和田地区耕地时空演变的生产-生态效应研究

努尔比耶·奥布力艾散，阿依吐尔逊·沙木西，艾则买提江·麦麦提图尔荪

（1.新疆农业大学公共管理学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054）

2020 年，国家“十四五”规划明确提出，要形成农业主产区和生态功能保护区的空间格局，确保粮食与生态双保护是国家安全层面上的重大战略需求。2020 年《新疆维吾尔自治区关于构建现代环境治理体系的实施意见》中也要求耕地保护与利用和生态相融合，这说明西部地区也在大力推进农业生产和生态同保护。随着城镇化水平的逐渐提高，土地资源约束明显趋紧，各类用地类型数量和动态度变化日益复杂[1]。耕地是为人类提供生存资源的重要地类，对我国而言，保护一定数量的耕地资源并提升其生产能力，才能保住粮食安全的生命线。同时，作为绿地的耕地具有生态保护功能，其变化在一定程度上影响区域生态系统平衡[2-4]。据报道，我国未来15 年的粮食缺口明显增大[5]，生态流失逐渐加重，且主要发生在我国西北、东北等生态脆弱地区[6-7]。耕地变化是在特定时期内某一地域的耕地利用形态转变过程，表现为耕地与其他地类的相互转换，是耕地利用系统对农业生产和生态系统综合作用的响应。随着经济的快速发展，耕地逐渐成为易受外部干扰并在用途上容易发生变化的土地类型，生活用地、生态用地以及其他类型用地和耕地之间相互挤占的矛盾日益突出，使耕地利用和空间分布在时空上的变化趋势变得严峻[8-9]。目前，耕地变化研究涉及耕地保护与利用的空间格局[10-11]、时空演变特征[12-14]、驱动机制[15]以及耕地变化效应[14，16-17]等多角度，凸显了耕地保护的重要性。耕地变化的生产-生态效应是指单位耕地生产能力的变化和单位耕地生态因子的变化所产生的现象。学者们通常以耕地变化和耕地产量变化等因素来判断耕地生产效应[14，18]，但是对单位耕地生产能力的变化及其带来的生产效应相关研究较少；而对耕地生态环境效应的相关研究多以谢高地等[14]修订的生态系统服务价值当量因子为基础，没有一套标准的指标体系，指标的选取具有局限性和不全面性。前期有很多学者利用卫星遥感数据，采用徐涵秋[19]提出的遥感生态 指数（RSEI）模型，对绿度（NDVI）、湿度（WET）、热度（LST）和干度（NDSI）4 个指标进行归一化处理和主成分分析，能够综合反映特定区域土地利用变化的生态效应[20]。该方法完全基于遥感信息，集成了最为直观的多种指标，能精确、全面、直观地检测生态环境质量，且能将结果进行高精度可视化[21-22]，在干旱区生态质量检测中有较强的实用性。尽管该方法在很多地区均有较好的应用，但是在我国西部干旱区土地利用变化尤其是耕地变化的生态效应研究方面应用较少。

和田地区是塔克拉玛干沙漠边缘的绿洲区之一，农户基本以耕地为生，由于绿洲的土地利用生态系统相对于其他生态系统较单一，易受人类活动的影响而发生明显变化。在西部大开发及2009 年起实施的多个省市对口援疆背景下，和田地区社会经济快速发展，产业结构调整、转型，城乡空间统筹布局改变，地区国土空间、土地利用形式发生显著变化，这导致土地利用生态服务价值呈下降趋势[23]，而耕地作为研究区的重要生产载体和绿色载体，其变化同时影响区域粮食安全和生态质量。这对和田地区耕地保护提出了新的问题：如何确定耕地格局?如何保障粮食安全和生态保护?如何耦合协调耕地生产-生态效应?探讨耕地时空演变特征及其生产-生态质量的变化，有利于和田地区国土空间规划和生态保护修复。为此，本研究基于土地利用分类遥感影像数据，首先分析近30 年和田地区耕地利用时空演变特征，其次，以遥感技术为支撑，利用1990、2000、2010、2020 年每个月的遥感影像，构建耕地生产水平假设模型，分析单位面积上的耕地生产水平的变化特征及其带来的生产效应，最后，同样以1990—2020 年的Landsat 5 TM 和Landsat 8 OLI 遥感影像为基础，用RSEI 模型定量分析研究区耕地生态质量变化及其带来的生态效应，以期为区域生产保障、生态环境治理、耕地布局优化与利用、土地资源合理配置提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

