环境科学学报  2015, Vol. 35 Issue (10): 3330-3337
车尔臣河流域土地利用变化及生态环境效应分析    [PDF全文]
李景远, 吴巍, 周孝德 , 焦露慧, 郭梦京    
西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地, 西安理工大学, 西安 710048
摘要:借助ArcGIS与ERDAS软件,以1990年、2000年、2010年遥感影像Landsat TM/ETM为数据源,提取3期车尔臣河流域土地利用/覆盖利用图.在土地利用类型与区域生态风险之间的经验联系基础上,推求出土地利用类型生态风险指数,进而获得研究区域生态安全指数,建立了车尔臣河土地利用类型与生态环境之间的数量关系.同时,在空间尺度上将研究区分为若干特定研究单元,并对整体及局部地区进行生态环境质量动态分析.结果表明:1990-2010年间,车尔臣河流域总体生态环境指数呈逐步升高趋势,但生态环境质量的改善与恶化两种趋势并存,并在特定研究单元上出现明显的区域分异特征;盐碱地向耕地、林地及低覆盖度草地的转化,低覆盖度草地向林地的转化和未利用地向耕地的转化是环境改善的主导因素,林地与中覆盖度草地向盐碱地和未利用地的转化是环境恶化的主导因素.
关键词车尔臣河流域    生态风险指数    生态环境指数    土地利用/覆盖利用贡献率    空间差异    
Land use change and eco-environment effect in Qarqan River basin
LI Jingyuan, WU Wei, ZHOU Xiaode , JIAO Luhui, GUO Mengjing    
State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048
Abstract: By using softwares such as ArcGIS and ERDAS and based on Landsat ETM/TM remote sensing image of 1990, 2000 and 2010 as data source, three stages of land use or cover pictures of Qarqan River are obtained in this paper. On the basis of the relationship between the type of land use and regional ecological risk, ecological risk index of the type of land use is calculated, regional ecological safety index is also acquired, and the quantitative relationship between the type of land use of Qarqan River and ecological environment is established. In this paper, the research area is divided into a number of specific research units on spatial scale, and dynamic analysis of ecological environment quality is conducted for the overall and local area. The result shows that the overall ecological environment index of Qarqan River has an upward tendency from 1990 to 2010, but improvement and deterioration of ecological environment coexist and the specific research units show significant spatial difference; transformations from saline soil to cultivated land, woodland and low coverage grassland, from low coverage grassland to woodland and from unused land to cultivated land are major factors of environmental improvement, whereas transformation from woodland and moderate coverage to saline-alkali soil and unused land is the major factor of environmental degradation.
Key words: Qarqan River Basin    ecological risk index    ecological environment index    land use/coverage use contribution ration    spatial difference    
1 引言(Introduction)

随着全球气候变暖、人类活动在全球范围内的加强和影响速度的加快,人类活动的范围已经扩展到生态环境比较脆弱的区域(SCEP,1970),致使土地利用/覆盖的格局、深度和强度都发生着强烈的变化(Tumer et al., 1995).车尔臣河流域位于新疆巴州且末县境内,地理坐标为51°28′N、37°30′E,受自然条件的限制,该流域生态环境相对脆弱(徐羹慧,2005),流域内河岸林地、草地主要分布于车尔臣河中下游塔提让大桥以下至车尔臣河尾闾的河道两岸,了解当地生态环境状况、环境质量变化的内在驱动力,可为今后该地区生态发展策略的制定提供服务.车尔臣河是塔里木盆地东南缘年径流量最大的河流,年平均径流量约7.84亿m3,河道全长813 km,最终注入台特玛湖.同时,流经昆仑山北麓的车尔臣河是塔里木河下游绿洲的生命线之一(图 1),它与塔里木河共同维系着塔克拉玛干沙漠东部的绿色长廊.有研究人员基于30 m DEM数据源,通过水文分析、流域提取,获得了车尔臣河流域的一些情况(邱临静等,2005徐新良等,2004).基于此,本文针对车尔臣河流域,以L and sat TM/ETM影像为数据源,通过对该区域土地利用/覆盖类型变化与生态环境效应进行综合分析,以期了解土地利用类型变化引起的生态环境质量问题.

