蓋孜河流域土地利用與生態(tài)彈性演變過程研究

徐至遠，周金龍

(新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

土地利用是人類憑借土地的自然屬性進行生產(chǎn)性或非生產(chǎn)性活動的過程，是一定時期內(nèi)對土地進行的管理應用[1-2]。土地利用變化是指不同土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)化，是生態(tài)系統(tǒng)功能性轉(zhuǎn)變的過程，不同土地利用類型組合對生態(tài)系統(tǒng)的影響有所不同[3-4]。土地利用變化是一個相當復雜的過程，往往與人類活動息息相關(guān)，一定時期內(nèi)土地利用的變化情況可以反映出一個區(qū)域內(nèi)環(huán)境、經(jīng)濟和社會的發(fā)展情況[5-6]。因此，土地利用變化研究在全球環(huán)境變化研究中占有重要地位[6-7]。

目前國內(nèi)外關(guān)于土地利用變化研究的內(nèi)容主要涉及土地利用/覆被分類、土地利用變化格局與過程、土地利用變化驅(qū)動力及機制和土地利用變化效應等方面[8-11]。土地利用變化能夠改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，由于生態(tài)系統(tǒng)各組分之間的密切聯(lián)系，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化會導致完整地理單元中生態(tài)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)服務價值的顯著變化[12-13]。然而，目前關(guān)于土地利用時空變化特征及其生態(tài)效應的研究大都集中在某一區(qū)域或省級行政區(qū)尺度上[14]，尚缺乏對單獨完整地理單元土地利用整體變化過程、規(guī)律及其生態(tài)效應方面的研究。因此，在流域這一完整地理單元尺度上研究土地利用時空變化的特征及其生態(tài)效應，不僅能加深我們對土地利用變化過程和規(guī)律的認識，還能為區(qū)域尺度生態(tài)環(huán)境的保護和恢復提供理論支撐[9,15]。

蓋孜河流域處于我國西北干旱區(qū)，降水稀少，植被蓋度低，風沙危害大，屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)[16]。近年來，隨著流域內(nèi)人口的不斷增加，推動了流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，人類活動的增加導致流域內(nèi)的土地利用類型發(fā)生了明顯的變化。本研究以蓋孜河流域為例，利用1990—2019年間的4期遙感影像數(shù)據(jù)，對流域內(nèi)土地利用類型及生態(tài)彈性度的變化特征進行分析，以期為蓋孜河流域的社會經(jīng)濟建設與區(qū)域資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蓋孜河位于塔里木盆地西緣、西昆侖山西端，發(fā)源于撒里科勒斯山北麓，由木吉河、雅瑪亞河于布侖口匯合而成，全長374 km，流經(jīng)疏附、疏勒、岳普湖三縣和農(nóng)三師41、42團場。流域地勢自西南向東北傾斜，分為剝蝕低山丘陵區(qū)、洪積及沖洪積傾斜平原區(qū)和沖積平原區(qū)，復雜的地貌結(jié)構(gòu)形成了多樣的土地利用類型(圖1)。蓋孜河河水主要由墓士塔格、公格爾等高山冰雪融化和泉水匯合而成，年均徑流量為11.64億m3，年均流速為36.9 m3/s，每年5—9月為汛期，12月至次年2月為枯水期。蓋孜河流域年均氣溫約為11.5 ℃，年均降水量為162.2 mm，降水量空間分布為北部多、南部少，山區(qū)多、平原少。流域內(nèi)植被稀疏，生長期較短，以一年生、多年生矮小灌木及墊狀植物為主。

圖1 蓋孜河流域2019年土地利用現(xiàn)狀

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用變化分析

土地利用類型變化幅度是指在一定時期內(nèi)土地利用類型面積變化的幅度，它是反映土地利用類型在總量上變化情況的主要指標之一[11]。其計算公式為

Cr=(Ab-Aa)/Aa×100%

(1)

式中：Cr為研究期內(nèi)土地利用類型的變化幅度；Aa為研究開始時某種土地利用類型的面積；Ab為研究結(jié)束時某種土地利用類型的面積。

1.2.2 土地利用程度變化分析

土地利用程度是指土地在人類活動干擾下被利用的廣度和深度，它反映了研究區(qū)域內(nèi)土地利用的集約化程度。根據(jù)土地的自然屬性在人類干擾下的平衡狀態(tài)情況可以將土地利用類型分為4個等級，其中等級程度越高，等級指數(shù)值越高，土地利用的集約化程度越高。一般情況下，將未利用或難利用的土地類型劃為第一級，其等級指數(shù)值為1；林地、草地和水域等土地利用類型劃為第二級，其等級指數(shù)值為2；耕地和建筑用地分別劃為第三級和第四級，其等級指數(shù)值分別為3和4[11]。某一區(qū)域內(nèi)的土地利用程度一般可用土地利用程度綜合指數(shù)來表示，其計算公式為

