近23年来LUCC影响下的精河县生态环境效应定量研究

摘要：以1990-2013年间4期Landsat影像作为基本信息源，分析了精河县近23年土地利用与覆被的变化过程及其所带来的生态环境的影响。结果表明：①1990-2013年精河县土地利用类型中水体面积变化不大，耕地、干涸湖床的规模朝扩大的方向发展，耕地的面积则由1990年的2.15×104 hm2增加到2013年的8.84×104 hm2，其中有1.83×104 hm2的林草地转入，占转入量的20.78%，干涸湖床则有42.67%的盐碱地和13.38%的其他地类转入。②通过分析精河县生态环境综合指数发现，1990-2013年精河县生态环境质量变化较大，生态环境综合指数在1990-1998年有明显的上升趋势，由1990年的0.501 6上升到1998年的0.545 7；而在1998-2013年精河县生态环境综合指数却呈现下降趋势，由1998年的0.545 7上升到2013年的0.502 7。通过土地利用转换和生态环境质量贡献率的响应分析发现，林草地、水体、耕地面积的变化是影响区域生态环境质量变化的主要因素，所以退耕还林还草和合理利用水资源是改善研究区生态环境质量的有效手段。本研究可以更好地为精河县土地资源的可持续利用和大力开展生态文明建设提供参考，对精河县改善土地生态环境具有重要的理论及现实意义。

关键词：土地利用/覆被变化；生态环境效应；精河县

中图分类号：S181；F323.22 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）14-3574-07

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.14.011

Abstract： The Jinghe county was chosen as study area to do some research about LUCC and ecological effect based on Landsat from 1990 to 2013. The results showed that：①The Jinghe county land use types of water areas changed little， however，the scale of cropland，dry lake bed areas expanded. The areas of cropland increased from 2.15×104 to 8.84×104 hm2 in 1990-2013， including 1.83×104 hm2 forest and grassland which accounted for 20.78% of the transfer amount. 42.67% saline-alkali land and 13.38% other land types transferred into dry bed areas.②Based on the regional ecological environment comprehensive index，it was found that the ecological environment quality of Jinghe County changed greatly in 1990-2013， the environment comprehensive index increased from 0.501 6 to 0.545 7 in 1990-1998，and fell from 0.545 7 to 0.502 7 in 1998-2013. Through the response of land use conversion and the eco-environment quality contribution rate analysis，it was found that changes of forest and grassland，water areas，and cropland were the main factors that influenced the quality of the regional eco-environment changes，so returning farmland to forest and grassland and rational utilization of water resources were effective means of improving the quality of ecological environment in the study area. The results could provide reference to the sustainable use of land resources and the construction of ecological civilization，and had important theoretical and practical significance to improve the land ecological environment in Jinghe County.

Key words： LUCC； ecological environmental effect； Jinghe County

在人类对生态问题关注加强，对环境保护意识倍增的背景下，20世纪70年代国际上提出了生态安全这样一个崭新的研究领域，而土地生态作为生态安全的最重要部分，关系到一个区域整体生态环境的可持续发展[1]。20世纪90年代以来，随着资源、环境和人口问题的日益突出，土地利用/覆被变化（LUCC）研究已成为全球变化研究的前沿和热点课题[2]。自1995年“国际地圈―生物圈计划”和“全球环境变化人文计划”联合提出LUCC研究计划以来，迅速引起国际社会与地理学家的广泛关注，研究在国内外普遍展开，业已成为地理学综合研究的国际性前沿课题[3，4]。土地利用是指人类有目的地开发利用土地资源的一切活动，而土地覆盖则是指地表自然形成的或者人为引起的覆盖状况，土地利用/覆盖变化是全球变化研究的重要组成部分之一，在全球环境变化和可持续发展中占有重要的地位，已被列入“国际地圈与生物圈计划（IGBP）”的核心项目[5]。土地利用变化可引起许多自然现象和生态过程的变化，如土壤养分和水分的变化、地表径流与侵蚀、生物多样性的分布和生物地球化学循环等，因此研究土地利用变化及其对生态环境的影响对于了解区域生态环境乃至全球环境变化具有重要的意义[6，7]。

