和田地区未利用地转型生态风险测度及用地预测

■ 王晓莹 刘新平

〔新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052〕

一、引言

土地利用转型生态风险的研究是对于自然灾害和人类活动对于生态环境影响的测度。廖柳文等[1]利用将土地利用的遥感影像数据叠加，提取其用地特征来研究其如何影响生态弹性度演变；赵丽[2]从这个角度分析三生功能的时间、空间分布特征。除了通过土地利用类型的分布特征来测算其对生态环境的影响程度以外，李凌超、刘金龙[3-4]也研究分析了影响森林转型的主要因素和其转型路径，在生态安全的基础上找出土地利用转型的最优方案。在研究方法方面，彭羽[5-6]采用ArcGIS叠加法分析生态风险成因和趋向；李鑫[7]和吴剑[8]则使用线性回归与空间自相关等分析方法；韩茹茹[9]利用PSR模型分析了太湖流域的生态风险；潘竟虎、吴莉[10-11]等采用景观生态指数模型进行土地利用生态风险评价；巩杰、谢余初[12]等人将地形、气象、人口等因素加权计算获得生态脆弱性指数。随着研究的不断深入，对于土地利用转型生态风险的研究思路也在不断拓宽，徐学工[13]等认为确定生态风险的程度应该从生态系统的损失和脆弱度的角度；刘文新[14]等提出了可操作性较强的生态风险评价方法。本文从景观干扰度、景观脆弱度、生态损失差异三个方面构建生态风险评价指标体系，对和田地区未利用地转型生态风险进行分析，并提出生态风险防控的相关建议，以期和田地区的生态环境不断好转。

二、数据来源与研究方法

（一）数据来源与处理

本文影像图资料来源于资源环境数据中心，利用ENVI 4.8对和田地区1980年和2008年、2018年的Landsat遥感影像做前期的波段融合、几何矫正、影像裁剪等预处理。基于全国土地分类系统，根据和田地区的土地利用/土地覆被特征、结合土地利用总体规划数据库和土地利用总体规划调整完善数据库中的土地利用分类体系对数据进行精度验证，主要为目视解译，辅以土地变更数据；再利用Arc Map 10.2软件对两期影像图进行数据矢量化，得出和田地区土地利用/土地覆被变化数据。

（二）研究方法

1.未利用地动态变化空间分析模型。

本文引用未利用地动态变化空间分析模型，对和田地区未利用地变化在研究期间的活跃和强烈程度进行测度，其计算公式为：

式中：第i种未利用地类型的转出速率为TRLi；第i种未利用地类型的转入速率为IRLi；第i种未利用地类型的空间变化速率为CCLi；研究初期第i种未利用地类型的面积为LAi（i，t1）；研究期间第i种未利用地类型未变化部分的为ULAi；研究期间第i种未利用地类型转移部分的面积为LAi（i，t1）～ULAi；研究期间新增部分面积为LA（i，t2）～ULAi；研究期初、期末的时间分别为t1，t2。

2.未利用地空间变化率指数。

未利用地动态变化空间分析模型缺乏针对各未利用地类型相互转化剧烈程度的描述。为测算研究期间某未利用地类型空间变化的规模和变化程度，本文引入未利用地空间变化率指数。其计算公式为：

式中：第i种未利用地类型的空间变化率指数为Fi，研究期间该类型未利用地变化为△Vi；研究区面积为A；研究期初、期末的时间为t1，t2。

3.生态风险指数。

根据和田地区各个土地利用类型的面积，对土地利用类型和生态风险的相关性进行分析，构建各土地要素的生态风险综合指数。其表达公式为：

式中:生态风险指数为ERI，土地要素总数量为N，土地总面积为A，Ai代表第i类土地要素的面积，生态损失的差异为Ri。

4.未利用地转型综合生态风险度的指标选取（见表1）。

表1 景观指标

5.马尔科夫预测模型。

在一定条件下，土地利用的演变过程是一种特殊的随机运动过程，具有马尔科夫过程的性质。马尔科夫预测模型常被用来预测土地利用数量变化，其表达式如下：

式中：分别为n和n-1时刻的系统状态分别是X（n）、X（n-1），转移概念矩阵为Pij，该矩阵需要满足，矩阵每行元素之和等于1；②0≤Pij≤1（i，j=0，1，2，…，n），矩阵中每个元素都必须非负。

和田地区2028年的土地利用结构满足以下3个条件：①转移矩阵P逐期保持不变；②2018—2028年土地利用类型不会发生大的改变，比如突然消失或突然出现某一种地类；③状态的转移不受前一时期以前的状况影响，可以采用马尔科夫模型预测和田地区2028年的土地利用结构。

