新疆渭干-库车河流域土地利用变化空间耦合及其生态效应

侯一峰，汪 洋，张 帅

（新疆农业大学 草业与环境科学学院，新疆草地资源与生态重点实验室，乌鲁木齐 830052）

0 引 言

【研究意义】土地利用/覆盖变化与全球的气候演变、生物多样性降低、生态环境发展以及人类与自然之间相互影响等紧密相关，被认为是全球环境变化的主要原因之一[1]。自20世纪90年代以来，渭干-库车河流域的水土资源和绿洲面积不断扩大，水资源压力的增加导致生态与经济的矛盾日益尖锐，严重阻碍了社会经济与生态效应的健康发展[2]。渭干河-库车河流域属于生态环境变化的敏感区域[3]，由于受气候变化和当地人类活动强度加大的影响，土地利用变化主要集中在耕地面积的不断扩大，导致新疆自然灾害愈发严重，直接威胁流域生态环境安全[4]。因此，研究渭干-库车河流域的土地利用变化对其生态环境的保护以及经济的可持续发展具有重要的现实意义。【研究进展】流域土地利用变化及其生态效应的耦合问题已成为绿洲土地利用变化研究的新命题[5]，在地理学中采用耦合视角来阐述不同土地类型、水土资源和人类与自然之间复杂的相互依存、相互发展、相互影响并趋于协调统一的现象或过程[6]。因此，兹从耦合视角出发，探讨渭干-库车河流域土地利用变化的时空耦合关系，有助于揭示流域内不同土地类型在某一时期的变化趋势，促进流域内水土资源协调发展，缓解人地关系之间的矛盾[7]。土地利用变化作为当今全球变化研究的重点内容之一，在过去的20 a中，已从全球气候变化影响扩展到不同规模的土地利用，土地覆盖变化过程，驱动机制和资源影响，生态和环境影响等[8]；以及生态服务价值变化[9]，土壤侵蚀及防治[10]等方面对干旱区土地利用及其影响进行分析。土地利用变化现象落实到具体区域上，便会表现出不同的区域特点[11]。目前，国内外已经对区域土地利用变化进行了大量研究[12-13]。【切入点】干旱区水土资源开发与生态安全之间有着密切的关系，水是连接山地、绿洲、荒漠三大生态系统、维系生态安全的重要因子，绿洲作为重要的组成部分，具有自己独特的进化过程和趋势[14]。本文从绿洲与荒漠系统耦合来探讨渭干-库车河流域土地利用变化及其生态效应，对其生产与生态、土地利用与覆被变化的关系进行分析与解读。【拟解决的关键问题】选取2001—2014年TM遥感数据、气象数据及统计年鉴数据对渭干-库车河流域土地利用变化进行解译，针对流域内各土地利用的时空变化、绿洲稳定性和生态服务价值等科学问题进行分析，为干旱区土地资源利用与可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

渭干-库车河流域位于天山南麓，塔里木盆地的北缘，地理坐标为81°28′—84°05′E，39°29′—42°38′N，流域总面积约523.76×104hm2，占新疆总面积的3.16%[15]。阿克苏地区行政管辖范围包括拜城、温宿、库车、沙雅和新和县，是阿克苏地区最大的灌溉区。流域内干旱少雨、气候特殊，生态环境愈发脆弱，因此其生态区位优势也非常重要，属于敏感的生态环境区域（图1）。

图1 研究区概况 Fig.1 Sketch map of study area

2 研究方法

2.1 数据来源

研究区遥感数据是从美国地质调查局网站(http://earthexplorer.usgs.gov/)下载，选取的是1990 年、2000年和2014年8月的空间分辨率为30 m的Landsat TM 遥感数据。属性数据来源于《新疆辉煌50 年》和《新疆统计年鉴》（1990—2014）。

2.2 精度验证

目前，国内外学者主要采用混淆矩阵的方法来评估遥感解译的准确性。根据2014年的绿洲信息，该研究提取了该领域的150个随机点，以验证混淆矩阵。这些随机单位包括耕地，林地，草地，建设用地，水域，冰川和未利用的土地；根据实地调查结果和Google Earth的高分辨率图像，验证了研究区域内的土地类型。结果表明，研究区耕地分类准确率达到81.2%。草地分类精度为83.6%，建设用地和水体分类精度分别为80.4%和84.7%。未利用地精度达到81.7%，林地为82.5%，冰川为83.6%，Kappa系数为0.86，符合研究要求。

