于海洋,張 飛,3,*,曹 雷,王 娟,楊勝天

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 3 新疆智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室, 烏魯木齊 830046 4 北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875

基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的土地生態(tài)安全時空格局評價研究
——以博爾塔拉蒙古自治州為例

于海洋1,2,張 飛1,2,3,*,曹 雷1,2,王 娟1,2,楊勝天1,4

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 3 新疆智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室, 烏魯木齊 830046 4 北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875

近年來,國內(nèi)外學(xué)者已做了大量區(qū)域土地生態(tài)安全評價的研究,但大多針對流域或縣級以上行政單元,鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的土地生態(tài)安全評價研究甚少。因此,選擇地處我國西北干旱生態(tài)脆弱區(qū)的博爾塔拉蒙古自治州為研究區(qū),以“3S”技術(shù)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法為支撐,結(jié)合研究區(qū)自然地理特征和社會經(jīng)濟(jì)狀況,構(gòu)建博爾塔拉蒙古自治州鄉(xiāng)鎮(zhèn)級壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Responses, P-S-R)土地生態(tài)安全評價模型,并對其土地生態(tài)安全空間格局特征及成因進(jìn)行診斷性分析。結(jié)果表明：(1) 2014年博州土地生態(tài)安全較2011年有所惡化,Ⅲ級向Ⅳ級轉(zhuǎn)化的面積最大,高達(dá)2555.33 km2,主要在溫泉縣境內(nèi),其次是Ⅴ級區(qū)域向Ⅳ級轉(zhuǎn)化1356.53 km2,主要發(fā)生在精河縣的茫丁鄉(xiāng)和托托鄉(xiāng)；(2)博州大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地生態(tài)安全狀況處于Ⅲ級水平,區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,亟待調(diào)整；(3) 博州土地生態(tài)安全狀況具有明顯地域性分布的特征,低值區(qū)多集中于博州東部荒漠地區(qū),高值區(qū)多集中在博州中部綠洲區(qū)域和湖區(qū)。研究結(jié)果可為鄉(xiāng)鎮(zhèn)級土地生態(tài)安全評價提供參考,為區(qū)域生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)推進(jìn)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度；土地生態(tài)安全；P-S-R模型；博爾塔拉蒙古自治州

自20世紀(jì)90年代起,國家實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略,西部干旱區(qū)作為中國21世紀(jì)開發(fā)建設(shè)的重點區(qū)域,然而西部干旱區(qū)也是我國人地關(guān)系最為緊張、矛盾最為尖銳的區(qū)域,嚴(yán)酷的自然環(huán)境決定了其生態(tài)系統(tǒng)十分敏感,而脆弱的生態(tài)環(huán)境及突出的生態(tài)問題己成為制約西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸[1]。隨著人口持續(xù)增長、城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展,人類對土地的需求大幅增加[2],土地生態(tài)系統(tǒng)面臨人類日益嚴(yán)重的威脅[3]。自IIASA (International Institute for Application System Analysis, 國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所)于1989年提出生態(tài)安全的概念以來[4],衍生出定量描述區(qū)域土地系統(tǒng)安全狀況的相關(guān)概念。其中,土地生態(tài)安全是指在一定時空范圍內(nèi),土地系統(tǒng)能夠保持其結(jié)構(gòu)與功能不受威脅或少受威脅的健康狀態(tài),并能夠為社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供其服務(wù),從而維持復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的長期協(xié)調(diào)發(fā)展的能力[5]。土地生態(tài)安全研究既是當(dāng)前多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域,也是維護(hù)全球安全、人類自身安全和國家生態(tài)安全的重大需求目標(biāo)[6]。

生態(tài)安全研究是土地生態(tài)安全研究的基礎(chǔ)[7- 8],國外生態(tài)安全研究側(cè)重從不同角度關(guān)注和探討生態(tài)安全問題,主要集中在基因工程生物的生態(tài)風(fēng)險與安全、生態(tài)入侵風(fēng)險、食品安全、水資源安全、生態(tài)系統(tǒng)健康等方面[9- 11]。國內(nèi)的研究主要涉及研究方法、指標(biāo)體系、安全閾值的確定等方面[12- 13],研究區(qū)域主要集中在生態(tài)環(huán)境較為典型和脆弱的區(qū)域,重點突出人類活動對脆弱生態(tài)環(huán)境的干擾[14]。生態(tài)安全評價研究的方法較多,主要有綜合指數(shù)法[15]、物元模型法[16- 17]、生態(tài)足跡法[18]、景觀生態(tài)學(xué)方法[8,19]和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[20]等。其中,王宏衛(wèi)等[21]基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度,對克里雅河綠洲生態(tài)承載力進(jìn)行了評價分析；蒙吉軍等[22]利用GIS手段研究了鄂爾多斯市的土地生態(tài)安全變化情況,明確了空間主成分分析對土地生態(tài)安全評價的重要性；張飛等[23]基于景觀格局研究了景觀格局變化對生態(tài)安全的影響,利用生態(tài)彈性度,反映了流域生態(tài)安全的變化情況；于瀟等[24]采用綜合指數(shù)法,引入景觀格局安全指數(shù)和生態(tài)質(zhì)量指數(shù),論證了農(nóng)業(yè)開發(fā)對景觀生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響；王耕等[25]利用空間統(tǒng)計學(xué)方法,發(fā)現(xiàn)生態(tài)安全指數(shù)在空間上存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。所用評價體系大多采用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(P-S-R)機(jī)理框架,其結(jié)論往往是以行政區(qū)為評價單元的總體評價,難以體現(xiàn)生態(tài)安全空間差異；而以景觀生態(tài)學(xué)方法對土地生態(tài)安全進(jìn)行研究,大多缺少社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的支撐,僅能從空間格局上評價其變化方向,難以說明其原因[26- 27]。而隨著科技發(fā)展,已進(jìn)入“互聯(lián)網(wǎng)+”時代,多渠道信息傳遞、獲取愈發(fā)方便,高級別行政區(qū)域(省、市、縣)在網(wǎng)信息量大、數(shù)據(jù)豐富,但鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為我國第四級行政單元,在網(wǎng)信息量較少、數(shù)據(jù)匱乏,因此,現(xiàn)有土地生態(tài)安全評價的相關(guān)研究多集中在省、市、縣級別,鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全評價相對較少。

