蒋烨林，王让会①，彭 擎，李 焱，李 成，郭 靖（.南京信息工程大学应用气象学院，江苏 南京 20044；2.大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 20044；.南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京 20044）

过去半个多世纪，全球大部分区域经历了气候变化过程，全球性气候变化带来的森林火灾、对流风暴、沿海洪涝和超强飓风等灾害对生态系统产生了一系列不良影响［1］。北半球中纬度地区是气候变化最显著的区域，新疆是这个区域中最干旱的地区之一［2］。新疆地形复杂，山地与盆地相间，构成了“三山夹两盆地”的特殊地貌。特殊的自然地理环境和显著的气候变化增加了新疆生态环境的脆弱性与敏感性［3-4］。保证区域生态系统稳定性是干旱区生态修复的关键，是保证区域经济发展、维护社会稳定的前提，是有效推进“一带一路”建设的有效途径。

景观格局演变能显著影响生态系统的结构与功能，造成植被、土壤碳氮平衡的变化，并对流域水量平衡以及水文循环起决定性作用［5］。干旱半干旱地区易受气候、地理和人类活动等的影响，生态环境脆弱，水土资源稀缺，轻微的演变就会造成巨大的环境效益损失［6］。因此，研究景观格局演变对了解气候变化背景下干旱区生态环境变化有着重要意义。张月等［7］利用4期Landsat数据研究了干旱区湿地生态系统的生态干扰度变化及其景观响应。师满江等［8］利用遥感影像提取分析了绿洲农村居民点景观格局演变，并研究其演变机制。大量研究集中于各种因素对景观格局的影响，鲜有研究分析景观格局演变的生态效益。

人类活动和自然演变带来的景观格局演变会直接改变地表植被覆盖，进而影响植被和土壤碳库的变化［9］。碳收支是生态环境效益的重要指标之一，也是全球气候变化研究的焦点问题和我国绿色发展战略的重要内容［10］。大量关于碳循环、人为碳排放的研究已经展开，为碳收支平衡的定量研究和分析奠定了基础［11］。关于干旱区碳排放研究仅局限于分析碳汇或净初级生产力状况［12-13］，对其碳收支状况的研究鲜有报道。而干旱区作为生态敏感区，研究其碳收支状况对更好地了解气候变化背景下干旱区生态环境状况变化有着重要意义，也能为当地发展建设提供科技支撑。

塔里木盆地位于南疆地区，是我国最大的封闭型盆地，包括山地、绿洲、水域、林地和荒漠5个生态子系统［14］。研究区位于亚欧大陆腹地，远离海洋，周围山脉由于地壳运动逐渐隆起，形成四周高山环绕的封闭盆地。天山和昆仑山脉阻隔了印度洋和西太平洋的水汽，使塔里木盆地具有降水稀少、气温变化剧烈、气候极端干旱的特点。塔里木盆地多年降水量小于50 mm，而蒸发量大于2 000 mm，多年平均气温为10～11℃。塔里木盆地属于典型暖温带大陆性极端干旱气候区，降水稀少，蒸发量大，日照长，昼夜温差大，多风沙天气，是典型干旱区域［15］。塔里木盆地沙漠面积辽阔，分布着我国最大的流动性沙漠——塔克拉玛干沙漠，植被稀少，水分缺失严重，生态环境脆弱。近年来随着西部大开发战略的实施，塔里木盆地地区发展迅速，盆地边缘绿洲区农业用地面积不断增加，人口压力增大，面临更多生态环境问题。在气候变化背景下，研究塔里木盆地景观格局变化及碳收支状况对改善当地环境，更好缓解气候变化与人类活动所产生压力具有重要意义。笔者利用3期Landsat TM数据分析塔里木盆地景观格局演变状况，并利用统计数据分析塔里木盆地碳收支状况，进而分析和探索景观格局演变对碳收支状况的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

