和田地區未利用地轉型生態風險測度及用地預測

■ 王曉瑩 劉新平

〔新疆農業大學，新疆 烏魯木齊 830052〕

一、引言

土地利用轉型生態風險的研究是對于自然災害和人類活動對于生態環境影響的測度。廖柳文等[1]利用將土地利用的遙感影像數據疊加，提取其用地特征來研究其如何影響生態彈性度演變；趙麗[2]從這個角度分析三生功能的時間、空間分布特征。除了通過土地利用類型的分布特征來測算其對生態環境的影響程度以外，李凌超、劉金龍[3-4]也研究分析了影響森林轉型的主要因素和其轉型路徑，在生態安全的基礎上找出土地利用轉型的最優方案。在研究方法方面，彭羽[5-6]采用ArcGIS疊加法分析生態風險成因和趨向；李鑫[7]和吳劍[8]則使用線性回歸與空間自相關等分析方法；韓茹茹[9]利用PSR模型分析了太湖流域的生態風險；潘竟虎、吳莉[10-11]等采用景觀生態指數模型進行土地利用生態風險評價；鞏杰、謝余初[12]等人將地形、氣象、人口等因素加權計算獲得生態脆弱性指數。隨著研究的不斷深入，對于土地利用轉型生態風險的研究思路也在不斷拓寬，徐學工[13]等認為確定生態風險的程度應該從生態系統的損失和脆弱度的角度；劉文新[14]等提出了可操作性較強的生態風險評價方法。本文從景觀干擾度、景觀脆弱度、生態損失差異三個方面構建生態風險評價指標體系，對和田地區未利用地轉型生態風險進行分析，并提出生態風險防控的相關建議，以期和田地區的生態環境不斷好轉。

二、數據來源與研究方法

（一）數據來源與處理

本文影像圖資料來源于資源環境數據中心，利用ENVI 4.8對和田地區1980年和2008年、2018年的Landsat遙感影像做前期的波段融合、幾何矯正、影像裁剪等預處理。基于全國土地分類系統，根據和田地區的土地利用/土地覆被特征、結合土地利用總體規劃數據庫和土地利用總體規劃調整完善數據庫中的土地利用分類體系對數據進行精度驗證，主要為目視解譯，輔以土地變更數據；再利用Arc Map 10.2軟件對兩期影像圖進行數據矢量化，得出和田地區土地利用/土地覆被變化數據。

（二）研究方法

1.未利用地動態變化空間分析模型。

本文引用未利用地動態變化空間分析模型，對和田地區未利用地變化在研究期間的活躍和強烈程度進行測度，其計算公式為：

式中：第i種未利用地類型的轉出速率為TRLi；第i種未利用地類型的轉入速率為IRLi；第i種未利用地類型的空間變化速率為CCLi；研究初期第i種未利用地類型的面積為LAi（i，t1）；研究期間第i種未利用地類型未變化部分的為ULAi；研究期間第i種未利用地類型轉移部分的面積為LAi（i，t1）～ULAi；研究期間新增部分面積為LA（i，t2）～ULAi；研究期初、期末的時間分別為t1，t2。

2.未利用地空間變化率指數。

未利用地動態變化空間分析模型缺乏針對各未利用地類型相互轉化劇烈程度的描述。為測算研究期間某未利用地類型空間變化的規模和變化程度，本文引入未利用地空間變化率指數。其計算公式為：

式中：第i種未利用地類型的空間變化率指數為Fi，研究期間該類型未利用地變化為△Vi；研究區面積為A；研究期初、期末的時間為t1，t2。

3.生態風險指數。

根據和田地區各個土地利用類型的面積，對土地利用類型和生態風險的相關性進行分析，構建各土地要素的生態風險綜合指數。其表達公式為：

式中:生態風險指數為ERI，土地要素總數量為N，土地總面積為A，Ai代表第i類土地要素的面積，生態損失的差異為Ri。

4.未利用地轉型綜合生態風險度的指標選取（見表1）。

表1 景觀指標

5.馬爾科夫預測模型。

在一定條件下，土地利用的演變過程是一種特殊的隨機運動過程，具有馬爾科夫過程的性質。馬爾科夫預測模型常被用來預測土地利用數量變化，其表達式如下：

式中：分別為n和n-1時刻的系統狀態分別是X（n）、X（n-1），轉移概念矩陣為Pij，該矩陣需要滿足，矩陣每行元素之和等于1；②0≤Pij≤1（i，j=0，1，2，…，n），矩陣中每個元素都必須非負。

