论文部分内容阅读
摘要根据1990、1999和2010年3期遥感数据获取吐鲁番绿洲土地利用的数据，对吐鲁番盆地绿洲的土地利用变化及其生态环境效应进行了定量分析。结果表明：1990～1999年由于草地和水域的转移面积减少的负贡献，导致区域生态环境指数下降，区域环境质量下降；1999～2010年耕地和草地转入面积增加的贡献，使区域生态环境指数上升，区域环境质量改善。近20年吐鲁番绿洲土地利用的环境效应明显，土地利用的生态环境指数上升，生态环境质量总体趋势上升，环境得到了改善。
关键词LUCC；生态环境效应；吐鲁番绿洲
中图分类号S28文献标识码A文章编号0517-6611（2014）01-00327-03
基金项目国家自然科学基金项目（41161063，41130531）。
作者简介侯君英（1984-），女，新疆伊犁人，硕士，从事干旱区遥感应用研究，Email：hiyingying@foxmail.com。
收稿日期20131202土地利用/覆被变化（LUCC）是全球变化研究的热点之一[1-3]，区域尺度土地利用与覆被变化可引起人类赖以生存的生态环境变化，是区域生态环境变化的一个重要因素[4-5]。国内外学者对区域土地利用与覆被变化与区域气候、水文、土壤养分及生物多样性等生态环境单一要素影响的研究较为广泛[6-10]，近年来日渐丰富的土地利用生态环境效应综合研究[11-13]，则更好地定量揭示了土地利用对生态环境质量的影响。绿洲作为干旱区独特的生态系统，其土地利用与覆被变化对环境影响显著[14]。研究绿洲区域土地利用变化的生态环境效应对绿洲可持续发展具有重要意义。吐鲁番绿洲分布于自然环境十分脆弱的吐鲁番盆地，随着经济的发展及人口快速增长，人地矛盾加剧，环境问题日益凸显。因此，迫切需要对吐鲁番盆地土地利用/覆被变化进行研究并揭示其生态环境效应，深入分析吐鲁番环境的演变机理，以便采取合理的可持续利用和管理对策，为吐鲁番可持续发展提供科学依据。
1数据来源与研究方法
1.1研究区概况吐鲁番深居亚欧大陆腹地，位于新疆维吾尔自治区东部，盆地主要地形为山地和平原，属典型的大陆性暖温带干早荒漠气候，夏季高温、冬季干冷；年平均降水量不足20 mm，盆地风灾次多强度大，且多沙尘暴[15-16]。吐鲁番地区是我国特色林果业基地，产业结构以农业为主，盆地中的绿洲分布着几乎所有用于农业生产的土地。
1.2数据来源及处理该研究采用1990年landsatTM、1999年landsatETM+、2010年landsatETM等landsat系列影像数据，为保证数据信息一致性均采用9月份相近日期影像。运用ENVI4.7软件对原始影像进行包括辐射校正、几何精校正、图像剪裁、图像增强及坐标转换等预处理。在分类过程中根据研究实际需要及干旱区特点，研究区的自然、社会经济特点对土地利用类型分类进行合并处理，将研究区土地利用类型划分为耕地、草地、建设用地、水域、未利用地。按照上述说明通过ENVI软件，人机交互监督分类，获得研究区3期土地利用类型分类图。对其分类结果用混淆矩阵、Kappa系数进行精度检验，总体精度均大于90%符合精度要求。
1.3研究方法
1.3.1土地利用类型转移矩阵。运用ENVI软件计算土地利用类型转移矩阵。在实际应用中根据土地利用类型图Aki×j与Ak+1i×j作土地利用转移矩阵，运用地图代数方法进行计算，公式如下[12，17]：
式中，Ci×j为k时期到k+1时期的土地利用类型变化图；Aki×j为k时期土地利用类型图；Ak+1i×j为k+1时期的土地利用类型图；i和j表示土地利用类型不同种类。此公式适合土地利用类型小于10的土地利用转移计算。
1.3.2 区域生态环境质量指数。土地利用的区域生态环境质量指数可定量反映区域土地利用变化对区域生态环境质量的影响[11，18]，其变化反应了区域生态环境质量的变化，其公式如下：
式中，LUi为t时期i土地利用类型的面积；Ci为i种土地利用类型的生态环境质量权重；TA为区域总面积；n是土地利用类型数。
