干旱區河谷城市土地利用生態風險動態預測——以新疆伊寧市為例

唐利華, 張永福, 劉小輝

(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)

?

干旱區河谷城市土地利用生態風險動態預測
——以新疆伊寧市為例

唐利華1,2, 張永福1,2, 劉小輝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)

土地利用規劃和土地生態安全是土地資源可持續利用的基礎和核心。基于伊寧市土地利用總體規劃(2010—2020年)，依照規劃基期年及末期年土地利用結構特征，借助土地利用變化、土地利用類型動態度和生態風險空間分析方法，測算了土地利用生態風險指數。并通過運用ArcGIS 9.3對生態風險進行了系統采樣、半變異函數分析及空間插值，研究伊寧市土地利用生態風險動態演變和空間分異特征。結果顯示：伊寧市土地利用總體規劃對全市土地利用空間結構進行了較大調整，土地生態風險具有明顯的區域性，生態安全狀況由北向南逐漸加重，且高、較高風險區在南部區域呈圓環式蔓延趨勢。在未來土地利用變更中應加強生態環境保護意識，在伊寧市河谷構建良好的生態用地格局，提高土地利用的綜合效益。

土地利用規劃; 土地生態風險; 空間分析; 干旱區河谷; 伊寧市

土地利用變化不僅影響土地資源的結構與類型，而且通過改變土地生態系統的結構和功能，影響著土地生態系統的風險與健康程度，其變化過程對區域生態安全起著決定性的作用[1-3]。研究土地利用變化及其對生態環境產生的風險，對了解生態環境和土地資源的合理利用以及恢復和治理有極其重要的現實意義，也能為生態安全條件下制定土地利用規劃提供科學依據[2-4]。土地利用總體規劃是在一定區域內，根據土地資源特點和社會經濟發展要求，從全局和長遠利益出發，對各類用地結構和布局進行調整或調配的長期規劃。韋仕川等[5]運用系統采樣、變異函數及空間插值方法，借助RS和GIS軟件對黃河三角洲土地生態風險進行研究；葉長盛等[6]通過系統采樣，借助空間自相關和半方差分析方法，探討了珠江三角洲生態風險空間分布及變化特征；肖琳等[7]在景觀尺度構造土地利用生態風險指數，借助空間統計學方法和彈性理論，分析天津市土地利用生態風險和變化響應的時空分異特征。區域生態風險評價具有時間動態性、空間異質性及評價過程中的復雜性等特征，大多學者開展的相關研究多數集中在描述生態風險空間特征，缺乏對土地利用動態與生態風險變化二者響應關系的深入研究。

隨著城市化進程的加快，干旱區河谷城市土地資源利用不合理、土地生產力下降等土地生態安全問題日益凸顯。伊寧市所屬的伊犁河谷是東、南、北三面環山，東高西低、東窄西寬的三角形谷地[8]。伊犁河谷的綠洲形態成為西北干旱區獨特的生態單元，是新疆經濟社會發展的凈化地帶和生態相對敏感的區域[9]。由于其以資源導向型為主的土地利用模式之間的矛盾逐漸顯現，使原本脆弱的生態環境更加嚴峻，甚至威脅到經濟社會的可持續發展及西北干旱區河谷生態系統的穩定。基于以上背景，本文選取新疆伊寧市作為典型研究區。在縣級土地利用規劃的基礎上，借助半變異函數和空間插值法，對干旱區河谷城市土地生態風險進行空間分析，預測市域土地生態問題，采取恰當措施，及時做出土地生態安全規劃和防護，從而為提高土地利用生態安全度、科學統籌土地利用總體規劃提供技術支撐和決策依據。