(2)

式中：LZ為土地利用程度綜合指數(shù)；Aj為第j級土地利用類型面積占研究區(qū)總面積的比例；Dj為第j級土地利用類型的等級指數(shù)值；m為土地利用程度分級數(shù)，本研究中m=4。

1.2.3 生態(tài)彈性度

生態(tài)彈性度是指生態(tài)系統(tǒng)受到外部干擾后維持內(nèi)部穩(wěn)定的能力，它能很好地反映土地利用變化引起的區(qū)域氣候、土壤和生物多樣性等環(huán)境因子的變化[17]。生態(tài)彈性度與多樣性指數(shù)有關(guān)[9]，其計算公式為

(3)

式中：Es為生態(tài)彈性度；Si為土地利用類型i面積占研究區(qū)總面積的比例；H為香農(nóng)多樣性指數(shù)；n為土地利用類型數(shù)；Pi為土地利用類型i的彈性分值，本研究借鑒研究中劃定的新疆干旱區(qū)各土地利用類型的生態(tài)彈性分數(shù)值，將耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用土地的彈性分值分別劃定為60、90、65、87、15和0。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究中1990、2000和2010年的影像數(shù)據(jù)是在地理空間數(shù)據(jù)云內(nèi)下載的30 m分辨率的Landsat 8數(shù)據(jù)，2019年的影像數(shù)據(jù)是哨兵數(shù)據(jù)下載的10 m分辨率的Landsat 8數(shù)據(jù)。運用ENVI 4.8軟件對4期遙感影像數(shù)據(jù)做前期的基本處理，基于LUCC分類體系，結(jié)合蓋孜河流域的土地利用實際情況，采用目視解譯的方法將蓋孜河流域土地利用類型分為一級、二級土地類型，對比分析表明，目視解譯的最終數(shù)據(jù)滿足研究要求。運用ArcMap 10.5軟件進行制圖，并獲得各土地利用類型的面積數(shù)據(jù)，以此對研究區(qū)土地利用變化進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)分析

對蓋孜河流域1990—2019年的土地利用類型結(jié)構(gòu)進行整理和分析，結(jié)果見表1。從表1中可以看出：1990年蓋孜河流域的土地利用類型以未利用土地和草地為主，面積占比分別為69.09%和20.55%；其次為耕地，面積占比為6.93%；林地、水域和建筑用地三種土地利用類型面積均較小，三者僅占總面積的3.44%。到2000年，流域內(nèi)各土地利用類型面積變化不大。到2010年，雖然流域內(nèi)土地利用類型仍然以未利用土地和草地為主，但草地面積占比有所下降，為17.54%，耕地面積明顯增加，為9.61%，林地面積顯著下降，僅占總面積的0.66%。到2019年，耕地面積繼續(xù)增加，流域內(nèi)土地利用類型除未利用土地外，耕地和草地面積占絕對優(yōu)勢，面積占比分別為11.73%和15.42%，建筑用地面積有所增加，達到1.31%。

表1 1990—2019年蓋孜河流域土地利用類型結(jié)構(gòu)特征

總的來看，蓋孜河流域的未利用土地面積在研究區(qū)中占絕對優(yōu)勢，但近30年間面積變化不大。在各種土地利用類型中，耕地面積持續(xù)增加，尤其是在2000年后，耕地面積增加明顯，從2000年的1 396.53 km2增加到2019年的2 190.59 km2，增加了794.06 km2，表明2000年后隨著研究區(qū)域內(nèi)人口的大量增加，人們對糧食等作物的需求增加，大量的草地和林地被開墾為農(nóng)田，從而導致耕地面積迅速增加，而林地和草地面積迅速減少。2000—2019年間，林地和草地面積分別減少了85.13 km2和905.35 km2。蓋孜河流域地處干旱區(qū)，農(nóng)田均需要灌溉才能滿足作物生長需求，耕地面積的增加導致灌溉需水量增加，加之人口增加導致的水資源不合理利用增加，引起水域面積減少，從2010年的229.18 km2減少到2019年的221.23 km2。與此同時，人口的增加也導致了城鎮(zhèn)地區(qū)的快速發(fā)展，建筑用地面積也發(fā)生了明顯變化，從2000年的214.03 km2增加到2019年的245.06 km2。