图 1 车尔臣河区域位置图 Fig. 1 Location of qarqan river basin
2 数据来源与研究方法(Data sources and research methods) 2.1 数据来源及处理

车尔臣河流域数据源主要包括:①土地利用及覆盖数据,基于中国科学院计算机网络信息中心科学数据中心提供的L and sat TM/ETM遥感数据,通过人机交互式解译获取,数据包括1990年、2000年、2010年3个时期的时空数据;②研究区域的统计年鉴及相关资料;③且末县农耕区地形图数据.

图 2 研究区不同年份年土地利用/覆盖图 Fig. 2 L and use/cover map of study area

借助遥感图像处理软件ERDAS与地理信息系统软件ArcGIS,对得到的L and sat TM/ETM遥感数据进行目视判读、几何校正、辐射校正(降噪处理)、图像增强等处理,采用监督分类与非监督分类相结合的方法对各时期的遥感影像进行解译(汤国安等,2005).为减小误差、保证解译精度,非监督分类采用迭代自组织数据分析技术,监督分类选用马氏距离分类法,通过混淆矩阵对提取的土地利用图进行精度评价,确保解译精度符合要求.考虑到车尔臣河所在地区的地理、地势条件及不同土地类型的利用差异,同时为减少人机解译分类的误差,将附属或者难以区分的图斑进行归类,最终将研究区域的土地利用划分为耕地、林地、灌木林、疏木林、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、水域、盐碱地、未利用地等10种类型.同时,结合研究区土地利用数据、统计年鉴,对解译结果进行验证,得到3期土地利用/覆盖现状图(图 2).

2.2 土地利用/覆盖动态变化度量标准

借助ArcGIS与ERDAS对3期土地利用数据进行统计和叠加分析,得到各期之间的土地利用类型面积转移矩阵,并计算出贡献率等参数,从时间尺度上分析整个区域的生态环境状况.引入土地利用/覆盖面积净变化指数、净变化速率等,分析1990—2010年间车尔臣河流域土地利用的面积变化情况.

2.2.1 土地利用/覆盖类型转移矩阵

转移矩阵可全面具体地刻画研究区域各土地类型转移的数量、去向和来源.对于任意两期(kk+1)土地利用/覆盖类型图,按地图代数方法,利用ArcGIS进行空间叠加分析,得出各时段的转移矩阵(王秀兰等,1999Hietel et al., 2004).

式中,Cij为由k时期到k+1时期的土地利用/覆盖变化(km2);Akij表示k时期i种土地利用/覆盖类型转变为k+1时期j种土地利用/覆盖类型的面积(km2).

2.2.2 面积净变化指数

不同土地类型面积净变化指数的计算公式如下(马倩,2012):

式中,Nc为土地类型面积净变化指数;Ak+1i为i种土地类型在k+1时期的面积(km2);Akii种土地类型在k时期的面积(km2).

2.2.3 土地利用/覆盖转变类型贡献率

土地利用/覆盖转变类型贡献率LEI(窦燕等,2008)指某一种土地利用类型变化导致的区域生态质量的改变,计算公式如下:

式中,Aij为第i类土地利用类型向第j类土地类型转变的面积(km2);EjEi分别为第i类和第j类土地利用类型的生态环境质量权重(黄凤等,2008),根据各土地利用类型所产生的生态系统服务价值进行计算获得.

2.3 土地利用类型变化空间差异

土地利用/覆盖动态变化主要从时间尺度上反映研究区的土地利用情况,而空间差异能很好地从空间尺度上表征研究区内土地利用变化情况,土地利用变化的区域差异可用下式表示(岳隽等,2007李忠锋等,2003彭建等,2004):

式中,Ri为土地利用相对变化率;Aki、Ak+1ii种土地利用类型kk+1时期的面积(km2);Bki、Bk+1i为特定研究单元i种土地利用类型kk+1时期的面积(km2).Ri>1,表示研究单元内第i类土地利用类型变化较整个区域大;Ri=1,表示研究单元内第i类土地利用类型变化与整个区域相同;Ri<1,表示研究单元内第i类土地利用类型变化较整个区域小.车尔臣河流域在面积全国第二和第一的且末、若羌两县,且地处沙漠边缘,地广人稀等特殊因素导致很难采用行政单元作为研究单元,

本文通过且末县水文局提供的近50年水文资料及当地年鉴,通过水文分析和人口分布等特点,最终决定采用与植被关系密切的潜水蒸发数据作为划定研究单元的依据(图 3)