和田地区位于新疆西南端，地处欧亚大陆腹心地带，北部深入塔克拉玛干沙漠腹地，南枕昆仑山和喀喇昆仑山（图1）。行政区包括和田市、和田县、墨玉县、皮山县、洛浦县、策勒县、于田县和民丰县等7县1市。研究区土地利用总面积为24.69 万km2，2020 年未利用地、草地和水域面积占研究区总面积的比例分别为71.79%、22.80%和3.37%，耕地、林地面积占比为1.60% 和0.35%，建设用地面积占比最低，为0.10%。研究区属于典型的内陆温带荒漠性气候，土壤沙性重，盐碱含量高。自然环境比较恶劣，沙尘暴、浮尘天气多，常年干燥少雨，区域生态环境质量极为脆弱和敏感。

图1 研究区土地利用类型及高程Figure 1 Land use types and elevation of the study area

1.2 数据来源与处理

本研究选取的土地利用分类数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所（http：//www.resdc.cn）。1990、2000、2010年的遥感数据源为Landsat-TM/ETM遥感影像，2020年以Landsat 8 OLI影像为数据源。不同时期的土地利用遥感监测数据分类系统采用三级分类系统。其中：一级分类分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6类；二级分类分为25个类型。遥感解译精度检验结果达到了88.95%，其中水田、旱地精度检验结果分别为84.35%和92.86%[24-25]。

本研究中植被生长水平和遥感生态环境质量指数数据所用遥感影像源于美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS），在Pixel Information Expert Engine（PIEE）平台（https：//engine.piesat.cn/）获取经辐射校正和大气校正的Landsat 影像，空间分辨率为30 m。筛选出1990、2000、2010 年和2020 年1—12月云量小于10%的TM、OLI影像，分别进行预处理和每月最高NDVI、WET、LST以及NDSI计算。耕地植被生长水平计算流程如图2所示。

图2 植被生长水平数据处理流程Figure 2 Vegetation growth level data processing flow

1.3 研究方法

1.3.1 生产效应分析

生产效应作为单位面积耕地在年内生产总量的效应，是每一次种植过程中的生产效应总和。通过植被生长水平的变化可以间接判断单位耕地生产水平，同时，还能根据其变化规律计算种植次数。耕地生产能力评价模型数学计算公式为：

式中：S表示单位面积（像元）耕地生产水平；Simax表示第i次种植次数中单位面积（像元）耕地植被最高生产水平；n是单位耕地一年内总种植次数，当单位面积耕地一年内每月Simax未能满足连续两次大于前一月，并且约等于最小值时，计为1次种植次数。

植被生产水平在本研究中利用归一化植被指数（NDVI）来表征。NDVI是通过计算红波段和近红外波段进行归一化计算得到，其数学计算公式为：

式中：Simax(NDVImax)表示研究区单位（像元）耕地最高生产水平；ρnir表示遥感影像近红外波段；ρred表示遥感影像红波段。

计算获得研究区在相应年份中种植次数为一年一次，即n=1。因此单位面积（像元）耕地生产水平的公式为：

（2）耕地生产水平变化分级

为了更好表达单位面积上的耕地生产水平空间状况，将耕地生产水平（S值）划分为[0，0.1）、[0.1，0.3）、[0.3，0.6）、[0.6，0.8）和[0.8，1] 5 个等级，分别代表无、低、中、中高、高生产水平。

1.3.2 生态效应分析

（1）遥感生态指数指标构建

为了直接从遥感影像中获取生态环境质量相关指标，以综合评价研究区耕地生态环境质量，参考徐涵秋[19]提出的遥感生态指数（RSEI）评价法，利用绿度（NDVI）、湿度（WET）、热度（LST）和干度（NDSI）4个指标评价耕地生态变化状况，公式如下：

