1990—2010年吐魯番綠洲土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價

侯君英 孫勇猛 孟優(yōu)等

摘要根據(jù)1990、1999和2010年3期遙感數(shù)據(jù)獲取吐魯番綠洲土地利用的數(shù)據(jù)，對吐魯番盆地綠洲的土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明：1990～1999年由于草地和水域的轉(zhuǎn)移面積減少的負(fù)貢獻(xiàn)，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)下降，區(qū)域環(huán)境質(zhì)量下降；1999～2010年耕地和草地轉(zhuǎn)入面積增加的貢獻(xiàn)，使區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)上升，區(qū)域環(huán)境質(zhì)量改善。近20年吐魯番綠洲土地利用的環(huán)境效應(yīng)明顯，土地利用的生態(tài)環(huán)境指數(shù)上升，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體趨勢上升，環(huán)境得到了改善。

關(guān)鍵詞LUCC；生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；吐魯番綠洲

中圖分類號S28文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）01-00327-03

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41161063，41130531）。

作者簡介侯君英（1984-），女，新疆伊犁人，碩士，從事干旱區(qū)遙感應(yīng)用研究，Email：hiyingying@foxmail.com。

收稿日期20131202土地利用/覆被變化（LUCC）是全球變化研究的熱點(diǎn)之一[1-3]，區(qū)域尺度土地利用與覆被變化可引起人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境變化，是區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的一個重要因素[4-5]。國內(nèi)外學(xué)者對區(qū)域土地利用與覆被變化與區(qū)域氣候、水文、土壤養(yǎng)分及生物多樣性等生態(tài)環(huán)境單一要素影響的研究較為廣泛[6-10]，近年來日漸豐富的土地利用生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合研究[11-13]，則更好地定量揭示了土地利用對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。綠洲作為干旱區(qū)獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，其土地利用與覆被變化對環(huán)境影響顯著[14]。研究綠洲區(qū)域土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)對綠洲可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。吐魯番綠洲分布于自然環(huán)境十分脆弱的吐魯番盆地，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人口快速增長，人地矛盾加劇，環(huán)境問題日益凸顯。因此，迫切需要對吐魯番盆地土地利用/覆被變化進(jìn)行研究并揭示其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，深入分析吐魯番環(huán)境的演變機(jī)理，以便采取合理的可持續(xù)利用和管理對策，為吐魯番可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況吐魯番深居亞歐大陸腹地，位于新疆維吾爾自治區(qū)東部，盆地主要地形為山地和平原，屬典型的大陸性暖溫帶干早荒漠氣候，夏季高溫、冬季干冷；年平均降水量不足20 mm，盆地風(fēng)災(zāi)次多強(qiáng)度大，且多沙塵暴[15-16]。吐魯番地區(qū)是我國特色林果業(yè)基地，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)為主，盆地中的綠洲分布著幾乎所有用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地。

1.2數(shù)據(jù)來源及處理該研究采用1990年landsatTM、1999年landsatETM+、2010年landsatETM等landsat系列影像數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)信息一致性均采用9月份相近日期影像。運(yùn)用ENVI4.7軟件對原始影像進(jìn)行包括輻射校正、幾何精校正、圖像剪裁、圖像增強(qiáng)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。在分類過程中根據(jù)研究實(shí)際需要及干旱區(qū)特點(diǎn)，研究區(qū)的自然、社會經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)對土地利用類型分類進(jìn)行合并處理，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地。按照上述說明通過ENVI軟件，人機(jī)交互監(jiān)督分類，獲得研究區(qū)3期土地利用類型分類圖。對其分類結(jié)果用混淆矩陣、Kappa系數(shù)進(jìn)行精度檢驗(yàn)，總體精度均大于90%符合精度要求。

1.3研究方法

1.3.1土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。運(yùn)用ENVI軟件計算土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)土地利用類型圖Aki×j與Ak+1i×j作土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，運(yùn)用地圖代數(shù)方法進(jìn)行計算，公式如下[12，17]：

式中，Ci×j為k時期到k+1時期的土地利用類型變化圖；Aki×j為k時期土地利用類型圖；Ak+1i×j為k+1時期的土地利用類型圖；i和j表示土地利用類型不同種類。此公式適合土地利用類型小于10的土地利用轉(zhuǎn)移計算。

1.3.2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。土地利用的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)可定量反映區(qū)域土地利用變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響[11，18]，其變化反應(yīng)了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化，其公式如下：

式中，LUi為t時期i土地利用類型的面積；Ci為i種土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量權(quán)重；TA為區(qū)域總面積；n是土地利用類型數(shù)。

在對土地利用類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量權(quán)重的賦值上，該研究通過各土地利用類型所對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行計算[19]。具體賦值參照張淑英測算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及謝高地對新疆生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的修正參數(shù)[20-21]，對各土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值在區(qū)間[0，1]內(nèi)進(jìn)行賦值，定義為每種地利用類型的相對生態(tài)服務(wù)價值（表1）[11，22]。