和田地區2028年的土地利用結構滿足以下3個條件：①轉移矩陣P逐期保持不變；②2018—2028年土地利用類型不會發生大的改變，比如突然消失或突然出現某一種地類；③狀態的轉移不受前一時期以前的狀況影響，可以采用馬爾科夫模型預測和田地區2028年的土地利用結構。

三、結果與分析

（一）未利用地轉型的空間類型

本文結合和田地區實際情況，本著簡潔明了和切合實際的原則，將和田地區未利用地劃分為荒草地、沙地、鹽堿地、濕地、水域、裸土裸巖。為了更加直觀地描述和田地區未利用地相互轉化的情況，本文將三期矢量化的分布圖進行疊加，將和田地區主要的未利用地轉型空間分布特征進行提取，并通過計算得出和田地區未利用地空間變化速率和空間變化指數（見表2）。

表2 和田地區1980年—2018年未利用地轉移矩陣 單位：hm2

表3 和田地區1980年—2018年未利用地向農用地、建設用地轉移矩陣 單位：hm2

表3 和田地區1980年—2018年未利用地向農用地、建設用地轉移矩陣（續） 單位：hm2

1980 年—2008 年間，和田地區荒草地轉出為4 199 217.41 hm2，轉入面積是3 983 098.43 hm2，轉出大于轉入，面積凈減少216 118.98 hm2。轉出的荒草地大部分成為了不具有生態功能的沙地，一部分變為農用地。荒草地具有涵養水源，增加地下水含量的生態功能，其大量減少是土地沙漠化、土地荒漠化和土地鹽堿化的原因之一。1980年—2008年間，沙地面積凈增加272 458.45 hm2，水域面積凈減少7 386.93 hm2。在1994年前后，和田地區因玉石挖掘和氣田開發等原因，使得和田河水中含沙量明顯增加，嚴重破壞了生態環境，導致水土流失面積明顯增大。1994年后，和田地區加強了對生態環境保護，通過植樹和種草、封禁封育等治理土地沙化、土地荒漠化已經取得了一定的成果，裸土裸巖面積凈減少10 193.74 hm2，濕地面積凈增加8 892.55 hm2。

2008 年—2018 年間，荒草地的轉出面積為3 968 903 hm2，轉入面積是3 767 376 hm2，面積凈減少201 527 hm2。1 326 404 hm2的荒草地變成了沙地，1 597 289 hm2的裸土裸巖變成了荒草地。濕地面積凈增加2 959.41 hm2，主要轉出為荒草地。這兩種具有生態功能的未利用地相互轉化，一定程度上說明了和田地區在近年來在保持水土方面的取得了一定的成績。通過查閱資料得知，在2008—2018年間，和田地區對水土流失的治理比較重視。2018年建立“河長制”后，水土流失治理面積達到66 020 hm2。