图 3 研究单元换分图 Fig. 3 Division of research units
2.4 生态环境质量标准

区域生态安全指数选用曾辉等提出的区域生态风险指数(曾辉等,1999; 付在毅等,2001莫宏伟等,2010)来表征,用于指征研究区域的生态风险程度.对于特定地区,生态风险越高,其生态安全指数则越低,区域生态风险指数同生态安全指数呈相反的趋势,由此构建出区域的生态安全指数ESI(王宗耀等,2010).以区域的土地利用/覆盖数据为基础,首先建立各种土地利用类型与区域生态风险之间的经验联系,再利用各种土地利用类型的面积比例,构建各种土地利用类型的生态风险指数ERI,最后构建出所需的区域生态安全指数.具体计算公式为:

式中,i表示土地利用类型;Ai为样本区域内第i种土地利用类型的总面积;A为样本区域的土地总面积;Wi为第i种土地利用类型的生态风险强度系数.Ai可以通过ArcGIS在土地利用图的基础上直接计算出来,现对Wi的取值进行说明(谢花林,2011荆玉平等,2008李谢辉等,2008李晓文等,2003):

式中,景观脆弱度指数Fi由专家咨询法并归一化获得,景观结构指数Si、景观破碎度指数Ci、景观分离度指数Ni、景观优势度指数Di的计算公式如下:

式中,ni为景观类型i的斑块数;Ai代表样本区域内第i种土地利用类型的总面积;Ii为景观类型i的距离指数;A为景观总面积;Hmax是多样性指数的最大值;Pi为景观类型i所占面积的比例;m景观组是分类数;abc为相应各景观指数的权重,且a+b+c=1,根据分析权衡,认为破碎度指数最为重要,其次为分离度和优势度指数,以上3种指数分别赋以0.6、0.3、0.1的权值.

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 车尔臣河流域土地利用动态变化

从各时段面积变化数据可知,盐碱地、低覆盖度草地及未利用地的面积变化最大,城镇居民地面积变化最小.整个研究流域内中覆盖度草地与盐碱地面积先减后增,高覆盖度草地与水域面积先增后减,其他土地利用类型都成增长趋势.

两时段内的具体变化(图 4)分析如下:①1990—2000年,灌木林的面积净变化指数最高(5.849).低覆盖度草地急剧增加,面积增加最多778.32 hm2,由于低覆盖度草地在1990年前后的原始草地面积已经很大,导致低覆盖度草地的面积净变化指数并不是很高.盐碱地面积大幅度减少,其他土地类型均有所增加.②2000—2010年,高覆盖度草地、水域及未利用土地均呈减少趋势,其他土地类型均呈增长趋势,其中,耕地与疏木林的增长速率是上一期的4.9和3.1倍.在这期间耕地的面积净变化指数最高,土地利用面积从4423.23 hm2增加至19548.99 hm2.

图 4 1990—2010年车尔臣河流域土地利用/覆盖类型面积净变化指数 Fig. 4 Net change index of l and use / cover type area in 1990—2010 in Qarqan River basin
3.2 车尔臣河流域土地利用变化空间差异

根据公式(4),对耕地、林地(此处林地为前述林地、灌木林、疏木林合并)、草地(此处草地为前述高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地合并)、盐碱地、未利用地5种类型进行计算,结果见表 1.

表 1 区域土地利用相对变化率 Table 1 Relative change rate of regional l and use

总体来看,耕地在灌区3~6 m区的变化率最大,其次是灌区1~3 m区和灌区6~10 m区.灌区在空间分布上主要集中在且末县县城周边,且耕地有向上游龙口方向发展的趋势.在国家大力发展新疆地区农业产值的拉动下,耕地面积大幅度增加,同时,且末县的耕地大部分是在原有耕地基础上建立及扩展所得,而耕地与人类活动的群聚行为密不可分,最终促成了这样的空间分布特点.风积沙区基本为无人荒漠区,植被难以生长,但风积沙区(1~3 m)地理位置靠近湖区,地下水补给量较大等因素促使该区域植被生长相对较密集.通过面积变化指数可知,整个区域盐碱地是急剧下降的,下降最明显的区域为风积沙区(3~6 m),对环境起到积极促进意义;但在部分区域,由于河道改道、气候变迁和沙漠化侵蚀等众多因素,使得车尔臣河基本不再流入台特码湖,而是流入北部的康克拉湖群,这导致靠近东部的植被覆盖出现一定下降,盐碱地在该区出现局部性扩大.沿河稀疏植被区范围的林草地增幅较全区明显,结合3期土地利用图发现,草地的增长趋势在空间上呈东北走向,可能是由于地下水流场的改变所致;沿河林草带沿河两岸不断扩张,同时右岸长势相对较高.

