干旱區(qū)生態(tài)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(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052 ; 2.干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qū)的面積占全疆的2.5%達(dá)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(qū)，在鄯善縣南部是面積1 880 km2庫(kù)木塔格沙漠區(qū)。

基本影像數(shù)據(jù)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(yùn)用ENVI4.8軟件對(duì)五期的影像做前期的基本處理，基于LUCC分類體系，結(jié)合鄯善縣的地表實(shí)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(jí)土地類型，經(jīng)過(guò)對(duì)比表明，目視解譯的最終數(shù)據(jù)滿足研究要求[16-20]。運(yùn)用ArcMap10.5軟件通過(guò)多空間疊置分析獲得研究期內(nèi)的土地利用空間變化圖，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析獲得土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，以此對(duì)研究區(qū)土地利用變化進(jìn)行分析。

1.2 方 法

1.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化

分析土地類型指數(shù)對(duì)土地利用變化。為了精準(zhǔn)分析土地類型之間變化，研究區(qū)土地利用類型變化的轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，選取2005-2015年的土地利用類型一級(jí)分類和二級(jí)分類的之間的轉(zhuǎn)換分析，林地、草地和水域?qū)ρ芯繀^(qū)生態(tài)起穩(wěn)定性作用，因此選取林地、草地和水域的二級(jí)分類土地利用類型。表1

表1 土地利用變化計(jì)算公式

1.2.2 生態(tài)彈性度

隨著互聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)大范圍的普及，雖然其為酒店創(chuàng)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(yè)價(jià)值、如何衡量使用社交媒體的營(yíng)銷價(jià)值，以及如何通過(guò)社交媒體提高自身的品牌價(jià)值，一直是酒店經(jīng)營(yíng)者需要面對(duì)的重要問(wèn)題。

生態(tài)彈性度是指生態(tài)系統(tǒng)抵抗外部干擾其內(nèi)部保持穩(wěn)定的能力[21]。生態(tài)彈性度與其穩(wěn)定性呈正相關(guān)的多樣性有關(guān)，使用香農(nóng)多樣性指數(shù)Hi，其計(jì)算公式如下：

Er為生態(tài)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(shù);n為地物數(shù)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(jù)土地覆被對(duì)生態(tài)環(huán)境的作用大小賦值。

1.2.3 土地利用生態(tài)價(jià)值

生態(tài)服務(wù)價(jià)值是指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)產(chǎn)生的利益；區(qū)域生態(tài)服務(wù)的價(jià)值會(huì)因?yàn)閰^(qū)域土地利用的生態(tài)進(jìn)程和服務(wù)間的相互作用產(chǎn)生影響。相對(duì)生態(tài)價(jià)值指數(shù)參照謝高地[22]等提出的“中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表”和劉川等[23]對(duì)新疆的生態(tài)價(jià)值當(dāng)量測(cè)定，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整確定評(píng)估。其具體計(jì)算公式如下：

EVi為生態(tài)價(jià)值指數(shù);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(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

利用馬爾可夫模型對(duì)鄯善縣的土地開(kāi)始動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，計(jì)算鄯善縣2005年到2015年土地覆被類型之間的轉(zhuǎn)移概率矩陣。選擇2005-2015年作為預(yù)測(cè)原數(shù)據(jù)，研究時(shí)點(diǎn)k取1(2005)，2(2015)，3(2025)。以k=1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、10 a為步長(zhǎng)，對(duì)土地覆被進(jìn)行多時(shí)段預(yù)測(cè)[24]。為確保Markov模型在對(duì)后期模擬準(zhǔn)確度，以2005年為基礎(chǔ)對(duì)2015年進(jìn)行模擬，2015年的模擬結(jié)果與2015年分析數(shù)據(jù)相一致。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用ENVI4.8軟件對(duì)五期的影像做前期的基本處理，基于LUCC分類體系，結(jié)合鄯善縣的地表實(shí)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(jí)土地類型，經(jīng)過(guò)對(duì)比表明，目視解譯的最終數(shù)據(jù)滿足研究要求[16-18]。運(yùn)用ArcMap10.5軟件通過(guò)多空間疊置分析獲得研究期內(nèi)的土地利用空間變化圖，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析獲得土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，以此對(duì)研究區(qū)土地利用變化進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用時(shí)空變化

研究表明，根據(jù)研究區(qū)1980～2015年的土地利用現(xiàn)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(chǎng)。建筑用地以鄯善縣為中點(diǎn)沿鐵路方向擴(kuò)散。研究區(qū)中部的耕地面積和草地面積互有轉(zhuǎn)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(shí)期研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖

