基于景觀指數(shù)的干旱區(qū)河谷縣域土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析及預(yù)測

吳 楠, 張永福, 李 瑞

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046)

土地利用是指人類經(jīng)濟(jì)、社會等活動利用土地獲得物質(zhì)產(chǎn)品的一系列經(jīng)濟(jì)、社會行為，人類通過與土地進(jìn)行的物質(zhì)、能量的轉(zhuǎn)換和價(jià)值、信息的交流來對土地加以利用。土地利用總體規(guī)劃是指從全局和人類社會發(fā)展的長遠(yuǎn)利益出發(fā)，長期規(guī)劃區(qū)域內(nèi)各類用地的結(jié)構(gòu)和布局并對用地進(jìn)行調(diào)整或配置。隨著區(qū)域人口的快速增長和城市化的發(fā)展、工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，干旱區(qū)河谷城市土地利用率降低、土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)加大等生態(tài)問題凸顯[1]。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是指在一定的區(qū)域內(nèi)，具有不確定性的事故、災(zāi)害和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)及其組分所產(chǎn)生的不利作用進(jìn)而使生態(tài)系統(tǒng)承受的風(fēng)險(xiǎn)[2]。這種風(fēng)險(xiǎn)指對生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能所造成的損害，從而危及到生態(tài)系統(tǒng)的安全和健康[3-4]。土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)在人類利用土地時(shí)受到的人為破壞、自然災(zāi)害或者環(huán)境污染等諸多因素交互作用時(shí)所造成的風(fēng)險(xiǎn)問題[5]。其影響范圍、時(shí)間以及產(chǎn)生的后果也是比較難以預(yù)測的。研究土地利用變化及其對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，對了解生態(tài)環(huán)境和土地資源的合理利用以及恢復(fù)和治理有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義，也能為生態(tài)安全條件下制定土地利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)[6-7]。

近幾年，干旱區(qū)河谷城市土地資源利用不合理、土地生產(chǎn)力下降等土地生態(tài)安全問題隨著城市化進(jìn)程不斷顯現(xiàn)[8]。特克斯縣位于伊犁河谷上游的特克斯河谷地東段。伊犁河谷的綠洲是一個(gè)受干旱區(qū)自然和人文因素雙重影響的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，河谷綠洲城市是人類生產(chǎn)、生活的集聚中心，也是人與生態(tài)環(huán)境關(guān)系最為敏感的區(qū)域[9]。因此，本文選取新疆伊犁州特克斯縣作為研究區(qū)，初步探索研究伊犁河流域綠洲城市土地利用變化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及所產(chǎn)生的社會、人文、環(huán)境等效應(yīng)，以期為特克斯縣乃至伊犁地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供實(shí)證參考。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州特克斯縣位于天山西部的伊犁河谷下游，特昭盆地東端，位于東經(jīng)81°15′—82°45′，北緯42°20′—43°30′。全縣總面積8 066.45 km2，2015年全縣總?cè)丝跀?shù)達(dá)17.53萬人。西鄰伊犁昭蘇縣，南接阿克蘇拜城縣，東南與巴州和靜縣相鄰，東面與東北面相接伊犁鞏留縣，西北是伊犁察布查爾錫伯自治縣。特克斯縣是個(gè)山區(qū)縣，地形大致可分為河谷平地、淺山丘陵和山地3種類型，河谷平地是特克斯縣牧業(yè)的主要春秋草場。境內(nèi)有伊犁河分支特克斯河和庫克蘇河兩條大河，水系密度很大。土壤類型眾多；氣候適宜，屬于北溫帶大陸性氣候；礦產(chǎn)資源豐富，品種較多；其旅游資源獨(dú)具特色，特克斯縣縣城是世界上唯一保存完整、建筑正規(guī)、規(guī)模最大的“八卦城”，于2007年5月被列為國家歷史文化名城。近些年來，特克斯縣存在建設(shè)用地占用大量耕地、土地利用集約程度較低、新增耕地少、開發(fā)難度較大等土地利用問題。此外，城市建設(shè)、社會經(jīng)濟(jì)高速的發(fā)展和資源無節(jié)制的開發(fā)利用導(dǎo)致了一系列的生態(tài)環(huán)境惡化。面臨來自土地利用的生態(tài)環(huán)境的壓力與挑戰(zhàn)，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題成為地理生態(tài)學(xué)者共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