塔里木盆地（34°20′～43°39′N，71°39′～93°45′E）南临昆仑山及阿尔金山，北倚天山山脉，西接帕米尔高原，中部是塔克拉玛干沙漠。塔里木河贯穿整个塔里木盆地，因此根据塔里木河分布将研究区分为塔里木河源流区、上游区、中游区和下游区［16］。塔里木河干流始于和田河、阿克苏河和叶尔羌河汇合处的肖夹克，自西向东流进台特玛湖，全长1 321 km，因此肖夹克以西地区为塔里木河源流区。上游区从肖夹克到英巴扎，近东西向流淌，河道长495 km，河道较顺直少汊流，河漫滩发育，阶地不明显。中游区从英巴扎到恰拉，河道长398 km，河道较弯曲，河水水流缓慢，此段土质疏松，大量泥沙沉积致使河床不断抬高，加上人为分洪导致中游河段形成众多河流汊道。下游区为恰拉到台特玛湖，河道长428 km，河道纵坡比中游河段大，比较稳定。

1.2 数据来源

2000、2005和2010年3期新疆1：250 000土地覆被数据由中国科学院新疆生态与地理研究所提供；2001—2010年土地利用数据采用MODIS土地利用分类数据，碳收支状况分析从2001年开始；气象数据来源于中国气象科学数据共享网（http：//cdc.cma.gov.cn/index.jsp）；能源消耗数据、农作物产量数据、农业活动数据、牲畜产量、人口和一二三产业产值数据等均来源于2001—2010年《新疆统计年鉴》，个别缺失数据使用插值法进行补充完善。

1.3 数据分析方法

1.3.1 景观格局变化分析方法

景观类型转移矩阵及空间转移采用ArcGIS 10.2软件对不同时期土地覆被数据进行交叉分析，进而采用Excel 2019软件进行数据透视表处理，建立各期景观类型转移矩阵。景观分布重心可以反映景观格局空间分布变化情况，各景观类型重心计算方法为先求出该景观类型各土地斑块重心坐标，然后与该斑块面积相乘，最后将所得乘积累加起来与该景观类型总面积相除，计算公式为

式（1）～（2）中，Xt和Yt分别为第t年某种景观类型重心的经纬度坐标，（°）；Cti为第t年该景观类型第i个斑块面积，km2；Xi和Yi分别为该景观类型第i个斑块重心的经纬度坐标，（°）。

景观利用动态度（K）指在一定时间范围内研究某种景观类型数量变化情况，可预测各景观类型的未来变化趋势［17］，计算公式为

式（3）中，Ua和Ub分别为研究时段起始与结束时某景观类型面积，km2；T为研究时间，a。

土地利用结构信息熵与均衡度：熵是系统有序程度的度量。熵值越高，系统有序度就越低，稳定性也越差。土地利用结构信息熵（H）可以反映区域土地系统的有序程度［18］。H值越高，土地利用系统有序程度就越低，反之则有序程度就越高，计算公式为

土地利用结构均衡度（E）是在信息熵函数基础上构建的，是可以反映土地利用结构均衡性的量值。E∈［0，1］，E值越大，均衡性就越强，计算公式为

式（4）～（5）中，m为土地利用类型数；Pi为第i种土地利用类型面积比例。

土地利用程度综合指数反映研究区特定时期土地利用程度，不同时段该指数的变化能够反映区域土地利用程度的变化情况［19］，计算公式为

式（6）中，L为土地利用程度综合指数，L∈［100，400］；Ai为第i级土地利用程度分级指数；Fi为第i级土地利用程度分级面积比例；n为土地利用程度分级数（表1）。