2012年底,我國通過“十八大”開始大力推進(jìn)“生態(tài)文明”建設(shè),為了探討“生態(tài)文明”建設(shè)下區(qū)域土地生態(tài)安全變化狀況,本文選擇博爾塔拉蒙古自治州(以下簡稱博州)為研究區(qū),確定2011年、2014年為研究年度,運(yùn)用GIS、RS技術(shù)手段,結(jié)合研究區(qū)自然地理特征和社會經(jīng)濟(jì)狀況,構(gòu)建博州鄉(xiāng)鎮(zhèn)級P-S-R土地生態(tài)安全評價模型,運(yùn)用熵權(quán)法和層次分析法組合賦權(quán)法求得指標(biāo)權(quán)重[28- 29],計算博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全指數(shù),并對其土地生態(tài)安全空間格局特征及成因進(jìn)行診斷性分析。為合理改善博州社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與生態(tài)環(huán)境退化間的矛盾提供科學(xué)依據(jù),使博州土地生態(tài)安全的時空格局研究具有實用性,有利于指導(dǎo)人們因地制宜地進(jìn)行干旱區(qū)開發(fā)與管理,對完善西北干旱區(qū)適用的土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系具有一定的實踐意義。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 The sketch map of study area

博州位于中國新疆維吾爾自治區(qū)西北邊陲,全州總面積24896 km2,邊界長達(dá)380 km,有“中國西部第一門戶之稱”[30]。博州西、南、北三面環(huán)山,中間是“海棠葉狀 ”的傾斜河谷,自西向東呈降低趨勢。地貌景觀由中部博爾塔拉河和東部精河、大河沿子河兩岸孕育的“人工綠洲”、南北兩側(cè)的山麓、艾比湖環(huán)湖四周的荒漠戈壁組成(圖1)。博州屬典型的北溫帶大陸性干旱氣候,但其西部與北部山麓夏半年降水充沛,水系也較豐富,維系著山前地帶“人工綠洲”的生命。博州轄博樂市、阿拉山口市、精河縣和溫泉縣。其中,精河縣包括：精河鎮(zhèn)、大河沿子鎮(zhèn)、茫丁鄉(xiāng)、托里鄉(xiāng)、托托鄉(xiāng)；溫泉縣包括：博格達(dá)爾鎮(zhèn)、哈日布呼鎮(zhèn)、安格里格鄉(xiāng)、查干屯格鄉(xiāng)、扎勒木特鄉(xiāng)、塔秀鄉(xiāng)；博樂市包括：青得里街道、顧力木圖街道、克爾根卓街道、三臺街道、小營盤鎮(zhèn)、達(dá)勒特鎮(zhèn)、烏圖布拉格鎮(zhèn)、青得里鄉(xiāng)、貝林哈日莫墩鄉(xiāng),因博樂市的青得里街道、顧力木圖街道、克爾根卓街道、三臺街道構(gòu)成博樂市市區(qū),本文將四者合并稱作城區(qū)街道。阿拉山口市系口岸城市,政策因素干擾過強(qiáng),在本研究中不予分析。

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究用到的數(shù)字影像數(shù)據(jù)有：Landsat5 TM、Landsat8 OLI數(shù)據(jù),空間分辨率30 m×30m；ASTER GDEM數(shù)據(jù),空間分辨率30 m×30 m；MODIS歸一化植被指數(shù) (NDVI)月合成產(chǎn)品,空間分辨率500 m×500 m；博州土壤質(zhì)地圖,博州1∶5萬地形圖,博州1∶5萬土地利用專題圖,博州鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界。野外考察數(shù)據(jù)有GPS數(shù)據(jù)和景觀照片；社會經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)來源于2011—2015年《博爾塔拉蒙古自治州統(tǒng)計年鑒》、《博樂市統(tǒng)計年鑒》、《精河縣統(tǒng)計年鑒》、《溫泉縣統(tǒng)計年鑒》以及相關(guān)職能部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)；另外,本研究為建立評價標(biāo)準(zhǔn),選擇了多項類比標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)。研究區(qū)主要數(shù)據(jù)類型及來源如表1所示。

2.1.2 數(shù)字影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

(1)遙感影像預(yù)處理及分類 所用博州2011年和2014年10月Landsat 影像,圖像質(zhì)量好,植被茂密,無云、霧和積雪等影響。首先利用FLAASH模型對所用影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正[31],再對影像進(jìn)行幾何精校正,即以研究區(qū)1∶5萬地形圖為基礎(chǔ),采用控制點-多項式擬合校正法,選擇高斯-克呂格投影模式及三次卷積內(nèi)插法重采樣進(jìn)行圖像點的精密校正(選擇的地面控制點的誤差均小于0.5個像元)。結(jié)合野外考察工作中的GPS定點信息和樣點景觀照片,以Google地球為輔助工具,基于軟件ENVI 4.8目視解譯選取“感興趣區(qū)”,利用CART算法[32]對“感興趣區(qū)”樣本進(jìn)行分析,生成決策樹分類規(guī)則,通過決策樹規(guī)則進(jìn)行遙感影像分類監(jiān)督分類,分別是耕地、林草地、水體、鹽漬地和其他(建設(shè)用地、沙漠、戈壁、山體)。最后,進(jìn)行人工目視解譯的修正。在2011年、2014年分別選用130和150個GPS實證點進(jìn)行驗證,經(jīng)計算,博州土地利用/覆被(Land Use/Land Cover, LULC)分類的精度分別為76.12%、74.83%,Kappa Coefficients為0.7489、0.7324,已達(dá)到Landsat影像分類的較高標(biāo)準(zhǔn),而計算機(jī)分類精度分別為96.07%、94.05%,Kappa Coefficients為0.9507、0.9302,其精度大于85%,滿足使用要求。

表1 數(shù)據(jù)類型及來源

(2)依托GIS平臺,處理、獲取空間數(shù)據(jù),主要包括：1) 由DEM數(shù)據(jù)生成坡度圖、水系圖；2) 從水系圖和道路數(shù)據(jù)中提取各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水網(wǎng)密度和路網(wǎng)密度；3) 基于博州LULC數(shù)據(jù),利用軟件Fragstats 3.3計算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的區(qū)域香農(nóng)多樣性指數(shù)和景觀破碎度；4) 由博州土地利用專題圖,獲取各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的森林覆蓋率和耕地面積比重；5) 基于博州當(dāng)年5—10月MODIS NDVI月合成產(chǎn)品,得出該年的年均NDVI,NDVI取值范圍[0,1]。

2.1.3 評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

本文的評價指標(biāo)既有正向指標(biāo)又有逆向指標(biāo),因此在進(jìn)行指標(biāo)的處理上有所區(qū)分。本文采用極差歸一化法進(jìn)行指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化,其公式為：

(1)

(2)

式中,Yij為標(biāo)準(zhǔn)化后的值,Xij為第i年第j項指標(biāo)原始值,Xmaxj和Xminj分別為相應(yīng)指標(biāo)的最大值和最小值,a取0.9。 當(dāng)指標(biāo)有國家標(biāo)準(zhǔn)時,Xmaxj和Xminj分別為相應(yīng)指標(biāo)的安全值和不安全值。