1.2　數(shù)據(jù)來源與處理

通過USGS網(wǎng)站分別下載2008年6月26日與2015年6月29日的天氣狀況較好的Landsat 8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。利用ENVI 4.8軟件對兩幅遙感影像分別進(jìn)行輻射校正和幾何糾正、圖像整飾、投影變換、鑲嵌、特征提取等一系列圖像預(yù)處理，根據(jù)國土部公布的土地分類標(biāo)準(zhǔn)以及特克斯縣的LUCC特征將研究區(qū)劃分為耕地、林地、園地、牧草地、建設(shè)用地、交通用地、水域、其他用地這8種土地類型。對遙感影像建立解譯標(biāo)志后進(jìn)行監(jiān)督分類直至滿足精度要求為止，采用誤差矩陣對分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，以Kappa系數(shù)作為參考指標(biāo)，經(jīng)檢驗(yàn)，兩期遙感影像精度值都達(dá)到了85%以上，符合本次研究需求。

結(jié)合特克斯縣1∶5萬土地利用現(xiàn)狀圖、特克斯縣1∶10萬土地利用地形圖以及《特克斯縣統(tǒng)計(jì)年鑒》(2008—2015年)，利用ArcMap 9.3軟件對兩期影像進(jìn)行數(shù)據(jù)矢量化后通過統(tǒng)計(jì)分析功能和計(jì)算功能得到特克斯縣土地利用/土地覆被變化數(shù)據(jù)，2015年土地利用/覆蓋情況見圖1(扣除兵團(tuán))。

圖1　2015年特克斯縣土地利用/覆蓋情況

1.3　研究方法

1.3.1采樣方法根據(jù)特克斯縣土地利用類型的面積及覆蓋情況，利用ArcMap 9.3軟件，采用3 km×3 km的單元網(wǎng)格將景觀格局進(jìn)行網(wǎng)格化，本次研究采用的是等間隔距離采樣法，最終形成844個(gè)樣本區(qū)(圖2)，使得空間分異特征更明顯的體現(xiàn)。并計(jì)算出844個(gè)樣區(qū)內(nèi)各土地要素的綜合風(fēng)險(xiǎn)值。

圖2　生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)樣地劃分

1.3.2灰色預(yù)測模型灰色預(yù)測模型是通過使用一定的數(shù)學(xué)方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理后，將其以借助于動態(tài)微分方程的形式來對其內(nèi)在特征進(jìn)行描述，從而建立了的抽象系統(tǒng)的動態(tài)演化模型[10-11]。

(1)

GM(1，1)模型所配套的標(biāo)準(zhǔn)解如下：

(2)

式中：a，u為未知的尚待確定參數(shù)；t為時(shí)間。

為了提高GM(1，1)模型預(yù)測結(jié)果的科學(xué)性，本次研究利用后驗(yàn)差檢驗(yàn)法對其預(yù)測結(jié)果進(jìn)行精度校驗(yàn)。其表達(dá)式為[13]：

(3)

1.3.3生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)利用各土地要素的面積及所占總面積的比例得出特克斯縣生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)ERI[14-15]。通過構(gòu)造LUCC與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系，從而描述844個(gè)風(fēng)險(xiǎn)樣區(qū)的土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的相對大小，其表達(dá)式為：

(4)

式中： ERI為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；N為土地要素的總數(shù)量；A為土地總面積；Ai為第i類土地要素的面積；Ri為第i種土地要素所反映的損失指數(shù)。

Ri表示各土地要素遭遇干擾時(shí)所受到的生態(tài)損失的差別。干擾度指數(shù)Si和脆弱度指數(shù)Fi的乘積即為所求第i種土地要素所反映的損失指數(shù)Ri[16]。

(1) 干擾度指數(shù)。由于不同的景觀類型在抵抗外界干擾能力、保護(hù)生物多樣性、完善生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、促進(jìn)土地要素自然演替等方面的作用是有差別的[17]，所以本研究以特克斯縣LUCC為依據(jù)，構(gòu)建能體現(xiàn)景觀受到外界干擾程度的指數(shù)干擾度指數(shù)Si，干擾度指數(shù)Si是通過對景觀破碎度指數(shù)Ci、景觀分離度指數(shù)Ni和景觀優(yōu)勢度指數(shù)Di三者賦權(quán)重再經(jīng)疊加后獲得的。由于不同景觀類型量綱存在差異，所以需要對分析得出的景觀破碎度指數(shù)、景觀分離度指數(shù)和景觀優(yōu)勢度指數(shù)進(jìn)行歸一化處理。用a，b，c分別表示景觀類型的各指標(biāo)的權(quán)重值，并且要求a+b+c=1根據(jù)分析權(quán)衡，并綜合前人研究成果[18-19]，將0.5，0.3，0.2這3個(gè)權(quán)重值分別賦予Ci，Ni，Di。所以最終得到的表達(dá)式為[20]：

Si=0.5Ci+0.3Ni+0.2Di

(5)

