新疆土地生態安全時空變化

劉時棟,徐麗萍,張 婕

1 新疆石河子大學理學院,石河子 832000 2 中國地質大學(北京)土地科學技術學院,北京 100083 3 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101

一個健康和穩定的土地生態系統對于確保我國糧食安全和社會經濟發展有重要作用[1]。在土地利用過程中,由于人類不恰當的行為,土地生態問題愈加突出[2]。土地生態安全評價有利于高效引導土地合理利用,協調生態保護與區域經濟發展之間的矛盾。

土地生態安全評價應用比較廣泛的方法主要有“壓力-狀態-響應”模型法[3]、綜合指數法[4]、生態足跡法[5]和景觀生態學方法[6]等,主要涉及指標體系、安全閾值的確定等方面[7-9]。李彩惠等學者采用基于綜合評價模型的障礙診斷模型,充分挖掘了土地生態發展的障礙因子[10-15]；李明月等學者運用BP神經網絡方法,對廣州市土地生態安全狀況進行定量評價與預警測度,提高了評價及預測結果的客觀性[16-17]。目前在土地生態安全評價方面大多基于統計數據且評價指標還沒有統一[18-20]。核密度估算方法(Kernel density estimation,KDE)是從樣本空間數據本身出發,分析地理要素空間數據整體分布特征及影響范圍的一種方法[21],是依據研究區地理要素的空間分布數據集來估算相應地理要素的集聚特征,核密度估算值越大,則該區域受到相應的地理要素的影響越大[22]。核密度估算方法克服了以往研究中單一考慮地理要素的本身空間位置而忽略其對一定范圍內相鄰地理要素的影響。結合突變級數法既能克服對指標賦予權重帶來的直觀性誤差又能考慮各評價指標相對重要性,更能突出地理要素在空間上實際影響力的輻射范圍,增強了評價的客觀性與真實性。

新疆作為我國“一帶一路”發展戰略的核心區,土地鹽堿化、草地退化等生態問題嚴重擾亂了生態平衡,已經成為制約整個新疆經濟和社會發展的最大障礙[1]。因此有必要采用科學合理針對性強的方法對新疆土地生態狀況進行測度分析。本文借鑒國內相關研究經驗[23-25]把核密度估算[26]方法引入土地生態研究,基于土地生態核密度估計分析新疆土地生態安全的時空變化特征,同時采用突變級數法建立新疆土地生態安全動態評價體系。本研究對進一步完善土地生態安全評價體系及土地生態安全狀況預警系統具有一定的參考價值,為土地生態安全評價提供了從空間數據入手的新思路,對于當前高速城鎮化與農業現代化導致的生態敏感區土地生態安全問題的認知與解決具有重要意義,也為新疆土地利用的規劃、及生態保護區劃提供理論支撐,從而促進當地土地資源的永續利用及區域社會經濟的可持續發展。

1 研究方法

本文采用核密度函數對相關土地生態安全指標核密度進行計算。采用突變級數法及空間變異系數來評價分析新疆的土地生態安全狀況。在評價的基礎上利用灰色預測理論預測新疆2020年的短期土地生態安全狀況,分析討論評價預測結果并提出預警建議。具體技術路線如圖1。

圖1 技術路線Fig.1 Technical route

1.1 指標體系構建

借鑒相關研究[1],構建新疆地區土地生態安全評價指標體系,對新疆土地生態安全進行評估分析。該指標體系共分為目標層、準則層、因素層、指標層4層,并按照空間上的質量分布狀況、時間上的生態可持續性、利用上的相互比例關系以及經濟上的投入產出狀況把土地生態安全目標層細分為土地系統健康、土地可持續性、土地利用結構和土地經濟結構4個方面。土地系統健康狀況主要用來表征空間上土地生態安全的質量高低,主要包括水文、道路、植被等資源的空間分布現狀以及研究區當前面臨最大的水土流失和土地鹽堿化問題的人為治理質量；土地可持續性主要表征研究區土地生態安全在時間上的供需平衡問題,主要包括人口增長、城市擴張等對土地的需求以及提供糧食的農用地、改善生態環境的深林植被等土地的供給；土地利用結構主要表征土地在生產、生態等不同方面的利用所占的比例；土地經濟結構主要表征研究區土地在經濟方面的投入和產出狀況。具體新疆土地生態安全動態評價指標體系如下(表1)。

