開都-孔雀河流域土地利用轉型及其功能變化特征

阿迪萊·如則,阿依吐爾遜·沙木西,古麗米熱·艾爾肯

(新疆農業大學 管理學院,新疆 烏魯木齊 830052)

土地利用轉型是指在一定時期內，受社會經濟、自然環境、政策體系等因素影響，土地數量、質量、空間結構、產權和功能的動態演變。土地利用轉型作為土地利用/覆被變化(LUCC)研究的熱點和前沿[1]，最早是由英國學者Grainger[2]在研究以林業為基礎的國家土地利用時首次提出來的，后來龍花樓等將這一研究方向引入中國，并豐富和完善了內涵。國內其他學者主要從土地利用/土地覆被變化的角度進行研究，結合社會經濟、生態環境等方面將單一土地類型轉型[3-4]轉變為多種土地類型轉型[5-6]。關于土地利用主導功能轉型的研究，不同土地類型都具有多種功能，但始終具備主導功能。土地利用主導功能的轉型是土地利用轉型的體現之一，也是研究土地利用轉型的重要切入點，即土地利用的生產、生態和生活(以下簡稱“三生用地”)三個主要功能間的轉換[7]。此外，在區域社會經濟發展和轉型過程中，土地利用主導功能的轉型導致的空氣污染、水環境退化、土壤質量退化和生態系統退出等環境問題已引起了社會各界的廣泛關注[8]。目前，已有關于土地利用環境效應的研究，主要從土地利用時空變化角度研究土地利用變化的環境效應,但是對流域尺度的土地利用轉型和生態環境效應的研究相對缺乏。鑒于此，本研究針對地處中國西部干旱與半干旱區的開都—孔雀河流域開孔河流域(以下簡稱“開孔河流域”)，以1990，2000，2010和2015年的遙感解譯數據為基礎，對1990—2015年開孔河流域基于“三生用地”的土地利用功能結構轉型、空間轉型特征和生態環境效應規律進行了定量研究，揭示了土地利用轉型對流域生態環境的影響，為研究區的生態環境保護和可持續發展提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

開孔河流域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(簡稱巴州)，地處天山南坡，塔里木盆地東北部(82°54′—90°39′E，40°25′—43°21′N)，流域總面積約5.70×104km2。開孔河流域由開都河流域，孔雀河流域和博斯騰湖共同組成[9]。其中，開都河全長560 km，孔雀河全長420 km，博斯騰湖湖水面積約為980 km。開孔河流域屬中溫帶、暖溫帶大陸性氣候，具有遠離海洋、干旱少雨、蒸發量大、日照長、風沙較多等特點。土地利用類型主要有耕地、草地、旱地、戈壁、沙漠和鹽堿地等。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用類型轉移矩陣 通過分析土地利用類型轉移矩陣，可以實現土地利用功能結構的轉型。該方法將土地利用變化轉移面積以矩陣的形式加以列出，可以綜合反映不同時期土地利用的結構特征和土地利用功能類型的變化[10]。本文基于土地利用主導功能的新視角，使用ArcGIS 10.2軟件對4個時期的土地利用類型數據進行交叉分析(ArcToolbox>Analysis Tools>Overlay>Intersect)，并結合Excel數據透視表進行處理，建立了1990—2015年開孔河流域土地利用類型轉移矩陣。計算公式為[11]：

(1)

式中：Si為轉移前的土地利用類型面積；Sj為轉移后的土地利用類型面積；n土地利用類型的數量。

1.2.2 土地利用轉型的生態環境效應模型

(1) 土地利用生態環境質量指數分析。綜合考慮研究區三生用地所具備的生態環境質量和利用面積比例，定量評定某一區域內生態環境質量的總體狀況。其表達式為[12]：

(2)

式中：EVt為區域第t時期生態環境質量指數；LUi為研究區域內第t時期第i種土地利用類型的面積；Ci為第i種土地利用類型的生態質量指數；TA為研究區域的總面積；n為該區域所具有的土地利用類型的數量。

(2) 土地利用功能轉型的生態貢獻率分析。土地利用功能轉型的生態貢獻率是指某一種土地利用類型的變化所引起的區域生態環境質量的改變。其表達式為[13]：

LEI=(LEt+1-LEt)LA/TA

(3)

式中：LEI為土地利用功能轉型的生態貢獻率；LEt+1，LEt分別為變化末期和初期的土地利用類型所具有的生態環境指數；LA為該變化類型的面積；TA為研究區總面積。