2.2 土地生態(tài)安全評價

2.2.1 評價單元

目前已開展的土地生態(tài)安全評價研究多以行政單元(省、市、縣)為數(shù)據(jù)載體,數(shù)據(jù)資料獲取較為方便,但結(jié)合新疆縣級行政單元幅員遼闊的特點,以縣級區(qū)域為評價單元欠缺空間的可視化表達(dá),宏觀指導(dǎo)性有余,缺乏實踐指導(dǎo)性。為便于博州土地生態(tài)安全評價,本文采用GIS空間疊加的方法,結(jié)合統(tǒng)計資料與遙感數(shù)據(jù)特點,確定鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為最小評價單元,并將多源數(shù)據(jù)重采樣至30 m×30 m,可通過較細(xì)的粒度的柵格數(shù)據(jù)反映評價單元內(nèi)的土地生態(tài)安全的空間差異。

2.2.2 P-S-R 指標(biāo)體系與權(quán)重

P-S-R框架模型由聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署建立[33]。其中,壓力指標(biāo)反映人類社會、經(jīng)濟(jì)活動給區(qū)域環(huán)境、資源利用和生態(tài)系統(tǒng)造成的負(fù)擔(dān)[34]；狀態(tài)指標(biāo)表述當(dāng)前自然資源、環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)[35- 36]；響應(yīng)指標(biāo)是人類社會在其發(fā)展過程中,人類為生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展,所采取的優(yōu)化措施與對策及已獲得的良好反饋[37]。P-S-R模型從人類與環(huán)境系統(tǒng)的相互作用與影響出發(fā),對環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行組織分類,具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性[38]。

本研究在參考有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合博州實際情況,按照指標(biāo)選取的科學(xué)性、全面性、實用性和動態(tài)性等原則,結(jié)合數(shù)據(jù)的可得性,以博州土地生態(tài)安全綜合評價為評價總目標(biāo),充分考慮區(qū)域土地生態(tài)安全各評價因子的復(fù)雜關(guān)系,借鑒國內(nèi)相關(guān)研究成果[22,39-42],依據(jù)P-S-R框架,自上而下、逐層分解為4個層次：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、要素層和指標(biāo)層[28- 30]。重點選取與土地生態(tài)安全密切相關(guān)：荒漠化率、人口密度、NDVI、LULC等30個屬性特征構(gòu)建評價指標(biāo)體系,再利用SPSS軟件30項指標(biāo)做Pearson相關(guān)性分析進(jìn)行篩選,優(yōu)化同準(zhǔn)則層內(nèi)相關(guān)性大于0.8或目標(biāo)層相關(guān)性大于0.9的指標(biāo),最終確定由25項指標(biāo)構(gòu)成博州土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系(表2)?？紤]到單一的賦權(quán)方法的局限性,利用層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)法,可體現(xiàn)土地生態(tài)安全評價的區(qū)域性,又可體現(xiàn)數(shù)據(jù)本身的數(shù)理特征。

表2 博州P-S-R評價指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重

—無標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)

2.2.3 指標(biāo)定義與標(biāo)準(zhǔn)化

由于評價指標(biāo)類型繁多,單位各異,很難對它們的實測值進(jìn)行直接對比,在指標(biāo)評價方面優(yōu)先選取國際或國家標(biāo)準(zhǔn),其次是地方“十二五”規(guī)劃的生態(tài)文明標(biāo)準(zhǔn),先確定評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值,再根據(jù)公式(1)、(2),對評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。對于那些無明確評價標(biāo)準(zhǔn)值的指標(biāo),則按照極差標(biāo)準(zhǔn)化,依據(jù)公式(1)、(2),正指標(biāo)用公式(1)標(biāo)準(zhǔn)化,逆指標(biāo)用公式(2)標(biāo)準(zhǔn)化,對評價指標(biāo)賦予標(biāo)準(zhǔn)化分值,分值在0—1之間。而在影像數(shù)據(jù)中,有的指標(biāo)可用極差標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行劃分,如NDVI,水網(wǎng)密度等,而有的指標(biāo)則需要進(jìn)行量化分級賦值,例如坡度、土壤質(zhì)地和土地利用類型。部分指標(biāo)含義及計算方法如下：

單位耕地的化肥使用量 即鄉(xiāng)鎮(zhèn)當(dāng)年的化肥施用量/區(qū)域耕地總面積,該指標(biāo)為逆指標(biāo),其值越大,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力越大,土地生態(tài)安全越低。

單位耕地的農(nóng)藥使用量 即鄉(xiāng)鎮(zhèn)當(dāng)年的農(nóng)藥施用量/區(qū)域耕地總面積,該指標(biāo)為逆指標(biāo),單位耕地農(nóng)藥施用量越多,土地生態(tài)系統(tǒng)受到的農(nóng)藥污染越嚴(yán)重,土地生態(tài)安全越低。

單位耕地的地膜使用量 即鄉(xiāng)鎮(zhèn)當(dāng)年的地膜使用量/區(qū)域耕地總面積,該指標(biāo)為逆指標(biāo),單位耕地地膜使用量越多,土地生態(tài)系統(tǒng)受到的塑料污染越嚴(yán)重,土地生態(tài)安全越低。

草原載畜量 即單位土地而積上的牲畜數(shù),計算公式為：草原載畜量=牲畜總數(shù)/土地總面積,表征單位草地面積上的牲畜承載壓力,該指標(biāo)為逆指標(biāo),其值越大,單位草地面臨的環(huán)境壓力越大,其中,1匹馬=2羊單位,1頭牛=5羊單位。

人口密度 即單位土地而積上的人口數(shù),計算公式為：人口密度=人口總數(shù)/土地總面積,表征單位土地面積上的人口承載壓力,該指標(biāo)為逆指標(biāo),其值越大,單位土地面臨的人口壓力越大。

自然增長率 即一年內(nèi)人口自然增加數(shù)與當(dāng)內(nèi)平均人口數(shù)之比。表征人口自然增長對土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力,該指標(biāo)為逆指標(biāo),其值越大,說明人口自然增長越快,對土地生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力越大。

經(jīng)濟(jì)密度 即鄉(xiāng)鎮(zhèn)GDP/土地總面積,表征鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度,該指標(biāo)為正指標(biāo),其值越高,單位土地的利用效率也越高,土地利用越集約,越有利于土地生態(tài)安全的維護(hù)。

人均糧食產(chǎn)量 即糧食總產(chǎn)量/人口總數(shù),表征鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地承載人口的能力,該指標(biāo)為正指標(biāo),其值越大,說明耕地產(chǎn)出水平越高,糧食安全越有保障,其他土地生態(tài)壓力越小。

人均耕地面積 即耕地面積量/人口數(shù),表征耕地資源狀況,該指標(biāo)為正指標(biāo),其指標(biāo)值越大,區(qū)域糧食安全保障的壓力越小。

坡度 即高度差/水平距離,利用ArcGIS從ASTER GDEM數(shù)據(jù)中提取,該指標(biāo)為逆指標(biāo),坡度越大,人類開發(fā)利用土地的難度越大,不利于人類對土地生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)。根據(jù)坡度對各社會分工的影響,可視0—5°為安全標(biāo)準(zhǔn)值,賦值為1,5°—10°、10°—15°、15°—25°、>25°分別賦值為0.8、0.6、0.4、0.2。