(2) 脆弱度指數(shù)。景觀脆弱度指數(shù)表示不同生態(tài)系統(tǒng)的易損性。景觀脆弱度指數(shù)通過將各類生態(tài)系統(tǒng)按照脆弱度排序后進(jìn)行歸一化，即由各排序值與排序值總和之比獲得。綜合各類景觀的脆弱性的特點(diǎn)，將特克斯縣8類土地類型按脆弱程度由高到低賦值[21]：8其他用地、7水域、6園地、5耕地、4草地、3林地、2交通用地、1建設(shè)用地。各土地要素的脆弱度指數(shù)Fi由歸一化處理后得到。將歸一化的值域范圍設(shè)定為[0.1，0.9][22-23]，其主要原因是為了便于分析與計(jì)算。

1.3.4生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級方法本文對生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級的劃分主要是參考以往學(xué)者的研究結(jié)果[24-25]，將特克斯縣生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)級別等距劃分為5個(gè)等級： ERI≤0.025(低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn))，0.0250.1(高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn))。

1.3.5空間分析方法由于半方差函數(shù)能很好地反映地理現(xiàn)象的空間分布規(guī)律，因此本文利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法完成研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分異特征分析,即在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)采樣的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS 9.3統(tǒng)計(jì)分析模塊(Histogram模塊),計(jì)算出半變異函數(shù)[26]，公式如下：

(6)

式中：y(h)為變異函數(shù)；Z(xi)，Z(xi+h)為系統(tǒng)某屬性Z在空間位置xi，xi+h處的值；N(h)為樣本對數(shù)；h為空間距離。

2　結(jié)果與分析

2.1　土地利用結(jié)構(gòu)動態(tài)變化

由表1可見，特克斯縣2008—2015年8種土地利用類型都有一定的變化，其中耕地、園地、林地、建設(shè)用地、交通用地呈增加趨勢，其中建設(shè)用地增加1 075.25 hm2，而牧草地、水域和其他用地有明顯的下降,其中牧草地減少5 104.39 hm2。耕地、園地以及林地面積的增加說明特克斯縣的農(nóng)業(yè)土地利用按市場規(guī)律進(jìn)行配置，建設(shè)用地和交通用地面積的增加反映了由于人口增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致的道路交通和建設(shè)用地的擴(kuò)張態(tài)勢。牧草地面積減少的原因是由于牧區(qū)的牧民頻繁的放牧現(xiàn)象而導(dǎo)致的對牧草地的嚴(yán)重破壞，水域面積的減少是自然因素和人類活動綜合作用的結(jié)果，而其他用地的減少說明特克斯縣土地利用程度有所提高，未利用土地通過土地復(fù)墾、土地開發(fā)、土地整理等方式轉(zhuǎn)換成為人類可以利用的土地。通過灰色預(yù)測法預(yù)測出特克斯縣2020年的土地利用類型面積，2015—2020年耕地、建設(shè)用地和交通用地明顯增加，其中建設(shè)用地增加182.91 hm2，牧草地和其他用地明顯減少，牧草地減少1 992.88 hm2，園地、林地和水域變化不明顯面積幾乎沒發(fā)生變化。

表1　特克斯縣土地利用類型面積變化

2.2　土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

根據(jù)土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算方法以及預(yù)測模型，分別計(jì)算出特克斯縣2008年、2015年和2020年的景觀破碎度Ci、景觀分離度Ni、景觀優(yōu)勢度Di、干擾度指數(shù)Si、脆弱度指數(shù)Fi，繼而得出每種景觀類型的損失度指數(shù)Ri并最終計(jì)算出2008年、2015年和2020年的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)ERI。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　2008年、2015年、2020年景觀指數(shù)

由表2可知，8種土地利用類型中建設(shè)用地Ri最大，交通用地Ri最小。2008—2015年，建設(shè)用地斑塊數(shù)目和面積都有明顯的增加的趨勢，但是由于面積的增長幅度小于斑塊的增長幅度，導(dǎo)致建設(shè)用地的景觀破碎度Ci和景觀分離度Ni逐漸減小，由此可得知建設(shè)用地的空間分布特點(diǎn)由研究初期的小塊隨機(jī)分散分布變?yōu)檫B片集中分布。交通用地的面積較小，斑塊數(shù)也不多，說明在空間分布上較集中，破碎化程度低，斑塊個(gè)體分離程度小，因此計(jì)算得到的破碎度指數(shù)和分離度指數(shù)都較小。2015—2020年，建設(shè)用地景觀分布聚合度上升，交通用地景觀依舊向著破碎化方向發(fā)展，相比于2008—2015年，人為干擾加劇，這反映出土地隨著人類活動加劇使其完整性變異。