2.3 土地利用动态度

该指标可以定量描述研究区某一时间范围内某种土地利用类型的数量变化率，对预测未来土地变化趋势起到积极作用[16-17]，公式为：

式中：K为某一土地类型在研究期间内的动态变化程度；Ua、Ub分别为研究时期开始与结束时该土地利用类型的面积；T为研究时间的长度。

2.4 土地利用结构信息熵与均衡度

信息熵水平可以反映土地结构均衡程度[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，公式为：

由于不同土地类型在不同发展阶段的信息熵缺乏全面的可比性[19]，则引入土地利用结构均衡度（E）。土地利用结构均衡度基于信息熵函数，作为衡量土地利用结构的均衡性，公式为：

式中：m、Pi分别表示土地利用类型数、第i类土地利用类型的面积比例。

2.5 生态系统服务价值测评

在评估生态系统服务的价值时，一些学者将生态系统服务功能分为气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料生产和娱乐文化等9 项服务功能，建立了中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数[20]。根据研究区实际情况，本文利用Costanza 生态系统服务价值公式，参考中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数，计算渭干-库车河流域生态系统服务价值。

式中：ESV为生态系统服务总价值（元）；Ak为第k种景观类型的分别面积（hm2）；VCk为第k种景观类型的生态价值系数。

3 结果与分析

3.1 渭干-库车河流域土地利用/覆被变化

3.1.1 土地利用/覆被变化

1990—2014 年，渭干-库车河流域土地利用发生显著变化（图2）。主要表现为耕地和未利用地面积的持续增加以及草地面积的不断减少。25 a 间新增耕地面积1 755.87 km2，增长率达53.10%，主要集中于渭干-库车河流域的中、下游，其中大部分集中于库车河的下游，小部分集中于渭干河的中游部分；未利用地面积增加了14.64%，在渭干河上游和库车河下游增加十分明显；草地以255.70 km2/a 的速度减少，减少了近23.44%，大部分草地面积减少集中于库车河中、下游，渭干河中游也有小部分草地面积减少；冰川面积减少了54.25%，主要集中于渭干河上游；建设用地面积减少了7.77 %；林地面积有所增加，增幅为 8.81%，主要集中在渭干-库车河上游。自1990—2014 年以来，研究区不同土地利用/覆盖类型的等级保持不变，表现出未利用地>草地>耕地>林地>建设用地。

图2 1990—2014 渭干-库车河流域土地利用变化 Fig.2 Land uses in the Weigan-Kuqa Rivers Basin from 1990 to 2014

3.1.2 土地利用动态度

1990—2014 年渭干-库车河流域各类型土地利用情况发生了明显变化（表1）。其中，1990—2000年间，研究区耕地土地利用动态度为0.54%，表明耕地的土地利用类型呈扩张趋势；林地和建设用地出现负动态度值，反映了1990—2014 年林地和建设用地面积的减少，其中林地面积减少最为明显，草地和未利用地面积变化幅度不大；水体的动态度为0.23%，表明水体面积呈增长趋势，由于高山积雪消融加速，使渭干-库车河流域的水体面积增加。2000—2014 年，除耕地和水体面积持续增加外，林地的面积增加显著，动态度为1.01%；草地土地利用面积有了明显减少，动态度为-1.64%；冰川的动态度为-3.88%，呈现出明显减少趋势，15 a 来减少了1 036.70 km2，水体土地利用面积呈现明显的扩张趋势，动态度为4.84%；这主要是由于全球变暖，研究区在2000—2014 年期间平均温度增加了1.3 ℃，气温升高导致山上的积雪加速融化，水体面积不断增加，再加上渭干-库车河流域的中、下游耕地面积不断扩大，灌溉用水量不断增多所导致。耕地面积在这15 a间明显增加，达到3.23%，耕地面积增加的主要原因是20 世纪90 年代以来产业结构的大力调整，以大面积种植棉花取代种植粮食作物，而2000 年以后国家先后减免农业税再加上粮食和棉花价格的持续攀升造成耕地面积的快速增加[21]，随着城市化建设的进行，建设用地动态度减小趋势相比前10 年有所降低，为-0.19%；2000—2014 年林地动态度为1.01%，比前10 年的-0.46%有所增加，充分说明以经济建设为中心的造林政策在该地区范围内得到了很好的贯彻和实施。施肥和农业使用的不合理以及灌溉技术的不恰当运用，导致研究区未利用地面积增加，其动态度为1.05%。