NDVI 從MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)中獲取,利用軟件ArcGIS 9.3求得2011年和2014年的年均NDVI(5—10月),NDVI取值范圍[0,1]。該指標(biāo)為正指標(biāo),其值越大,區(qū)域植被長勢越好,有利于穩(wěn)定土地生態(tài)系統(tǒng)。因考慮到大面積地表水體對干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要性,將湖區(qū)(艾比湖和賽里木湖)圖層導(dǎo)入ArcGIS,并通過算法將湖區(qū)范圍的NDVI賦值為1。

森林覆蓋率 即鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林面積與土地總面積的百分比,是表征水土保持狀況的重要指標(biāo),該指標(biāo)為正指標(biāo),其值越大,區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境越好。

水網(wǎng)密度 即鄉(xiāng)鎮(zhèn)境內(nèi)河流長度/土地總面積,該指標(biāo)為正指標(biāo),其值越大,區(qū)域水資源越豐富,越有利于區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的有效運(yùn)行。

土壤質(zhì)地 從博州土壤質(zhì)地專題數(shù)據(jù)中獲取,根據(jù)其土壤質(zhì)地在自然界中的穩(wěn)定性及維系土地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要程度劃分,考慮到?jīng)]有哪一類是完全安全的或完全不安全,故最高的量化值為0.9,最低的量化值為0.1,基巖、湖泊、冰川雪被賦值為0.9,壤質(zhì)、礫質(zhì)、黏質(zhì)、沙質(zhì)分別賦值為0.7、0.5、0.3、0.1。

景觀破碎度 區(qū)域景觀斑塊數(shù)/土地總面積,該指標(biāo)為逆指標(biāo),其值越大,區(qū)域景觀破碎化程度越高,土地生態(tài)系統(tǒng)越不穩(wěn)定。

荒漠化率 區(qū)域(前一時期荒漠化面積-后一時期荒漠化面積)/時間間隔,該指標(biāo)為逆指標(biāo),其值越大,區(qū)域荒漠化速率越快,表明該區(qū)域的土地生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)缺陷,土地生態(tài)安全程度低。

耕地面積比重 即鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積與土地總面積的百分比,該指標(biāo)為逆指標(biāo),其值越大,區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展越依賴農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì),不利于區(qū)域土地生態(tài)結(jié)構(gòu)的合理發(fā)展。

耕地的灌溉比率 即耕地有效灌溉面積/耕地面積,可表征區(qū)域水土資源的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r,該指標(biāo)為正指標(biāo),其值越大,水土協(xié)調(diào)發(fā)展的狀況越好,耕地資源抗旱能力越強(qiáng),土地生態(tài)系統(tǒng)越安全。

土地利用類型 利用ENVI中的監(jiān)督分類方法從Landsat數(shù)據(jù)中獲取,根據(jù)其在自然界中的穩(wěn)定性及維系土地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要程度劃分,水體、林草地、耕地、鹽漬地分別賦值為0.9、0.7、0.5、0.3,其他(建設(shè)用地、戈壁、荒漠等)賦值為0.1。

路網(wǎng)密度 即鄉(xiāng)鎮(zhèn)境內(nèi)道路總里程/土地總面積,該指標(biāo)為正指標(biāo),其值越大,區(qū)域內(nèi)部級同鄰域間的交互性越強(qiáng),有利于土地生態(tài)安全維護(hù)。

人均GDP 即GDP/人口數(shù),該指標(biāo)為正指標(biāo),其值越大,鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高,維護(hù)土地生態(tài)安全的能力也就越強(qiáng)。

單位面積的機(jī)械化水平 即農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力/耕地面積,可表征土地生態(tài)安全的科技水平,該指標(biāo)為正指標(biāo),其值越大,耕地利用的科技水平和效益越高,有利于土地生態(tài)系統(tǒng)的健康運(yùn)行。

第三產(chǎn)業(yè)比重 即第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值/GDP,第三產(chǎn)業(yè)自然資源消耗少、環(huán)境污染較輕,該指標(biāo)為正指標(biāo),其值越高,區(qū)域產(chǎn)業(yè)水平也越高,對土地生態(tài)系統(tǒng)的壓力也越小。

城市化水平 即城鎮(zhèn)人口/總?cè)丝?表征鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市建設(shè)用地的集約化水平,該指標(biāo)為正指標(biāo),其值越大,區(qū)域城鎮(zhèn)人口越多,城鎮(zhèn)建設(shè)用地越集約,對外界資源的吸引力越大。

2.2.4 土地生態(tài)安全模型

土地生態(tài)安全指數(shù)(Land Ecological Security, LES)是衡量一個區(qū)域土地生態(tài)安全程度的模型,它能夠根據(jù)各評價指標(biāo)數(shù)據(jù),判斷出區(qū)域土地生態(tài)安全狀況,值在0—1之間。LES計算模型為：

(3)

式中,LES為某個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地生態(tài)安全指數(shù),Pi為第i個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值,wi是第i個指標(biāo)的權(quán)重。

2.2.5 評判標(biāo)準(zhǔn)

評判標(biāo)準(zhǔn)劃分在以往的研究中,常將土地生態(tài)安全程度由低到高依次劃分為不安全、較不安全、臨界安全、較安全、安全5個評價等級,即在絕對意義下對應(yīng)的安全綜合指數(shù)分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1。分級標(biāo)準(zhǔn)過于絕對,導(dǎo)致分類結(jié)果與實際偏差過大。本文首先分析研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況并參照相關(guān)文獻(xiàn)[22,28,38],確定博州土地生態(tài)安全指數(shù)的安全程度及相應(yīng)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)特征,結(jié)合2014年野外考察數(shù)據(jù),包括：GPS信息、景觀照片、鄉(xiāng)鎮(zhèn)基本信息等,選擇了40個空間信息點,邀請了5位相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍π畔Ⅻc的生態(tài)系統(tǒng)特征進(jìn)行判讀、并歸類；運(yùn)用ArcGIS中的自然斷點分類工具對博州土地生態(tài)安全指數(shù)進(jìn)行分類,再綜合空間信息點對應(yīng)的土地生態(tài)安全指數(shù)值、專家判讀分類,并對自然斷點分類結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,得出博州土地生態(tài)安全評價等級標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

2.3 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)性的指標(biāo)可分為全局指標(biāo)和局部指標(biāo)兩種[25]：全局指標(biāo)用于驗證整個研究區(qū)域某一要素的空間相關(guān)關(guān)系,而局部指標(biāo)則用于反映整個大區(qū)域中的一個局部小區(qū)域單元上的某種地理現(xiàn)象或某一屬性與相鄰局部小區(qū)域單元上同一現(xiàn)象或?qū)傩缘南嚓P(guān)程度。本研究中運(yùn)用全局空間自相關(guān)指標(biāo)Moran′sI和局部空間自相關(guān)指標(biāo)(LISA)來分析博州土地生態(tài)安全的空間特征。Moran′sI和LISA指標(biāo)的計算公式如下：