1.3 數據來源與數據處理

本文使用的影像數據來源于中國地理空間數據云網站，為了確保研究區土地利用變化數據的準確性，一般選取流域豐水期和植被旺盛期(成像時間夏天8月份)且云層覆蓋度小于10%的遙感影像，包括1990，2000，2010和2015年開孔河流域的Landsat TM遙感影像數據，空間分辨率為30 m。土地利用現狀數據根據《土地利用現狀分類標準(GB/T21010-2017)》和《中國資源環境遙感宏觀調查與動態研究》中的相關標準，從土地利用的主導功能角度出發，按照三生用地分類體系，建立土地利用的“生產—生態—生活”主導功能分類體系，利用ArcGIS 10.2的地理處理功能對土地利用基礎數據進行重新分類，包括9個一級土地利用類型，23個二級土地利用類型。此外，參照傅穎秀[14]和李曉文[15]的研究成果，制定不同二級地類的生態環境質量指數(詳見表1)。按照各土地利用類型的功能，分為農業生產用地、林地生態用地、牧草生態用地、水域生態用地、其他生態用地和城鄉生活用地。耕地的主要功能是生產功能，是保障國家食品安全的基石。因此，耕地的分類應該是生產用地；林地與草地不僅有保護生態環境的功能，同時也有發展畜牧業生產的功能。近年來，開孔河流域實施退耕還林、退耕還草及禁止放牧等措施，凸顯了林地與草地的生態功能。因此，林地和草地的分類應為生態用地；水域與濕地也屬于生態用地；建設用地一般情況下主要提供其生活功能，所以建設用地則被劃分為生活用地；由于鹽堿化地、沙漠和未利用地這3種土地類型較為特殊，本文將這3種土地利用類型歸納為生態用地中的其他生態用地(見表2)。

表1 土地利用主導功能分類及其生態環境質量指數

表2 開孔河流域三生用地功能分類

2 結果與分析

2.1 土地利用結構轉型分析

2.1.1 土地利用變化分析 開孔河流域土地利用類型主要以牧草生態用地和其他生態用地為主(見表3)。土地利用總體變化趨勢表現為生產用地和生活用地面積迅速增加，生態用地面積迅速減少。其中1990—2015年變化較為明顯，生產用地面積從1990年的1 627.51 km2增加到2015年的4 321.9 km2，增加了2倍多；生活用地面積從1990年的292.68 km2上升至2015年的533.24 km2；而生態用地面積從1990年的41 118.04 km2減少到2015年的38 024.79 km2，緩慢減少。從1990—2000年、2000—2010年以及2010—2015年3個時期的土地利用類型變化來看，開孔河流域1990—2015年土地利用類型發生了巨大變化，農業生產用地面積大幅度增加，其次是林地生態用地、牧草生態用地、水域生態用地、其他生態用地面積有所減少，城鄉生活用地面積略有增加。農業生產用地、城鄉生活用地面積分別增加2 694.39，240.56 km2。林地生態用地、牧草生態用地、水域生態用地和其他生態用地面積分別減少1 253.94，1 160.25，147.68，531.38 km2。從土地利用結構轉型角度看，開孔河流域牧草生態用地和其他生態用地面積最多，2015年開孔河流域牧草生態用地和其他生態用地面積分別為26 300.80和7 805.53 km2，占流域總面積的46.14%和13.69%，呈不斷下降趨勢。這表明開孔河流域其他生態用地無序開發為農業生產用地和城鄉生活用地，造成林木減少、地下水位下降與地下水堿度增加，由于農業生產用地與城鄉生活用地面積的持續增加導致農業用水和生活用水增加，過度的水資源開發利用導致開孔河流域水域面積的銳減，河流沿岸的中覆蓋度草地退化為戈壁、旱地造成生態環境質量的惡化。

表3 開孔河流域1990-2015年各地類面積及其變化 km2

2.1.2 土地利用空間分布變化分析 1990—2015年開孔河流域土地格局發生了巨大變化，生態用地面積大幅度減少，生產用地面積迅速增加，生活用地面積也有所增加。生態用地主要分布在開孔河上游和靜縣域內、和碩縣南部與尉犁縣南部，生產用地主要集中在流域中游的焉耆縣和庫爾勒市，生活用地主要位于孔雀河中上游和庫爾勒市中部。隨著社會經濟的發展，開孔河流域生產用地面積不斷擴大到庫爾勒市中南部與和碩縣的南部，新增的生產用地主要以城市近郊區的生態用地占用而不斷增加，流域中部其他生態用地轉化為生產用地趨勢很明顯(見圖1)。

