基于GIS的干旱區綠洲縣域土地利用生態風險分析及預測

馬麗娜 張永福 阿地來?阿地力

摘要[目的]研究干旱區綠洲縣域土地利用生態風險評價及預測。[方法]以新疆拜城縣為例，ArcMap 10.3為技術支持，2009和2016年的遙感影像為信息源，構建了拜城縣的綜合性生態風險指數（ERI）并借助GIS進行空間插值，由此分析了拜城縣土地利用生態風險動態演變以及不同等級的生態風險的空間分布特征。并通過馬爾科夫預測模型預測拜城縣2020年的土地利用結構變化，揭示土地利用結構的變化對新疆典型干旱區綠洲縣域生態風險的影響。[結果]2009—2016年拜城縣耕地和建設用地面積增加，林地、草地、水域和其他用地面積明顯下降。通過預測所得，與2016年相比，2020年建設用地和其他用地面積明顯增加，耕地、林地、草地和水域面積明顯減少。2009年拜城縣ERI為0.024，2016年增長為0.026，隨著生態環境的持續惡化，2020年增長至0.031。[結論]在未來土地利用結構調整過程中，人們應加強保護環境的意識，在拜城縣構建良好的生態用地格局，提高全縣生態系統服務功能，降低人類活動對環境造成的不良影響。

關鍵詞土地利用;生態風險;干旱區綠洲;拜城縣

中圖分類號X826;F301.24文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）02-0052-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.016

土地利用生態風險是指在一定的社會經濟環境下，由于人類或者自然改變土地利用結構的原因致使土地資源遭受破壞或者污染而給人類生存環境造成危害的一種狀態，在這種狀態下，土地生態系統無法穩定持續的發揮其在整個自然生態系統當中的作用，不能維持社會經濟和環境之間的協調關系[1]。生態環境和長期的人類經濟社會活動相互作用形成了區域固有的土地利用方式。現如今面臨的生態風險與人類選擇的土地利用方式息息相關，不同的土地利用結構和類型將直接影響區域的生態環境[2]。

綠洲是一種局部優化的人類生存環境，是干旱區能量流、物流最集中的區域，也是維系干旱區人類生存、活動和發展的場所，同時也是干旱區生態環境最敏感的部分[3]。干旱區綠洲是干旱地區獨特的生態單元，它以荒漠為背景，根據水環境生長各種植被，加上人工林網和人工草場，就構成了十分復雜的景觀格局。

新疆位于我國西北內陸干旱區，而拜城縣位于南疆典型綠洲區，隨著人口的快速增長，城市化和工業化的進程逐漸加快，土地利用變化帶來的生態環境問題日益加劇。國家“一帶一路”戰略的開啟，強化了新疆改革開放前沿窗口的戰略地位，使拜城縣“十三五”期間面臨更好的產業提升與承接機遇，為拜城縣提升對外開放水平和能力，加快新型工業化、農牧業現代化、新型城鎮化“三化”[4]同步實施創造了前所未有的歷史機遇，但是拜城縣土地沙化、鹽漬化、荒漠化危害較為突出，沙漠化土地面積擴展趨勢未得到有效遏制，資源環境約束明顯趨緊。此外，由于日益增加的人口和資源壓力，使得人們過度地開發土地，在一定程度上加劇了土地的荒漠化和次生鹽漬化。筆者采用目視解譯為主、土地變更數據為輔的綜合劃定方法劃分土地利用類型，采用等間距系統采樣法劃分樣本區，利用ArcMap 10.3中的空間分析和地統計分析功能，從而得到拜城縣土地利用/土地覆被變化，進而構建各土地類型的綜合生態風險指數，分析生態風險在時間尺度上的變化，這有利于深入了解干旱區綠洲的生態環境，合理利用土地資源，對于恢復治理干旱區綠洲生態環境具有很重要的現實意義，同時也可以為將來的科學決策提供依據。

1資料與方法

1.1研究區概況

拜城縣地處新疆維吾爾自治區的西南方向，天山山脈中段卻勒塔格山北緣山間盆地[5]，渭干河干流上游區，地理坐標為80°37′39″～83°02′25″ E、41°24′08″～42°38′52″ N。拜城縣北與伊犁地區昭蘇縣、特克斯縣接壤，南與新和縣相連，東與庫車縣、和靜縣毗鄰，西與溫宿縣相望。拜城縣四周群山環抱，為帶狀盆地。西北高東南低，地形復雜，北部為天山主干，南部為卻勒塔格山，東部為庫車達坂，西部有疊山洪溝。土壤類型眾多，氣候適宜，屬于溫帶大陸性干旱氣候，冬季寒冷，夏季涼爽，年均氣溫7.4 ℃，年均降水95 mm[6]。縣境東西長198.7 km，南北寬140 km，轄區總面積1 589 098.53 hm2。2016年年末總戶數68 495戶，拜城縣總人口為241 079人，其中城鎮人口48 581人，鄉村人口192 498人。

1.2數據來源與處理

以拜城縣2009和2016年的Landsat遙感影像為數據源，利用ENVI 4.8對遙感影像做前期的預處理，主要有波段融合、幾何矯正、影像裁剪等，基于全國土地分類系統，結合拜城縣的土地利用/土地覆被特征、土地利用總體規劃（2010—2020年）數據庫和土地利用總體規劃調整完善（2014—2020年）數據庫中的土地利用分類體系進行精度驗證，以目視解譯為主、土地變更數據為輔的綜合劃定方法將拜城縣土地利用類型分為耕地、林地、草地、建設用地、水域、未利用地6類，根據精度對比結果表明，目視解譯的結果符合此次研究需求。

