干旱區生態彈性度與土地利用分析

盧 航，孫桂麗，2，陸海燕，李 路，白一純

(1.新疆農業大學林學與園藝學院，烏魯木齊 830052 ; 2.干旱區林業生態與產業技術重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引言

1 材料與方法

1.1 材 料

鄯善縣位于吐魯番盆地東部。該地區的面積占全疆的2.5%達到39,800 km2。年平均氣溫11.3℃，年平均降水量26 mm。該縣地處干旱荒漠地區，在鄯善縣南部是面積1 880 km2庫木塔格沙漠區。

基本影像數據共5期。包括1980年9月13日Landsat 4-5 TM影像、1990年9月24日Landsat 4-5 TM影像、1995年9月10日Landsat 4-5 TM影像、2005年9月9日Landsat 7E TM影像和2015年9月16日Landsat8影像為主。

運用ENVI4.8軟件對五期的影像做前期的基本處理，基于LUCC分類體系，結合鄯善縣的地表實際情況、采用目視解譯的方法將鄯善縣土地利用類型分為一、二級土地類型，經過對比表明，目視解譯的最終數據滿足研究要求[16-20]。運用ArcMap10.5軟件通過多空間疊置分析獲得研究期內的土地利用空間變化圖，通過數據統計分析獲得土地利用轉移矩陣，以此對研究區土地利用變化進行分析。

1.2 方 法

1.2.1 土地利用動態變化

分析土地類型指數對土地利用變化。為了精準分析土地類型之間變化，研究區土地利用類型變化的轉換特點，選取2005-2015年的土地利用類型一級分類和二級分類的之間的轉換分析，林地、草地和水域對研究區生態起穩定性作用，因此選取林地、草地和水域的二級分類土地利用類型。表1

表1 土地利用變化計算公式

1.2.2 生態彈性度

隨著互聯網在我國大范圍的普及，雖然其為酒店創造了新的銷售模式和銷售渠道，但是如何確定社交媒體的商業價值、如何衡量使用社交媒體的營銷價值，以及如何通過社交媒體提高自身的品牌價值，一直是酒店經營者需要面對的重要問題。

生態彈性度是指生態系統抵抗外部干擾其內部保持穩定的能力[21]。生態彈性度與其穩定性呈正相關的多樣性有關，使用香農多樣性指數Hi，其計算公式如下：

Er為生態彈性度;Si為地物i的覆被面積占總面積的比例，Hi為多樣性指數;n為地物數量;Pi為地物i的彈性分值。由于分為6種不同的土地利用類型，因此，n=6。彈性分值，依據土地覆被對生態環境的作用大小賦值。

1.2.3 土地利用生態價值

生態服務價值是指生態系統對經濟社會產生的利益；區域生態服務的價值會因為區域土地利用的生態進程和服務間的相互作用產生影響。相對生態價值指數參照謝高地[22]等提出的“中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表”和劉川等[23]對新疆的生態價值當量測定，并結合實際情況進行調整確定評估。其具體計算公式如下：

EVi為生態價值指數;Si為地物i的覆被面積占總面積的比例。

1.2.4 土地利用動態預測

利用馬爾可夫模型對鄯善縣的土地開始動態預測，計算鄯善縣2005年到2015年土地覆被類型之間的轉移概率矩陣。選擇2005-2015年作為預測原數據，研究時點k取1(2005)，2(2015)，3(2025)。以k=1基礎數據、10 a為步長，對土地覆被進行多時段預測[24]。為確保Markov模型在對后期模擬準確度，以2005年為基礎對2015年進行模擬，2015年的模擬結果與2015年分析數據相一致。

1.3 數據處理

運用ENVI4.8軟件對五期的影像做前期的基本處理，基于LUCC分類體系，結合鄯善縣的地表實際情況、采用目視解譯的方法將鄯善縣土地利用類型分為一、二級土地類型，經過對比表明，目視解譯的最終數據滿足研究要求[16-18]。運用ArcMap10.5軟件通過多空間疊置分析獲得研究期內的土地利用空間變化圖，通過數據統計分析獲得土地利用轉移矩陣，以此對研究區土地利用變化進行分析。

2 結果與分析

2.1 土地利用時空變化

研究表明，根據研究區1980～2015年的土地利用現狀，未利用地占比例最大，草地主要分布在鄯善縣北部天山牧場。建筑用地以鄯善縣為中點沿鐵路方向擴散。研究區中部的耕地面積和草地面積互有轉換，水域多位于建筑用地和耕地之間，零碎分布。圖1