表1 新疆土地生態安全動態評價指標體系Table 1 Land ecological security dynamic evaluation index system of Xinjiang

本文選取極差標準化法對原始統計數據進行去量綱處理,公式如下[27]。

(1)當評價指標為正向指標是：

(1)

(2)當評價指標為逆向指標是：

(2)

式中,yi為原始數據無量綱化處理后的標準數據；xi、xmax、xmin分別為原始數據中同一項指標的實際值、最小值和最大值。

1.2 核密度估算法

核密度函數估算方法以新疆相關空間數據每個樣本點i(x,y)i(x,y)為中心,通過反距離加權法運用核密度函數分別計算出每個樣本點在指定的范圍內密度貢獻值。本文依托Matlab采用二維核密度函數[21-22]對研究區與土地生態相關的柵格數據進行計算,計算公式如下：

(3)

1.3 突變級數法

突變級數法在不需對指標賦予權重的同時還考慮了各評價指標的相對重要性,是一種客觀性較強的綜合評價方法[28]。該方法通過對評價目標的多層次分解,利用突變理論及模糊數學算法產生突變模糊隸屬函數,由歸一公式進行綜合量化運算出總的隸屬函數,再由總隸屬度對評價目標進行排序分析[29]。其歸一化公式見下表(表2)。

表2 突變級數模型公式Table 2 Catastrophe progression method

由相應的突變模型及歸一化公式計算準則層和目標層的評價標準[29](表3)。

表3 新疆土地生態安全評價等級指標Table 3 Land ecological security evaluation scale of Xinjiang

1.4 空間均衡性計算方法

變異系數表示地理數據的相對波動程度的地統計量,本文基于SPSS 22.0平臺統計研究區從2004年到2016年的各縣市土地生態安全指數的空間變異規律。其計算公式如下

(4)

2 區域概況與數據來源

2.1 研究區概況

圖2 研究區示意圖Fig.2 Geographical location of Xinjing

新疆地處我國西北干旱區[30],介于73°20′—96°25′E,34°15′—49°10′N 之間,是我國“一帶一路”發展戰略的核心區[1]。深居大陸腹地,水汽難以到達,具有典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候。山間盆地、河谷等地貌眾多,風沙地貌極其發育[31](圖2)。荒漠面積大而綠洲面積小,可作為農業利用的土地少。植被覆蓋度低[32],森林多沿河流分布[33]。新疆水資源時空分布極度不均,土地資源的不合理利用以及落后的灌溉技術致使次生鹽漬化和沼澤化不斷加劇,土壤肥力下降,草地面積大量減少,大片的胡楊林、灌木林遭受嚴重破壞,草地和森林生態功能不斷弱化[2]。

2.2 數據來源與處理方法

2.2.1數據來源

本文使用數據包括新疆85個縣市的統計數據；新疆地區近十幾年的MODIS、TM遙感數據；新疆數值高程模型數據以及新疆各級行政界限、政府駐地、各級道路、水系等矢量數據。其中新疆最新統計年鑒僅更新到2015年,因此2016、2017年的部分統計數據采用2015年數據代替。具體來源及使用情況如下(表4)。

表4 數據來源Table 4 Data sources

2.2.2處理方法

選取新疆1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7月或者8月30 m的Landsat以及2001年到2017年7月250 m的MODIS影像[30]。分別利用ENVI 5.0及MRT工具對影像進行校正、打包、拼接、重采樣等操作。文章研究范圍比較大,相應研究尺度不宜過小,因此所有空間數據均統一分辨率為1 km。通過監督分類規則進行遙感影像分類,并進行人工目視解譯修正,使得每種地類分類準確度以及總精度都在90%以上,每一年期的遙感影像分類Kappa 系數均大于0.9(表5)。最終形成1995年、2000年、2005年、2010年、2015年五期分別包含耕地、林地、草地、水域、建設用地、沼澤地、未利用地、冰雪用地8種用地類型的新疆土地利用類型圖[34]。

