基于土地利用变化及CA-Markov土地利用变化预测模型预测的生态敏感性分析

阿地来·阿地力,张永福 马丽娜

摘要  土地利用变化是导致生态敏感性的重要因素，不仅体现了土地资源的数量、质量方面的特征，还反映了土地利用格局动态。市（县）生态敏感性研究对生态环境保护和區域发展具有最直接的意义。融合土地利用和生态环境之间相互关系的基本结构，利用土地利用动态度模型和地理信息系统空间分析功能，建成土地利用变化下的生态敏感性指标体系和分级标准，分析建设用地、林地、草地、耕地、水域、未利用地等土地利用类型的面积比例和变化过程，对库车县2009—2016年期间单一土地利用动态度变化和生态敏感性程度进行了定量研究。通过CA-Markov土地利用变化预测模型预测库车县2020年土地利用格局，根据土地利用强度变化率的比值得到土地利用变化下的生态敏感性指数，运用ArcGIS空间叠加功能分析其过程，目的在于得到生态敏感性分布情况。生态敏感性划分为高敏感、中敏感、低敏感及不敏感4个等级。得出以下结论：2009—2016年间耕地、建设用地和林地每年以0.34%、1.37%和0.22%的速度增加;草地、水域和未利用地每年以0.24%、0.04%和0.27%的速度减少。库车县2020年的土地利用预测结果表明，高敏感和低敏感区域面积减少到2458.92km2和1055.71km2，中敏感区域由2009年的7312.59km2减少到2016年的7286.87km2，再减少到2020年的6534.97km2，不敏感区域面积由2009年的3604.88km2增加到2016年的3626.83km2，再增加到2020年的4476.57km2。该研究将为库车县土地可持续利用提供借鉴，也为区域土地环境影响的动态模拟提供新思路。

关键词   生态敏感性;CA-Markov;土地利用;库车县

中图分类号F  301.2文献标识码

A文章编号0517-6611（2018）36-0042-06

土地利用和土地覆盖变化（LUCC）是研究全球变化和可持续发展的基础{1]。土地利用变化和城市化对生态系统和可持续土地利用的影响已引起研究人员越来越多的兴趣{2]。随着城市化进程的加快，农田和农村居民用地的增加已经转化为城市用地。城市扩张模式正在改变地球表面温度并影响全球气候{3]，导致土地退化{4]、海平面升高以及其他全球环境问题。城市化进程不仅反映在城市人口不断增长和相关的经济增长中，而且反映在城市土地使用类型和面积的变化上。模拟城市规划对土地利用变化的影响对于城市地区的可持续发展非常重要{5]。城市蔓延受环境和人为因素的影响，其运行机制非常复杂。土地利用作为人类最基本的实践活动，与土地生态系统及其功能密切相关{6]。导致生态敏感性的重要因素是土地利用变化，不仅体现了土地资源的质量、数量方面的特征，还反映了土地利用分布格局动态。城市用地的空间分布动态格局与过程是城乡关系变化和城乡土地利用现代化过程的主要方面之一。土地利用生态敏感性分析是区域生态规划中最主要的内容，也是区域土地利用总体规划的基础性研究，是评价不同的土地利用方式对区域生态环境的影响及其生态效用的主要方法{7-8]。

生态敏感性是指自然环境变化与人类活动影响下生态系统程度的变化，表明区域生态环境问题发生的可能性{9]。生态敏感性评估是一个识别自然环境背景下的潜在生态问题，然后将其置于特定区域的过程{10]。生态敏感性评估和生态功能研究已基本完成省级规模。然而，关于市（县）规模的研究仍然有限{11-12]。评估方法正处于勘探和开发阶段。在没有统一标准的情况下，指数选择有任意性{13]。该研究通过监督分类技术对库车县2009年和2016年的土地利用变化进行分类，并计算土地利用变化类型的覆盖面积，根据土地利用现状结果分析库车县生态敏感性。通过CA-Markov土地利用变化预测模型预测库车县2020年的土地利用变化动态，进而分析人为和自然元素对土地利用及生态敏感性的影响。