12年間，特克斯縣土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。通過計(jì)算可以得到，2008年、2015年、2020年特克斯縣生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)ERI分別為0.025，0.029，0.035。特克斯縣城鎮(zhèn)用地和基礎(chǔ)設(shè)施用地需求量進(jìn)一步增長，不可避免會占用部分耕地，使得生態(tài)環(huán)境趨于惡化。隨著新疆維吾爾自治區(qū)“環(huán)保優(yōu)先，生態(tài)立區(qū)”理念的提出，特克斯縣作為首批“兩個(gè)可持續(xù)發(fā)展”的典范，堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)并重，其生態(tài)安全問題將得到一定的改善。

2.3　生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)演變分析

利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)方法，對特克斯縣2008年、2015年和2020年土地利用類型變化的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行分級。特克斯縣2008年、2015年和2020年各等級的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比例都存在一定的差異(圖3)。2008年低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占總面積的1.89%，較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占23.39%，中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占57.77%，較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占16.31%，高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占的0.64%。2015年低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占總面積的1.99%，較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占23.34%，中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占57.08%，較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占16.81%，高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占的0.79%。預(yù)計(jì)2020年低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占總面積將增加至2.02%，較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)減少至23.32%，中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)減少至56.81%，較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增加至17.04%，高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增加至0.81%。總體來看特克斯縣2008—2015年各風(fēng)險(xiǎn)等級地類面積增減幅度不太大，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積減少較多，轉(zhuǎn)化為較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。2015—2020年生態(tài)環(huán)境整體趨于惡化，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積依舊呈增長趨勢。2008—2020年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間變化分布圖見圖4(扣除兵團(tuán))。

圖3　不同等級生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在各年所占比例

圖4　2008-2020年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間變化分布

3　結(jié) 論

(1) 通過對特克斯縣LUCC進(jìn)行分析得出，2008—2020年特克斯縣的8種土地利用類型的面積以及占比都有一定的變化，其中耕地、園地、林地、建設(shè)用地、交通用地呈增加趨勢，而牧草地、水域和其他用地有明顯的下降。隨著人口規(guī)模的發(fā)展和GDP的增長，人類活動對土地利用結(jié)構(gòu)的變化起到了決定性作用。

(2) 由于土地利用結(jié)構(gòu)的不同，從而導(dǎo)致了研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的差異。通過對研究區(qū)的生態(tài)安全進(jìn)行研究分析，2008—2020年研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)總體呈增長的趨勢。土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)ERI由2008年的0.025增長到2015年的0.029。為了打造國際知名的易經(jīng)文化生態(tài)旅游目的地，特克斯縣縣城空間發(fā)展采取了跳躍式建設(shè)九宮新城，保護(hù)八卦老城的城市發(fā)展策略，確定了位于老城區(qū)東部的特克斯新城區(qū)九宮形制的城市格局。發(fā)展新城區(qū)的同時(shí)使得生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的下降是必然趨勢，因此，研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境形式趨于惡化。

(3) 根據(jù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間變化分布圖和不同等級生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在各年所占比例圖表可以得出，特克斯縣高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積增加，整體轉(zhuǎn)移趨勢是由中等風(fēng)險(xiǎn)向高等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在特克斯縣九宮新城區(qū)和八卦老城區(qū)周圍。這可能是由于新老城區(qū)人口集中并逐漸增長，建設(shè)用地面積也隨著人口的增加不斷擴(kuò)大。

為了模擬和預(yù)測隨著研究區(qū)發(fā)展所造成的區(qū)域生態(tài)環(huán)境的演變交替狀況，本文進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與分析，以此將研究區(qū)的發(fā)展與生態(tài)環(huán)境緊密的聯(lián)系起來，繼而為服務(wù)于區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。總體來看，本文的研究成果可對特克斯縣土地利用管理、生態(tài)環(huán)境整治與恢復(fù)起到有效的引導(dǎo)作用。將土地利用變化和景觀生態(tài)學(xué)方法有機(jī)結(jié)合起來是研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境的有效方式。今后特克斯縣應(yīng)對土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級高的區(qū)域加強(qiáng)土地利用管理，應(yīng)在新老城區(qū)減少土地覆被格局的破碎度和分離度，維護(hù)和提高土地利用的生態(tài)服務(wù)功能。縣城南部有大面積的牧草地，隨著人類活動和城鎮(zhèn)發(fā)展存在的潛在的風(fēng)險(xiǎn)不可小覷，應(yīng)堅(jiān)持在牧區(qū)開展現(xiàn)代化土地綜合管理，開展牧區(qū)資源環(huán)境與災(zāi)害宣傳教育，在發(fā)展的同時(shí)保護(hù)牧草資源，預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)和調(diào)控人類活動，防患于未然。

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