新疆渭干-庫車河流域土地利用變化空間耦合及其生態(tài)效應(yīng)

侯一峰，汪 洋，張 帥

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆草地資源與生態(tài)重點實驗室，烏魯木齊 830052）

0 引 言

【研究意義】土地利用/覆蓋變化與全球的氣候演變、生物多樣性降低、生態(tài)環(huán)境發(fā)展以及人類與自然之間相互影響等緊密相關(guān)，被認(rèn)為是全球環(huán)境變化的主要原因之一[1]。自20世紀(jì)90年代以來，渭干-庫車河流域的水土資源和綠洲面積不斷擴(kuò)大，水資源壓力的增加導(dǎo)致生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的矛盾日益尖銳，嚴(yán)重阻礙了社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效應(yīng)的健康發(fā)展[2]。渭干河-庫車河流域?qū)儆谏鷳B(tài)環(huán)境變化的敏感區(qū)域[3]，由于受氣候變化和當(dāng)?shù)厝祟惢顒訌姸燃哟蟮挠绊?，土地利用變化主要集中在耕地面積的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致新疆自然災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重，直接威脅流域生態(tài)環(huán)境安全[4]。因此，研究渭干-庫車河流域的土地利用變化對其生態(tài)環(huán)境的保護(hù)以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義?！狙芯窟M(jìn)展】流域土地利用變化及其生態(tài)效應(yīng)的耦合問題已成為綠洲土地利用變化研究的新命題[5]，在地理學(xué)中采用耦合視角來闡述不同土地類型、水土資源和人類與自然之間復(fù)雜的相互依存、相互發(fā)展、相互影響并趨于協(xié)調(diào)統(tǒng)一的現(xiàn)象或過程[6]。因此，茲從耦合視角出發(fā)，探討渭干-庫車河流域土地利用變化的時空耦合關(guān)系，有助于揭示流域內(nèi)不同土地類型在某一時期的變化趨勢，促進(jìn)流域內(nèi)水土資源協(xié)調(diào)發(fā)展，緩解人地關(guān)系之間的矛盾[7]。土地利用變化作為當(dāng)今全球變化研究的重點內(nèi)容之一，在過去的20 a中，已從全球氣候變化影響擴(kuò)展到不同規(guī)模的土地利用，土地覆蓋變化過程，驅(qū)動機制和資源影響，生態(tài)和環(huán)境影響等[8]；以及生態(tài)服務(wù)價值變化[9]，土壤侵蝕及防治[10]等方面對干旱區(qū)土地利用及其影響進(jìn)行分析。土地利用變化現(xiàn)象落實到具體區(qū)域上，便會表現(xiàn)出不同的區(qū)域特點[11]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)對區(qū)域土地利用變化進(jìn)行了大量研究[12-13]?！厩腥朦c】干旱區(qū)水土資源開發(fā)與生態(tài)安全之間有著密切的關(guān)系，水是連接山地、綠洲、荒漠三大生態(tài)系統(tǒng)、維系生態(tài)安全的重要因子，綠洲作為重要的組成部分，具有自己獨特的進(jìn)化過程和趨勢[14]。本文從綠洲與荒漠系統(tǒng)耦合來探討渭干-庫車河流域土地利用變化及其生態(tài)效應(yīng)，對其生產(chǎn)與生態(tài)、土地利用與覆被變化的關(guān)系進(jìn)行分析與解讀?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選取2001—2014年TM遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)對渭干-庫車河流域土地利用變化進(jìn)行解譯，針對流域內(nèi)各土地利用的時空變化、綠洲穩(wěn)定性和生態(tài)服務(wù)價值等科學(xué)問題進(jìn)行分析，為干旱區(qū)土地資源利用與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渭干-庫車河流域位于天山南麓，塔里木盆地的北緣，地理坐標(biāo)為81°28′—84°05′E，39°29′—42°38′N，流域總面積約523.76×104hm2，占新疆總面積的3.16%[15]。阿克蘇地區(qū)行政管轄范圍包括拜城、溫宿、庫車、沙雅和新和縣，是阿克蘇地區(qū)最大的灌溉區(qū)。流域內(nèi)干旱少雨、氣候特殊，生態(tài)環(huán)境愈發(fā)脆弱，因此其生態(tài)區(qū)位優(yōu)勢也非常重要，屬于敏感的生態(tài)環(huán)境區(qū)域（圖1）。