表5 遙感分類精度檢驗Table 5 Remote sensing classification accuracy test

3 結果分析

3.1 土地生態安全指數分析

為了有效提高對土地生態安全評價的準確性并且確定影響土地生態安全的主要因子,有必要分析單項指數對土地生態安全影響的過程,文章基于突變級數評價指標體系,利用突變級數模型公式(表2)計算得出2004—2017年各準則層的土地生態安全指數(圖3),繪制新疆各指數時間序列圖、道路與水系核密度圖、土地生態可持續性狀況及其核密度圖、土地利用覆被變化圖以及土地經濟結構空間插值圖。

圖3 土地生態安全指數時間序列圖Fig.3 Land scological security index value圖中折線趨勢表示相應指數變化趨勢；圖中條形高度表示相應指數增量

3.1.1土地系統健康指數分析

圖4 新疆道路水系核密度估算結果Fig.4 Kernel density estimation results of road and water of Xinjiang

新疆土地質量空間分布不均勻,呈現“三山”附近植被茂盛、水系發育、土地健康狀況良好而“兩盆”地區干旱缺水、植被稀少、生態極其脆弱的狀態(圖4)。新疆的土地生態系統健康指數整體呈現波動上升趨勢且階段特征明顯(圖3),由2004年的0.89上升到2007年0.95,3年內升高了0.06,后到2008年下降為0.93,隨后又以年均升高0.02的速度至2011年上升到0.98處于不穩定的臨界安全狀態,其后又出現窄幅下降,截止2014年為0.97,2014年至今基本穩定于0.97左右。整體土地生態健康指數以年均0.062的速度升高,經歷了“不安全→較不安全→不安全→臨界安全”的發展趨勢。

3.1.2土地可持續性指數分析

新疆近13年的土地生態可持續性指數(圖3)在波動中上升,由2004年的0.66以年均0.03的速度上升到2013年的0.94,2013年以后基本穩定于臨界安全狀態。可持續性等級經歷了“不安全→較不安全→較安全→臨界安全”的變化過程。土地生態可持續性變化趨勢呈現出明顯的空間分布差異(圖5)。南疆環塔里木盆地周圍綠洲2001到2005年生態可持續性得到改善,2005年到2009年呈現很大程度的惡化,2009年到2017年又得到連續不斷地改善；伊犁地區2001到2005年北部有所改善南部有所惡化,2005年到2009年南部有所改善北部有所惡化,2009年到2013年整體不斷地改善,但2013年到2017年又整體有所惡化；北疆塔城地區、阿勒泰地區、昌吉等地的山區部分呈一直持續不斷地惡化態勢；天山北麓的山前平原區2001年到2013年得到持續的改善,但 2013年到2017年間烏昌石經濟圈呈現微弱的惡化。

圖5 土地生態可持續性空間變化情況Fig.5 Spatial change of land ecological sustainability

3.1.3土地利用結構安全分析

新疆土地利用結構安全指數總體呈現下降趨勢。由 2004年的0.98以年均0.004的速度緩慢下降到2013年的0.95,2013年后又緩慢至回升2016年的0.96,3年內上升了0.01。土地利用結構安全指數等級經歷了“較安全→臨界安全→較不安全→臨界安全”的發展趨勢(圖3)。土地利用空間結構的變化主要發生在南疆環塔里木盆地周圍、天山南北以及塔城地區(圖6)。具體表現為耕地持續增加(圖7),從1995年到2015年耕地面積比重由34.759‰增加到47.219‰,面積增量率為1016.55 km2/a；建設用地面積比重增加明顯,從1995年到2015年面積增加了2577 km2,其中2010年以后尤為突出,僅2010年到2015年這5年就增加了1756 km2增速達到了351.2 km2/a；未利用地面積(未包含沼澤地)比重持續減少,面積占比由1995年的61.298%下降為2015年的60.547%,減少速率高達613.95 km2/a；草地比重持續均衡減少,20年間持續減少15441 km2；林地、水域及沼澤地面積均有少量的波動,其中林地增長60.4 km2/a,水域增長153.55 km2/a、沼澤地增長24.2 km2/a。

圖6 土地利用覆被變化Fig.6 Land use coverage change

圖7 土地利用數量結構Fig.7 Land use quantity structure圖中已利用地比重包括耕地、林地、草地、水域、沼澤、建設等六種地類比重；圖中未利用地比重僅包括未用一種地類比重