圖1 開孔河流域1990-2015年土地利用空間格局

2.1.3 土地利用功能轉型分析 為探討各土地利用類型間的轉型特征，利用1990，2000，2010和2015年4個時期的土地利用現狀數據，采用ArcGIS 10.2軟件的空間分析功能對研究區4個時期的土地利用功能結構進行分析，獲得1990—2000年、2000—2010年和2010—2015年3個時期的土地利用轉移矩陣(詳見表4—6)。從轉移矩陣分析可知，研究區土地利用功能結構變化明顯，總體來看，林地生態用地和牧草生態用地面積的迅速減少，其他生態用地、水域生態用地、農業生產用地以及城鄉生活用地面積的增加。1990—2000年，研究區牧草生態用地主要轉變為農業生產用地，水域生態用地和其他生態用地，轉移的面積分別為1 179.29，702.81和403.56 km2，相應的轉移率分別為0.31%，0.28%和0.22%；林地生態用地主要轉化為農業生產用地，轉化面積為241.62 km2；其他生態用地主要轉換為牧草生態用地，轉換面積為1 975.8 km2；城鄉生活用地主要轉化為其他生態用地，轉化面積為365.33 km2；其他土地功能類型間的轉化情況不太明顯。2000—2010年，農業生產用地向林地生態用地轉化的面積大幅度增加，較1990—2000年增加了436.74 km2，林地生態用地向其他各功能類型土地轉化的面積大幅度下降，比1990—2000年的減少了0.15倍；牧草生態用地向農業生產用地和水域生態用地轉化的面積分別為958.64和18.44 km2，比1990—2000年相比，分別減少了220.65，684.37 km2；水域生態用地主要轉化為牧草生態用地，轉化面積為131.27 km2。2010—2015年，農業生產用地轉為林地生態用地的面積從2000—2010年的449.43 km2減少到0.00 km2；林地生態用地主要向農業生產用地轉化，轉化面積比2000—2010年增加了93.06 km2；牧草生態用地轉化為其他各功能類型用地的面積大幅度減少，其中牧草生態用地轉化為農業生產用地、林地生態用地和其他生態用地轉化的面積分別減少了862.98，171.22，380.67 km2；其他生態用地主要轉變為農業生產用地和林地生態用地，轉移面積分別為101.84和169.37 km2，相應的轉換率分別為2.37%和5.89%。

表6 開孔河流域2010-2015年各土地功能類型面積轉移矩陣 km2

2.2 土地利用轉型的生態環境效應

2.2.1 生態環境綜合質量演變

(1) 生態環境質量指數。根據公式(2)，計算得到研究區1990，2000，2010和2015年的土地生態環境質量指數分別為0.465 4，0.456 8，0.453 9，0.455 9。由表7可知，1990—2015年開孔河流域生態環境質量總體上比較穩定，但在區域內部生態環境的改善與惡化趨勢并存，其中在1990—2000年、2000—2010年2個時間段生態環境質量指數呈持續下降趨勢，2010—2015年生態環境質量指數稍有增加。

表7 開孔河流域生態環境質量指數變化

(2) 生態環境質量空間格局。利用自然斷點法將開孔河流域生態環境質量分為5個等級，并對流域內生態環境質量空間變化進行分析，得出1990，2000，2010和2015年4個時期的生態環境質量分布特征。從圖2可知，低質量區、較低質量區和較高質量區面積約占流域總面積的80%以上，構成了研究區土地利用環境狀況的主體。流域中上游地區為較高質量區，功能類型主要有牧草生態用地和其他生態用地，生態環境得到改善；中游地區為低質量區和較低質量區，生態環境質量比較穩定，但改善和惡化的趨勢并存，部分牧草生態用地和水域生態用地退化為其他生態用地；下游高質量區面積逐漸減少，大量高質量區和較高質量區變為較低質量區，總體上研究區生態環境質量呈嚴重惡化趨勢。1990—2000年，流域中游地區即為焉耆縣、庫爾勒市、和靜縣南部和博湖縣生態環境質量等級下降明顯，主要是由中質量區下降為較低質量區；2000—2010年，流域上游和碩縣西北部分地區由較高質量區轉化為中質量區和較低質量區，中游地區存在低質量區向較低質量區轉移和中質量區向較低質量區轉移的現象；2010—2015年，流域中游地區即庫爾勒市、焉耆縣等生態環境質量有明顯改善，主要表現為低質量區轉化為較低質量區和較低質量區轉化為中質量區，究其原因在于城鄉生活用地面積的減少和林地生態用地和牧草生態用地面積的增加。

