喀什市土地利用變化下的生態敏感性研究

亞庫普·約麥爾, 阿里木江·卡斯木,2,*

1. 新疆師范大學地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054 2. 新疆師范大學新疆城鎮化發展研究中心, 烏魯木齊 830054

喀什市土地利用變化下的生態敏感性研究

亞庫普·約麥爾1, 阿里木江·卡斯木1,2,*

1. 新疆師范大學地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054 2. 新疆師范大學新疆城鎮化發展研究中心, 烏魯木齊 830054

亞庫普·約麥爾, 阿里木江·卡斯木. 喀什市土地利用變化下的生態敏感性研究[J]. 生態科學, 2016, 35(2): 19-25.

Yakupu Yuemaier, Alimujiang Kasimu. Ecological sensitivity analysis of land use change in Kashgar City[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 19-25.

土地利用變化是導致生態敏感性的重要因素之一, 結合生態環境和土地利用相互關系的基本框架, 運用土地利用動態度模型和地理信息系統空間分析功能, 建立土地利用變化下的生態敏感性指標體系和分級標準, 分析建設用地、林地、草地、耕地、水域、未利用地等土地利用類型的面積比例和變化過程, 對近 20年來喀什市單一土地利用動態度變化和生態敏感性程度進行了定量研究。結果表明, 1990—2010年間喀什市土地利用類型的變化較快的地類分別是草地、耕地、林地、建設用地和未利用地。其中, 林地和建設用地每年以 1.58%和 1.87%的速度在增加。草地、耕地、水域和未利用地每年以 2.42%、1.36%、1.81%和 1.04%的速度在減小。城市高敏感區和不敏感區面積由 1990年的22.79 km2、113.76 km2增加到2010年的58.40 km2和125.95 km2, 呈逐年增加的趨勢。反而中敏感區和低敏感區面積由1990年的30.21 km2、121.76 km2減小到2010年的15.54 km2、88.63 km2, 呈現逐年減小的變化特征。

土地利用變化; 生態敏感性; 喀什市; GIS

1 前言

生態敏感性是指生態系統對自然環境變化和人類活動干擾的反映程度, 說明發生區域生態環境問題的難易程度和可能性大小[1]。通過生態敏感性, 可以清楚地掌握一個地區的生態環境情況, 對不同區域的生態敏感性高低進行開發利用和保護。土地利用作為人類最基本的實踐活動, 與土地生態系統及其功能密切相關[2–3]。土地利用變化是導致生態敏感性的重要因素, 不僅體現了土地資源的數量、質量方面的特征, 還反映了土地利用格局動態[4]。城市用地的時空動態變化格局與過程是城鄉關系變化和城鄉土地利用現代化過程的主要方面之一[5]。土地利用生態敏感性分析是區域生態規劃的核心內容, 也是區域土地利用總體規劃的基礎性研究, 是評價不同的土地利用方式對區域生態環境的影響及其生態效用的主要方法[6]。研究土地利用狀況及其變化趨勢是區域生態環境狀況的綜合表現形式, 已經成為城市時空擴展過程研究的主要信息源[7]。

目前, 國外對于生態敏感性研究比較廣泛, 主要針對單一生態敏感性問題展開[8], Suffling提出了從生態敏感性到生態擾動的指標[9]、Horne研究了澳大利亞雨林對選擇性伐木的生態敏感性[10]、Rodriguez研究了大陸架生態敏感性[11]、Japtap則研究了濕地生態敏感區的海草生態系統等[12]。國內研究目前已從單一生態問題發展到生態敏感性綜合評價[13], 對生態敏感性做了大量的研究工作, 但這些研究主要集中在我國東部發達地區, 而對中國內陸特別是地處西北干旱區的研究較少。從研究尺度上看, 包含了國家、河流、省域和市域尺度; 從研究區特征和類型上看, 則涉及到干旱和半干旱區、水域、城市等,包括中國生態環境的敏感性及其區域分布規律[14]、省域尺度的生態敏感性、河流和城市范圍的生態敏感性等[15–16]。專門針對干旱地區市縣級尺度上的土地利用生態敏感性研究還未見。

本文以喀什市作為研究對象, 通過制定土地生態敏感性指標體系和分級標準分析了研究區土地利用生態敏感性特征。研究結果不僅為喀什市土地利用生態規劃和管理提供依據, 還能夠反映生態系統對土地利用變化的響應靈敏程度, 是在城市合理規劃和利用土地資源、保護城市生態環境及其安全、促進綠洲城市可持續發展等方面具有重要的參考價值和現實意義。