1研究区概况

库车县位于天山中部南麓，塔里木盆地北缘，地理位置为40°46′～42°35′N，82°35′～84°17′E（图1），东与巴音郭楞蒙古自治州的轮台县为邻，东南与尉犁县相接，南靠塔克拉玛干沙漠，西南与沙雅县相连，西以渭干河为界，与新和县隔河相望，西北与拜城县接壤，北部与巴音郭楞蒙古自治州和静县毗连，属阿克苏地区东端。县境南北长193km，东西宽164km，全县面积1.45万km2，县城东距自治区首府乌鲁木齐市直线距离448km，公路里程753km，西距行署驻地阿克苏市直线距离228km，公路里程257km。库车县东南胡杨林由于受干旱影响，生长脆弱，面积逐渐减少，对绿洲生态的保护作用下降。

2数据收集与研究方法

2.1资料收集与处理选取2009年9月6日，2016年9月10日的Landsat-TM遥感影像，空间分辨率为30m×30m。在遥感图像处理软件ENVI5.1的支持下裁剪研究区，经过几何校正和辐射校正，利用最大似然分类法和目视解译结合的方法，对库车县不同时相的2幅影像图进行监督分类。另外，收集库车县地形图、行政区划图、植被分布图、矢量数据、野外考察等资料。根据处理好的数据以及收集的资料，将库车县的土地利用类型分为耕地、建设用地、草地、林地、水域、未利用地，与分类结果相结合，构建分级标准和土地利用敏感性指标体系，获取库车县2009年和2016年的土地利用生态敏感性分布图。

2.2研究方法

2.2.1土地利用动态度。

土地利用动态度是土地利用面积和数量变化研究方面经常用到的方法之一，通过分析土地利用动态度可以了解土地利用变化结果以及变化趋势，它可定量描述一定时间范围内某一土地利用类型面积的净变化和土地利用类型的数量变化情况{14-15]，其表达式为：

式（1）中，S1和S2代表研究初期和末期区域某种土地利用类型面积;T为研究时段，当T的单位为年时，K值就是该区域某种土地利用类型的年变化率。

2.2.2构建指标体系。

土地利用是根据当地人们的不同用地需求用途和用量而划分出来的地表区域自然属性，不同的土地利用类型受自然属性与人为活动干扰的程度都有所不同。库车县土地生态敏感性是在多种生态因子的共同作用下形成，如高程、坡度、水体、植被覆盖度、土地利用、土壤盐渍化、土地沙漠化等，其中对城市生态敏感性的影响和贡献最大的是土地利用，这种趋势为库车县土地利用生态敏感性分析和分级评价提供了可能，结果参照2003年国家环保总局制定的《生态功能区划暂行规程》附件{16]中提出的生态环境敏感性分级标准和指标体系，对库车县土地利用生态敏感区进行划分，具体划分依据如表1所示。

2.2.3分级标准与方法。参考相关研究结果{12，17-19]，遵守生态敏感性指标选取的综合性、动态性、科学性和系统性原则，选择能反映库车县生态敏感性特征的土地利用敏感性分级标准（表2）。以土地利用生态敏感性分级标准和指标体系为基础，通过ArcGIS10.1的空间分析功能和自然间断点分级法（Jenks）对单因子栅格图层分级赋值并且在ArcGIS栅格计算器的FieldCalculator和alculateGeometry模块中对分级指标的敏感性栅格图进行运算和面积统计，其公式为：

2.2.4CA-Markov土地利用变化预测模型。

CA模型是同时具备时间和空间的预测模型，其模型中的变量包括状态、领域空间和时间，这些变量都呈现离散的特点{20]。

式（4）中，S（t+1）和S（t）分别表示t+1和t时刻土地利用系统的状态，Pij为状态转移矩阵。CA-Markov模型综合了Markov模型长时间数量预测的优点和CA模型模拟空间变化趋势的能力，提高了土地利用类型变化趋势的预测精度{22]。在土地利用网格图中，每个格网代表1个细胞，每个细胞表示土地利用类型，通过地理信息系统软件的支持，利用变换矩阵和条件概率图来确定细胞状态的变化规则，并对土地利用格局变化趋势进行模拟，得到不同土地利用的变化趋势{23]。

