干旱區(qū)生態(tài)彈性度與土地利用分析

盧 航，孫桂麗，2，陸海燕，李 路，白一純

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052 ; 2.干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引言

1 材料與方法

1.1 材 料

鄯善縣位于吐魯番盆地東部。該地區(qū)的面積占全疆的2.5%達(dá)到39,800 km2。年平均氣溫11.3℃，年平均降水量26 mm。該縣地處干旱荒漠地區(qū)，在鄯善縣南部是面積1 880 km2庫木塔格沙漠區(qū)。

基本影像數(shù)據(jù)共5期。包括1980年9月13日Landsat 4-5 TM影像、1990年9月24日Landsat 4-5 TM影像、1995年9月10日Landsat 4-5 TM影像、2005年9月9日Landsat 7E TM影像和2015年9月16日Landsat8影像為主。

運用ENVI4.8軟件對五期的影像做前期的基本處理，基于LUCC分類體系，結(jié)合鄯善縣的地表實際情況、采用目視解譯的方法將鄯善縣土地利用類型分為一、二級土地類型，經(jīng)過對比表明，目視解譯的最終數(shù)據(jù)滿足研究要求[16-20]。運用ArcMap10.5軟件通過多空間疊置分析獲得研究期內(nèi)的土地利用空間變化圖，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析獲得土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，以此對研究區(qū)土地利用變化進(jìn)行分析。

1.2 方 法

1.2.1 土地利用動態(tài)變化

分析土地類型指數(shù)對土地利用變化。為了精準(zhǔn)分析土地類型之間變化，研究區(qū)土地利用類型變化的轉(zhuǎn)換特點，選取2005-2015年的土地利用類型一級分類和二級分類的之間的轉(zhuǎn)換分析，林地、草地和水域?qū)ρ芯繀^(qū)生態(tài)起穩(wěn)定性作用，因此選取林地、草地和水域的二級分類土地利用類型。表1

表1 土地利用變化計算公式

1.2.2 生態(tài)彈性度

隨著互聯(lián)網(wǎng)在我國大范圍的普及，雖然其為酒店創(chuàng)造了新的銷售模式和銷售渠道，但是如何確定社交媒體的商業(yè)價值、如何衡量使用社交媒體的營銷價值，以及如何通過社交媒體提高自身的品牌價值，一直是酒店經(jīng)營者需要面對的重要問題。

生態(tài)彈性度是指生態(tài)系統(tǒng)抵抗外部干擾其內(nèi)部保持穩(wěn)定的能力[21]。生態(tài)彈性度與其穩(wěn)定性呈正相關(guān)的多樣性有關(guān)，使用香農(nóng)多樣性指數(shù)Hi，其計算公式如下：

Er為生態(tài)彈性度;Si為地物i的覆被面積占總面積的比例，Hi為多樣性指數(shù);n為地物數(shù)量;Pi為地物i的彈性分值。由于分為6種不同的土地利用類型，因此，n=6。彈性分值，依據(jù)土地覆被對生態(tài)環(huán)境的作用大小賦值。

1.2.3 土地利用生態(tài)價值

生態(tài)服務(wù)價值是指生態(tài)系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)社會產(chǎn)生的利益；區(qū)域生態(tài)服務(wù)的價值會因為區(qū)域土地利用的生態(tài)進(jìn)程和服務(wù)間的相互作用產(chǎn)生影響。相對生態(tài)價值指數(shù)參照謝高地[22]等提出的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表”和劉川等[23]對新疆的生態(tài)價值當(dāng)量測定，并結(jié)合實際情況進(jìn)行調(diào)整確定評估。其具體計算公式如下：

