王文杰, 張永福, 王慧杰

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046)

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基于GIS干旱區(qū)綠洲縣域土地利用變化生態(tài)風(fēng)險分析
——以新疆澤普縣為例

王文杰1,2, 張永福1,2, 王慧杰1,2

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046)

為揭示土地利用結(jié)構(gòu)變化對新疆典型干旱區(qū)綠洲縣域的影響，以新疆澤普縣為研究對象，在ArcGIS技術(shù)支持下，以2006年和2013年兩期遙感影像和土地利用數(shù)據(jù)為信息源，構(gòu)造了綜合性生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(ERI)并進(jìn)行空間插值，分析了澤普縣土地利用生態(tài)風(fēng)險動態(tài)演變和空間分異特征。結(jié)果表明：(1) 2006—2013年，澤普縣其他用地和林地面積呈減少趨勢，其中其他用地面積減少了1 072.95 hm2，其次是林地面積減少了165.8 hm2，草地面積幾乎未發(fā)生變化，耕地面積和建設(shè)用地呈增長趨勢，分別增長了183.56，1 069.66 hm2；(2) 澤普縣2006—2013年生態(tài)風(fēng)險指數(shù)由2006年0.088上升到2013年0.112。整體呈現(xiàn)由中等風(fēng)險向高等風(fēng)險轉(zhuǎn)化的趨勢。綜上所述，研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況在2006—2013年趨于惡化狀態(tài)，需引起政府及有關(guān)部分的重視。

土地利用; 遙感影像; 空間分析; 生態(tài)風(fēng)險; 新疆澤普縣

土地利用方式是區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件與人類社會經(jīng)濟(jì)活動長期相互作用的結(jié)果。人類面臨的許多生態(tài)環(huán)境問題，其深層次的原因都與土地資源利用有關(guān)，土地資源利用的結(jié)構(gòu)和類型能直接或間接地反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的安全程度和健康狀況。土地利用生態(tài)風(fēng)險是用于描述和評價人為活動、自然災(zāi)害或者環(huán)境污染對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能所產(chǎn)生的影響程度[1]。

目前，基于土地利用的生態(tài)風(fēng)險研究是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點問題之一。在評價指標(biāo)體系、方法與模型、結(jié)果及應(yīng)用等方面已有了較多研究，其中臧淑英等[2]、夏南凱等[3]提出生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，從土地利用變化角度探究其對生態(tài)風(fēng)險的影響。安佑志等[4-8]通過對生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行半變異函數(shù)分析和克里格插值編制生態(tài)風(fēng)險圖來對上海市土地利用生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行分析;傅麗華等[5]則選取景觀及土地利用變化類型、土地利用分級程度、土地利用變化率、不同景觀的生態(tài)服務(wù)價值為主要評價指標(biāo)，建立生態(tài)風(fēng)險評價模型，對長株潭城市群核心區(qū)土地利用行了生態(tài)風(fēng)險評價。

近些年來，澤普縣人口究迫在眉睫。因此本文參考前人研究成果[9-10]，利用干擾度指數(shù)和脆弱度指數(shù)，結(jié)合的快速增長、中心城區(qū)面積擴(kuò)大、工業(yè)園區(qū)的不斷發(fā)展致使建設(shè)用地快速增長、社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和大規(guī)模的水土開發(fā)已發(fā)了一系列的生態(tài)安全問題。這些問題已經(jīng)嚴(yán)重的制約了澤普的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和人居環(huán)境可持續(xù)改善，為防止?jié)善湛h生態(tài)環(huán)境趨于惡化，本文對澤普縣不同土地利用方式構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，采用網(wǎng)格模型與普通克里格插值方法編制了生態(tài)風(fēng)險插值圖，對澤普縣2006—2013年的土地利用生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行分析與研究。本研究對于了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境和合理利用土地資源，恢復(fù)治理生態(tài)環(huán)境具有極其重要的現(xiàn)實意義，同時也能為制定生態(tài)安全條件下的土地利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