2 研究區概況

喀什市地處歐亞大陸中部, 帕米爾高原東北部,塔里木盆地西緣, 東經75°54′—76°10′E, 北緯39°26′—39°36′N之間(圖1), 城市總面積288.5 km2, 總人口45 萬[17]。喀什市在對外開放和西部大開發政策的大力實施下, 已成為我國與中西亞各國經濟, 文化交流的重要橋梁, 是喀什地區的政治、經濟、文化、交通中心。喀什作為連接亞歐大陸的主要載體和國際戰略通道, 與中亞、南亞, 西亞的經貿合作具有不可估量的發展潛力[18]。隨著城市化發展迅速, 人類活動日益影響和改變著喀什市土地利用結構、布局與強度。城市發展軌道與新疆其他城市相比有獨特性。區內四季分明、地形復雜、遠離海洋、空氣較干燥、屬暖溫帶大陸性干旱氣候、夏季炎熱、冬無嚴寒、氣候差異較大、光照長、降水稀少、年平均氣溫11.7 ℃、年降水量62 mm。

3 資料收集與方法

3.1 資料收集與處理

圖1 研究區示意圖Fig. 1 The map of study area

本研究選取1990年07月06日, 2000年09月11日的Landsat-TM遙感影像, 空間分辨率為30×30 m; 2010年09月24日的ALOS-AVNIR-2遙感影像, 空間分辨率為10×10 m的遙感數據。另外, 收集喀什市地形圖、行政區劃圖、植被分布圖、矢量數據、野外考察等資料。在遙感圖像處理軟件ENVI4.8的支持下剪切研究區, 經過幾何校正和輻射校正, 按最新頒發的《全國土地分類(試行)》(2002標準), 利用最大似然分類法和目視解譯結合方法, 對喀什市不同時相的3副圖像進行監督分類, 將喀什市的土地利用類型分為草地、耕地、林地、水域、建設用地、未利用地, 結合分類結果建立土地利用敏感性指標體系和分級標準獲取喀什市1990年、2000年和2010年的土地利用生態敏感性分布圖。

3.2 研究方法

3.2.1 單一土地利用動態度

土地利用動態度是土地利用數量和面積變化研究方面最常用的方法之一, 通過分析土地利用動態度可了解土地利用變化的總體趨勢和結果, 它可定量描述一定時間范圍內某一土地利用類型面積的凈變化和土地利用類型的數量變化情況[19–20], 其表達式為:

式中:S1和S2代表研究初期和末期區域某種土地利用類型面積;T為研究時段, 當T的單位為年時,K值就是該研究區某種土地利用類型的年變化率。

3.2.2 構建指標體系

土地利用是人們不同土地需用量而劃分出來的地表區域自然屬性,各種土地利用類型受人為活動干擾與自然屬性程度都不一樣。喀什市土地生態敏感性是由高程、坡度、水體、植被覆蓋度、土地利用、土壤鹽漬化、土地沙漠化等多種生態因子的共同作用下而形成, 其中土地利用對城市生態敏感性的影響和貢獻較大, 這種趨勢對喀什市土地利用生態敏感性進行分級評價和分析提供了可能, 結果參照2003年國家環保總局制定的《生態功能區劃暫行規程》附件[24]中提出的生態環境敏感性分級標準和指標體系, 對喀什市土地利用生態敏感區進行劃分,具體劃分依據如表 1 所示。

3.2.3 分級標準及方法

本研究參考相關研究結果[21–23], 遵守生態敏感性指標選取的綜合性、動態性、科學性和系統性原則的背景下, 選擇了能反映喀什市生態敏感性特征的土地利用敏感性分級標準, 詳見表 2。

以土地利用生態敏感性分級標準和指標體系為基礎,需要通過ArcGIS10.1的空間分析功能和自然間斷點分級法(Jenks)來對單因子柵格圖層分級賦值并且在ArcGIS柵格計算器的Field Calculator和Calculate Geometry模塊中對分級指標的敏感性柵格圖進行運算和面積統計, 其公式為:

式中,Ci為代表空間單元對第i項敏感性因子指數,m為第i因子的指標個數,Sk為第k項指標的敏感性空間分布。

表1 土地利用敏感性分級指標及劃分Tab. 1 Sensitivity indicators of land use classification and division

表2 喀什市土地利用敏感性分級標準Tab. 2 Ecological sensitivity standard of land use classification in Kashgar City

4 結果與分析

4.1 土地利用變化分析

4.1.1 土地利用面積變化

區域土地利用數量變化主要表現在面積變化上,面積變化先反映在不同土地利用類型的總量變化上,通過分析土地利用類型的總量變化, 可了解土地利用變化的總態勢和土地利用結構變化特征。1990年以后, 隨著西部大開發政策的落實, 使大量人口涌入城市, 人口增加帶動勞動力增長, 加之經濟飛速發展和工業局部調整。人口增加和經濟發展導致城市建設用地迅速擴展, 工農業生產和居民生活所需水量急速上升, 各種類型土地質量和面積上均發生了明顯變化。從土地利用角度來看, 喀什市主要土地利用類型是草地、耕地、林地、水域、建設用地和未利用地, 見圖(2)。

