基于鄉鎮尺度的土地生態安全時空格局評價研究
——以博爾塔拉蒙古自治州為例

于海洋,張 飛,3,*,曹 雷,王 娟,楊勝天

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 3 新疆智慧城市與環境建模普通高校重點實驗室, 烏魯木齊 830046 4 北京師范大學地理學與遙感科學學院, 北京 100875

基于鄉鎮尺度的土地生態安全時空格局評價研究
——以博爾塔拉蒙古自治州為例

于海洋1,2,張 飛1,2,3,*,曹 雷1,2,王 娟1,2,楊勝天1,4

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 3 新疆智慧城市與環境建模普通高校重點實驗室, 烏魯木齊 830046 4 北京師范大學地理學與遙感科學學院, 北京 100875

近年來,國內外學者已做了大量區域土地生態安全評價的研究,但大多針對流域或縣級以上行政單元,鄉鎮尺度的土地生態安全評價研究甚少。因此,選擇地處我國西北干旱生態脆弱區的博爾塔拉蒙古自治州為研究區,以“3S”技術和數學統計方法為支撐,結合研究區自然地理特征和社會經濟狀況,構建博爾塔拉蒙古自治州鄉鎮級壓力-狀態-響應(Pressure-State-Responses, P-S-R)土地生態安全評價模型,并對其土地生態安全空間格局特征及成因進行診斷性分析。結果表明：(1) 2014年博州土地生態安全較2011年有所惡化,Ⅲ級向Ⅳ級轉化的面積最大,高達2555.33 km2,主要在溫泉縣境內,其次是Ⅴ級區域向Ⅳ級轉化1356.53 km2,主要發生在精河縣的茫丁鄉和托托鄉；(2)博州大部分鄉鎮的土地生態安全狀況處于Ⅲ級水平,區域生態結構不穩定,亟待調整；(3) 博州土地生態安全狀況具有明顯地域性分布的特征,低值區多集中于博州東部荒漠地區,高值區多集中在博州中部綠洲區域和湖區。研究結果可為鄉鎮級土地生態安全評價提供參考,為區域生態保護協調推進與鄉鎮可持續發展提供理論指導。

鄉鎮尺度；土地生態安全；P-S-R模型；博爾塔拉蒙古自治州

自20世紀90年代起,國家實施西部大開發戰略,西部干旱區作為中國21世紀開發建設的重點區域,然而西部干旱區也是我國人地關系最為緊張、矛盾最為尖銳的區域,嚴酷的自然環境決定了其生態系統十分敏感,而脆弱的生態環境及突出的生態問題己成為制約西部地區經濟發展的瓶頸[1]。隨著人口持續增長、城鎮化和工業化的快速發展,人類對土地的需求大幅增加[2],土地生態系統面臨人類日益嚴重的威脅[3]。自IIASA (International Institute for Application System Analysis, 國際應用系統分析研究所)于1989年提出生態安全的概念以來[4],衍生出定量描述區域土地系統安全狀況的相關概念。其中,土地生態安全是指在一定時空范圍內,土地系統能夠保持其結構與功能不受威脅或少受威脅的健康狀態,并能夠為社會經濟可持續發展提供其服務,從而維持復合生態系統的長期協調發展的能力[5]。土地生態安全研究既是當前多學科交叉研究領域,也是維護全球安全、人類自身安全和國家生態安全的重大需求目標[6]。

生態安全研究是土地生態安全研究的基礎[7- 8],國外生態安全研究側重從不同角度關注和探討生態安全問題,主要集中在基因工程生物的生態風險與安全、生態入侵風險、食品安全、水資源安全、生態系統健康等方面[9- 11]。國內的研究主要涉及研究方法、指標體系、安全閾值的確定等方面[12- 13],研究區域主要集中在生態環境較為典型和脆弱的區域,重點突出人類活動對脆弱生態環境的干擾[14]。生態安全評價研究的方法較多,主要有綜合指數法[15]、物元模型法[16- 17]、生態足跡法[18]、景觀生態學方法[8,19]和生態系統服務價值[20]等。其中,王宏衛等[21]基于鄉鎮尺度,對克里雅河綠洲生態承載力進行了評價分析；蒙吉軍等[22]利用GIS手段研究了鄂爾多斯市的土地生態安全變化情況,明確了空間主成分分析對土地生態安全評價的重要性；張飛等[23]基于景觀格局研究了景觀格局變化對生態安全的影響,利用生態彈性度,反映了流域生態安全的變化情況；于瀟等[24]采用綜合指數法,引入景觀格局安全指數和生態質量指數,論證了農業開發對景觀生態系統的負面影響；王耕等[25]利用空間統計學方法,發現生態安全指數在空間上存在較強的正相關關系。所用評價體系大多采用“壓力-狀態-響應”(P-S-R)機理框架,其結論往往是以行政區為評價單元的總體評價,難以體現生態安全空間差異；而以景觀生態學方法對土地生態安全進行研究,大多缺少社會經濟數據的支撐,僅能從空間格局上評價其變化方向,難以說明其原因[26- 27]。而隨著科技發展,已進入“互聯網+”時代,多渠道信息傳遞、獲取愈發方便,高級別行政區域(省、市、縣)在網信息量大、數據豐富,但鄉鎮作為我國第四級行政單元,在網信息量較少、數據匱乏,因此,現有土地生態安全評價的相關研究多集中在省、市、縣級別,鄉鎮土地生態安全評價相對較少。