EVi為生態(tài)價值指數(shù);Si為地物i的覆被面積占總面積的比例。

1.2.4 土地利用動態(tài)預(yù)測

利用馬爾可夫模型對鄯善縣的土地開始動態(tài)預(yù)測，計算鄯善縣2005年到2015年土地覆被類型之間的轉(zhuǎn)移概率矩陣。選擇2005-2015年作為預(yù)測原數(shù)據(jù)，研究時點k取1(2005)，2(2015)，3(2025)。以k=1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、10 a為步長，對土地覆被進(jìn)行多時段預(yù)測[24]。為確保Markov模型在對后期模擬準(zhǔn)確度，以2005年為基礎(chǔ)對2015年進(jìn)行模擬，2015年的模擬結(jié)果與2015年分析數(shù)據(jù)相一致。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用ENVI4.8軟件對五期的影像做前期的基本處理，基于LUCC分類體系，結(jié)合鄯善縣的地表實際情況、采用目視解譯的方法將鄯善縣土地利用類型分為一、二級土地類型，經(jīng)過對比表明，目視解譯的最終數(shù)據(jù)滿足研究要求[16-18]。運用ArcMap10.5軟件通過多空間疊置分析獲得研究期內(nèi)的土地利用空間變化圖，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析獲得土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，以此對研究區(qū)土地利用變化進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用時空變化

研究表明，根據(jù)研究區(qū)1980～2015年的土地利用現(xiàn)狀，未利用地占比例最大，草地主要分布在鄯善縣北部天山牧場。建筑用地以鄯善縣為中點沿鐵路方向擴(kuò)散。研究區(qū)中部的耕地面積和草地面積互有轉(zhuǎn)換，水域多位于建筑用地和耕地之間，零碎分布。圖1

圖1 不同時期研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖

根據(jù)鄯善縣的土地利用面積轉(zhuǎn)換，各土地覆蓋中未使用地所占總面積比例最大，均達(dá)90%以上。1980～2005年間林地面積呈持續(xù)增長，由0.13%增至0.19%，增幅達(dá)到0.06%，從2005年到2015年林地面積驟減。1995～2015年期間耕地土地面積逐年增長，耕地面積呈對號“√”型的趨勢。建筑用地1980～2005年呈上升趨勢占地面積僅次于耕地。水域面積由2005年的0.349 km2增加到2015年的3.682 km2。

在二級分類中，鄯善縣南部的庫木塔格沙漠，面積達(dá)1 880 km2是所占面積最大的未使用地。林地面積減小、除灌木林以外其他林地大部分轉(zhuǎn)化為草地和未使用地，草地面積前期波動不大、后期增長。建筑用地面積轉(zhuǎn)入量相對較小。2012年，全縣增加對水域治理和規(guī)劃修建水庫，其中包括二塘溝水庫和柯柯亞二庫的修建，對水域生態(tài)改善效果顯著。

土地利用程度指數(shù)后期增長，主要是耕地的面積增加和林地面積減少。各年份土地利用程度指數(shù)分別為108.61，108.61，108.61，109.52，111.53。表2

表2 1980～2015年鄯善縣土地利用類型面積變化

2.2 土地利用速度變化

各土地利用動態(tài)變化中，五期數(shù)據(jù)的趨勢指數(shù)Ps變動程度不一。耕地的Ps值在1990年之后轉(zhuǎn)入量增加，后期建筑用地增長過度出現(xiàn)回落現(xiàn)象。草地和水體的土地利用類型趨勢指數(shù)在1990～2005年間均為負(fù)值，土地類型大量轉(zhuǎn)出。但在2005年到2015年間都有回升，水域的年均變化率達(dá)95.46%。林地變化趨勢指數(shù)在長時間內(nèi)基本處于穩(wěn)定增長狀態(tài)。在研究期內(nèi)土地利用類型趨勢指數(shù)整體變化不大。草地覆被以1995年為轉(zhuǎn)折點，后期大量轉(zhuǎn)入。表3

表3 土地利用類型變化趨勢

研究表明，(1)土地利用動態(tài)變化顯著，研究區(qū)的土地覆蓋的年均動態(tài)變化指數(shù)為3.30%，即每年有3.30%的土地覆蓋類型發(fā)生變化。土地利用動態(tài)指數(shù)變化排序是草地(蓋度：中>低>高)>林地(隨林地類型生長周期降低)>水域。(2)土地類型內(nèi)部動態(tài)轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出量較高，二級分類中有林地和其他林地轉(zhuǎn)出為其他一級土地利用類型面積分別為5.2和44.97 km2，除林地外的一級土地利用類型轉(zhuǎn)入林地面積和其他林地分別為0.43、14.34 km2，轉(zhuǎn)換不平衡。同樣中、低覆蓋的草地轉(zhuǎn)出為面積為16.54、77.8 km2，除草地外的一級土地利用類型轉(zhuǎn)為63.31、777.45 km2，在2005年后10年內(nèi)草地面積增加趨勢降低。(3)湖泊變化主要是未利用地的轉(zhuǎn)入和部分轉(zhuǎn)出為低覆蓋草地，水庫的變化為耕地、林地和未利用地轉(zhuǎn)入。可以看出，耕地、林地和草地三者之間的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出量較多。表4，表5