LUCC及其生态效应研究是当前地理学全球变化研究的核心内容之一[8]，有关研究主要集中于区域土地利用/土地覆盖变化对区域气候、水文效应以及对土壤养分和生物多样性的影响等方面[9-11]。近年来，与人类社会可持续发展密切相关的LUCC生态环境效应研究也逐步得到加强，许多学者开始探讨LUCC的生态效应，越来越多的学者也意识到土地利用变化中的生态经济分析，尤其是土地利用/覆盖变化的生态效应定量研究势在必行[12]，如王根绪等[13]基于遥感影像获得土地利用数据，分析了1987-2000年黑河流域生态环境变化特征；郝慧梅等[14]以榆林市为研究区，把整个研究期划分为前、后两个时间段（1987-1999年，1999-2002 年），并按不同的空间尺度，探讨了客观测评区域土地利用变化生态效应的思路和方法；王文娟等[15]以1987-2000年间的Landsat/TM影像作为基本信息源，利用GIS空间分析和地统计分析功能，从景观生态学角度构建生态效应指数来反映三江平原东北部地区土地利用/土地覆被变化所带来的生态效应，并且定量评价了该区生态效应与土地利用之间的关系；莫宏伟等[16-18]运用地理学信息图谱研究方法，对榆阳区土地利用变化、生态服务价值及其土地生态风险指数变化的时空分异特征进行了分析；文琦等[19]研究分析了土地利用变化对陕北榆林市生态系统服务价值造成的响应。

综上可以发现，土地利用/覆被变化对于生态环境的影响非常重大，尤其像处于西北内陆的艾比湖流域精河县这种生态脆弱、受人为因素干扰演化速度较快的区域，土地利用变化对生态环境有着不可小视的影响。精河县地处西北内陆干旱区，毗邻中国著名大风口――阿拉山口主风口，境内有新疆第二大咸水湖――艾比湖，生态环境相当脆弱[20]。而且精河县所处的艾比湖区域的生态环境问题也已成为继塔里木河之后新疆的第二大生态热点，它严重地威胁着艾比湖区乃至天山北坡经济带的可持续发展，对其生态环境综合治理刻不容缓[21]，本研究利用多期遥感影像对近24年来精河县这一典型地区的土地利用动态变化进行了分析，并在此基础上分析了该地区的生态效应变化情况，为精河县以及艾比湖流域的生态环境脆弱区积极保护生态、土地资源可持续利用和大力开展生态文明建设提供参考。

1 研究区概述

精河县位于新疆维吾尔自治区西北部、准噶尔盆地西南边缘、天山支脉婆罗科努山北麓，距乌鲁木齐市423 km。地理坐标为东经81°46′-83°51′，北纬44°02′-45°10′之间，东西长166 km，南北宽约134 km，总面积11 275 km2[22]。东邻乌苏市，南接伊宁县和尼勒克县，西与博乐市毗邻，北与托里县接壤。县城精河镇东距乌鲁木齐425 km，东邻乌苏市，西邻博乐市，南邻尼勒克县、伊宁县，北邻托里县。行政区划上属于博尔塔拉蒙古自治州（博州），约占博州总面积的37%，东接乌苏县，南接伊犁地区的尼勒克县。地形南高北低，自南向北呈扇状坡面，南部为山区，中部为平原，中部山前为冲积―洪积倾斜平原，北部为冲积―洪积平原，地形平坦、开阔，大部分地下水位偏高，多为盐碱沼泽地带，艾比湖在扇形下缘最北；南部为山区，属婆罗科努山及其支脉[23]；有精河、大河沿子河、托托河、阿恰勒河等4条较大河流及艾比湖等水系。精河县气候属典型的北温带干旱荒漠型大陆性气候，主要特点是光照充足，冬夏冷热悬殊，昼夜温差大，干燥少雨，蒸发量大，春季多风沙、浮尘天气；日照时间长，年日照达2 700多h，无霜期170多d，1月平均气温-15 ℃，7月平均气温26 ℃，极端最低气温为-34 ℃，极端最高气温为42 ℃；年平均降水量102 mm[24]。