2012年底,我國通過“十八大”開始大力推進“生態文明”建設,為了探討“生態文明”建設下區域土地生態安全變化狀況,本文選擇博爾塔拉蒙古自治州(以下簡稱博州)為研究區,確定2011年、2014年為研究年度,運用GIS、RS技術手段,結合研究區自然地理特征和社會經濟狀況,構建博州鄉鎮級P-S-R土地生態安全評價模型,運用熵權法和層次分析法組合賦權法求得指標權重[28- 29],計算博州各鄉鎮土地生態安全指數,并對其土地生態安全空間格局特征及成因進行診斷性分析。為合理改善博州社會經濟快速發展與生態環境退化間的矛盾提供科學依據,使博州土地生態安全的時空格局研究具有實用性,有利于指導人們因地制宜地進行干旱區開發與管理,對完善西北干旱區適用的土地生態安全評價指標體系具有一定的實踐意義。

1 研究區概況

圖1 研究區示意圖Fig.1 The sketch map of study area

博州位于中國新疆維吾爾自治區西北邊陲,全州總面積24896 km2,邊界長達380 km,有“中國西部第一門戶之稱”[30]。博州西、南、北三面環山,中間是“海棠葉狀 ”的傾斜河谷,自西向東呈降低趨勢。地貌景觀由中部博爾塔拉河和東部精河、大河沿子河兩岸孕育的“人工綠洲”、南北兩側的山麓、艾比湖環湖四周的荒漠戈壁組成(圖1)。博州屬典型的北溫帶大陸性干旱氣候,但其西部與北部山麓夏半年降水充沛,水系也較豐富,維系著山前地帶“人工綠洲”的生命。博州轄博樂市、阿拉山口市、精河縣和溫泉縣。其中,精河縣包括：精河鎮、大河沿子鎮、茫丁鄉、托里鄉、托托鄉；溫泉縣包括：博格達爾鎮、哈日布呼鎮、安格里格鄉、查干屯格鄉、扎勒木特鄉、塔秀鄉；博樂市包括：青得里街道、顧力木圖街道、克爾根卓街道、三臺街道、小營盤鎮、達勒特鎮、烏圖布拉格鎮、青得里鄉、貝林哈日莫墩鄉,因博樂市的青得里街道、顧力木圖街道、克爾根卓街道、三臺街道構成博樂市市區,本文將四者合并稱作城區街道。阿拉山口市系口岸城市,政策因素干擾過強,在本研究中不予分析。

2 數據資料與研究方法

2.1 數據來源與處理

2.1.1 數據來源

本研究用到的數字影像數據有：Landsat5 TM、Landsat8 OLI數據,空間分辨率30 m×30m；ASTER GDEM數據,空間分辨率30 m×30 m；MODIS歸一化植被指數 (NDVI)月合成產品,空間分辨率500 m×500 m；博州土壤質地圖,博州1∶5萬地形圖,博州1∶5萬土地利用專題圖,博州鄉鎮邊界。野外考察數據有GPS數據和景觀照片；社會經濟等數據來源于2011—2015年《博爾塔拉蒙古自治州統計年鑒》、《博樂市統計年鑒》、《精河縣統計年鑒》、《溫泉縣統計年鑒》以及相關職能部門的統計數據；另外,本研究為建立評價標準,選擇了多項類比標準參考數據。研究區主要數據類型及來源如表1所示。

2.1.2 數字影像數據預處理

(1)遙感影像預處理及分類 所用博州2011年和2014年10月Landsat 影像,圖像質量好,植被茂密,無云、霧和積雪等影響。首先利用FLAASH模型對所用影像數據進行輻射校正[31],再對影像進行幾何精校正,即以研究區1∶5萬地形圖為基礎,采用控制點-多項式擬合校正法,選擇高斯-克呂格投影模式及三次卷積內插法重采樣進行圖像點的精密校正(選擇的地面控制點的誤差均小于0.5個像元)。結合野外考察工作中的GPS定點信息和樣點景觀照片,以Google地球為輔助工具,基于軟件ENVI 4.8目視解譯選取“感興趣區”,利用CART算法[32]對“感興趣區”樣本進行分析,生成決策樹分類規則,通過決策樹規則進行遙感影像分類監督分類,分別是耕地、林草地、水體、鹽漬地和其他(建設用地、沙漠、戈壁、山體)。最后,進行人工目視解譯的修正。在2011年、2014年分別選用130和150個GPS實證點進行驗證,經計算,博州土地利用/覆被(Land Use/Land Cover, LULC)分類的精度分別為76.12%、74.83%,Kappa Coefficients為0.7489、0.7324,已達到Landsat影像分類的較高標準,而計算機分類精度分別為96.07%、94.05%,Kappa Coefficients為0.9507、0.9302,其精度大于85%,滿足使用要求。

表1 數據類型及來源

(2)依托GIS平臺,處理、獲取空間數據,主要包括：1) 由DEM數據生成坡度圖、水系圖；2) 從水系圖和道路數據中提取各鄉鎮的水網密度和路網密度；3) 基于博州LULC數據,利用軟件Fragstats 3.3計算各鄉鎮的區域香農多樣性指數和景觀破碎度；4) 由博州土地利用專題圖,獲取各鄉鎮的森林覆蓋率和耕地面積比重；5) 基于博州當年5—10月MODIS NDVI月合成產品,得出該年的年均NDVI,NDVI取值范圍[0,1]。

2.1.3 評價指標標準化處理

本文的評價指標既有正向指標又有逆向指標,因此在進行指標的處理上有所區分。本文采用極差歸一化法進行指標的標準化,其公式為：

(1)