3.3 车尔臣河流域土地利用类型转化

为了更好地了解流域土地利用的变化规律,本文针对各土地类型做转移矩阵,以便从时间尺度上与空间尺度上了解各类型的去向.分析土地利用/覆盖转移矩阵(表 2表 3)可知:①1990—2000年,未利用地、盐碱地、低覆盖度草地等土地类型转为耕地的面积较多,其中,未利用地被开垦为耕地的面积最多,主要发生在灌区6~10 m区;其次为盐碱地,主要发生在灌区范围的东部.整体而言,盐碱地面积在这段时间急剧减少,转化成其他土地类型,对植被的生长起到了一定的驱动作用(宋开山等,2008).②2000—2010年,耕地面积的转化发生很大的变化,未利用地、高覆盖度草地和水域成为耕地转化的主要补给土地利用类型,其中,低覆盖度草地有5911.83 hm2的面积被开垦成为耕地,未利用地有2989.26 hm2的面积转化为耕地.1998年退耕还林还草政策实施以来,林地面积得到了很好的保护,面积也有所增加,增加的面积主要来自灌木林和疏木林等土地类型.③1990—2010年总体来看,耕地持续增加,盐碱地、未利用地总体呈减少趋势,减小的面积主要转化成了农耕地.为满足不断增加的耕地灌溉需求,导致水域面积不断增加.第一期,盐碱地成为其他土地利用类型转化的主要驱动力,转化面积为129459.7 hm2;第二期,未利用地成为其他土地利用类型转化的主要驱动力,转化面积为47695.5 hm2.

表 2 1990—2000年车尔臣河流域土地利用/覆盖类型转移矩阵 Table 2 L and use / l and cover types of transfer matrix in 1990—2000 in Qarqan River basin

表 3 2000—2010年车尔臣河流域土地利用/覆盖类型转移矩阵 Table 3 L and use / l and cover types of transfer matrix in 2000—2010 in Qarqan River basin
3.4 土地利用/覆盖变化生态环境效应分析

分析表 4可知,1990—2010年间车尔臣河流域生态环境指数呈逐步升高的趋势,共升高了44.98%,其中,1990—2000年升高26.39%,2000—2010年升高14.70%,增长速率有所降低,但在大尺度的范围内,研究区域的生态环境质量稳步提高.各土地利用/覆盖类型中,盐碱地、未利用地、低覆盖度草地、水域、林地的环境指数较高,对研究区域的生态环境的贡献率较大.1990—2010年盐碱地的生态环境指数增加最大,共增加59.54%,其次是低覆盖度草地增加48.15%.

由于区域内生态环境质量同时发生着好转和恶化两种相反趋势,在一定程度上这两种趋势在一定区域内相互抵消,使得总体上与变化趋势较大的一种趋势相对应.因此,流域生态环境指数的升高并不意味着生态环境没有发生过恶化(李晓文等,2003).分析1990—2000年间和2000—2010年间土地利用/覆盖类型相互转化对区域生态环境质量指数的贡献率(表 5),能获取生态环境变化的主要特征及驱动因素.结果表明,两期流域土地利用/覆盖变化对生态环境改善的贡献率高于对生态环境恶化的贡献率,随着土地利用/覆盖变化,生态环境质量有一定的提高.林地、耕地、中覆盖度草地、水域的减少是流域生态环境质量下降的主要驱动力.其中,林地与中覆盖度草地向盐碱地和未利用地的转变是环境恶化的主导因素.林地、低覆盖度草地、中覆盖度草地的增加是生态环境质量上升的主要驱动力.盐碱地向林地与低覆盖度草地的转化,以及低覆盖度草地向林地的转化是环境改善的主导因素.由此可见,相对其他土地利用类型的变化,林地、低覆盖度草地、盐碱地、未利用地的变化是影响车尔臣河流域生态环境质量变化的主要因素.