圖1 不同時期研究區土地利用現狀圖

根據鄯善縣的土地利用面積轉換，各土地覆蓋中未使用地所占總面積比例最大，均達90%以上。1980～2005年間林地面積呈持續增長，由0.13%增至0.19%，增幅達到0.06%，從2005年到2015年林地面積驟減。1995～2015年期間耕地土地面積逐年增長，耕地面積呈對號“√”型的趨勢。建筑用地1980～2005年呈上升趨勢占地面積僅次于耕地。水域面積由2005年的0.349 km2增加到2015年的3.682 km2。

在二級分類中，鄯善縣南部的庫木塔格沙漠，面積達1 880 km2是所占面積最大的未使用地。林地面積減小、除灌木林以外其他林地大部分轉化為草地和未使用地，草地面積前期波動不大、后期增長。建筑用地面積轉入量相對較小。2012年，全縣增加對水域治理和規劃修建水庫，其中包括二塘溝水庫和柯柯亞二庫的修建，對水域生態改善效果顯著。

土地利用程度指數后期增長，主要是耕地的面積增加和林地面積減少。各年份土地利用程度指數分別為108.61，108.61，108.61，109.52，111.53。表2

表2 1980～2015年鄯善縣土地利用類型面積變化

2.2 土地利用速度變化

各土地利用動態變化中，五期數據的趨勢指數Ps變動程度不一。耕地的Ps值在1990年之后轉入量增加，后期建筑用地增長過度出現回落現象。草地和水體的土地利用類型趨勢指數在1990～2005年間均為負值，土地類型大量轉出。但在2005年到2015年間都有回升，水域的年均變化率達95.46%。林地變化趨勢指數在長時間內基本處于穩定增長狀態。在研究期內土地利用類型趨勢指數整體變化不大。草地覆被以1995年為轉折點，后期大量轉入。表3

表3 土地利用類型變化趨勢

研究表明，(1)土地利用動態變化顯著，研究區的土地覆蓋的年均動態變化指數為3.30%，即每年有3.30%的土地覆蓋類型發生變化。土地利用動態指數變化排序是草地(蓋度：中>低>高)>林地(隨林地類型生長周期降低)>水域。(2)土地類型內部動態轉入和轉出量較高，二級分類中有林地和其他林地轉出為其他一級土地利用類型面積分別為5.2和44.97 km2，除林地外的一級土地利用類型轉入林地面積和其他林地分別為0.43、14.34 km2，轉換不平衡。同樣中、低覆蓋的草地轉出為面積為16.54、77.8 km2，除草地外的一級土地利用類型轉為63.31、777.45 km2，在2005年后10年內草地面積增加趨勢降低。(3)湖泊變化主要是未利用地的轉入和部分轉出為低覆蓋草地，水庫的變化為耕地、林地和未利用地轉入。可以看出，耕地、林地和草地三者之間的轉入和轉出量較多。表4，表5

表4 土地利用轉移矩陣

表5 土地利用轉移矩陣

2.2 生態彈性變化

研究表明，根據鄯善縣生態彈性強度的影響程度可分為4大類型。第1類為重要型，該類型對生態彈性度有重要影響作用，該類型的生態優勢有利于生態彈性度的提升。主要土地覆蓋類型為林地、水域；第2類為中間型，該類型可以有積極的助力作用，需要相對護理防止退化使研究區生態彈性度降低，主要土地覆蓋類型為草地和耕地。第3類為輕威脅型，該類型對生態彈性度起邊緣化效應，由于人為因素占主導、必須慎重利用和妥善管理。主要土地覆蓋類型為建筑用地。第4類為威脅型，因為受研究區氣候環境影響，該類型對生態彈性度造成相應負擔，主要土地覆蓋類型為鹽堿地、裸地和荒漠等未利用地。表6

表6 鄯善縣生態彈性分值

根據前文的土地利用數據為基礎、利用地理數據管理軟件系統，對文中圖列的數據進行矢量化和數學統計，對鄯善縣生態彈性分值進行分類后制表，通過公式計算得到研究區五期數據中生態彈性度變化。分析得出：(1)1980～1995年生態彈性度增長后穩定下來，三期數據表現為1.49、1.51、1.51。該時期的生態彈性度的變化幅度與土地利用類型面積凈變化值的變化呈相對應關系。(2)1995～2015研究區生態彈性度出現大幅度的增漲，從2005年到2015年增加相對明顯，在此期間內鄯善縣生態環境抗干擾能力的增強，呈良好發展趨勢。(3)2005～2015年，生態彈性度增加較快的是由于高貢獻值的林地和草地面積變化。結合前文數據林地面積占比0.19%增長0.2%、雖增長相對較小，但草地面積占比擴大到8.42%，總體上提高了生態彈性度。水域面積的增加，鄯善縣在2012年多處修建水庫，豐富了周邊生態環境。綜上所述、干旱區生態彈性力是可以反映出人類活動對生態環境造成的影響。表6，表7