2008年—2018年間，和田地區沙地的面積凈增加12 871 464 hm2，比1980年—2008年間沙地凈增加面積增長了1 065 633.73 hm2。風沙侵蝕和干旱導致了和田地區的土地沙漠化和植被的減少，而且和田地區本就與塔克拉瑪干沙漠相鄰，和田地區6個縣市中，有5個都坐落在塔克拉瑪干沙漠南緣，沙地和戈壁的自然形成發展有其歷史原因。該地區常年氣候干燥，降水稀少，生長的草甸植物、荒漠植物均屬鹽生植物，抑制水土流失的作用發揮有限。沙地和戈壁面積的增加是不可避免的。但是大量的植樹種草和土地沙漠化的治理還是讓和田地區的土地生態環境惡化得到了一定的遏制，鹽堿地和裸土裸巖的減少就是明顯的成果。尤其是2017年開展的保護和拯救塔里木河流域胡楊林專項行動，人工灌溉胡楊林，封育荒漠林。對于防風固沙和貯存地下水，尤其是保護和田地區地下水資源作用非常顯著的胡楊林的保護，也是和田地區在維護生態環境方面取得的成績。

（二）未利用地轉型的空間特征

從表4看出，1980年—2008 年研究區域水域的空間變化最為活躍，沙地次之，都呈現很強烈的擴張態勢，其中，水域的空間變化速率從6.30%上升到22.74%，沙地從5.88%上升到20.99%，濕地的空間變化最小，空間變化速率從6.48%上升到了15.32%。具體來看，1980年—2008年裸土裸巖的轉出速率最快（3.49%），濕地的轉出速率最慢（2.84%）；濕地的轉入速率最快（3.64%），鹽堿地的轉入速率最慢（2.25%）。2008年—2018年，鹽堿地轉出速率最快（9.99%），濕地轉出速率最慢（7.17%）；而水域轉入速率最快（13.84%），裸土裸巖轉入速率最慢（7.16%）。可見，后一時段均為未利用地轉出速率最快、水域轉入速率最快、濕地的轉出速率最慢，說明在此期間和田地區的生態環境有好轉的趨勢。

表4 和田地區未利用地空間變化速率

從表5看出，1980年—2008年沙地的空間變化率指數達到2.68%，說明沙地的變化最為劇烈，與其他未利用地空間轉化的幅度最大；裸土裸巖和荒草地劇烈程度也較為明顯，分別為1.70%和1.14%。2008年—2018年沙地變化最為明顯，達9.81%，裸土裸巖次之，為3.99%。從前后兩個時段變化情況來看，所有未利用地類型的空間變化率后期均于前期，說明該區域的空間動態變化隨著未利用地類型間頻繁的相互轉化而愈加突出。

表5 和田地區未利用地空間變化率指數

（三）土地生態風險空間分析

根據公式（5）計算出和田地區1980年、2008年、2018 年的土地生態風險指數，分別為0.036 5、0.025 6、0.030 1，可見和田地區近38年的土地生態風險程度呈現先減小后增大的趨勢，通過計算可得各縣市的土地生態風險指數（詳見表6）。近38年來，在和田地區的8個縣市中，只有于田縣的土地生態風險指數是持續減小的，其余縣市的土地生態風險指數均上升，說明和田地區整體上的土地生態風險呈上升趨勢。

表6 1980年—2018年和田地區各縣市土地生態風險指數

本文將和田地區生態風險級別等距劃分為5個等級：ERI≤0.025（低生態風險）、0.025＜ERI≤0.050（較低生態風險）、0.050＜ERI≤0.075（中生態風險）、0.075＜ERI≤0.100（較高生態風險）、ERI＞0.100（高生態風險）。通過計算結果可以看出，和田市與和田縣的生態風險值一直居高不下，達到了高生態風險級。墨玉縣、洛浦縣與民豐縣的生態風險值持續上升，其中民豐縣的增幅最大，由較低生態風險變為高生態風險。到2008年時，部分縣市的生態狀況得到改善，其中和田縣、皮山縣、策勒縣、于田縣的生態風險指數均有所下降，但是到2018年又有所上升，和田地區的生態風險狀況仍不容忽視。

（四）未利用地轉型的綜合生態風險度分析

綜合以上分析可知：景觀優勢度指數與生態風險程度成反比，為此取負號；景觀破碎度指數與生態風險程度成正比，為此取正號。將優勢度、破碎度、分離度、干擾度、脆弱度、生態損失差異歸一化后，加和得到1980年、2008年、2018年的和田地區未利用地轉型綜合生態風險度（詳見表7）。