根據(jù)鄯善縣的土地利用面積轉(zhuǎn)換，各土地覆蓋中未使用地所占總面積比例最大，均達(dá)90%以上。1980～2005年間林地面積呈持續(xù)增長(zhǎng)，由0.13%增至0.19%，增幅達(dá)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(zhǎng)，耕地面積呈對(duì)號(hào)“√”型的趨勢(shì)。建筑用地1980～2005年呈上升趨勢(shì)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(jí)分類中，鄯善縣南部的庫(kù)木塔格沙漠，面積達(dá)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(zhuǎn)化為草地和未使用地，草地面積前期波動(dòng)不大、后期增長(zhǎng)。建筑用地面積轉(zhuǎn)入量相對(duì)較小。2012年，全縣增加對(duì)水域治理和規(guī)劃修建水庫(kù)，其中包括二塘溝水庫(kù)和柯柯亞二庫(kù)的修建，對(duì)水域生態(tài)改善效果顯著。

土地利用程度指數(shù)后期增長(zhǎng)，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(shù)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(dòng)態(tài)變化中，五期數(shù)據(jù)的趨勢(shì)指數(shù)Ps變動(dòng)程度不一。耕地的Ps值在1990年之后轉(zhuǎn)入量增加，后期建筑用地增長(zhǎng)過(guò)度出現(xiàn)回落現(xiàn)象。草地和水體的土地利用類型趨勢(shì)指數(shù)在1990～2005年間均為負(fù)值，土地類型大量轉(zhuǎn)出。但在2005年到2015年間都有回升，水域的年均變化率達(dá)95.46%。林地變化趨勢(shì)指數(shù)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)基本處于穩(wěn)定增長(zhǎng)狀態(tài)。在研究期內(nèi)土地利用類型趨勢(shì)指數(shù)整體變化不大。草地覆被以1995年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，后期大量轉(zhuǎn)入。表3

表3 土地利用類型變化趨勢(shì)

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

表4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表5 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 生態(tài)彈性變化

研究表明，根據(jù)鄯善縣生態(tài)彈性強(qiáng)度的影響程度可分為4大類型。第1類為重要型，該類型對(duì)生態(tài)彈性度有重要影響作用，該類型的生態(tài)優(yōu)勢(shì)有利于生態(tài)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(duì)護(hù)理防止退化使研究區(qū)生態(tài)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(duì)生態(tài)彈性度起邊緣化效應(yīng)，由于人為因素占主導(dǎo)、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?yàn)槭苎芯繀^(qū)氣候環(huán)境影響，該類型對(duì)生態(tài)彈性度造成相應(yīng)負(fù)擔(dān)，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(tài)彈性分值

根據(jù)前文的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、利用地理數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng)，對(duì)文中圖列的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，對(duì)鄯善縣生態(tài)彈性分值進(jìn)行分類后制表，通過(guò)公式計(jì)算得到研究區(qū)五期數(shù)據(jù)中生態(tài)彈性度變化。分析得出：(1)1980～1995年生態(tài)彈性度增長(zhǎng)后穩(wěn)定下來(lái)，三期數(shù)據(jù)表現(xiàn)為1.49、1.51、1.51。該時(shí)期的生態(tài)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(duì)應(yīng)關(guān)系。(2)1995～2015研究區(qū)生態(tài)彈性度出現(xiàn)大幅度的增漲，從2005年到2015年增加相對(duì)明顯，在此期間內(nèi)鄯善縣生態(tài)環(huán)境抗干擾能力的增強(qiáng)，呈良好發(fā)展趨勢(shì)。(3)2005～2015年，生態(tài)彈性度增加較快的是由于高貢獻(xiàn)值的林地和草地面積變化。結(jié)合前文數(shù)據(jù)林地面積占比0.19%增長(zhǎng)0.2%、雖增長(zhǎng)相對(duì)較小，但草地面積占比擴(kuò)大到8.42%，總體上提高了生態(tài)彈性度。水域面積的增加，鄯善縣在2012年多處修建水庫(kù)，豐富了周邊生態(tài)環(huán)境。綜上所述、干旱區(qū)生態(tài)彈性力是可以反映出人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響。表6，表7