1　試驗材料與方法

1.1研究區概況及數據來源

伊寧市地處新疆維吾爾自治區西部邊境伊犁河谷中部，東連伊寧縣，西接霍城縣，北靠天山西部的科古琴山，南倚伊犁河，北緯43°50′—44°09′，東經80°04′—81°29′，是農牧混合交錯地區，整體呈現北高南低、由東北向西南傾斜的地貌格局。境內總面積62 279.94 hm2(除兵團)，2009年全市總人口達45.92萬人；平均海拔108 310 m，其中城區662.5 m，地貌單元分為中低山地、沖—洪積扇和河谷階地；土壤類型眾多，水資源豐富，素有“塞外江南”的美譽。由于受地中海、黑海暖濕氣流的影響，氣候適宜，形成具有中亞典型的溫帶大陸性半干旱特征。近年來，由于經濟的高速發展和對生態環境保護的忽視，土地利用的生態環境問題日益嚴重。

本研究數據包括GIS數據和社會經濟數據。GIS數據包括：伊寧市2009年、2020年的土地利用類型數據、1∶10萬土地利用地形圖、1∶5萬土地利用現狀圖，以上數據來源于《伊寧市土地利用總體規劃(2010—2020)》項目研究成果，數據可靠程度較高。借鑒前人研究成果并結合本研究需要，將伊寧市土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、牧草地、城鄉建設用地、交通用地、水域和未利用地8種類型。社會經濟數據包括：《伊寧市統計年鑒》和《伊寧市城市總體規劃(2010—2030)》。

1.2試驗方法

1.2.1采樣方式根據伊寧市土地利用類型的面積(62 279.94 hm2)情況，采用1 km×1 km的單元網格將生態風險指數進行空間化(圖1)，采用等間距系統采樣法，共有697個樣區，可以保證空間分異特征的呈現。根據生態風險指數公式計算出每一樣區內各個土地類型的綜合生態風險指數，以此作為樣地中心點的生態風險水平。

圖1生態風險樣地劃分

1.2.2土地利用結構變化信息熵可以表示城市土地利用的空間結構特征，全面反映市域內各類土地利用系統的動態演變過程和轉換程度的特點。依照Shannon信息熵[10]計算公式：

Fi=Ai/A

(1)

(2)

式中：A——區域土地總面積；Ai——某一地類面積；Fi——各地類占土地總面積的比例；H——土地利用結構信息熵，其大小可反映人類活動與自然作用對土地利用系統的改造程度。土地利用結構熵值低，其土地利用系統的有序性較高，生態風險程度較小；土地利用結構熵值高，其土地利用系統的有序性低，生態風險程度較高。

1.2.3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[11]。單一土地利用動態度為：

(3)

式中：Ua，Ub——研究期開始和結束某一土地類型的數量；T——研究時段長。

綜合土地利用動態模型為：

(4)

式中：LUi——檢測開始時第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他土地利用類型面積總和；T——研究時間段。筆者設定T的時段為年，LC的值為土地利用類型年變化率。

1.2.4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(ERI)[12]，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利用空間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——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。

1.2.5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ArcGIS 9.3中的Geostatistical Analyst(地統計分析模塊)，得到半變異函數[13]：

(6)

式中：γ(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Ordinary Kriging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，來直觀描述伊寧市生態風險空間分布狀況。

2　結果與分析

2.1土地利用結構變化

依照公式(1)—(2)得到2009年和2020年土地利用結構信息熵(表1)。伊寧市2009—2020年土地利用結構信息熵由0.677 6增加至0.711 8，凈增了0.034 2，表明土地利用的空間結構特征變化較大，2009年土地利用結構信息熵較低，土地利用系統的有序性較高，生態風險程度相對較低；至2020年土地利用結構信息熵增大，土地利用系統的有序性較低，生態風險程度也有增加的趨勢。

表1　伊寧市2009年和2020年土地利用結構變化和信息熵　hm2

2.2土地利用類型動態度變化

根據公式(3)得出伊寧市土地利用結構變化(表1)。如表1所示，伊寧市11年間土地利用變化速度并不快，土地利用類型年變化率僅為0.016%。本輪規劃中城鄉建設用地、交通用地所占比例大大增加，其中城鄉建設用地增加了6 642.23 hm2，增幅72.27%，交通用地增加了4 549.5 hm2；而耕地、園地、林地、牧草地、水域及未利用地均有一定減少，其中未利用減少了630.89 hm2，減少的比重最大，達到52.49%，水域面積變化最小。減少的農用地及未利用主要轉變為了建設用地。