圖1 研究區(qū)概況 Fig.1 Sketch map of study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)是從美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http://earthexplorer.usgs.gov/)下載，選取的是1990 年、2000年和2014年8月的空間分辨率為30 m的Landsat TM 遙感數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)來源于《新疆輝煌50 年》和《新疆統(tǒng)計年鑒》（1990—2014）。

2.2 精度驗證

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要采用混淆矩陣的方法來評估遙感解譯的準(zhǔn)確性。根據(jù)2014年的綠洲信息，該研究提取了該領(lǐng)域的150個隨機點，以驗證混淆矩陣。這些隨機單位包括耕地，林地，草地，建設(shè)用地，水域，冰川和未利用的土地；根據(jù)實地調(diào)查結(jié)果和Google Earth的高分辨率圖像，驗證了研究區(qū)域內(nèi)的土地類型。結(jié)果表明，研究區(qū)耕地分類準(zhǔn)確率達(dá)到81.2%。草地分類精度為83.6%，建設(shè)用地和水體分類精度分別為80.4%和84.7%。未利用地精度達(dá)到81.7%，林地為82.5%，冰川為83.6%，Kappa系數(shù)為0.86，符合研究要求。

2.3 土地利用動態(tài)度

該指標(biāo)可以定量描述研究區(qū)某一時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化率，對預(yù)測未來土地變化趨勢起到積極作用[16-17]，公式為：

式中：K為某一土地類型在研究期間內(nèi)的動態(tài)變化程度；Ua、Ub分別為研究時期開始與結(jié)束時該土地利用類型的面積；T為研究時間的長度。

2.4 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與均衡度

信息熵水平可以反映土地結(jié)構(gòu)均衡程度[18]，信息熵值越高，表明土地利用的有序程度越低；反之，有序程度越高，公式為：

由于不同土地類型在不同發(fā)展階段的信息熵缺乏全面的可比性[19]，則引入土地利用結(jié)構(gòu)均衡度（E）。土地利用結(jié)構(gòu)均衡度基于信息熵函數(shù)，作為衡量土地利用結(jié)構(gòu)的均衡性，公式為：

式中：m、Pi分別表示土地利用類型數(shù)、第i類土地利用類型的面積比例。

2.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值測評

在評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值時，一些學(xué)者將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)、食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)和娛樂文化等9 項服務(wù)功能，建立了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)[20]。根據(jù)研究區(qū)實際情況，本文利用Costanza 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值公式，參考中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)，計算渭干-庫車河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值（元）；Ak為第k種景觀類型的分別面積（hm2）；VCk為第k種景觀類型的生態(tài)價值系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 渭干-庫車河流域土地利用/覆被變化

3.1.1 土地利用/覆被變化

1990—2014 年，渭干-庫車河流域土地利用發(fā)生顯著變化（圖2）。主要表現(xiàn)為耕地和未利用地面積的持續(xù)增加以及草地面積的不斷減少。25 a 間新增耕地面積1 755.87 km2，增長率達(dá)53.10%，主要集中于渭干-庫車河流域的中、下游，其中大部分集中于庫車河的下游，小部分集中于渭干河的中游部分；未利用地面積增加了14.64%，在渭干河上游和庫車河下游增加十分明顯；草地以255.70 km2/a 的速度減少，減少了近23.44%，大部分草地面積減少集中于庫車河中、下游，渭干河中游也有小部分草地面積減少；冰川面積減少了54.25%，主要集中于渭干河上游；建設(shè)用地面積減少了7.77 %；林地面積有所增加，增幅為 8.81%，主要集中在渭干-庫車河上游。自1990—2014 年以來，研究區(qū)不同土地利用/覆蓋類型的等級保持不變，表現(xiàn)出未利用地>草地>耕地>林地>建設(shè)用地。

圖2 1990—2014 渭干-庫車河流域土地利用變化 Fig.2 Land uses in the Weigan-Kuqa Rivers Basin from 1990 to 2014