(2)

式中,Yij為標準化后的值,Xij為第i年第j項指標原始值,Xmaxj和Xminj分別為相應指標的最大值和最小值,a取0.9。 當指標有國家標準時,Xmaxj和Xminj分別為相應指標的安全值和不安全值。

2.2 土地生態安全評價

2.2.1 評價單元

目前已開展的土地生態安全評價研究多以行政單元(省、市、縣)為數據載體,數據資料獲取較為方便,但結合新疆縣級行政單元幅員遼闊的特點,以縣級區域為評價單元欠缺空間的可視化表達,宏觀指導性有余,缺乏實踐指導性。為便于博州土地生態安全評價,本文采用GIS空間疊加的方法,結合統計資料與遙感數據特點,確定鄉鎮作為最小評價單元,并將多源數據重采樣至30 m×30 m,可通過較細的粒度的柵格數據反映評價單元內的土地生態安全的空間差異。

2.2.2 P-S-R 指標體系與權重

P-S-R框架模型由聯合國經濟合作開發署建立[33]。其中,壓力指標反映人類社會、經濟活動給區域環境、資源利用和生態系統造成的負擔[34]；狀態指標表述當前自然資源、環境質量與生態系統的狀態[35- 36]；響應指標是人類社會在其發展過程中,人類為生態系統可持續發展,所采取的優化措施與對策及已獲得的良好反饋[37]。P-S-R模型從人類與環境系統的相互作用與影響出發,對環境指標進行組織分類,具有較強的系統性[38]。

本研究在參考有關研究成果的基礎上,結合博州實際情況,按照指標選取的科學性、全面性、實用性和動態性等原則,結合數據的可得性,以博州土地生態安全綜合評價為評價總目標,充分考慮區域土地生態安全各評價因子的復雜關系,借鑒國內相關研究成果[22,39-42],依據P-S-R框架,自上而下、逐層分解為4個層次：目標層、準則層、要素層和指標層[28- 30]。重點選取與土地生態安全密切相關：荒漠化率、人口密度、NDVI、LULC等30個屬性特征構建評價指標體系,再利用SPSS軟件30項指標做Pearson相關性分析進行篩選,優化同準則層內相關性大于0.8或目標層相關性大于0.9的指標,最終確定由25項指標構成博州土地生態安全評價指標體系(表2)。考慮到單一的賦權方法的局限性,利用層次分析法和熵權法組合賦權法,可體現土地生態安全評價的區域性,又可體現數據本身的數理特征。

表2 博州P-S-R評價指標體系標準及權重

—無標準數據

2.2.3 指標定義與標準化

由于評價指標類型繁多,單位各異,很難對它們的實測值進行直接對比,在指標評價方面優先選取國際或國家標準,其次是地方“十二五”規劃的生態文明標準,先確定評價指標標準值,再根據公式(1)、(2),對評價指標標準化。對于那些無明確評價標準值的指標,則按照極差標準化,依據公式(1)、(2),正指標用公式(1)標準化,逆指標用公式(2)標準化,對評價指標賦予標準化分值,分值在0—1之間。而在影像數據中,有的指標可用極差標準化進行劃分,如NDVI,水網密度等,而有的指標則需要進行量化分級賦值,例如坡度、土壤質地和土地利用類型。部分指標含義及計算方法如下：

單位耕地的化肥使用量 即鄉鎮當年的化肥施用量/區域耕地總面積,該指標為逆指標,其值越大,農業生產對土地生態系統產生的壓力越大,土地生態安全越低。

單位耕地的農藥使用量 即鄉鎮當年的農藥施用量/區域耕地總面積,該指標為逆指標,單位耕地農藥施用量越多,土地生態系統受到的農藥污染越嚴重,土地生態安全越低。

單位耕地的地膜使用量 即鄉鎮當年的地膜使用量/區域耕地總面積,該指標為逆指標,單位耕地地膜使用量越多,土地生態系統受到的塑料污染越嚴重,土地生態安全越低。

草原載畜量 即單位土地而積上的牲畜數,計算公式為：草原載畜量=牲畜總數/土地總面積,表征單位草地面積上的牲畜承載壓力,該指標為逆指標,其值越大,單位草地面臨的環境壓力越大,其中,1匹馬=2羊單位,1頭牛=5羊單位。

人口密度 即單位土地而積上的人口數,計算公式為：人口密度=人口總數/土地總面積,表征單位土地面積上的人口承載壓力,該指標為逆指標,其值越大,單位土地面臨的人口壓力越大。

自然增長率 即一年內人口自然增加數與當內平均人口數之比。表征人口自然增長對土地生態系統產生的壓力,該指標為逆指標,其值越大,說明人口自然增長越快,對土地生態系統造成的壓力越大。

經濟密度 即鄉鎮GDP/土地總面積,表征鄉鎮經濟發達程度,該指標為正指標,其值越高,單位土地的利用效率也越高,土地利用越集約,越有利于土地生態安全的維護。

人均糧食產量 即糧食總產量/人口總數,表征鄉鎮耕地承載人口的能力,該指標為正指標,其值越大,說明耕地產出水平越高,糧食安全越有保障,其他土地生態壓力越小。

人均耕地面積 即耕地面積量/人口數,表征耕地資源狀況,該指標為正指標,其指標值越大,區域糧食安全保障的壓力越小。

坡度 即高度差/水平距離,利用ArcGIS從ASTER GDEM數據中提取,該指標為逆指標,坡度越大,人類開發利用土地的難度越大,不利于人類對土地生態系統的維護。根據坡度對各社會分工的影響,可視0—5°為安全標準值,賦值為1,5°—10°、10°—15°、15°—25°、>25°分別賦值為0.8、0.6、0.4、0.2。