澤普縣位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部(76°52′30″—77°29′30″E，37°57′30″—38°19′00″N)。地處北溫帶歐亞大陸的塔里木盆地邊緣，屬大陸性溫帶干旱氣候。該縣西南至東北長61 km，西北至東南寬14～23 km。北和西北以葉爾羌河為界同莎車縣為鄰，東和東南隔提孜那甫河與葉城縣相望，東北同莎車縣依干旗鄉(xiāng)相連，西南同葉城縣戈壁灘接壤。地勢呈現(xiàn)西南高東北低，地形變化比較大，全縣地形坡降1/150～1/300。海拔1 215～1 490 m。其主要特點是氣候干燥，降雨少，風(fēng)沙多，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。全區(qū)土地總面積98 797.02 hm2，2013年全縣總?cè)丝跒?9 511人。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

以澤普縣2006年和2013年的Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源(時相為植被生長的茂盛的6—10月份)，其他有關(guān)數(shù)據(jù)包括澤普縣1∶50 000地形圖，澤普縣土地利用現(xiàn)狀圖，《澤普縣統(tǒng)計年鑒》(2006—2013)及《新疆統(tǒng)計年鑒》(2006—2013)，利用envi 4.8軟件分別對兩幅遙感影像進(jìn)行波段合成、輻射校正、幾何糾正、圖像整飾、投影變換、鑲嵌、特征提取等綜合處理?；谌珖恋胤诸愊到y(tǒng)及澤普縣實際的土地利用/土地覆被特征，將研究區(qū)域土地類型劃分為:耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、其他用地這六種類型。對監(jiān)督分類中未達(dá)到精度的模塊通過目視解譯法進(jìn)行更正。最后基于這6種景觀類型建立生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。對處理好的影像利用Arc/Info 9.3軟件進(jìn)行矢量化，并利用其統(tǒng)計分析和計算功能，最終得到研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險指數(shù)空間分布圖，進(jìn)而對研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險空間特征動態(tài)變化進(jìn)行研究。

1.3 采樣方式

根據(jù)澤普縣各景觀單元面積及覆蓋情況，采樣方式為等間距系統(tǒng)采樣法，將研究區(qū)域劃分為2 km×2 km的正方形樣地，將生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行空間化，劃分樣區(qū)400個，可以保證空間分異特征的呈現(xiàn)。每個樣區(qū)利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)計算出一個綜合值，并作為樣地的生態(tài)風(fēng)險值，以此作為樣地中心點的生態(tài)風(fēng)險水平。

1.4 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

為建立土地利用與生態(tài)風(fēng)險之間的經(jīng)驗聯(lián)系，利用澤普縣各土地要素的面積及比重，建立生態(tài)風(fēng)險與LUCC之間的關(guān)系從而構(gòu)造個土地要素的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)[11]，其表達(dá)式為

(1)

式中：ERI為生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；N為土地要素的總數(shù)量；A為土地總面積；Ai為第i類土地要素的面積；Ri為第i種土地要素所反映的損失指數(shù)。

Ri表示各土地要素遭遇干擾時所受到的生態(tài)損失的差別。脆弱度指數(shù)Fi和干擾度指數(shù)Si綜合反映某一種土地要素Ri的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。

1.4.1 干擾度指數(shù) 不同的景觀類型在保護(hù)物種、維護(hù)生物多樣性、完善整體結(jié)構(gòu)與功能、促進(jìn)景觀結(jié)構(gòu)自然演替等方面的作用是有差別的，同時，不同的景觀類型對外界干擾的抵抗能力也是不同的[8]。本研究以澤普縣土地要素為依據(jù)，構(gòu)建一個干擾度指數(shù)Si。干擾度指數(shù)Si可通過對景觀破碎度指數(shù)Ci、景觀分離度Ni、和景觀優(yōu)勢度Di三者賦予權(quán)重疊加獲得;其中景觀優(yōu)勢度Di由斑塊頻度Qi、斑塊密度Mi和斑塊比例Li決定。由于不同土地要素量綱存在差異，所以需要對分析得出的指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。用a，b，c表示土地要素各指標(biāo)的權(quán)重，并且要求a+b+c=1根據(jù)分析權(quán)衡，并結(jié)合前人研究成果[12-14]，認(rèn)為破碎度指數(shù)最為重要，其次是分離度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)，以上三種分別賦以0.5、0.3、0.2。其表達(dá)式為:

Si=0.5Ci+0.2Ni+0.2Di

(2)

1.4.2 脆弱度指數(shù) 該指數(shù)表示土地要素不同從而導(dǎo)致各個要素在對抵抗外界干擾時表現(xiàn)出來的能力有所差異，這種差異與自然演替過程所處的階段息息相關(guān)[15]。綜合各類景觀易損性的特點，將澤普縣6類土地類型按脆弱程度由高到低賦值:6其他用地、5水域、4耕地、3草地、2林地、1建設(shè)用地。采掘地歸一化得到脆弱度指數(shù)Fi，各土地要素的脆弱度指數(shù)由歸一化處理后得到。將歸一化的值域范圍設(shè)定為[0.1，0.9][15]，其主要原因是為了便于分析與計算。

1.4.3 生態(tài)風(fēng)險分級方法 本文對生態(tài)風(fēng)險分級的劃分主要是參考以往學(xué)者的研究結(jié)果[9-12]，對澤普縣生態(tài)風(fēng)險級別劃分為六類，具體劃分情況見表1。

表1 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分級表

1.5 空間分析方法

本研究區(qū)的綜合生態(tài)風(fēng)險的空間差異分析是通過地統(tǒng)計學(xué)方法完成的[11]。地統(tǒng)計學(xué)是一系列檢測、模擬和估計變量在空間上的相關(guān)關(guān)系和格局的統(tǒng)計方法，一般被認(rèn)為是空間統(tǒng)計學(xué)的一部分[11]。半方差分析是地統(tǒng)計學(xué)中的一個重要組成部分，其主要用途有:(1) 對空間結(jié)構(gòu)格局的描述和識別;(2) 應(yīng)用于空間局部最優(yōu)化插值，即克里格Kriging。半方差r(h)的定義為:

(3)

式中:h、z、n(h)分別表示樣本的間隔距離、某一系統(tǒng)的隨機(jī)變量、抽樣間距為h的樣點總對數(shù)。定義X表示空間位置，則z(xi)和z(xi+h)分別代表在xi和xi+h的取值[16-19]。以半方差r(h)為縱坐標(biāo)，樣本間距h為橫坐標(biāo)，獲得半方差圖。利用Arc/Info 9.3的空間分析和地統(tǒng)計功能，通過求和、采樣、普通Kriging空間插值，將所得的實際半方差圖用球狀模型擬合，從而得到了澤普縣生態(tài)風(fēng)險指數(shù)空間分布圖。

本文采用ArcGIS 9.3、Fragstats 3.3、Envi 4.8、Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)動態(tài)變化

澤普縣在2006—2013年不同土地利用類型變化不一致(表2)。澤普縣2006年和2013年均土地利用類型表現(xiàn)為:耕地面積、其他用地面積、林地面積、建設(shè)用地面積、水域面積、草地面積。8 a內(nèi)澤普縣耕地和建設(shè)用地面積分別增加了183.56，1 069.66 hm2;林地、水域和其他用地面積分別減少了165.8，14.47，1 072.95 hm2;草地面積因較小，故在8 a內(nèi)無變化。從2006年和2013年澤普縣土地利用現(xiàn)狀圖可以看出耕地為澤普縣主要的土地利用類型，主要分布在澤普縣的北部和中部，然而8 a間城市建設(shè)用地呈明顯增加的趨勢(附圖3)。

