基于CA—Markov模型的巴里坤湖流域土地利用动态变化分析与预测

吕娜+李政海+鲍雅静+李卓玲+张靖+刘丽+刘翀+徐媛+谭嫣辞+宫晓双

摘 要：随着经济和农业的快速发展，人类活动对流域生态环境的影响日益显著。在巴里坤哈萨克自治县巴里坤湖流域环境变化已经得到了当地政府的重视。本文利用CA-Markov模型对2006—2016年该流域的土地利用动态变化进行分析，并模拟预测2020年的土地利用变化。结论如下：（1）2006—2016年间，该地区林地、水域面积小幅增加；草地、未利用土地面积减少；居民点、工矿用地、盐碱地、耕地面积增加较明显；（2）模拟结果表明，巴里坤湖及周边生态系统将呈现出持续恶化的趋势。到2020年，草地、湖泊和冰川、沼泽地面积减少，而滩地、水库塘坑、盐碱地耕地面积增加较多，将导致入湖及生态用水减少，会导致湖滨湿地及周边生态系统退化、消失，使得其生态屏障的功能也随之下降。

关键词：预测；土地利用变化；元胞自动机；巴里坤流域

中圖分类号：F301.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.07.017

Analysis and Prediction of Land Use Dynamic Change in Barkol Lake Watershed Based on CA-Markov Model

LYU Na， LI Zhenghai， BAO Yajing， LI Zhuoling， ZHANG Jing， LIU Li， LIU Chong， XU Yuan， TAN Yanci， GONG Xiaoshuang

（College of Environment and Resources， Dalian Minzu University， Dalian， Liaoning 116600， China）

Abstract：With the rapid development of economy and agriculture， the impact of human activities on the ecological environment of the basin is becoming increasingly significant. The environmental changes in the Barkol Lake Basin in the Barry Kun Kazakh Autonomous County have got the attention of the local government. In this paper， the CA-Markov model was used to analyze the dynamic changes of land use in this basin from 2006 to 2016， and simulate the forecast of land use change in 2020. Conclusion as below：（1） from 2006 to 2016， the area of forest land， water area increased slightly； grassland， unused land area decreased； residential， industrial land， saline land and cultivated area increased more obvious； （2） the simulation results show that the Barkol Lake and the surrounding ecosystem will show a trend of continued deterioration. By 2020， grassland， lake and glacier， marsh area decreased， and beach， reservoir pond， saline land to increase the area， will lead to the lake and ecological water reduction， will lead to a large number of lake wetlands disappear， making its ecological barrier function also will decline.

Key words： prediction； land use change； cellular automata； Barkol basin

土地是人类生存的基础，其动态变化是自然、社会、经济生态复合系统演变的直接表现[1]。自20世纪以来，由于人口急剧增长，可利用的土地资源相对越来越少，土地利用问题逐渐引起世界各国的重视；同时随着经济的迅速增长，土地利用同生态环境之间的问题日益突出，并得到了人们的关注；1995年“国际地圈与生物圈计划”（IGBP）和“全球环境变化人文计划”（IHDP）联合提出了“土地利用和土地覆盖变化”（LUC）研究计划，随后土地利用变化成为全球环境变化研究的前沿和热点课题[2]。土地利用是人类根据其生活和社会发展的需要，依据土地的性质特点与其经济区位而对土地进行利用、开发与改造的社会经济行为[3]，这一系列行为对生态环境与生态服务功能产生重要影响，并以累积的形式影响全球环境变化；目前人类面临的许多环境问题，诸如从局地到全球尺度的气候变化、生物多样性的丧失与生态系统服务功能下降和土地退化等都与土地利用/覆盖变化有关[4]；因而对土地利用结构变化特征及其规律的研究，是开展土地资源优化配置和合理调控的理论基础和关键内容，对于区域产业结构转型升级、土地资源可持续利用与生态环境保护具有重要的理论和指导意义[5]。

巴里坤湖位于新疆哈密市东天山区域，是巴里坤县主要的湖泊，面积由历史最大的800多km2萎缩到112 km2，湖水水质下降、矿化度高达280 g·L-1，流域内的植被退化严重，草场沙化、盐碱化严重，流域生态服务功能大大减弱[6]。对巴里坤县的自然生态系统和当地农牧民的生产与生活产生不利的影响。因此，通过对巴里坤2006、2010、2016年三期土地利用进行分析与预测，得出该区土地利用变化速度、变化程度及未来变化趋势，为分析巴里坤湖流域土地资源开发利用强度评估流域生态系统安全状况，为规避不合理的资源开发方式和经济增长方式，实现该流域的社会经济可持续发展提供依据。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

巴里坤湖流域位于新疆哈密市巴里坤哈萨克自治县的巴里坤盆地。坐标范围：东经92°05′35″～93°48′01″，北纬43°22′37″～44°14′33″。位于东天山的两支山脉之间，流域面积为5.91×105 hm2。属温带大陆性气候，暖季凉爽、冷季严寒、光照不足，无霜期短，降水偏少，蒸发量大，年均降水量202 mm，蒸发量1 638 mm。四季不明显，只有冷暖两季，光照充足，无霜期98～104 d，年均气温1 ℃，≥10 ℃年积温为1 500～1 900 ℃。