2.2.5Kappa系数预测精度检验。

为了验证CA-Markov模型预测精度，在分类的精度评价中，不同的精度评价方法有不同的划分标准。笔者主要采用IDRISI软件中CROSSTAB工具计算的overallKappa系数来评价预测图和原始图之间的一致性。直接借用Cohen提出的Kappa系数分类评价标准{24-25]，即

（-∞，0.00），很差;{0.00，0.20），微弱;{0.20，0.40），弱;{0.40，0.60），适中;{0.60，0.80），显著;{0.80，1.00]，最佳。

3结果与分析

3.1土地利用面积变化

区域土地利用数量变化主要表现在面积变化上，面积变化先反映在不同土地利用类型的总量变化上，通过分析土地利用的总量变化可以分析出土地利用的变化趋势和土地利用结构变化特征。依据上述土地利用分类的理想状态，对库车县2009—2016年的各类土地面积进行统计。通过计算和分析库车县土地利用变化可以看出，2009—2016年研究区不同类型土地的分布及数量变化较为显著，其中最直接的表现为耕地、建设用地、林地和水域面积增加，草地及未利用地面积明显减少，其中耕地、建设用地、林地和水域数量分别增长0.34%、1.37%、0.22%和0.11%，草地及未利用地数量分别减少0.24%、0.27%。土地利用现状如图2所示，动态度变化幅度如图3所示。库车县耕地、建设用地、林地和水域面积由2009年949.4、229.81、2259.25、121.04km2增加到2016年的971.89、251.89、2294.74、121.93km2;草地和未利用地由2009年的6535.93、4419.69km2减少到2016年的6424.74、4337.31km2（表3）。随着社会经济发展及科技水平提高，城镇化进程加快以及政府对农业的扶持力度加大，庫车县未利用地资源开发利用幅度较大，加之在当地政府的领导下农民积极开展土地整治工程，改善了原有的生产模式，逐渐提高了人们保护农用地、保护生态环境的意愿。

3.2库车县土地利用敏感度分析

对2009—2016年库车县各乡镇基于土地利用结构变化下的生态敏感性分布进行分析，将生态敏感性等级划分为高敏感、中敏感、低敏感及不敏感4个等级，最后以划分出来的生态敏感性分布图进行统计分析（图4）。

3.2.1高敏感区分析。

土地利用变化生态敏感性程度高的区域则为高度敏感区，高度敏感区生态系统手动的土地利用影响最大，按空间分布来看，库车县生态敏感性高的区域是以林地和水域为主，分布在阿拉哈格镇、齐满镇、比西巴格乡、乌恰镇、乌尊镇、阿克吾斯塘乡等农用地面积比较广的区域以沟渠为主。库车县生态高敏感区面积由2009年的2545.58km2增加到2016年的2548.85km2。

3.2.2中敏感区分析。

中敏感区是土地利用变化生态敏感

性程度相对中等的区域，库车县生态中敏感区域是以草地为主，主要分布在墩阔坦镇、哈尼喀塔木乡、塔里木乡等。库车县生态中敏感区面积由2009年的7312.59km2减少到2016年的7286.87km2。中敏感区属于库车县生态系统健康运转的防护区，土地利用过程中以生态维护为主，防止生态建设受到威胁。

3.2.3低敏感区分析。库车县生态低敏感区域是以耕地为主，主要分布在阿拉哈格镇、齐满镇、比西巴格乡等。库车县生态低敏感区面积由2009年的1063.11km2增加到2016年的1063.60km2。低敏感区是库车县生态系统的保护区，土地利用过程中以农用地为主，在基本农田保护红线政策的影响下产生耕地面积的变化。该区生态环境具有较强的自我恢复能力，敏感性程度总的来说处于良好状态。

