近23年來LUCC影響下的精河縣生態環境效應定量研究

摘要：以1990-2013年間4期Landsat影像作為基本信息源，分析了精河縣近23年土地利用與覆被的變化過程及其所帶來的生態環境的影響。結果表明：①1990-2013年精河縣土地利用類型中水體面積變化不大，耕地、干涸湖床的規模朝擴大的方向發展，耕地的面積則由1990年的2.15×104 hm2增加到2013年的8.84×104 hm2，其中有1.83×104 hm2的林草地轉入，占轉入量的20.78%，干涸湖床則有42.67%的鹽堿地和13.38%的其他地類轉入。②通過分析精河縣生態環境綜合指數發現，1990-2013年精河縣生態環境質量變化較大，生態環境綜合指數在1990-1998年有明顯的上升趨勢，由1990年的0.501 6上升到1998年的0.545 7；而在1998-2013年精河縣生態環境綜合指數卻呈現下降趨勢，由1998年的0.545 7上升到2013年的0.502 7。通過土地利用轉換和生態環境質量貢獻率的響應分析發現，林草地、水體、耕地面積的變化是影響區域生態環境質量變化的主要因素，所以退耕還林還草和合理利用水資源是改善研究區生態環境質量的有效手段。本研究可以更好地為精河縣土地資源的可持續利用和大力開展生態文明建設提供參考，對精河縣改善土地生態環境具有重要的理論及現實意義。

關鍵詞：土地利用/覆被變化；生態環境效應；精河縣

中圖分類號：S181；F323.22 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3574-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.011

Abstract： The Jinghe county was chosen as study area to do some research about LUCC and ecological effect based on Landsat from 1990 to 2013. The results showed that：①The Jinghe county land use types of water areas changed little， however，the scale of cropland，dry lake bed areas expanded. The areas of cropland increased from 2.15×104 to 8.84×104 hm2 in 1990-2013， including 1.83×104 hm2 forest and grassland which accounted for 20.78% of the transfer amount. 42.67% saline-alkali land and 13.38% other land types transferred into dry bed areas.②Based on the regional ecological environment comprehensive index，it was found that the ecological environment quality of Jinghe County changed greatly in 1990-2013， the environment comprehensive index increased from 0.501 6 to 0.545 7 in 1990-1998，and fell from 0.545 7 to 0.502 7 in 1998-2013. Through the response of land use conversion and the eco-environment quality contribution rate analysis，it was found that changes of forest and grassland，water areas，and cropland were the main factors that influenced the quality of the regional eco-environment changes，so returning farmland to forest and grassland and rational utilization of water resources were effective means of improving the quality of ecological environment in the study area. The results could provide reference to the sustainable use of land resources and the construction of ecological civilization，and had important theoretical and practical significance to improve the land ecological environment in Jinghe County.

Key words： LUCC； ecological environmental effect； Jinghe County

在人類對生態問題關注加強，對環境保護意識倍增的背景下，20世紀70年代國際上提出了生態安全這樣一個嶄新的研究領域，而土地生態作為生態安全的最重要部分，關系到一個區域整體生態環境的可持續發展[1]。20世紀90年代以來，隨著資源、環境和人口問題的日益突出，土地利用/覆被變化（LUCC）研究已成為全球變化研究的前沿和熱點課題[2]。自1995年“國際地圈—生物圈計劃”和“全球環境變化人文計劃”聯合提出LUCC研究計劃以來，迅速引起國際社會與地理學家的廣泛關注，研究在國內外普遍展開，業已成為地理學綜合研究的國際性前沿課題[3，4]。土地利用是指人類有目的地開發利用土地資源的一切活動，而土地覆蓋則是指地表自然形成的或者人為引起的覆蓋狀況，土地利用/覆蓋變化是全球變化研究的重要組成部分之一，在全球環境變化和可持續發展中占有重要的地位，已被列入“國際地圈與生物圈計劃（IGBP）”的核心項目[5]。土地利用變化可引起許多自然現象和生態過程的變化，如土壤養分和水分的變化、地表徑流與侵蝕、生物多樣性的分布和生物地球化學循環等，因此研究土地利用變化及其對生態環境的影響對于了解區域生態環境乃至全球環境變化具有重要的意義[6，7]。

