干旱區綠洲縣域土地利用規劃中土地生態安全預測
——以新疆阿瓦提縣為例

李 釗, 張永福, 張景路

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

干旱區綠洲縣域土地利用規劃中土地生態安全預測
——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 資源與環境科學學院, 烏魯木齊830046; 2.新疆大學 綠洲生態教育部重點實驗室, 烏魯木齊830046)

土地生態安全是土地資源可持續利用的核心和基礎。通過運用土地利用變化、生態風險空間分析方法，基于阿瓦提縣土地利用總體規劃(2010—2020年)，根據規劃基期年及期末年土地利用結構特征，測算了土地利用生態風險指數。并運用ArcGIS 10.0對生態風險采樣結果進行半變異函數分析和空間插值，分析阿瓦提縣土地利用生態風險動態演變和空間分異特征。結果表明，阿瓦提縣土地利用總體規劃對全縣土地利用空間結構進行了較大調整，阿瓦提縣土地生態風險有明顯區域性，生態安全狀況由南向北逐漸加重，且北部較高風險區域有向西北和西南方向蔓延趨勢。在未來土地利用變更中應加強生態環境保護意識，在阿瓦提綠洲構建良好的生態用地格局，提高全縣生態系統服務功能。

土地利用規劃; 土地生態風險; 空間分析; 干旱區綠洲; 阿瓦提縣

土地利用總體規劃是從全局和長遠利益出發，對區域內各類用地的結構和布局進行調整或配置的長期計劃。隨著人口的快速增長和城市化、工業化進程的推進，干旱區綠洲土地生產力降低等土地生態問題凸顯。土地生態安全是自然環境與社會經濟因素共同作用的結果，其中土地利用變化起著決定性的作用[1]。因此，在縣級土地利用規劃的基礎上，對干旱區綠洲土地生態安全進行空間研究分析，預測縣域土地生態問題，及時采取措施，實施有效的土地生態安全規劃和保護，對促進區域自然生態環境和社會經濟的協調發展有重要意義。

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，是我國西部干旱區內陸河流域典型的荒漠綠洲，也是我國生態環境變化的敏感區域及全球變化研究的關鍵區域之一[2]。阿瓦提縣主要是以綠洲農業生產為主，農業用地所占比例較大，農田生態系統雖已初步形成，但部分地區缺乏對耕地的養用結合，致使耕地產生退化現象，天然草場也由于放牧過度，使荒漠草原破壞和退化嚴重，草場生產力低下，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，生態環境脆弱，土地極易荒漠化。

1 研究對象與方法

1.1 研究區概況

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)。位于新疆維吾爾自治區西部，阿克蘇地區西南部，天山南麓，北緯39°31′—40°50′、東經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。境內地勢平坦，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，發育了阿瓦提綠洲，是主要的農業生產區；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，沖積平原上局部發育草灌叢沙包，其它地方生長茂密的胡楊林、紅柳、蘆葦等植物，是全縣的主要的林牧區，南部為沙漠地帶。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用結構變化 土地利用結構特征可以用信息熵表示，綜合反映縣域內各類土地利用類型的動態演變規律及其轉換程度的特點。Shannon信息熵[3]計算公式：

(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——土地利用結構信息熵，可說明人類活動與自然作用對土地利用系統的改造程度。根據熵值最大和最小的原理，若某一區域屬信息熵為零，說明該地區處于未開發狀態；到區域發展成熟時，各個地類趨于穩定，此時的土地利用結構信息熵最大。

1.2.2 土地利用類型動態度變化 土地利用動態度是分析土地利用動態變化過程的一個重要指標，反映的是某一地區某一時間某一土地利用類型面積發生變化的一種量度[4]。單一土地利用動態度為：

(3)

式中：Ua,Ub——研究期開始和結束時某一土地利用類型的數量；T——研究時段長。

綜合土地利用動態度為：

(4)

式中：LUi——監測開始時第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j——監測時段內第i類土地利用類型轉化為其它土地利用類型面積總和；T——時間段。當T的時段設定為年時，LC的值為土地利用類型年變化率。

1.2.3 土地生態風險指數 利用各土地利用類型的面積比重，構造各土地利用類型的生態風險指數[5](ERI),來建立土地利用類型與綜合區域生態風險之間的經驗聯系，描述綜合土地生態風險的相對大小，并通過采樣方法把土地空間利用結構轉化為空間化的生態風險變量，計算公式為：

