極端干旱區綠洲生態用地規劃

劉枝軍,王宏衛,*,楊勝天,,王媛媛,王 盼,李根生

1 新疆大學資源與環境科學學院 烏魯木齊 830046 2 綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046 3 北京師范大學水科學研究院,北京 100875

近年來,隨著社會經濟的快速發展以及城鎮化的加速,由于土地資源的不合理開發,導致了一系列環境問題,嚴重威脅著人類社會的健康發展,為此保障區域生態用地的合理規劃和利用已成為社會重大需求[1- 2]。生態用地指的是區域或城鎮土地中以提供生態系統服務功能為主的土地利用類型,即能夠直接或間接改良區域生態環境、改善區域人地關系(如維護生物多樣性、保護和改善環境質量、減緩干旱和洪澇災害和調節氣候等多種生態功能)的用地類型[3]。生態用地具有涵養水源、調節小氣候、凈化空氣、保護野生生物、提供游憩場所等生態功能,是一個區域生態環境質量好壞的晴雨表[4]。2000年,國家發布的《全國生態環境保護綱要(國發[2000]38號)》中提到了“生態用地”這一詞語,凸顯出國家對生態環境保護的重大關切[5]。與此同時,隨著人們生活水平的逐步提高,人們對生活質量的要求也越來越高,在這種背景下,合理規劃生態用地,保護必需的生態用地,使其發揮良好的生態環境調節功能,是保障區域生態安全、提高居民生活質量的重要保障。

目前,國內外在對生態用地規劃方面進行了多種的研究,王海鷹等通過對蟻群算法進行改進,構建了廣州市生態用地規劃模型,對城市生態用地的空間布局進行配置,提高了城市生態用地生態效益和空間集約性[6],張騫等采用RS、GIS技術以及生態系統服務價值評估等方法,對重慶市主城九區1988、1996、2004、2013年4個時段遙感影像進行解譯及比較分析,結果表明在重慶市主城九區生態用地空間格局與生態系統服務變化之間存在密切相關性[7];朱敏等利用GIS技術選取高度、坡度、水資源安全作為生態安全影響單因子,并分級賦值,構建海口市綜合生態用地分布格局[8]。俞孔堅等運用景觀安全格局理論和GIS技術,構建最低安全標準下的生態景觀格局,以此作為城市擴張的生態底線,模擬北京的未來城鎮空間擴張格局[9]。利用最小累積阻力模型研究生態用地的方法可以在關注土地斑塊本身生態功能大小的基礎上,更加關注斑塊之間的生態聯系,強調通過提高景觀連通性等格局優化策略促進生態功能的高效發揮。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of the study area

極端干旱區綠洲是生態環境極其脆弱、水資源極度稀缺的人類生產生活的集中區,也是研究綠洲形成發展以及深入理解干旱區人地關系的指示區[10-11]。近年來,多數學者對該區內的生態安全、鹽漬化、人地關系、土地利用變化等進行了大量卓有成效的研究[12-15]。但鮮有研究者單獨對該區生態用地的空間分布進行一個系統科學的分析,且并未考慮綜合驅動因素的影響。本文以于田縣為研究靶區,通過最小累積阻力模型模擬生態用地空間分布狀況,進而對于田縣生態用地進行合理的分區規劃,在此基礎上對影響于田生態用地空間分布的驅動因素進行剖析,以期為極端干旱區生態安全建設提供參考,同時可應用于綠洲的城市規劃,從而使極端干旱區綠洲的生態效益最大化。

1 數據和研究方法

1.1 研究區概況及數據來源

于田縣位于新疆南部,介于81°09′—82°51′E,35°14′—39°29′N之間,屬于昆侖山的北麓,塔里木盆地的南緣綠洲區,面積39500 km2,下轄15個鄉(鎮),全縣年平均氣溫11.6℃、年降水量47 mm、年蒸發量2432 mm,降水稀少,蒸發量大,屬極端干旱區(圖1),雖然近年來由于農業產業結構的調整,退耕還林還草等措施的實施,對緩解生態環境壓力起到比較好的效果,但盲目開墾,不合理的土地開發依然存在,生態環境較為脆弱,問題比較突出[13-15]。

