葉爾羌河平原綠洲土地利用變化及土地生態安全評價研究①

麥麗開·艾麥提，滿蘇爾·沙比提，張雪琪，馬國飛

葉爾羌河平原綠洲土地利用變化及土地生態安全評價研究①

麥麗開·艾麥提，滿蘇爾·沙比提*，張雪琪，馬國飛

(新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054)

以葉爾羌河平原綠洲為研究區，選擇1991年、2005年、2016年Landsat遙感影像數據，利用RS和GIS技術對研究區的土地利用進行了定量的提取和分析，同時，通過近26 a社會經濟數據，采用壓力–狀態–響應(PSR)模型構建了研究區土地生態安全評價指標體系，并利用熵值法確定了各指標權重，運用綜合指數評價法從時間尺度上對1991—2016年26 a間研究區土地生態安全水平進行了綜合評價。結果表明：①1991—2016年除耕地、建設用地面積增加外，研究區其他地類面積均減小，林地面積減少最大為47.12%。②近26 a研究區土地生態安全綜合指數大致呈現遞增趨勢，其中，1991—2007年均處于風險級，2008—2016年土地生態環境有所改善，但安全等級處于敏感級，土地生態環境仍較差。③改善研究區土地生態安全狀況，需要加大資金投入力度，促進生態建設，加強土地利用監督管理，控制人口增長，緩解人地矛盾，為實現土地生態安全的可持續發展奠定良好的基礎。

土地利用變化；生態安全評價；PSR模型；葉爾羌河平原綠洲

土地生態安全是指在一定時空范圍內，土地生態系統保持其自身結構與功能不受威脅或少受威脅的健康、平衡的狀態，并能夠為人類的生存與可持續發展提供相應的服務，進而維持自然、社會、經濟和土地等復合體的長期穩定協調發展[1-2]。可見，土地生態安全是土地資源可持續利用的基礎與核心，土地資源作為人類賴以生存與發展的物質基礎以及生存空間，已成為目前人類可持續發展研究中普遍關注的前沿課題[3-5]。近年來，隨著人口的增長、經濟的迅猛發展、新型城鎮化的加速推進，人類對土地資源的需求在不斷加強，同時包括不適當的開發利用，由此產生了一系列的土地生態問題，直接或間接地影響著土地的生態安全，制約著人類社會的可持續發展，因此，對土地生態安全進行綜合評價，深入了解土地生態安全狀況已成為區域可持續發展研究的重要內容之一[6]。其中，對土地生態系統的結構、功能、價值進行客觀評價，掌握土地資源動態，了解土地資源變化特征，為土地資源可持續利用提供合理依據已經成為土地生態安全研究的主要方向[7]。目前，土地生態安全評價方法主要集中于從自然、經濟和社會因素等視角出發，基于壓力–狀態–響應(PSR)模型框架指引，結合運用生態足跡、景觀生態、物元分析等模型和應用GIS技術、支持向量機等多種評價方法，通過構建土地生態安全評價指標體系對區域土地生態安全進行評價[8]。

本研究在梳理相關研究的基礎上，選取西北干旱脆弱區——葉爾羌河平原綠洲為研究靶區，從時間尺度上對研究區1991—2016年土地生態安全狀況進行評價，目的在于明確葉爾羌河平原綠洲土地利用變化特征及土地生態環境現狀，分析其土地生態安全目前存在的主要問題與影響因素，以期為研究區土地生態安全狀況的合理改善和土地利用的優化、規劃以及生態環境的保護提供一定的理論參考和科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

葉爾羌河流域地理坐標為74°28′ ~ 80°54′ E，34°50′ ~ 40°31′ N，地處塔克拉瑪干沙漠西緣，喀喇昆侖山北麓，北抵天山南麓與阿克蘇地區相接，流域地形西南高、東北低，大致分為山區和平原兩大氣候區[9]。本文研究區為處于葉爾羌河流域中下游的平原綠洲區，在行政區劃上包括喀什地區的葉城、澤普、莎車、麥蓋提、巴楚等縣域，土地總面積為4.96×106hm2，占新疆總面積的2.98%。至2016年末，綠洲內共有人口為2.25×106人，其中鄉村人口約為1.76×106人，占人口總數的78.2%。地區生產總值345.07×108元，比2015年增長15.62×108元。農業總產值為2.23×1010元，占農林牧漁業總產值的74.03%。葉爾羌河平原綠洲是新疆南疆最大的綠洲、著名的糧棉基地，其中糧食總產量為1.69×106t，總播種面積2.77×105hm2。