(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風險強度參數。

1.2.4 生態風險空間分析方法 區域生態風險指數是可以利用地統計學方法進行空間特征分析的空間變量。經過生態風險指數系統采樣，利用Arcgis10.0中的Geostatistical Analyst(地統計分析模塊)，得到半變異函數[6]：

(6)

式中：r(h)——變異函數；Z(xi)、Z(xi+h)——系統某屬性Z在空間位置x，x+h處的值；N(h)——樣本對數；h——空間距離。在此基礎上，采用Ordinarykriging模型進行表面模擬預測，并檢查模型的合理性，得出研究區域生態風險程度空間分布圖，來直觀的描述阿瓦提縣生態風險空間分布狀況。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

根據阿瓦提縣土地利用總體規劃(2010—2020年)數據，選取2009年為基期年，2020年為規劃末年，阿瓦提縣土地利用結構變化如表1所示。

總體來看，本輪規劃中計劃其他農用地與未利用地所占比例有所減少，其中其他農用地減少了0.37%，比重最大，未利用地由于基數大，面積減少了5 504.6hm2；而耕地、園地、林地、水域、城鄉建設用地以及交通用地均有一定量的增長，其中城鄉建設用地增加了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年土地利用結構信息熵由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 土地利用生態安全動態演變

生態風險指數大小是相對于生態問題可能發生的綜合性概率量度，可為宏觀環境的生態保護決策提供依據。土地生態風險強度參數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、城鄉建設用地、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。根據生態風險指數公式和ArcGIS 10.0空間分析統計模塊得出阿瓦提縣及其各鄉鎮(場)2009年和2020年土地利用生態風險指數和生態風險空間分布如圖1。依據韋仕川等[9]的研究成果以及阿瓦提縣土地生態風險模擬結果，將生態風險指數分為五個等級，即Ⅰ(低風險)：0.094 93～0.121 75，Ⅱ(較低風險)：0.121 75～0.148 57，Ⅲ(中等風險)：0.148 57～0.175 39，Ⅳ(較高風險)：0.175 39～0.202 21，Ⅴ(高風險)：0.202 21～0.229 03。

圖1 阿瓦提縣各鄉鎮(場)土地利用平均生態風險空間變化分布

由測算結果可知，土地利用總體規劃中阿瓦提縣整體平均生態風險指數在2009—2020年間比較平穩，變化不大，均處于較安全水平。從圖中可以看出，阿瓦提縣各鄉鎮(場)的土地生態風險有明顯區域性，生態安全狀況由南向北逐漸加重。阿瓦提鎮位于阿瓦提縣中心城區，2009年生態風險指數為0.229 03，預計2020年降低為0.211 12，但一直處于高風險重警狀態(Ⅴ)，生態安全處于較差水平，這與阿瓦提縣城鎮化建設，中心城區范圍不斷擴張有關；阿瓦提縣屬、天豐種業有限公司以及阿克蘇監獄則一直處于低風險安全狀態，生態狀況好于其他鄉鎮(場)；在土地利用規劃中，巴格托格拉克鄉、塔木托格拉克鄉生態安全也有所好轉，這與阿瓦提縣多農業型鄉鎮，大力發展棉花生產和特色林果業密切相關；2020年拜什艾日克鎮、阿依巴格鄉生態風險指數和2009年相比增長明顯，從中等風險狀態(Ⅲ)轉變為較高風險狀態(Ⅳ)，是生態安全惡化較明顯的兩個鄉鎮，主要是在規劃中阿依巴格鄉北部區域是主要的中心城區擴展區域，多建有農副產品加工園區，而根據《阿克蘇河域阿瓦提縣境內河段的防洪工程規劃》，拜什艾日克鎮境內擬建設永久性防洪水利設施，加強防洪能力，水利設施的建設也導致生態風險指數的增長。

2.3 土地利用生態風險空間分異特征分析

利用ArcGIS 10.0中地統計分析模塊(Histogram模塊)，得出阿瓦提縣土地生態風險指數值(ERI)接近于正態分布，具有空間相關性。采用線性克里格法對阿瓦提縣生態風險空間內插，并按掩膜提取分析如圖2，結果檢驗中均值(0.003 931)、平均標準差(0.060 57)接近于零，均方根(0.027 82)、平均預測標準差(0.015 704)很小，標準均方根預測誤差(0.891 7)接近于1，檢驗結果表明誤差在允許范圍內，保證了阿瓦提縣生態風險指數的準確性和可靠性。