（2）计算遥感生态指数（RSEI）

为使多年RSEI数值在时间和空间上均具有可比性，采用主成分分析方法，将多年数据融合得到全局统一的因子权重矩阵，并将该权重运用于每一年份。它可以根据标准化处理后的4 个生态指标数据本身的性质以及各个指标的贡献度来自动客观地确定权重，去掉4 个指标之间的相关性，从而将各个指标集合在一起，把主要的信息集中到第一个主成分上，再对其进行标准化统一量纲处理，得到RSEI指数。RSEI计算公式：

式中：RSEI为标准化处理后的遥感生态指数值，范围为[0，1]，越接近1 代表生态环境质量越好；RSEI0为i像元处的原始生态指数值；RSEI0-max、RSEI0-min分别为原始生态指数最大值和最小值；PC1为第一主成分载荷值。

根据RSEI模型计算得出研究区耕地1990—2020年的RSEI值，根据RSEI值的变化判断耕地变化对耕地生态质量带来的影响，RSEI值越高耕地分布区域生态空间状况越好。为了在空间分布上直观反映耕地生态空间状况，将RSEI值以0.2 为间隔划分为[0，0.2）、[0.2，0.4）、[0.4，0.6）、[0.6，0.8）和[0.8，1] 5 个等级，分别代表生态状况差、较差、一般、良好和优。

耕地变化区域和不变区域RSEI值在研究初期和末期具有一定的差异性，其差值反映耕地变化区域的生态环境质量。耕地变化的生态效应计算公式为：

式中：RSEIT为生态环境质量变化差值；RSEIt+1为末期区域RSEI值，RSEIt为初期区域RSEI值。

根据公式（7）分别统计计算得出1990—2020年4期每个阶段区域的生态质量差值，得到1990—2000年、2000—2010 年、2010—2020 年、1990—2020 年的RSEI变化等级，按照差值[-4，-1]、0、[1，4]分为恶化、不变、改善3个变化等级、9个差级。

2 结果与分析

2.1 耕地时空演变特征

2.1.1 耕地总量时空演变特征

和田地区耕地以片状分布在研究区中部平原区域（图3），面积从1990 年的2 250.24 km2增加到2020年的3 952.87 km2，共增加了1 702.63 km2。从各县（市）耕地面积变化情况来看，墨玉县耕地面积最大，变化最显著，增加总面积为331.56 km2，民丰县最少，仅增加68.65 km2。墨玉县旱地面积变化最大，其次为皮山县、和田县、于田县、策勒县和洛浦县，旱地变化面积均在200 km2以上，其次是和田市和民丰县，旱地面积变化均在60～100 km2之间，其中民丰县耕地分布区域较独立，离水源较远，且被戈壁、沙漠包围，耕地变化量最少；水田主要分布在和田市、和田县、墨玉县和于田县，皮山县、洛浦县、策勒县和民丰县极少。

图3 耕地面积变化与空间分布Figure 3 The change of cultirated land area and spatial distribution

2.1.2 耕地转移特征

1990—2020 年，和田市、和田县、墨玉县、皮山县、洛浦县、策勒县、于田县和民丰县新增耕地均以草地复垦为主，草地转耕地的面积分别为64.51、188.67、307.14、198.61、121.42、168.02、141.22 km2和62.33 km2，均占新增耕地面积的45%以上，其中墨玉县和民丰县草地复垦面积占69.07%和67.95%；皮山县和于田县新增耕地除了草地复垦外，也以未利用地开垦为主，其占新增耕地的34.29%和34.99%。耕地减少的原因以退耕还林、还草为主，其中皮山县和洛浦县退耕还草、还林面积最大，占耕地减少面积的35.58%和55.43%；墨玉县、和田市和策勒县建设用地占用耕地面积较大，占耕地减少面积的29.99%、49.37%和23.36%；皮山县耕地转未利用地面积最大，占耕地减少面积的38.22%（图4）。