表7 鄯善縣生態彈性度

2.3 土地利用生態價值

研究表明，從1980年的16 143.42×104元到2015年的17 522.42×104元，整體生態價值增長1 379×104元。從表中可以發現土地生態價值的變化和土地利用類型面積的變化相互對應，土地生態價值和生態彈性的年均變化幅度相對應。各土地生態價值中未使用地所占基數最大，占總價值比率達到60%。1980～2005年間林地生態價值呈持續增長，由247.69×104元增至353.89×104元，增幅達到42%，從2005年到2015年林地面積驟減導致林地生態價值下降到187.12×104元。1995～2015年期間耕地土地生態價值逐年增長，增幅達到35%。建設用地是人類活動最為強烈的地方，所具有生態系統服務功能主要是對生態環境負向影響，建筑用地1980～2005年生態價值負向上升。水域生態價值由2005年3.28×104元增加到2015年的35.47×104元，可以表現出當地對水資源保護有所提高。表8

表8 鄯善縣生態系統服務價值

2.4 土地利用動態預測

(1)2015～2025年土地類型面積以轉出為主：水域面積減少0.24 km2，整體變化幅度較小。未利用地面積減少792.83 km2，與2005～2015年數據同比例減少。(2)2015～2025年土地類型面積以轉入為主：耕地、林地和草地面積變化與2005～2015年數據同比增加。建筑用地面積的增長幅度較大。表9

表9 運用Markov模型預測未來土地利用變化

3 討 論

以鄯善縣作為研究區域，利用遙感和地理信息技術，結合國內外相關研究對鄯善縣1980～2015年近35年間土地利用進行了初步分析。首次結合生態彈性度，生態服務價值和土地利用動態預測三個方面，對研究區生態環境進行分析，并采用一、二級土地利用類型交叉轉換補充說明土地轉換形態。從數據分析可以看出，一級土地類型中林地面積和未利用地面積呈下降趨勢，其他土地類型面積呈上升趨勢，草地面積和建筑用地面積增加幅度較大。

各土地類型速度變化的主要原因：(1)耕地和建筑用地土地類型是由于城市的發展與人口的增長，導致糧食和居住環境的需求。(2)水域土地類型的改善與當地的水利建設密切相關，2012年修建的兩個水庫密切相關。(3)草地和林地的土地類型變化是生態評級的關鍵，是生態調節的結果。生態彈性度和生態服務價值從2005～2015年增加相對明顯，原因是主要是草地面積占比擴大到8.42%，該區適宜于畜牧業發展，草地地和耕地土地利用類型面積凈變化上升，是糧食需求驅動的結果。水庫的建立后通過水渠和管道輸送，低覆蓋草地面積增大。植被的覆蓋直接影響沙地面積的縮小，形成生態環境呈良性循環發展的趨勢。

由于數據和圖件限制，僅能以10年間隔來分析土地利用的發展軌跡，無法獲取更短年份期間內的變化形勢。今后研究中需要獲取到2019年以后的土地利用動態數據,疊加生態保護措施實施后的土地利用類型面積的變化。

4 結 論

4.1 鄯善縣土地利用面積變化在1980～2015年間，土地利用程度綜合指數呈上升趨勢。土地利用以林地面積和未利用地面積轉出為主，其他土地類型面積都有轉入。草地面積和建筑用地面積增加幅度較大。從各二級分類的對比中，低覆蓋草地轉入量最大。土地利用總體趨勢與狀態指數緩慢上升，鄯善縣土地利用現狀不穩定狀態。

4.2 鄯善縣生態彈性度整體呈現上升幅度且增大趨勢，1980～1995年生態彈性度呈現緩慢增長變化趨勢，1995～2015年研究區生態彈性度出現大幅度的增漲。

4.3 鄯善縣生態價值整體增長，各土地生態價值中未使用地所占基數最大，占總價值比率達到58%。土地生態價值的變化和土地利用類型面積的變化相互對應，土地生態價值和生態彈性的年均變化幅度相對應。

4.4 以2015年為基期，應用Markov對2005年、2015年和2025年土地利用進行預測。2015～2025年，除水域和未利用地面積相對減少之外，耕地面積、林地面積、草地面積和建設用地面積在緩慢持續增加。