表1 土地利用程度分级指数Table 1 The classification index of land use

1.3.2 碳收支估算方法

不同土地利用类型碳吸收能力不同，林地、草地和耕地具有较强碳吸收能力，水域和未利用地也有一定碳吸收能力。不同土地利用类型碳吸收估算公式为

式（7）中，A+为不同土地利用碳吸收总量，t；Ui为第i种土地利用类型面积，km2；Vi为第i种土地利用类型碳吸收系数，t·hm-2·a-1，其值根据已有研究确定。林地和草地碳吸收系数选取李长青等［20］研究所使用的系数，分别为 6.440 和 0.369 t·hm-2·a-1。未利用地碳吸收能力相对较弱，但研究区未利用地面积占比大，故其碳吸收量不容忽视，根据赖力［21］研究，将未利用地碳吸收系数定为0.05 t·hm-2·a-1。水域碳吸收系数选取文献［22］研究成果的均值（0.245 t·hm-2·a-1）。耕地碳吸收估算应主要考虑农作物光合作用所固定的CO2，而非耕地面积，计算公式为

式（8）中，AA+为农作物碳吸收量，t；Ri为第i种作物合成有机质的碳吸收率；Di为第 i种作物产量，t；Hi为第i种作物经济系数。主要农作物经济系数（H）和碳吸收率（R）见表2［23］。

表2 主要农作物经济系数与碳吸收率Table 2 Economic coefficients and carbon absorption rates of the main crops

涉及碳排放的土地利用类型主要为建筑用地和农业用地。建筑用地碳排放量以人类活动所消耗能源的碳排放量作为估算依据，计算公式为

式（9）中，AC-为能源碳排放总量，即建筑用地碳排放量，t；Bi为第i种能源消耗量，t；Mi为第i种能源类型碳排放系数［2］，kg·kg-1。其中原煤和洗精煤的碳排放系数为0.76 kg·kg-1；焦炭的碳排放系数为0.86 kg·kg-1；其他焦化产品的碳排放系数为0.64 kg·kg-1；原油和柴油的碳排放系数为0.596 kg·kg-1；汽油和煤油的碳排放系数分别为0.55和0.57 kg·kg-1；燃料油和其他石油制品的碳排放系数为0.62 kg·kg-1；焦炉煤气和其他煤气的碳排放系数为0.35 kg·kg-1；液化石油气、天然气和炼厂干气的碳排放系数分别为0.50、0.49和0.46 kg·kg-1。

农业用地碳排放由农业活动碳排放、水稻生长碳排放和畜牧养殖碳排放组成。塔里木盆地地处干旱区，水稻种植面积占比小于5%，故不考虑水稻生长碳排放。农业用地碳排放计算公式为

式（10）～（12）中，AA-为农业用地碳排放总量，t；A1为农业活动碳排放，主要包含化肥、农药、地膜和灌溉等碳源产生的碳排放量，t；A2为畜牧养殖碳排放，包含牲畜排泄物和肠胃发酵产生的碳排放量，t；Ei为第i种碳源使用量；Ki为第i种碳源的碳排放系数（表3［2，24-28］）；Gi为第i类牲畜年饲养量，头；Ji和Wi分别为第i类牲畜肠胃道发酵和排泄物甲烷排放系数，kg·头-1（表4［29］）。

表3 农业用地各种碳源的碳排放系数Table 3 Carbon emission coefficients of various carbon sources of farmland use

表4 牲畜年甲烷排放系数Table 4 Methane emission coefficients of domestic animals

2 结果与分析

2.1 塔里木盆地景观类型时空变化

表5显示，2000—2010年草地、耕地、水域和建设用地面积增加，林地和未利用地面积逐渐减少。与2000年相比，2010年草地面积增长2.10%；耕地面积增长较大，达24.23%，其中旱地面积占新增耕地面积的99.05%；水域面积增长达14.34%，湿地面积增长最大，占新增水体总面积的40.07%，湖泊和河流增长面积分别占新增水体总面积的23.40%和22.43%，水库及运河面积变化相对较小，增长比例分别仅为12.23%和1.86%；除耕地和水域面积变化较大外，建设用地面积增长也达22.63%，其中居住地面积扩张最大，占建设用地新增面积的67.68%，其次为工业用地面积，占29.83%，交通用地面积变化较小，仅增加2.49%。在各土地利用类型中，虽然有林地面积有所增加，但灌丛面积减少较多，使林地面积减少3.37%；与2000年相比，2010年未利用地总面积减少0.36%，其中裸地开发利用最广泛，裸地开发面积占未利用地减少面积的71.15%，而沙地面积减少0.18%，表明2010—2010年塔里木盆地荒漠化有所改善。