表7 1980年、2008年、2018年和田地區未利用地轉型綜合生態風險度

和田地區的未利用地轉型綜合生態風險度從1980年的0.036 5下降到2008年的0.025 6，又上升到2018年的0.030 1，生態風險度呈現先減小后增大趨勢。具體來看，優勢度指數一直減小；其余指數先減小后增大，分析如下：

（1）1980年—2008 年，和田地區各土地利用破碎化程度得到了改善。分離度指數減少，說明這一時期各類土地空間分布趨于集中，優勢度指數減少，說明這些各地類的生態功能有所下降。干擾度指數降低，有利于生物的生存和生態環境的保護。總體來看，1980年—2008 年土地利用生態風險呈現下降的趨勢。

（2）2008年—2018 年，和田地區土地利用類型的空間分布呈分散破碎、不均勻的分布特征，破碎度指數、分離度指數和干擾度指數都有不同程度的增加，表明各類土地的破碎程度和分離程度加深、干擾強度增大，優勢度指數持續減小，說明土地生態功能持續下降。總體看來，2008年—2018 年和田地區土地利用風險呈現增加的趨勢。

綜上所述，38 年間和田地區土地利用生態風險指數呈現先下降再上升的變化趨勢。和田地區的生態問題主要成因一是因為不科學的未利用地轉型結構，二是未利用地在農業化的轉型過程中操之過急，致使土地生態功能下降。要降低和田地區的生態風險，除了轉變農業生產方式，提高資源利用率以外，更重要的是不可因為經濟發展的需求就盲目開發未利用地，在發展經濟的同時，應尋求一種穩健的土地利用模式。

（五）2028年土地利用結構預測

由表8可知，1980年—2018 年和田地區耕地面積增加了203 687.55 hm2，建設用地面積減少了312 581.05 hm2，林地面積減少了30 099.06 hm2，草地面積增加了404 072.85 hm2，未利用地面積減少了265 080.29 hm2。通過Markov 預測模型預測出的和田地區2028 年耕地面積比2018 年增加了87 818.6 hm2，林地面積增加了12 956.36 hm2，草地面積增加了601 915.49 hm2，建設用地面積減少了420 245.4 hm2，未利用地面積減少了282 445.05 hm2。在未利用地類型中，荒草地面積減少了49 028.85 hm2，沙地面積減少了167 248.55 hm2，鹽堿地面積減少了1 858.63 hm2，濕地面積減少了1 326.53 hm2，水域面積減少了1 165.17 hm2，裸土裸巖面積減少了61 817.33 hm2。

表8 2028年和田地區土地利用結構預測

四、結論

本文對從1980年到2018年和田地區未利用地的轉化矩陣進行了分析，通過數據分析總結了38年來和田地區未利用地使用的特點，對未利用地轉型的生態風險進行了評價，得出以下結論。

1.從未利用地轉型的結構來看，1980年—2008年間轉為農用地的荒草地面積為129 598 hm2，占農用地總轉入面積的74.89%；轉為農用地的濕地面積為1 808 hm2，占農用地總轉入面積的10.45%；轉為農用地的水域面積為6 684.56 hm2，占農用地總轉入面積的0.35%；轉為建設用地的荒草地面積為302 hm2，占建設用地總轉入面積的29.55%；轉為建設用地的濕地面積為83 hm2，占建設用地總轉入面積的8.12%。2008年—2018年間，轉為農用地的荒草地面積為517 156 hm2，占農用地總轉入面積的50.87%；轉為農用地的濕地面積為26 120 hm2，占農用地總轉入面積的2.57%；轉為農用地的水域面積為6 033 hm2，占農用地總轉入面積的0.25%；轉為建設用地的荒草地面積為1 172 hm2，占建設用地總轉入面積的9.99%；轉為建設用地的濕地面積為1 807 hm2，占建設用地總轉入面積的15.4%。