2.3各鄉鎮(場)土地利用生態風險動態演變

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[14]。土地生態風險強度參數Wi的確定參考韋仕川等[5]的研究成果，耕地、園地、牧草地、林地、城鄉建設用地、交通用地、水域、未利用地的Wi分別取0.112 7，0.069 3，0.755 7，0.017 4，0.295 6，0.211 9，0.079 1，0.084 4。根據各鄉鎮(場)土地利用類型和面積，利用生態風險指數公式和ArcGIS 9.3空間分析統計模板，得出2009年和2020年各鄉鎮(場)土地利用生態風險指數(表2)、生態風險空間分布(圖2)、生態風險不同等級面積比例(圖3)。根據各樣地生態風險指數評價結果以及伊寧市土地生態風險模擬結果，將生態風險劃分為5個等級，即Ⅰ低生態風險區(0.088 7～0.125 1)、Ⅱ較低生態風險區(0.125 1～0.161 5)、Ⅲ中等風險區(0.161 5～0.197 9)、Ⅳ較高風險區(0.197 9～0.234 3)、Ⅴ高風險區(0.234 3～0.270 7)。

表2　伊寧市2009年和2020年各鄉鎮(場)生態風險指數

圖2　伊寧市各鄉鎮(場)土地利用平均生態風險空間變化分布

圖3　不同等級生態風險區在各年所占比例

如表2所示，土地利用總體規劃中伊寧市的生態風險指數由2009年的0.122 3增至預計2020年的0.151 9，風險程度增加了24.20%，整體平均生態風險指數波動較大，生態安全程度也在逐步惡化。

由圖2—3可知，伊寧市各鄉鎮(場)的土地生態風險具有明顯的區域性，2009年生態安全狀況由北向南逐漸加重，而2020年中南部地區生態安全惡化最為明顯，北端生態安全惡化并不十分嚴重，處于中等風險、較低風險和低風險區。伊寧市市區位于伊寧市中心城區，生態安全處于高風險區，2009年生態風險指數為0.260 8，預計2020年增至0.269 8，一直處于高風險重警狀態，生態安全處于較差水平，這與伊寧市城市化、工業化建設、中心城區范圍不斷擴張有關；巴彥岱鎮、托格拉格鄉和市園藝場風險指數有所增加，但一直處于低風險狀態，生態狀況好于其他鄉鎮(場)；在土地利用規劃中，克伯克圩孜鄉、潘津鄉一直處于較低風險區，這與其多農業型鄉鎮，大力發展農產品密切相關；2020年英也爾鄉、達達木圖鄉、喀爾墩鄉、漢賓鄉和塔什科瑞克鄉生態風險指數較2009年相比均有明顯的增長趨勢，英也爾鄉從低風險區轉變為中等風險區，達達木圖鄉從較低風險區轉變為中等風險區，喀爾墩鄉從中等風險區轉變為較高風險區，漢賓鄉和塔什科瑞克鄉分別從中等風險區轉變為高等風險區，處于重警狀態，是生態安全惡化明顯的兩個鄉鎮。

研究區內2009年、2020年各級生態風險指數面積比例均存在一定的差異。2009年低生態風險區面積占研究區面積的62.32%，較低生態風險區面積占19.57%，中等風險區面積占12.84%，無較高生態風險區，高生態風險區面積占5.27%。規劃至2020年，上述各級別的面積均呈現變化趨勢，低生態風險區面積占研究區面積的比例減至47.77%，較低生態風險區面積比例減至10.46%，中等風險區面積比例增至23.65%，較高生態風險面積比例增至5.54%，高生態風險區面積比例增至12.58%。上述變化說明2009—2020年，研究區內生態環境狀況趨于惡化，這個變化趨勢與前述以研究區整體進行評價時的結論是一致的。