本研究中土地利用類型分布數據的獲取以衛星影像為信息源,2007版《土地利用現狀分類》(國家標準),結合于田縣土地利用景觀類型結構特點,將土地利用類型劃分為：水澆地、旱地、園地、林地、草地、建設用地、交通運輸用地、水域和未利用地等9種類型,最終建立研究區土地利用屬性數據庫。DEM數據來自國家科學數據服務平臺(http://www.cnic.cn/zcfw/sjfw/gjkxsjjx/),分辨率為30 m×30 m。夜間燈光數據為美國國家地球物理數據中心DMSPF18衛星獲取的2013年DMSP_OLS燈光數據,空間分辨率為1 km×1 km。

1.2 最小累積阻力模型

最小累積阻力模型指物種在從源到目的地運動過程中所需耗費代價的模型,它最早由knaapen于1992年提出,之后該模型被應用到多種自然生態或人文過程的研究[16]。最小累積阻力模型(MCR)在眾多研究應用中,充分展示了其在分析各種物質能量過程在水平空間擴張方面的良好適應性和可擴張性,其計算公式如下：

式中,MCR是指最小累積阻力值,f是反映景觀單元中某一柵格的最小累積阻力與生態過程的正相關關系,Dij指景觀生態用地單元從源i到j的空間距離;Ri表示某一柵格單元i對生態用地空間擴張的阻力系數,Σ表示從柵格i與源j之間穿越所有單元的距離和阻力的累積。最小累積阻力模型可通過ArcGIS的Cost-distance模塊實現。

1.3 于田縣生態用地規劃情景模擬

1.3.1 源地的確定

“源”是事物或事物向外擴散的初始點和源頭,具有內部同一性和向外圍擴張和吸引的能力,是指在地理環境變化的格局與過程中,能促進生態過程變遷的景觀類型。本研究以保護極端干旱區綠洲生態用地為目的,在參考相關研究成果的基礎上,結合研究區實際情況,篩選出面積較大的空間上具有連續性的核心林地和水域作為于田縣生態用地的保護源地。

1.3.2 阻力面的建立

土地覆被類型、坡度和人為干擾是生態保護源地向外擴張過程中的主要阻力因子[17- 18],由于研究區位于極端干旱區,降水稀少,且面積較小,降水在空間上分異不明顯,故剔除該因子。本研究以于田縣重要生態用地為“源”,分析生態用地從“源”向外擴張過程中所遇到的累積阻力,根據生態用地性質,對于田縣土地覆被類型的擴張阻力等級進行排序,并設定阻力系數;根據人為干擾指數加權設定生態阻力系數;根據坡度大小,設定不同的級別,分別設置阻力系數。根據3個阻力因子的阻力系數,分別生成阻力因子的柵格數據,并對生成的面狀阻力柵格數據進行加權求和運算,得到于田縣生態用地擴張的環境空間阻力面數據。

1.3.3 生態用地分區與規劃

生態用地是以提供生態系統服務功能為主的土地利用類型,是用以維護和改良區域生態環境,改善人地關系的用地類型[3]。在極端干旱區綠洲生態用地包括耕地、林地、園地、草地、荒漠、水域、冰川與永久性積雪以及未利用地等土地覆被類型。本文通過確定生成阻力面中阻力等值線的拐點設定于田縣生態用地類型分區需要確定費用距離閾值,從而自動進行類型劃分。由于最小累積費用距離模型反映的是生物對周圍環境一種選擇性的移動過程,在空間上最小費用距離在不同區間的差異能夠反映生境狀態的穩定性或突變性。因此本文通過統計學概念,對最小累積費用距離進行標準方差分類,從而確定于田縣生態用地類型中的生態用地核心區、生態用地控制區、生態用地過渡區、生態用地保護區,為極端干旱區綠洲土地合理開發和建設提供參考。

2 結果與分析

2.1 于田縣生態源地空間分布

于田縣深居西北內陸,生態環境極其脆弱,為明確于田縣重要生態用地的空間分布,在本項研究中依據土地利用現狀分類(GB2007)國家標準對于田縣區域土地覆被進行分類,綜合考慮生態用地在綠洲生態系統中對水資源,生物多樣性保護,以及對減輕自然災害等的重要作用,在空間上去除面積較小的斑塊,篩選出面積較大的在空間上具有連續性的核心林地和水域作為生態保護源地。于田縣生態源地面積達908.50 km2,占縣域土地總面積的2.3%,主要分布在于田縣南部山區,克里雅河沿岸,以及流域平原中零星分布。