(4)

表3 博州土地生態(tài)安全評價等級標(biāo)準(zhǔn)

LISA是將Moran′sI分解到各個空間單元,即Local Moran′sI。對于某一個空間單元i,LISA計算公式為：

(5)

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 博州土地生態(tài)安全結(jié)構(gòu)特征分析

基于P-S-R評價指標(biāo)體系,利用公式(3)計算得出2011年和2014年博州地區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的土地生態(tài)安全狀況(表4)。為清晰描述博州LES的時空變化,運(yùn)用軟件ArcGIS根據(jù)LES等級標(biāo)準(zhǔn)繪制出博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)LES空間狀況(圖2)。

就博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的LES水平而言,2011年和2014年博州大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的LES處于Ⅲ級,僅小營盤鎮(zhèn)、安格里鄉(xiāng)和查干屯格鄉(xiāng)等達(dá)到Ⅱ級,而托托鄉(xiāng)則處于Ⅳ級。博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的壓力子系統(tǒng)多處于Ⅱ級,而作為當(dāng)?shù)厥小⒖h的行政中心,如：城區(qū)街道、精河鎮(zhèn)和博格達(dá)爾鎮(zhèn)的壓力子系統(tǒng)僅處于Ⅳ級、Ⅴ級,表明行政中心面臨著環(huán)境、資源和社會的巨大壓力,生態(tài)功能退化、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不完整,而非行政中心的鄉(xiāng)鎮(zhèn),其環(huán)境、資源和社會壓力相對較小,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為完善；博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的狀態(tài)子系統(tǒng)則表現(xiàn)為：小營盤鎮(zhèn)處于Ⅰ級,溫泉縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于Ⅱ級,精河縣和博樂市的多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均處于Ⅲ級,其主要原因是溫泉縣和小營盤鎮(zhèn)境內(nèi),水資源豐富、生物多樣性強(qiáng),具有穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),而精河縣和博樂市境內(nèi)雖有豐富的水資源,但境內(nèi)荒漠、戈壁、裸地等面積較大,導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為脆弱、敏感,抗干擾能力較弱；博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的響應(yīng)子系統(tǒng)表現(xiàn)為：行政中心壓力子系統(tǒng)處于Ⅰ級,而其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)則多處于Ⅲ級和Ⅳ級,表明行政中心對生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的政策和措施,具有高效的執(zhí)行力,并取得了良好反饋,而非行政中心受其地緣關(guān)系影響,對相關(guān)政策、措施的執(zhí)行效率較低,反饋較弱。

表4 博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全狀況

表示改善,表示惡化,—表示不變

圖2 博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全指數(shù)示意圖Fig.2 Sketch map of land ecological security index of township in Bortala

就博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的LES變化信號而言,博樂市的城區(qū)街道、精河鎮(zhèn)、博格達(dá)爾鎮(zhèn)和貝林哈日莫墩鄉(xiāng)有所改善,達(dá)勒特鎮(zhèn)變化不顯著外,但其他各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的LES狀況均有所惡化。與此同時,2014年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的壓力子系統(tǒng)均有所改善,表明人類對環(huán)境、資源施加的壓力有所減小,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所改善,比如：各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人均糧食產(chǎn)量均有一定的提升,單位耕地的化肥使用量有所減少等；博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的狀態(tài)子系統(tǒng)則表現(xiàn)為：溫泉縣所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)、小營盤鎮(zhèn)、烏圖布拉格鎮(zhèn)、青得里鄉(xiāng)、大河沿子鎮(zhèn)和茫丁鄉(xiāng)惡化程度較大,其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)則是小幅改善,其主要原因是：區(qū)域植被NDVI普遍下降、森林覆蓋率降低、香農(nóng)多樣性指數(shù)減小、區(qū)域景觀破碎化度增加,狀態(tài)子系統(tǒng)惡化最嚴(yán)重的哈日布乎鎮(zhèn),其區(qū)域NDVI水平由0.42下降至0.38,森林覆蓋率由23.00%減少至19.80%,香農(nóng)多樣性指數(shù)由1.34下降至1.28,破碎化程度由0.21個/hm2增加至0.30個/hm2；博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的響應(yīng)子系統(tǒng)表現(xiàn)為：多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)響應(yīng)子系統(tǒng)變化不顯著,但托里鄉(xiāng)響應(yīng)子系統(tǒng)惡化較為嚴(yán)重,由0.56下降至0.45,其主要原因是托里鄉(xiāng)的耕地面積比重由7.49%上升至14.34%,嚴(yán)重影響到了區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,而其第三產(chǎn)業(yè)比重由15.54%下降至12.03%也是其響應(yīng)子系統(tǒng)惡化的另一原因?？傊?受狀態(tài)子系統(tǒng)惡化及響應(yīng)子系統(tǒng)響應(yīng)不到位的影響,博州多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的LES狀況呈惡化現(xiàn)象,而行政中心受益于高效的響應(yīng)子系統(tǒng),城區(qū)街道、精河鎮(zhèn)和博格達(dá)爾鎮(zhèn)的LES有所改善。

3.2 博州土地生態(tài)安全時空格局分析

為展布鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)部土地生態(tài)安全的空間差異,根據(jù)公式(3)將標(biāo)準(zhǔn)化后的圖層在ArcGIS中疊加計算,求得博州2011年和2014年的LES(圖3),并通過ArcGIS對博州2011年和2014年的LES作轉(zhuǎn)移矩陣分析,見表5。

圖3 博州土地生態(tài)安全指數(shù)空間格局Fig.3 Spatial pattern of land ecological security index in Bortala

年份Year土地生態(tài)安全等級Landecologicalsecuritylevel2011ⅠⅡⅢⅣⅤ合計Total2014Ⅰ1125.9690.6078.9433.920.111329.55Ⅱ754.721319.99400.58336.6412.702824.63Ⅲ301.79843.421819.73746.55147.993859.47Ⅳ125.29736.122555.336076.391356.5310849.65Ⅴ0.6442.09658.241102.984171.035974.98合計Total2308.343032.225512.828296.475688.36

