基于土地利用变化的塔里木河下游区近20 a景观生态风险研究
2020-11-23沈海岑薛联青
沈海岑，薛联青
(河海大学水文水资源学院，南京 210098)
0 引 言
土地利用变化引起的生态环境效应已成为全球变化研究的核心内容[1,2]，土地利用集约化带来的生态影响具有地域性和累积性特征，可以直接反映在生态系统的结构和组成上[3]。随着生态环境研究的深入，生态风险评估已成为生态环境管理的重要工具[4]，景观生态风险评价是生态风险评价在区域尺度上的重要分支[5]。耦合景观空间格局和生态过程，衡量景观格局演变对生态系统结构及功能的影响，评价景观格局与生态系统相互作用的潜在风险，可以为区域风险防范、景观格局优化、生态功能维系提供有效决策依据[6]。我国西北干旱区内陆河流域人口稀少，以荒漠生态系统为主，绿洲被荒漠包围，生态系统较为单一，国内众多学者对于西北干旱区进行景观生态风险评价，魏晓旭[7]等揭示了石羊河流域的景观生态风险时空变化；张月[8]等预测艾比湖区的土地利用变化并对湖区进行生态风险评价，得出人类活动干扰是影响当地生态脆弱的主要因素；梁二敏[9]等对新疆玛纳斯河流域进行基于土地利用变化的景观生态风险评价，得出研究区生态风险等级呈降低趋势；王若凡[10]等基于景观生态学原理,扩展与修正了风险概念模型, 对黑河流域生态风险进行定量评价。这些研究为新疆塔里木河流域下游区生态环境评价的研究提供了新的思路，对下游区生态环境的修复和区域可持续发展具有指导意义。
然而，在前人关于塔里木河下游区的研究[11-13]中，更多关注的是生态输水后生态环境变化的实时监测和植被恢复状况分析，缺乏基于土地利用的景观生态风险分级评价和空间属性的综合分析。作为生境极其脆弱的干旱内陆河，塔里木河下游段曾断流超过30 a，流域水系统的完整性被打破，尾闾湖泊干涸，水生态系统受损严重[14]，自2001年起，塔里木河流域依托国家政策实施全流域综合治理，经过近20 a的综合治理，下游区土地利用类型产生较明显变化，流域土地利用的变化及生态环境的恢复程度值得深入研究。为此本文选取2001、2010、2019年3期Landsat7 ETM遥感影像，以塔里木河下游区为研究对象，分析塔河综合治理工程实施的20 a来土地利用/覆被变化，构建景观生态风险评价模型，开展塔河下游区景观生态风险时空变化研究。
1 研究区概况
以塔里木河下游段为研究区，即恰拉水库至若羌县台特玛湖河段，位于库鲁克沙漠和塔克拉玛干沙漠之间的冲积平原(图1)，总面积1.28 万km2。研究区属极端干旱气候，降水稀少，蒸发强烈，年降水量仅17.4～42.0 mm，而面潜在蒸发量在2 500～3 000 mm之间[15]。塔里木河为纯耗散型内陆河，下游地区水资源主要依靠源流补给。历史上下游河道长期断流，至2019年底，向塔里木河下游生态输水达到20次，累计输水量超过81 亿m3。塔里木河下游在历经断流和生态输水后，两岸景观及生态系统发生显著变化[16]。
图1 研究区地理位置及其高程Fig.1 Location and DEM of the study area
2 数据与方法
2.1 数据来源及处理
本文以2001年、2010年和2019年三期成像于7-9月的Landsat7 ETM卫星图为数据源(分辨率为30 m),来源于美国地质勘测局网站 (http:∥glovis.usgs.gov)，云量小于8%，运用ENVI 5.1软件对遥感数据进行辐射定标、大气校正、几何校正等预处理，再通过图像镶嵌和裁剪，得到塔里木河下游区3期的Landsat遥感影像。利用极大似然法进行非监督分类，结合目视解译，基于中国科学院开发的土地利用与覆被分类系统，并结合研究区土地利用特点，将研究区景观类型分为耕地、林地、草地、水域湿地、建设用地和未利用地(图2)。结合Google Earth高分辨率影像和野外调查点，运用Confusion Matrix工具对解译结果进行验证，总体分类精度达88%以上，符合精度要求。将三期解译好的土地利用分类图导入Fragstats 4.2软件，提取研究区各土地利用类型的面积、斑块数等重要信息。
2.2 研究方法
2.2.1 景观生态风险评价模型构建
为了实现生态风险指数的空间化，本文利用ArcGIS 10.1软件的系统采样功能，将研究区进行网格化处理，划分为大小相同的若干生态风险小区，作为评价单元。考虑到景观斑块评价面积和计算强度，将研究区划分为1 419个3 km×3 km的采样网格。利用景观干扰度指数和景观脆弱度指数构建景观生态风险评价模型，计算每个风险小区的景观生态风险指数，作为风险小区中心点的值。
图2 2001-2019年塔里木河下游区土地利用类型变化图Fig.2 Change of land use landscape type in the lower reaches of Traim River from 2001 to 2019
