伊犁河流域綠洲城市土地資源利用的生態風險評價：以伊寧市為例

唐利華， 張永福*

(1.新疆大學 資源與環境科學學院， 新疆 烏魯木齊830046; 2.新疆大學 綠洲生態教育部重點實驗室， 新疆 烏魯木齊830046)

伊犁河流域綠洲城市土地資源利用的生態風險評價：以伊寧市為例

唐利華1,2， 張永福1,2*

(1.新疆大學 資源與環境科學學院， 新疆 烏魯木齊830046; 2.新疆大學 綠洲生態教育部重點實驗室， 新疆 烏魯木齊830046)

為伊犁河流域土地資源的合理利用及土地利用總體規劃提供參考，根據伊寧市2009—2013年的土地利用變化數據，建立土地利用生態風險評價指標，以1 km×1 km的單元網格進行系統采樣，借助GIS技術與半方差分析方法，對區域土地利用變化的生態效益風險及其社會影響進行綜合評價，并對2013年土地利用/覆蓋現狀存在的生態風險進行空間量化分析。結果表明： 1) 2013年，伊寧市土地利用/覆蓋存在風險集中在耕地、牧草地和城鄉建設用地，三者比例占全區總面積的83.14%； 2) 土地利用結構與數量變化復雜，耕地、園地向建設用地轉換是主要土地利用變化形式，突出表現為耕地銳減與建設用地大幅擴展； 3) 土地利用程度指數逐年上升，不斷推進土地利用的廣度和深度； 4) 伊寧市土地利用生態風險時空分異顯著，伴隨建設用地擴展，高生態風險區由北向南逐漸轉移，人類活動在一定程度上增加了區域潛在的生態風險。

伊犁河流域;綠洲城市; 土地利用;土地資源； 生態風險; 伊寧市； 新疆

生態風險是自然和社會經濟等無法預料的因素和事件，在某一特定的區域內對該生態系統及其部分結構造成影響，最終破壞生態系統的組分和功能，威脅生態系統的安全，削弱承受外界風險的能力。其產生的原因帶有客觀不確定性、危險性和內在價值性。土地利用以景觀尺度為基礎，直接或間接地揭示生態系統的作用方式和健康受到人類影響程度，并反映人為活動與自然環境變遷間的相互作用[1-2]。近年來，土地利用/覆蓋變化(LUCC)作為人類活動對全球變革驅動的不可或缺的組分以及區域響應機制，逐漸成為自然地理學、人文地理學、生態水文學和土地科學等相關學科的前沿核心領域[3-5]。

西北伊犁河流域社會經濟發展相對落后，城市化、工業化進程伴隨著生態環境安全問題[6]。綠洲被稱為人地關系最為敏感的區域，伊犁河流域綠洲即為受到伊犁河流域干旱區自然因素和人文因素雙重作用的復合自然生態系統[7]。前人針對特定區域內土地資源利用的生態風險進行了大量研究，衷平等[8]構建符合研究區的生態風險指標，利用主成分分析法篩選出能反映石羊河流域生態風險的敏感性因子；宋冬梅等[9]運用GIS、RS技術研究民勤地區綠洲景觀格局變化及其驅動影響因素；劉引鴿[10]采用層次分析法和綜合指數法對陜西省進行基于土地利用的生態風險綜合分析研究；吳文婕等[11]借助GIS技術，結合馬爾可夫概率轉移矩陣，評價甘州區土地利用生態風險。目前，關于伊犁河流域近期土地資源利用風險尚無相關研究。為此，筆者以2013年伊寧市土地利用現狀圖為源信息，基于伊寧市2009—2013年土地利用變更數據，對伊犁河流域綠洲城市土地利用的變化及其區域導致的生態風險進行時空分異研究，探討流域土地的生態系統問題，構建集土地、生態和社會經濟平衡于一體的科學利用土地模式，以期為伊犁河流域合理利用土地資源及新一輪土地利用總體規劃提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