NDVI 從MODIS產品數據中獲取,利用軟件ArcGIS 9.3求得2011年和2014年的年均NDVI(5—10月),NDVI取值范圍[0,1]。該指標為正指標,其值越大,區域植被長勢越好,有利于穩定土地生態系統。因考慮到大面積地表水體對干旱區生態環境的重要性,將湖區(艾比湖和賽里木湖)圖層導入ArcGIS,并通過算法將湖區范圍的NDVI賦值為1。

森林覆蓋率 即鄉鎮森林面積與土地總面積的百分比,是表征水土保持狀況的重要指標,該指標為正指標,其值越大,區域土地生態環境越好。

水網密度 即鄉鎮境內河流長度/土地總面積,該指標為正指標,其值越大,區域水資源越豐富,越有利于區域土地生態系統的有效運行。

土壤質地 從博州土壤質地專題數據中獲取,根據其土壤質地在自然界中的穩定性及維系土地生態系統穩定性的重要程度劃分,考慮到沒有哪一類是完全安全的或完全不安全,故最高的量化值為0.9,最低的量化值為0.1,基巖、湖泊、冰川雪被賦值為0.9,壤質、礫質、黏質、沙質分別賦值為0.7、0.5、0.3、0.1。

景觀破碎度 區域景觀斑塊數/土地總面積,該指標為逆指標,其值越大,區域景觀破碎化程度越高,土地生態系統越不穩定。

荒漠化率 區域(前一時期荒漠化面積-后一時期荒漠化面積)/時間間隔,該指標為逆指標,其值越大,區域荒漠化速率越快,表明該區域的土地生態系統出現缺陷,土地生態安全程度低。

耕地面積比重 即鄉鎮耕地面積與土地總面積的百分比,該指標為逆指標,其值越大,區域經濟發展越依賴農業經濟,不利于區域土地生態結構的合理發展。

耕地的灌溉比率 即耕地有效灌溉面積/耕地面積,可表征區域水土資源的協調發展狀況,該指標為正指標,其值越大,水土協調發展的狀況越好,耕地資源抗旱能力越強,土地生態系統越安全。

土地利用類型 利用ENVI中的監督分類方法從Landsat數據中獲取,根據其在自然界中的穩定性及維系土地生態系統穩定性的重要程度劃分,水體、林草地、耕地、鹽漬地分別賦值為0.9、0.7、0.5、0.3,其他(建設用地、戈壁、荒漠等)賦值為0.1。

路網密度 即鄉鎮境內道路總里程/土地總面積,該指標為正指標,其值越大,區域內部級同鄰域間的交互性越強,有利于土地生態安全維護。

人均GDP 即GDP/人口數,該指標為正指標,其值越大,鄉鎮社會經濟發展水平越高,維護土地生態安全的能力也就越強。

單位面積的機械化水平 即農業機械總動力/耕地面積,可表征土地生態安全的科技水平,該指標為正指標,其值越大,耕地利用的科技水平和效益越高,有利于土地生態系統的健康運行。

第三產業比重 即第三產業產值/GDP,第三產業自然資源消耗少、環境污染較輕,該指標為正指標,其值越高,區域產業水平也越高,對土地生態系統的壓力也越小。

城市化水平 即城鎮人口/總人口,表征鄉鎮城市建設用地的集約化水平,該指標為正指標,其值越大,區域城鎮人口越多,城鎮建設用地越集約,對外界資源的吸引力越大。

2.2.4 土地生態安全模型

土地生態安全指數(Land Ecological Security, LES)是衡量一個區域土地生態安全程度的模型,它能夠根據各評價指標數據,判斷出區域土地生態安全狀況,值在0—1之間。LES計算模型為：

(3)

式中,LES為某個鄉鎮的土地生態安全指數,Pi為第i個指標標準化后的值,wi是第i個指標的權重。

2.2.5 評判標準

評判標準劃分在以往的研究中,常將土地生態安全程度由低到高依次劃分為不安全、較不安全、臨界安全、較安全、安全5個評價等級,即在絕對意義下對應的安全綜合指數分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1。分級標準過于絕對,導致分類結果與實際偏差過大。本文首先分析研究區生態系統狀況并參照相關文獻[22,28,38],確定博州土地生態安全指數的安全程度及相應的區域生態系統特征,結合2014年野外考察數據,包括：GPS信息、景觀照片、鄉鎮基本信息等,選擇了40個空間信息點,邀請了5位相關領域專家對信息點的生態系統特征進行判讀、并歸類；運用ArcGIS中的自然斷點分類工具對博州土地生態安全指數進行分類,再綜合空間信息點對應的土地生態安全指數值、專家判讀分類,并對自然斷點分類結果進行適當調整,得出博州土地生態安全評價等級標準(表3)。

2.3 空間自相關分析

空間自相關性的指標可分為全局指標和局部指標兩種[25]：全局指標用于驗證整個研究區域某一要素的空間相關關系,而局部指標則用于反映整個大區域中的一個局部小區域單元上的某種地理現象或某一屬性與相鄰局部小區域單元上同一現象或屬性的相關程度。本研究中運用全局空間自相關指標Moran′sI和局部空間自相關指標(LISA)來分析博州土地生態安全的空間特征。Moran′sI和LISA指標的計算公式如下：

(4)