景观干扰度指数(Di)反映一定区域内景观受外界干扰后的损失程度[17]。本文选用景观破碎度指数(Ci)、和景观优势度指数(Doi)以一定权重叠加计算出景观干扰度指数(表1)。
表1 景观指数计算方法及意义Tab.1 Calculation method and significance of landscape index
景观脆弱度指数(Fi)反映景观类型抵抗外界干扰的能力和对外界变化的敏感程度[19]。借鉴张月等[20]、潘竞虎等[21]、FAN J等[22]对于干旱内陆河流域的相关研究，脆弱度由高到低依次赋值为：未利用地为6，水域湿地为5，耕地为4，草地为3，林地为2，建设用地为1，归一化处理后得到各景观类型的脆弱度指数。
景观生态风险指数(ERI)可以定量描述样区内的综合生态风险损失的大小，建立景观结构和区域生态风险之间的关系[23]。其计算公式为：
(1)
式中:n是景观类型的数量；Aki为第k个样区中景观i的面积；Ai是第k个样区的总面积。
2.2.2 空间自相关分析
本文运用GeoDa 1.4.1软件进行生态风险空间自相关分析。空间自相关分析是用来检验某些空间变量在特定位置的属性值是否与邻近位置的属性值显著相关的算法[24]，常用的指标有Moran’sI指数(全局空间自相关)和LISA指数(局部空间自相关)[25]。Moran散点图表达了各土地利用类型空间分布的聚集和异常特征，LISA分布图可进一步确定局部空间聚集或异常的具体位置[26,27]。全局Moran’sI值和局部Moran’sIi值的计算公式分别为：
(2)
(3)
在一定显著水平上，Moran’sI负值表明存在空间负相关，空间单元属性值趋于离散；正值表明存在空间正相关，空间单元属性值趋于聚集；零值表明不存在空间自相关。
3 结果与讨论
3.1 土地利用类型时空变化特征分析
由图2和图3可知，未利用地面积占流域总面积比例超过70%，为塔河干流下游区主要的土地利用类型，其面积在2001-2019年减少了12.78%，呈现逐年减少的趋势。草地面积在2001-2010年显著增加了37.6%，在2010-2019年略微减少了7.82%。林地面积在2001-2019年持续显著增加，且增长速率也在增大，面积共增加了154.7%，增加的林地面积主要分布在台特玛湖、大西海子水库附近，以及喀尔达依东侧新增了大片林地。水域湿地面积在2001-2010年大幅增加，在2010-2019年持续略微增加，主要由于生态输水工程和节水农业的普及，台特玛湖由干涸到湖面面积显著扩大，水域湿地面积共增加了204.9%。同时，耕地和建设用地的面积也持续增加，分别增加了100.27和26.24 km2，增加的耕地和建设用地主要位于若羌县，塔河综合治理的20 a里，下游的人类活动愈加频繁，农业区逐渐趋于城镇化。
图3 2001-2019年塔里木河下游区土地利用类型面积变化Fig.3 The change of the area land use of the the lower reaches of Tarim River from 2001 to 2019
3.2 景观生态风险时空变化特征分析
在ArcGIS软件中运用自然断点法，将研究区生态风险分为5个等级，分别为：低生态风险区(ERI≤0.15)、较低生态风险区(0.15
由表2可知，2001-2019年间塔里木河流域下游区以低和较低生态风险区为主，占研究区面积72.61%以上，整体生态情况良好。2001-2010年，塔里木河流域下游区生态风险趋于增加，主要体现为低和较低生态风险区面积共减少了10.27%，中、较高、高生态风险区面积分别增加了43.33%、42.28%、53.57%。2010-2019年，塔里木河流域下游区生态风险趋于降低，主要体现为高和较高生态风险区面积分别减少了51.16%和51.43%，低和中生态风险区面积分别增加了26.16%和10.62%。
表2 塔里木河下游区景观生态风险等级面积及比例Tab.2 The ecological risk level of the area and the proportion of land utilization in the lower reaches of Tarim River
图4 2001-2019年塔里木河下游区生态风险空间分布Fig.4 Spatial distribution patterns of landscape ecological risk in the lower reaches of Traim River from 2001 to 2019