2.2 阻力面的建立

在生態用地擴張過程中,不同的土地覆被類型會產生不同的阻力,根據生態用地性質,將于田縣土地覆被類型生態阻力等級進行如下排序：林地<水域和未利用地<牧草地<耕地和園地<交通運輸及建設用地。同時,坡度也會對于田縣生態用地的擴張產生阻力,隨著坡度的增加,生態用地的擴張阻力越大。而物種水平空間運動的生態過程以及生態功能的流動與傳遞同時受到人為干擾程度的影響,本文選取夜間燈光指數作為生態用地受人為干擾的影響因子[17]。于田縣生態用地中各阻力因子相對阻力系數分別擬定在0—100之間(表1)。另外需要指出的是,構建于田縣生態用地的阻力系數設定主要是通過專家意見和有關資料得出,反映的是相對的阻力概念,不是絕對的,且由于阻力面計算結果所反映的是相對趨勢,所以,相對意義上的阻力系數仍然具有意義。

表1 于田縣生態用地擴張阻力系數及其權重

基于各阻力因子的阻力系數,通過ArcGIS 10.2軟件空間分析模塊中柵格計算工具,進行不同因子阻力值的疊加分析,得到于田縣生態用地源地擴張的環境阻力值(圖2)。依據阻力面,利用ArcGIS 10.2軟件空間分析中Cost-distance模型,得到源地擴展的最小累積阻力分布圖。從圖3中可以看出,距離源地越近,累積阻力值越低;反之則越高。

3 于田縣生態用地類型分區及規劃

為確定于田縣生態用地最佳的規劃場景,同時參考相關學者[17- 19]的研究,按照生態用地保護的最小累積阻力值大小,選擇關于不同累積阻力數對應柵格數的突變情況作為阻力閾值的確定依據,對生態用地保護的重要性進行分級,以便于對于田縣生態用地的空間分區管制,進而對不同重要性的分區結果實施不同的保護策略。按照最小累積阻力的標準方差,初步將生態用地保護的阻力值劃分為9類,分別命名為C1—C9,每類間隔二分之一方差。統計每種類別柵格數量與像元值(最小累積阻力值)的對應關系,結果如表2所示。

圖2 于田縣源地擴張的生態環境阻力分布 Fig.2 Distribution of the ecological environment resistance of source area expand in Yutian county

圖3 于田縣源地擴展最小阻力分布 Fig.3 Distribution of minimal cumulative resistance of source area expand in Yutian county

總體而言,于田地區南部靠近以次生林,灌木林以及高山湖泊,坑塘等源地的地區,空間擴張累積阻力值相對較小;于田地區中部和南部,包括以耕地、牧草地為主的區域范圍內累積阻力相對較高;而在東北部和北部地區荒漠戈壁廣布,生態環境脆弱,累積阻力值較大,不適宜生態用地的擴張。于田縣累積阻力的空間分布與流域分布有較為密切的關系。

表2 于田縣生態用地保護最小累積阻力標準差(1/2方差間隔)表

由表2中可以看出,其中C1類和C2類柵格數量都出現了較大幅度的變化,柵格數值差分別占到整個于田地區柵格總數的2.75%;從C3類到C5類再次經歷一次相對較大的突變,其柵格數值差占到整個區域7.97,此外C6到C9類柵格數量趨于穩定,基本上均維持在10%以下水平。因此按照上述閾值確定方法,選擇最小累積阻力值為56317、133539、287983作為于田縣生態用地分區的臨界閾值,將于田地區生態用地劃分為4類,分別為生態核心區、生態控制區、生態過渡區、生態保護區,具體如表3所示。

