程珍珍，張永福，2*，范小晶，2，吳 楠，2

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆烏魯木齊830046；2.新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046)

土地利用總體規(guī)劃從全局和長遠利益出發(fā)，對縣(市)域內(nèi)各類用地的結(jié)構(gòu)和布局進行調(diào)整或配置的長期計劃[1]。隨著庫車縣人口的快速增長和城市化、工業(yè)化進程的加快，干旱區(qū)綠洲土地生產(chǎn)力降低等土地生態(tài)問題凸顯。區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件與人類社會經(jīng)濟活動長期相互作用形成了縣域固有的土地利用方式。人類現(xiàn)如今面臨的許多生態(tài)環(huán)境方面的問題都與所選擇的利用土地資源的方式有關(guān)，不同的土地利用結(jié)構(gòu)和類型會直接影響縣域生態(tài)環(huán)境的安全。

庫車縣是我國向西開放的主要陸路通道，國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，庫車縣作為建設(shè)重要支點，在新疆改革發(fā)展穩(wěn)定大局中戰(zhàn)略地位和作用日益凸顯。這為庫車縣城市化、工業(yè)化進程和經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展提供了一個良好的契機。但庫車縣東南部胡楊林由于干旱影響，生長脆弱，面積逐漸減少，對綠洲生態(tài)的保護作用下降。庫車縣農(nóng)業(yè)是典型的灌溉農(nóng)業(yè)。由于自然和灌溉兩方面原因造成平原地區(qū)地下水位升高，造成局部土地次生鹽漬化。此外，由于日益增加的人口和資源壓力，使得人們過度地開發(fā)土地，在一定程度上加劇了土地的荒漠化和次生鹽漬化。

因城市發(fā)展所需進行的人為活動、各種類型的自然災(zāi)害、各種企業(yè)只注重自己的發(fā)展而不顧及對環(huán)境造成的破壞等一系列的活動都會對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響[2-5]。其影響程度、影響范圍、影響時間長短很難準確預(yù)判。不僅如此，土地利用生態(tài)影響具有空間性和累加性，這是因為土地利用的方式及其強度不同，并且這種影響以較為直觀的形式反映到土地利用生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能上[6-9]。

土地利用生態(tài)風險預(yù)測是依據(jù)縣市的土地利用總體規(guī)劃，掌握縣市的各種土地類型之間的相互轉(zhuǎn)換，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建生態(tài)風險的評價方法與評價模型，借助GIS軟件對干旱區(qū)綠洲土地生態(tài)安全進行空間研究分析，利用地統(tǒng)計學中的空間分析方法定量化地反映不同等級的生態(tài)風險區(qū)的分布和變化，從靜態(tài)的現(xiàn)狀評價轉(zhuǎn)為動態(tài)的預(yù)測，并及時采取措施，實施有效的土地生態(tài)安全規(guī)劃和保護，使得縣市有序健康的發(fā)展[10-12]。這對促進區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1研究區(qū)概況庫車縣(82°34′～84°25′E、40°49′～42°38′N)位于天山中段之南麓，塔里木盆地北緣。庫車縣地處阿克蘇地區(qū)最東部，東與巴音郭楞蒙古自治州的輪臺縣為鄰，東南與尉犁縣相接，南靠塔克拉瑪干沙漠，西南與沙雅縣相連，西以渭干河與庫車縣相接，西北與拜城縣相鄰，北部與巴音郭楞蒙古自治州和靜縣毗連。庫車縣地形北高南低，自西北向東南傾斜，最高海拔4 550 m，最低海拔922 m。庫車縣地貌可概括劃分為北部天山山地，山前沖積扇形礫石戈壁地和南部沖積平原。北部山區(qū)以林牧為主，南部平原以農(nóng)業(yè)為主。北部天山山地面積約為685 444.21 hm2；山前沖積扇形礫石戈壁地面積約為76 218.06 hm2；南部沖積平原面積約為764 839.45 hm2。南部沖積平原海拔930～1 225 m，地勢平坦，土壤肥沃，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了良好的條件。庫車縣南北長193.0 km，東西寬164.0 km，土地總面積1 452 512.91 hm2。2014年末總戶數(shù)113 688戶，農(nóng)業(yè)戶口73 475戶；總?cè)丝?88 535人，其中，城鎮(zhèn)人口163 451人，鄉(xiāng)村人口325 084人。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理以庫車縣2009和2014年的Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源(時相為植被生長茂盛的8月中旬)，其他有關(guān)數(shù)據(jù)包括庫車縣1∶5萬地形圖、庫車縣土地利用現(xiàn)狀圖、《庫車統(tǒng)計年鑒》和《庫車縣城市總體規(guī)劃(2010—2030)》，利用ENVI 4.8軟件分別對2幅遙感影像進行波段合成、輻射校正、幾何糾正、圖像整飾、投影變換、鑲嵌、特征提取等綜合處理?；谌珖恋胤诸愊到y(tǒng)及庫車縣實際的土地利用/土地覆被特征，將研究區(qū)域土地類型劃分為：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、其他用地這6種類型。通過目視解譯法對監(jiān)督分類中未達到精度的模塊進行更正。經(jīng)過檢驗，兩期的遙感影像解譯總體精度值都達到了84%以上，滿足了該研究的需要。通過對分類影像進行矢量化后導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)軟件中，并以Kappa系數(shù)作為參考指標，經(jīng)過統(tǒng)計分析和計算，最終得到土地利用結(jié)構(gòu)變化數(shù)據(jù)。

