基于土地利用變化的塔里木河下游區近20 a景觀生態風險研究

沈海岑，薛聯青

(河海大學水文水資源學院，南京 210098)

0 引 言

土地利用變化引起的生態環境效應已成為全球變化研究的核心內容[1,2]，土地利用集約化帶來的生態影響具有地域性和累積性特征，可以直接反映在生態系統的結構和組成上[3]。隨著生態環境研究的深入，生態風險評估已成為生態環境管理的重要工具[4]，景觀生態風險評價是生態風險評價在區域尺度上的重要分支[5]。耦合景觀空間格局和生態過程，衡量景觀格局演變對生態系統結構及功能的影響，評價景觀格局與生態系統相互作用的潛在風險，可以為區域風險防范、景觀格局優化、生態功能維系提供有效決策依據[6]。我國西北干旱區內陸河流域人口稀少，以荒漠生態系統為主，綠洲被荒漠包圍，生態系統較為單一，國內眾多學者對于西北干旱區進行景觀生態風險評價，魏曉旭[7]等揭示了石羊河流域的景觀生態風險時空變化；張月[8]等預測艾比湖區的土地利用變化并對湖區進行生態風險評價，得出人類活動干擾是影響當地生態脆弱的主要因素；梁二敏[9]等對新疆瑪納斯河流域進行基于土地利用變化的景觀生態風險評價，得出研究區生態風險等級呈降低趨勢；王若凡[10]等基于景觀生態學原理,擴展與修正了風險概念模型, 對黑河流域生態風險進行定量評價。這些研究為新疆塔里木河流域下游區生態環境評價的研究提供了新的思路，對下游區生態環境的修復和區域可持續發展具有指導意義。

然而，在前人關于塔里木河下游區的研究[11-13]中，更多關注的是生態輸水后生態環境變化的實時監測和植被恢復狀況分析，缺乏基于土地利用的景觀生態風險分級評價和空間屬性的綜合分析。作為生境極其脆弱的干旱內陸河，塔里木河下游段曾斷流超過30 a，流域水系統的完整性被打破，尾閭湖泊干涸，水生態系統受損嚴重[14]，自2001年起，塔里木河流域依托國家政策實施全流域綜合治理，經過近20 a的綜合治理，下游區土地利用類型產生較明顯變化，流域土地利用的變化及生態環境的恢復程度值得深入研究。為此本文選取2001、2010、2019年3期Landsat7 ETM遙感影像，以塔里木河下游區為研究對象，分析塔河綜合治理工程實施的20 a來土地利用/覆被變化，構建景觀生態風險評價模型，開展塔河下游區景觀生態風險時空變化研究。

1 研究區概況

以塔里木河下游段為研究區，即恰拉水庫至若羌縣臺特瑪湖河段，位于庫魯克沙漠和塔克拉瑪干沙漠之間的沖積平原(圖1)，總面積1.28 萬km2。研究區屬極端干旱氣候，降水稀少，蒸發強烈，年降水量僅17.4～42.0 mm，而面潛在蒸發量在2 500～3 000 mm之間[15]。塔里木河為純耗散型內陸河，下游地區水資源主要依靠源流補給。歷史上下游河道長期斷流，至2019年底，向塔里木河下游生態輸水達到20次，累計輸水量超過81 億m3。塔里木河下游在歷經斷流和生態輸水后，兩岸景觀及生態系統發生顯著變化[16]。