圖2 開孔河流域1990-2015年生態環境質量空間格局

2.2.2 土地利用轉型對生態環境影響的貢獻率分析 為探討研究區生態環境內部的變化情況，根據公式(3)計算出開孔河流域1990—2015年導致生態環境改善和惡化的主要土地利用功能類型的生態貢獻度詳見表8—10。

表8 開孔河流域1990-2000年影響生態環境質量的主要用地轉型及貢獻率

由此得知，1990—2000年，研究區生態環境改善的主導因子是其他生態用地轉型為城鎮生活用地，生態貢獻率為0.005 8，導致生態環境惡化的主導因子是水域生態用地轉型為其他生態用地，生態貢獻率為0.035 6。土地利用轉型對生態環境改善的貢獻率小于對生態環境惡化的貢獻率，這表明研究區生態環境質量的惡化趨勢加劇；2000—2010年，開孔河流域生態環境質量改善的主導因素是其他生態用地轉型為城鎮生活用地和林地生態用地，生態貢獻率分別為0.327 9，0.243 3。導致生態環境質量惡化的主要原因是其他生態用地轉型為其他生態用地，生態貢獻率為0.208 9，占總貢獻率的82.54%，生態環境改善趨勢大于惡化趨勢，表明研究區生態環境稍有了改善；2010—2015年研究區只存在生態環境改善趨勢，導致生態環境改善的究其原因是其他生態用地轉型為林地生態用地，生態貢獻率為1.054 7，占總貢獻率的75.4%。整體上開孔河流域生態環境存在改善和惡化2種趨勢，但生態環境內部的變化維持著相對平衡。

表9 2000-2010年影響生態環境質量的主要用地轉型及貢獻率

表10 2010-2015年促使生態環境質量改善的主要用地轉型及貢獻率

3 討論與結論

(1) 從土地利用類型的總體變化趨勢來看，1990—2015年研究區生產用地和生活用地面積快速增加，而生態用地面積縮小，且在1990—2000年和2000—2010年變化最明顯，2010—2015年變化相對穩定。從土地利用主導功能的二級土地類型看，農業生產用地面積明顯增加，城鄉生活用地面積略有增加；林地生態用地、牧草生態用地、水域生態用地和其他生態用地面積有所減少。牧草生態用地面積的減少說明研究區草地狀況退化，草地質量有惡化趨勢；其他生態用地面積的減少表明研究區土地荒漠化和鹽堿化等趨勢得到有效控制。

(2) 從土地生態環境質量角度而言，1990—2015年，開孔河流域生態環境質量總體上比較穩定，但在區域內部生態環境的改善與惡化趨勢并存，1990—2000年、2000—2010年2個時間段生態環境質量指數呈持續下降趨勢，2010—2015年總體生態環境質量指數稍有增加。1990—2015年，開孔河流域的生態環境質量主要以低質量區、較低質量區和高質量區為主，面積約占流域總面積的80%以上。流域中上游地區為較高質量區，中游地區為低質量和較低質量區，下游高質量區面積逐漸減少，大量高質量區和較高質量區轉變為較低質量區，總體上研究區生態環境質量呈嚴重惡化趨勢。

(3) 1990—2015年期間開孔河流域生態環境整體上存在改善和惡化2種趨勢，但整體變化相對穩定。1990—2000年研究區促使生態環境改善的主導因子是其他生態用地轉型為城鎮生活用地，導致生態環境惡化的主導因子是水域生態用地轉型為其他生態用地；2000—2010年，開孔河流域生態環境質量改善的主要原因是其他生態用地轉型為林地生態用地，導致生態環境惡化的主導因子是其他生態用地轉型為其他生態用地，較1990—2000年相比生態環境改善趨勢大于惡化趨勢；2010—2015年研究區只存在生態環境改善趨勢，究其原因是其他生態用地轉型為林地生態用地。

由于受遙感數據分辨率的影響，本研究僅根據三生土地利用主導功能分類，對開孔河流域土地利用類型轉型進行了分析，并未進一步細化劃分。然而，對于以流域為單元的研究，如果采用更詳細的土地利用分類，更能保證研究成果的準確性；由于時間和條件原因，本文只選取了1990年、2000年、2010年與2015年4個時期節點，2010—2015年時間跨度較合適，數據時效性較好，但是1990—2010年，有些年份數據沒有獲取成功，數據時效性較差；目前，開孔河流域最大的問題是地下水大量開采造成的生態環境惡化，而本文因水資源開采量數據獲取難度較大未能實現開孔河流域資源環境承載能力測算，在后期研究中可進一步驗證水資源開發與生態環境變化的相關性。