LUCC及其生態效應研究是當前地理學全球變化研究的核心內容之一[8]，有關研究主要集中于區域土地利用/土地覆蓋變化對區域氣候、水文效應以及對土壤養分和生物多樣性的影響等方面[9-11]。近年來，與人類社會可持續發展密切相關的LUCC生態環境效應研究也逐步得到加強，許多學者開始探討LUCC的生態效應，越來越多的學者也意識到土地利用變化中的生態經濟分析，尤其是土地利用/覆蓋變化的生態效應定量研究勢在必行[12]，如王根緒等[13]基于遙感影像獲得土地利用數據，分析了1987-2000年黑河流域生態環境變化特征；郝慧梅等[14]以榆林市為研究區，把整個研究期劃分為前、后兩個時間段（1987-1999年，1999-2002 年），并按不同的空間尺度，探討了客觀測評區域土地利用變化生態效應的思路和方法；王文娟等[15]以1987-2000年間的Landsat/TM影像作為基本信息源，利用GIS空間分析和地統計分析功能，從景觀生態學角度構建生態效應指數來反映三江平原東北部地區土地利用/土地覆被變化所帶來的生態效應，并且定量評價了該區生態效應與土地利用之間的關系；莫宏偉等[16-18]運用地理學信息圖譜研究方法，對榆陽區土地利用變化、生態服務價值及其土地生態風險指數變化的時空分異特征進行了分析；文琦等[19]研究分析了土地利用變化對陜北榆林市生態系統服務價值造成的響應。

綜上可以發現，土地利用/覆被變化對于生態環境的影響非常重大，尤其像處于西北內陸的艾比湖流域精河縣這種生態脆弱、受人為因素干擾演化速度較快的區域，土地利用變化對生態環境有著不可小視的影響。精河縣地處西北內陸干旱區，毗鄰中國著名大風口——阿拉山口主風口，境內有新疆第二大咸水湖——艾比湖，生態環境相當脆弱[20]。而且精河縣所處的艾比湖區域的生態環境問題也已成為繼塔里木河之后新疆的第二大生態熱點，它嚴重地威脅著艾比湖區乃至天山北坡經濟帶的可持續發展，對其生態環境綜合治理刻不容緩[21]，本研究利用多期遙感影像對近24年來精河縣這一典型地區的土地利用動態變化進行了分析，并在此基礎上分析了該地區的生態效應變化情況，為精河縣以及艾比湖流域的生態環境脆弱區積極保護生態、土地資源可持續利用和大力開展生態文明建設提供參考。

1 研究區概述

精河縣位于新疆維吾爾自治區西北部、準噶爾盆地西南邊緣、天山支脈婆羅科努山北麓，距烏魯木齊市423 km。地理坐標為東經81°46′-83°51′，北緯44°02′-45°10′之間，東西長166 km，南北寬約134 km，總面積11 275 km2[22]。東鄰烏蘇市，南接伊寧縣和尼勒克縣，西與博樂市毗鄰，北與托里縣接壤。縣城精河鎮東距烏魯木齊425 km，東鄰烏蘇市，西鄰博樂市，南鄰尼勒克縣、伊寧縣，北鄰托里縣。行政區劃上屬于博爾塔拉蒙古自治州（博州），約占博州總面積的37%，東接烏蘇縣，南接伊犁地區的尼勒克縣。地形南高北低，自南向北呈扇狀坡面，南部為山區，中部為平原，中部山前為沖積—洪積傾斜平原，北部為沖積—洪積平原，地形平坦、開闊，大部分地下水位偏高，多為鹽堿沼澤地帶，艾比湖在扇形下緣最北；南部為山區，屬婆羅科努山及其支脈[23]；有精河、大河沿子河、托托河、阿恰勒河等4條較大河流及艾比湖等水系。精河縣氣候屬典型的北溫帶干旱荒漠型大陸性氣候，主要特點是光照充足，冬夏冷熱懸殊，晝夜溫差大，干燥少雨，蒸發量大，春季多風沙、浮塵天氣；日照時間長，年日照達2 700多h，無霜期170多d，1月平均氣溫-15 ℃，7月平均氣溫26 ℃，極端最低氣溫為-34 ℃，極端最高氣溫為42 ℃；年平均降水量102 mm[24]。