伊寧市地處新疆維吾爾自治區西部邊境伊犁河流域中部，北緯43°50′～44°09′、東經80°04′～81°29′，東邊接伊寧縣，西邊接霍城縣，北邊靠天山西部的科古琴山，南邊倚伊犁河。境內平均海拔1 083.10 m，城市中心海拔662.5 m，具有特殊的地貌單元，可分為中低山地、沖洪積扇和河谷階地。土壤類型多樣，水資源富饒。近年來，伊寧市著力調整經濟結構，強力推進城鎮化、工業化和農業化進程，忽視生態環境的脆弱性，導致土地利用的生態問題日益突出。全市轄8鄉、1鎮、1場和1市區，2013年總人口55.97萬人，具有較高的城市化水平(達64.83%)。全市(除兵團)土地總面積62 279.94 hm2，其中，耕地面積15 727.31 hm2，園地867.03 hm2，牧草地22 831.12 hm2，林地4 594.46 hm2，城鄉建設用地13 219.65 hm2，交通用地2 104.8 hm2，水域1 941.35 hm2，未利用地994.2 hm2。

1.2 數據來源

根據研究區2013年1∶10萬土地利用現狀圖(MapGIS格式)及2009—2013年土地利用變化數據，結合伊寧市土地的實際狀況，把伊寧市的土地覆蓋類別劃為耕地、園地、牧草地、林地、城鄉建設用地、交通用地、水域和未利用地8大類。

將伊寧市2013年1∶10萬土地利用現狀底圖轉換為EOO格式，在ArcCatalog中轉為coverage格式，拓撲重建，得到Shp格式的土地利用現狀圖，并借助ArcGIS 9.3將地類圖斑分類、提取和歸類，獲取2013年土地利用/覆蓋情況(圖1)。

圖1 2013年伊寧市土地利用/覆蓋情況

Fig.1 Land utilization/coverage situation of Yining City in 2013

圖2 伊寧市土地生態風險樣地劃分

Fig.2 Division of ecological risk sample plots in Yining City

1.3 研究方法

1.3.1 采樣 根據伊寧市土地利用類型的面積(62 279.94 hm2)情況，利用ArcGIS9.3軟件，采用1 km×1 km的單元網格將景觀格局進行空間化，應用等間隔距離采樣法，形成697個樣本區(圖2)，確保更好的呈現空間分異特征。根據公式得出每一樣區內各個土地類型的綜合R值(用作樣區中心點的R值)。

1.3.2 景觀生態風險分析 區域景觀生態風險分析是在景觀變化的基礎上，闡述和評定生態環境污染、人類行為對整個生態系統的組分和功能造成不良作用的不確定性和威脅點，也屬于生態風險評價[12]。依據2013年土地覆蓋數據，計算各土地類型的面積和景觀生態風險指數來反映土地覆蓋生態風險的大小，使其轉換為空間化的生態風險變量[11]。R值計算方法：

(1)

式中，RE為景觀生態風險指數，n為土地利用類型的數量，Ai為第i種土地利用類型的總面積，A為土地利用類型總面積，Ri為第I種土地利用類型的的生態風險強度。土地生態風險強度參數Ri參考韋仕川等[13]的結果，耕地、園地、牧草地、林地、城鄉建設用地、交通用地、水域和未利用地的Ri分別取0.112 7、0.069 3、0.755 7、0.017 4、0.295 6、0.211 9、0.079 1和0.084 4。

1.3.3 生態風險指標動態分析

1) 土地利用程度綜合指數。土地利用程度用其廣度和深度描述，一方面體現土地利用的自然屬性，另一方面也體現其受人為活動作用的社會屬性[14]。參考相關學者提出的土地利用分級指數，定義其計算公式：

(2)

式中，I為土地利用程度綜合指數，Qi為第i類土地利用程度分級指數，參考劉紀遠[15]賦值指標的研究成果：賦1為未利用地，賦2為牧草地、林地、水域，賦3為耕地、園地，賦4為城鄉建設用地、交通用地。Pi為第i類土地面積比例。