圖1 研究區地理位置及其高程Fig.1 Location and DEM of the study area

2 數據與方法

2.1 數據來源及處理

本文以2001年、2010年和2019年三期成像于7-9月的Landsat7 ETM衛星圖為數據源(分辨率為30 m),來源于美國地質勘測局網站 (http:∥glovis.usgs.gov)，云量小于8%，運用ENVI 5.1軟件對遙感數據進行輻射定標、大氣校正、幾何校正等預處理，再通過圖像鑲嵌和裁剪，得到塔里木河下游區3期的Landsat遙感影像。利用極大似然法進行非監督分類，結合目視解譯，基于中國科學院開發的土地利用與覆被分類系統，并結合研究區土地利用特點，將研究區景觀類型分為耕地、林地、草地、水域濕地、建設用地和未利用地(圖2)。結合Google Earth高分辨率影像和野外調查點，運用Confusion Matrix工具對解譯結果進行驗證，總體分類精度達88%以上，符合精度要求。將三期解譯好的土地利用分類圖導入Fragstats 4.2軟件，提取研究區各土地利用類型的面積、斑塊數等重要信息。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀生態風險評價模型構建

為了實現生態風險指數的空間化，本文利用ArcGIS 10.1軟件的系統采樣功能，將研究區進行網格化處理，劃分為大小相同的若干生態風險小區，作為評價單元。考慮到景觀斑塊評價面積和計算強度，將研究區劃分為1 419個3 km×3 km的采樣網格。利用景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數構建景觀生態風險評價模型，計算每個風險小區的景觀生態風險指數，作為風險小區中心點的值。

圖2 2001-2019年塔里木河下游區土地利用類型變化圖Fig.2 Change of land use landscape type in the lower reaches of Traim River from 2001 to 2019

景觀干擾度指數(Di)反映一定區域內景觀受外界干擾后的損失程度[17]。本文選用景觀破碎度指數(Ci)、和景觀優勢度指數(Doi)以一定權重疊加計算出景觀干擾度指數(表1)。

表1 景觀指數計算方法及意義Tab.1 Calculation method and significance of landscape index

景觀脆弱度指數(Fi)反映景觀類型抵抗外界干擾的能力和對外界變化的敏感程度[19]。借鑒張月等[20]、潘競虎等[21]、FAN J等[22]對于干旱內陸河流域的相關研究，脆弱度由高到低依次賦值為：未利用地為6，水域濕地為5，耕地為4，草地為3，林地為2，建設用地為1，歸一化處理后得到各景觀類型的脆弱度指數。

景觀生態風險指數(ERI)可以定量描述樣區內的綜合生態風險損失的大小，建立景觀結構和區域生態風險之間的關系[23]。其計算公式為：

(1)

式中:n是景觀類型的數量；Aki為第k個樣區中景觀i的面積；Ai是第k個樣區的總面積。

2.2.2 空間自相關分析

本文運用GeoDa 1.4.1軟件進行生態風險空間自相關分析。空間自相關分析是用來檢驗某些空間變量在特定位置的屬性值是否與鄰近位置的屬性值顯著相關的算法[24]，常用的指標有Moran’sI指數(全局空間自相關)和LISA指數(局部空間自相關)[25]。Moran散點圖表達了各土地利用類型空間分布的聚集和異常特征，LISA分布圖可進一步確定局部空間聚集或異常的具體位置[26,27]。全局Moran’sI值和局部Moran’sIi值的計算公式分別為：

(2)

(3)

在一定顯著水平上，Moran’sI負值表明存在空間負相關，空間單元屬性值趨于離散；正值表明存在空間正相關，空間單元屬性值趨于聚集；零值表明不存在空間自相關。

3 結果與討論

3.1 土地利用類型時空變化特征分析

由圖2和圖3可知，未利用地面積占流域總面積比例超過70%，為塔河干流下游區主要的土地利用類型，其面積在2001-2019年減少了12.78%，呈現逐年減少的趨勢。草地面積在2001-2010年顯著增加了37.6%，在2010-2019年略微減少了7.82%。林地面積在2001-2019年持續顯著增加，且增長速率也在增大，面積共增加了154.7%，增加的林地面積主要分布在臺特瑪湖、大西海子水庫附近，以及喀爾達依東側新增了大片林地。水域濕地面積在2001-2010年大幅增加，在2010-2019年持續略微增加，主要由于生態輸水工程和節水農業的普及，臺特瑪湖由干涸到湖面面積顯著擴大，水域濕地面積共增加了204.9%。同時，耕地和建設用地的面積也持續增加，分別增加了100.27和26.24 km2，增加的耕地和建設用地主要位于若羌縣，塔河綜合治理的20 a里，下游的人類活動愈加頻繁，農業區逐漸趨于城鎮化。

