基于GIS的干旱半干旱地区未利用地空间变化的生态风险测度

王晓莹,刘新平

基于GIS的干旱半干旱地区未利用地空间变化的生态风险测度

王晓莹,刘新平*

新疆农业大学, 新疆 乌鲁木齐 830052

为了探寻干旱半干旱地区未利用地时空变化对于区域生态环境的影响，利用和田地区1990年、2000年、2010年、2020年4期栅格数据，运用GIS技术，通过计算和田地区4个研究时段未利用地的变化率、变化率指数、景观格局指数来测度未利用地变化对生态环境造成的风险。结果表明：（1）荒草地、沙地与戈壁两种地类的转化，是和田地区土地生态环境恶化的主要原因之一；（2）和田地区的土地生态安全状况不容乐观，农牧业快速发展、生态用地过度转型为耕地和牧草地使和田地区的土地生态环境不断恶化；（3）近30年间，和田地区生态风险程度不断上升，土地生态系统的稳定性和抗干扰能力减弱，和田地区生态状况仍有恶化的趋势。

土地利用; 空间变化; 生态风险

土地利用生态风险是指由于自然灾害、人为活动共同作用导致的结果叠加而对一定区域内的土地生态系统结构造成干扰，从而导致区域内土地生态系统功能被削弱[1]。新疆地域辽阔，未利用地资源丰富，和田地区的未利用地占据了区域土地总面积的70%，对和田地区未利用地分布的时空变化进行研究，有助于更准确的界定人为活动如对土地生态环境的影响程度，而未利用地的变化则反映出了当地土地资源利用的格局和变化，直接影响了区域土地生态系统的安全状况，因此，寻找未利用地的时空变化规律，并以此为基础研究区域生态风险，可以为土地资源的合理利用提供理论参考，同时对维护区域生态安全具有现实意义。未利用地的时空变化过程极其复杂，具有地域性。同时受多种因素的影响，自然条件、社会因素、经济发展水平等都是其变化的重要驱动力，又具有综合性。随着人为活动给土地资源造成的压力不断增大，土地生态环境面临的风险也在不断增加，如何科学的对风险进行测度、预防、化解成为了目前土地生态风险研究的重点。Laura.E.Jackson认为土地生态风险研究的主要任务是给造成风险的原因进行排序，筛选出其中最主要的风险因素并对其进行遏制，缓解区域内的生态退化；Zhangchangqing侧重于对评价模型的研究，他对生态风险评价指标的选取和评价方法进行了创新，并以此对土地利用生态风险进行了预测。刘引鸽在此基础上进行了进一步创新，采用多种评价方法，将所有可能影响到土地生态系统的因素进行分类，建立评价指标体系，估算土地利用生态风险；徐兰等结合了景观生态学，利用景观格局指数建立评价模型，研究了土地时空分布变化如何对农牧交错带典型流域的生态环境产生影响[2]。

在研究尺度方面，目前已有的研究涵盖了省、市、县，研究区域涉及了流域、绿洲、平原、高原等[3]。但是针对干旱半干旱地区的未利用地变化研究却极少，并且在未利用地变化过程的分析中，忽略了将时间和空间的结合。因此，本文以新疆维吾尔自治区典型干旱地区和田地区为例，重点研究该区域1990-2020年未利用地的变化，以及其对生态环境的影响，以期为干旱半干旱地区土地资源的合理利用及区域土地生态系统的维护提供一定的参考依据。

1 研究区概况

和田地区地处新疆维吾尔自治区南隅，位于东经79.92°，北纬37.12°，占地2 492.7万hm2，现辖1个市、7个县。境内地形起伏大，最高点海拔5 500 m，最低点海拔1 250 m，属干旱半干旱地区，具有气候干旱、土地沙化严重等特征，属暖温带极端干旱的荒漠气候，风沙天多，日照强，南部山区年均降水量127.5～201.2 mm，绿洲平原区年均降水量28.9～47.1 mm。属于新疆降水量最少的区域之一。土地保土、保肥、保水能力极差，自然灾害频繁。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究当中采用了1990年、2000年、2010、2020年四期栅格数据，分辨率均为1 000 m。在获得栅格数据的基础上，在ArcGIS中对图像进行裁剪，得到的1990年、2000年、2010年、2020年的土地利用数据。通过查阅文献《基于生态安全的未利用地转型研究》，本文研究的未利用地类型主要是5类，分别为荒草地、水域、沙地与戈壁、盐沼地、裸土裸岩[4]。根据中科院资源环境科学与数据中心提供的土地利用数据（该数据土地利用类型包括6个一级类型：耕地（1）、林地（2）、草地（3）、水域（4）、建设用地（5）和未利用地（6）；以及25个二级类型）选取草地（3）中的低覆盖度草地（33）作为荒草地类。选取整个水域（4）作为一个未利用地类。合并未利用地（6）中的沙地（61）戈壁（62）作为沙地与戈壁地类。合并未利用地（6）中的盐碱地（63）沼泽地（4）作为盐沼地地类。合并未利用地（6）中的裸土地（65）裸岩石质地（66）其它未利用土地（67）作为裸土裸岩地类。