在对土地利用类型生态环境质量权重的赋值上，该研究通过各土地利用类型所对应的生态系统服务价值进行计算[19]。具体赋值参照张淑英测算生态系统服务价值及谢高地对新疆生态系统服务价值的修正参数[20-21]，对各土地利用类型的生态服务价值在区间[0，1]内进行赋值，定义为每种地利用类型的相对生态服务价值（表1）[11，22]。
表1不同土地利用类型的相对生态服务价值
2结果与分析
2.1吐鲁番绿洲土地利用变化分析通过ENVI统计分析，获得吐鲁番绿洲1990～2010年土地利用总体变化情况（表2）。由表2可以看出，研究区主要土地利用类型为未利用地和耕地。吐鲁番绿洲土地利用/覆被结构主要体现了干旱区生态环境的特征，未利用地大量分布，绿洲几乎承载了全部的人口和粮食生产，草地和林地分布于山区及荒漠边缘，水域和建设用地相对较少。未利用地所占比例最大，1990、1999、2010年分别为86.5%、86.25%和82.35%。其次为耕地，1990、1999、2010年所占比例分别为8.33%、9.88%和12.78%。1990～1999年研究区未利用地、水体与草地的面积减少，耕地与建设用地面积增加。1999～2010年研究区未利用地、水体面积减少，耕地、建设用地与草地面积增加。且1990～1999年研究区未利用地、水体、耕地与建设用地的变化面积（共变化145.73 hm2）小于1999～2010年的变化面积（共变化411.94 hm2）。1990～2010年吐鲁番绿洲未利用地减少181.21 hm2，耕地增加了195.64 hm2，草地面积增大31.34 hm2，水域面积减少62.42 hm2，建设用地增加16.18 hm2。 2.2土地利用变化转移分析利用ENVI软件对1990、1999、2010年3期的土地利用类型图进行空间分析统计计算，得出研究时段内的土地利用类型的转移矩阵（表3、4）。由1990～1999年转移明显的类型为：未利用地向耕地转移121.24 hm2，草地向未利用地转移75.27 hm2，耕地向未利用地转移63.41 hm2，未利用地向草地转移53.13 hm2，水域向未利用地转移38.30 hm2，建设用地转移不明显。1999～2010年转移量占主导地位的是未利用地向耕地和草地转移，共转移306.10 hm2。其他的主要转移类型按转移量大小依次是：耕地向未利用地转移60.15 hm2，草地向未利用地转移46.77 hm2，水域向未利用地转移39.02 hm2，未利用地向建设用地转移12.76 hm2。
2.3吐鲁番绿洲土地利用与生态环境变化分析利用公式（2）和土地利用转移矩阵计算得到吐鲁番绿洲1990、1999、2010年3个时期的区域土地利用生态环境质量指数（表5），结果分别是0.054 8、0.054 2和0.062 5，20 年间吐鲁番绿洲生态环境指数经历了先降后升的过程，即1990～1999年吐鲁番绿洲的生态环境质量指数下降0.000 6；1999～2010年吐鲁番绿洲的生态环境指数上升0.008 3；1990～2010年生态环境指数上升0.007 7。在各土地利用类型中，耕地的生态环境指数最高，水域的生态环境指数最小，建设用地因变化及转移数量较小，因此生态环境指数忽略不计。1990～2010年研究区各类土地利用类型的生态环境指数上升最大的是耕地，减少最多的是水域。
由表6可知，1990～2010年吐鲁番绿洲总体生态环境质量有所提高，区域生态环境维持着动态稳定。但是总体稳定上升并不代表各土地利用类型的生态环境质量都上升，总体上升的同时也分别发生着导致生态环境质量改善和退化的土地利用类型变化，改善的趋势大于退化的趋势才使得总体生态环境质量上升。1990～1999年各土地利用类型变化的生态环境贡献率中使得环境改善的贡献因子是耕地的增大和未利用地的开垦，且耕地增大贡献最多为2.87%；致使环境退化的贡献因子是草地的退化和水域的萎缩，水域萎缩对生态环境退化影响较大，贡献率为-0.82%。1999～2010年各土地利用类型变化的生态环境贡献率中耕地的贡献率最大，为3.56%，其次草地贡献率为1.02%，未利用地贡献较小，为0.002 7%，这3类土地利用类型的生态环境贡献率对环境改善有贡献；造成环境退化的是水域萎缩，贡献率为-0.18%。可见同1990～1999年相比，1999～2010年土地利用对生态环境有积极贡献的因素增多，消极贡献的因素减少。吐鲁番绿洲20年间虽然同时存在着生态环境改善和恶化，但经过积极因子和消极因子的相互抵销总体生态环境质量保持着一种稳定的态势并且整体得到上升。总之，经过20年的发展，吐鲁番绿洲的人类活动对当地的生态环境的影响经历了消极到积极、最终整体向好的过程。