利用ArcMap 9.3軟件對兩期影像進行數(shù)據(jù)矢量化后通過統(tǒng)計分析功能和計算功能得到庫車縣土地利用/土地覆被變化數(shù)據(jù)，2015年土地利用/覆蓋情況如圖1。

圖1 2015年庫車縣土地利用/覆蓋情況Fig.1 Land use / cover situation of Kuche County in 2015

1.3研究方法

1.3.1采樣方法。采樣方式根據(jù)庫車縣土地利用類型的面積(1 452 512.91 hm2)情況，采用3 km×3 km的單元網(wǎng)格將生態(tài)風險指數(shù)進行空間化(圖2)，采用等間距系統(tǒng)采樣法，共有1 614個樣區(qū)，可以保證空間分異特征的呈現(xiàn)。每一樣區(qū)內(nèi)各個土地類型的綜合生態(tài)風險指數(shù)可以根據(jù)生態(tài)風險指數(shù)公式計算出，并以此作為樣地中心點的生態(tài)風險水平。

圖2 庫車縣生態(tài)風險樣地劃分Fig.2 Ecological risk plots in Kuche County

1.3.2生態(tài)風險指數(shù)。利用各土地要素的面積及所占總面積的比例得出庫車縣生態(tài)風險指數(shù)ERI[13-15]。通過構(gòu)造LUCC與生態(tài)風險之間的經(jīng)驗聯(lián)系，從而描述1 614個風險樣區(qū)的土地利用生態(tài)風險的相對大小，其表達式為：

(4)

式中，ERI為生態(tài)風險指數(shù)；N為土地要素的總數(shù)量；A為土地總面積；Ai為第i類土地要素的面積；Ri表示各土地要素遭遇干擾時所受到的生態(tài)損失的差別。干擾度指數(shù)Si和脆弱度指數(shù)Fi的乘積即為所求第i種土地要素所反映的損失指數(shù)Ri[16]。

(1)干擾度指數(shù)。由于不同的景觀類型在抵抗外界干擾能力、保護生物多樣性、完善生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、促進土地要素自然演替等方面的作用是有差別的[17]，所以該研究以庫車縣LUCC為依據(jù)，構(gòu)建能體現(xiàn)景觀受到外界干擾程度的指數(shù)干擾度指數(shù)Si，干擾度指數(shù)Si是通過對景觀破碎度指數(shù)Ci、景觀分離度指數(shù)Ni和景觀優(yōu)勢度指數(shù)Di三者賦權(quán)重再經(jīng)疊加后獲得的。由于不同景觀類型量綱存在差異，所以需要對分析得出的景觀破碎度指數(shù)、景觀分離度指數(shù)和景觀優(yōu)勢度指數(shù)進行歸一化處理。用a、b、c分別表示景觀類型的各指標的權(quán)重值，并且要求a+b+c=1。根據(jù)分析權(quán)衡，并綜合前人研究成果[18-19]，將0.5、0.3、0.2這3個權(quán)重值分別賦予Ci、Ni、Di。所以最終得到的表達式為[20]：