2.4土地利用生態風險空間分異特征分析

利用ArcGIS 9.3中的地統計分析模塊(Histogram模塊)，得出伊寧市ERI值接近于正態分布，具有空間相關性。采用線性克里格法對伊寧市生態風險進行空間內插，后按掩膜提取(Extract by Mask)分析，得到伊寧市土地利用生態風險空間分異圖(圖4)。結果檢驗中均值(0.002 052)、平均標準差(0.006 862)接近于0，均方根(0.013 26)、平均預測標準差(0.014 06)非常接近，均很小，標準均方根預測誤差(0.914 0)接近于1，檢驗結果表明誤差在允許范圍內，保證了伊寧市生態風險指數的準確性和可靠性。

圖4　伊寧市土地利用生態風險空間分異

從2009年和2020年生態風險空間變化分異來看，在土地利用總體規劃中，伊寧市土地生態風險趨于惡化趨勢。南部地區的生態環境已經受到了極大破壞，生態重警區迅速擴大，較高風險區和中等風險區蔓延的速度也很快，尤其是向南部和東南部發展較為明顯。原因主要是：在總體規劃中，伊寧市的工業發展將步入正軌，英也爾鄉、喀爾墩鄉和達達木圖鄉結合本身的土地資源利用潛力和經濟發展的方向目標，轉型升級，大力發展能源、電力、科技園、建材園等高新產業，如新入駐的國網新疆電力公司、伊犁供電公司、伊犁川寧生物技術有限公司和新疆伊犁建能煤化工機械有限公司，嚴重忽視了生態環境建設，對生態安全造成威脅。伊寧市市區始終是伊寧市未來土地利用發展的重點，中心城區的發展方向主要是以市區為中心輻射發展，向南部(漢賓鄉、塔什科瑞克鄉)和西北方向拓延，而北部和東北部鄉鎮(巴彥岱鎮、潘津鄉和克伯克圩孜鄉)多趨向于發展農業型，重點發展小麥生產和特色林果業。市域北部大比例面積是牧草地，但隨著城鎮建設發展存在的潛在影響也是值得考慮的，應在生態環境尚未惡化前加大保護力度，防患于未然。

3　結 論

(1) 在伊寧市土地利用總體規劃(2010—2020年)中，對全市的土地利用空間結構和布局進行了很大的調整。規劃至2020年，研究區內的土地利用類型未發生變化，但各土地類型的面積及其所占的比例變化明顯。2009—2020年，水域面積幾乎未發生變化，未利用地及耕地面積減少明顯，城鄉建設用地及交通用地面積增加明顯。通過分析認為，隨著研究區人口的增多、建設用地的增加及其社會經濟的發展，引發了一系列生態問題，人為因素對土地利用結構變化的影響愈發顯著。

(2) 土地利用結構的改變導致了研究區生態風險的差異。從總體變化分析來看，規劃至2020年，研究區生態風險呈上升趨勢，生態風險指數由2009年的0.122 3上升到2020年0.151 9。規劃期內，各鄉鎮(場)的生態風險具有明顯的區域性，生態風險指數相對較低的區域面積總體上趨于減少狀態，而生態風險指數相對較高的區域面積總體上趨于增加狀態。隨著研究區生態風險的加劇，研究區的生態環境問題受到了越來越多人的關注。

(3) 2009—2020年，研究區生態風險空間變化分異明顯，生態風險由北向南逐漸加重，高、較高生態風險區呈圓環式向周圍蔓延，通過分析預測說明，研究區生態環境狀況總體上呈現惡化趨勢。