2.2 数据来源与数据处理

使用2006年、2010年陆地卫星（Landsat 5）TM遥感图像，以及2016年Landsat 8 OLI遥感图像，空间分辨率为30 m，云量均<2%。使用2000年已校正的TM遥感图像对数据进行几何校正，校正方法为二次多项式，重采样方法为最近邻法，均方根误差（RMS Error）小于2。使用ArcGIS 10.3软件对遥感图像进行目视解译，清除碎屑多边形（最小图斑为4 hm2），最后获得2006年、2010年和2016年三期土地利用图。

依据已有的土地利用分类原则和分类系统和参考一些学者工作的基础上，并结合当地土地利用的实际情况，最终确定6个1级类和20个2级类反映巴里坤流域土地利用。土地利用类型为：林地（灌木林地、疏林地、其他林地）、草地（高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地）、水域（湖泊、水库、塘坑、冰川积雪、滩地）、城乡居民点和工矿用地（城镇用地、农村居民点）、未利用土地（沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸巖石砾地）、耕地（耕地）。

2.3 CA-Markov模型预测

土地利用预测模型使用IDRISI TerrSet软件的CA-Markov模型，该模型集成元胞自动机模型（Cellular Automaton，CA）和马尔可夫链模型（Markov），极大地提高了传统Markov模型的模拟精度，并通过设定约束条件的形式，又拥有约束性细胞自动机（Constrained CA）的优点[7]。模型建立步骤包括：首先，采用该软件的Markov模块，计算2010—2016年巴里坤湖泊流域土地利用面积转移矩阵；其次，以各土地利用类型为因变量（1为是，0为否），分别选取DEM，到城镇、公路和河流湖泊的距离为自变量，使用Logistic模块，建立各土地利用类型的Logistic回归方程，作为类型变化的约束条件；最后，在CA-Markov模型中模拟2020年的土地利用变化。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

对巴里坤湖流域土地利用一级类面积[8-9]（2006—2016年均值）按从大到小排列：草地>未利用土地>耕地>林地>水域>居民点、工矿用地。其中，草地为该流域的最大土地利用类型，面积约占该流域总面积的62.9%；未利用土地所占比例次之，面积占20.8%；其后是耕地，面积占7.8%；林地、水域和居民点、工矿用地在该流域中比例较小，不到10%，分别为4.2%，3.8%及0.4%。

2006—2016年该地区的林地变化不大，仅从24 760.5 hm2增加到24 896.2 hm2，主要以灌木林增加为主；草地在10年间减少了4 324 hm2，其中以中覆盖度草地减少为主（1 161 hm2）；水域面积有所增加（1 208 hm2），湖泊、水库塘坑及冰川积雪均表现相对各自面积的不小幅度的增加（湖泊：16.8%，水库塘坑：50.7%，冰川积雪：79.2%，波动幅度较大），但滩地面积减少13.4%；居民点、工矿用地增加近346 hm2，增加比例为16.4%；未利用土地面积总体减少了1 190 hm2，其中沼泽地减少147 hm2，裸岩石砾地减少1 160 hm2，戈壁少量减少，但盐碱地面积增加了431 hm2；耕地面积增加较大，为3 824 hm2。各土地利用二级类变化如图1所示。

3.2 土地利用变化预测

为了验证该模型的有效性，采用模拟相近年份的土地利用变化，来验证该模型的有效性，通过建立2006—2010年的土地利用面积转移矩阵，向2016年进行模拟，然后采用交叉验证的方式进行精度对比。本次检验的卡帕系数（Kappa）为0.986≥0.75，表明模型模拟效果较好。通过CA-Markov模型模拟，获得了2020年巴里坤湖流域的土地利用变化情况（一级类和二级类变化见图2）。到2020年林地有小幅增加（132 hm2），主要以其他林地增加为主；草地减少1 139 hm2，中度、低度覆盖度的草地均有小幅度的减少；水域总体面积将减少171 hm2，其中湖泊减少比例较大，约13.5%（1 445 hm2），冰川积雪减少比例为10.2%（190 hm2），而水库塘坑面积小幅增加，滩地面积增幅较大为13.9%（1 445 hm2）；城乡居民点和工矿用地较2016年略有增加：154 hm2；未利用土地面积减少722 hm2，总体减少幅度不大；耕地面积增加较多为1 747 hm2。由预测结果可以看出，该地区水域面积、草地面积与未利用土地面积均将减少，以草地面积减少量最大，而耕地面积增加幅度较大，湖泊面积转为滩地面积量将增加。

4 结 论

通过对巴里坤2006、2010、2016年三期土地利用进行分析與预测，得出该区土地利用变化速度、变化程度及未来变化趋势。结论如下：（1）在2006—2016年该地区的林地面积小幅增加，草地面积减少（以中覆盖度草地减少为主），水域面积有所增加（湖泊、水库塘坑及冰川积雪都表现出小幅增加），居民点、工矿用地面积增加，耕地面积增幅较大；（2）生态用水减少、生态屏障受损，巴里坤湖及周边生态系统将呈现出持续恶化的趋势。在土地利用模拟中，到2020年，中度、低度覆盖度的草地面积均有小幅度的减少；湖泊和冰川面积呈减少趋势，滩地面积增加，水库塘坑面积增加，沼泽地面积减少，盐碱地面积增加；耕地面积增加较多，将导致农业灌溉用水量增加。这些土地利用变化将会导致进入巴里坤湖泊及湿地生态用水减少，会导致大量湖塘及湖滨湿地的消失，使得其净化水质的功能也随之下降。为此在未来的发展中，该地区行政管理者应采取有效的手段控制耕地面积、优化农业结构、推广农业节水灌溉、节制放牧等措施，是改善湖区周边生态环境、提高生态服务功能。

参考文献：

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