表3 博州土地生態安全評價等級標準

LISA是將Moran′sI分解到各個空間單元,即Local Moran′sI。對于某一個空間單元i,LISA計算公式為：

(5)

(6)

3 結果與分析

3.1 博州土地生態安全結構特征分析

基于P-S-R評價指標體系,利用公式(3)計算得出2011年和2014年博州地區各鄉鎮的準則層和目標層的土地生態安全狀況(表4)。為清晰描述博州LES的時空變化,運用軟件ArcGIS根據LES等級標準繪制出博州各鄉鎮LES空間狀況(圖2)。

就博州各鄉鎮的LES水平而言,2011年和2014年博州大部分鄉鎮的LES處于Ⅲ級,僅小營盤鎮、安格里鄉和查干屯格鄉等達到Ⅱ級,而托托鄉則處于Ⅳ級。博州各鄉鎮的壓力子系統多處于Ⅱ級,而作為當地市、縣的行政中心,如：城區街道、精河鎮和博格達爾鎮的壓力子系統僅處于Ⅳ級、Ⅴ級,表明行政中心面臨著環境、資源和社會的巨大壓力,生態功能退化、生態系統結構不完整,而非行政中心的鄉鎮,其環境、資源和社會壓力相對較小,生態系統結構較為完善；博州各鄉鎮的狀態子系統則表現為：小營盤鎮處于Ⅰ級,溫泉縣各鄉鎮處于Ⅱ級,精河縣和博樂市的多數鄉鎮均處于Ⅲ級,其主要原因是溫泉縣和小營盤鎮境內,水資源豐富、生物多樣性強,具有穩定生態系統結構,而精河縣和博樂市境內雖有豐富的水資源,但境內荒漠、戈壁、裸地等面積較大,導致其生態系統結構較為脆弱、敏感,抗干擾能力較弱；博州各鄉鎮的響應子系統表現為：行政中心壓力子系統處于Ⅰ級,而其余鄉鎮則多處于Ⅲ級和Ⅳ級,表明行政中心對生態系統可持續發展相關的政策和措施,具有高效的執行力,并取得了良好反饋,而非行政中心受其地緣關系影響,對相關政策、措施的執行效率較低,反饋較弱。

表4 博州各鄉鎮土地生態安全狀況

表示改善,表示惡化,—表示不變

圖2 博州各鄉鎮土地生態安全指數示意圖Fig.2 Sketch map of land ecological security index of township in Bortala

就博州各鄉鎮的LES變化信號而言,博樂市的城區街道、精河鎮、博格達爾鎮和貝林哈日莫墩鄉有所改善,達勒特鎮變化不顯著外,但其他各鄉鎮的LES狀況均有所惡化。與此同時,2014年各鄉鎮的壓力子系統均有所改善,表明人類對環境、資源施加的壓力有所減小,區域生態系統結構有所改善,比如：各鄉鎮的人均糧食產量均有一定的提升,單位耕地的化肥使用量有所減少等；博州各鄉鎮的狀態子系統則表現為：溫泉縣所有鄉鎮、小營盤鎮、烏圖布拉格鎮、青得里鄉、大河沿子鎮和茫丁鄉惡化程度較大,其余鄉鎮則是小幅改善,其主要原因是：區域植被NDVI普遍下降、森林覆蓋率降低、香農多樣性指數減小、區域景觀破碎化度增加,狀態子系統惡化最嚴重的哈日布乎鎮,其區域NDVI水平由0.42下降至0.38,森林覆蓋率由23.00%減少至19.80%,香農多樣性指數由1.34下降至1.28,破碎化程度由0.21個/hm2增加至0.30個/hm2；博州各鄉鎮的響應子系統表現為：多數鄉鎮響應子系統變化不顯著,但托里鄉響應子系統惡化較為嚴重,由0.56下降至0.45,其主要原因是托里鄉的耕地面積比重由7.49%上升至14.34%,嚴重影響到了區域生態結構的穩定,而其第三產業比重由15.54%下降至12.03%也是其響應子系統惡化的另一原因。總之,受狀態子系統惡化及響應子系統響應不到位的影響,博州多數鄉鎮的LES狀況呈惡化現象,而行政中心受益于高效的響應子系統,城區街道、精河鎮和博格達爾鎮的LES有所改善。

3.2 博州土地生態安全時空格局分析

為展布鄉鎮內部土地生態安全的空間差異,根據公式(3)將標準化后的圖層在ArcGIS中疊加計算,求得博州2011年和2014年的LES(圖3),并通過ArcGIS對博州2011年和2014年的LES作轉移矩陣分析,見表5。

圖3 博州土地生態安全指數空間格局Fig.3 Spatial pattern of land ecological security index in Bortala

年份Year土地生態安全等級Landecologicalsecuritylevel2011ⅠⅡⅢⅣⅤ合計Total2014Ⅰ1125.9690.6078.9433.920.111329.55Ⅱ754.721319.99400.58336.6412.702824.63Ⅲ301.79843.421819.73746.55147.993859.47Ⅳ125.29736.122555.336076.391356.5310849.65Ⅴ0.6442.09658.241102.984171.035974.98合計Total2308.343032.225512.828296.475688.36