利用ArcMap 10.3軟件對兩期影像圖進行數據矢量化，然后通過統計分析和計算得到拜城縣土地利用/土地覆被變化數據（圖1）。

1.3生態風險指數

根據拜城縣各土地類型的面積，分析土地利用類型和生態風險的相關性，構建各土地要素的綜合生態風險指數，其表達式[7-9]如下：

ERI=Ni=1AiARi（1）

式中，ERI為生態風險指數;N為土地要素總數量;A為土地總面積;Ai為第i類土地要素的面積;Ri表示各土地要素遭遇干擾時所受到的生態損失的差異。干擾度指數Si和脆弱度指數Fi的乘積即是所求第i種土地要素所反映的損失指數Ri。

綜上所述，11年間拜城縣土地利用生態風險指數呈現逐漸增大的變化趨勢。通過計算可以得到，2009、2016、2020年拜城縣生態風險指數ERI分別為0.024、0.026、0.031。拜城縣工業用地、城鎮建設用地和農村基礎設施用地進一步增大，勢必會占用部分耕地，甚至是永久性基本農田，使得生態環境趨于惡化。由于拜城縣惡劣的自然環境條件和地質地貌特征，加上人為干擾造成的環境惡化，使得該區域的生態環境極其脆弱，土地沙化和荒漠化的現狀非但沒有遏制反而日益加重，不僅制約著拜城縣的經濟可持續發展和人居環境的可持續改善。增強拜城縣的“五位一體”建設和促進生態文明和諧發展已刻不容緩。

2.3生態風險動態演變分析

根據計算出的每個樣區的生態風險指數，利用生態風險等級評價法，對拜城縣2009、2016和2020年生態風險情況進行分級，結果如圖3所示。由圖3可知，拜城縣2009、2016和2020年不同等級的生態風險區面積比例都存在一定的差異，2009年低生態風險區面積占總面積的3.10%，較低生態風險區占45.24%，中等生態風險區占38.98%，較高生態風險區占6.47%，高生態風險區占6.21%。2016年低生態風險區面積占總面積的3.09%，較低生態風險區面積占45.20%，中等生態風險區占38.82%;較高生態風險區占6.42%，高生態風險區占6.47%。預計2020年低生態風險區面積占總面積的3.08%，較低生態風險區占43.04%，中等生態風險區占40.22%，較高生態風險區占591%，高生態風險區占7.75%。

總體來看，2009—2016年拜城縣各風險等級面積增減幅度不大，中等風險區減少面積較多，轉化為高風險區。2016—2020年較低風險區面積減少了2.16%，較高風險區面積減少了0.51%，轉化為了中等風險區和高風險區，生態環境總體趨于惡化。

從2009、2014年和2020年生態風險空間分布（圖4）可以看出，高風險區主要集中在拜城縣耕地所在區域和老城區范圍及其西部工業園區周圍，較高風險區廣泛分布在拜城縣北部山區流域和克孜爾水庫、木扎爾特河流域，主要的土地利用類型為水域;中等風險區則主要集中分布在拜城縣中部、西南和東南部，主要的土地利用類型為其他用地;較低風險區主要分布在拜城縣北部和東部地區，主要的土地利用類型為草地;低風險區主要分布在拜城縣的西部和北部，主要的土地利用類型為林地。總體來看，2009—2020年拜城縣生態風險整體區域惡化。

3結論與討論

通過對拜城縣土地利用/土地覆被特點的分析，可以看出2009—2016年拜城縣耕地、建設用地面積呈增加趨勢，而林地、草地、水域和其他用地面積有明顯的下降。2016—2020年建設用地和其他用地的面積有所增加，耕地、林地、草地和水域面積呈減少趨勢，通過分析可知，隨著拜城縣人口規模的增長和城鎮化水平的提高，引發了很多生態問題，人類活動對土地利用結構變化的影響日益顯著。土地利用結構空間布局不同，導致拜城縣的生態風險有所差異。2009—2020年拜城縣生態風險總體呈升高的趨勢，土地利用生態風險指數由2009年的0.024增長至2016年的0.026，再增長至2020年的0.031。

根據拜城縣不同等級生態風險區在各年所占比例圖表和生態風險空間分布，拜城縣高生態風險區面積增加，較低風險區向中等風險區轉移，而較高風險區向高風險區轉移;從空間分布上來看，高風險區主要集中在拜城縣耕地所在區域和老城區范圍及其西部工業園區周圍，這可能是由于拜城縣經濟的發展，人口持續增長，城鎮用地和工業用地需求不斷擴大造成的。因此在城鎮化建設中，必須認真解決環境脆弱與城鎮化發展的矛盾，大力提倡建設綠色城鎮化發展道路。尊重自然、順應自然，構建與資源環境承載能力相適應的科學合理的城鎮化宏觀布局，嚴格劃定城市邊界，強調城鄉一體化協調發展，確保城鎮化進程綠色健康。

通過對拜城縣土地利用的生態風險評價及預測研究，可以為區域的生態環境管理提供科學化的理論支持和決策依據，從而有利于維護生態完整性、降低生態脆弱性。根據土地利用生態風險逐年升高的趨勢，應在高生態風險區進行環境保護和生態建設，從而提高該區基本的土地生產功能和環境功能，但是也不能忽視低生態風險區的生態文明建設，加強拜城縣對生態環境的保護，促進城市可持續發展。尤其拜城縣位于新疆干旱區綠洲更應加強建設生態緩沖區，修建防風阻沙隔離帶，封鎖培育天然植被，阻止風沙向綠洲推進;保障生態用水需求，禁止人類活動和牲畜破壞，促進易損區天然植物的更新生長;在接近綠洲的邊緣區域，通過林帶的防護，種植優質的牧草，改良沙地，促進其成土過程和綠洲化過程，增強綠洲邊緣區的抗干擾能力和經濟功能。

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