由图4可知，塔河下游区的高生态风险区主要分布在水域湿地处，由于在干旱区分散的水具有较高的脆弱度和生态风险，恰拉水库、大西海子水库和台特玛湖处呈现高生态风险，台特玛湖来水量增大，区域景观类型多样，植被丰富，水域斑块呈现从无到有的过程，破碎化程度加大，脆弱性增强，生态风险高。大西海子水库附近由于水利工程的建设，降低了景观连通性，人类活动干扰较多，景观类型丰富，沿水库植被覆盖度高且有耕地分布，造成景观破碎。低生态风险区主要分布在以沙地为主的未利用地，研究时段内，大部分未利用地未发生土地利用转化，不受人类干扰，呈现高稳定性，斑块面积大，斑块数少，破碎化程度低。较低生态风险区多为生态脆弱度较低的林地、草地。2001-2010年，恰拉水库至大西海子水库东侧和若羌县耕地密布的区域呈现较高、中生态风险， 2010-2019年，研究区内耕地分布区域生态风险降低，由较高生态风险降为中生态风险。
2001-2010年间，即实施向塔里木河下游生态输水工程的前十年里，塔河下游区土地利用类型发生较大变化，整体生态恢复良好，主要反映在水域湿地景观受益明显，水面面积增加了逾2倍，尤其尾闾台特玛湖由完全干涸到水面面积良好恢复，但湿地生态系统具有较高脆弱度，恢复时间较长；林地、草地覆盖大幅增加，恢复与改善面积达到718.44 km2，产生大量新增细碎斑块；同时，随着人类在下游的活动日渐频繁，耕地被大量开垦，因此景观整体呈现破碎化。根据相关资料，2000-2009年大西海子水库共向塔河下游输水9.35 亿m3，其中2007-2009年暂停向下游生态输水，2010-2018年，向塔河下游生态输水量达到63.8 亿m3，约为前10 a的7倍，随着生态输水量的累积，2010-2019年间，塔河下游区的水域湿地、林地、草地面积持续增加，生态在进一步的恢复良好的同时，一些新增的水域、林地、草地、耕地斑块由细碎小斑块聚集成大斑块，呈现聚集成片的趋势，景观整体的破碎化程度得到缓解，生态风险降低，尤其高生态风险区面积大量减少，向中、低生态风险转化，生态环境质量进一步得到明显改善。因此，水域湿地的生态功能恢复具有滞后性，持续性大量输水是使下游脆弱的生态环境稳定好转的重要保证[28]。建议持续对塔河下游进行输水，增加水域湿地景观的连通性[29]，使水域面积保持长期稳定，进一步开展在塔河两岸退耕还林还草，提高下游生态系统的生态恢复力，保持沙漠绿洲的稳定性，使塔里木河下游的生态系统逐步恢复。
3.3 景观生态风险空间自相关分析
塔里木河流域下游区2001、2010、2019年生态风险全局自相关分析的Moran’sI指数分别为0.752 6、0.744 6、0.743 7，全局Moran’sI均在0.5以上，说明景观生态风险的空间分布呈现显著正相关性。由图5可知，较多散点在第一、三象限聚集，说明大多数风险小区在空间上呈现高-高和低-低相关性，即高、低生态风险区分别呈现高聚集度，具有明显的空间趋同现象。
图5 2001-2019年塔里木河下游区景观生态风险值Moran’s I散点图Fig.5 Moran’s I scatter plot of landscape ecological risk in the lower reaches of Tarim River from 2001 to 2019
由局部自相关分析LISA图(图6)可知，3个时期高-高生态风险聚集区基本分布于水域湿地及其周围的耕地、草地、林地，且随着台特玛湖水面的大面积恢复而增多，低-低生态风险区主要分布在未利用地和草地。高-低和低-高生态风险区面积较小，在高-高、低-低风险聚集区边缘零散分布，说明研究区内景观生态风险的出现局部急剧变化的可能性较低。
图6 2001-2019年塔里木河下游区景观生态风险值LISA指数空间分布图Fig.6 Cluster map of LISA of landscape ecological risk in the lower reaches of Tarim River from 2001 to 2019
4 结 论
(1)在2001-2019年间塔里木河下游区土地利用类型时空变化明显，实施塔河综合治理的20 a里，在生态输水工程、胡杨林重点保护区应急补水和普及节水农业的背景下：未利用地作为主要的土地利用类型，面积逐年减少；草地、林地面积显著增加，增加的林地面积主要分布在台特玛湖、大西海子水库以及喀尔达依东侧；水域湿地面积大幅增加，主要体现在台特玛湖由干涸到湖面面积显著扩大；耕地和建设用地的面积也持续增加。
(2)在2001-2019年间塔里木河下游区以低和较低生态风险区为主，占总面积72.61%以上，整体生态情况良好。高生态风险主要分布于恰拉水库、大西海子水库和台特玛湖处，较低生态风险区多为生态脆弱度较低的林地、草地，低生态风险区主要分布在以沙地为主的未利用地，2010-2019年耕地分布区由较高生态风险转变为中生态风险。整体生态风险先略有增加后逐渐降低，高、较高生态风险面积显著减少了42.4%，塔里木河下游区生态系统正在逐步恢复，这与近10 a新疆向塔河下游生态输水量大量增加密不可分。
(3)在2001-2019年间塔里木河下游区景观生态风险的空间分布呈现显著正相关性。大多数风险小区在空间上呈现高-高和低-低相关性，具有明显的空间趋同现象。高-低和低-高生态风险区面积较小，在高-高、低-低风险聚集区边缘零散分布，研究区内景观生态风险的出现局部急剧变化的可能性较低。