2) 耕地墾殖指數。耕地墾殖指數是指某地區總耕地面積與其土地總面積的比值，反映土地開發利用程度，尤其是耕地。耕地墾殖指數越高，該區域的耕地開發程度明顯，但可能不合理。說明城鎮化、工業化進程中，區域內將耕地向建設用地轉化時具有潛在的生態風險性。

(3)

式中，K為耕地墾殖指數，F為耕地面積，A為土地總面積。

3) 植被覆蓋指數。植被覆蓋指數是指研究區域內土地被植被覆蓋的比例。在一定程度上，草場過渡放牧及退耕還林會改變牧草地、林地的生態風險大小[14]。

(4)

式中,C為植被覆蓋指數，W為林地面積，G為草地面積，A為土地總面積。

4) 土地多樣性指數。土地多樣性指數用來評價區內土地類型的復雜程度和多樣性，是衡量其豐富度和均勻度的綜合指標。計算公式：

(5)

式中,D為土地多樣性指數，Pi為第i類土地面積比例，n為研究區土地利用類型的總數。

5) 土地利用優勢度指數。土地利用優勢度指數是指某種土地利用在整個評價區域中的優勢度，可用來評定景觀格局組成分中土地利用類型支配景觀的程度[16]。計算公式如下：

(6)

式中,S為土地利用優勢度指數，Pi為第i類土地面積比例，n為研究區土地利用類型的總數，Dmax=lnN(N=n)。

最后，根據伊寧市實際情況，并參照6位土地高級工程師、環境影響評價專家的意見，均賦予各項指標權重，由歸一化加權得到綜合風險指數。

1.3.4 生態風險空間分析 由于半方差函數能密切關聯到評價樣本間的屬性空間獨立量，能夠更好地反映地理現象的分布規律。因此，根據統計學中的半方差函數法來進行生態風險指數的空間分析[17]。

(7)

式中,γ(h)為變異函數；Z(xi)、Z(xi+h)為系統某屬性Z在空間位置x，x+h處的值；N(h)為樣本對數；h為空間距離。

1.3.5 生態風險可視化表達 根據系統采樣的樣區分布，用ArcGIS9.3中的Geostatistical Analyst，獲取試驗變異函數，然后擬合理論半變異函數。采用Ordinary Kriging模型進行球狀表面模擬預測，并檢測該模型的適用性，得出研究區域生態風險空間狀況分布圖，直觀預測伊寧市土地利用生態風險空間分布狀況。

2 結果與分析

2.1 伊寧市土地覆蓋的生態風險特征

2.1.1 2013年各生態風險等級面積及比例 從表1可知，2013年伊寧市土地利用覆蓋存在的生態風險多分布在耕地、牧草地和城鄉建設用地，三者的比例占全區總面積的83.14%。其中，牧草地生態風險指數為0.277 031，屬于高風險區，究其原因一是牧民放牧頻繁，對牧草地破壞的現象嚴重；二是牧草地面積占全區面積比例達36.66%，對海拔高的區域利用不充分，荒廢現象嚴重，導致牧草地生態風險指數最高。被自然植被覆蓋的林地和零星分布在農村居民點周邊的園地以及人為活動較少的未利用地整體上面積較少，三者在2013年總面積6 455.69 hm2，屬于生態低風險區域。交通用地和連片水域，生態系統較穩定，其風險等級也低，潛在的威脅性也相應小。伊寧市中心城區及周邊的城鄉建設用地由2009年的9 191.9 hm2增加至2013年的13 219.65 hm2，主要來源于城市周邊的耕地、園地及林地，滿足中心城區不斷擴展，以及各類交通水利用地的增長需求。人類活動較為頻繁，對其影響明顯，生態風險發生的幾率相對較高，因此，城鄉建設用地存在較高程度的生態風險。