2015年，綠洲區人口約為流域總人口的98.24%，劇烈的人類活動導致區域土地利用發生了顯著變化，綠洲外圍荒漠區的地下水位不斷下降，荒漠區面積逐漸擴大[10]。2016年，研究區未利用土地占總面積的74.74%，成為區域景觀面積最大、連通程度最高的地類[10](圖 1)。目前，與葉爾羌河平原綠洲區相關的研究多集中于水資源配置[11-12]、氣候變化[13-14]等方面，有關土地生態安全方面的研究甚少，基于此，本文以PSR模型為基礎，通過構建土地生態安全評價指標體系，揭示土地生態安全現狀以及進行診斷性分析，其對改善研究區所用的土地生態安全具有重要的現實意義。

1.2 數據來源與處理

本研究所選取的土地利用數據來自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)，Landsat TM/ ETM+影像，成像時間分別為1991年、2005年和2016年的8—9月(每期共5景，軌道號分別為147/32、147/33、148/32、148/33、148/34)，云量均小于10%。所依據的基礎數據主要來源于《新疆統計年鑒(1992—2017)》、《喀什統計年鑒(1992—2017)》、《中國氣象災害大典(新疆卷1949—2000)》、所轄縣地方志以及由相關職能部門提供的統計數據進行計算和整理獲得。據經團隊實地考察及研究區土地利用程度，本研究將葉爾羌河平原綠洲土地利用分為7類：耕地、林地、草地、濕地、水域、建設用地和未利用土地，Kappa系數均達到80%，分類結果符合當地實際情況，滿足研究需要。遙感影像解譯過程參見文獻[9]。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化分析 單一土地利用動態度可以反映研究區一定時間范圍內特定土地利用類型的數量變化程度[15-16]，通過分析可以了解某種土地利用類型的結構變化及趨勢，其直觀地反映某種土地利用變化的幅度和速度，計算公式為：

式中：為研究時段單一土地利用類型的動態度；UU分別為研究初期和末期單一土地利用類型的面積(hm2)；為研究時段長度(a)。若>0，則表示某土地利用類型的面積增加，反之，則為減少。絕對值的大小表明某土地利用類型變化速度的快慢。

1.3.2 土地生態安全評價 1)評價指標體系建立。本文運用PSR框架模型，在借鑒相關研究[17-19]的基礎上，結合數據的可得性，遵循指標選取的科學性、實用性、合理性及完整性等原則，同時充分考慮研究區的生態環境、土地利用/覆被變化特征等實際情況[20]，最終篩選出了相應的指標，構建了包含目標層、準則層、指標層3個層次共計24個指標的研究區土地生態安全評價指標體系(表1)。

2)評價指標數據標準化處理。由于各指標具有不同的測度量級，無可比性，不便于分析甚至會影響評價結果，因此本文采用極差法[21]進行各指標的標準化處理。其計算公式如下：

正向指標：

負向指標：

式(1)、(2)中：y為第年第個指標的標準值；x為第年第個指標的原始值；max(x)、min(x)分別為第個評價指標的最大值和最小值。其中，=1,2,…，；= 1,2,…，。

3)評價指標權重確定。目前，確定指標權重的方法有主觀賦權法和客觀賦權法兩種。在對研究區土地生態安全的各指標進行賦權時本文采用客觀性較強的熵權法，其將避免評價結果產生主觀偏差，能夠更客觀地反映各指標對研究區土地生態安全狀況的影響程度[22]。具體的計算過程為：

定義f為第項指標下第個被評價對象的指標比重，采用公式為：

式中：為研究年份，本文為26；為指標個數，本文為24。

定義P為第項指標的熵值，采用公式為：

表1 葉爾羌河平原綠洲土地生態安全評價指標體系及權重

定義W為第項指標的熵權，采用公式為：

如果某個指標的信息熵越小，說明該項指標值的相對變化程度越大，其指標所提供信息的有效性也越大，在綜合評價中所起的作用也就越大，故其權重也應越大，反之就越小[23-24]。通過上述步驟，對各項指標進行標準化處理及確定權重(表1)，以為多指標綜合評價提供客觀依據。

