基于CA—Markov模型的巴里坤湖流域土地利用動態(tài)變化分析與預(yù)測

呂娜+李政海+鮑雅靜+李卓玲+張靖+劉麗+劉翀+徐媛+譚嫣辭+宮曉雙

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人類活動對流域生態(tài)環(huán)境的影響日益顯著。在巴里坤哈薩克自治縣巴里坤湖流域環(huán)境變化已經(jīng)得到了當(dāng)?shù)卣闹匾?。本文利用CA-Markov模型對2006—2016年該流域的土地利用動態(tài)變化進(jìn)行分析，并模擬預(yù)測2020年的土地利用變化。結(jié)論如下：（1）2006—2016年間，該地區(qū)林地、水域面積小幅增加；草地、未利用土地面積減少；居民點、工礦用地、鹽堿地、耕地面積增加較明顯；（2）模擬結(jié)果表明，巴里坤湖及周邊生態(tài)系統(tǒng)將呈現(xiàn)出持續(xù)惡化的趨勢。到2020年，草地、湖泊和冰川、沼澤地面積減少，而灘地、水庫塘坑、鹽堿地耕地面積增加較多，將導(dǎo)致入湖及生態(tài)用水減少，會導(dǎo)致湖濱濕地及周邊生態(tài)系統(tǒng)退化、消失，使得其生態(tài)屏障的功能也隨之下降。

關(guān)鍵詞：預(yù)測；土地利用變化；元胞自動機(jī)；巴里坤流域

中圖分類號：F301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.07.017

Analysis and Prediction of Land Use Dynamic Change in Barkol Lake Watershed Based on CA-Markov Model

LYU Na， LI Zhenghai， BAO Yajing， LI Zhuoling， ZHANG Jing， LIU Li， LIU Chong， XU Yuan， TAN Yanci， GONG Xiaoshuang

（College of Environment and Resources， Dalian Minzu University， Dalian， Liaoning 116600， China）

Abstract：With the rapid development of economy and agriculture， the impact of human activities on the ecological environment of the basin is becoming increasingly significant. The environmental changes in the Barkol Lake Basin in the Barry Kun Kazakh Autonomous County have got the attention of the local government. In this paper， the CA-Markov model was used to analyze the dynamic changes of land use in this basin from 2006 to 2016， and simulate the forecast of land use change in 2020. Conclusion as below：（1） from 2006 to 2016， the area of forest land， water area increased slightly； grassland， unused land area decreased； residential， industrial land， saline land and cultivated area increased more obvious； （2） the simulation results show that the Barkol Lake and the surrounding ecosystem will show a trend of continued deterioration. By 2020， grassland， lake and glacier， marsh area decreased， and beach， reservoir pond， saline land to increase the area， will lead to the lake and ecological water reduction， will lead to a large number of lake wetlands disappear， making its ecological barrier function also will decline.

Key words： prediction； land use change； cellular automata； Barkol basin

土地是人類生存的基礎(chǔ)，其動態(tài)變化是自然、社會、經(jīng)濟(jì)生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)演變的直接表現(xiàn)[1]。自20世紀(jì)以來，由于人口急劇增長，可利用的土地資源相對越來越少，土地利用問題逐漸引起世界各國的重視；同時隨著經(jīng)濟(jì)的迅速增長，土地利用同生態(tài)環(huán)境之間的問題日益突出，并得到了人們的關(guān)注；1995年“國際地圈與生物圈計劃”（IGBP）和“全球環(huán)境變化人文計劃”（IHDP）聯(lián)合提出了“土地利用和土地覆蓋變化”（LUC）研究計劃，隨后土地利用變化成為全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點課題[2]。土地利用是人類根據(jù)其生活和社會發(fā)展的需要，依據(jù)土地的性質(zhì)特點與其經(jīng)濟(jì)區(qū)位而對土地進(jìn)行利用、開發(fā)與改造的社會經(jīng)濟(jì)行為[3]，這一系列行為對生態(tài)環(huán)境與生態(tài)服務(wù)功能產(chǎn)生重要影響，并以累積的形式影響全球環(huán)境變化；目前人類面臨的許多環(huán)境問題，諸如從局地到全球尺度的氣候變化、生物多樣性的喪失與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降和土地退化等都與土地利用/覆蓋變化有關(guān)[4]；因而對土地利用結(jié)構(gòu)變化特征及其規(guī)律的研究，是開展土地資源優(yōu)化配置和合理調(diào)控的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵內(nèi)容，對于區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、土地資源可持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的理論和指導(dǎo)意義[5]。

