣本對(duì)數(shù)；h——空間距離。在此基礎(chǔ)上，采用Ordinarykriging模型進(jìn)行表面模擬預(yù)測(cè)，并檢查模型的合理性，得出研究區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度空間分布圖，來直觀的描述阿瓦提縣生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化分析

根據(jù)阿瓦提縣土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)數(shù)據(jù)，選取2009年為基期年，2020年為規(guī)劃末年，阿瓦提縣土地利用結(jié)構(gòu)變化如表1所示。

總體來看，本輪規(guī)劃中計(jì)劃其他農(nóng)用地與未利用地所占比例有所減少，其中其他農(nóng)用地減少了0.37%，比重最大，未利用地由于基數(shù)大，面積減少了5 504.6hm2；而耕地、園地、林地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地以及交通用地均有一定量的增長，其中城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加了2 398.25hm2，增幅為2.47%。

由表1可以看出：阿瓦提縣11a間土地利用變化速度并不快，土地利用類型年變化率為0.045%，但2009—2020年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵由1.119 20增加至1.133 54，表明阿瓦提縣各土地類型之間發(fā)展較平衡，土地利用類型趨于多樣化，土地分布的均衡度較高。

表1 2009年和2020年阿瓦提縣土地利用類型面積變化 hm2

2.2 土地利用生態(tài)安全動(dòng)態(tài)演變

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小是相對(duì)于生態(tài)問題可能發(fā)生的綜合性概率量度，可為宏觀環(huán)境的生態(tài)保護(hù)決策提供依據(jù)。土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度參數(shù)Wi的確定參考臧淑英等[7-8]的研究成果，耕地、園地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、交通用地、未利用地的Wi分別取0.140 5，0.370 5，0.027 8，0.046 3，0.057，0.249 7，0.367 6，0.109 9。根據(jù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)公式和ArcGIS 10.0空間分析統(tǒng)計(jì)模塊得出阿瓦提縣及其各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場(chǎng))2009年和2020年土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布如圖1。依據(jù)韋仕川等[9]的研究成果以及阿瓦提縣土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模擬結(jié)果，將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分為五個(gè)等級(jí)，即Ⅰ(低風(fēng)險(xiǎn))：0.094 93～0.121 75，Ⅱ(較低風(fēng)險(xiǎn))：0.121 75～0.148 57，Ⅲ(中等風(fēng)險(xiǎn))：0.148 57～0.175 39，Ⅳ(較高風(fēng)險(xiǎn))：0.175 39～0.202 21，Ⅴ(高風(fēng)險(xiǎn))：0.202 21～0.229 03。

圖1 阿瓦提縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場(chǎng))土地利用平均生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間變化分布

由測(cè)算結(jié)果可知，土地利用總體規(guī)劃中阿瓦提縣整體平均生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在2009—2020年間比較平穩(wěn)，變化不大，均處于較安全水平。從圖中可以看出，阿瓦提縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場(chǎng))的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有明顯區(qū)域性，生態(tài)安全狀況由南向北逐漸加重。阿瓦提鎮(zhèn)位于阿瓦提縣中心城區(qū)，2009年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.229 03，預(yù)計(jì)2020年降低為0.211 12，但一直處于高風(fēng)險(xiǎn)重警狀態(tài)(Ⅴ)，生態(tài)安全處于較差水平，這與阿瓦提縣城鎮(zhèn)化建設(shè)，中心城區(qū)范圍不斷擴(kuò)張有關(guān)；阿瓦提縣屬、天豐種業(yè)有限公司以及阿克蘇監(jiān)獄則一直處于低風(fēng)險(xiǎn)安全狀態(tài)，生態(tài)狀況好于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場(chǎng))；在土地利用規(guī)劃中，巴格托格拉克鄉(xiāng)、塔木托格拉克鄉(xiāng)生態(tài)安全也有所好轉(zhuǎn)，這與阿瓦提縣多農(nóng)業(yè)型鄉(xiāng)鎮(zhèn)，大力發(fā)展棉花生產(chǎn)和特色林果業(yè)密切相關(guān)；2020年拜什艾日克鎮(zhèn)、阿依巴格鄉(xiāng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和2009年相比增長明顯，從中等風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)(Ⅲ)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)(Ⅳ)，是生態(tài)安全惡化較明顯的兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，主要是在規(guī)劃中阿依巴格鄉(xiāng)北部區(qū)域是主要的中心城區(qū)擴(kuò)展區(qū)域，多建有農(nóng)副產(chǎn)品加工園區(qū)，而根據(jù)《阿克蘇河域阿瓦提縣境內(nèi)河段的防洪工程規(guī)劃》，拜什艾日克鎮(zhèn)境內(nèi)擬建設(shè)永久性防洪水利設(shè)施，加強(qiáng)防洪能力，水利設(shè)施的建設(shè)也導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的增長。

2.3 土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分異特征分析

利用ArcGIS 10.0中地統(tǒng)計(jì)分析模塊(Histogram模塊)，得出阿瓦提縣土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值(ERI)接近于正態(tài)分布，具有空間相關(guān)性。采用線性克里格法對(duì)阿瓦提縣生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間內(nèi)插，并按掩膜提取分析如圖2，結(jié)果檢驗(yàn)中均值(0.003 931)、平均標(biāo)準(zhǔn)差(0.060 57)接近于零，均方根(0.027 82)、平均預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差(0.015 704)很小，標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差(0.891 7)接近于1，檢驗(yàn)結(jié)果表明誤差在允許范圍內(nèi)，保證了阿瓦提縣生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖2 阿瓦提縣土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分異