3.1.2 土地利用動態(tài)度

1990—2014 年渭干-庫車河流域各類型土地利用情況發(fā)生了明顯變化（表1）。其中，1990—2000年間，研究區(qū)耕地土地利用動態(tài)度為0.54%，表明耕地的土地利用類型呈擴(kuò)張趨勢；林地和建設(shè)用地出現(xiàn)負(fù)動態(tài)度值，反映了1990—2014 年林地和建設(shè)用地面積的減少，其中林地面積減少最為明顯，草地和未利用地面積變化幅度不大；水體的動態(tài)度為0.23%，表明水體面積呈增長趨勢，由于高山積雪消融加速，使渭干-庫車河流域的水體面積增加。2000—2014 年，除耕地和水體面積持續(xù)增加外，林地的面積增加顯著，動態(tài)度為1.01%；草地土地利用面積有了明顯減少，動態(tài)度為-1.64%；冰川的動態(tài)度為-3.88%，呈現(xiàn)出明顯減少趨勢，15 a 來減少了1 036.70 km2，水體土地利用面積呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)張趨勢，動態(tài)度為4.84%；這主要是由于全球變暖，研究區(qū)在2000—2014 年期間平均溫度增加了1.3 ℃，氣溫升高導(dǎo)致山上的積雪加速融化，水體面積不斷增加，再加上渭干-庫車河流域的中、下游耕地面積不斷擴(kuò)大，灌溉用水量不斷增多所導(dǎo)致。耕地面積在這15 a間明顯增加，達(dá)到3.23%，耕地面積增加的主要原因是20 世紀(jì)90 年代以來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的大力調(diào)整，以大面積種植棉花取代種植糧食作物，而2000 年以后國家先后減免農(nóng)業(yè)稅再加上糧食和棉花價格的持續(xù)攀升造成耕地面積的快速增加[21]，隨著城市化建設(shè)的進(jìn)行，建設(shè)用地動態(tài)度減小趨勢相比前10 年有所降低，為-0.19%；2000—2014 年林地動態(tài)度為1.01%，比前10 年的-0.46%有所增加，充分說明以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心的造林政策在該地區(qū)范圍內(nèi)得到了很好的貫徹和實施。施肥和農(nóng)業(yè)使用的不合理以及灌溉技術(shù)的不恰當(dāng)運用，導(dǎo)致研究區(qū)未利用地面積增加，其動態(tài)度為1.05%。

表1 1990—2014 年渭干-庫車河流域土地利用動態(tài) Table 1 Land use dynamic index of Weigan-Kuqa Rivers Basin during 1990—2014 km2

表2 1990—2014 年土地類型轉(zhuǎn)移矩陣 Table 2 Nature of the land cover changes from 1990—2014

3.2 土地利用空間耦合

3.2.1 土地利用類型轉(zhuǎn)化

由1990—2014 年渭干-庫車河流域轉(zhuǎn)移矩陣可以看出（表2），25 a 來研究區(qū)土地利用/土地覆被格局變化明顯，各土地類型間的面積轉(zhuǎn)化頻繁。對1990—2000年和2000—2014 年2 個時段的土地利用類型的時空變化情況分析可見：

1）1990—2000 年各土地類型轉(zhuǎn)化十分突出，草地面積的轉(zhuǎn)化非常劇烈。其中，雪冰的轉(zhuǎn)化比例很大，主要轉(zhuǎn)化為水體，是由于山上的積雪融化加快，導(dǎo)致渭干-庫車河流域水體面積增加，位于渭干-庫車河上游周圍的未利用地向草地轉(zhuǎn)化，草地的變化十分劇烈。耕地向水體和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化比例較小，其中向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化比例只占1990 年耕地面積的0.06%，建設(shè)用地則分別轉(zhuǎn)化為耕地和未利用地，其中向耕地轉(zhuǎn)化比例占1990 年建設(shè)用地面積的54.63%，耕地增加的來源依次是草地和未利用地，轉(zhuǎn)化比例分別為22.87%和20.57%；林地變化最為顯著，林地面積大幅減少，其中19.19%和24.35%轉(zhuǎn)化為草地和建設(shè)用地。