2 數據源與研究方法

2.1 數據來源

本研究以1990、1998、2011和2013年各年9月獲得的Landsat遙感資料為基本信息源，運用ENVI軟件進行數據處理。本研究采用了人機屏幕勾繪解譯分類的方法——目視解譯法，利用圖像的影像特征和空間特征，如色彩、形狀、大小、陰影、紋理、結構和相對空間位置等，與多種非遙感信息資料如地形圖、野外實地調查結果，再結合該地區生物分布的地學相關規律，進行綜合分析和邏輯推理的思維過程。結合本次研究的目的和研究區的特點，參照不同的標準和分類指標，將研究區的土地類型劃分為耕地、林地、水體、干涸湖床、鹽堿地、沙漠與其他地類7個一級類型，其中其他地類包括居民點及工礦用地、交通用地、裸土地、荒灘、荒坡及其他未利用土地。在分類后對分類結果采用最常用的Kappa系數法進行精度檢測。生態效應分析中各類土地覆蓋類型生態環境質量賦值在[0，1]內，在借鑒了楊述河等[25]的研究并結合地區特點和本次研究的具體目標加以修訂，即以水體的生態價值為最高，生態指數賦值較高；研究區內的耕地主要為旱地，因此賦值在全球耕地平均生態系統服務功能價值比例的基礎上依研究區現狀有所調整；由于研究區內沙漠生態系統結構相對簡單，實際生態系統服務功能低于林地，其賦值相應降低；其他土地利用類型依據生態價值指數比例關系確定。

2.2 模型與方法

2.2.1 土地利用類型轉移矩陣 通過土地利用轉移矩陣描述各種土地利用類型之間的轉換情況，能夠清晰地反映下列變化：一是兩時期各種土地類型面積變化情況；二是土地利用類型從前一個時期向后一個時期的轉移去向比率；三是一個時期中土地利用類型由前一個時期土地利用類型的轉移來源比率。轉移矩陣[26]的數學形式為：

Sij=S11 S12 S13 … S1nS21 S22 S23 … S2nS31 S32 S33 … S3n… … … … …Sn1 Sn2 Sn3 … Snn

式中，S為土地面積，n為土地利用的類型數，i、j分別為研究期初與研究期末的土地利用類型序號。

2.2.2 生態環境綜合指數 EVt=（LUi×Ci）/TA，其中，EVt為t監測時期某一區域的生態環境綜合指數；LUi和Ci為該監測時期該區域內第i類土地利用類型面積和質量賦值；n為區域內所具有的土地利用類型數量，TA為該區域土地總面積。區域生態環境綜合指數可定量表征某一區域生態環境質量的總體狀況。

2.2.3 區域土地利用轉變類型生態貢獻率 區域土地利用轉變類型生態貢獻率，指某一種土地利用變化類型所導致的區域生態質量的改變，其表達式為：

LEI=（LEt+1-LEt）LA/TA

式中，LEt+1和LEt指某一土地利用變化類型所反映的變化末期和初期土地利用類型所具有生態質量指數；LA指該變化類型的面積；TA指該研究單元（如縣級行政單元）的總面積。

3 結果與分析

3.1 精河縣土地利用/覆被變化分析

以1990、1998、2011和2013年獲得的Landsat遙感影像為基本信息源，在確定分類標準的基礎上，在ENVI中以監督分類為手段，選擇最大似然法對4幅影像進行自動解譯分類，獲得研究區的土地利用數據，從而得到以下4期精河縣土地分類圖，1990-2013年各年分類精度數據主要來自ENVI軟件，總體精度分別為99.49%、98.11%、98.52%、99.05%，而Kappa系數分別為0.994 1、0.977 8、0.982 7、 0.988 9，達到分類精度要求。各年土地利用/覆被變化分類如圖2所示。

土地利用現狀是長期以來，人類根據土地自然特性和社會需要，對土地進行改造培育使用的結果，或者說是土地利用過程當前的穩定狀態[27]，對土地利用現狀的分析，可以發現土地利用中存在的問題及優勢，為進一步合理開發利用土地、協調人地關系奠定基礎[28]。而土地利用類型的變化主要反映在不同類型土地面積總量的變化，由表2及圖3可以看出研究區1990-2013年土地利用變化情況。

由圖3可知，1990年精河縣各類土地類型中主要以水體、干涸湖床、沙漠以及其他地類為主，而在1998年卻以林草地、鹽堿地、沙漠和其他地類為主；結合表2發現，1990-1998年精河縣各類土地類型中耕地、林草地、鹽堿地的面積增加比較明顯，增加量都在3×104 hm2以上；而沙漠和其他地類的面積有所減少，其余土地利用類型面積變化不大。林草地面積增加的主要來源是耕地（0.16 hm2）及其他地類（7.385×104 hm2）的轉入，分別占轉入總量的2.30%、 77.71%，林草地的增加主要源于對于未利用與難利用地的綜合整治，以及對于不適合農地利用類型的土地進行退耕還草，還有由于農田防護林、水源涵養工程等促進了精河縣的生態退耕與植樹造林使得森林面積的增加。耕地面積的增加主要來源是林草地和其他地類，其中林草地面積占轉入量的27.65%。干涸湖床也有24.05%的鹽堿地和57.71%的其他地類轉入；其他地類增加的面積主要由沙漠和鹽堿地面積轉化而來。水體面積的減少、干涸湖床和鹽堿地面積的增加說明了艾比湖的生態環境惡化，而耕地和林草地面積的增加導致農業用水量進一步增加，對水體面積的減少有一定的影響。