三、结果与分析

（一）未利用地转型的空间类型

本文结合和田地区实际情况，本着简洁明了和切合实际的原则，将和田地区未利用地划分为荒草地、沙地、盐碱地、湿地、水域、裸土裸岩。为了更加直观地描述和田地区未利用地相互转化的情况，本文将三期矢量化的分布图进行叠加，将和田地区主要的未利用地转型空间分布特征进行提取，并通过计算得出和田地区未利用地空间变化速率和空间变化指数（见表2）。

表2 和田地区1980年—2018年未利用地转移矩阵 单位：hm2

表3 和田地区1980年—2018年未利用地向农用地、建设用地转移矩阵 单位：hm2

表3 和田地区1980年—2018年未利用地向农用地、建设用地转移矩阵（续） 单位：hm2

1980 年—2008 年间，和田地区荒草地转出为4 199 217.41 hm2，转入面积是3 983 098.43 hm2，转出大于转入，面积净减少216 118.98 hm2。转出的荒草地大部分成为了不具有生态功能的沙地，一部分变为农用地。荒草地具有涵养水源，增加地下水含量的生态功能，其大量减少是土地沙漠化、土地荒漠化和土地盐碱化的原因之一。1980年—2008年间，沙地面积净增加272 458.45 hm2，水域面积净减少7 386.93 hm2。在1994年前后，和田地区因玉石挖掘和气田开发等原因，使得和田河水中含沙量明显增加，严重破坏了生态环境，导致水土流失面积明显增大。1994年后，和田地区加强了对生态环境保护，通过植树和种草、封禁封育等治理土地沙化、土地荒漠化已经取得了一定的成果，裸土裸岩面积净减少10 193.74 hm2，湿地面积净增加8 892.55 hm2。

2008 年—2018 年间，荒草地的转出面积为3 968 903 hm2，转入面积是3 767 376 hm2，面积净减少201 527 hm2。1 326 404 hm2的荒草地变成了沙地，1 597 289 hm2的裸土裸岩变成了荒草地。湿地面积净增加2 959.41 hm2，主要转出为荒草地。这两种具有生态功能的未利用地相互转化，一定程度上说明了和田地区在近年来在保持水土方面的取得了一定的成绩。通过查阅资料得知，在2008—2018年间，和田地区对水土流失的治理比较重视。2018年建立“河长制”后，水土流失治理面积达到66 020 hm2。

2008年—2018年间，和田地区沙地的面积净增加12 871 464 hm2，比1980年—2008年间沙地净增加面积增长了1 065 633.73 hm2。风沙侵蚀和干旱导致了和田地区的土地沙漠化和植被的减少，而且和田地区本就与塔克拉玛干沙漠相邻，和田地区6个县市中，有5个都坐落在塔克拉玛干沙漠南缘，沙地和戈壁的自然形成发展有其历史原因。该地区常年气候干燥，降水稀少，生长的草甸植物、荒漠植物均属盐生植物，抑制水土流失的作用发挥有限。沙地和戈壁面积的增加是不可避免的。但是大量的植树种草和土地沙漠化的治理还是让和田地区的土地生态环境恶化得到了一定的遏制，盐碱地和裸土裸岩的减少就是明显的成果。尤其是2017年开展的保护和拯救塔里木河流域胡杨林专项行动，人工灌溉胡杨林，封育荒漠林。对于防风固沙和贮存地下水，尤其是保护和田地区地下水资源作用非常显著的胡杨林的保护，也是和田地区在维护生态环境方面取得的成绩。

（二）未利用地转型的空间特征

从表4看出，1980年—2008 年研究区域水域的空间变化最为活跃，沙地次之，都呈现很强烈的扩张态势，其中，水域的空间变化速率从6.30%上升到22.74%，沙地从5.88%上升到20.99%，湿地的空间变化最小，空间变化速率从6.48%上升到了15.32%。具体来看，1980年—2008年裸土裸岩的转出速率最快（3.49%），湿地的转出速率最慢（2.84%）；湿地的转入速率最快（3.64%），盐碱地的转入速率最慢（2.25%）。2008年—2018年，盐碱地转出速率最快（9.99%），湿地转出速率最慢（7.17%）；而水域转入速率最快（13.84%），裸土裸岩转入速率最慢（7.16%）。可见，后一时段均为未利用地转出速率最快、水域转入速率最快、湿地的转出速率最慢，说明在此期间和田地区的生态环境有好转的趋势。

表4 和田地区未利用地空间变化速率

从表5看出，1980年—2008年沙地的空间变化率指数达到2.68%，说明沙地的变化最为剧烈，与其他未利用地空间转化的幅度最大；裸土裸岩和荒草地剧烈程度也较为明显，分别为1.70%和1.14%。2008年—2018年沙地变化最为明显，达9.81%，裸土裸岩次之，为3.99%。从前后两个时段变化情况来看，所有未利用地类型的空间变化率后期均于前期，说明该区域的空间动态变化随着未利用地类型间频繁的相互转化而愈加突出。