表4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表5 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 生態(tài)彈性變化

研究表明，根據(jù)鄯善縣生態(tài)彈性強度的影響程度可分為4大類型。第1類為重要型，該類型對生態(tài)彈性度有重要影響作用，該類型的生態(tài)優(yōu)勢有利于生態(tài)彈性度的提升。主要土地覆蓋類型為林地、水域；第2類為中間型，該類型可以有積極的助力作用，需要相對護(hù)理防止退化使研究區(qū)生態(tài)彈性度降低，主要土地覆蓋類型為草地和耕地。第3類為輕威脅型，該類型對生態(tài)彈性度起邊緣化效應(yīng)，由于人為因素占主導(dǎo)、必須慎重利用和妥善管理。主要土地覆蓋類型為建筑用地。第4類為威脅型，因為受研究區(qū)氣候環(huán)境影響，該類型對生態(tài)彈性度造成相應(yīng)負(fù)擔(dān)，主要土地覆蓋類型為鹽堿地、裸地和荒漠等未利用地。表6

表6 鄯善縣生態(tài)彈性分值

根據(jù)前文的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、利用地理數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng)，對文中圖列的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化和數(shù)學(xué)統(tǒng)計，對鄯善縣生態(tài)彈性分值進(jìn)行分類后制表，通過公式計算得到研究區(qū)五期數(shù)據(jù)中生態(tài)彈性度變化。分析得出：(1)1980～1995年生態(tài)彈性度增長后穩(wěn)定下來，三期數(shù)據(jù)表現(xiàn)為1.49、1.51、1.51。該時期的生態(tài)彈性度的變化幅度與土地利用類型面積凈變化值的變化呈相對應(yīng)關(guān)系。(2)1995～2015研究區(qū)生態(tài)彈性度出現(xiàn)大幅度的增漲，從2005年到2015年增加相對明顯，在此期間內(nèi)鄯善縣生態(tài)環(huán)境抗干擾能力的增強，呈良好發(fā)展趨勢。(3)2005～2015年，生態(tài)彈性度增加較快的是由于高貢獻(xiàn)值的林地和草地面積變化。結(jié)合前文數(shù)據(jù)林地面積占比0.19%增長0.2%、雖增長相對較小，但草地面積占比擴(kuò)大到8.42%，總體上提高了生態(tài)彈性度。水域面積的增加，鄯善縣在2012年多處修建水庫，豐富了周邊生態(tài)環(huán)境。綜上所述、干旱區(qū)生態(tài)彈性力是可以反映出人類活動對生態(tài)環(huán)境造成的影響。表6，表7

表7 鄯善縣生態(tài)彈性度

2.3 土地利用生態(tài)價值

研究表明，從1980年的16 143.42×104元到2015年的17 522.42×104元，整體生態(tài)價值增長1 379×104元。從表中可以發(fā)現(xiàn)土地生態(tài)價值的變化和土地利用類型面積的變化相互對應(yīng)，土地生態(tài)價值和生態(tài)彈性的年均變化幅度相對應(yīng)。各土地生態(tài)價值中未使用地所占基數(shù)最大，占總價值比率達(dá)到60%。1980～2005年間林地生態(tài)價值呈持續(xù)增長，由247.69×104元增至353.89×104元，增幅達(dá)到42%，從2005年到2015年林地面積驟減導(dǎo)致林地生態(tài)價值下降到187.12×104元。1995～2015年期間耕地土地生態(tài)價值逐年增長，增幅達(dá)到35%。建設(shè)用地是人類活動最為強烈的地方，所具有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能主要是對生態(tài)環(huán)境負(fù)向影響，建筑用地1980～2005年生態(tài)價值負(fù)向上升。水域生態(tài)價值由2005年3.28×104元增加到2015年的35.47×104元，可以表現(xiàn)出當(dāng)?shù)貙λY源保護(hù)有所提高。表8