Si=0.5Ci+0.3Ni+0.2Di

(5)

(2)脆弱度指數(shù)。景觀脆弱度指數(shù)表示不同景觀類型的易損性。將各類景觀類型按照脆弱度排序后進行歸一化，即由各排序值與排序值總和之比獲得景觀脆弱度指數(shù)[21]。針對庫車縣LUCC特點，得出在該區(qū)內(nèi)的6類土地要素中脆弱度程度由高到低依次為：其他用地、水域、耕地、草地、林地、建設(shè)用地。各土地要素的脆弱度指數(shù)Fi由歸一化處理后得到。借助前人的研究成果，將歸一化的值域范圍設(shè)定為[0.1，0.9][22-23]。

1.3.3生態(tài)風險空間分析方法。區(qū)域生態(tài)風險指數(shù)是可以利用地統(tǒng)計學方法進行空間特征分析的空間變量。經(jīng)過生態(tài)風險指數(shù)系統(tǒng)采樣，利用ArcGIS 9.3中的地統(tǒng)計分析模塊，得到半變異函數(shù)[24]：

(6)

式中,y(h)為變異函數(shù)；Z(xi)，Z(xi+h)為系統(tǒng)某屬性Z在空間位置x，x+h處的值；N(h)為樣本對數(shù)；h為空間距離。在此基礎(chǔ)上，采用Ordinary Kriging模型進行表面模擬預(yù)測，并檢查模型的合理性，得到庫車縣生態(tài)風險程度空間分布圖，從中可以直觀看出研究區(qū)域內(nèi)不同等級的生態(tài)風險空間分布特征。

1.3.4生態(tài)風險分級方法。對生態(tài)風險分級的劃分主要是參考以往學者的研究結(jié)果，對庫車縣生態(tài)風險級別劃分為6類，具體劃分情況見表1。

表1 生態(tài)風險指數(shù)分級

1.3.5土地利用類型動態(tài)度變化。土地利用動態(tài)度是用來反映某一區(qū)域某一時間段內(nèi)的某一種土地利用類型的面積發(fā)生變化的一種量度[25]，是衡量土地利用動態(tài)變化過程的一個重要指標。單一土地利用動態(tài)度為：

(7)

式中，Ua、Ub分別為研究期開始和結(jié)束某一土地類型的數(shù)量；T為研究時段長。

綜合土地利用動態(tài)模型為：

(8)

式中，LUi為檢測開始時第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監(jiān)測時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型面積總和；T為研究時間段。該研究設(shè)定的研究時段為年，LC的值為土地利用類型年變化率。

2 結(jié)果與分析

2.1土地利用結(jié)構(gòu)動態(tài)變化2009—2014年，庫車縣不同的土地利用類型變化規(guī)模大小與速度都不盡相同。2009—2014年庫車縣土地利用類型變化率由大到小表現(xiàn)為：耕地、其他用地、林地、建設(shè)用地、水域、草地。5年內(nèi)，庫車縣耕地面積增加了3 094.16 hm2；林地面積增加了662.99 hm2；建設(shè)用地面積增加了6 949.25 hm2；草地面積減少了1 169.97 hm2；水域面積減少了233.86 hm2；其他用地面積減少了9 302.57 hm2。依據(jù)最新庫車縣土地利用總體規(guī)劃，與2009年相比，預(yù)計到2020年，庫車縣耕地面積減少了4 356.22 hm2；林地面積減少了286.78 hm2；草地面積減少了916.33 hm2；建設(shè)用地面積增加了562.96 hm2；水域面積增加了152.88 hm2；其他用地面積增加了4 843.49 hm2，具體見表2。2009和2014年庫車縣主要的土地利用類型分布在庫車縣的北部和東部，然而在這期間，城市建設(shè)用地面積明顯增加，生態(tài)風險程度也呈現(xiàn)由較高生態(tài)風險向高生態(tài)風險轉(zhuǎn)換的趨勢，土地利用系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