2.2 研究方法

2.2.1 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：第种未利用地类型的转出速率为TRL；第种未利用地类型的转入速率为TRL；第种未利用地类型的空间变化速率为CCL；研究初期第种未利用地类型的面积为LA(i,t1)；研究期间第种未利用地类型未变化部分的为ULA；研究期间第种未利用地类型转移部分的面积为LA(i,t1)-ULA；研究期间新增部分面积为LA(i,t2)-ULA；研究期初、期末的时间分别为1,2。

式中：第种未利用地类型的空间变化率指数为F，研究期间该类型未利用地变化为∆V；研究区面积为；研究期初、期末的时间为1,2。

2.2.3 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，土地要素总数量为，土地总面积为，A代表第类土地要素的面积，生态损失的差异为R。

2.2.4 未利用地转型综合生态风险度的指标选取现有研究往往从景观的抗干扰能力和脆弱程度来衡量景观生态风险，衡量景观抵御外力侵扰的能力通常选取景观破碎度指数、分离度指数、优势度指数，定量分析各类型景观在外力干扰中受到的损失通常选取景观干扰度指数、脆弱度指数、生态损失差异[6]。本研究借鉴已有研究成果，选取6个景观生态学指标建立生态风险评价指标体系（表1）。

表 1 景观指标

3 结果与分析

3.1 未利用地转型的空间类型

使用ArcGis10.2中ArcToolbox（SpatialAnalystReclassify，RasterCalulator）对四期栅格数据进行处理，得到和田地区1990-2000年、2000-2010年、2010-2020年未利用地空间变化，可以地看出和田地区近30年来各县市未利用地类型的变化情况。

表 2 和田地区1990至2000年未利用地转移矩阵/hm2

数据来源：《和田地区土地利用统计表》。下同。 Data from the statistic table of lands in Hetian District. The same as follows.

表 3 和田地区2000-2010年未利用地转移矩阵表/hm2

1990-2000年间，和田县、墨玉县、皮山县的未利用地大多转为耕地，策勒县、洛浦县的未利用地大多转为草地；2000-2010年间，皮山县、洛浦县的未利用地大多转为草地，和田县、墨玉县的未利用地大多转为耕地；2010-2020年间，和田市、和田县、墨玉县、皮山县的未利用地大多转为耕地，各县转为农村居民点的未利用地均有增加。

根据不同未利用地类型转出及转入（图1），可知：1990-2000年期间，荒草地变化较为强烈，转出占比为（45.48％），盐沼地转入占比最小（0.69％），荒草地主要转为耕地、草地，可见区域荒草地的被不断扩张的耕地和草地侵占，农业、畜牧业的快速发展导致荒草地面积锐减；沙地与戈壁的转入占比最大（42.83％），主要由荒草地和盐沼地转化而来；盐沼地的转出占比最小（7.90％）。2000-2010年期间（图2），沙地与戈壁的转出占比最大（67.52％），主要去向为耕地和草地，盐沼地的转入占比最大（53.51％），主要由草地和耕地转化而来[7]。裸土裸岩转出占比最小（0.05％），水域的转入占比最小（3.64％）。2010-2020年期间（图3），荒草地的转出占比最大（40.95％），主要转为了沙地、耕地和草地，其转入占比也最大（42.38％），主要由裸土裸岩转化而来。盐沼地转出占比最小（2.02％），水域转入占比最小（0.27％）。

总体来看，荒草地和盐沼地大多转为耕地和草地，沙地与戈壁大幅增加，水域大幅缩减。分时段看，1990-2000年，未利用地主要在耕地、草地、荒草地沙地与戈壁、裸土裸岩间转化；2000-2010年，未利用地主要在荒草地、耕地间转化；2010-2020年间，未利用地在各个地类间均有明显转换。