巴里坤湖位于新疆哈密市東天山區(qū)域，是巴里坤縣主要的湖泊，面積由歷史最大的800多km2萎縮到112 km2，湖水水質(zhì)下降、礦化度高達(dá)280 g·L-1，流域內(nèi)的植被退化嚴(yán)重，草場沙化、鹽堿化嚴(yán)重，流域生態(tài)服務(wù)功能大大減弱[6]。對巴里坤縣的自然生態(tài)系統(tǒng)和當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的生產(chǎn)與生活產(chǎn)生不利的影響。因此，通過對巴里坤2006、2010、2016年三期土地利用進(jìn)行分析與預(yù)測，得出該區(qū)土地利用變化速度、變化程度及未來變化趨勢，為分析巴里坤湖流域土地資源開發(fā)利用強(qiáng)度評估流域生態(tài)系統(tǒng)安全狀況，為規(guī)避不合理的資源開發(fā)方式和經(jīng)濟(jì)增長方式，實現(xiàn)該流域的社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

巴里坤湖流域位于新疆哈密市巴里坤哈薩克自治縣的巴里坤盆地。坐標(biāo)范圍：東經(jīng)92°05′35″～93°48′01″，北緯43°22′37″～44°14′33″。位于東天山的兩支山脈之間，流域面積為5.91×105 hm2。屬溫帶大陸性氣候，暖季涼爽、冷季嚴(yán)寒、光照不足，無霜期短，降水偏少，蒸發(fā)量大，年均降水量202 mm，蒸發(fā)量1 638 mm。四季不明顯，只有冷暖兩季，光照充足，無霜期98～104 d，年均氣溫1 ℃，≥10 ℃年積溫為1 500～1 900 ℃。

2.2 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

使用2006年、2010年陸地衛(wèi)星（Landsat 5）TM遙感圖像，以及2016年Landsat 8 OLI遙感圖像，空間分辨率為30 m，云量均<2%。使用2000年已校正的TM遙感圖像對數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，校正方法為二次多項式，重采樣方法為最近鄰法，均方根誤差（RMS Error）小于2。使用ArcGIS 10.3軟件對遙感圖像進(jìn)行目視解譯，清除碎屑多邊形（最小圖斑為4 hm2），最后獲得2006年、2010年和2016年三期土地利用圖。

依據(jù)已有的土地利用分類原則和分類系統(tǒng)和參考一些學(xué)者工作的基礎(chǔ)上，并結(jié)合當(dāng)?shù)赝恋乩玫膶嶋H情況，最終確定6個1級類和20個2級類反映巴里坤流域土地利用。土地利用類型為：林地（灌木林地、疏林地、其他林地）、草地（高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地）、水域（湖泊、水庫、塘坑、冰川積雪、灘地）、城鄉(xiāng)居民點和工礦用地（城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點）、未利用土地（沙地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地、裸巖石礫地）、耕地（耕地）。

2.3 CA-Markov模型預(yù)測

土地利用預(yù)測模型使用IDRISI TerrSet軟件的CA-Markov模型，該模型集成元胞自動機(jī)模型（Cellular Automaton，CA）和馬爾可夫鏈模型（Markov），極大地提高了傳統(tǒng)Markov模型的模擬精度，并通過設(shè)定約束條件的形式，又擁有約束性細(xì)胞自動機(jī)（Constrained CA）的優(yōu)點[7]。模型建立步驟包括：首先，采用該軟件的Markov模塊，計算2010—2016年巴里坤湖泊流域土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣；其次，以各土地利用類型為因變量（1為是，0為否），分別選取DEM，到城鎮(zhèn)、公路和河流湖泊的距離為自變量，使用Logistic模塊，建立各土地利用類型的Logistic回歸方程，作為類型變化的約束條件；最后，在CA-Markov模型中模擬2020年的土地利用變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