土地利用生態風險預測是在土地利用總體規劃中土地利用變化格局上構建生態風險的評價方法與評價模型，并借助GIS軟件對研究區生態風險進行評價，利用地統計學中的空間分析方法定量化地反映生態風險的空間分布特征，從靜態的現狀評價轉為動態的預測，進一步建立在人類活動頻繁下的土地利用與區域生態環境的有機聯系，為土地利用總體規劃修編提供決策依據和理論支持。區域生態風險指數能夠較好地評價生態環境狀況，通過對生態風險指數級別的劃分，高度重視高、較高生態風險區，尋求原因，提高土地生產力；加強建設中等、較低風險區，力求結構更加合理。土地利用規劃是對區域各類用地結構和布局進行的長期調配，本研究區應完善土地利用規劃決策體系，建立規劃實施評價、規范修改制度，切實實施土地利用年度計劃管理制度與社會經濟發展相結合，樹立科學發展觀，按分期實現的原則將主要規劃目標分階段納入研究區國民經濟與社會發展5年計劃中，構建良好的生態用地格局，提高土地利用的綜合效益。

[1]史培軍,江源,王靜愛,等.土地利用/覆蓋變化與生態安全響應機制[M].北京:科學出版社,2004.

[2]史培軍,潘耀忠,陳晉,等.深圳市土地利用/覆蓋變化與生態環境安全分析[J].自然資源學報,1999,14(4):293-299.

[3]袁藝,史培軍,劉穎慧,等.快速城市化過程中土地覆蓋格局研究:以深圳市為例[J].生態學報,2003,23(9):1832-1840.

[4]劉勇,張紅,伊京苑.基于土地利用變化的太原市土地利用生態風險評價研究[J].中國土地科學,2009,23(1):52-57.

[5]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.

[6]葉長盛,馮艷芳.基于土地利用變化的珠江三角洲生態風險評價[J].農業工程學報,2013,29(19):224-232.

[7]肖琳,田光進.天津市土地利用生態風險評價[J].生態學雜志,2014,33(2):469-476.

[8]馬鵬,李志忠,靳建輝,等.基于土地利用的新疆伊犁河谷生態系統服務價值評價[J].浙江師范大學學報:自然科學版,2010,33(3):331-335.

[9]蒲春玲,余慧容,李曉龍,等.新疆綠洲環境友好型土地利用模式探析:以伊寧市為例[J].安徽農業科學,2010,38(33):19046-19049.

[10]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.

[11]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.

[12]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.

[13]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.

[14]李釗,張永福,張景路.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[J].水土保持研究,2014,21(6):148-151,157.

Dynamic Forecast of Ecological Risk of Land Use in the Arid River Valley City—A Case Study of Yining City in Xinjiang Uygur Autonomous Region

TANG Lihua1,2, ZHANG Yongfu1,2, LIU Xiaohui1,2

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

Planning of land utilization and land ecological security are the foundations and cores of the sustainable use of land resources. We estimated ecological risk index based on the varieties of land use in the overall planning of land utilization of Yining City at two time points: the base year and the end year through change of land use and the method of ecological risk spatial analysis. After sampling was carried out, the semi-varogram analysis and block Kriging were used to analyze the dynamic evolution and spatial distribution of ecological risk of the land use in Yining City by ArcGIS 9.3. 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 Yining City, ecological security was becoming more severe gradually from north to south, moreover, the high and the higher risk of the southern area had the tendency of ring type spreading. The change of land use in the future, ecological awareness of environmental protection should be strengthened to build an ecological land pattern in Yining valley and improve the comprehensive benefit of land use in the city.

planning of land utilization; land ecological risk; spatial analysis; arid valley; Yining City

2015-5-11

2015-06-02

新疆伊寧市土地利用總體規劃修編項目;新疆伊寧市中期實施評估項目

唐利華(1988—),女,新疆石河子人,碩士,研究方向為土地資源規劃、土地資源評價。E-mail:tanglihuahappy@126.com

張永福(1964—),男,新疆烏魯木齊人,副教授,碩士生導師,主要從事土地資源評價及土地利用規劃、土地整治開發研究。E-mail:zyf431@sina.com

F301

A

1005-3409(2016)03-0240-06