2010—2010年塔里木河流域源流区林地和未利用地面积有所减少，林地中有林地面积有所增加，但灌丛面积减少较多，未利用地中盐碱地面积扩大，而裸地和沙地面积减少；草地、耕地和建设用地面积都扩张，且除水库面积减少外，湿地、湖泊和河流等水体面积都增加（表5）。上游区灌丛和有林地面积都减少，而耕地、草地和水域面积等增加，同时，未利用地中沙地和盐碱地面积呈扩张趋势，表明上游区沙化状况加剧。中游区各景观类型面积变化较大，林地、草地和未利用地面积都不同程度减少，而耕地和建设用地面积扩张较大。下游区林地和草地面积都稍有减少，而耕地和建设用地面积增长较大，未利用地各类型面积均有不同程度减少，说明下游区人类活动对土地利用面积变化影响较大。

2000—2010年研究区耕地和建设用地景观利用动态度大多是最大值或次大值（图1），表明耕地和建设用地均呈明显扩张趋势。源流区和上游区林地动态度出现较大负值，这与林地面积迅速减少的现象一致。尽管研究区草地面积变化不大，动态度仅为0.70%，但上游区草地动态度较大，为3.67%，而下游区草地动态度出现较大负值，这表明虽然研究区草地面积变化不大，但上游区草地面积扩张，而下游区草地退化严重。

2.2 景观格局空间演替

由图2可知，2010年研究区林地面积的6.50%、2.88%、1.14%和1.05%分别由未利用地、草地、水体和耕地转化而来，草地面积的12.05%、5.03%和1.12%分别来自于林地、未利用地和水体，耕地面积的21.99%、5.95%和4.10%分别来源于林地、草地和建设用地。建设用地面积主要有43.64%来自于耕地，13.94%来自于林地，9.87%来自于未利用地，4.98%来自于草地。近10 a转入林地的面积较少，而林地面积转化为草地、耕地和建设用地的较多，这使研究区林地面积减少。

表5 塔里木盆地分区景观类型面积变化Table 5 Area changes of different landscapes in sub-regions of Tarim Basin km2

图1 2000—2010年塔里木盆地景观利用动态度Fig.1 Landscape use dynamic in Tarim Basin from 2000 to 2010

图2 2000—2010年塔里木盆地景观类型相互转换Fig.2 Landscape types inter-convert in Tarim Basin from 2000 to 2010

由图3可知，就分区层面而言，源流区耕地面积的21.47%、5.87%和4.13%分别由林地、草地和建设用地转化而来，上游区耕地面积的24.62%、6.36%和5.64%分别由林地、草地和建设用地转化而来。中游区林地面积的24.77%转化为耕地，草地面积的8.65%转化为建设用地，下游区林地面积的28.76%转化为耕地，草地面积的8.96%转化为耕地，而耕地面积的14.97%转化为建设用地。由此可见，源流区和上游区耕地对林地、草地和建设用地的侵占与中、下游林地和草地的退化呈现塔里木河流域上下游间土地利用的空间耦合。

由图4可知，2000—2010年研究区草地重心向西南偏移17.11 km，耕地和建设用地重心向东北分别偏移12.78和21.63 km；林地重心向东偏移6.57 km，水体重心向西北偏移2.31 km；因塔里木河流域沙漠面积较大，未利用地面积较大，故未利用地重心偏移不是很显著，向东偏移0.25 km。由图5可知，同期，源流区林地、耕地、建设用地重心均向东北分别偏移6.57、12.78和21.63 km，未利用地重心也向东偏移1.74 km；上游区林地重心向东偏移13.51 km，耕地和建设用地重心均向东偏北分别偏移10.78和10.00 km，沙地和裸岩等未利用地重心也向东偏移3.33 km。塔里木河流域源流区和上游区位于塔克拉玛干沙漠西部，表明源流区和上游区耕地、建设用地重心向沙漠方向偏移，呈现西部耕地、建设用地向东推进与沙地、裸地等未利用地向东后退的空间耦合。