在空間上,土地生態(tài)安全分布格局極不平衡,Ⅰ級和Ⅱ級區(qū)域主要為艾比湖、賽里木湖、精河綠洲及溫泉北部的阿拉套山脈,Ⅲ級區(qū)域主要分布在綠洲-荒漠交錯帶,Ⅳ級和Ⅴ級區(qū)域主要集中在艾比湖東部和東南部的荒漠區(qū)域、精河綠洲西部的戈壁區(qū)域和南部及溫泉縣的西部。在2011年,除了研究區(qū)東部的托托鄉(xiāng)、茫丁鄉(xiāng)、精河鎮(zhèn)和托里鄉(xiāng)有大面積Ⅳ級和Ⅴ級區(qū)域外,其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)多處于Ⅱ級和Ⅲ級水平,賽里木湖和艾比湖的生態(tài)安全水平為最高(Ⅰ級)。至2014年,研究區(qū)東部地區(qū)不安全狀況有所改善,但Ⅳ級仍大范圍存在,尤其是研究區(qū)中西部,大面積Ⅱ級區(qū)域轉(zhuǎn)化為Ⅳ級區(qū)域,區(qū)域生態(tài)安全狀況明顯惡化。研究區(qū)中部的烏圖布拉格鎮(zhèn)、達(dá)勒特鎮(zhèn)、貝林哈日莫墩鄉(xiāng)和大河沿子鎮(zhèn)在2011年和2014年的LES變化較小,大多數(shù)面積處于Ⅱ級水平。

在時間上,博州LES面積呈三減兩增的趨勢,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級區(qū)域面積減小,Ⅳ、Ⅴ級區(qū)域面積增加。其中,2014年Ⅰ級區(qū)域面積較2011年縮減42.40%,縮減面積主要在艾比湖沿岸,并在2014年轉(zhuǎn)化為Ⅱ、Ⅲ級；Ⅱ級區(qū)域面積縮減6.85%,縮減區(qū)域主要發(fā)生在阿拉套山和博爾塔拉河周邊；Ⅲ級區(qū)域由2011年的5512.82 km2縮減至2014年的3859.47 km2,降幅達(dá)29.99%,縮減區(qū)域主要發(fā)生在綠洲-荒漠交錯帶、阿拉套山和天山支脈婆羅科努山,Ⅲ級向Ⅳ級轉(zhuǎn)化的面積最大,高達(dá)2555.33 km2,其主要原因是2014年山區(qū)的年均NDVI較低,植被長勢較差；Ⅴ級向Ⅳ級轉(zhuǎn)化1356.53 km2,主要是因為木特塔爾沙漠和旦達(dá)蓋沙漠周邊的土地生態(tài)安全背景狀況雖有所改善,但受阿拉套山北麓植被長勢差的影響,Ⅴ級面積由2011年的5688.36 km2增加到2014年5974.98 km2。自2011—2014年,仍有大范圍LES由高向低轉(zhuǎn)化,說明博州土地生態(tài)安全狀況惡化,區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所下降。

3.3 博州土地生態(tài)安全空間集聚特征

3.3.1 博州土地生態(tài)安全全局空間自相關(guān)

地理與生態(tài)現(xiàn)象常常表現(xiàn)出空間相關(guān)效應(yīng),而空間自相關(guān)分析方法可解釋單位屬性或現(xiàn)象的空間依賴關(guān)系。因此,通過軟件GeoDA對博州LES進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析,得出2011年和2014博州土地生態(tài)安全的Moran′s I指數(shù)分別為0.5990和0.6763,表明博州土地生態(tài)安全在空間上有較強(qiáng)的正相關(guān)。為了區(qū)分每一區(qū)域與其周邊區(qū)域LES的相互關(guān)系,運(yùn)用GeoDA根據(jù)博州LES空間數(shù)據(jù),建立基于空間距離關(guān)系的權(quán)重矩陣,并繪制Moran散點圖(圖4)。Moran散點圖由4個象限組成,分別為“高-高”空間關(guān)聯(lián)區(qū)(H-H),表明在這個區(qū)域內(nèi)的點和其空間分布附近的區(qū)域LES都較高,多為Ⅰ級、Ⅱ級；“低-低”空間關(guān)聯(lián)區(qū)(L-L),表明在這個區(qū)域內(nèi)的點和其空間分布附近的區(qū)域LES都較低,多為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級；“低-高”空間關(guān)聯(lián)區(qū) (L-H),表明該區(qū)域LES低于周圍區(qū)域；而“高-低”空間關(guān)聯(lián)區(qū) (H-L),則表明該區(qū)域LES高于周圍區(qū)域。H-H區(qū)和L-L區(qū)的LES的空間單元具有均質(zhì)性,即可稱該區(qū)域在空間上具有較強(qiáng)的空間正相關(guān)性。而在L-H區(qū)和H-L區(qū)的LES的空間單元則具有異質(zhì)性,則表示該區(qū)域存在較強(qiáng)的空間負(fù)相關(guān)。由圖4可知,2011年和2014年的博州LES主要集中在H-H區(qū)和L-L區(qū),在H-L區(qū)和L-H區(qū)的相對較少,表明博州2011年和2014年的土地生態(tài)安全均具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性,空間聚集格局顯著。

圖4 Moran 散點圖Fig.4 Moran scatter plot

3.3.2 博州土地生態(tài)安全局域空間自相關(guān)

為了更直觀地研究博州土地生態(tài)安全空間布局狀況,利用GeoDa生成2011年和2014年博州LES在95%置信度下LISA空間集聚圖(圖5)。

圖5 博州土地生態(tài)安全局部空間自相關(guān)集聚圖Fig.5 The cluster graph of local spatial autocorrelation in Bortala

由圖5知,2011年和2014年的博州LES的分布并非完全隨機(jī)性,而是表現(xiàn)出空間相似值之間的空間聚集,呈現(xiàn)高、低值集聚的特點；2011年和2014年博州均有大面積的H-H區(qū)和L-L區(qū),而H-L區(qū)和L-H僅有少面積分布在H-H區(qū)和L-L區(qū)周圍,與此同時,空間局部自相關(guān)不顯著的區(qū)域則主要分布在博州南部和西部,主要在溫泉縣大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、博樂市的青得里鄉(xiāng)和精河縣的大河沿子鎮(zhèn)。其中,2011年博州LES的H-H區(qū)主要分布在博州東部的托里鄉(xiāng)北部、大河沿子鎮(zhèn)北部、艾比湖,博州南部的賽里木湖,北部的阿拉套山和南部山區(qū)也有小面積H-H區(qū)；同時有較大面積的L-L區(qū)分布在博州東部的托托鄉(xiāng)、茫丁鄉(xiāng)、托里鄉(xiāng)南部,博州中部的青得里鄉(xiāng)、貝林哈日莫墩鄉(xiāng),而西部則是扎勒木特鄉(xiāng)部分區(qū)域。2014年博州LES集群格局較2011年發(fā)生了明顯變化,中部H-H區(qū)向周圍擴(kuò)散,小營盤鎮(zhèn)、塔秀鄉(xiāng)和哈日布乎鎮(zhèn)三鄉(xiāng)交界處,H-H區(qū)面積擴(kuò)張,但艾比湖區(qū)域的H-H區(qū)面積縮減；博州北部的貝林哈日莫墩鄉(xiāng)和達(dá)勒特鎮(zhèn)交界、扎勒木特鄉(xiāng)的L-L區(qū)面積減小,而博州東部的茫丁鄉(xiāng)L-L區(qū)朝南擴(kuò)張。表明隨著“生態(tài)文明”建設(shè)的實施,博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)開始重視生態(tài)建設(shè),區(qū)域LES狀況得到改善,高值區(qū)對周圍的低值區(qū)有積極的影響。