在空間上,土地生態安全分布格局極不平衡,Ⅰ級和Ⅱ級區域主要為艾比湖、賽里木湖、精河綠洲及溫泉北部的阿拉套山脈,Ⅲ級區域主要分布在綠洲-荒漠交錯帶,Ⅳ級和Ⅴ級區域主要集中在艾比湖東部和東南部的荒漠區域、精河綠洲西部的戈壁區域和南部及溫泉縣的西部。在2011年,除了研究區東部的托托鄉、茫丁鄉、精河鎮和托里鄉有大面積Ⅳ級和Ⅴ級區域外,其他鄉鎮多處于Ⅱ級和Ⅲ級水平,賽里木湖和艾比湖的生態安全水平為最高(Ⅰ級)。至2014年,研究區東部地區不安全狀況有所改善,但Ⅳ級仍大范圍存在,尤其是研究區中西部,大面積Ⅱ級區域轉化為Ⅳ級區域,區域生態安全狀況明顯惡化。研究區中部的烏圖布拉格鎮、達勒特鎮、貝林哈日莫墩鄉和大河沿子鎮在2011年和2014年的LES變化較小,大多數面積處于Ⅱ級水平。

在時間上,博州LES面積呈三減兩增的趨勢,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級區域面積減小,Ⅳ、Ⅴ級區域面積增加。其中,2014年Ⅰ級區域面積較2011年縮減42.40%,縮減面積主要在艾比湖沿岸,并在2014年轉化為Ⅱ、Ⅲ級；Ⅱ級區域面積縮減6.85%,縮減區域主要發生在阿拉套山和博爾塔拉河周邊；Ⅲ級區域由2011年的5512.82 km2縮減至2014年的3859.47 km2,降幅達29.99%,縮減區域主要發生在綠洲-荒漠交錯帶、阿拉套山和天山支脈婆羅科努山,Ⅲ級向Ⅳ級轉化的面積最大,高達2555.33 km2,其主要原因是2014年山區的年均NDVI較低,植被長勢較差；Ⅴ級向Ⅳ級轉化1356.53 km2,主要是因為木特塔爾沙漠和旦達蓋沙漠周邊的土地生態安全背景狀況雖有所改善,但受阿拉套山北麓植被長勢差的影響,Ⅴ級面積由2011年的5688.36 km2增加到2014年5974.98 km2。自2011—2014年,仍有大范圍LES由高向低轉化,說明博州土地生態安全狀況惡化,區域生態環境質量有所下降。

3.3 博州土地生態安全空間集聚特征

3.3.1 博州土地生態安全全局空間自相關

地理與生態現象常常表現出空間相關效應,而空間自相關分析方法可解釋單位屬性或現象的空間依賴關系。因此,通過軟件GeoDA對博州LES進行全局空間自相關分析,得出2011年和2014博州土地生態安全的Moran′s I指數分別為0.5990和0.6763,表明博州土地生態安全在空間上有較強的正相關。為了區分每一區域與其周邊區域LES的相互關系,運用GeoDA根據博州LES空間數據,建立基于空間距離關系的權重矩陣,并繪制Moran散點圖(圖4)。Moran散點圖由4個象限組成,分別為“高-高”空間關聯區(H-H),表明在這個區域內的點和其空間分布附近的區域LES都較高,多為Ⅰ級、Ⅱ級；“低-低”空間關聯區(L-L),表明在這個區域內的點和其空間分布附近的區域LES都較低,多為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級；“低-高”空間關聯區 (L-H),表明該區域LES低于周圍區域；而“高-低”空間關聯區 (H-L),則表明該區域LES高于周圍區域。H-H區和L-L區的LES的空間單元具有均質性,即可稱該區域在空間上具有較強的空間正相關性。而在L-H區和H-L區的LES的空間單元則具有異質性,則表示該區域存在較強的空間負相關。由圖4可知,2011年和2014年的博州LES主要集中在H-H區和L-L區,在H-L區和L-H區的相對較少,表明博州2011年和2014年的土地生態安全均具有較強的空間相關性,空間聚集格局顯著。

圖4 Moran 散點圖Fig.4 Moran scatter plot

3.3.2 博州土地生態安全局域空間自相關

為了更直觀地研究博州土地生態安全空間布局狀況,利用GeoDa生成2011年和2014年博州LES在95%置信度下LISA空間集聚圖(圖5)。

圖5 博州土地生態安全局部空間自相關集聚圖Fig.5 The cluster graph of local spatial autocorrelation in Bortala

由圖5知,2011年和2014年的博州LES的分布并非完全隨機性,而是表現出空間相似值之間的空間聚集,呈現高、低值集聚的特點；2011年和2014年博州均有大面積的H-H區和L-L區,而H-L區和L-H僅有少面積分布在H-H區和L-L區周圍,與此同時,空間局部自相關不顯著的區域則主要分布在博州南部和西部,主要在溫泉縣大部分鄉鎮、博樂市的青得里鄉和精河縣的大河沿子鎮。其中,2011年博州LES的H-H區主要分布在博州東部的托里鄉北部、大河沿子鎮北部、艾比湖,博州南部的賽里木湖,北部的阿拉套山和南部山區也有小面積H-H區；同時有較大面積的L-L區分布在博州東部的托托鄉、茫丁鄉、托里鄉南部,博州中部的青得里鄉、貝林哈日莫墩鄉,而西部則是扎勒木特鄉部分區域。2014年博州LES集群格局較2011年發生了明顯變化,中部H-H區向周圍擴散,小營盤鎮、塔秀鄉和哈日布乎鎮三鄉交界處,H-H區面積擴張,但艾比湖區域的H-H區面積縮減；博州北部的貝林哈日莫墩鄉和達勒特鎮交界、扎勒木特鄉的L-L區面積減小,而博州東部的茫丁鄉L-L區朝南擴張。表明隨著“生態文明”建設的實施,博州各鄉鎮開始重視生態建設,區域LES狀況得到改善,高值區對周圍的低值區有積極的影響。