表1不同土地利用類型的相對生態(tài)服務(wù)價值

2結(jié)果與分析

2.1吐魯番綠洲土地利用變化分析通過ENVI統(tǒng)計分析，獲得吐魯番綠洲1990～2010年土地利用總體變化情況（表2）。由表2可以看出，研究區(qū)主要土地利用類型為未利用地和耕地。吐魯番綠洲土地利用/覆被結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)了干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境的特征，未利用地大量分布，綠洲幾乎承載了全部的人口和糧食生產(chǎn)，草地和林地分布于山區(qū)及荒漠邊緣，水域和建設(shè)用地相對較少。未利用地所占比例最大，1990、1999、2010年分別為86.5%、86.25%和82.35%。其次為耕地，1990、1999、2010年所占比例分別為8.33%、9.88%和12.78%。1990～1999年研究區(qū)未利用地、水體與草地的面積減少，耕地與建設(shè)用地面積增加。1999～2010年研究區(qū)未利用地、水體面積減少，耕地、建設(shè)用地與草地面積增加。且1990～1999年研究區(qū)未利用地、水體、耕地與建設(shè)用地的變化面積（共變化145.73 hm2）小于1999～2010年的變化面積（共變化411.94 hm2）。1990～2010年吐魯番綠洲未利用地減少181.21 hm2，耕地增加了195.64 hm2，草地面積增大31.34 hm2，水域面積減少62.42 hm2，建設(shè)用地增加16.18 hm2。

2.2土地利用變化轉(zhuǎn)移分析利用ENVI軟件對1990、1999、2010年3期的土地利用類型圖進(jìn)行空間分析統(tǒng)計計算，得出研究時段內(nèi)的土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣（表3、4）。由1990～1999年轉(zhuǎn)移明顯的類型為：未利用地向耕地轉(zhuǎn)移121.24 hm2，草地向未利用地轉(zhuǎn)移75.27 hm2，耕地向未利用地轉(zhuǎn)移63.41 hm2，未利用地向草地轉(zhuǎn)移53.13 hm2，水域向未利用地轉(zhuǎn)移38.30 hm2，建設(shè)用地轉(zhuǎn)移不明顯。1999～2010年轉(zhuǎn)移量占主導(dǎo)地位的是未利用地向耕地和草地轉(zhuǎn)移，共轉(zhuǎn)移306.10 hm2。其他的主要轉(zhuǎn)移類型按轉(zhuǎn)移量大小依次是：耕地向未利用地轉(zhuǎn)移60.15 hm2，草地向未利用地轉(zhuǎn)移46.77 hm2，水域向未利用地轉(zhuǎn)移39.02 hm2，未利用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移12.76 hm2。

2.3吐魯番綠洲土地利用與生態(tài)環(huán)境變化分析利用公式（2）和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計算得到吐魯番綠洲1990、1999、2010年3個時期的區(qū)域土地利用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（表5），結(jié)果分別是0.054 8、0.054 2和0.062 5，20 年間吐魯番綠洲生態(tài)環(huán)境指數(shù)經(jīng)歷了先降后升的過程，即1990～1999年吐魯番綠洲的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)下降0.000 6；1999～2010年吐魯番綠洲的生態(tài)環(huán)境指數(shù)上升0.008 3；1990～2010年生態(tài)環(huán)境指數(shù)上升0.007 7。在各土地利用類型中，耕地的生態(tài)環(huán)境指數(shù)最高，水域的生態(tài)環(huán)境指數(shù)最小，建設(shè)用地因變化及轉(zhuǎn)移數(shù)量較小，因此生態(tài)環(huán)境指數(shù)忽略不計。1990～2010年研究區(qū)各類土地利用類型的生態(tài)環(huán)境指數(shù)上升最大的是耕地，減少最多的是水域。

由表6可知，1990～2010年吐魯番綠洲總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所提高，區(qū)域生態(tài)環(huán)境維持著動態(tài)穩(wěn)定。但是總體穩(wěn)定上升并不代表各土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量都上升，總體上升的同時也分別發(fā)生著導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善和退化的土地利用類型變化，改善的趨勢大于退化的趨勢才使得總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量上升。1990～1999年各土地利用類型變化的生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)率中使得環(huán)境改善的貢獻(xiàn)因子是耕地的增大和未利用地的開墾，且耕地增大貢獻(xiàn)最多為2.87%；致使環(huán)境退化的貢獻(xiàn)因子是草地的退化和水域的萎縮，水域萎縮對生態(tài)環(huán)境退化影響較大，貢獻(xiàn)率為-0.82%。1999～2010年各土地利用類型變化的生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)率中耕地的貢獻(xiàn)率最大，為3.56%，其次草地貢獻(xiàn)率為1.02%，未利用地貢獻(xiàn)較小，為0.002 7%，這3類土地利用類型的生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)率對環(huán)境改善有貢獻(xiàn)；造成環(huán)境退化的是水域萎縮，貢獻(xiàn)率為-0.18%。可見同1990～1999年相比，1999～2010年土地利用對生態(tài)環(huán)境有積極貢獻(xiàn)的因素增多，消極貢獻(xiàn)的因素減少。吐魯番綠洲20年間雖然同時存在著生態(tài)環(huán)境改善和惡化，但經(jīng)過積極因子和消極因子的相互抵銷總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保持著一種穩(wěn)定的態(tài)勢并且整體得到上升。總之，經(jīng)過20年的發(fā)展，吐魯番綠洲的人類活動對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境的影響經(jīng)歷了消極到積極、最終整體向好的過程。

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