由表2和圖3可知，2011年精河縣土地利用類型中主要以耕地、沙漠和其他地類為主，而且相對于前一研究時段，林草地和干涸湖床的面積大幅度減少，林草地面積的減少主要是有8.6×103 hm2的耕地和6.86×104 hm2的其他地類的轉出；而干涸湖床面積的減少主要是由于有1.34×104 hm2轉向鹽堿地，占轉出量的25.11%；沙漠面積增加主要是有3.27×104 hm2的其他地類轉入，占轉入量的34.54%。林草地面積的急劇下降，干涸湖床面積的減少，沙漠面積增加說明精河縣的生態環境進一步惡化。

2011-2013年精河縣林草地、鹽堿地面積有所降低，而耕地和干涸湖床的面積增加明顯，尤其是干涸湖床的面積增加4.14×104 hm2，主要是由于有2.75×104 hm2的鹽堿地轉入，占轉入量的41.67%；而林草地的面積減少比較明顯，由2011年的4.82×104 hm2減少到了2013年的1.81×104 hm2，主要是由于有1.07×104和2.34×104 hm2轉向耕地和其他地類。干涸湖床和耕地面積增加、水體面積減少說明精河縣用水量增加，而鹽堿地面積的增加說明精河縣的鹽堿化進一步加劇，生態環境惡化。

表3為1990-2013年精河縣土地利用類型面積變化轉移矩陣。由表3可知，1990-2013年精河縣水體面積變化不大，耕地、干涸湖床的規模朝擴大的方向發展，其中耕地的面積則由1990年的2.15×104 hm2增加到2013年的8.84×104 hm2，其中有1.83×104 hm2的林草地轉入，占轉入量的20.78%；干涸湖床則有42.67%的鹽堿地和13.38%的其他地類轉入。耕地面積的增加說明精河縣由于人口增加需要以及科學技術的發展對未利用地中可作為土地資源的土地開發，以及對其他生態系統的開墾；而沙漠和鹽堿地面積減少則說明精河縣的生態環境有所改善。

3.2 基于LUCC的精河縣土地利用轉換與生態環境響應分析

土地利用類型的變化是導致區域生態服務價值總量變化最直接的原因，其變化方向是否合理直接決定了生態服務價值總量，即土地利用的生態效應[29]。精河縣生態環境質量與區域土地利用覆蓋變化有著密不可分的關系，生態環境質量的降低，部分區域沙漠化、鹽堿化均是人類不合理地利用土地經濟活動的結果，在分析了精河縣的土地利用類型的變化后，結合各類土地覆蓋類型生態環境質量賦值分析精河縣的土地利用變化對生態環境的影響，得出以下結論：

通過分析精河縣生態環境綜合指數（圖4）發現，1990-2013年精河縣生態環境質量變化較大，生態環境綜合指數在1990-1998年有明顯的上升趨勢，由1990年的0.501 6上升到1998年的0.545 7；而在1998-2013年精河縣生態環境綜合指數卻呈現下降趨勢，由1998年的0.545 7下降到2013年的0.502 7。在干旱區水資源是影響土地利用類型的決定因素，也是干旱區土地可持續利用的關鍵制約因素，干旱區有限的水資源數量和分布狀況是影響干旱區生態環境的主導因子，對土地開發利用起著決定性作用，1990-1998年精河縣水體面積減少明顯，耕地和鹽堿地的面積增加，因此水體面積減少，鹽堿地面積增加導致精河縣生態環境質量下降；而1998-2013年精河縣的水體面積雖有下降但不明顯，鹽堿地的面積卻明顯下降，沙漠的面積相對于1990年也有所下降，因此生態環境質量有明顯的上升。