图4 1990—2020年耕地利用转移矩阵Figure 4 Arable land use transfer matrix from 1990 to 2020

2.2 生产效应

2.2.1 耕地生产水平时空变化

（1）耕地生产水平时序变化

30 年来，和田地区耕地生产水平向好发展。低生产水平耕地大幅下降，中、中高生产水平耕地占比最大（图5）。和田地区无生产水平耕地面积占比从1990年的13%下降到2020年的1%；低生产水平耕地占比在2000 年下降到15%，此后保持该水平；中、中高生产水平耕地总占比从1990年的60%上升至2020年的74%，2010 年开始中高生产水平耕地面积占比超过中生产水平；2010 年有3%的耕地为高生产水平耕地，到2020 年高生产水平耕地面积占地区耕地面积的11%。各县（市）统计数据结果显示，无生产水平耕地主要出现在2000 年以前，主要分布在皮山县、于田县和策勒县；民丰县低生产水平耕地分布最为特殊，1990、2000、2010、2020 年分别占全县耕地总面积的43.37%、33.89%、35.74%和29.29%；中、中高生产水平耕地在2000—2010年的增长最为明显，2010年后进一步改善；高生产水平耕地在2010 年以后逐渐增多，皮山县、和田市和民丰县的面积远低于其他县。

图5 1990—2020年耕地生产水平变化Figure 5 The change in cultivated land productivity level from 1990 to 2020

（2）耕地生产水平空间变化

30 年来，和田地区耕地生产水平在空间上分布不均匀（图6）。中高、高生产耕地作为提升生产水平的核心类别，1990 年起从行政中心逐步向周围扩散，2000 年开始逐渐形成脱离河流两岸的高生产水平耕地，2010年起辐射到地区西部，到2020年地区全域均出现高生产水平耕地，但是沿河岸形成的新增耕地仍需要进一步提升。和田市无生产耕地分布于边缘区，中高及高生产耕地由疏转密，集中在北部及南部靠近河流的区域；和田县耕地沿喀拉喀什河和玉龙喀什河逐渐增加，中高生产耕地从南部逐渐延伸到东北区域，东北区生产得到提升，高生产耕地分布在水量较充足的南部；墨玉县耕地生产水平的变化基本受限于流域水系的分布，中高、高生产水平耕地主要在南部沿河分布；皮山县并没有受惠于喀拉喀什河，2000 年后从南部耕地开始逐渐形成中高、高生产水平耕地，在后来的20 年逐步向北辐射；洛浦县耕地向东扩散，并没有像和田县一样沿河出现新增耕地，并且中高、高生产水平耕地区域靠近和田市；策勒县和于田县有一个“耕地带”，策勒县耕地生产水平提高时间较于田县早20 年，这与水源具有决定性作用的常规性结论不一致；民丰县耕地较少，且分散分布在区域各地。

图6 1990—2020年耕地生产水平空间变化Figure 6 The spatiotemporal variation of cultivated land productivity level from 1990 to 2020

2.2.2 耕地生产效应变化

1990—2020 年间，和田地区固定（未发生变化）耕地生产正效应面积（占比55%）大于负效应面积（占比2%），而耕地转移效应（面积占比43%）有效弥补了失去的生产效应面积，提升了区域粮食生产保障能力。然而，各阶段效应面积占比相比总体变化而言有所不同：固定负效应面积占比从1990—2000 年的5%上升到2010—2020 年的25%，固定正效应面积占比从76%下降到55%；转移效应前期面积占比为19%，中期达到29%，后期降到19%，以此趋势阶段性发展，和田地区面临转移效应降低、固定负效应增加的双重挑战（图7）。各县（市）固定正效应表现为于田县＞墨玉县＞皮山县＞洛浦县＞和田县＞策勒县＞和田市＞民丰县，2000—2010 年皮山县、和田县和策勒县生产效应提高，其余县（市）生产效应不同程度下降；2010—2020 年，和田市固定负效应超过了固定正效应和转移带来的正效应综合；耕地转移效应水平有所不同，表现为墨玉县＞皮山县＞于田县＞和田县＞策勒县＞洛浦县＞和田市＞民丰县。

图7 1990—2020年耕地生产效应Figure 7 Cultivated land productivity effects from 1990 to 2020