表1 1990—2014 年渭干-库车河流域土地利用动态 Table 1 Land use dynamic index of Weigan-Kuqa Rivers Basin during 1990—2014 km2

表2 1990—2014 年土地类型转移矩阵 Table 2 Nature of the land cover changes from 1990—2014

3.2 土地利用空间耦合

3.2.1 土地利用类型转化

由1990—2014 年渭干-库车河流域转移矩阵可以看出（表2），25 a 来研究区土地利用/土地覆被格局变化明显，各土地类型间的面积转化频繁。对1990—2000年和2000—2014 年2 个时段的土地利用类型的时空变化情况分析可见：

1）1990—2000 年各土地类型转化十分突出，草地面积的转化非常剧烈。其中，雪冰的转化比例很大，主要转化为水体，是由于山上的积雪融化加快，导致渭干-库车河流域水体面积增加，位于渭干-库车河上游周围的未利用地向草地转化，草地的变化十分剧烈。耕地向水体和建设用地的转化比例较小，其中向建设用地转化比例只占1990 年耕地面积的0.06%，建设用地则分别转化为耕地和未利用地，其中向耕地转化比例占1990 年建设用地面积的54.63%，耕地增加的来源依次是草地和未利用地，转化比例分别为22.87%和20.57%；林地变化最为显著，林地面积大幅减少，其中19.19%和24.35%转化为草地和建设用地。

2）耕地扩张主要发生在2000—2014 年，研究区耕地面积的6.38%和30.26%分别由草地和未利用地转化而来。建设用地12.54%、21.51%和5.02%分别源于草地、冰川及未利用地，建设用地向耕地转化发生在这一时期。林地面积的增加依次来源于草地、未利用地和耕地，分别占18.74%、6.59%和6.31%；在此期间，水体面积明显减少，并且明显转化为其他土地类型。从转移的角度来看，主要的特征是渭干-库车河流域的草地退化转变为未利用地和未利用地向耕地转化，2000—2014 年有7.07%的草地退化为未利用地，13.69%的林地转化为耕地；渭干河中游耕地对林、草及未利用地的侵占与库车河中下游林、草地退化同时发生，呈现出渭干河中游和库车河中下游土地利用在时间和空间上的耦合。尤其表现在渭干河中游绿洲区未利用地转化为耕地，体现出明显的“人进沙退”；可见，从1990—2014 年人类对绿洲大规模的开发是造成耕地与未利用地这种空间耦合的驱动因素之一。

3.2.2 流域稳定性分析

依据渭干-库车河流域1990 年、2000 年和2014年土地类型数据，结合式（2）和式（3）计算出用地信息熵和均衡度，并绘制信息熵和均衡趋势（图3）。

图3 用地结构信息熵与均衡度变化 Fig.3 Change of land use information entropy and equilibrium degree

可以看出，土地利用信息熵从1990—2000 年呈上升趋势，表明土地利用系统在此期间没有发生剧烈的变化；在2000—2014 年期间，土地利用信息熵迅速增加，表明在这期间土地利用系统的无序化剧烈变化，且有加速趋势，耕地和草地面积的变化在这一过程中起着重要作用。均衡趋势与信息熵相似，其数值从1990 年的0.698 上升到2000 年的0.702，2014 年增长至0.732，2000—2014 年间增长率为4.34%，表明渭干-库车河流域的土地利用结构变得均衡，各种土地面积分布的平衡程度得到了改善。因此，均衡性程度的增强与绿洲系统区域的不稳定呈空间耦合。

3.3 土地利用变化的生态效应

3.3.1 绿洲生态服务功能下降

生态系统服务功能是指人类依赖于生态系统和生态过程所形成的自然环境条件与效用[22]。根据研究区土地利用变化引起的生态系统服务变化，采用生态系统服务价值评估方法评价渭干-库车河流域的生态系统价值，结果表明，1990—2014 年，研究区生态服务价值下降了22.78×108元，下降19.78%。其中，原材料生产、水源涵养、土壤形成与保护及生物多样性保护等服务功能下降（表3）。可见，研究区生态服务价值下降，水资源的大量消耗并未实现区域“生态-经济-水”的协调发展，反而导致绿洲生态服务功能下降。