總之,博州LES具有明顯地域性分布的特征,L-L區主要集中在博州東部地區,多為生態系統較單一的荒漠、戈壁區域；H-H區主要集中在綠洲區域和湖區,而博河河谷兩側山區相對較少。LES的H-H區,往往是土地系統可保障生命體適宜生存的區域,而LES的L-L區的土地系統則過于單一。

4 討論

鄉鎮壓力子系統和狀態子系統的安全程度明顯高于響應子系統,說明博州鄉鎮響應程度較低,尤其是博樂市和精河縣,主要原因在于博州不同區域地理環境和經濟發展水平差異較大,經濟發展水平高相對于經濟落后地區更具環境保護意識、且土地集約利用程度較高,導致鄉鎮土地生態安全的非均衡程度更高。但高度的土地集約利用,是經濟發展水平高的鄉鎮生態系統壓力過大、生態結構脆弱的主要原因。鄉鎮狀態子系統的安全狀況仍不容樂觀,主要原因是博州地處干旱區,生態結構脆弱、單一,易受NDVI、景觀指數等敏感指標的影響。本文優化選擇了25個指標構建博州土地生態安全評價指標體系,其中,敏感指標為NDVI、香農多樣性指數、景觀破碎度、荒漠化率、土地利用類型等,隨著研究區生態結構系統的惡化,NDVI水平下降、香農多樣性指數減小、景觀破碎度增大、林草地和耕地退化、水域萎縮,區域生態環境面臨嚴峻考驗,但在敏感指標中的荒漠化率僅為0.06%,相較于大幅惡化的生態環境,荒漠化率的自然響應不顯著,其主要原因是受生境惡化影響,茂密植被區轉化為稀疏植被區域,而Landsat數據無法有效得分離稀疏植被區與裸地。另外,指標體系中僅有水網密度和灌溉比率用于直觀描述博州水資源狀況,難以揭示下游荒漠地帶生態惡化的原因,但綜合考慮到博州境內水資源主要源自冰川融水,其次是自然降水,在耕地面積持續增加、農業用水量增加的情況下,博州人口密度小、工業不發達、第一產業比重大,表明該地區中上游農業用水過度是造成下游生態環境惡化的主要原因。同時,受限于不同區域灌溉用水量資料難以獲取,難以針對中上游農業用水量多寡對下游生態環境的影響程度做出定量分析。

博州土地生態安全的時空分布呈現出一定的規律性,綠洲區域、湖區及博河河谷兩側山區多為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級,以精河綠洲、賽里木湖、艾比湖和阿拉套山最為突出；而生態系統較單一的荒漠、戈壁區域多為Ⅳ級、Ⅴ級,如木特塔爾沙漠和旦達蓋沙漠[23]。但隨著木特塔爾國家沙漠公園的開發及旦達蓋沙漠旅游區的籌備,沙漠旅游區已為當地帶來發展機遇；而控制沙漠區域向外擴張的速率,積極發展沙漠旅游區,不僅可避免周圍區域土壤的退化,亦可為當地帶來經濟價值,是一種可持續發展戰略。與此同時,艾比湖濕地國家自然保護區和甘家湖白梭梭林自然保護區亦是Ⅲ級、Ⅳ級,保護區境內的土壤因受其海拔及干旱區強蒸騰影響,導致艾比湖周邊存在大片鹽漬地；雖然鹽漬地的存在導致區域生態多樣性減小,但鹽漬地表層的鹽殼可有效阻礙水土流失、風蝕及沙丘的移動,間接而有效得保護了周邊的生態環境[30]。

2012年底,我國通過“十八大”開始大力推進“生態文明”建設,博州城鎮土地集約化、城市化水平提高,第三產業比重增加、當地經濟重心由第一產業逐漸向第三產業轉移,科技水平提升、單位土地機械化水平提高,路網密度增加、區域資源交互流通性增強,單位耕地農藥量、地膜使用量減少,2014年博州各鄉鎮的土地生態安全社會響應均優于2011年,說明博州政府很好得踐行了“生態文明”的戰略決策,提高了區域土地生態安全的響應能力、減輕了區域土地的生態壓力。雖然2014年博州土地生態安全響應子系統和狀態子系統均優于2011年,但2014年博州各鄉鎮土地生態安全壓力子系統呈惡化現象,其主要原因是博州地處我國西北干旱生態脆弱地區,氣候條件較為惡劣,土地生態系統穩定性低,2014年受區域降水量少、耕地用水量增加、綠洲-荒漠交錯區鹽漬化現象加重,同時,山區林草地景觀破碎化加劇,這些現象是導致博州2014年LES下降的主要原因,脆弱的自然條件為博州提高自身土地生態安全程度增加了難度[1,8,21]。其次,非行政中心鄉鎮受限于政策執行力度、資源分配等問題,社會響應提升有限。雖然社會經濟的優化發展提高了區域LES,但受限于干旱區的土地生態結構處于較低水平,博州土地生態安全整體狀況仍亟待改善。在社會經濟快速發展的同時,應著重于生態文明建設,保護土地生態環境,從而保障區域土地生態安全狀況。因此,建議行政中心所在鄉鎮應通過發展高集約化、多功能生態產業,滿足都市人群需求；其他鄉鎮在結合自身實際情況,堅持生態優先,結合各個鄉鎮空間功能的差異性以及各區域特色,因地制宜的調整各鄉鎮的產業結構和生產格局；而小營盤鎮、茫丁鄉水源涵養區和托托鄉的生態保護發展區,要深入挖掘本地區的資源優勢,發展生態旅游業和沙漠生態特色農業。