2.3 生态环境效应

2.3.1 耕地生态环境质量总体评价

基于遥感生态指数模型和分级标准对图像进行空间运算，并生成1990、2000、2010 年和2020 年耕地生态环境质量分级图（图8），同时为了更好地分析耕地生态状况变化特征，本研究统计了不同质量等级区域面积及占比（表1）。1990—2020 年研究区耕地生态状况整体呈现西南部较好、中部区域较差的空间格局。在区域分布上，生态环境质量为优、良的区域从和田河流域逐渐向皮山县西南部的中高、高生产区域移动，面积占比从15.10%下降至10.27%，降低幅度较小，其中生态环境质量为良的面积变化比较大；生态环境质量为一般的区域从起初分布于各个县（市）逐渐集中至墨玉县和于田县，即沿河分布的中高、高生产区域，区域面积占比从52.76%下降至45.55%，呈明显下降趋势；生态环境质量为较差、差的区域面积逐渐增大，扩散到和田河流域周围的区域，即中高和高生产区域，区域面积占比从32.13%增加至44.18%，呈明显增加趋势，其中生态环境质量为较差的面积变化较大。上述结果表明，30 年来，和田地区耕地分布区域的生态环境质量整体呈下降趋势。

表1 研究区耕地生态等级面积和比例Table 1 Area and proportion of cultivated land RSEI level in the study area

图8 研究区耕地遥感生态指数的空间分布Figure 8 Spatial distribution of cultivated land RSEI in the study area

逐年计算研究区8 个县（市）耕地RSEI等级变化面积，结果见图9，30 年间和田市、和田县、墨玉县的差、较差级别的耕地面积增加较多，一般、良好级别的耕地面积大幅减少，表明这些区域耕地生态质量均在下降；皮山县、洛浦县的一般、良好级别的耕地面积增加较多，表明这两个区域耕地生态质量均在改善；策勒县、于田县和民丰县不同级别的耕地生态质量变化不显著。

图9 研究区各县（市）RSEI等级变化面积Figure 9 Variation area of RSEI level in each county（city）of the study area

2.3.2 耕地变化的生态效应

为了直观反映耕地变化对区域生态环境质量的影响，基于1990—2020 年不同研究阶段的固定耕地、新增和减少耕地面积数据以及对应的RSEI空间分布数据，统计研究区固定耕地及新增和减少耕地各生态级别的面积变化对研究区生态质量的影响（图10）。结果表明，1990—2020 年，研究区固定耕地生态环境质量恶化面积为713.38 km2，占固定耕地总面积的45.95%，约为改善面积的2 倍。其次，转入和转出耕地恶化面积之和为1 188.38 km2，约为改善面积的1.4倍，其中转出耕地中恶化面积占比为59.98%，改善面积仅占1.85%。在阶段性变化中，前20年间各类耕地生态环境质量改善面积均大于恶化面积，其中转入与转出耕地的生态环境质量改善面积占比均大于50%，但固定耕地生态环境质量改善面积占比从1990—2000年的37.05%下降到2000—2010年的20.08%；后10 年间，生态环境质量不变和恶化耕地区域面积明显增加，而改善区域面积明显下降，尤其是转出耕地比较突出。从以上结果中可知，研究区耕地生态环境质量呈现先提升后下降趋势，生态环境质量下降原因在于固定耕地和转出耕地生态环境质量恶化。

图10 1990—2020年研究区耕地生态环境效应面积变化Figure 10 Changes in the area of the ecological effect of cultivated land in the study area from 1990 to 2020