表1 2013年伊寧市景觀生態風險的等級和面積

2.1.2 伊寧市土地各生態風險級面積比例變化 由圖3、圖4可知，研究區內2009年、2013年的生態風險指數面積比例不同。其中，2009年低風險區(園地、林地)占研究區總面積的9.78%，較低風險區(交通用地、水域、未利用地)占研究區總面積的7.37%，無中等風險區，較高風險區(耕地、城鄉建設用地)占研究區總面積的45.17%，高風險區(牧草地)占研究區總面積的37.68%。2013年低生態風險區(園地、林地、未利用地)面積占研究區面積的比例增至10.37%，較低生態風險區(水域、交通用地)面積占研究區面積的比例減至6.50%，中等風險區(耕地)面積占研究區面積的比例增至25.25%，較高生態風險區(城鄉建設用地)占研究區總面積的比例縮減至21.23%，高生態風險區(牧草地)面積占研究區面積的比例減至36.66%。說明，2009—2013年間，較高、高生態風險區面積雖然有所縮減，但中等風險區面積卻有大幅度增加，研究期間此狀況仍然對伊寧市土地利用生態環境構成威脅。

圖3 伊寧市景觀生態風險的空間分級(2009—2013)

圖4 伊寧市2009年和2013年不同等級生態 風險區的比例

Fig.4 Proportion of different ecological risk regions with different grade in Yining City in 2009 and 2013

2.2 土地利用程度指數

從圖5看出，伊寧市土地利用綜合指數從2009年264.54增長到2013年274.26，表明，該地區受社會經濟、人類活動的影響在不斷加劇。其中，耕地、牧草地及城鄉建設用地土地利用程度指數變化尤為顯著。2009—2013年，耕地減少16.96%，園地減少1.89%，牧草地減少3.35%，林地減少1.44%，水域減少0.01%，未利用地減少1.09%；城鄉建設用增加21.27%，交通用地增加3.58%。隨著伊寧市城鎮化進程的不斷加快，土地利用的廣度和深度也將得到推進，土地利用處在多變的發展時期，由此引起的生態風險也將呈現出一定的潛在性和波動性。

注：A為耕地，B為園地，C為牧草地，D為林地，E為城鄉建設用地，F為交通用地，G為水域，H為未利用地。

Note: A，Arable land; B，Garden land; C，Grassland; D，Forest land; E，Urban and rural construction land; F，Land for transportation; G，Water area; H，Unused land.

圖5 2009、2011和2013年伊寧市土地利用綜合指數

Fig.5 Integrated land utilization index in Yining City in 2009, 2011 and 2013

2.3 土地利用變化的風險

本研究參照前人的研究成果，各項指標與土地利用風險成反比[18]，即土地利用綜合指數、耕地墾殖數、植被覆蓋率、多樣性和優勢度指數越大，風險程度越小。從表2看出，2009—2013年伊寧市耕地的墾殖指數和植被的覆蓋指數逐年減少，而土地利用的綜合指數、多樣性指數及優勢度逐年增加。耕地的墾殖指數保持遞減趨勢，這與近年伊寧市的大力發展建設和忽視對耕地保護有關；植被覆蓋指數的下降意味著林地、牧草地面積在逐年減少。

多樣性反映的是評價區內土地類型的復雜和多樣程度，多樣性指數逐漸增加，說明該區景觀格局分布較均勻；伊寧市優勢度指數2013年較2009年下降0.035 6，說明2013年伊寧市各土地類型主導功能性較2009年減弱，地區生態穩定性較弱，即在一定程度上導致風險指數增加。

但從各指標綜合來看，伊寧市2013年的風險指數較2009年下降0.017 4，說明伊寧市研究期內生態風險指數有所緩和，但緩和程度較小。因此，在伊犁河流域這個特殊的自然生態環境里，伊寧市還應加強引導采取正確的土地利用方式，科學規劃土地類型間轉換，利用伊犁河谷資源優勢推進土地功能建設，注重土地、生態及環境綜合整治，構建環境友好型伊犁河谷城市。