2 数据源与研究方法

2.1 数据来源

本研究以1990、1998、2011和2013年各年9月获得的Landsat遥感资料为基本信息源，运用ENVI软件进行数据处理。本研究采用了人机屏幕勾绘解译分类的方法――目视解译法，利用图像的影像特征和空间特征，如色彩、形状、大小、阴影、纹理、结构和相对空间位置等，与多种非遥感信息资料如地形图、野外实地调查结果，再结合该地区生物分布的地学相关规律，进行综合分析和逻辑推理的思维过程。结合本次研究的目的和研究区的特点，参照不同的标准和分类指标，将研究区的土地类型划分为耕地、林地、水体、干涸湖床、盐碱地、沙漠与其他地类7个一级类型，其中其他地类包括居民点及工矿用地、交通用地、裸土地、荒滩、荒坡及其他未利用土地。在分类后对分类结果采用最常用的Kappa系数法进行精度检测。生态效应分析中各类土地覆盖类型生态环境质量赋值在[0，1]内，在借鉴了杨述河等[25]的研究并结合地区特点和本次研究的具体目标加以修订，即以水体的生态价值为最高，生态指数赋值较高；研究区内的耕地主要为旱地，因此赋值在全球耕地平均生态系统服务功能价值比例的基础上依研究区现状有所调整；由于研究区内沙漠生态系统结构相对简单，实际生态系统服务功能低于林地，其赋值相应降低；其他土地利用类型依据生态价值指数比例关系确定。

2.2 模型与方法

2.2.1 土地利用类型转移矩阵 通过土地利用转移矩阵描述各种土地利用类型之间的转换情况，能够清晰地反映下列变化：一是两时期各种土地类型面积变化情况；二是土地利用类型从前一个时期向后一个时期的转移去向比率；三是一个时期中土地利用类型由前一个时期土地利用类型的转移来源比率。转移矩阵[26]的数学形式为：

Sij=S11 S12 S13 … S1nS21 S22 S23 … S2nS31 S32 S33 … S3n… … … … …Sn1 Sn2 Sn3 … Snn

式中，S为土地面积，n为土地利用的类型数，i、j分别为研究期初与研究期末的土地利用类型序号。

2.2.2 生态环境综合指数 EVt=（LUi×Ci）/TA，其中，EVt为t监测时期某一区域的生态环境综合指数；LUi和Ci为该监测时期该区域内第i类土地利用类型面积和质量赋值；n为区域内所具有的土地利用类型数量，TA为该区域土地总面积。区域生态环境综合指数可定量表征某一区域生态环境质量的总体状况。

2.2.3 区域土地利用转变类型生态贡献率 区域土地利用转变类型生态贡献率，指某一种土地利用变化类型所导致的区域生态质量的改变，其表达式为：

LEI=（LEt+1-LEt）LA/TA

式中，LEt+1和LEt指某一土地利用变化类型所反映的变化末期和初期土地利用类型所具有生态质量指数；LA指该变化类型的面积；TA指该研究单元（如县级行政单元）的总面积。

3 结果与分析

3.1 精河县土地利用/覆被变化分析

以1990、1998、2011和2013年获得的Landsat遥感影像为基本信息源，在确定分类标准的基础上，在ENVI中以监督分类为手段，选择最大似然法对4幅影像进行自动解译分类，获得研究区的土地利用数据，从而得到以下4期精河县土地分类图，1990-2013年各年分类精度数据主要来自ENVI软件，总体精度分别为99.49%、98.11%、98.52%、99.05%，而Kappa系数分别为0.994 1、0.977 8、0.982 7、 0.988 9，达到分类精度要求。各年土地利用/覆被变化分类如图2所示。

土地利用现状是长期以来，人类根据土地自然特性和社会需要，对土地进行改造培育使用的结果，或者说是土地利用过程当前的稳定状态[27]，对土地利用现状的分析，可以发现土地利用中存在的问题及优势，为进一步合理开发利用土地、协调人地关系奠定基础[28]。而土地利用类型的变化主要反映在不同类型土地面积总量的变化，由表2及图3可以看出研究区1990-2013年土地利用变化情况。