表2 2006-2013年澤普縣土地利用類型變化情況

2.2 土地利用生態(tài)風(fēng)險評價

2006年和2013年6種土地利用類型中，耕地斑塊數(shù)目有明顯的減少的趨勢(表3)，2006年至2013年期間共減少1 035塊，但耕地面積并沒有減少，反而略有增加，致使耕地景觀破碎度Ci和分離度指數(shù)Ni不斷減小，由此可知耕地的景觀破碎度加深，分離度減小，空間分布特征由初期的小塊隨機(jī)散落分布變?yōu)榇笃蟹植?。草地的面積較小，斑塊數(shù)較少，說明在地域分布上較集中，破碎化程度低，斑塊個體分離程度小，因此計算得到的破碎度指數(shù)和分離度指數(shù)都較小。其他用地的景觀損失度Ri呈不斷增大的趨勢，主要是因為其他用地不斷轉(zhuǎn)化為其他景觀類型，面積不斷減少，斑塊支離破碎，斑塊數(shù)目快速增加。導(dǎo)致其景觀優(yōu)勢度Di不斷降低，景觀破碎度Ci和干擾度指數(shù)Si不斷增大，綜合分析:通過加權(quán)平均的方法得到景觀損失指數(shù)中Ri，6種土地利用類型中耕地Ri最大，草地Ri最小。總體來看，2 006至2013年間整個研究區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險呈現(xiàn)升高的趨勢，土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)由2006年的0.088上升到2013年的0.112。

2.3 生態(tài)風(fēng)險等級分析

利用生態(tài)風(fēng)險等級評價方法，對澤普縣2006年、2013年土地要素變化的生態(tài)風(fēng)險情況進(jìn)行分級，計算澤普縣2006年和2013年不同等級的生態(tài)風(fēng)險占各年份區(qū)域面積的比例(圖1)。2006年從低到高5種風(fēng)險等級占2006年區(qū)域面積的百分比分別為3.45%，11.08%，33.70%，42.58%，9.19%;2013年從低到高5種風(fēng)險等級占2013年區(qū)域面積的百分比分別為3.38%，8.91%，36.67%，37.59%，13.45%。由2006年和2013年從低到高5種風(fēng)險等級的空間分布圖[9]可以發(fā)現(xiàn)(圖2)，高風(fēng)險區(qū)主要集中在澤普縣中部和東部邊緣地區(qū)，主要的土地利用類型為建設(shè)用地;較高風(fēng)險則遍及澤普縣中東部，主要的土地利用類型為耕地和草地;中風(fēng)險區(qū)則主要集中分布在澤普縣西北角，主要的土地利用類型為其他用地;低風(fēng)險區(qū)主要集中分布于澤普縣西南北邊緣，主要的土地利用類型為林地和水域?？傮w來看澤普縣2006—2013年期間，澤普縣生態(tài)風(fēng)險主要是從較高風(fēng)險向高風(fēng)險轉(zhuǎn)變，生態(tài)風(fēng)險整體趨于惡化。這個變化趨勢和前述的整個研究區(qū)的趨勢是一致的。

表3 2006年，2013年土地結(jié)構(gòu)指數(shù)

注:Ci:景觀破碎度指數(shù);Ni:景觀分離度;Di:景觀優(yōu)勢度;Si干擾度指數(shù);Fi脆弱度指數(shù);Si損失度指數(shù);Eri生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。

圖1 不同等級的生態(tài)風(fēng)險在各年份所占的比例

圖2 2006年、2013年綜合生態(tài)風(fēng)險程度空間分布

3 討論和結(jié)論

3.1 討 論

2006—2013年，澤普縣的土地要素類型未發(fā)生變化，但是各要素的面積及其所占的比例發(fā)生了明顯的變化。2006—2013年，耕地面積、建設(shè)用地面積呈增長趨勢，耕地面積增長的主要原因是澤普縣2011年、2012年實施的多個土地整治項目經(jīng)過了自治區(qū)國土廳的驗收，所以耕地面積出現(xiàn)了增長。草地面積幾乎未發(fā)生變化，澤普縣草地面積較少，故其變化不明顯。其他用地、水域和林地面積呈減少趨勢，主要原因是其他用地不斷轉(zhuǎn)化為其他土地要素。可見隨著人口快速增長和社會經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，人類活動對土地結(jié)構(gòu)變化的影響越來越顯著。