2.4 土地利用生態風險的空間分布變化

由圖6看出，2009—2013年伊寧市的土地綜合生態風險發生明顯波動，綜合生態風險嚴重區由北向南轉移。南部地區的大部分耕地、園地、林地轉換成城鄉建設用地，生態環境受到一定破壞，由此引發中等風險區蔓延的速度很快。主要歸因于伊寧市的工業發展步入正軌，英也爾鄉、喀爾墩鄉和達達木圖鄉結合本身的土地資源利用潛力和經濟發展的方向目標，轉型升級，大力發展能源、電力、科技貿易產業園、建材園等高新產業，如新入駐的國網新疆電力公司伊犁供電公司、伊犁川寧生物技術有限公司和新疆伊犁建能煤化工機械有限公司，過度重視工業帶來的眼前利益，從而無暇顧及生態環境的保護，帶來潛在生態風險。伊寧市市區始終是伊寧市土地利用未來發展的重中之重，其發展方向主要是從市區向四周輻射發展，并向南部及西北方向拓延，而北部和東北部鄉鎮(巴彥岱鎮、潘津鄉和克伯克圩孜鄉)多趨向于發展農業型，重點發展小麥生產與特色林果業。市域北部大比例面積雖是牧草地，但隨著城鎮建設發展存在的潛在影響值得考慮，應在大片草場轉化為建設用地前加大保護力度，防患于未然。

表2 2009年和2013年伊寧市土地利用風險度

圖6 2009—2013年伊寧市土地利用生態風險的空間分布變化

Fig.6 Spatial distribution of land utilization ecological risk in Yining City during 2009-2013

3 結論與討論

1) 2013年伊寧市土地利用覆蓋存在的生態風險大都分布在耕地、牧草地和城鄉建設用地，三者總和占全區總面積的83.14%。反映了該區隨著城鎮化建設的加快，城區周邊的耕地逐漸轉化為城鄉建設用地，土地利用正處在多變的發展時期，由此引發的生態風險也將凸顯一定的潛在性和波動性。

2) 近幾年城鎮化、工業化的迅猛發展，促使中心城區以伊寧市市區為中心逐漸向外圍擴展，工業園區隨之興建，土地利用綜合指數逐年上升，反映出人類活動和社會經濟對土地利用結構和效益的影響與日俱增。

3) 2009—2013年研究期內，耕地的墾殖指數、植被的覆蓋指數不斷降低，反映了研究區內土地利用類型的差異在減小。多樣性和優勢度的增加，一方面是由于伊寧市牧草地、耕地面積遠遠大于其他土地類型面積，并且分布較集中；另一方面是牧草地的主導作用最突出，雖處在高風險區，但通過合理利用和規劃，在一定程度上可以減緩該區生態風險的惡化速度。

4) 2009—2013年間，研究區生態風險空間變化分異明顯，土地覆被生態風險由北向南逐漸轉移，預測研究區的土地利用綜合生態環境狀況總體不容樂觀。

5) 土地利用生態風險預測是在LUCC景觀格局上構建生態風險的評價方法與評價模型，從靜態的現狀評價轉為動態的預測，進一步建立在人類活動頻繁下的土地利用與區域生態環境的有機聯系。如何增強伊犁河流域城市土地利用功能和生態功能，以及構建環境、社會經濟建設和平共處模式將成為伊寧市今后發展的重點。

[1] Overmars K P,De Konging G H J,Veldkamp A.Spatial autocorrelation in multiscale land use models[J].Ecological Modelling,2003,16(4):257-270．

[2] Lambin E F. Modeling and monitoring land-cover change processes in tropical regions[J].Progress in Physical Geography,1997,21(3):375-393．

[3] 史培軍,宮 鵬,李曉兵,等.土地利用/覆蓋變化研究的方法與實踐[M].北京:科學出版社,2000.

[4] 李秀彬.全球環境變化研究的核心領域:土地利用/覆蓋變化的國際研究研究方向[J].地理學報,1996,51(5):553-557.

[5] Roy H Y. Landscape pattern:Background and process[M].Issues in Landscape Ecology.Chansha:Hunan Science and Technology Press,2000:37-41.

[6] 陳東景,徐中民.西北內陸河流域生態安全評價研究:以黑河流域中游張掖地區為例[J].干旱區地理,2002,25(3):219-224.