從面積總量上來看,于田地區生態核心區占全縣總面積的24.36%,約9622.20 km2,該區域需要樹立生態底線的思維,嚴禁任何形式的開發建設及開墾放牧活動。生態控制區占全區總面積的27.11%,約1078.45 km2,不建議在此區域進行農業開墾活動,需要嚴格控制該區域內的城鎮化建設和工礦開發活動。生態過渡區占全區土地總面積的27.46%,約10846.70 km2,該區是生態用地和農牧業生產后備用地、建設用地的過渡區域,宜在合理限度內開發利用該區域。生態保護區占全區土地總面積的21.07%,約為8322.65 km2,是需要重點考慮防治沙漠化以及植被恢復改造的區域。生態過渡區、生態保護區約占區域總面積的48.53%,是重要的后備國土開發區域。

表3 生態用地分區區間

圖4 于田縣生態用地規劃Fig.4 Planning scenarios of ecological land of Yutian county

從空間分布上看(圖4),于田縣生態核心區主要分布在研究區南部昆侖山谷地和克里雅河及相關支流水域等沿岸,包括河湖、坑塘、喬木林和荒漠灌木林等區域。對比于田土地利用總體規劃(2010—2020),生態核心區與規劃劃定的防護林帶,退耕還林還草區域以及濕地保護區域等基本吻合。生態控制區,主要環繞生態核心區分布,與生態核心區的空間鄰接關系較為密切。生態保護區主要分布在昆侖山山麓,東北部以及北部區域,具體分布在阿羌鄉,奧依托格拉克鄉,達里雅博依鄉的北部、南部和東部,包括未利用地,部分草地,旱地,荒漠等土地類型。生態過渡區,處于生態控制區與生態保護區之間,屬于于田縣農牧業發展以及生產建設性開發的過渡區域。總體而言,對比于田縣土地利用總體規劃(2010—2020)的用途分區,生態控制區與規劃的鄉鎮村建設用地區、工礦開發區以及基本農田保護區契合度較高,表明分區結果較為可靠。

4 于田縣生態用地空間分布的驅動因素

于田縣生態用地的空間分布受到多方面的制約,包括自然、經濟、人口、社會等各方面的因素,為較為客觀的尋求極端干旱區生態用地空間分布的影響因子,本研究就縣域尺度對于田縣生態用地空間分布的驅動力進行分析。基于科學性、可靠性、數據的可搜集性等原則,參考前人的研究成果,對19個行政單元進行因子分析,從中歸納提取影響生態用地空間分布的主因子,進而探討于田縣生態用地空間分布的驅動因素。

4.1 樣本指標的選取

由于影響極端干旱區生態用地空間分布的因素具有多樣性和復雜性的特征,為較為客觀的尋求生態用地空間分布的影響因子,參考前人的研究成果[20- 22]和對當地實際情況的掌握的基礎上,遵循科學性、客觀性、關聯性和向導性等原則,選取16項指標進行測算(表4)：X1農牧民人均純收入(元)、X2耕地面積(km2)、X3農業總產值(萬元)、X4糧食總產量(t)、X5糧食單產(kg)、X6總戶數(戶)、X7總人口(人)、X8城鎮化率(%)、X9人口密度(人/km2)、X10植被覆蓋率(%),X11居民點用地(hm2),X12交通建設用地(hm2),X13水利用地(hm2),X14降水(mm),X15坡度(°),X16牲畜數(頭)。通過PASW軟件對于田縣19個行政單元進行因子分析,剔除共線性指標,從中歸納提取影響于田縣生態用地空間分布的主因子,進而探討于田縣生態用地空間分布的驅動因素。數據來源于2015年《于田縣統計年鑒》

表4 于田縣生態用地影響因素指標數據

4.2 計算過程及結果

1)計算過程。對所選樣本數據進行KMO檢驗和Bartlett球形檢驗,檢驗表明KMO的系數為0.699,適合因子分析。Bartlett′s Test顯著性程度Sig.=0.000<0.05,說明該項因子檢驗具有較高的可信度,適于作因子分析。在此基礎上利用PASW軟件進行因子分析,通過采用方差最大法對因子載荷矩陣進行旋轉,從而得到旋轉后的各公因子的特征值、貢獻率及累積貢獻率(表5)