图 1 1990-2000年间和田地区未利用地转移去向

图 2 2000-2010年间和田地区未利用地转移去向

图 3 2010-2020年间和田地区未利用地转移去向

3.2 未利用地转型的空间特征

从表5看出，1990-2000年研究区域沙地与戈壁的空间变化最为活跃，荒草地次之，其中，荒草地的变化速率从19.33％上升到30.52％，又下降到18.54%；沙地与戈壁从20.20％上升到26.10％，又下降到21.01%；裸土裸岩的变化速率最小，从10.08％上升到了20％，又下降到17.46%。1990-2000年间，荒草地、沙地与戈壁的减少速率最快（10％），裸土裸岩的减少速率最慢（0.10％）；沙地与戈壁的增加速率最快（10.20％），盐沼地的增加速率最慢（6.85％）。2000-2010年，盐沼地减少速率最快（23.87％），裸土裸岩减少速率最慢（10％）；而裸土裸岩增加速率最快（10％），沙地与戈壁增加速率最慢（8.16％）。2010-2020年，盐沼地和水域减少速率最快（9.99％），荒草地减少速率最慢（9.75％）；而沙地与戈壁增加速率最快（11.03％），盐沼地增加速率最慢（1.60％）[8]。可见，2010-2020年间，生态用地减少速率最快，非生态用地增加速率最快，说明在此期间和田地区的生态环境不容乐观。

从表6看出，1990-2000年沙地与戈壁的空间变化率指数达到9.27％，说明沙地与戈壁的变化最为剧烈；荒草地和裸土裸岩变化的幅度也较为明显，分别为3.23％和2.47％。2000-2010年沙地与戈壁变化幅度最大，达12.26％，裸土裸岩次之，为4.91％。2010-2020年沙地与戈壁变化幅度最大，为9.86％，其次是裸土裸岩和荒草地，分别为4.29％和2.93%。对比三个时段的未利用地变化情况，和田地区未利用地的空间变化率呈“慢—快—慢”的趋势，说明和田地区的土地空间动态变化强度随着未利用地转型频繁程度的增加而增加。

表 5 和田地区未利用地空间变化速率/%

表 6 和田地区未利用地空间变化率指数/%

3.3 土地生态风险空间分析

根据公式（5）计算出和田地区1990年、2000年、2010年、2020年的未利用地生态风险指数，分别为0.0133，0.0135，0.0136，0.0143。可见和田地区近30年的未利用地生态风险程度呈现不断增大的趋势。通过计算可得各县市的未利用地生态风险指数（表7）：近30年来，在和田地区的8个县市中，有4个县区的未利用地生态风险指数是持续减小的，另4个县市的未利用地生态风险指数均上升，且上升幅度大于下降幅度，说明和田地区整体上的生态风险呈上升趋势。

表 7 1990-2020年和田地区各县市土地生态风险指数

本文依据以往学者的研究结果，将和田地区生态风险级别等距划分为5个等级：≤0.015(低生态风险)、0.0150＜≤0.0200(较低生态风险)、0.0200＜≤0.0205(中生态风险)、0.0205＜≤0.0210(较高生态风险)、≥0.0210(高生态风险)。通过ArcGis10.2平台得到1990年、2000年、2010年、2020年各县市未利用地生态风险空间分级图（图4）。可以看出，1990年、2000年和2010年，全地区只有墨玉县、洛浦县达到了较高生态风险等级；2020年，民丰县的生态风险值迅速增长，达到了高生态风险级。其中洛浦县的生态风险值有略微下降，但仍属于较高生态风险等级。到2020年时，全地区的生态风险指数呈大幅增长趋势，和田地区的生态风险状况仍不容忽视[9]。

图 4 未利用地变化生态风险空间等级

通过对未利用地动态变化的规律和特征的分析，可以发现荒草地、沙地与戈壁是和田地区变化最为明显的两种地类。特别是墨玉县、洛浦县、民丰县和于田县的北部，沙地与戈壁数量大，耕地和草地不断侵蚀荒草地和水域，使和田地区生态风险等级不断提高。

3.4 未利用地转型的综合生态风险度分析

综合以上分析，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1990年、2000年、2010年、2020年的和田地区未利用地转型综合生态风险度（表8）。

表 8 1990年、2000年、2010年、2020年和田地区未利用地转型综合生态风险度

由表8可知，和田地区的未利用地转型综合生态风险度呈先减少后增大趋势。即从1990年的0.0133上升到2000年的0.0135，又上升到2010年的0.0136，最后上升到2020年的0.0143。具体来看，破碎度、优势度、生态损失差异指数一直减小，分离度、脆弱度指数一直增大，干扰度指数先减小后增大又减小。分析如下:

分离度指数一直增大，景观分离度指数反映了同一景观中同种斑块的分布集聚程度，由于未利用地转型导致土地利用结构发生改变，导致景观中斑块的分布由聚集趋向分散，分离度指数的增大[10]。景观分离度的增加表示景观抗干扰能力的降低，景观更容易被外力侵袭，致使这一时期土地生态系统不稳定，区域生态风险加剧。

脆弱度指数呈现逐渐增大趋势，由于和田地区气候干燥，蒸发量大，风沙日数多，为土地沙化、水土流失提供了必要的自然条件，导致沙地与戈壁面积的不断扩大，加上不科学的开垦、不合理的未利用地转型等使和田地区土地沙化、土壤退化的程度不断加深，其直接表现在景观脆弱度指数增加，严重影响了该区域生态系统的安全。

生态损失差异指数呈减少趋势，生态损失差异指数取决于干扰度和脆弱度，生态损失差异指数的减小说明该景观的干扰度指数和脆弱度指数之间的差异逐渐减少。说明景观抗干扰能力弱，生态系统不稳定性，生物多样性也因为生态系统的不稳定而减少，最终造成了生态环境的恶化。

干扰度指数先减小后增大又减小的趋势，1990-2000年间，由于研究区的自然资源尚未被开发，人为活动给土地造成的压力较小；2000-2010年间，由于这一时期交通更加便捷，更有利于对土地资源进行开发，因此这一时期和田地区景观干扰度指数呈增大趋势。2010-2020年间，随着人们保护生态环境意识的增强，开始有意识地减少对土地的干扰，因此这一时期和田地区景观干扰度指数减小。

优势度指数呈减小趋势，优势度指数减小表示在研究区内占比较多的景观类型的面积有所缩减。和田地区占主导地位的景观为沙地与戈壁和裸土裸岩，优势度指数的下降源于2020年和田地区的防沙治沙工程取得了较好的成果，致使裸土裸岩的面积大幅度减少，和田地区各景观的占比差异有减小趋势[11]。

破碎度指数同样呈减小趋势，破碎度指数表示景观在研究区内的分布状态，破碎度指数增大说明景观分布较为分散，破碎度指数减小说明景观分布较为集中。景观的分布会影响到区域内的生物多样性，景观的破碎化程度越高，越不利于生物的繁衍生息，生物种群灭绝的速率越快，从而导致区域生态风险增加。

4 结论

本文基于遥感解译数据，以未利用地转移矩阵的方式对1990-2020年未利用地在时间尺度和空间尺度上的变化规律，根据规律找出未利用地转型与生态环境的关系，进而通过未利用地景观格局指数构建未利用地转型生态风险评价指标体系。以期为西北干旱区未利用地资源的合理转型、促进和田地区走社会经济与生态环境协同高质量发展之路奠定坚实的理论基础。结论如下：

（1）运用GIS空间分析工具，分析未利用地间面积相互转化的情况。研究发现，和田地区近30年间，荒草地、水域不断减少，沙地与戈壁不断增加，转型最明显的是荒草地和水域转变为沙地与戈壁、裸土裸岩、耕地、草地。造成这一结果的原因是农牧业快速发展以及耕地、牧草地的极速扩张；1990-2020年，沙地与戈壁转出482 173.74 hm2，转入2 057 512.31 hm2。荒草地一共转出了2 730 734.39 hm2，转入2 356 308.60 hm2。水域转出546 301.48 hm2，转入206 328.04 hm2。盐沼地转出190 331.28 hm2，转入87 627.02 hm2；裸土裸岩转出2 480 979.83 hm2，转入1 035 881.96 hm2。由此，可知，这30年间和田地区未利用地变化较显著。荒草地转出量最大，转入量最小，受人为活动的干扰最强；其次是水域，减少量也很大。沙地与戈壁的转出量最小，转入量最大。沙地与戈壁、裸土裸岩处于绝对优势的地位，占研究区土地面积的80%，因其基数大，转型难度高，易侵蚀其它地类。盐沼地总面积占比较少，在这三十年中也在不断减少，截止2020年减少了44 556.85 hm2。