[7] 常兆豐.民勤人工綠洲的形成、演變及其可持續性探討[J].干旱區研究,2008,25(1):1-8.

[8] 衷 平,沈珍瑤,楊志峰,等.石羊河流域水資源短缺風險敏感因子的確定[J].干旱區資源與環境,2005,19(2):81-86.

[9] 宋冬梅,肖篤寧,張志城,等.甘肅民勤綠洲的景觀格局變化及驅動力分析[J].應用生態學報,2003,14(4):535-539.

[10] 劉引鴿.基于土地利用的陜西省生態風險評價[J].水土保持通報,2011,31(3):180-189.

[11] 吳文婕,石培基,胡 巍.基于土地利用/覆被變化的綠洲城市土地生態風險綜合評價:以甘州區為例[J].干旱區研究,2012,29(1):122-128.

[12] 李謝輝,李景宜.基于GIS的區域景觀生態風險分析:以渭河下游河流沿線區域為例[J].干旱區研究,2008,25(6):899-903.

[13] 韋仕川,吳次芳,楊 楊,等.基于RS和GIS的黃河三角洲土地利用變化及生態安全研究:以東營市為例[J].水土保持學報,2008,22(1):185-189.

[14] 吳文婕,石培基,張學斌.等.干旱區內陸河流域綠洲水土資源生態風險動態研究[J].水土保持通報,2012,32(3):249-255.

[15] 劉紀遠.中國資源環境遙感宏觀調查與動態研究[M].北京:中國科學技術出版社,1996:7-10.

[16] 高啟晨,姚云峰,呂一河,等.陰山北麓地區景觀格局變化研究[J].干旱區資源與環境,2005,19(1):33-37.

[17] 韋仕川,馮 科,邢云峰,等.資源型城市土地利用變化及生態安全數字模擬[J].農業工程學報,2008,24(9):64-68.

[18] 劉 勇,張 紅,尹京苑.基于土地利用變化的太原市土地生態風險研究[J].中國土地科學,2009,23(1):52-57.

(責任編輯： 姜 萍)

Ecological Risk Assessment of Land Resources Utilization of Oasis Cities in Ili River Basin——Taking Yining City as an example

TANG Lihua1,2, ZHAGN Yongfu1,2*

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046; 2.KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China)

The index system to evaluate land utilization ecological risk was established according to the data of land utilization in Yininh City from 2009 to 2013, then the ecological benefit risk and social influence of regional land utilization change were comprehensively evaluated by GIS and semi-variance analysis based on 1 km×1 km unit grid and finally the spatial distribution of land utilization/coverage ecological risk in Yining City in 2013 was evaluated by quantitative analysis to provide a reference for land resources rational utilization and overall land utilization plan in Ili River Basin. Results: 1) The risk of land utilization/coverage in Yining City mainly concentrates on arable land, grassland and urban and rural construction land and their proportion accounts for 83.14% of total area in 2013; 2) Changes in land utilization structure and quantity are complex and the main change form of land utilization is transform of arable land and garden land to construction land, which results in reduction of arable land and substantial expansion of construction land; 3) The index of land utilization degree increases year by year, which pushes on breadth and depth of land utilization continuously; 4) The spatial-temporal differentiation of land utilization ecological risk is significant in Yining City and the higher ecological risk regions transfer from north to south gradually with expansion of construction land, which indicates human activities increases the regional potential ecological risk to a certain degree.

Ili River Basin; Oasis city; land utilization; land resources; ecological risk; Yining City; Xinjiang

2015-09-15； 2016-03-27修回

新疆伊寧市土地利用總體規劃修編項目“新疆伊寧市中期實施評估項目”

唐利華(1988-)，女，在讀碩士，研究方向：土地資源規劃及土地資源評。E-mail：tanglihuahappy@126.com

*通訊作者：張永福(1964-)，男，副教授，碩士生導師，從事土地資源評價及土地整治開發研究。E-mail：zyf431@sina.com

1001-3601(2016)04-0185-0165-06

S-9； F301.24

A