由图3可知，1990年精河县各类土地类型中主要以水体、干涸湖床、沙漠以及其他地类为主，而在1998年却以林草地、盐碱地、沙漠和其他地类为主；结合表2发现，1990-1998年精河县各类土地类型中耕地、林草地、盐碱地的面积增加比较明显，增加量都在3×104 hm2以上；而沙漠和其他地类的面积有所减少，其余土地利用类型面积变化不大。林草地面积增加的主要来源是耕地（0.16 hm2）及其他地类（7.385×104 hm2）的转入，分别占转入总量的2.30%、 77.71%，林草地的增加主要源于对于未利用与难利用地的综合整治，以及对于不适合农地利用类型的土地进行退耕还草，还有由于农田防护林、水源涵养工程等促进了精河县的生态退耕与植树造林使得森林面积的增加。耕地面积的增加主要来源是林草地和其他地类，其中林草地面积占转入量的27.65%。干涸湖床也有24.05%的盐碱地和57.71%的其他地类转入；其他地类增加的面积主要由沙漠和盐碱地面积转化而来。水体面积的减少、干涸湖床和盐碱地面积的增加说明了艾比湖的生态环境恶化，而耕地和林草地面积的增加导致农业用水量进一步增加，对水体面积的减少有一定的影响。

由表2和图3可知，2011年精河县土地利用类型中主要以耕地、沙漠和其他地类为主，而且相对于前一研究时段，林草地和干涸湖床的面积大幅度减少，林草地面积的减少主要是有8.6×103 hm2的耕地和6.86×104 hm2的其他地类的转出；而干涸湖床面积的减少主要是由于有1.34×104 hm2转向盐碱地，占转出量的25.11%；沙漠面积增加主要是有3.27×104 hm2的其他地类转入，占转入量的34.54%。林草地面积的急剧下降，干涸湖床面积的减少，沙漠面积增加说明精河县的生态环境进一步恶化。

2011-2013年精河县林草地、盐碱地面积有所降低，而耕地和干涸湖床的面积增加明显，尤其是干涸湖床的面积增加4.14×104 hm2，主要是由于有2.75×104 hm2的盐碱地转入，占转入量的41.67%；而林草地的面积减少比较明显，由2011年的4.82×104 hm2减少到了2013年的1.81×104 hm2，主要是由于有1.07×104和2.34×104 hm2转向耕地和其他地类。干涸湖床和耕地面积增加、水体面积减少说明精河县用水量增加，而盐碱地面积的增加说明精河县的盐碱化进一步加剧，生态环境恶化。

表3为1990-2013年精河县土地利用类型面积变化转移矩阵。由表3可知，1990-2013年精河县水体面积变化不大，耕地、干涸湖床的规模朝扩大的方向发展，其中耕地的面积则由1990年的2.15×104 hm2增加到2013年的8.84×104 hm2，其中有1.83×104 hm2的林草地转入，占转入量的20.78%；干涸湖床则有42.67%的盐碱地和13.38%的其他地类转入。耕地面积的增加说明精河县由于人口增加需要以及科学技术的发展对未利用地中可作为土地资源的土地开发，以及对其他生态系统的开垦；而沙漠和盐碱地面积减少则说明精河县的生态环境有所改善。

3.2 基于LUCC的精河县土地利用转换与生态环境响应分析

土地利用类型的变化是导致区域生态服务价值总量变化最直接的原因，其变化方向是否合理直接决定了生态服务价值总量，即土地利用的生态效应[29]。精河县生态环境质量与区域土地利用覆盖变化有着密不可分的关系，生态环境质量的降低，部分区域沙漠化、盐碱化均是人类不合理地利用土地经济活动的结果，在分析了精河县的土地利用类型的变化后，结合各类土地覆盖类型生态环境质量赋值分析精河县的土地利用变化对生态环境的影响，得出以下结论：

通过分析精河县生态环境综合指数（图4）发现，1990-2013年精河县生态环境质量变化较大，生态环境综合指数在1990-1998年有明显的上升趋势，由1990年的0.501 6上升到1998年的0.545 7；而在1998-2013年精河县生态环境综合指数却呈现下降趋势，由1998年的0.545 7下降到2013年的0.502 7。在干旱区水资源是影响土地利用类型的决定因素，也是干旱区土地可持续利用的关键制约因素，干旱区有限的水资源数量和分布状况是影响干旱区生态环境的主导因子，对土地开发利用起着决定性作用，1990-1998年精河县水体面积减少明显，耕地和盐碱地的面积增加，因此水体面积减少，盐碱地面积增加导致精河县生态环境质量下降；而1998-2013年精河县的水体面积虽有下降但不明显，盐碱地的面积却明显下降，沙漠的面积相对于1990年也有所下降，因此生态环境质量有明显的上升。