總之,博州LES具有明顯地域性分布的特征,L-L區(qū)主要集中在博州東部地區(qū),多為生態(tài)系統(tǒng)較單一的荒漠、戈壁區(qū)域；H-H區(qū)主要集中在綠洲區(qū)域和湖區(qū),而博河河谷兩側(cè)山區(qū)相對較少。LES的H-H區(qū),往往是土地系統(tǒng)可保障生命體適宜生存的區(qū)域,而LES的L-L區(qū)的土地系統(tǒng)則過于單一。

4 討論

鄉(xiāng)鎮(zhèn)壓力子系統(tǒng)和狀態(tài)子系統(tǒng)的安全程度明顯高于響應(yīng)子系統(tǒng),說明博州鄉(xiāng)鎮(zhèn)響應(yīng)程度較低,尤其是博樂市和精河縣,主要原因在于博州不同區(qū)域地理環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異較大,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高相對于經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)更具環(huán)境保護(hù)意識、且土地集約利用程度較高,導(dǎo)致鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全的非均衡程度更高。但高度的土地集約利用,是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)壓力過大、生態(tài)結(jié)構(gòu)脆弱的主要原因。鄉(xiāng)鎮(zhèn)狀態(tài)子系統(tǒng)的安全狀況仍不容樂觀,主要原因是博州地處干旱區(qū),生態(tài)結(jié)構(gòu)脆弱、單一,易受NDVI、景觀指數(shù)等敏感指標(biāo)的影響。本文優(yōu)化選擇了25個指標(biāo)構(gòu)建博州土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系,其中,敏感指標(biāo)為NDVI、香農(nóng)多樣性指數(shù)、景觀破碎度、荒漠化率、土地利用類型等,隨著研究區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的惡化,NDVI水平下降、香農(nóng)多樣性指數(shù)減小、景觀破碎度增大、林草地和耕地退化、水域萎縮,區(qū)域生態(tài)環(huán)境面臨嚴(yán)峻考驗,但在敏感指標(biāo)中的荒漠化率僅為0.06%,相較于大幅惡化的生態(tài)環(huán)境,荒漠化率的自然響應(yīng)不顯著,其主要原因是受生境惡化影響,茂密植被區(qū)轉(zhuǎn)化為稀疏植被區(qū)域,而Landsat數(shù)據(jù)無法有效得分離稀疏植被區(qū)與裸地。另外,指標(biāo)體系中僅有水網(wǎng)密度和灌溉比率用于直觀描述博州水資源狀況,難以揭示下游荒漠地帶生態(tài)惡化的原因,但綜合考慮到博州境內(nèi)水資源主要源自冰川融水,其次是自然降水,在耕地面積持續(xù)增加、農(nóng)業(yè)用水量增加的情況下,博州人口密度小、工業(yè)不發(fā)達(dá)、第一產(chǎn)業(yè)比重大,表明該地區(qū)中上游農(nóng)業(yè)用水過度是造成下游生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因。同時,受限于不同區(qū)域灌溉用水量資料難以獲取,難以針對中上游農(nóng)業(yè)用水量多寡對下游生態(tài)環(huán)境的影響程度做出定量分析。

博州土地生態(tài)安全的時空分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,綠洲區(qū)域、湖區(qū)及博河河谷兩側(cè)山區(qū)多為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級,以精河綠洲、賽里木湖、艾比湖和阿拉套山最為突出；而生態(tài)系統(tǒng)較單一的荒漠、戈壁區(qū)域多為Ⅳ級、Ⅴ級,如木特塔爾沙漠和旦達(dá)蓋沙漠[23]。但隨著木特塔爾國家沙漠公園的開發(fā)及旦達(dá)蓋沙漠旅游區(qū)的籌備,沙漠旅游區(qū)已為當(dāng)?shù)貛戆l(fā)展機(jī)遇；而控制沙漠區(qū)域向外擴(kuò)張的速率,積極發(fā)展沙漠旅游區(qū),不僅可避免周圍區(qū)域土壤的退化,亦可為當(dāng)?shù)貛斫?jīng)濟(jì)價值,是一種可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。與此同時,艾比湖濕地國家自然保護(hù)區(qū)和甘家湖白梭梭林自然保護(hù)區(qū)亦是Ⅲ級、Ⅳ級,保護(hù)區(qū)境內(nèi)的土壤因受其海拔及干旱區(qū)強(qiáng)蒸騰影響,導(dǎo)致艾比湖周邊存在大片鹽漬地；雖然鹽漬地的存在導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)多樣性減小,但鹽漬地表層的鹽殼可有效阻礙水土流失、風(fēng)蝕及沙丘的移動,間接而有效得保護(hù)了周邊的生態(tài)環(huán)境[30]。

2012年底,我國通過“十八大”開始大力推進(jìn)“生態(tài)文明”建設(shè),博州城鎮(zhèn)土地集約化、城市化水平提高,第三產(chǎn)業(yè)比重增加、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)重心由第一產(chǎn)業(yè)逐漸向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,科技水平提升、單位土地機(jī)械化水平提高,路網(wǎng)密度增加、區(qū)域資源交互流通性增強(qiáng),單位耕地農(nóng)藥量、地膜使用量減少,2014年博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地生態(tài)安全社會響應(yīng)均優(yōu)于2011年,說明博州政府很好得踐行了“生態(tài)文明”的戰(zhàn)略決策,提高了區(qū)域土地生態(tài)安全的響應(yīng)能力、減輕了區(qū)域土地的生態(tài)壓力。雖然2014年博州土地生態(tài)安全響應(yīng)子系統(tǒng)和狀態(tài)子系統(tǒng)均優(yōu)于2011年,但2014年博州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全壓力子系統(tǒng)呈惡化現(xiàn)象,其主要原因是博州地處我國西北干旱生態(tài)脆弱地區(qū),氣候條件較為惡劣,土地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性低,2014年受區(qū)域降水量少、耕地用水量增加、綠洲-荒漠交錯區(qū)鹽漬化現(xiàn)象加重,同時,山區(qū)林草地景觀破碎化加劇,這些現(xiàn)象是導(dǎo)致博州2014年LES下降的主要原因,脆弱的自然條件為博州提高自身土地生態(tài)安全程度增加了難度[1,8,21]。其次,非行政中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)受限于政策執(zhí)行力度、資源分配等問題,社會響應(yīng)提升有限。雖然社會經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化發(fā)展提高了區(qū)域LES,但受限于干旱區(qū)的土地生態(tài)結(jié)構(gòu)處于較低水平,博州土地生態(tài)安全整體狀況仍亟待改善。在社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時,應(yīng)著重于生態(tài)文明建設(shè),保護(hù)土地生態(tài)環(huán)境,從而保障區(qū)域土地生態(tài)安全狀況。因此,建議行政中心所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)應(yīng)通過發(fā)展高集約化、多功能生態(tài)產(chǎn)業(yè),滿足都市人群需求；其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)在結(jié)合自身實際情況,堅持生態(tài)優(yōu)先,結(jié)合各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)空間功能的差異性以及各區(qū)域特色,因地制宜的調(diào)整各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)格局；而小營盤鎮(zhèn)、茫丁鄉(xiāng)水源涵養(yǎng)區(qū)和托托鄉(xiāng)的生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū),要深入挖掘本地區(qū)的資源優(yōu)勢,發(fā)展生態(tài)旅游業(yè)和沙漠生態(tài)特色農(nóng)業(yè)。