图3 2000—2010年塔里木盆地各分区景观类型相互转换Fig.3 Landscape types inter-convert in sub-regions of Tarim Basin from 2000 to 2010

图4 2000—2010年塔里木盆地各景观类型重心转移Fig.4 Centroid transition of different landscapes of Tarim Basin from 2000 to 2010

由图5可知，塔里木河流域中游区除林地重心向东南偏移10.98 km，草地、耕地、水体和建设用地重心均向西南分别偏移1.67、11.09、68.66和5.06 km，同时沙地和裸地等未利用地重心也向西南后退1.09 km；下游区林地重心向东南偏南偏移3.18 km，耕地重心向西南偏移16.03 km，草地重心向北偏移4.24 km，而未利用地重心并没有明显偏移。因为占据大部分未利用地面积的塔克拉玛干沙漠位于塔里木河流域中下游偏西、偏南，所以中、下游区草地、耕地重心向西、向南的偏移推进与沙漠向西、向南后退呈现出空间耦合。

图5 2000—2010年塔里木盆地各分区景观类型重心转移Fig.5 Landscape centroid transition in sub-regions of Tarim Basin from 2000 to 2010

由图6可知，2000—2005年研究区土地利用程度综合指数呈上升趋势，而2005—2010年呈微弱下降趋势。2000—2010年整体呈现上升趋势。2000—2010年分时段源流区土地利用程度综合指数变化趋势与研究区相反，呈先降后升的趋势，整体呈现略微下降；上游区呈现先降后升的趋势，整体呈现轻微下降；而中游区和下区各时段土地利用程度综合指数均呈现上升趋势，且整体呈上升趋势。

图6 2000—2010年塔里木盆地土地利用程度综合指数Fig.6 Land use degree comprehensive index of Tarim Basin from 2000 to 2010

塔里木盆地和各分区信息熵上升，表明研究区土地利用综合水平提高，系统趋于不稳定状态（图7）。均衡度趋于1，表明系统土地利用结构处于很理想的平衡状态；而趋于0，则表明系统结构处于最不均衡状态。研究区和各分区均衡度均呈上升趋势，表明其为均质性上升，但源流区均衡度最大，上游区和下游区均衡度最小，整个流域处于较不均衡的状态（图7）。上游区有林地和灌丛面积均减少，林地逐渐衰退，水域面积逐渐增加；而下游区草地、河流和未利用地面积均有所减少，而耕地和建设用地大面积扩张。因此耕地和建设用地的扩张是下游区水域面积减少、形成空间耦合的根源。

2.3 碳收支状况及其与景观格局耦合

2001—2010年研究区碳收支能力分析结果表明，碳排放和碳吸收总量都有所增加（图8）。建筑用地碳排放量增加较为明显，而农用地碳排放量呈轻微上升趋势。碳排放量增加与人为活动密切相关，2001—2010年城市扩张步伐加快，建筑用地面积增加较为明显，人类活动愈加频繁，因此2001—2010年塔里木盆地碳排放能力增加明显。对碳吸收能力而言，2001—2010年不同土地利用类型变化较大。水域、草地和未利用地碳吸收能力基本保持不变，而林地和农用地上升较为明显。水域和未利用地碳吸收能力较弱，且面积变化相对总体面积较小，因此碳吸收能力基本保持不变。人类活动频繁，人为造林和农用地面积增加，为塔里木盆地碳吸收能力增加做出巨大贡献。2001—2010年塔里木盆地碳收支呈碳汇状态，且碳汇能力呈增长趋势，碳汇能力（y）与年份（x）的拟合曲线为y=39.45x+2 526.50。碳汇能力增长主要归因于林地和农用地碳吸收能力增长。