圖3 2001-2019年塔里木河下游區土地利用類型面積變化Fig.3 The change of the area land use of the the lower reaches of Tarim River from 2001 to 2019

3.2 景觀生態風險時空變化特征分析

在ArcGIS軟件中運用自然斷點法，將研究區生態風險分為5個等級，分別為：低生態風險區(ERI≤0.15)、較低生態風險區(0.151)，通過運用普通克里金插值法對生態風險進行空間插值，形成塔里木河下游區景觀生態風險空間變化圖。

由表2可知，2001-2019年間塔里木河流域下游區以低和較低生態風險區為主，占研究區面積72.61%以上，整體生態情況良好。2001-2010年，塔里木河流域下游區生態風險趨于增加，主要體現為低和較低生態風險區面積共減少了10.27%，中、較高、高生態風險區面積分別增加了43.33%、42.28%、53.57%。2010-2019年，塔里木河流域下游區生態風險趨于降低，主要體現為高和較高生態風險區面積分別減少了51.16%和51.43%，低和中生態風險區面積分別增加了26.16%和10.62%。

表2 塔里木河下游區景觀生態風險等級面積及比例Tab.2 The ecological risk level of the area and the proportion of land utilization in the lower reaches of Tarim River

圖4 2001-2019年塔里木河下游區生態風險空間分布Fig.4 Spatial distribution patterns of landscape ecological risk in the lower reaches of Traim River from 2001 to 2019

由圖4可知，塔河下游區的高生態風險區主要分布在水域濕地處，由于在干旱區分散的水具有較高的脆弱度和生態風險，恰拉水庫、大西海子水庫和臺特瑪湖處呈現高生態風險，臺特瑪湖來水量增大，區域景觀類型多樣，植被豐富，水域斑塊呈現從無到有的過程，破碎化程度加大，脆弱性增強，生態風險高。大西海子水庫附近由于水利工程的建設，降低了景觀連通性，人類活動干擾較多，景觀類型豐富，沿水庫植被覆蓋度高且有耕地分布，造成景觀破碎。低生態風險區主要分布在以沙地為主的未利用地，研究時段內，大部分未利用地未發生土地利用轉化，不受人類干擾，呈現高穩定性，斑塊面積大，斑塊數少，破碎化程度低。較低生態風險區多為生態脆弱度較低的林地、草地。2001-2010年，恰拉水庫至大西海子水庫東側和若羌縣耕地密布的區域呈現較高、中生態風險， 2010-2019年，研究區內耕地分布區域生態風險降低，由較高生態風險降為中生態風險。

2001-2010年間，即實施向塔里木河下游生態輸水工程的前十年里，塔河下游區土地利用類型發生較大變化，整體生態恢復良好，主要反映在水域濕地景觀受益明顯，水面面積增加了逾2倍，尤其尾閭臺特瑪湖由完全干涸到水面面積良好恢復，但濕地生態系統具有較高脆弱度，恢復時間較長；林地、草地覆蓋大幅增加，恢復與改善面積達到718.44 km2，產生大量新增細碎斑塊；同時，隨著人類在下游的活動日漸頻繁，耕地被大量開墾，因此景觀整體呈現破碎化。根據相關資料，2000-2009年大西海子水庫共向塔河下游輸水9.35 億m3，其中2007-2009年暫停向下游生態輸水，2010-2018年，向塔河下游生態輸水量達到63.8 億m3，約為前10 a的7倍，隨著生態輸水量的累積，2010-2019年間，塔河下游區的水域濕地、林地、草地面積持續增加，生態在進一步的恢復良好的同時，一些新增的水域、林地、草地、耕地斑塊由細碎小斑塊聚集成大斑塊，呈現聚集成片的趨勢，景觀整體的破碎化程度得到緩解，生態風險降低，尤其高生態風險區面積大量減少，向中、低生態風險轉化，生態環境質量進一步得到明顯改善。因此，水域濕地的生態功能恢復具有滯后性，持續性大量輸水是使下游脆弱的生態環境穩定好轉的重要保證[28]。建議持續對塔河下游進行輸水，增加水域濕地景觀的連通性[29]，使水域面積保持長期穩定，進一步開展在塔河兩岸退耕還林還草，提高下游生態系統的生態恢復力，保持沙漠綠洲的穩定性，使塔里木河下游的生態系統逐步恢復。