4)土地生態安全綜合指數計算。本文采用綜合評價模型[2,18,25]，對研究區的土地生態安全狀況進行計算及定量評價。其計算公式為：

式中：LES為研究區土地生態安全的綜合值；y為第個指標的標準化值；W為第個指標的權重值，其數值越大，說明研究區域生態安全的狀況越好，反之，其生態安全狀況越差。

根據計算所得的土地生態安全綜合值，本文參考前人的相關研究[2,26-27]，同時結合研究區土地生態安全的實際情況，將土地生態安全綜合值(0 ~ 1)設置為5個等級(表 2)，在此基礎上進行土地生態安全評價，確定研究區生態安全狀態。

表 2 葉爾羌河平原綠洲土地生態安全等級劃分標準

2 結果與分析

2.1 研究區土地利用類型變化

通過對葉爾羌河平原綠洲遙感影像的精確解譯，分別得到了研究區1991年、2005年和2016 年土地利用空間格局(圖 1)、各土地利用類型面積及百分比(表 3)。研究區土地利用程度較低，主要以未利用土地、耕地和草地為主，三者總和占研究區總面積的94.47%。1991—2016年，耕地和建設用地分別以年均4.65% 和1.97% 的速度增加，分別增長了3.50×105、9.30×103hm2，其中耕地的增幅最大(116.13%)，建設用地的增幅最小(49.28%)；林地、濕地、草地、水體和未利用地分別以年均1.88%、0.11%、0.36%、0.15% 和0.23% 的速度減小，分別減少了8.98×104、4.81×102、3.78×104、3.11×103和2.28×105hm2，減少幅度分別為47.12%、2.87%、9.07%、3.82% 和5.79%。綜合分析可知，近26 a來人為活動或自然環境變化對耕地的影響最大，其次是建設用地、林地、草地、未利用土地、水體和濕地(從動態度的變化結果中也可以得出同樣的結論)[28]。這與研究區的實際情況相符合。首先，葉爾羌河平原綠洲是全疆最大的農業灌區之一，1991—2016年平均農業產值占全疆農業產值的9.50%，占喀什地區農業產值的58.53%；其次，葉爾羌河平原綠洲承載著全流域近95% 的人口，其中以從事農業生產活動為主的勞動力占82%，1991—2016年農業生產總值約占農林牧漁業總產值的70.95%，綠洲農業的重要性不言而喻，其中體現出耕地的動態度最大，建設用地次之。由于當今耕地、建設用地的需求不斷擴大，這無疑需要以犧牲其他土地利用類型的面積為代價，進而導致林地、草地、未利用土地、水體、濕地的面積減小[9]。

圖 1 葉爾羌河平原綠洲1991年、2005年、2016年土地利用變化

表 3 葉爾羌河平原綠洲1991—2016年土地利用類型變化

2.2 研究區土地生態安全評價指標權重

通過熵權法得出的各指標權重及排序(表1)，在研究區土地生態安全評價指標體系準則層中，系統壓力、系統狀態與系統響應的權重分別是0.317 4、0.269 6、0.412 9，表明在這個評價指標體系中響應指標所占的比重最大，是生態安全評價的重要影響因子。從各指標的權重排序可以看出，當年造林面積、固定資產投資、教育事業投資占GDP比重、土地墾殖指數、水利、環境和公共設施管理業投資、人口密度、化肥使用強度對研究區生態安全的影響較大，其權重均大于0.05；地膜使用強度、農作物受災面積、人口自然增長率對研究區生態安全影響相對較弱，其權重均小于0.01。這與研究區的實際情況相符。近年來，葉爾羌河平原綠洲作為西部大開發與“十三五”對口援疆工作的重點針對區域，大力發展經濟，隨固定資產投資的增加，科技、教育、水利、環保和公共設施管理業的投入也同步增加。造林面積增加，進一步改善了生態環境；教育事業投資占GDP的比重增大；隨著綠洲人口的不斷增長，開墾面積不斷擴大并導致了土地墾殖指數的增大。從而，在葉爾羌河平原綠洲土地生態安全評價體系中，這些指標起了很重要的作用。