图7 塔里木盆地信息熵与均衡度Fig.7 Information entropy and equilibrium of Tarim Basin

图8 塔里木盆地碳排放与碳吸收能力Fig.8 Carbon emission and carbon sequestration in Tarim Basin

塔里木盆地地处新疆南部，是我国气候变化最敏感、生态环境最脆弱的区域之一。在全球气候变化背景下，西北地区呈现暖湿化趋势［18］。研究区地域辽阔，不同地区现象有所差异，水热状况的改善有利于植被生长。尽管林地面积有减少趋势，但有林地面积增加，因此林地碳吸收能力有所增加。同时，人为活动促进防护林面积增加，这也直接导致有林地面积增加。随着农业技术发展，特别是土壤修复和改良技术提高，耕地面积有所扩张，因此农业发展带来的碳吸收和碳排放也有所增加。草地面积略微增加，因而草地碳吸收能力也随之增加。未利用地面积有所波动，但相较于整体未利用地面积而言可忽略不计，同时未利用地碳吸收能力较弱，所以未利用地碳吸收能力基本保持稳定。人口增加和城镇化建设使城镇建筑用地面积进一步扩张，频繁的人类活动也需要燃烧大量化石燃料，这进一步增加建筑用地碳排放能力。但增加的碳排放量低于显著增长的碳吸收量，因此塔里木盆地呈现碳汇状态，并且碳汇能力逐步增强，塔里木盆地生态环境有转良趋势。

3 讨论与结论

基于多源遥感影像，从景观格局、空间耦合角度对塔里木盆地景观格局演变进行分析，并研究塔里木盆地碳收支状况及其与景观格局的耦合。得出以下结论：

（1）塔里木盆地林地面积减少，灌木丛面积减少，但有林地面积增加。人类活动加剧，耕地和建筑用地面积增加显著。草地面积略微增加，未利用地面积保持稳定。尽管全球气候变暖，导致水热状况不均匀的现象进一步加剧，但西北地区的暖湿化趋势使塔里木盆地植被状况好转，草地和有林地面积都有所增加。另一方面，人类活动的增加使耕地和建筑用地扩张，大规模水利工程和先进的灌溉技术使植被状况优化趋势得以保持。关于塔里木盆地景观格局的研究很多，研究角度各有差异，如刘芳等［30］基于多元数据对塔里木盆地生态用地分类和时空变化进行研究，分析1980年代末、2000年和2010年生态用地变化，结果表明当地人工绿洲扩张，这也从侧面印证了研究区耕地面积显著增加。不少研究亦从塔里木河流域角度分析其景观格局变化，但大多单独分析塔里木河中上游［31］、干流区［32］、中游［33］土地利用变化或单类土地利用类型变化趋势，很少对整个流域的景观格局变化进行分析，笔者研究对整个流域进行分析能够提升对整体区域的总体认识，为区域生态环境保护提供科学依据。

（2）从全区域来看，塔里木盆地碳收支状况良好，呈现碳汇状态。2001—2010年塔里木盆地碳汇能力呈增长趋势。林地和耕地是碳汇能力主要增长点，草地碳汇能力略微增强。这说明塔里木盆地生态环境状况在气候变化和人为影响的双重作用下有变好趋势。但塔里木盆地面积广阔，该研究仅通过经验参数估算塔里木盆地碳吸收与排放，存在一定不确定性，在今后研究中可考虑根据各分区实际情况选取参数进行研究，能够进一步提升研究准确性，也能更好地反映气候变化与人类活动对当地影响。

（3）防沙固碳的林业工程和输水导水的水利工程切实影响塔里木盆地生态环境，增强其水土资源承载力。以2001年《塔里木河流域近期综合治理规划报告》为例，该工程坚持边治理边输水，为塔里木河流域生态环境改善做出巨大贡献。建议今后应加大对塔里木河流域治理力度，通过立法保障相关管理条例实施，为进一步优化塔里木盆地生态环境提供保障。