表5 和田地区未利用地空间变化率指数

（三）土地生态风险空间分析

根据公式（5）计算出和田地区1980年、2008年、2018 年的土地生态风险指数，分别为0.036 5、0.025 6、0.030 1，可见和田地区近38年的土地生态风险程度呈现先减小后增大的趋势，通过计算可得各县市的土地生态风险指数（详见表6）。近38年来，在和田地区的8个县市中，只有于田县的土地生态风险指数是持续减小的，其余县市的土地生态风险指数均上升，说明和田地区整体上的土地生态风险呈上升趋势。

表6 1980年—2018年和田地区各县市土地生态风险指数

本文将和田地区生态风险级别等距划分为5个等级：ERI≤0.025（低生态风险）、0.025＜ERI≤0.050（较低生态风险）、0.050＜ERI≤0.075（中生态风险）、0.075＜ERI≤0.100（较高生态风险）、ERI＞0.100（高生态风险）。通过计算结果可以看出，和田市与和田县的生态风险值一直居高不下，达到了高生态风险级。墨玉县、洛浦县与民丰县的生态风险值持续上升，其中民丰县的增幅最大，由较低生态风险变为高生态风险。到2008年时，部分县市的生态状况得到改善，其中和田县、皮山县、策勒县、于田县的生态风险指数均有所下降，但是到2018年又有所上升，和田地区的生态风险状况仍不容忽视。

（四）未利用地转型的综合生态风险度分析

综合以上分析可知：景观优势度指数与生态风险程度成反比，为此取负号；景观破碎度指数与生态风险程度成正比，为此取正号。将优势度、破碎度、分离度、干扰度、脆弱度、生态损失差异归一化后，加和得到1980年、2008年、2018年的和田地区未利用地转型综合生态风险度（详见表7）。

表7 1980年、2008年、2018年和田地区未利用地转型综合生态风险度

和田地区的未利用地转型综合生态风险度从1980年的0.036 5下降到2008年的0.025 6，又上升到2018年的0.030 1，生态风险度呈现先减小后增大趋势。具体来看，优势度指数一直减小；其余指数先减小后增大，分析如下：

（1）1980年—2008 年，和田地区各土地利用破碎化程度得到了改善。分离度指数减少，说明这一时期各类土地空间分布趋于集中，优势度指数减少，说明这些各地类的生态功能有所下降。干扰度指数降低，有利于生物的生存和生态环境的保护。总体来看，1980年—2008 年土地利用生态风险呈现下降的趋势。

（2）2008年—2018 年，和田地区土地利用类型的空间分布呈分散破碎、不均匀的分布特征，破碎度指数、分离度指数和干扰度指数都有不同程度的增加，表明各类土地的破碎程度和分离程度加深、干扰强度增大，优势度指数持续减小，说明土地生态功能持续下降。总体看来，2008年—2018 年和田地区土地利用风险呈现增加的趋势。

综上所述，38 年间和田地区土地利用生态风险指数呈现先下降再上升的变化趋势。和田地区的生态问题主要成因一是因为不科学的未利用地转型结构，二是未利用地在农业化的转型过程中操之过急，致使土地生态功能下降。要降低和田地区的生态风险，除了转变农业生产方式，提高资源利用率以外，更重要的是不可因为经济发展的需求就盲目开发未利用地，在发展经济的同时，应寻求一种稳健的土地利用模式。

（五）2028年土地利用结构预测

由表8可知，1980年—2018 年和田地区耕地面积增加了203 687.55 hm2，建设用地面积减少了312 581.05 hm2，林地面积减少了30 099.06 hm2，草地面积增加了404 072.85 hm2，未利用地面积减少了265 080.29 hm2。通过Markov 预测模型预测出的和田地区2028 年耕地面积比2018 年增加了87 818.6 hm2，林地面积增加了12 956.36 hm2，草地面积增加了601 915.49 hm2，建设用地面积减少了420 245.4 hm2，未利用地面积减少了282 445.05 hm2。在未利用地类型中，荒草地面积减少了49 028.85 hm2，沙地面积减少了167 248.55 hm2，盐碱地面积减少了1 858.63 hm2，湿地面积减少了1 326.53 hm2，水域面积减少了1 165.17 hm2，裸土裸岩面积减少了61 817.33 hm2。

表8 2028年和田地区土地利用结构预测

四、结论

本文对从1980年到2018年和田地区未利用地的转化矩阵进行了分析，通过数据分析总结了38年来和田地区未利用地使用的特点，对未利用地转型的生态风险进行了评价，得出以下结论。