5 結(jié)論

P-S-R框架模型是目前評估區(qū)域土地生態(tài)安全變化最為廣泛的方法之一,然而在評估社會-經(jīng)濟(jì)-土地生態(tài)背景結(jié)合下鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度土地生態(tài)安全研究相對較少。本文嘗試在綜合考慮各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況及區(qū)域土地的基本生態(tài)狀況,從鄉(xiāng)鎮(zhèn)級土地生態(tài)安全評價視角出發(fā),得出如下結(jié)論：

(1) 博州大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地生態(tài)安全狀況處于臨界安全水平,僅小營盤鎮(zhèn)、安格里鄉(xiāng)和查干屯格鄉(xiāng)等達(dá)到了較安全水平,而托托鄉(xiāng)則處于較不安全水平。2011—2014年,除博樂市的城區(qū)街道、精河鎮(zhèn)、博格達(dá)爾鎮(zhèn)和貝林哈日莫墩鄉(xiāng)的土地生態(tài)安全狀況有所改善,其他各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有所惡化。

(2) 博州土地生態(tài)安全狀況惡化區(qū)域的主要問題是植被群落長勢差、生態(tài)環(huán)境惡化、人類社會面對脆弱環(huán)境的響應(yīng)措施效果差,而改善區(qū)域的主要原因是人們高效的環(huán)境保護(hù)措施、社會對生態(tài)環(huán)境施加的壓力減少。

(3) 博州土地生態(tài)安全狀況具有明顯地域性分布的特征,低值區(qū)多集中于博州東部地區(qū),多為生態(tài)系統(tǒng)較單一的荒漠、戈壁區(qū)域；高值區(qū)多集中綠洲區(qū)域和湖區(qū),而博河河谷兩側(cè)山區(qū)相對較少。

總之,研究結(jié)果較客觀地反映了博州土地生態(tài)安全變化的特征,評價結(jié)果基本符合博州鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展的實際, 體現(xiàn)了P-S-R指標(biāo)體系在評估鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全的可行性,突出了所選指標(biāo)的敏感性和重要性,可為區(qū)域生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)推進(jìn)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。同時,受限于鄉(xiāng)鎮(zhèn)資料的獲取難度,構(gòu)建的指標(biāo)體系有待進(jìn)一步完善。

致謝：感謝美國孟菲斯大學(xué)地球科學(xué)系Hsiang-te KUNG教授,澳大利亞CSIRO水土資源研究所陳蕓研究員對寫作的幫助。

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Spatial-temporalpatternoflandecologicalsecurityatatownshipscaleinthebortalamongolianautonomousprefecture

YU Haiyang1,2, ZHANG Fei1,2,3,*, CAO Lei1,2, WANG Juan1,2, YANG Shengtian1,4

1CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China2KeyLaboratoryofOasisEcology,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China3KeyLaboratoryofXinjiangWisdomCityandEnvironmentModeling,Urumqi830046,China4CollegeofGeographyandRemoteSensingScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Regional land ecosystem is facing deterioration from the rapid growth of urbanization. In order to promote sustainable development of the land ecosystem, it is necessary that we evaluate regional land ecological security. Many researchers have studied and evaluated for regional land ecological security; however, most of the evaluation was based on watershed and county scale, and few researches focused on the township scale. In this study, Bortala Mongolian Autonomous Prefecture (i.e. Bortala) in Xinjiang Uygur Automous region was taken as study area, and Remote Sensing (RS), Geographical Information System (GIS), and Global Position System (GPS) technologies were adopted to analyze temporal and spatial perspectives of land ecological security in Bortala. On the basis of the natural geographic features and socio-economic situation of Bortala, we constructed the pressure-state-response (P-S-R) land ecological security evaluation model (township scale) in Bortala. Based on the two period′s data of statistic yearbook and remote sensing in 2011 and 2014, we first constructed the index system, using 25 indices reflecting regional P-S-R. The entropy weight and analytic hierarchy process methods were used to determine the indices weight of Bortala P-S-R model. Finally, the land ecological security index of Bortala was calculated with the data obtained from the P-S-R model by GIS Grid. The results show that: (1) The land ecological security index had deteriorated from 2011 to 2014 in Bortala. Between 2011 and 2014, 2555.33 km2of level III (grade of security) transferred to level IV, which deteriorated areas mainly concentrated in Wenquan County; 1356.53 km2of level V transferred to level IV, which improved areas concentrated in the Mangding town and Tuotuo town of Jinghe County. (2) The land ecological security index of most towns was at level III in Bortala, which respected the ecological structure of these towns were not stable. (3) The spatial difference of land ecological security index was obvious in Bortala, the worst places were located in the eastern desert, and the best places were concentrated in the central oasis and lake. The evaluation results and major environment problems may help the local government finding inappropriate and inadequate for Bortala development. Bortala Prefecture is a drought-prone and ecologically vulnerable region in the Northwest region. Temporary land use regulation cannot guarantee long-term regional ecological balance and security. In this study, we recommend increased attention on regional ecological protection and sustainable development for villages and towns.

township scale; land ecological security; P-S-R model; Bortala Mongolian Autonomous Prefecture

新疆維吾爾自治區(qū)青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)工程項目(2013731002)；國家自然科學(xué)基金項目(41361045，41130531)；新疆綠洲生態(tài)(教育部省部共建)重點實驗室開放課題(XJDX0201- 2012-01)

2016- 07- 08; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 05- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangfei3s@163.com

10.5846/stxb201607081406

于海洋,張飛,曹雷,王娟,楊勝天.基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的土地生態(tài)安全時空格局評價研究——以博爾塔拉蒙古自治州為例.生態(tài)學(xué)報,2017,37(19):6355- 6369.

Yu H Y, Zhang F, Cao L, Wang J, Yang S T.Spatial-temporal pattern of land ecological security at a township scale in the bortala mongolian autonomous prefecture.Acta Ecologica Sinica,2017,37(19):6355- 6369.