2）耕地擴(kuò)張主要發(fā)生在2000—2014 年，研究區(qū)耕地面積的6.38%和30.26%分別由草地和未利用地轉(zhuǎn)化而來。建設(shè)用地12.54%、21.51%和5.02%分別源于草地、冰川及未利用地，建設(shè)用地向耕地轉(zhuǎn)化發(fā)生在這一時期。林地面積的增加依次來源于草地、未利用地和耕地，分別占18.74%、6.59%和6.31%；在此期間，水體面積明顯減少，并且明顯轉(zhuǎn)化為其他土地類型。從轉(zhuǎn)移的角度來看，主要的特征是渭干-庫車河流域的草地退化轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫睾臀蠢玫叵蚋剞D(zhuǎn)化，2000—2014 年有7.07%的草地退化為未利用地，13.69%的林地轉(zhuǎn)化為耕地；渭干河中游耕地對林、草及未利用地的侵占與庫車河中下游林、草地退化同時發(fā)生，呈現(xiàn)出渭干河中游和庫車河中下游土地利用在時間和空間上的耦合。尤其表現(xiàn)在渭干河中游綠洲區(qū)未利用地轉(zhuǎn)化為耕地，體現(xiàn)出明顯的“人進(jìn)沙退”；可見，從1990—2014 年人類對綠洲大規(guī)模的開發(fā)是造成耕地與未利用地這種空間耦合的驅(qū)動因素之一。

3.2.2 流域穩(wěn)定性分析

依據(jù)渭干-庫車河流域1990 年、2000 年和2014年土地類型數(shù)據(jù)，結(jié)合式（2）和式（3）計算出用地信息熵和均衡度，并繪制信息熵和均衡趨勢（圖3）。

圖3 用地結(jié)構(gòu)信息熵與均衡度變化 Fig.3 Change of land use information entropy and equilibrium degree

可以看出，土地利用信息熵從1990—2000 年呈上升趨勢，表明土地利用系統(tǒng)在此期間沒有發(fā)生劇烈的變化；在2000—2014 年期間，土地利用信息熵迅速增加，表明在這期間土地利用系統(tǒng)的無序化劇烈變化，且有加速趨勢，耕地和草地面積的變化在這一過程中起著重要作用。均衡趨勢與信息熵相似，其數(shù)值從1990 年的0.698 上升到2000 年的0.702，2014 年增長至0.732，2000—2014 年間增長率為4.34%，表明渭干-庫車河流域的土地利用結(jié)構(gòu)變得均衡，各種土地面積分布的平衡程度得到了改善。因此，均衡性程度的增強與綠洲系統(tǒng)區(qū)域的不穩(wěn)定呈空間耦合。

3.3 土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)

3.3.1 綠洲生態(tài)服務(wù)功能下降

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指人類依賴于生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過程所形成的自然環(huán)境條件與效用[22]。根據(jù)研究區(qū)土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化，采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法評價渭干-庫車河流域的生態(tài)系統(tǒng)價值，結(jié)果表明，1990—2014 年，研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值下降了22.78×108元，下降19.78%。其中，原材料生產(chǎn)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)及生物多樣性保護(hù)等服務(wù)功能下降（表3）?？梢?，研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值下降，水資源的大量消耗并未實現(xiàn)區(qū)域“生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-水”的協(xié)調(diào)發(fā)展，反而導(dǎo)致綠洲生態(tài)服務(wù)功能下降。

表3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化 Table 3 Change of ecosystem service value 108 元

3.3.2 渭干-庫車河流域生態(tài)惡化

隨著全球變暖的加劇，氣溫升高導(dǎo)致冰雪加速融化，山區(qū)冰川儲量減少，徑流和降水的迅速增長[23]，由于研究區(qū)1990—2014 年期間氣溫以0.06 ℃/a 的速率升高，降水以1.09 mm/a 的速度增加，氣溫和降水量顯著升高，冰川面積明顯減少。然而，由于渭干-庫車河流域氣候非常干燥，蒸發(fā)強烈，生態(tài)環(huán)境敏感，農(nóng)作物生長依賴灌溉。水資源沒有得到充分利用并且越發(fā)短缺，使流域植被趨于退化。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，土地被人類不斷開墾利用，土壤鹽漬化逐漸變成流域生態(tài)環(huán)境面臨的重要問題，土壤鹽漬化阻礙著干旱區(qū)的發(fā)展，威脅流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性[24]。由于土地開墾后不科學(xué)的灌溉方式及過度開發(fā)地下水導(dǎo)致水資源緊缺，導(dǎo)致土壤鹽漬化問題加重，土壤肥力和耕地質(zhì)量也大大降低，從而抑制了作物的代謝及適應(yīng)性，致使農(nóng)作物產(chǎn)量減少的和植被大量死亡；促使原生物種大量消失，物種結(jié)構(gòu)高度簡化，生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性降低，加劇草地退化，甚至引發(fā)沙漠化問題，嚴(yán)重危害綠洲系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，對渭干-庫車河流域的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了巨大威脅。