1.从未利用地转型的结构来看，1980年—2008年间转为农用地的荒草地面积为129 598 hm2，占农用地总转入面积的74.89%；转为农用地的湿地面积为1 808 hm2，占农用地总转入面积的10.45%；转为农用地的水域面积为6 684.56 hm2，占农用地总转入面积的0.35%；转为建设用地的荒草地面积为302 hm2，占建设用地总转入面积的29.55%；转为建设用地的湿地面积为83 hm2，占建设用地总转入面积的8.12%。2008年—2018年间，转为农用地的荒草地面积为517 156 hm2，占农用地总转入面积的50.87%；转为农用地的湿地面积为26 120 hm2，占农用地总转入面积的2.57%；转为农用地的水域面积为6 033 hm2，占农用地总转入面积的0.25%；转为建设用地的荒草地面积为1 172 hm2，占建设用地总转入面积的9.99%；转为建设用地的湿地面积为1 807 hm2，占建设用地总转入面积的15.4%。

2.从生态风险综合评价结果来看，通过对和田地区未利用地转型结构以及土地利用/土地覆被特点的分析，可以看出1980年—2008 年和田地区未利用地面积呈减少趋势，而未利用地中的荒草地、盐碱地、水域、裸土裸岩面积有明显下降。2008年—2018 年未利用地的面积持续减少，其中荒草地、湿地、裸土裸岩面积呈减少趋势。通过分析可以看出，随着和田地区人口的增加和对土地利用需求的增加，引发了生态问题，人类活动影响着土地利用结构的变化，而土地利用结构的变化影响着地区的生态环境。1980年—2028 年和田地区生态风险总体呈先下降再上升的趋势，土地利用生态风险指数由1980年的0.036 5下降至2008年的0.025 6，再增长至2018年的0.030 1。和田地区人多地少，加上原本多尘、少雨的气候，想要维持生态环境保护成果仍需加大力度突破传统的农业生产方式，努力解决缺水这一短板问题。

五、对策与建议

关于和田地区未利用地转型生态风险的防控，在提升农业产量，发展社会经济的同时保护生态环境，要做到以下几点。

1.科学合理的规划是前提，统一的指导是最可行的方式。和田地区的未利用地资源开发前景十分广阔，在开发前尤其需要合理的规划，严格按照规划来执行对未利用地资源的开发利用。对于沙地、裸土地、裸岩石质地等未利用地类型，要大力种植需水量少，蓄水能力强的胡杨林、怪柳等植物，尽量对其进行优化，增加地下水含量，改善生态环境，同时增加可开发的未利用地资源。

2.了解和田地区的农业基础和自然条件，提高科学技术水平，努力从沙漠中探寻发展出路[16-19]。“靠山吃山，靠水吃水，靠沙吃沙”，和田地区紧靠塔克拉玛干沙漠，土地沙化是一个历史性的问题，除了大力种植防风林，人工浇灌流域两旁的胡杨林这些防风治沙的手段外，也可以大胆探索，通过新技术的利用将经济发展的目光转移到沙地产业上来。不仅要推广种植、养殖的新技术，最大限度地利用资源，提高产量和效益，而且要最低限度地破坏生态环境；利用土壤改良手段进行盐碱地和沙化地的开发，同时将沙地产业进行大力推广，对于沙化地选择具有涵养水源、保持水土等生态功能的植被进行种植，保护地下水资源，减少裸土地的面积，降低土地沙化速率和沙化面积。同时，高效利用水资源，最大限度地对水资源进行节约，扩大有效灌溉面积，推广节水农业。

3.不要单一的先利用再治理，要做到“用前预防，用时科学，用后治理”。经济的快速发展需要开发建设用地，和田地区以农业生产为主，工业发展缓慢。未利用地大多转为农村居民点，大力发展工业，可以减少和田地区各县市对农业的依赖，有助于经济的发展。但是和田地区工业的发展绝不能以破坏生态环境为代价，未利用地向建设用地的转型应遵循与农业化转型同样的原则。对于需要对目前的和田地区生态资源进行开发的工业要严格控制。大力发展和引进那些在保护环境过程中能够起到积极的推动作用的工业；绝不能破坏现有的生态资源，而且，建设用地在开发后要对生态环境造成的影响进行补偿[20-23]。

4.增加生态投入是根本。生态保护投资规模小，投资渠道单一，生态治理项目效益低；信息不对称，渠道不通畅，难以良好的支撑生态管理。只有加大国家对生态保护的投入，才能促进各类生态治理设施的建设，提高生态环境治理水平和各类生态治理项目的效益。

5.加强自然资源执法监督是保障。实施重大典型违法案件跟踪督办、案件联合审查、执法监督动态检查制度。利用卫星遥感、微信举报和“一张图”管理等新型监管方式，从源头上遏制破坏生态环境、浪费自然资源的行为。