從2009年和2020年土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間變化分布看出，在土地利用總體規(guī)劃中，阿瓦提縣土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有傾向于惡化趨勢(shì)。雖然高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域有所緩解，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域也得到了較好的保持，但其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場(chǎng))生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均有加劇跡象，較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)蔓延的速度也很快，尤其向縣域北部及西部發(fā)展較為明顯。主要是由于在規(guī)劃中，根據(jù)阿瓦提縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場(chǎng))的自然經(jīng)濟(jì)和社會(huì)條件、土地資源利用現(xiàn)狀，結(jié)合各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場(chǎng))土地資源利用潛力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向目標(biāo)，阿瓦提鎮(zhèn)、多浪鄉(xiāng)、拜什艾日克鎮(zhèn)、烏魯卻勒鎮(zhèn)和英艾日克鄉(xiāng)為阿瓦提縣城區(qū)未來土地利用發(fā)展的重點(diǎn)，中心城區(qū)的發(fā)展方向是以阿依巴格干渠為中心輻射發(fā)展，向西南和西北方向拓延，而阿瓦提縣南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場(chǎng))多趨向于發(fā)展成為農(nóng)業(yè)型鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)場(chǎng)，重點(diǎn)發(fā)展棉花生產(chǎn)和特色林果業(yè)。另外縣域南部大比例面積屬于塔克拉瑪干沙漠，因此阿瓦提縣屬、豐收三場(chǎng)、烏魯卻勒鎮(zhèn)南部都有大面積生態(tài)安全控制區(qū)及林業(yè)用地區(qū)，為林業(yè)生產(chǎn)和維護(hù)生態(tài)環(huán)境安全服務(wù)，但隨著城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展而存在的潛在影響值得考慮，應(yīng)該在生態(tài)環(huán)境尚未惡化前加大保護(hù)力度，防患于未然。

3 結(jié)論與討論

(1) 在阿瓦提縣土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)中，對(duì)全縣土地利用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較大的調(diào)整。一是適應(yīng)城市建設(shè)的發(fā)展，大幅度增加城鄉(xiāng)建設(shè)用地，土地利用類型更加多樣化；二是土地開發(fā)整理新增耕地2 117.5 hm2，更加確定了阿瓦提縣發(fā)展為南疆農(nóng)業(yè)大縣的目標(biāo)。

(2) 按阿瓦提縣土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)發(fā)展，2020年土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較2009年相比，雖全縣生態(tài)安全總體上處于安全水平，南部低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在未來近十年沒有較大變化，但北部較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域向西北和西南方向蔓延，對(duì)于塔里木河重要水源保護(hù)區(qū)依舊存在較大生態(tài)安全隱患。

(3) 在未來年份的土地利用變更中應(yīng)注重加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，嚴(yán)格遵守阿瓦提縣三北防護(hù)林體系建設(shè)五期工程規(guī)劃(2011—2020)，對(duì)農(nóng)田進(jìn)行有效保護(hù)，改善南部農(nóng)區(qū)的生態(tài)環(huán)境，阻止風(fēng)沙對(duì)綠洲內(nèi)部村莊的危害，并發(fā)展生態(tài)效益農(nóng)業(yè)，建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的土地利用模式，建設(shè)以集中連片的森林、草地和基本農(nóng)田等為主體的國土生態(tài)安全屏障，重點(diǎn)保護(hù)水源地、沿江灘涂和主要河道泄洪滯洪以及自然景觀等生態(tài)敏感區(qū)，最終在阿瓦提綠洲構(gòu)建良好的生態(tài)用地格局，提高全縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

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ForecastoftheLandEcologicalSecurityatCountyLevelintheAridOasisBasedonPlanningofLandUtilization—ACaseStudyofAwatiinXinjiang

LI Zhao1,2, ZHANG Yong-fu1,2, ZHANG Jing-lu1,2

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 2.KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

Land ecological security is the core and foundation of the sustainable use of land resources. This paper estimated ecological risk index based on the varieties of land use in the overall planning of land utilization of Awati at two time point-the base year and the end year through change of land use and the method of ecological risk spatial analysis. After samplings were carried out, the semi-varogram analysis and block Kriging were used by ArcGIS 10.0 to analyze the dynamic evolution and spatial distribution of ecological risk of the land use in Awati. The results indicated that the spatial structure of land use had been a major adjustment in the overall planning of land utilization, the spatial distribution of land ecological risk was imbalanced in Awati, ecological security was becoming more severe gradually from south to north and the area with high ecological risk had the tendency to spread from north to northwest and southwest. The change of land use in the future, ecological awareness of environmental protection should be strengthened to build an ecological land pattern in Awati oasis and improve the ecosystem services in the county.

planning of land utilization; land ecological risk; spatial analysis; arid oasis; Awati County

2014-01-10

：2014-01-27

國家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(40861006);新疆阿瓦提縣土地利用總體規(guī)劃修編項(xiàng)目

李釗(1990—),女,山東德州人,碩士,主要從事國土資源信息科技的研究。E-mail:lizhao.1990.love@163.com

張永福(1965—),男,新疆烏魯木齊人,碩士生導(dǎo)師,主要從事國土資源評(píng)價(jià)方向的研究。E-mail:zyf431@sina.com

F301

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：1005-3409(2014)06-0148-04