通过计算得到导致研究区生态环境质量恶化和引起生态环境质量改善的土地利用转换类型对区域生态环境质量的贡献率，通过土地利用转换和生态环境质量贡献率的响应分析得知，每一种土地利用转换方式发生的同时，生态环境质量也随之动态变化。表4给出了1990-2013年期间整个精河地区导致生态环境改善和退化的主要土地利用变化类型的贡献率矩阵，可以看出伴随着人类活动对土地利用/覆盖变化的影响，耕地、林草地和水体的退化已是区域生态环境质量下降的主要驱动力。水体转换为干涸湖床（0.548 7）、水体转换为盐碱地（0.426 5）、耕地转换为沙漠（0.002 0）、耕地转化为其他（0.203 2）、林草地转换为干涸湖床（0.055 6）、林草地转换为盐碱地（0.036 0）是精河县生态环境质量下降的主导土地利用转换类型；当然，林草地、水体、耕地面积的转入则是区域生态环境质量有所改善的主要来源，其中沙漠转换为耕地（0.013 5）、盐碱地转换为林草地（0.012 9）、其他转化为林草地（0.797 5）这3种土地利用转换类型的生态贡献率占精河县生态环境质量改善总贡献率的很大比重。由此可见，林草地、水体、耕地面积的变化是影响区域生态环境质量变化的主要因素，所以退耕还林还草和合理利用水资源是改善研究区生态环境质量的有效手段。而且在干旱区水资源是影响土地利用类型的决定因素，也是干旱区土地可持续利用的关键制约因素，干旱区有限的水资源数量和分布状况是影响干旱区生态环境的主导因子，对土地开发利用起着决定性作用，因此精河县水体面积的变化和其他土地类型面积的变化引起了生态环境质量的变化[29]。总体而言，伴随着人类活动对土地利用/覆被变化的影响，在发生土地利用转换的同时，整个精河县尽管同时存在着生态改善和退化的两种趋势，但其总体生境质量变化不大，总体生态环境质量有所上升。

4 结论

本研究通过对精河县四期（1990、1998、2011和2013年）遥感影像进行分类处理，划分出水体、耕地、林草地、干涸湖床、盐碱地、沙漠和其他地类7种土地利用类型，得到精河县23年的土地类型变化数据，并在对研究区土地利用情况进行分析的基础上，得到土地利用类型变化对于精河县生态环境的影响，得出以下结论：

精河县1990-2013年土地利用变化的总体情况为：水体面积变化不大，耕地、干涸湖床的规模朝扩大的方向发展，其中耕地的面积则由1990年的2.15×104 hm2增加到2013年的8.84×104 hm2。耕地面积的增加说明精河县由于人口增加需要大量开垦耕农田；而沙漠和盐碱地面积减少则说明精河县的生态环境有所改善。

分析1990-2013年各年的土地类型转移矩阵，发现其中增加面积最明显的是耕地，有1.83×104 hm2的林草地转入，占转入量的20.78%；干涸湖床则有42.67%的盐碱地和13.38%的其他地类转入。大量林草地转向耕地说明精河县由于人口增加和经济的发展，需要开垦大量新耕农田；干涸湖床则有42.67%的盐碱地和13.38%的其他地类转入，说明精河县的盐碱化现象有所改善。

依据区域生态环境综合指数分析发现，1990-2013年精河县生态环境质量变化较大，生态环境综合指数在1990-1998年有明显的上升趋势，由1990年的0.501 6上升到1998年的0.545 7，说明生态环境显著改善；而在1998-2011、2011-2013年间精河县生态环境综合指数却呈现下降的趋势，由1998年的0.545 7下降到2013年的0.502 7。通过分析精河县土地利用转换类型对区域生态环境质量的贡献率发现，区域内耕地、水体、林草地的变化是影响该区域生态环境质量变化的主要因素，所以应该严格控制林草地的大量占用，加大耕地、水体退化的综合治理，发展节水农业，适度退坡耕地，有计划地实施退耕还林还草，遏制该区域生态环境质量恶化，促进生态环境质量改善。

本研究以干旱区内陆湖流域的精河县为例，分析了土地利用/覆被变化情况，以及土地利用/覆被变化对于生态环境的影响，可以为研究区环境变化评价提供数据支持，并揭示人类活动对干旱区生态环境变化的影响机制，为土地资源的合理利用和空间布局提供合理的依据，但在研究方法上仍然利用传统方法。

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