2.2 土地利用變化分析

1990—2019年間蓋孜河流域各土地利用類型的變化特征見表2。從表2中可以看出，不同時期，各種土地利用類型的面積變化趨勢不一，這種不同在一定程度上也反映出了不同時期人們對土地利用的差異?？偟膩砜?，近30年間流域內(nèi)的土地利用方式可以分為明顯的三個類型：①第一種類型為持續(xù)增長型，主要為耕地和建筑用地，1990—2019年間分別增加了69.41%(897.54 km2)和14.91%(31.80 km2)，其中耕地面積從2000年開始迅速增加，而建筑用地面積從2010年開始迅速增加。這與流域內(nèi)人口的增加趨勢一致，2000年后流域內(nèi)人口迅速增加，對糧食的需求增加，從而導致耕地面積迅速增加，同時人口的增加和人們生活水平的提高也促進了建筑用地面積增加，更多的土地被用來建成房屋供人們居住和使用。②第二種類型為持續(xù)減少型，主要為草地，1990—2019年間草地面積減少了24.95%(957.23 km2)。其中1990—2000年間草地面積減少不多，2000年后草地面積迅速減少，2000—2010和2010—2019年間草地面積分別減少了13.44%和12.11%，這與流域內(nèi)耕地的變化趨勢正好相反。耕地面積的增加，必然會導致人們對其他土地利用類型的開發(fā)，而在其他土地利用類型中，草地是最適合開墾為耕地的土地利用類型，也是最容易被人們利用的土地利用類型，因此流域內(nèi)草地和耕地面積呈現(xiàn)出截然相反的變化趨勢也是顯而易見的。③林地、水域和未利用土地屬于第三種類型，為波動變化型。林地面積在1990—2010年持續(xù)減少，尤其是在2000—2010年間，面積急劇下降，下降幅度達到了41.48%。此時期由于林地和草地面積的迅速減少，流域生態(tài)環(huán)境有所惡化，因此人們開始反思對土地的不合理利用。同時，隨著政府環(huán)境保護意識的增強，人們開始逐漸減少對林地和草地的破壞，而且在政府相關(guān)部門的支持和引導下，開始施行退耕還林還草等政策。因此，林地面積在2010—2019年間增加了1.52%。水域面積在1990—2000年間呈減少趨勢，2000—2010年間增加，而2010—2019年間又呈減少趨勢。蓋孜河處于干旱區(qū)，降水很少，河水主要依靠高山冰雪融水和泉水匯合而成，因此氣候變化尤其是溫度變化對流域內(nèi)水域面積的影響很大。此外，耕地面積的持續(xù)增加導致農(nóng)田灌溉用水量不斷增加，但是隨著大田漫灌向農(nóng)田滴灌的轉(zhuǎn)變，也在一定程度上影響了人們的灌溉用水量，相比大田漫灌節(jié)省了部分灌溉用水，因而水域面積在近30年間發(fā)生了波動性的變化。未利用土地在1990—2019年間也呈現(xiàn)出先降低再增加最后再降低的趨勢，但波動幅度不大。

表2 1990—2019年蓋孜河流域各土地利用類型的變化特征

土地利用程度綜合指數(shù)可以反映人類活動對土地的干擾程度，土地利用程度綜合指數(shù)值越高，表明人類活動對土地的干擾程度越大，利用越劇烈。經(jīng)計算，1990、2000、2010和2019年蓋孜河流域內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)值分別為140.12、140.92、142.11和144.67，表明近30年間流域內(nèi)的土地利用程度一直呈增加趨勢，土地利用的集約化程度越來越高。

為了更好地分析流域內(nèi)土地利用程度的變化，我們進一步分析了各種人類活動對土地利用類型利用程度指數(shù)的影響(圖2)。由計算結(jié)果和圖2可知，耕地和草地的利用程度指數(shù)較高，在1990年時分別為20.78和41.09。隨后兩種土地利用類型發(fā)生了截然相反的變化趨勢。1990—2019年間草地的利用程度指數(shù)值持續(xù)下降，從1990年的41.09下降到2019年的30.84，下降了24.95%；而耕地的利用程度指數(shù)值持續(xù)上升，從1990年的20.78上升到2019年的35.20，上升了69.39%。草地和耕地利用程度指數(shù)的變化與兩種土地利用類型面積的變化趨勢一致，反映了近30年間人口數(shù)量的增加導致人們對流域內(nèi)土地利用的程度增加。雖然流域內(nèi)建筑用地的利用程度指數(shù)值低于草地和耕地，但在近30年間一直呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，從1990年的4.57增加到2019年的5.25，增加了14.88%，也在一定程度上反映了蓋孜河流域土地利用程度的增加。林地和水域兩種土地利用類型的利用程度指數(shù)較低，均在2.50以下，其變化對蓋孜河流域土地利用程度綜合指數(shù)的貢獻不大?？偟膩砜?，近30年間蓋孜河流域內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)的增加主要是耕地和建筑用地利用程度增加導致的，而草地的利用程度下降，在一定程度上減緩了流域內(nèi)土地利用綜合程度的增加。