土地利用生態(tài)風(fēng)險分析是在LUCC上建立起生態(tài)風(fēng)險的評價方法，并對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險評價的過程[20-23]。此過程將靜態(tài)的現(xiàn)狀評價轉(zhuǎn)為動態(tài)的預(yù)測、預(yù)警在當(dāng)前生態(tài)風(fēng)險評價研究的發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用[23-26]。本文利用新疆澤普縣2006年和2013年間土地利用類型變化數(shù)據(jù)分析了澤普縣2006年和2013年的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，研究表明澤普縣的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)由2006年的0.088增長為2013年的0.112，研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境情況趨于惡化趨勢。根據(jù)風(fēng)險等級劃分和風(fēng)險等級分布圖可以發(fā)現(xiàn)，澤普縣地區(qū)高風(fēng)險區(qū)域增加，整體由中風(fēng)險向高風(fēng)險轉(zhuǎn)變。這可能是由于，首先，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，澤普縣人口增加加速，致使該縣的建設(shè)用地的面積不斷擴(kuò)大，尤其是近幾年澤普縣工業(yè)園區(qū)建設(shè)興起，雖然帶動了澤普縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但也會引起一系列的生態(tài)安全問題。其次，澤普縣林地和水域面積在2006—2013年呈減少的趨勢，林地和水域是對生態(tài)環(huán)境有一定的凈化功能，其面積的減少必然會增加澤普縣的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。

3.2 結(jié) 論

(1) 2006—2013年澤普縣耕地和建設(shè)用地面積增加，林地、水域和其他用地面積減少，草地面積無變化。

(2) 澤普縣的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)由2006年的0.088增長為2013年的0.112，研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境情況趨于惡化趨勢，隨著生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的升高，研究區(qū)的生態(tài)安全問題將會得到更多人的關(guān)注。

致謝:本文部分?jǐn)?shù)據(jù)由喀什地區(qū)國土局、澤普縣國土局、澤普縣統(tǒng)計局澤普縣環(huán)保局提供，特此謹(jǐn)致謝意。

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Analysis on Ecological Risk of Land Use at County Level in the Arid Oasis Base on GIS —A Case Study in Zepu of Xinjiang

WANG Wenjie1,2, Zhangyong Fu1,2, WANG Huijie1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience，XinjiangUniversity，Urumqi830046,China; 2.KeyLabofOasisEcology，XinjiangUniversity，Urumqi830046,China)

To reveal the land use structure change on the influence of typical oasis in arid areas county in Xinjiang， we take the Zepu County of Xinjiang as the research object， construct the comprehensive ecological risk index (ERI) and spatial interpolation under the technical support of ArcGIS， in 2006 and in 2013 of remote sensing images and data of land use as the source， analyze Zepu county ecological risk of land use dynamic evolution and the spatial differentiation characteristics. The results show that: (1) from 2006 to 2013， other land and forest land areas of Zepu County showed the decreasing trend， the other land area decreased by 1 072.95 hm2， woodland area decreased by 165.8 hm2， grassland area was almost unchanged， arable land and construction land increased by 183.56 hm2and 1069.66 hm2， respectively; (2) the ecological risk index rose from 0.088 in 2006 to 0.112 in 2013. To sum up， ecological environment deteriorated during the period from 2006 to 2013 in the study area.

land use; remote sensing image; spatial analysis; ecological risk; Zepu of Xinjiang

2016-01-06

2016-01-22

國家自然科學(xué)基金“南疆鐵路沿線地區(qū)城鎮(zhèn)化與城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展模式研究”(41161063)

王文杰(1992—),男,新疆庫爾勒人,碩士研究生,主要從事國土信息技術(shù)等方面的研究。E-mail:531482934@qq.com

張永福(1964—),男,新疆烏魯木齊人,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事國土信息技術(shù)和科研工作。E-mail:1804228385@qq.com

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1005-3409(2016)06-0216-05