對比喀什市1990年、2000年、2010年的土地利用數據表3可知, 1990年到2010年, 喀什市土地利用變化速度較明顯。林地和建設用地從1990年的12.47 km2、18.34 km2增加到2010年的51.81 km2、50.44 km2。草地、耕地和未利用地從1990年的30.21 km2、121.76 km2、95.42 km2減小到2010年的15.54 km2、88.63 km2、75.51 km2。草地、耕地和未利用地逐步減小, 減少的耕地是將不利于耕作的土地還為林地, 還有部分減少的耕地是因為城市化進程的原因, 轉化為建設用地, 這反映了退耕還林后土地利用變化格局的總體趨勢。水域面積變化差異不大, 而林地面積呈逐步增加的趨勢, 這主要是喀什市自1990年來實施退耕還林政策的原因。

4.1.2 單一土地利用類型動態變化

由于土地利用調查數據受到人為因素的影響,而且遙感數據更為客觀, 為準確地了解喀什市土地利用類型的變化情況, 對1990、2000、2010年的遙感影像進行解譯, 利用單一土地利用動態變化度對每一種土地利用類型的變化情況進行定量描述, 反映在一定時間范圍內研究區域某種土地利用類型的數量變化情況[25–27]。如圖(3)所示, 1990年到2010年間, 由于喀什地區倡導農業結構調整和城市綠化,耕地還林工程, 城市耕地面積每年以1.36%的速度在減小, 林地面積每年以1.58%的速度在增加。

土地利用變化速度來看, 喀什市土地利用類型變化較快的地類是草地、耕地、林地、建設用地和未利用地。其中, 林地和建設用地每年以1.58%和1.87%的速度在增加。草地、耕地、水域和未利用地地每年以2.42%、1.36%、1.81%和1.04%的速度在減小, 呈現逐年減小的趨勢。

圖2 喀什市1990-2010年土地利用現狀圖Fig. 2 Current land use map of Kashgar City from 1990 to 2010

表3 喀什市土地利用類型變化幅度Tab. 3 The magnitude of land use changes in Kashgar City

圖3 喀什市土地利用類型動態度Fig. 3 The dynamic degree of land use types in Kashgar City

4.2 土地利用變化的生態敏感區分析

根據研究區實際情況和敏感性因子分級標準,以土地利用類型選取為敏感性分析的主要因子, 使其敏感性等級劃分為高敏感、中敏感、低敏感和不敏感等4個類型, 最后以劃分出來的生態敏感性分布圖來進行系統分析(圖4)。

4.2.1 高度敏感區分析

高度敏感區是土地利用變化生態敏感性程度高的區域, 該區域生態系統受土地利用變化的影響最大。從空間分布來看, 喀什市生態敏感性程度高區是以林地和水域為主, 分布在荒地鄉西北部、喀什市南部、多來特巴格鄉東南部、乃則爾巴格鄉東北部。如圖(4)所示, 1990年生態高敏感區面積最小, 占敏感區總面積的7.90%。敏感區面積從1990年的22.79 km2增加到2010年的58.40 km2, 占敏感區總面積的7.9%和20.24%, 其面積變化與林地和水域面積的變化程度有關。該類型區域生態系統服務功能價值大, 由于人類活動的強烈干擾, 生態環境很敏感。

4.2.2 中度敏感區分析

中度敏感區指敏感性程度中的區域, 主要分布在浩罕鄉東北部、多來特巴格鄉南部、荒地鄉東北部、色滿鄉西部。敏感區面積以草地為主, 所以其面積由1990年的30.21 km2減小到2010年的15.54 km2。生態系統服務功能好, 生態環境恢復能力弱, 是容易受到城鎮建設, 公路建設等人類活動較強的干擾,其生態環境較敏感, 強調相對集中而整體分散的發展模式。

4.2.3 低度敏感區分析

低度敏感區主要分布在多來特巴格鄉東南部、浩罕鄉東北部和東南部、色滿鄉西北部、喀什市東部、乃則爾巴格鄉北部。1990年生態低敏感區面積最大,占敏感區總面積的42.20%。生態低敏感區以耕地為主, 所以敏感區面積由1990年的121.76 km2減小到2010年的88.63 km2, 是耕地還林等政策的影響下產生此種趨勢。該區域的地勢比較低, 生態環境具有較好的自我恢復能力, 敏感性程度總體上處于良好狀態。

圖4 1990-2010年喀什市土地利用的生態敏感性分布圖Fig. 4 Distributions ecological sensitivity area of land use changes in Kashgar City from 1990 to 2010