2.3 研究區土地生態安全綜合評價

壓力指數、狀態指數與響應指數共同決定了葉爾羌河平原綠洲土地生態安全綜合指數[26]。由表4可知，葉爾羌河平原綠洲土地生態安全綜合指數大致呈現遞增趨勢。其中，1991—2012年土地生態安全綜合指數呈現先減后增再減又增的反復“W”型變化趨勢。1991—2007年土地生態安全等級一直處于風險狀態；2007—2008年土地生態安全綜合指數從0.344 7增長為0.408 0，并且土地生態安全等級從危險級上升到敏感級狀態。2012—2016年土地生態安全綜合指數呈現出“V”型變化趨勢，土地生態安全等級仍處于敏感級狀態。通過分析可知，研究區土地生態安全至研究期末仍處于敏感級狀態，說明研究區生態壓力還沒得到根本性緩解，其主要原因在于：①人口密度呈現上升趨勢。人口密度由1991年的53.69人/km2上升到2016年的86.04人/km2；人口自然增長率由1988年的12.77‰上升到2016年的16.83‰；②人地矛盾突出，自然災害頻繁。葉爾羌河平原綠洲雖然土地面積大，但是土地利用程度較低。綠洲人口224.92萬，人均耕地面積僅0.167 hm2/人。人均收入雖逐年上升，但葉爾羌河平原綠洲財政收入整體仍處于較低水平。葉爾羌河平原綠洲以農業為主，因化肥使用量較強，生態系統結構簡單，非綠洲面積較大，所以生態環境極其脆弱。長期以來，由于人口持續增長，新型城鎮化的加速推進以及盲目進行土地開墾等原因，導致大量水、土資源的浪費，光熱資源利用效率低，有限的植被資源不斷受到破壞，林地、草場大面積的退化萎縮，并引發土壤沙漠化、鹽漬化、環境污染等一些列問題，使得研究區土地生態安全仍存在較大的隱患與威脅。2000年以來，隨著國家對于西部大開發戰略的重視程度不斷提高，技術型人才不斷引進，對科技、水利、環境和公共設施管理業的投資加大，葉爾羌河平原綠洲的經濟呈現出良好的發展趨勢，這也是研究區土地生態安全綜合指數從2008年以后呈現增長趨勢的原因；另外，2010年召開的中央新疆工作座談會和2015年召開的第五次全國對口支援新疆工作會議之后，推動了各項事業的快速發展，這一變化表明在政府的政策引導下，研究區土地生態安全正在逐漸改善，所實施的一系列政策計劃對于研究區土地生態安全有重要的作用。

土地生態安全壓力指數越小，土地生態安全壓力就越大，反之就越小[18]。由表4可知，研究區壓力指數的變化呈現逐年減小的趨勢，這說明葉爾羌河平原綠洲的土地生態安全受人類活動的影響很大，土地生態系統面臨著嚴重的沖擊與破壞。通過系統壓力指標的分析，發現造成這一現象的主要原因是隨著綠洲人口的不斷增長，開墾面積不斷擴大，導致了土地墾殖指數的增大，土地墾殖指數由1991年的9.15% 增長為2016年的13.66%；2016年人口密度是1991年的1.6倍，年均增長率達到1.7%；另外，其與化肥的使用強度有密切的關系，這些將導致水土資源污染，土壤鹽堿化程度加劇，最終增加了土地生態安全壓力。繼續實行有效的人口政策，注重控制人口增長，降低土地承載壓力，提高人口文化素質，鼓勵農牧民發展新型綠色農業，合理施用化肥、農藥，減輕對土地資源的污染，以此來進一步改善研究區的土地生態安全狀況。

由表 4可以看出，葉爾羌河平原綠洲的狀態指數呈現緩慢遞增趨勢，這表明研究區土地生態系統狀態正緩慢趨向好轉。這主要是因為在狀態層指標中人均糧食產量、在崗職工年均工資量處于不斷增長的趨勢，1991—2016年人均糧食產量從482 kg增加到774.4 kg，在崗職工年均工資量從2 387.4元增加到72 616.8元。另外，農業機械化水平不斷提高，單位耕地面積農業機械總動力由1 156 W/hm2提高至6 882.88 W/hm2，保障了農業的生產效率，并反映出平原綠洲在經濟、社會、環境和生態的協調發展。但由于研究區土地生態環境比較脆弱，自然災害頻繁，各年份災情程度和受災面積差異較大，一旦受損，恢復困難，因此土地生態環境的改善是一個長期、緩慢的過程，從而研究區狀態指數大體呈現緩慢上升的趨勢。今后應通過積極開展農村土地整治，規范土地利用活動，不斷增加有效土地數量，提高耕地質量，達到改善土地生態環境的目的。