表7 鄯善縣生態(tài)彈性度

2.3 土地利用生態(tài)價(jià)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(tài)價(jià)值增長(zhǎng)1 379×104元。從表中可以發(fā)現(xiàn)土地生態(tài)價(jià)值的變化和土地利用類型面積的變化相互對(duì)應(yīng)，土地生態(tài)價(jià)值和生態(tài)彈性的年均變化幅度相對(duì)應(yīng)。各土地生態(tài)價(jià)值中未使用地所占基數(shù)最大，占總價(jià)值比率達(dá)到60%。1980～2005年間林地生態(tài)價(jià)值呈持續(xù)增長(zhǎng)，由247.69×104元增至353.89×104元，增幅達(dá)到42%，從2005年到2015年林地面積驟減導(dǎo)致林地生態(tài)價(jià)值下降到187.12×104元。1995～2015年期間耕地土地生態(tài)價(jià)值逐年增長(zhǎng)，增幅達(dá)到35%。建設(shè)用地是人類活動(dòng)最為強(qiáng)烈的地方，所具有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能主要是對(duì)生態(tài)環(huán)境負(fù)向影響，建筑用地1980～2005年生態(tài)價(jià)值負(fù)向上升。水域生態(tài)價(jià)值由2005年3.28×104元增加到2015年的35.47×104元，可以表現(xiàn)出當(dāng)?shù)貙?duì)水資源保護(hù)有所提高。表8

表8 鄯善縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

2.4 土地利用動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

(1)2015～2025年土地類型面積以轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)同比例減少。(2)2015～2025年土地類型面積以轉(zhuǎn)入為主：耕地、林地和草地面積變化與2005～2015年數(shù)據(jù)同比增加。建筑用地面積的增長(zhǎng)幅度較大。表9

表9 運(yùn)用Markov模型預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化

3 討 論

以鄯善縣作為研究區(qū)域，利用遙感和地理信息技術(shù)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究對(duì)鄯善縣1980～2015年近35年間土地利用進(jìn)行了初步分析。首次結(jié)合生態(tài)彈性度，生態(tài)服務(wù)價(jià)值和土地利用動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)三個(gè)方面，對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行分析，并采用一、二級(jí)土地利用類型交叉轉(zhuǎn)換補(bǔ)充說(shuō)明土地轉(zhuǎn)換形態(tài)。從數(shù)據(jù)分析可以看出，一級(jí)土地類型中林地面積和未利用地面積呈下降趨勢(shì)，其他土地類型面積呈上升趨勢(shì)，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(fā)展與人口的增長(zhǎng)，導(dǎo)致糧食和居住環(huán)境的需求。(2)水域土地類型的改善與當(dāng)?shù)氐乃ㄔO(shè)密切相關(guān)，2012年修建的兩個(gè)水庫(kù)密切相關(guān)。(3)草地和林地的土地類型變化是生態(tài)評(píng)級(jí)的關(guān)鍵，是生態(tài)調(diào)節(jié)的結(jié)果。生態(tài)彈性度和生態(tài)服務(wù)價(jià)值從2005～2015年增加相對(duì)明顯，原因是主要是草地面積占比擴(kuò)大到8.42%，該區(qū)適宜于畜牧業(yè)發(fā)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(qū)動(dòng)的結(jié)果。水庫(kù)的建立后通過(guò)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(tài)環(huán)境呈良性循環(huán)發(fā)展的趨勢(shì)。

由于數(shù)據(jù)和圖件限制，僅能以10年間隔來(lái)分析土地利用的發(fā)展軌跡，無(wú)法獲取更短年份期間內(nèi)的變化形勢(shì)。今后研究中需要獲取到2019年以后的土地利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),疊加生態(tài)保護(hù)措施實(shí)施后的土地利用類型面積的變化。

4 結(jié) 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(shù)呈上升趨勢(shì)。土地利用以林地面積和未利用地面積轉(zhuǎn)出為主，其他土地類型面積都有轉(zhuǎn)入。草地面積和建筑用地面積增加幅度較大。從各二級(jí)分類的對(duì)比中，低覆蓋草地轉(zhuǎn)入量最大。土地利用總體趨勢(shì)與狀態(tài)指數(shù)緩慢上升，鄯善縣土地利用現(xiàn)狀不穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 鄯善縣生態(tài)彈性度整體呈現(xiàn)上升幅度且增大趨勢(shì)，1980～1995年生態(tài)彈性度呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)變化趨勢(shì)，1995～2015年研究區(qū)生態(tài)彈性度出現(xiàn)大幅度的增漲。

4.3 鄯善縣生態(tài)價(jià)值整體增長(zhǎng)，各土地生態(tài)價(jià)值中未使用地所占基數(shù)最大，占總價(jià)值比率達(dá)到58%。土地生態(tài)價(jià)值的變化和土地利用類型面積的變化相互對(duì)應(yīng)，土地生態(tài)價(jià)值和生態(tài)彈性的年均變化幅度相對(duì)應(yīng)。

4.4 以2015年為基期，應(yīng)用Markov對(duì)2005年、2015年和2025年土地利用進(jìn)行預(yù)測(cè)。2015～2025年，除水域和未利用地面積相對(duì)減少之外，耕地面積、林地面積、草地面積和建設(shè)用地面積在緩慢持續(xù)增加。