3.1.4土地經濟結構安全分析

新疆的土地經濟結構安全指數處于持續上升趨勢,由2004年的0.56以年均0.342的速度上升至2016年的0.97,安全等級經歷了“不安全→較不安全→臨界安全→較安全”的發展趨勢(圖3),但空間上存在著明顯的差異,安全區域逐漸由天山南部的阿克蘇地區向天山北麓經濟帶轉移,呈現由西南到東北的“改善→惡化→改善→惡化”的交替性規律(圖8)。經過近17年的演變,天山北麓、伊犁地區北部、塔城地區以及巴音郭楞蒙古自治州等地土地經濟結構安全狀況得到改善,而南疆的阿克蘇地區、和田地區、北疆的阿勒泰地區以及哈密地區等地土地經濟結構安全狀況有所惡化。中巴經濟走廊的建設在一定程度上推動了土地經濟結構的改善。

圖8 土地利用經濟結構Fig.8 Land use economic structure

土地生態安全空間格局2017年與2005年相比有一定的改善(圖9)。到 2017年,土地生態安全區和臨界安全區面積較2005年都有不同程度的增加。北疆古爾班通古特沙漠周圍的臨界安全區面積增加最明顯,增加比例高達11.24%；新疆伊犁地區及昆侖山和阿爾泰山部分區域的安全區面積增加4.06%。土地生態較安全區、較不安全區及不安全區面積呈現不同程度的下降。沙漠周圍的較不安全區面積減少最大,下降比例高達9.16%；天山山脈、阿爾泰山山脈區、塔城地區及部分昆侖山山前平原的較安全區面積下降4.98%；南疆塔克拉瑪干沙漠及吐魯番、哈密等地區的不安全區面積下降1.15%。

圖9 土地生態安全核密度估算結果Fig.9 Kernel density estimation results of land ecological security

圖10 2020年土地生態安全估算結果Fig.10 Estimation results of land ecological security in 2020

新疆土地生態安全總體水平不斷提高。土地生態系統安全指數由2004年的 0.76上升到2017年0.94(圖2),安全等級呈現出“不安全→較不安全→臨界安全→較安全”的發展趨勢。土地生態安全空間變異系數近13年持續上升(圖9),由2004年的0.51上升為2017年的0.84,其中2009年到2014年期間最快增加了0.29。2014年以后進入了相對穩定時期,在0.84周圍微幅波動上漲。這說明新疆85個縣市的土地生態安全狀況逐漸趨于均衡化,土地生態安全區域差異逐漸縮小。

2020年新疆土地生態安全狀況將得到進一步優化(圖10)。與2017年的土地生態安全狀況對比發現,天山山脈、阿爾泰山山脈區及塔城地區0.8%的較安全區將轉變為安全區,而臨界安全區面積1.6%的增加主要來自北疆準噶爾盆地的較不安全區和南疆塔里木盆地周圍的不安全區。預測結果顯示2017年以后新疆的土地生態安全空間變異系數微弱上升(圖11),有2017年的0.84增長為2020年的0.85。該結果說明新疆的土地生態安全空間差異將進一步縮小。

圖11 土地生態安全空間變異系數Fig.11 Spatial coefficient of variation of land ecological security

4 討論

相比于張月等[34]基于土地利用/覆蓋變化構建的景觀生態風險評價、邵玲等[35]基于土地利用總體規劃的生態足跡評價以及黃曉東[1]、洪惠坤等[36]僅以基于統計數據的突變級數法為技術支撐的評價,本研究綜合構建了以核密度估算法及克里金空間插值為技術支撐,基于突變級數法的土地生態安全評價指標體系,并探索性的采用空間變異系數法及灰色預測模型對新疆生態安全進行評價,更加全面考慮了自然、人文和社會評價因子,突出了空間數據的優勢,充分發揮出核密度估算法在土地生態安全評價方面提高評價空間識別精度的優勢。同時土地的土地生態安全評價是一項影響因子繁多的復雜系統工程[37]。由于空間數據僅為基于1 Km的局限性,另外限于研究區土地整治項目數據的收集,本文在構建指標體系的時候沒能加入與土地整理及土地生態整治方面的因子,在后續工作特別是土地生態安全預測預警研究中,可以在盡量考慮研究區土地整理及土地生態整治政策的同時以不同尺度的數據,對土地生態安全評價進行一個多尺度長期的預測性研究。