圖2 阿瓦提縣土地利用生態風險空間分異

從2009年和2020年土地利用生態風險空間變化分布看出，在土地利用總體規劃中，阿瓦提縣土地生態風險有傾向于惡化趨勢。雖然高風險區域有所緩解，低風險區域也得到了較好的保持，但其余各鄉鎮(場)生態風險均有加劇跡象，較高風險區蔓延的速度也很快，尤其向縣域北部及西部發展較為明顯。主要是由于在規劃中，根據阿瓦提縣各鄉鎮(場)的自然經濟和社會條件、土地資源利用現狀，結合各鄉鎮(場)土地資源利用潛力和經濟發展的方向目標，阿瓦提鎮、多浪鄉、拜什艾日克鎮、烏魯卻勒鎮和英艾日克鄉為阿瓦提縣城區未來土地利用發展的重點，中心城區的發展方向是以阿依巴格干渠為中心輻射發展，向西南和西北方向拓延，而阿瓦提縣南部鄉鎮(場)多趨向于發展成為農業型鄉鎮、農場，重點發展棉花生產和特色林果業。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、烏魯卻勒鎮南部都有大面積生態安全控制區及林業用地區，為林業生產和維護生態環境安全服務，但隨著城鎮建設發展而存在的潛在影響值得考慮，應該在生態環境尚未惡化前加大保護力度，防患于未然。

3 結論與討論

(1) 在阿瓦提縣土地利用總體規劃(2010—2020年)中，對全縣土地利用空間結構進行了比較大的調整。一是適應城市建設的發展，大幅度增加城鄉建設用地，土地利用類型更加多樣化；二是土地開發整理新增耕地2 117.5 hm2，更加確定了阿瓦提縣發展為南疆農業大縣的目標。

(2) 按阿瓦提縣土地利用總體規劃(2010—2020年)發展，2020年土地利用生態風險較2009年相比，雖全縣生態安全總體上處于安全水平，南部低風險區域生態風險在未來近十年沒有較大變化，但北部較高風險區域向西北和西南方向蔓延，對于塔里木河重要水源保護區依舊存在較大生態安全隱患。

(3) 在未來年份的土地利用變更中應注重加強生態環境保護意識，嚴格遵守阿瓦提縣三北防護林體系建設五期工程規劃(2011—2020)，對農田進行有效保護，改善南部農區的生態環境，阻止風沙對綠洲內部村莊的危害，并發展生態效益農業，建立資源節約型和環境友好型的土地利用模式，建設以集中連片的森林、草地和基本農田等為主體的國土生態安全屏障，重點保護水源地、沿江灘涂和主要河道泄洪滯洪以及自然景觀等生態敏感區，最終在阿瓦提綠洲構建良好的生態用地格局，提高全縣生態系統服務功能。

[1] 蒙吉軍,趙春紅,劉明達.基于土地利用變化的區域生態安全評價：以鄂爾多斯市為例[J].自然資源學報,2011,26(4):578-590.

[2] 劉新春,貢璐,霍文,等.阿克蘇—阿瓦提荒漠綠洲氣候變化及其對生態環境的影響[J].水土保持研究,2007,14(6):168-172.

[3] 周杜輝,王佑漢,李同昇.基于熵值函數模型的土地利用變化響應研究：以四川省閬中市為例[J].水土保持通報,2010,30(1):134-138.

[4] 謝余初,鞏杰,趙彩霞,等.干旱區綠洲土地利用變化的生態系統服務價值響應：以甘肅省金塔縣為例[J].水土保持研究,2012,19(2):165-170.

[5] 莫宏偉,任志遠.風沙過渡區土地生態價值及生態風險動態研究：以陜北神木縣為例[J].中國沙漠,2010,30(2):357-362.

[6] 韋仕川,馮科,邢云峰,等.資源型城市土地利用變化及生態安全數字模擬[J].農業工程學報,2008,24(9):64-68.

[7] 臧淑英,梁欣,張思沖.基于GIS的大慶市土地利用生態風險分析[J].自然災害學報,2005,14(4):141-145.

[8] 宮繼萍,石培基,楊雪梅.黑河中游土地生態價值及生態風險動態研究：以甘肅省民樂縣為例[J].土壤,2012,44(5):846-852.

[9] 韋仕川,吳次芳,楊楊,等.基于RS和GIS的黃河三角洲土地利用變化及生態安全研究：以東營市為例[J].水土保持學報,2008,22(1):185-189.

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

國家自然科學資助項目(40861006);新疆阿瓦提縣土地利用總體規劃修編項目

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,碩士生導師,主要從事國土資源評價方向的研究。E-mail:zyf431@sina.com

F301

：A

：1005-3409(2014)06-0148-04