表2 庫車縣土地利用變化情況

2.2土地利用生態(tài)風險評價根據(jù)土地利用生態(tài)風險指數(shù)計算方法以及預(yù)測模型，分別計算出庫車縣2009、2014和2020年的景觀破碎度Ci、景觀分離度Ni、景觀優(yōu)勢度Di、干擾度指數(shù)Si、脆弱度指數(shù)Fi，并得出每種景觀類型的損失度指數(shù)Ri，最終計算出2009、2014和2020年的生態(tài)風險指數(shù)ERI，結(jié)果見表3。

表3 2009、2014、2020年庫車縣景觀指數(shù)

2009—2014年，6種土地利用類型中，各類型的斑塊數(shù)均呈現(xiàn)增加趨勢，共增加了6 949塊。但草地、水域、其他用地的面積不僅沒有增加，反而有所減少。其中，其他用地面積減少了9 302.57 hm2。這導(dǎo)致原本空間分布集中連片、破碎化程度低、斑塊分離程度小的地類變成小塊隨機散落的景觀類型。致使耕地景觀破碎度Ci和分離度指數(shù)Ni不斷減小，由此可知耕地的景觀破碎度加深，分離度減小。其他用地的景觀損失度Ri呈不斷增大的趨勢，主要是因為多種景觀類型都是由其他用地轉(zhuǎn)換而來的，這導(dǎo)致其他用地的面積不斷減少，斑塊支離破碎，這會引起斑塊數(shù)目快速增加。致使其景觀優(yōu)勢度Di不斷降低，景觀破碎度Ci和干擾度指數(shù)Si不斷增大，結(jié)果表明：通過加權(quán)平均的方法得到景觀損失指數(shù)中Ri，6種土地利用類型中其他用地Ri最大，草地Ri最小?？傮w來看，2009—2014年整個研究區(qū)域土地利用生態(tài)風險呈現(xiàn)升高的趨勢，土地利用生態(tài)風險指數(shù)由2009年的0.046上升到2014年的0.048。2014—2020年，建設(shè)用地與耕地的景觀破碎度Ci增加最為明顯；草地的景觀分離度Ni減少明顯；建設(shè)用地的景觀優(yōu)勢度Di降低；草地和建設(shè)用地的干擾度指數(shù)增大Si；規(guī)劃至2020年，除了草地的損失指數(shù)保持在0.007以外，其余各景觀類型的景觀損失度Ri均呈現(xiàn)增加的趨勢。

2009—2020年，庫車縣土地利用生態(tài)風險指數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。通過計算可以得到，2009、2014、2020年庫車縣生態(tài)風險指數(shù)ERI分別為 0.046、0.048、0.051。

2.3生態(tài)風險動態(tài)演變分析利用生態(tài)風險等級評價方法，對庫車縣2009、2014、2020年各景觀類型的生態(tài)風險情況進行分級，計算庫車縣2009、2014和2020年間，不同等級的生態(tài)風險占各年份區(qū)積的比例(圖3)。2009年庫車縣5個生態(tài)風險等級占庫車縣總行政面積的1.17%(低生態(tài)風險區(qū))、29.05%(較低生態(tài)風險區(qū))、45.13%(中等生態(tài)風險區(qū))、23.09%(較高生態(tài)風險區(qū))、1.56%(高生態(tài)風險區(qū))；2014年，庫車縣5個生態(tài)風險等級占庫車縣總行政面積的1.16%(低生態(tài)風險區(qū))、28.41%(較低生態(tài)風險區(qū))、45.05%(中等生態(tài)風險區(qū))、23.34%(較高生態(tài)風險區(qū))、2.03%(高生態(tài)風險區(qū))；預(yù)計到2020年，庫車縣5個生態(tài)風險等級占庫車縣總行政面積的1.17%(低生態(tài)風險區(qū))、28.74%(較低生態(tài)風險區(qū))、44.99%(中等生態(tài)風險區(qū))、23.02%(較高生態(tài)風險區(qū))、2.07%(高生態(tài)風險區(qū))。2009—2020年庫車縣生態(tài)風險空間變化分布見圖4。

圖3 不同等級的生態(tài)風險區(qū)在各年份中所占比例Fig.3 Proportions of ecological risk zones in different grades in different years

圖4 2009、2014、2020年庫車縣綜合生態(tài)風險程度空間分布Fig.4 Spatial distribution of integrated ecological risk in Kuche County in 2009，2014 and 2020