3 讨论

本研究对和田地区耕地及其生产-生态效应的时空演变进行了分析。在1990—2020 年间，和田地区耕地总量后期增加幅度大于前期，与国家对基本农田及粮食安全的保护力度密切相关。研究区耕地的增加水平显著高于我国西部的发展速率[26]。和田地区耕地扩展水平虽然低于阿克苏地区[27]，但高于渭库绿洲区[28]和天山北坡经济带[29]，处于较快的扩展水平。新增耕地主要由未利用地、林地和草地转入，与塔里木盆地耕地增量来源基本相似[9，30]。耕地流失是建设用地逐渐占用耕地及耕地撂荒面积不断扩张的结果。由耕地生产-生态效应分析结果得出，粮食安全保护发展背景下的耕地占补平衡政策逐渐满足研究区经济发展需求和粮食安全需求，占补耕地提升了耕地生产能力及其生产量，但大量研究表明，温度、海拔、降水量等自然因素，生产投入、生产经营等多种人为因素，以及各类退耕还林、未利用地开垦、耕地复垦等土地用途变化下的生态保护措施共同影响了耕地生态质量的变化[31]。一方面，人类的生产活动强度和范围逐渐扩大，如和田河流域绿洲受人类活动影响较大，生态环境遭到一定程度的破坏。另一方面，区域的生态保护对策对区域耕地生态质量的改善起到了重要作用，尤其是对皮山县的作用最明显。因此，和田地区政府部门在保护耕地总量、实现粮食安全的同时，应注重耕地生态质量的变化及其带来的生态危机，可以从耕作技术等方面入手，减轻过度的生产方式和投入带来的生态问题，同时合理调配各类用地类型的分布。此外，加强耕地流转活动，提高耕地集约化和高效利用程度，避免造成耕地资源的粗放利用和浪费，缓解耕地面积增长和地区生态环境质量保护间的矛盾。

本研究从生产-生态共同保护的角度构建耕地生产水平评价模型和遥感生态指数模型，对和田地区耕地利用变化及其生产-生态效应进行分析，为区域粮食安全和生态环境保护提供了一定的指导作用。本研究采用的数据和模型在遥感技术的支撑下运行，可以精确和直观地表达单位耕地生产水平和生态质量的变化趋势，但仍存在一定的不足，还需要进一步探究其生产-生态效应。

4 结论

本研究以和田地区1990—2020 年土地利用分类数据为基础，对30 年间的耕地数量时空变化情况进行分析，并构建生产水平假设模型和遥感生态指数计算模型对耕地变化的生产-生态效应进行分析，探讨耕地变化对区域生产和生态变化的影响，得到如下结论：

（1）研究区内的绿洲面积比较匮乏，占比很小。1990—2020 年间，研究区耕地面积整体呈逐年增加趋势，但在空间上的分布仍然很少。旱地面积呈增加趋势，水田面积呈减少趋势。其中，和田河流域耕地增加量较显著。30 年来，草地、未利用地和林地开垦成为了新增耕地的主要来源，退耕还林还草、建设用地扩张和耕地荒废成为了耕地减少的主要原因，但生态用地的转出量大于转入量。

（2）在耕地生产水平变化方面：数量上，30 年来和田地区耕地生产水平逐渐提高，低生产耕地面积大幅下降，中、中高生产水平耕地占比最大，2010—2020年起逐渐出现高生产水平耕地，主要分布在墨玉县、策勒县和于田县；空间上，中高、高生产水平作为耕地生产水平的最佳目标，此类耕地首先从行政中心逐步向周围扩散，然后逐渐形成脱离河流两岸的高生产水平耕地，到2020 年研究区各县（市）均出现高生产水平耕地。在耕地生产效应方面，地区固定耕地带来的生产正效应面积大于负效应面积，而耕地转移效应有效弥补了失去的生产效应面积，提升了区域粮食生产保障能力。然而，在四个阶段的变化过程中，固定耕地负效应面积逐渐增加、正效应面积逐渐减少，转移效应面积呈现波动下降趋势，因此阶段性发展中研究区面临转移正效应降低、负效应增加的双重挑战。

（3）研究区耕地等级主要为一般生态级别，耕地生态状况呈现西南部较好、中部较差的空间格局。30年间，生态环境质量界定为优、良、一般级别的耕地面积呈明显下降趋势，主要分布于皮山县、墨玉县和于田县，即沿河分布的中高、高生产水平区域；30 年间生态环境质量为较差、差的区域面积明显增多，在研究区各地均有分布。这表明，和田地区耕地生态环境质量整体上处于下降趋势。30 年间，研究区固定耕地生态环境质量恶化面积占固定耕地总面积的近一半，约为改善面积的2 倍，转入和转出耕地恶化面积约为改善面积的1.4倍。耕地生态环境质量阶段性变化表现为：前20 年质量改善面积均大于恶化面积，其中转移耕地的贡献大于50%；后10 年质量不变和恶化耕地面积明显增加，而改善区域面积明显下降。