對巴里坤湖流域土地利用一級類面積[8-9]（2006—2016年均值）按從大到小排列：草地>未利用土地>耕地>林地>水域>居民點、工礦用地。其中，草地為該流域的最大土地利用類型，面積約占該流域總面積的62.9%；未利用土地所占比例次之，面積占20.8%；其后是耕地，面積占7.8%；林地、水域和居民點、工礦用地在該流域中比例較小，不到10%，分別為4.2%，3.8%及0.4%。

2006—2016年該地區(qū)的林地變化不大，僅從24 760.5 hm2增加到24 896.2 hm2，主要以灌木林增加為主；草地在10年間減少了4 324 hm2，其中以中覆蓋度草地減少為主（1 161 hm2）；水域面積有所增加（1 208 hm2），湖泊、水庫塘坑及冰川積雪均表現(xiàn)相對各自面積的不小幅度的增加（湖泊：16.8%，水庫塘坑：50.7%，冰川積雪：79.2%，波動幅度較大），但灘地面積減少13.4%；居民點、工礦用地增加近346 hm2，增加比例為16.4%；未利用土地面積總體減少了1 190 hm2，其中沼澤地減少147 hm2，裸巖石礫地減少1 160 hm2，戈壁少量減少，但鹽堿地面積增加了431 hm2；耕地面積增加較大，為3 824 hm2。各土地利用二級類變化如圖1所示。

3.2 土地利用變化預(yù)測

為了驗證該模型的有效性，采用模擬相近年份的土地利用變化，來驗證該模型的有效性，通過建立2006—2010年的土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣，向2016年進(jìn)行模擬，然后采用交叉驗證的方式進(jìn)行精度對比。本次檢驗的卡帕系數(shù)（Kappa）為0.986≥0.75，表明模型模擬效果較好。通過CA-Markov模型模擬，獲得了2020年巴里坤湖流域的土地利用變化情況（一級類和二級類變化見圖2）。到2020年林地有小幅增加（132 hm2），主要以其他林地增加為主；草地減少1 139 hm2，中度、低度覆蓋度的草地均有小幅度的減少；水域總體面積將減少171 hm2，其中湖泊減少比例較大，約13.5%（1 445 hm2），冰川積雪減少比例為10.2%（190 hm2），而水庫塘坑面積小幅增加，灘地面積增幅較大為13.9%（1 445 hm2）；城鄉(xiāng)居民點和工礦用地較2016年略有增加：154 hm2；未利用土地面積減少722 hm2，總體減少幅度不大；耕地面積增加較多為1 747 hm2。由預(yù)測結(jié)果可以看出，該地區(qū)水域面積、草地面積與未利用土地面積均將減少，以草地面積減少量最大，而耕地面積增加幅度較大，湖泊面積轉(zhuǎn)為灘地面積量將增加。

4 結(jié) 論

通過對巴里坤2006、2010、2016年三期土地利用進(jìn)行分析與預(yù)測，得出該區(qū)土地利用變化速度、變化程度及未來變化趨勢。結(jié)論如下：（1）在2006—2016年該地區(qū)的林地面積小幅增加，草地面積減少（以中覆蓋度草地減少為主），水域面積有所增加（湖泊、水庫塘坑及冰川積雪都表現(xiàn)出小幅增加），居民點、工礦用地面積增加，耕地面積增幅較大；（2）生態(tài)用水減少、生態(tài)屏障受損，巴里坤湖及周邊生態(tài)系統(tǒng)將呈現(xiàn)出持續(xù)惡化的趨勢。在土地利用模擬中，到2020年，中度、低度覆蓋度的草地面積均有小幅度的減少；湖泊和冰川面積呈減少趨勢，灘地面積增加，水庫塘坑面積增加，沼澤地面積減少，鹽堿地面積增加；耕地面積增加較多，將導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉用水量增加。這些土地利用變化將會導(dǎo)致進(jìn)入巴里坤湖泊及濕地生態(tài)用水減少，會導(dǎo)致大量湖塘及湖濱濕地的消失，使得其凈化水質(zhì)的功能也隨之下降。為此在未來的發(fā)展中，該地區(qū)行政管理者應(yīng)采取有效的手段控制耕地面積、優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、節(jié)制放牧等措施，是改善湖區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境、提高生態(tài)服務(wù)功能。

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