由2009、2014和2020年綜合生態(tài)風險程度空間分布圖可以發(fā)現(xiàn)，高風險區(qū)主要集中在庫車縣庫車鎮(zhèn)周圍等的建設(shè)用地分布區(qū)域；較高風險區(qū)廣泛分布在庫車縣西南部，主要的土地利用類型為耕地和林地；中等風險區(qū)則主要集中分布在庫車縣北部、東南部，主要的土地利用類型為草地；較低風險區(qū)主要分布在庫車縣中部，主要的土地利用類型為其他用地；低風險區(qū)主要集中分布于庫車縣西南部，主要的土地利用類型為水域用地?？傮w來看2009—2020年庫車縣生態(tài)風險整體趨于惡化。這個變化趨勢和前述的整個研究區(qū)的趨勢是一致的。

3 結(jié)論與討論

土地利用規(guī)劃是將縣市行政區(qū)范圍內(nèi)的各類土地利用結(jié)構(gòu)不合理的地方實施調(diào)整完善，并進行較為合理的長期布局以實現(xiàn)縣市的安全穩(wěn)定發(fā)展。各縣市應(yīng)將土地利用規(guī)劃與社會經(jīng)濟發(fā)展以及生態(tài)安全相結(jié)合，樹立正確發(fā)展觀，構(gòu)建良好的生態(tài)用地格局，提高土地利用的綜合效益。

(1)2009—2020年，庫車縣的主要景觀類型未發(fā)生較大變化，但是各要素的面積、斑塊數(shù)以及各要素占研究區(qū)的總面積比值發(fā)生了較大變化。2009—2014年，庫車縣耕地面積、建設(shè)用地出現(xiàn)較大面積的增長，耕地面積增長的主要原因是庫車縣2011、2012年實施的多個土地整治項目經(jīng)過了自治區(qū)國土資源廳的驗收，突出農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)地位，體現(xiàn)發(fā)展特色農(nóng)業(yè)的基本要求。規(guī)劃調(diào)整完善重點加強對農(nóng)業(yè)用地規(guī)模和布局的引導(dǎo)，促進糧食、飼料與養(yǎng)畜基地建設(shè)。加大特色林果業(yè)基地建設(shè)力度，便于形成規(guī)模效益；建設(shè)用地的快速擴張是因為庫車縣充分依托現(xiàn)狀城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間，保障城鎮(zhèn)重點區(qū)塊新增建設(shè)用地的需求，同時通過積極引導(dǎo)，優(yōu)化城鎮(zhèn)用地布局，提高建設(shè)用地集約利用水平。其他用地、水域和林地面積呈減少趨勢，主要原因是其他用地不斷轉(zhuǎn)化為其他土地要素?？梢婋S著人口快速增長和社會經(jīng)濟不斷的發(fā)展，人類活動對土地結(jié)構(gòu)變化的影響越來越顯著。

(2)土地利用生態(tài)風險分析是在LUCC上建立起生態(tài)風險的評價方法，并對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)進行風險評價的過程。此過程將靜態(tài)的現(xiàn)狀評價轉(zhuǎn)為動態(tài)的預(yù)測、預(yù)警，在當前生態(tài)風險評價研究的發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用。該研究利用新疆庫車縣2009—2020年土地利用類型變化數(shù)據(jù)分析了庫車縣2009和2020年的生態(tài)風險指數(shù)，研究表明庫車縣的生態(tài)風險指數(shù)由2009年的0.046增長到2014年的0.048，再增長到2020年的0.051，研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境情況趨于惡化。

(3)根據(jù)風險等級劃分和風險等級分布圖可以發(fā)現(xiàn)，庫車縣地區(qū)高風險區(qū)域增加，整體由中風險向高風險轉(zhuǎn)變。這可能是由于：首先，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，庫車縣人口增加加速，致使該縣的建設(shè)用地面積不斷擴大，尤其是近幾年庫車縣工業(yè)園區(qū)建設(shè)興起，雖然帶動了庫車縣的經(jīng)濟發(fā)展，但也引起了一系列的生態(tài)安全問題；其次，庫車縣草地和水域面積在2009—2014年呈減少的趨勢，草地和水域?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境有一定的凈化功能，其面積的減少必然會增加庫車縣的生態(tài)風險指數(shù)。

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