圖2 蓋孜河流域各土地利用類型的利用程度指數(shù)

2.3 流域生態(tài)彈性變化分析

不同土地利用方式對生態(tài)彈性度的影響不同，例如林地和水域等土地利用類型有利于生態(tài)的保護和恢復，對生態(tài)彈性度的提升具有重要的影響；而建筑用地等土地利用類型主要受人為因素的影響，對生態(tài)保護和修復的影響不大，因此對生態(tài)彈性度的影響也不大。1990—2019年間蓋孜河流域土地利用多樣性指數(shù)和生態(tài)彈性度的變化見表3。從表3中可以看出，蓋孜河流域土地利用多樣性指數(shù)的變化不大，其值在0.92～0.93間波動，表明近30年間，各土地利用類型的面積雖然有所變化，但總體上并沒有改變土地利用類型非均衡分布的狀況。

表3 1990—2019年蓋孜河流域的生態(tài)彈性度

在測定的4個年份中，蓋孜河流域的生態(tài)彈性度值2000年最高，為18.38，2010年最低，僅為17.48，1990和2019年生態(tài)彈性度值居中，分別為18.11和17.64。土地利用類型面積的變化導致了蓋孜河流域生態(tài)彈性度的變化。1990—2000年間，流域內(nèi)的生態(tài)彈性度增加了1.48%，這主要是此段時期耕地面積的迅速增加導致的。2000—2010年間，流域內(nèi)的生態(tài)彈性度下降了4.91%，這一時期雖然耕地面積增加了28.45%，但是對生態(tài)彈性度影響最大的林地面積降低了41.48%，同時草地面積也下降了13.44%，林地和草地面積的顯著下降導致了這一時期生態(tài)彈性度的顯著下降。2010—2019年間，流域內(nèi)耕地和林地面積的增加導致了生態(tài)彈性度的增加。近30年間，雖然生態(tài)彈性度值有所波動，但總的來看，蓋孜河流域內(nèi)生態(tài)彈性度呈下降趨勢，這種變化趨勢反映出了流域內(nèi)土地利用的變化情況，在一定程度上反映出了人類活動對生態(tài)環(huán)境造成的影響。

3 結(jié)論與討論

(1)1990—2019年蓋孜河流域土地利用主要以未利用土地和草地為主，其次為耕地，其他土地利用類型的面積較小。在各種土地利用類型中，耕地面積增加明顯，尤其是2000年后，面積增加了794.06 km2；草地面積顯著減少，近30年間減少了957.23 km2；而其他土地利用類型面積雖有變化，但幅度不大。

(2)1990—2019年流域內(nèi)的土地利用類型可以分為明顯的三個類型。第一種類型為持續(xù)增長型，主要為耕地和建筑用地，1990—2019年間分別增加了69.41%(897.54 km2)和14.91%(31.80 km2)；第二種類型為持續(xù)減少型，主要為草地，1990—2019年間草地面積減少了24.95%(957.23 km2)；第三種類型為波動變化型，主要為林地、水域和未利用土地三種。

(3)1990、2000、2010和2019年蓋孜河流域內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)值分別為140.12、140.92、142.11和144.67，表明近30年間流域內(nèi)的土地利用程度一直呈增加趨勢。流域內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)的增加主要是由于耕地(69.39%)和建筑用地(14.88%)利用程度增加導致的，而草地(24.95%)的利用程度下降在一定程度上減緩了流域內(nèi)土地利用綜合程度的增加。

(4)蓋孜河流域的生態(tài)彈性度值2000年最高，為18.38，2010年最低，僅為17.48，1990年和2019年居中，分別為18.11和17.64。近30年間，雖然生態(tài)彈性度值有所波動，但總的來看，蓋孜河流域內(nèi)生態(tài)彈性度呈下降趨勢。