5 結論

P-S-R框架模型是目前評估區域土地生態安全變化最為廣泛的方法之一,然而在評估社會-經濟-土地生態背景結合下鄉鎮尺度土地生態安全研究相對較少。本文嘗試在綜合考慮各鄉鎮的社會經濟發展情況及區域土地的基本生態狀況,從鄉鎮級土地生態安全評價視角出發,得出如下結論：

(1) 博州大部分鄉鎮的土地生態安全狀況處于臨界安全水平,僅小營盤鎮、安格里鄉和查干屯格鄉等達到了較安全水平,而托托鄉則處于較不安全水平。2011—2014年,除博樂市的城區街道、精河鎮、博格達爾鎮和貝林哈日莫墩鄉的土地生態安全狀況有所改善,其他各鄉鎮均有所惡化。

(2) 博州土地生態安全狀況惡化區域的主要問題是植被群落長勢差、生態環境惡化、人類社會面對脆弱環境的響應措施效果差,而改善區域的主要原因是人們高效的環境保護措施、社會對生態環境施加的壓力減少。

(3) 博州土地生態安全狀況具有明顯地域性分布的特征,低值區多集中于博州東部地區,多為生態系統較單一的荒漠、戈壁區域；高值區多集中綠洲區域和湖區,而博河河谷兩側山區相對較少。

總之,研究結果較客觀地反映了博州土地生態安全變化的特征,評價結果基本符合博州鄉鎮發展的實際, 體現了P-S-R指標體系在評估鄉鎮土地生態安全的可行性,突出了所選指標的敏感性和重要性,可為區域生態保護協調推進與鄉鎮可持續發展提供理論指導。同時,受限于鄉鎮資料的獲取難度,構建的指標體系有待進一步完善。

致謝：感謝美國孟菲斯大學地球科學系Hsiang-te KUNG教授,澳大利亞CSIRO水土資源研究所陳蕓研究員對寫作的幫助。

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Spatial-temporalpatternoflandecologicalsecurityatatownshipscaleinthebortalamongolianautonomousprefecture

YU Haiyang1,2, ZHANG Fei1,2,3,*, CAO Lei1,2, WANG Juan1,2, YANG Shengtian1,4

1CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China2KeyLaboratoryofOasisEcology,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China3KeyLaboratoryofXinjiangWisdomCityandEnvironmentModeling,Urumqi830046,China4CollegeofGeographyandRemoteSensingScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Regional land ecosystem is facing deterioration from the rapid growth of urbanization. In order to promote sustainable development of the land ecosystem, it is necessary that we evaluate regional land ecological security. Many researchers have studied and evaluated for regional land ecological security; however, most of the evaluation was based on watershed and county scale, and few researches focused on the township scale. In this study, Bortala Mongolian Autonomous Prefecture (i.e. Bortala) in Xinjiang Uygur Automous region was taken as study area, and Remote Sensing (RS), Geographical Information System (GIS), and Global Position System (GPS) technologies were adopted to analyze temporal and spatial perspectives of land ecological security in Bortala. On the basis of the natural geographic features and socio-economic situation of Bortala, we constructed the pressure-state-response (P-S-R) land ecological security evaluation model (township scale) in Bortala. Based on the two period′s data of statistic yearbook and remote sensing in 2011 and 2014, we first constructed the index system, using 25 indices reflecting regional P-S-R. The entropy weight and analytic hierarchy process methods were used to determine the indices weight of Bortala P-S-R model. Finally, the land ecological security index of Bortala was calculated with the data obtained from the P-S-R model by GIS Grid. The results show that: (1) The land ecological security index had deteriorated from 2011 to 2014 in Bortala. Between 2011 and 2014, 2555.33 km2of level III (grade of security) transferred to level IV, which deteriorated areas mainly concentrated in Wenquan County; 1356.53 km2of level V transferred to level IV, which improved areas concentrated in the Mangding town and Tuotuo town of Jinghe County. (2) The land ecological security index of most towns was at level III in Bortala, which respected the ecological structure of these towns were not stable. (3) The spatial difference of land ecological security index was obvious in Bortala, the worst places were located in the eastern desert, and the best places were concentrated in the central oasis and lake. The evaluation results and major environment problems may help the local government finding inappropriate and inadequate for Bortala development. Bortala Prefecture is a drought-prone and ecologically vulnerable region in the Northwest region. Temporary land use regulation cannot guarantee long-term regional ecological balance and security. In this study, we recommend increased attention on regional ecological protection and sustainable development for villages and towns.

township scale; land ecological security; P-S-R model; Bortala Mongolian Autonomous Prefecture

新疆維吾爾自治區青年科技創新人才培養工程項目(2013731002)；國家自然科學基金項目(41361045，41130531)；新疆綠洲生態(教育部省部共建)重點實驗室開放課題(XJDX0201- 2012-01)

2016- 07- 08; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 05- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangfei3s@163.com

10.5846/stxb201607081406

于海洋,張飛,曹雷,王娟,楊勝天.基于鄉鎮尺度的土地生態安全時空格局評價研究——以博爾塔拉蒙古自治州為例.生態學報,2017,37(19):6355- 6369.

Yu H Y, Zhang F, Cao L, Wang J, Yang S T.Spatial-temporal pattern of land ecological security at a township scale in the bortala mongolian autonomous prefecture.Acta Ecologica Sinica,2017,37(19):6355- 6369.