根據特征根大于1的原則,樣本選入4個公因子,其累積方差貢獻率達91.626%,提取4個公因子代替原始樣本指標(表6)。

表5 因子分析的總方差解釋

表6 因子正交旋轉后的負載矩陣

2)研究結果。第1個公因子主要由X2,X3,X4,X6,X7,X11,X12,X13來決定,這類指標主要反映了經濟和社會類總指標。隨著綠洲第一產業的發展及農村人口數量的增加,帶來的是對住房、交通和水利等建設的巨大需求,同時在經濟發展的過程中也對生態環境造成極大的壓力。綠洲尤其以庭院經濟為代表的農村經濟的發展和人口數量的變化對綠洲的生態環境產生極大的影響。該類指標可歸結為綠洲農村經濟尤其是農業的發展對農村居民生活的帶動,影響了綠洲生態用地空間的分布。該公因子貢獻度達59.201%,表明農村自身經濟的發展更新對于綠洲生態用地空間分布影響較大。第2個公因子主要由指標X9,X10來決定,這類指標主要反映了區域人口以及植被覆蓋等對土地利用的影響,該公因子的貢獻度達13.698%,表明于田縣的環境綠化對土地利用以及生態用地的空間分布影響較大。第3個公因子主要由指標X8來決定,這類指標主要反映了區域城鎮化進程對綠洲土地利用所帶來的影響,總體可歸納為第二、三產業的發展和城鎮化的帶動。該公因子貢獻度達10.744%,表明于田縣城鎮化的發展對于田縣土地利用和生態用地影響較大。第4個公因子主要由指標X1來決定,主要反應農牧民收入情況對綠洲生態用地空間分布的影響,該公因子的貢獻度達7.953%,幾乎與第3公因子貢獻度持平。表明極端干旱區綠洲農牧民的經濟收入水平對生態用地空間分布變化有很大的推力。

5 結論與討論

5.1 結論

(1)本研究根據極端干旱區于田縣的實際情況,選取了林地和水域作為于田縣生態源地,從開發成本和經濟效率等角度出發,主要考慮景觀、坡度和人為干擾3個因素,選取土地覆蓋類型、地形坡度和燈光指數為阻力因子,運用最小累計阻力模型構建于田景觀生態用地空間分布圖,并在此基礎上探討了于田縣生態用地空間分布的影響因素,為極端干旱區生態用地規劃策略提供重要參考。

(2)按照于田縣生態用地保護的最小累計阻力值大小,選擇關于不同累計阻力數對應柵格數的突變情況作為阻力閾值的確定依據,對生態用地保護的重要性進行分級,分為生態核心區、生態控制區、生態過渡區、生態保護區4種類型,其面積分別為9622.20、1078.45、10846.70、8322.65 km2;生態核心區主要分布在研究區南部昆侖山谷地和克里雅河及其支流沿岸地帶,生態控制區主要環繞生態核心區分布,生態過渡區處于生態控制區和生態保護區之間,牧區和荒漠分布較多,生態保護區主要分布在昆侖山山麓,東北部以及北部區域,包括未利用地、旱地、荒漠等土地類型。

(3)在分析生態用地空間分布的基礎上,運用因子分析法對于田縣生態用地空間分布進行驅動力分析,結果表明于田縣生態用地規劃受到多方面的制約,包括自然、經濟、人口、社會等各方面因素,具體表現在綠洲經濟的發展、環境綠化建設、城鎮化以及人口和收入等主要因子的影響。

5.2 討論

(1)本研究對極端干旱區綠洲生態用地規劃的研究中,主要考慮了土地的自然屬性,對極端干旱區社會經濟屬性如產業結構、經濟效益、人口承載力等有待進一步挖掘;在對影響用地空間分布影響因素的探討中,對指標因子選取需要進一步系統化完善,以使對影響因子的分析更加準確。

(2)此外,目前有關模型阻力系數的確定沒有一個廣泛可接受的方法,在已有的相關成果中[16- 17],模型阻力系數的確定很多都采用專家經驗打分法,本研究中生態用地空間擴張阻力系數及其權重的確定也是參考已有的研究成果基礎上采用專家打分的方式得到。但這種賦值方式較為主觀,直接影響了評價結果的客觀性,因此,在今后的研究中應考慮引入一些數學方法改進阻力賦值方式。