表8 鄯善縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

2.4 土地利用動態(tài)預(yù)測

(1)2015～2025年土地類型面積以轉(zhuǎn)出為主：水域面積減少0.24 km2，整體變化幅度較小。未利用地面積減少792.83 km2，與2005～2015年數(shù)據(jù)同比例減少。(2)2015～2025年土地類型面積以轉(zhuǎn)入為主：耕地、林地和草地面積變化與2005～2015年數(shù)據(jù)同比增加。建筑用地面積的增長幅度較大。表9

表9 運用Markov模型預(yù)測未來土地利用變化

3 討 論

以鄯善縣作為研究區(qū)域，利用遙感和地理信息技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究對鄯善縣1980～2015年近35年間土地利用進(jìn)行了初步分析。首次結(jié)合生態(tài)彈性度，生態(tài)服務(wù)價值和土地利用動態(tài)預(yù)測三個方面，對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行分析，并采用一、二級土地利用類型交叉轉(zhuǎn)換補充說明土地轉(zhuǎn)換形態(tài)。從數(shù)據(jù)分析可以看出，一級土地類型中林地面積和未利用地面積呈下降趨勢，其他土地類型面積呈上升趨勢，草地面積和建筑用地面積增加幅度較大。

各土地類型速度變化的主要原因：(1)耕地和建筑用地土地類型是由于城市的發(fā)展與人口的增長，導(dǎo)致糧食和居住環(huán)境的需求。(2)水域土地類型的改善與當(dāng)?shù)氐乃ㄔO(shè)密切相關(guān)，2012年修建的兩個水庫密切相關(guān)。(3)草地和林地的土地類型變化是生態(tài)評級的關(guān)鍵，是生態(tài)調(diào)節(jié)的結(jié)果。生態(tài)彈性度和生態(tài)服務(wù)價值從2005～2015年增加相對明顯，原因是主要是草地面積占比擴(kuò)大到8.42%，該區(qū)適宜于畜牧業(yè)發(fā)展，草地地和耕地土地利用類型面積凈變化上升，是糧食需求驅(qū)動的結(jié)果。水庫的建立后通過水渠和管道輸送，低覆蓋草地面積增大。植被的覆蓋直接影響沙地面積的縮小，形成生態(tài)環(huán)境呈良性循環(huán)發(fā)展的趨勢。

由于數(shù)據(jù)和圖件限制，僅能以10年間隔來分析土地利用的發(fā)展軌跡，無法獲取更短年份期間內(nèi)的變化形勢。今后研究中需要獲取到2019年以后的土地利用動態(tài)數(shù)據(jù),疊加生態(tài)保護(hù)措施實施后的土地利用類型面積的變化。

4 結(jié) 論

4.1 鄯善縣土地利用面積變化在1980～2015年間，土地利用程度綜合指數(shù)呈上升趨勢。土地利用以林地面積和未利用地面積轉(zhuǎn)出為主，其他土地類型面積都有轉(zhuǎn)入。草地面積和建筑用地面積增加幅度較大。從各二級分類的對比中，低覆蓋草地轉(zhuǎn)入量最大。土地利用總體趨勢與狀態(tài)指數(shù)緩慢上升，鄯善縣土地利用現(xiàn)狀不穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 鄯善縣生態(tài)彈性度整體呈現(xiàn)上升幅度且增大趨勢，1980～1995年生態(tài)彈性度呈現(xiàn)緩慢增長變化趨勢，1995～2015年研究區(qū)生態(tài)彈性度出現(xiàn)大幅度的增漲。

4.3 鄯善縣生態(tài)價值整體增長，各土地生態(tài)價值中未使用地所占基數(shù)最大，占總價值比率達(dá)到58%。土地生態(tài)價值的變化和土地利用類型面積的變化相互對應(yīng)，土地生態(tài)價值和生態(tài)彈性的年均變化幅度相對應(yīng)。

4.4 以2015年為基期，應(yīng)用Markov對2005年、2015年和2025年土地利用進(jìn)行預(yù)測。2015～2025年，除水域和未利用地面積相對減少之外，耕地面積、林地面積、草地面積和建設(shè)用地面積在緩慢持續(xù)增加。