表 4 车尔臣河流域生态环境指数 Table 4 Ecological environment index in Qarqan River basin

表 5 1990—2010年车尔臣河流域各土地利用类型对生态环境变化的贡献率 Table 5 Contribution rate of different types of l and use to ecological environment change in 1990—2010 in Qarqan River Basin
3.5 土地利用变化区域生态环境效应分析

由于整个研究区特殊的地理位置及气候特点,导致生态环境变化有其独特的区域性,现通过前文所划分的特定单元区进行分析.基于转移矩阵、贡献率矩阵、相对变化率和土地利用图,结合ArcGIS区域分析及地图代号叠加等模块,可获得如下结论:①1990—2010年期间全区总体生态环境质量稳步提高,但生态环境质量的改善与恶化两种趋势并存,并在所分特定研究单元上出现明显的区域分异特征.其中,沿河林草带区、沿河稀疏植被区(即车尔臣河塔提让大桥至入湖段),生态环境变化剧烈,环境质量明显高于其他地区,风积沙区(大于20 m)区域生态环境变化不显著.②全区盐碱地在两个时段内呈现下降趋势,这样的下降趋势主要发在风积沙区(3~6 m、6~10 m、10~20 m)这3个区域的西部,靠近且末县城,而东部局部地区,特别是近湖段盐碱地却有所增加,使得该区域生态环境质量相对较差.③湖区范围低覆盖度草地面积不断增大为该区环境质量改善起到了极大的促进作用,尤其是湖区西北地区草地有向沙漠进军的趋势,所以,应该着重关注康克拉湖泊对环境的影响分析.

4 结论(Conclusions)

1)1990—2010年间,车尔臣河流域土地利用结构发生了较大的变化:低覆盖度草地面积大增,增长幅度为47.54%,空间上主要集中在灌区周边、塔提让大桥至入湖段的河道两侧及湖区西北部,并且在康克拉湖群处有向北扩张的趋势,对促进环境质量有重要的意义;耕地面积大面积增加,增长幅度为74.65%,耕地在灌区3~6 m区的变化率最大,其次是灌区1~3 m区、灌区6~10 m区.灌区在空间分布上主要集中在且末县县城周边,且耕地有向上游龙口方向发展的趋势,耕地的大力发展得益于自身地理位置的特点和上游兴修的众多水利枢纽工程及当地开垦的积极倡导.

2)1990—2010年间,车尔臣河流域生态环境指数呈逐步升高的趋势,共升高了44.98%,其中,1990—2000年升高26.39%,2000—2010年升高14.70%,增长速率有所降低,在大尺度范围内,研究区域的生态环境质量稳定提高,但生态环境质量的改善与恶化两种趋势并存,并在特定研究单元上出现明显的区域分异特征:沿河林草带区、沿河稀疏植被区(即车尔臣河塔提让大桥至入湖段)生态环境变化剧烈,环境质量明显高于其他地区,且该区域沿河两岸林草地不断向外扩张且成东北走向,同时右岸长势相对较高;湖区范围低覆盖度草地面积不断增大为该区环境质量改善起到了极大的促进作用,尤其是湖区西北地区草地有向沙漠进军的趋势,所以,应该着重关注康克拉湖泊对环境的影响分析.

3)研究区总体生态环境质量稳步提高,其中,盐碱地向耕地、林地及低覆盖度草地的转化,以及低覆盖度草地向林地的转化和未利用地向耕地的转化是环境改善的主导因素.林地与中覆盖度草地向盐碱地和未利用地的转化是环境恶化的主导因素.相对其他土地利用类型的变化,盐碱地、未利用地、低覆盖度草地的变化是影响车尔臣河流域总体生态环境质量变化的主要因素.与此同时,生态环境质量的改善与恶化两种趋势并存,尤其在空间尺度上呈现很大的区域差异:盐碱地向其他土地类型的转化总体上极大地促进了当地生态环境质量,这种转化主要发生在风积沙区(3~6 m、6~10 m、10~20 m)这3个区域的西部,靠近且末县城,然而东部局部地区,特别是近湖段盐碱地却有所增加,使得局部地区环境有所恶化,使得该区域生态环境质量相对较差.所以,在对土地类型进行环境评价时应将整体与局部分析相结合,来深入地探讨其对环境的影响状况.

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