通過計算得到導致研究區生態環境質量惡化和引起生態環境質量改善的土地利用轉換類型對區域生態環境質量的貢獻率，通過土地利用轉換和生態環境質量貢獻率的響應分析得知，每一種土地利用轉換方式發生的同時，生態環境質量也隨之動態變化。表4給出了1990-2013年期間整個精河地區導致生態環境改善和退化的主要土地利用變化類型的貢獻率矩陣，可以看出伴隨著人類活動對土地利用/覆蓋變化的影響，耕地、林草地和水體的退化已是區域生態環境質量下降的主要驅動力。水體轉換為干涸湖床（0.548 7）、水體轉換為鹽堿地（0.426 5）、耕地轉換為沙漠（0.002 0）、耕地轉化為其他（0.203 2）、林草地轉換為干涸湖床（0.055 6）、林草地轉換為鹽堿地（0.036 0）是精河縣生態環境質量下降的主導土地利用轉換類型；當然，林草地、水體、耕地面積的轉入則是區域生態環境質量有所改善的主要來源，其中沙漠轉換為耕地（0.013 5）、鹽堿地轉換為林草地（0.012 9）、其他轉化為林草地（0.797 5）這3種土地利用轉換類型的生態貢獻率占精河縣生態環境質量改善總貢獻率的很大比重。由此可見，林草地、水體、耕地面積的變化是影響區域生態環境質量變化的主要因素，所以退耕還林還草和合理利用水資源是改善研究區生態環境質量的有效手段。而且在干旱區水資源是影響土地利用類型的決定因素，也是干旱區土地可持續利用的關鍵制約因素，干旱區有限的水資源數量和分布狀況是影響干旱區生態環境的主導因子，對土地開發利用起著決定性作用，因此精河縣水體面積的變化和其他土地類型面積的變化引起了生態環境質量的變化[29]。總體而言，伴隨著人類活動對土地利用/覆被變化的影響，在發生土地利用轉換的同時，整個精河縣盡管同時存在著生態改善和退化的兩種趨勢，但其總體生境質量變化不大，總體生態環境質量有所上升。

4 結論

本研究通過對精河縣四期（1990、1998、2011和2013年）遙感影像進行分類處理，劃分出水體、耕地、林草地、干涸湖床、鹽堿地、沙漠和其他地類7種土地利用類型，得到精河縣23年的土地類型變化數據，并在對研究區土地利用情況進行分析的基礎上，得到土地利用類型變化對于精河縣生態環境的影響，得出以下結論：

精河縣1990-2013年土地利用變化的總體情況為：水體面積變化不大，耕地、干涸湖床的規模朝擴大的方向發展，其中耕地的面積則由1990年的2.15×104 hm2增加到2013年的8.84×104 hm2。耕地面積的增加說明精河縣由于人口增加需要大量開墾耕農田；而沙漠和鹽堿地面積減少則說明精河縣的生態環境有所改善。

分析1990-2013年各年的土地類型轉移矩陣，發現其中增加面積最明顯的是耕地，有1.83×104 hm2的林草地轉入，占轉入量的20.78%；干涸湖床則有42.67%的鹽堿地和13.38%的其他地類轉入。大量林草地轉向耕地說明精河縣由于人口增加和經濟的發展，需要開墾大量新耕農田；干涸湖床則有42.67%的鹽堿地和13.38%的其他地類轉入，說明精河縣的鹽堿化現象有所改善。

依據區域生態環境綜合指數分析發現，1990-2013年精河縣生態環境質量變化較大，生態環境綜合指數在1990-1998年有明顯的上升趨勢，由1990年的0.501 6上升到1998年的0.545 7，說明生態環境顯著改善；而在1998-2011、2011-2013年間精河縣生態環境綜合指數卻呈現下降的趨勢，由1998年的0.545 7下降到2013年的0.502 7。通過分析精河縣土地利用轉換類型對區域生態環境質量的貢獻率發現，區域內耕地、水體、林草地的變化是影響該區域生態環境質量變化的主要因素，所以應該嚴格控制林草地的大量占用，加大耕地、水體退化的綜合治理，發展節水農業，適度退坡耕地，有計劃地實施退耕還林還草，遏制該區域生態環境質量惡化，促進生態環境質量改善。

本研究以干旱區內陸湖流域的精河縣為例，分析了土地利用/覆被變化情況，以及土地利用/覆被變化對于生態環境的影響，可以為研究區環境變化評價提供數據支持，并揭示人類活動對干旱區生態環境變化的影響機制，為土地資源的合理利用和空間布局提供合理的依據，但在研究方法上仍然利用傳統方法。

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