2.從生態風險綜合評價結果來看，通過對和田地區未利用地轉型結構以及土地利用/土地覆被特點的分析，可以看出1980年—2008 年和田地區未利用地面積呈減少趨勢，而未利用地中的荒草地、鹽堿地、水域、裸土裸巖面積有明顯下降。2008年—2018 年未利用地的面積持續減少，其中荒草地、濕地、裸土裸巖面積呈減少趨勢。通過分析可以看出，隨著和田地區人口的增加和對土地利用需求的增加，引發了生態問題，人類活動影響著土地利用結構的變化，而土地利用結構的變化影響著地區的生態環境。1980年—2028 年和田地區生態風險總體呈先下降再上升的趨勢，土地利用生態風險指數由1980年的0.036 5下降至2008年的0.025 6，再增長至2018年的0.030 1。和田地區人多地少，加上原本多塵、少雨的氣候，想要維持生態環境保護成果仍需加大力度突破傳統的農業生產方式，努力解決缺水這一短板問題。

五、對策與建議

關于和田地區未利用地轉型生態風險的防控，在提升農業產量，發展社會經濟的同時保護生態環境，要做到以下幾點。

1.科學合理的規劃是前提，統一的指導是最可行的方式。和田地區的未利用地資源開發前景十分廣闊，在開發前尤其需要合理的規劃，嚴格按照規劃來執行對未利用地資源的開發利用。對于沙地、裸土地、裸巖石質地等未利用地類型，要大力種植需水量少，蓄水能力強的胡楊林、怪柳等植物，盡量對其進行優化，增加地下水含量，改善生態環境，同時增加可開發的未利用地資源。

2.了解和田地區的農業基礎和自然條件，提高科學技術水平，努力從沙漠中探尋發展出路[16-19]。“靠山吃山，靠水吃水，靠沙吃沙”，和田地區緊靠塔克拉瑪干沙漠，土地沙化是一個歷史性的問題，除了大力種植防風林，人工澆灌流域兩旁的胡楊林這些防風治沙的手段外，也可以大膽探索，通過新技術的利用將經濟發展的目光轉移到沙地產業上來。不僅要推廣種植、養殖的新技術，最大限度地利用資源，提高產量和效益，而且要最低限度地破壞生態環境；利用土壤改良手段進行鹽堿地和沙化地的開發，同時將沙地產業進行大力推廣，對于沙化地選擇具有涵養水源、保持水土等生態功能的植被進行種植，保護地下水資源，減少裸土地的面積，降低土地沙化速率和沙化面積。同時，高效利用水資源，最大限度地對水資源進行節約，擴大有效灌溉面積，推廣節水農業。

3.不要單一的先利用再治理，要做到“用前預防，用時科學，用后治理”。經濟的快速發展需要開發建設用地，和田地區以農業生產為主，工業發展緩慢。未利用地大多轉為農村居民點，大力發展工業，可以減少和田地區各縣市對農業的依賴，有助于經濟的發展。但是和田地區工業的發展絕不能以破壞生態環境為代價，未利用地向建設用地的轉型應遵循與農業化轉型同樣的原則。對于需要對目前的和田地區生態資源進行開發的工業要嚴格控制。大力發展和引進那些在保護環境過程中能夠起到積極的推動作用的工業；絕不能破壞現有的生態資源，而且，建設用地在開發后要對生態環境造成的影響進行補償[20-23]。

4.增加生態投入是根本。生態保護投資規模小，投資渠道單一，生態治理項目效益低；信息不對稱，渠道不通暢，難以良好的支撐生態管理。只有加大國家對生態保護的投入，才能促進各類生態治理設施的建設，提高生態環境治理水平和各類生態治理項目的效益。

5.加強自然資源執法監督是保障。實施重大典型違法案件跟蹤督辦、案件聯合審查、執法監督動態檢查制度。利用衛星遙感、微信舉報和“一張圖”管理等新型監管方式，從源頭上遏制破壞生態環境、浪費自然資源的行為。