3.3 景觀生態風險空間自相關分析

塔里木河流域下游區2001、2010、2019年生態風險全局自相關分析的Moran’sI指數分別為0.752 6、0.744 6、0.743 7，全局Moran’sI均在0.5以上，說明景觀生態風險的空間分布呈現顯著正相關性。由圖5可知，較多散點在第一、三象限聚集，說明大多數風險小區在空間上呈現高-高和低-低相關性，即高、低生態風險區分別呈現高聚集度，具有明顯的空間趨同現象。

圖5 2001-2019年塔里木河下游區景觀生態風險值Moran’s I散點圖Fig.5 Moran’s I scatter plot of landscape ecological risk in the lower reaches of Tarim River from 2001 to 2019

由局部自相關分析LISA圖(圖6)可知，3個時期高-高生態風險聚集區基本分布于水域濕地及其周圍的耕地、草地、林地，且隨著臺特瑪湖水面的大面積恢復而增多，低-低生態風險區主要分布在未利用地和草地。高-低和低-高生態風險區面積較小，在高-高、低-低風險聚集區邊緣零散分布，說明研究區內景觀生態風險的出現局部急劇變化的可能性較低。

圖6 2001-2019年塔里木河下游區景觀生態風險值LISA指數空間分布圖Fig.6 Cluster map of LISA of landscape ecological risk in the lower reaches of Tarim River from 2001 to 2019

4 結 論

(1)在2001-2019年間塔里木河下游區土地利用類型時空變化明顯，實施塔河綜合治理的20 a里，在生態輸水工程、胡楊林重點保護區應急補水和普及節水農業的背景下：未利用地作為主要的土地利用類型，面積逐年減少；草地、林地面積顯著增加，增加的林地面積主要分布在臺特瑪湖、大西海子水庫以及喀爾達依東側；水域濕地面積大幅增加，主要體現在臺特瑪湖由干涸到湖面面積顯著擴大；耕地和建設用地的面積也持續增加。

(2)在2001-2019年間塔里木河下游區以低和較低生態風險區為主，占總面積72.61%以上，整體生態情況良好。高生態風險主要分布于恰拉水庫、大西海子水庫和臺特瑪湖處，較低生態風險區多為生態脆弱度較低的林地、草地，低生態風險區主要分布在以沙地為主的未利用地，2010-2019年耕地分布區由較高生態風險轉變為中生態風險。整體生態風險先略有增加后逐漸降低，高、較高生態風險面積顯著減少了42.4%，塔里木河下游區生態系統正在逐步恢復，這與近10 a新疆向塔河下游生態輸水量大量增加密不可分。

(3)在2001-2019年間塔里木河下游區景觀生態風險的空間分布呈現顯著正相關性。大多數風險小區在空間上呈現高-高和低-低相關性，具有明顯的空間趨同現象。高-低和低-高生態風險區面積較小，在高-高、低-低風險聚集區邊緣零散分布，研究區內景觀生態風險的出現局部急劇變化的可能性較低。