参考文献
[1] TURNER B L，SKOLE D，SANDERSON S，et al.Landuse and landcover change：science/research plan.IGBP Report No.35 and HDP Report No.7[R].Stockholm，1995.
[2] LAMBIN E F，TURNER B L，GEIST H J，et al.The causes of landuse and landcover change：moving beyond the myths[J].Global Environmental Change，2001，11（4）：261-269.
[3] 于兴修，杨桂山.中国土地利用/覆被变化研究的现状与问题[J].地理科学进展，2002，21（1）：51-57.
[4] FU B J，GULINCK H，MASUM M Z.Loess erosion in relation to land use changes in the Ganspoel Catchment，Central Belgium[J].Land Degradation&Rehabilitation，1994，5（4）：261-270.
[5] 傅伯杰，陈利顶，马克明.黄土丘陵区小流域土地利用变化对生态环境的影响[J].地理学报，1999，54（3）：241-245.
[6] 秦丽杰，张郁，许红梅，等.土地利用变化的生态环境效应研究——以前郭县为例[J].地理科学，2002，22（4）：508-512.
[7] 赵锐锋，姜朋辉，陈亚宁，等.塔里木河干流区土地利用/覆被变化及其生态环境效应[J].地理科学，2012，32（2）：244-250.
关键词LUCC；生态环境效应；吐鲁番绿洲
中图分类号S28文献标识码A文章编号0517-6611（2014）01-00327-03
基金项目国家自然科学基金项目（41161063，41130531）。
作者简介侯君英（1984-），女，新疆伊犁人，硕士，从事干旱区遥感应用研究，Email：hiyingying@foxmail.com。
收稿日期20131202土地利用/覆被变化（LUCC）是全球变化研究的热点之一[1-3]，区域尺度土地利用与覆被变化可引起人类赖以生存的生态环境变化，是区域生态环境变化的一个重要因素[4-5]。国内外学者对区域土地利用与覆被变化与区域气候、水文、土壤养分及生物多样性等生态环境单一要素影响的研究较为广泛[6-10]，近年来日渐丰富的土地利用生态环境效应综合研究[11-13]，则更好地定量揭示了土地利用对生态环境质量的影响。绿洲作为干旱区独特的生态系统，其土地利用与覆被变化对环境影响显著[14]。研究绿洲区域土地利用变化的生态环境效应对绿洲可持续发展具有重要意义。吐鲁番绿洲分布于自然环境十分脆弱的吐鲁番盆地，随着经济的发展及人口快速增长，人地矛盾加剧，环境问题日益凸显。因此，迫切需要对吐鲁番盆地土地利用/覆被变化进行研究并揭示其生态环境效应，深入分析吐鲁番环境的演变机理，以便采取合理的可持续利用和管理对策，为吐鲁番可持续发展提供科学依据。
1数据来源与研究方法
1.1研究区概况吐鲁番深居亚欧大陆腹地，位于新疆维吾尔自治区东部，盆地主要地形为山地和平原，属典型的大陆性暖温带干早荒漠气候，夏季高温、冬季干冷；年平均降水量不足20 mm，盆地风灾次多强度大，且多沙尘暴[15-16]。吐鲁番地区是我国特色林果业基地，产业结构以农业为主，盆地中的绿洲分布着几乎所有用于农业生产的土地。