3.2.4不敏感区分析。生态不敏感区适合以城市建设和农业生产为主，生态系统已经形成了一定的稳定性，各种人类开发活动不会对生态系统产生破坏性干扰，随着社会和经济的快速发展，库车县建设用地面积增多而被开发利用的未利用地面积减少，因而库车县生态不敏感区域面积由2009年的3604.88km2增加到2016年的3626.83km2。

3.3基于土地利用结构预测的库车县2020年生态敏感性测算

3.3.1库车县2020年土地利用结构变化预测分析。

采用CA-Markov土地利用变化预测模型对库车县2020年的土地利用结构进行预测并根据库车县国土局提供的《库车县土地利用总体规划（2010—2020年）》按照当地政府和国土局有利于库车县城市发展和农业发展共存的指标布局理念，以该研究中分类出来的2016年土地利用分类图为基础数据做出2020年的土地利用图（图5），预测结果见表4。

结果表明，到2020年库车县土地利用变化幅度较大，耕地面积和建设用地面积大幅度增加，由2016年的971.89、251.89km2增加到2020年的996.60、271.31km2，草地、林地和未利用地面积大幅度减少，由2016年的6424.47、2294.74和4337.31km2减少到2020年的6214.24、2166.53和4323.28km2，水域面积相对变化不大。根据国家和地方政策导向，积极实行土地复垦和土地整治规划，坚持从确保粮食安全、维护社会稳定出发，严格保护耕地，严格控制非农建设占用耕地，保障耕地扩展面积递增，实现生态恢复。同时随着库车县人口和经济实力的提升，建设用地的布局和面积也发生了较大的变化，人口向城镇集中、住宅向社区集中，有效控制了建设用地规模，城乡建设用地适度增加，交通水利等基础设施用地充分保障，建设用地内部结构进一步优化。

3.3.2库车县2020年生态敏感性预测分析。

库车县2020年的土地利用结构变化以构建环境友好型土地利用方式为目标，以保护为前提进行开发建设，加强环境保护与生态建设工程。通过预测出的土地利用结构进一步进行库车县2020年的生态敏感性预测（图6），预测结果如下：到2020年库车

县高敏感性区域面积2458.92km2，中敏感性区域面积6534.97km2，低敏感性区域面积1055.71km2，不敏感性区域面积4476.57km2。由此可见，库车县的土地利用趋势对生态敏感性产生了一定的影响，高敏感性、中敏感性、低敏感性区域面积明显减少，不敏感性区域面积大幅度提高，可

以为库车县未来生态安全建设打好基础。库车县基础性生态用地主要集中在塔里木河、库车河、渭干河、盐水沟沿岸及铜场水库周边区域，可以进一步加强生态敏感性区域的保护。

4结论与讨论

不同研究时段的城市土地利用敏感区域面积和比例各不相同，经研究可得土地生态敏感性结果，库车县高敏感和低敏感区域面积由2009年的2545.58、1063.11km2增长到2016年的2548.85、1063.60km2，在国家政策和地方政府的引导下各个乡镇领导及居民的积极配合为库车县生态文明建设提供了优化条件，在此基础上预测2020年的土地利用结构变化和土地生态敏感性，计算结果表明2020年库车县高敏感和低敏感区域面积减少到2458.92、1055.71km2，中敏感区域由2009年的7312.59km2减少到2016年的7286.87km2，再减少到2020年的6534.97km2，不敏感区域面积由2009年的3604.88km2增加到2016年的3626.83km2，再增加到2020年的4476.57km2。

人类活动与生态系统的敏感性变化是密切相关的，人类社会的不断发展，产业的日益多样化以及人民生活水平的逐步提升对生态环境造成了一定的压力，随着政府对环境保护和生态安全的重视，人们也有了保护环境意识，积极配合政府的宅居地集中连片建设等有利于土地集约节约、提高土地利用率的政策。在以后的发展过程中确保优化生态用地内部结构和空间布局，提升园地和林地的生态服务功能，構建国土生态屏障，促进社会、经济、生态的协调和可持续发展。

总之，库车县生态敏感性的优化需要加强区域植被的大规模建设，实施退耕还林和退耕还草政策，减轻人为造成的生态压力。

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