表3 生态系统服务价值变化 Table 3 Change of ecosystem service value 108 元

3.3.2 渭干-库车河流域生态恶化

随着全球变暖的加剧，气温升高导致冰雪加速融化，山区冰川储量减少，径流和降水的迅速增长[23]，由于研究区1990—2014 年期间气温以0.06 ℃/a 的速率升高，降水以1.09 mm/a 的速度增加，气温和降水量显著升高，冰川面积明显减少。然而，由于渭干-库车河流域气候非常干燥，蒸发强烈，生态环境敏感，农作物生长依赖灌溉。水资源没有得到充分利用并且越发短缺，使流域植被趋于退化。随着经济的不断发展，土地被人类不断开垦利用，土壤盐渍化逐渐变成流域生态环境面临的重要问题，土壤盐渍化阻碍着干旱区的发展，威胁流域内生态环境的稳定性[24]。由于土地开垦后不科学的灌溉方式及过度开发地下水导致水资源紧缺，导致土壤盐渍化问题加重，土壤肥力和耕地质量也大大降低，从而抑制了作物的代谢及适应性，致使农作物产量减少的和植被大量死亡；促使原生物种大量消失，物种结构高度简化，生物多样性和生态系统多样性降低，加剧草地退化，甚至引发沙漠化问题，严重危害绿洲系统的安全稳定，对渭干-库车河流域的生态安全和可持续发展构成了巨大威胁。

此外，人口因素同样影响着干旱区的土地利用/覆被变化。流域内2014年人口达88.76万人，与1990年相比，人口增加了24.84万人，增长率为38.86%。伴随着人口数量的增加，土地利用程度不断提高，人口的迅速增长导致环境资源承载能力不足，使生态问题不断加重，人们对土地资源过度开发和不合理使用，加剧了植被退化，增加了现有的土地压力。

4 讨 论

通过对遥感影像的解译和处理，可以更好地分析研究区土地利用变化的空间分布格局，对整个研究区内各个土地类型在时间和空间上的变化进行不同角度下的研究。目前，对渭干库车河流域的土地利用时空格局变化的分析已取得了一些成果，如王娟等[25]采用对1989、1998 年以及2013 年多期遥感影像进行分类及统计，讨论了土地利用变化对水文及生态特征产生的影响。康璇等[26]将1989—2013 年间的土地类型分为6 种景观类型，通过计算研究区的生态风险指数进为绿洲生态环境保护与管理提供参考。这些研究结果都表明渭干-库车河流域的生态环境十分脆弱，并处于不断恶化的阶段。本文基于遥感数据获得的土地利用数据，通过计算动态度和转移矩阵，进一步定量分析了1990—2014 年的土地利用变化，结合信息熵、均衡度和生态服务价值，发现渭干-库车河流域生态价值呈下降状态，结果与前人研究相符。

随着社会的发展，人们生活质量越来越高, 对生态系统的要求也在不断提高,但是在某些生态系统服务价值增加的同时，某些服务功能的价值也有所下降。虽然当地的耕地面积在不断增加，意味着经济也在快速发展，但是敏感的生态环境依然是经济快速发展过程中不可忽略的重要问题。因此，在人口增长与经济快速发展的过程中，合理配置农业用水量，避免水资源的浪费；在经济效益提高的同时更多的兼顾农田生态系统，通过有更加效的控制土壤盐渍化，加快新型农业现代化的发展进程。

5 结 论

1）1990—2014 年间，渭干-库车河流域耕地变化率最大，增长率为53.10%，冰川面积减少最为显著，25 a 减少了54.25%，草地以255.70 km2/a 的速度减少，减少了近23.44%。1990—2000 年，耕地和水体增长趋势明显，土地利用变化动态度分别为0.54%和0.23%；2000—2014 年，耕地、林地和未利用地均有所增加，动态度分别为3.23%、1.05%和1.01%。

2）渭干-库车河流域耕地很大程度上由草地和未利用地转换而来，在渭干河中游和库车河下游区域最为明显。渭干河中游对林、草及未利用地的侵占与库车河中下游林、草地退化同时发生，呈现流域内土地利用在时间和空间上的耦合。

3）渭干-库车河流域信息熵和均衡度都呈现出先下降（1990—2000 年）后上升（2001—2014 年）的趋势，耕地和草地面积的变化是影响这一结果的主要因素。

4）伴随着人口数量的增加，土地利用程度不断提高，绿洲的扩张致使研究区生态服务价值下降，1990—2014 年来减少22.78×108元，下降19.78%。