1.2数据来源及处理该研究采用1990年landsatTM、1999年landsatETM+、2010年landsatETM等landsat系列影像数据，为保证数据信息一致性均采用9月份相近日期影像。运用ENVI4.7软件对原始影像进行包括辐射校正、几何精校正、图像剪裁、图像增强及坐标转换等预处理。在分类过程中根据研究实际需要及干旱区特点，研究区的自然、社会经济特点对土地利用类型分类进行合并处理，将研究区土地利用类型划分为耕地、草地、建设用地、水域、未利用地。按照上述说明通过ENVI软件，人机交互监督分类，获得研究区3期土地利用类型分类图。对其分类结果用混淆矩阵、Kappa系数进行精度检验，总体精度均大于90%符合精度要求。
1.3研究方法
1.3.1土地利用类型转移矩阵。运用ENVI软件计算土地利用类型转移矩阵。在实际应用中根据土地利用类型图Aki×j与Ak+1i×j作土地利用转移矩阵，运用地图代数方法进行计算，公式如下[12，17]：
式中，Ci×j为k时期到k+1时期的土地利用类型变化图；Aki×j为k时期土地利用类型图；Ak+1i×j为k+1时期的土地利用类型图；i和j表示土地利用类型不同种类。此公式适合土地利用类型小于10的土地利用转移计算。
1.3.2 区域生态环境质量指数。土地利用的区域生态环境质量指数可定量反映区域土地利用变化对区域生态环境质量的影响[11，18]，其变化反应了区域生态环境质量的变化，其公式如下：
式中，LUi为t时期i土地利用类型的面积；Ci为i种土地利用类型的生态环境质量权重；TA为区域总面积；n是土地利用类型数。
在对土地利用类型生态环境质量权重的赋值上，该研究通过各土地利用类型所对应的生态系统服务价值进行计算[19]。具体赋值参照张淑英测算生态系统服务价值及谢高地对新疆生态系统服务价值的修正参数[20-21]，对各土地利用类型的生态服务价值在区间[0，1]内进行赋值，定义为每种地利用类型的相对生态服务价值（表1）[11，22]。
表1不同土地利用类型的相对生态服务价值
2结果与分析
2.1吐鲁番绿洲土地利用变化分析通过ENVI统计分析，获得吐鲁番绿洲1990～2010年土地利用总体变化情况（表2）。由表2可以看出，研究区主要土地利用类型为未利用地和耕地。吐鲁番绿洲土地利用/覆被结构主要体现了干旱区生态环境的特征，未利用地大量分布，绿洲几乎承载了全部的人口和粮食生产，草地和林地分布于山区及荒漠边缘，水域和建设用地相对较少。未利用地所占比例最大，1990、1999、2010年分别为86.5%、86.25%和82.35%。其次为耕地，1990、1999、2010年所占比例分别为8.33%、9.88%和12.78%。1990～1999年研究区未利用地、水体与草地的面积减少，耕地与建设用地面积增加。1999～2010年研究区未利用地、水体面积减少，耕地、建设用地与草地面积增加。且1990～1999年研究区未利用地、水体、耕地与建设用地的变化面积（共变化145.73 hm2）小于1999～2010年的变化面积（共变化411.94 hm2）。1990～2010年吐鲁番绿洲未利用地减少181.21 hm2，耕地增加了195.64 hm2，草地面积增大31.34 hm2，水域面积减少62.42 hm2，建设用地增加16.18 hm2。 2.2土地利用变化转移分析利用ENVI软件对1990、1999、2010年3期的土地利用类型图进行空间分析统计计算，得出研究时段内的土地利用类型的转移矩阵（表3、4）。由1990～1999年转移明显的类型为：未利用地向耕地转移121.24 hm2，草地向未利用地转移75.27 hm2，耕地向未利用地转移63.41 hm2，未利用地向草地转移53.13 hm2，水域向未利用地转移38.30 hm2，建设用地转移不明显。1999～2010年转移量占主导地位的是未利用地向耕地和草地转移，共转移306.10 hm2。其他的主要转移类型按转移量大小依次是：耕地向未利用地转移60.15 hm2，草地向未利用地转移46.77 hm2，水域向未利用地转移39.02 hm2，未利用地向建设用地转移12.76 hm2。