此外，人口因素同樣影響著干旱區(qū)的土地利用/覆被變化。流域內(nèi)2014年人口達(dá)88.76萬人，與1990年相比，人口增加了24.84萬人，增長率為38.86%。伴隨著人口數(shù)量的增加，土地利用程度不斷提高，人口的迅速增長導(dǎo)致環(huán)境資源承載能力不足，使生態(tài)問題不斷加重，人們對土地資源過度開發(fā)和不合理使用，加劇了植被退化，增加了現(xiàn)有的土地壓力。

4 討 論

通過對遙感影像的解譯和處理，可以更好地分析研究區(qū)土地利用變化的空間分布格局，對整個研究區(qū)內(nèi)各個土地類型在時間和空間上的變化進(jìn)行不同角度下的研究。目前，對渭干庫車河流域的土地利用時空格局變化的分析已取得了一些成果，如王娟等[25]采用對1989、1998 年以及2013 年多期遙感影像進(jìn)行分類及統(tǒng)計，討論了土地利用變化對水文及生態(tài)特征產(chǎn)生的影響。康璇等[26]將1989—2013 年間的土地類型分為6 種景觀類型，通過計算研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進(jìn)為綠洲生態(tài)環(huán)境保護(hù)與管理提供參考。這些研究結(jié)果都表明渭干-庫車河流域的生態(tài)環(huán)境十分脆弱，并處于不斷惡化的階段。本文基于遙感數(shù)據(jù)獲得的土地利用數(shù)據(jù)，通過計算動態(tài)度和轉(zhuǎn)移矩陣，進(jìn)一步定量分析了1990—2014 年的土地利用變化，結(jié)合信息熵、均衡度和生態(tài)服務(wù)價值，發(fā)現(xiàn)渭干-庫車河流域生態(tài)價值呈下降狀態(tài)，結(jié)果與前人研究相符。

隨著社會的發(fā)展，人們生活質(zhì)量越來越高, 對生態(tài)系統(tǒng)的要求也在不斷提高,但是在某些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加的同時，某些服務(wù)功能的價值也有所下降。雖然當(dāng)?shù)氐母孛娣e在不斷增加，意味著經(jīng)濟(jì)也在快速發(fā)展，但是敏感的生態(tài)環(huán)境依然是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中不可忽略的重要問題。因此，在人口增長與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過程中，合理配置農(nóng)業(yè)用水量，避免水資源的浪費；在經(jīng)濟(jì)效益提高的同時更多的兼顧農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，通過有更加效的控制土壤鹽漬化，加快新型農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程。

5 結(jié) 論

1）1990—2014 年間，渭干-庫車河流域耕地變化率最大，增長率為53.10%，冰川面積減少最為顯著，25 a 減少了54.25%，草地以255.70 km2/a 的速度減少，減少了近23.44%。1990—2000 年，耕地和水體增長趨勢明顯，土地利用變化動態(tài)度分別為0.54%和0.23%；2000—2014 年，耕地、林地和未利用地均有所增加，動態(tài)度分別為3.23%、1.05%和1.01%。

2）渭干-庫車河流域耕地很大程度上由草地和未利用地轉(zhuǎn)換而來，在渭干河中游和庫車河下游區(qū)域最為明顯。渭干河中游對林、草及未利用地的侵占與庫車河中下游林、草地退化同時發(fā)生，呈現(xiàn)流域內(nèi)土地利用在時間和空間上的耦合。

3）渭干-庫車河流域信息熵和均衡度都呈現(xiàn)出先下降（1990—2000 年）后上升（2001—2014 年）的趨勢，耕地和草地面積的變化是影響這一結(jié)果的主要因素。

4）伴隨著人口數(shù)量的增加，土地利用程度不斷提高，綠洲的擴(kuò)張致使研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值下降，1990—2014 年來減少22.78×108元，下降19.78%。