研究顯示近15年來新疆土地生態安全狀況之間得到改善,各區域土地生態安全趨向于空間協調發展。究其原因,黃曉東等[1]認為隨著各縣第三產業GDP貢獻率增加,且工業三廢負荷指數一直在降低,在一定程度上對于減輕土地污染,延緩土地退化起到積極作用。張月等[34]認為新疆土地利用結構的不斷優化是導致土地生態安全狀況得到改善的最直接因素。本文分析發現近15年新疆各地政府均不斷加大的環境治理的投資力度、機械化程度的逐漸增高以及土地產出能力的增強也是使得該地區土地生態安全水平得到提高的重要原因。受國務院2006年12月通過的《西部大開發“十一五”規劃》的影響,導致2007年土地生態系統健康出現下降。但是由于人們的惜土意識日益高漲,2016年水土流失防治面積增加為926.15千公頃,鹽堿治理面積增加為856.62千hm2。經濟的發展使得政府調控能力增強,當地政府不斷加大對環境治理的投資力度,其中環境污染治理投資占 GDP比重這一指標到 2016 年增加近兩倍。北疆經濟發展相對較好地區環境治理力度的增加很大程度上促進了環境質量的改善。南疆經濟發展相對落后土地糧食產出不足的地區機械化程度的逐漸增高,農林牧副漁產值逐年升高,反映出土地產出能力的增強。這些因素都會促進新疆各區域土地生態安全趨向于空間協調發展。

然而人口密度的持續增加導致的對土地資源需求量的持續增加破壞了土地系統動態平衡的持續性,同時由于占新疆近30%面積的草地的持續減少引起了土地生態功能退化,也不利于土地生態系統的可持續發展。城鎮化和工業化進程中建筑用地占用的耕地、林地及草地量不斷增加[38],不合理的土地利用結構必然導致土地生態功能下降。農用地年化肥施用量到2016年也激增到了248.09萬t,這也是2005年以后土地生態安全指數增長緩慢的原因。

受限于新疆干旱環境的土地生態安全仍然處于較低水平,新疆土地生態安全狀況仍需改善。因此,建議自治區內大中型城市應通過高度集約土地利用、控制人口增長、建設多功能生態產業,滿足城市人群需求；小型城市結合自身發展情況,堅持生態優先,按照城市內空間功能與特色的差異性,因地制宜的調整產業結構,保障生態用地；農村地區應當合理規劃土地用途,優化土地利用結構,嚴格按照土地利用總體規劃執行土地用途管制。同時加強鄉村規劃,推進新農村建設,提高土地的集約節約利用。在未利用地方面,保障湖泊水面、河流水面、灘涂、葦地、沼澤地、溝渠等生態用地不被占用,控制每年未利用地的減少量。對于生態保護發展區,應深入開展土地利用生態規劃并深入挖掘本地區的資源優勢,著重發展生態旅游業和沙漠特色生態農業。

5 結論

(1)新疆土地生態安全總體水平不斷提高。土地生態系統安全指數由2004年的 0.76上升到2017年0.94,安全等級經歷了“不安全→較不安全→臨界安全→較安全”的發展趨勢。

(2)新疆各縣市土地生態安全不均衡性得到改善,空間差異性縮小。新疆土地生態安全空間變異系數近15年由2004年的0.51上升為2017年的0.84,呈持續上升趨勢,其中2009年到2014年期間最快增加了0.29。

(3)自然資源分布不均、社會經濟發展對未利用地以及草地的大量占用以及區域內人口的急劇增加可能是新疆土地生態安全面臨的主要問題。占新疆近30%面積的草地持續減少以及城鎮化和工業化進程中占用生態用地勢必導致土地生態功能下降。

(4)經灰色模型預測到2020年新疆土地生態安全將進一步得到改善,土地生態安全空間差異將進一步縮小。空間上安全區將增加4.06%,臨界安全區將增加11.24%；較安全區將下降4.98%,較不安全區將下降9.16%,不安全區將下降1.15%。