2.3吐鲁番绿洲土地利用与生态环境变化分析利用公式（2）和土地利用转移矩阵计算得到吐鲁番绿洲1990、1999、2010年3个时期的区域土地利用生态环境质量指数（表5），结果分别是0.054 8、0.054 2和0.062 5，20 年间吐鲁番绿洲生态环境指数经历了先降后升的过程，即1990～1999年吐鲁番绿洲的生态环境质量指数下降0.000 6；1999～2010年吐鲁番绿洲的生态环境指数上升0.008 3；1990～2010年生态环境指数上升0.007 7。在各土地利用类型中，耕地的生态环境指数最高，水域的生态环境指数最小，建设用地因变化及转移数量较小，因此生态环境指数忽略不计。1990～2010年研究区各类土地利用类型的生态环境指数上升最大的是耕地，减少最多的是水域。
由表6可知，1990～2010年吐鲁番绿洲总体生态环境质量有所提高，区域生态环境维持着动态稳定。但是总体稳定上升并不代表各土地利用类型的生态环境质量都上升，总体上升的同时也分别发生着导致生态环境质量改善和退化的土地利用类型变化，改善的趋势大于退化的趋势才使得总体生态环境质量上升。1990～1999年各土地利用类型变化的生态环境贡献率中使得环境改善的贡献因子是耕地的增大和未利用地的开垦，且耕地增大贡献最多为2.87%；致使环境退化的贡献因子是草地的退化和水域的萎缩，水域萎缩对生态环境退化影响较大，贡献率为-0.82%。1999～2010年各土地利用类型变化的生态环境贡献率中耕地的贡献率最大，为3.56%，其次草地贡献率为1.02%，未利用地贡献较小，为0.002 7%，这3类土地利用类型的生态环境贡献率对环境改善有贡献；造成环境退化的是水域萎缩，贡献率为-0.18%。可见同1990～1999年相比，1999～2010年土地利用对生态环境有积极贡献的因素增多，消极贡献的因素减少。吐鲁番绿洲20年间虽然同时存在着生态环境改善和恶化，但经过积极因子和消极因子的相互抵销总体生态环境质量保持着一种稳定的态势并且整体得到上升。总之，经过20年的发展，吐鲁番绿洲的人类活动对当地的生态环境的影响经历了消极到积极、最终整体向好的过程。
参考文献
[1] TURNER B L，SKOLE D，SANDERSON S，et al.Landuse and landcover change：science/research plan.IGBP Report No.35 and HDP Report No.7[R].Stockholm，1995.
[2] LAMBIN E F，TURNER B L，GEIST H J，et al.The causes of landuse and landcover change：moving beyond the myths[J].Global Environmental Change，2001，11（4）：261-269.
[3] 于兴修，杨桂山.中国土地利用/覆被变化研究的现状与问题[J].地理科学进展，2002，21（1）：51-57.
[4] FU B J，GULINCK H，MASUM M Z.Loess erosion in relation to land use changes in the Ganspoel Catchment，Central Belgium[J].Land Degradation&Rehabilitation，1994，5（4）：261-270.
[5] 傅伯杰，陈利顶，马克明.黄土丘陵区小流域土地利用变化对生态环境的影响[J].地理学报，1999，54（3）：241-245.
[6] 秦丽杰，张郁，许红梅，等.土地利用变化的生态环境效应研究——以前郭县为例[J].地理科学，2002，22（4）：508-512.
[7] 赵锐锋，姜朋辉，陈亚宁，等.塔里木河干流区土地利用/覆被变化及其生态环境效应[J].地理科学，2012，32（2）：244-250.