土地生態安全響應指數越大，研究區域抵御生態風險的能力越強，土地生態環境越安全。由表 4可知，葉爾羌河平原綠洲土地生態安全系統的響應指數呈相對平緩的上升趨勢，前期發展速度較緩慢，從2006年開始上升速度加快，反映了研究區域環保意識與環保能力在不斷增強并對區域社會經濟發展起到了很大的作用。近年來，隨著西部大開發的進程不斷深入，政府的財政調控能力不斷增強，對科技、教育事業和環保的投入更加科學合理，對生態環境保護和建設的支持力度增強。由此可知，葉爾羌河平原綠洲解決土地生態安全系統問題的能力也在不斷地提高與上升。

表 4 葉爾羌河平原綠洲土地生態安全綜合值

3 結論

1)葉爾羌河平原綠洲土地利用類型主要以未利用土地、耕地、草地為主，三者面積之和占總面積的94.47%。1991—2016年除耕地、建設用地面積增大外，其余地類面積均減小，其中耕地動態度最大，建設用地次之，濕地最小。

2)葉爾羌河平原綠洲土地生態安全綜合指數大致呈遞增趨勢，其中，1991—2007年均處于風險級，2008—2016年土地生態環境狀況有所改善，但安全等級處于敏感級，土地生態環境仍較差。

3)從3個系統的安全指數來看，研究區壓力指數呈逐年減小的發展趨勢，狀態指數和響應指數均出現遞增的發展趨勢，其中響應指標在土地生態安全評價過程中起重要作用，說明改善葉爾羌河平原綠洲土地生態安全狀況，需要加大資金投入力度，加強生態建設與土地利用監督管理，牢固樹立土地生態安全的理念，積極開展農村土地整治工作，做好宣傳教育，使保護土地生態安全的觀念深入人心；控制人口增長速度，緩解人地矛盾，做到人與土地資源的和諧共處，為實現土地資源生態安全的可持續發展奠定良好的基礎。

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Study on Land Use Change and Land Ecological Security Evaluation in Oasis of Yarkant River Plain

Malika AMAT, Mansur SHABITI*, ZHANG Xueqi, MA Guofei

(College of Geographical Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China)

Taking the oasis of the Yarkant River Plain as the study area, Landsat remote sensing images in 1991, 2005 and 2016 were selected, and land use types were quantitatively extracted and analyzed by using RS and GIS techniques, and social and economic data in the same periods were used to extract and analyze to construct the evaluation index system of land ecological security by using PSR model, the weight of each index was determined by entropy method, and then the land ecological security levels from 1991 to 2016 were evaluated synthetically by using the method of comprehensive index evaluation on the time scale. The results showed that during 1991—2016, except for cultivated land and construction land, the areas of other land use types decreased, and woodland decreased most, by 47.12%. The comprehensive index of land ecological security in the oasis of Yarkant River Plain showed an increasing trend, among which, it was at the risk level during 1991—2007, and changed to the sensitive level in 2018—2—16 with the improvement of land ecological environment, but it still indicated a poor land ecological environment. To improve the land ecological security of the oasis in the Yarkant River Plain, it is necessary to increase the fund investment to promote the ecological construction in strengthening land use supervision and management, controlling population growth and alleviating contradiction between people and land in order to lay a solid foundation for the sustainable development of land ecological security.

Land use change; Ecological security evaluation; PSR model; Yarkant River Plain Oasis

國家自然科學基金項目(41661100)和新疆師范大學研究生科技創新項目(XSY201902008)資助。

(mansursa@163.com)

麥麗開·艾麥提(1994—)，女，新疆疏附人，碩士研究生，研究方向為干旱區綠洲環境演變。E-mail: malika1210@163.com

F301；X826

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.04.022