圖5 1990-2010年喀什市土地利用變化的生態敏感性面積Fig. 5 Ecological sensitivity area of land use changes in Kashgar City from 1990 to 2010

4.2.4 不敏感區分析

不敏感區主要是指生態敏感性程度低的區域,分布在荒地鄉東北部和乃則爾巴格鄉北部和西北部、喀什市和怕哈太克里鄉南部、色滿鄉西部、多來特巴格鄉東北和東南區域, 是自然生態系統轉變為人工生態系統的區域。該區域的土地利用類型主要是以建設用地和未利用地為主, 所以區域面積由1990年的113.76 km2增加到2010年的125.95 km2,成敏感區面積最大的區域, 分別占研究區總面積的39.43%和43.65%。生態敏感性處于平衡狀態, 從生態環境保護角度來看, 適合城市的發展, 土地比較分散。

5 討論與結論

在不同研究時段城市土地敏感區面積和比例各不相同, 土地生態敏感性結果顯示, 1990年面積低敏感區面積最大, 高敏感區面積最小, 分別占研究區總面積的42.20%和7.90%。集中分布于喀什市中部和東南部、色滿鄉東部, 到2000低敏感區面積減小,高敏感區面積繼續增加, 占研究區總面積的38.28% 和13.42%。2010年低敏感區面積繼續減小, 高敏感區和不敏感區面積呈繼續增加趨勢, 不敏感區最大面積占敏感區總面積的43.65%, 而中敏感區面積最小。敏感性程度高的區域面積和比例均最小, 生態敏感性程度中等的區域面積和比例次之, 敏感性程度低的區域面積和比例較高。

總之, 喀什市土地生態敏感性區域主要分布在生態系統服務功能較好, 受人類活動干擾強的區域。通過對生態服務功能研究可找出城市區域生態系統敏感性, 可發現城市生態系統敏感性空間分布特征。開展土地利用生態敏感性評估, 使城市生態敏感性分析在理論與實踐上得到了進一步的發展,對城市生態系統敏感性評價, 分析和研究方面具有重要意義。因此, 喀什市在城市建設用地布局, 城市環境優化和保護等方面要充分考慮城市土地生態敏感性程度, 范圍和生態系統服務功能價值和指數。加強區域植被重建, 實施退耕還林和退耕還草政策,減輕人類對土地生態環境的壓力, 在保證城市生態系統自然環境的條件下嚴格控制城市及城鎮建設用地的開發, 不宜做大面積建設用地, 注意保持良好的自然環境, 注重控制生態敏感區域, 防止因過度開發用地而破壞該區域的水源保護地, 合理規劃與開發城市土地, 避免在敏感區內造成嚴重干擾與破壞。

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Ecological sensitivity analysis of land use change in Kashgar City

Yakupu Yuemaier1, Alimujiang Kasimu1,2,*
1.Institute of Geographical Sciences and Tourism,Xinjiang Normal University,Urumqi830054,China2.Center of Xinjiang Urbanization Development Study,Xinjiang Normal University,Urumqi830054,China

Land use change is one of the important factors leading to ecological sensitivity. This paper quantitatively researches the degree and extent of the ecological sensitivity and analyzes the single land use dynamic changes of Kashgar City focusing on the area ratio and change process of built-up land, forest land, grassland, cropland, water area, bare land types in the past 20 years, by combining with the basic framework of the relationship between land use and the environment, using of the land use dynamics model and GIS spatial analysis, and establishing eco-system sensitive indicators and grading standards of land use changes. The results showed that between 1990 and 2010, rapid changes in land use type classes were grass land, cropland, water area, built-up land and bare land. Among them, the forest land and built-up land increased by 1.58% and 1.87% each year. Grassland, cropland, water area and bare land decreased by 2.42%, 1.36%, 1.81% and 1.04% each year. Highly sensitive areas and non-sensitive area in 1990 to 2010 increased from 22.79 km2and 113.76 km2to 58.40 km2and 125.95 km2, respectively, showing a rising trend. But sensitive area and low sensitivity area reduced from 30.21 km2to 121.76 km2in 1990 to 15.54 km2and 88.63 km2in 2010, showing a reducing trend.

land use change; ecological sensitivity; Kashgar City; GIS

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.004

X826

A

1008-8873(2016)02-019-07

2015-03-04;

2015-03-22

國家自然科學基金項目(41361043); 新疆維吾爾自治區青年科技創新人才培養工程優秀青年科技人才項目(2013721031)

亞庫普·約麥爾(1988—), 男, 新疆烏魯木齊市人, 碩士研究生, 主要從事資源環境遙感研究, E-mail: yakupjanomar@126.com

*通信作者:阿里木江·卡斯木, 男, 博士,教授, 主要從事環境遙感研究, E-mail: alimkasim@ xjnu.edu.cn