（2）从景观格局指数看，和田地区北部的墨玉县、洛浦县的荒草地、水域等生态用地破碎程度较高，内部斑块更为复杂，受人类活动的干扰最强。和田地区东部的民丰县、于田县内的裸土裸岩、沙地与戈壁等非生态用地基数最大，优势度最高，受人类活动的干扰最[12]。和田市、和田县、皮山县因为未利用地转型幅度小、受人类活动的影响较小、水源相对充足。近30年和田地区生态风险等级从低到高转移规模总共为3 560 668.4 hm2，在全部转移量中的占比为55.28%，相应的从高到低等级转移面积是2 880 080.72 hm2，在全部转移量中的占比为44.72%，表明和田地区生态风险呈现出增加的趋势。对此，有两种途径可以规避生态风险。一是尽量避开生态风险指数较高的地区，对于生态系统脆弱性强，抗干扰能力弱、自然条件特殊或有稀有动植物地区的未利用地不予以开发。二是采取一些技术手段，对未利用地转型过程中产生的损害和干扰，进行一定程度上的修复和保护。这种途径需要在未利用地转型之前做好生态风险评价，将防范风险置于未利用地转型中的首要位置。

[1] 吴楠,张永福,李瑞.基于景观指数的干旱区河谷县域土地利用生态风险分析及预测[J].水土保持研究,2018,25(2):207-212

[2] Zhang CQ, Dong B, Liu L,. Study on ecological risk assessment for land-use of wetland based on different scale [J]. Journal of the Indian Society of Remote Sensing, 2016,44(5):1-8

[3] 徐兰,罗维,周宝同.基于土地利用变化的农牧交错带典型流域生态风险评价:以洋河为例[J].自然资源学报,2015,30(4):580-590

[4] 潘竟虎,刘晓.疏勒河流域景观生态风险评价与生态安全格局优化构建[J].生态学杂志,2018,35(3):791-799

[5] 乔蕻强.石羊河流域景观格局变化及生态安全构建研究[D].兰州:甘肃农业大学,2019

[6] 金钊,王云强,高光耀,等.地球关键带与地表通量综合观测研究为黄土高原生态保护和可持续发展提供有力的科 技支撑[J].中国科学院院刊,2020,35(3):378-387

[7] 白玉斌.生态保护理念下农村土地综合整治研究[J].农业与技术,2021,41(15):129-132

[8] 杨帆,李祝,罗文丽.河网型城市土地利用对水安全的影响及其优化管控——以岳阳市为例[J].经济地理,2021,41(8):177-186

[9] 龚显龙.基于生态视角的岩溶区城市化进程中土地利用转型研究—以贵阳市花溪区为例[D].贵州:贵州师范大学,2017

[10] 殷浩文,刘敏,王绿平,等.安乃近代谢产物4-乙酰氨基安替比林的水生急性毒性研究[J].生态毒理学报,2020,15(3):108-115

[11] 彭羽,尚佳欣,张扬.基于生态风险评价的城市空间布局研究—以雄安地区为例[J].中央民族大学学报,2021,30(3):19-24,80

[12] 许妍,陈佳枫,徐磊,.白洋淀表层沉积物中有机氯农药和全多氯联苯的分布特征及风险评估[J].湖泊科 学,2020,32(3):654-664

The Ecological Risk Measurement of Unused Lands in Arid and Semi-arid Regions on GIS

WANG Xiao-ying, LIU Xin-ping*

College of Management/Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China

In order to explore the impact of spatio-temporal change of unused land on regional ecological environment in arid and semi-arid areas, using grid data of Hotan Area in 1990, 2000, 2010 and 2020 and GIS technology, the risk of unused land change on ecological environment is measured by calculating the change rate, change rate index and landscape pattern index of unused land in Hotan Area in four research periods. The results show that: (1) the transformation of wasteland, sandy land and Gobi is one of the main reasons for the deterioration of land ecological environment in Hotan area; (2) the situation of land ecological security in Hotan area is not optimistic. Thefast improvement of agriculture and animal husbandry and the excessive transformation of ecological land into cultivated land and pasture make the land ecological environment in Hotan area deteriorate continuously; (3) In recent 30 years, the degree of ecological risk in Hotan area has been rising, the stability and anti-interference ability of land ecosystem have been weakened, and the ecological situation in Hotan area still has a trend of deterioration.

Land utilization; spatial change; ecological risk

F301.24

A

1000-2324(2022)02-0294-08

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.02.017

2021-04-02

2021-05-12

王晓莹(1994-),女,硕士研究生在读,研究方向:土地利用与土地生态. E-mail:wxy1631020@163.com

Author for correspondence. E-mail:lxping16@163.com