近26年和田綠洲人口對LULC時(shí)空變化分析及其生態(tài)響應(yīng)

梁田田 張永福 夏楠 趙娟 伊木然江·阿卜來提

摘要：研究人口對于綠洲地區(qū)土地利用與覆蓋（LULC）變化的驅(qū)動作用對研究全球環(huán)境變化具有重要意義。對1992年和2017年的人口數(shù)據(jù)及影像文件進(jìn)行處理，采用相關(guān)性分析、支持向量機(jī)等方法研究人口對研究區(qū)LULC變化的影響。結(jié)果表明：（1）26年間，和田綠洲的人口明顯增加。（2）和田綠洲LULC變化明顯，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯，沙地面積增加，水體、未利用地、裸地面積均呈現(xiàn)減少趨勢。（3）人口變化對和田綠洲LULC變化的驅(qū)動作用包括直接驅(qū)動和間接驅(qū)動2種。直接驅(qū)動表現(xiàn)為建設(shè)用地向南擴(kuò)張的趨勢。間接驅(qū)動表現(xiàn)為草地、沙地、水體面積等的變化。（4）26年間，和田綠洲生態(tài)服務(wù)價(jià)值降低，其生態(tài)環(huán)境有一定惡化的趨勢，當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門需加以治理。

關(guān)鍵詞：和田綠洲;LULC;驅(qū)動力;相關(guān)性分析;SVM;生態(tài)響應(yīng)

中圖分類號：F323.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2020）16-0302-07

全球環(huán)境變化引起的一系列環(huán)境問題已然成為人類面臨的嚴(yán)重威脅。隨著全球環(huán)境變化程度的加劇和人類活動范圍的擴(kuò)大，土地利用與覆蓋（land use and land cover，LULC）在時(shí)間及空間尺度上都發(fā)生了劇烈變化，這種變化會對地球表層的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生直接影響，最終危及人類本身[1-2]。由于LULC變化快且變化程度劇烈，人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識到LULC變化的重要性，并展開了一系列深入研究。作為新疆典型綠洲區(qū)域，和田綠洲的資源十分有限，而綠洲人口及經(jīng)濟(jì)壓力卻越來越大，使得資源與需求之間產(chǎn)生了矛盾[3]。

國內(nèi)外學(xué)者在不同時(shí)空尺度上對LULC的變化開展了各方面的研究，包括LULC變化的驅(qū)動力、機(jī)理及過程研究等。LULC變化的驅(qū)動力可系統(tǒng)地分為直接驅(qū)動力和間接驅(qū)動力[4]，其影響因素分為自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素，自然因素中作用較大的有當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件、氣候變化等因素，社會經(jīng)濟(jì)因素中作用較為明顯的包括當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展、人口數(shù)量及分布變化、社會環(huán)境等因素[5]。

Lambin等提出，當(dāng)前LULC變化研究的難題是對理論、模型、方法、應(yīng)用進(jìn)行綜合分析[6];吉力力·阿不都外力等對中亞地區(qū)的LULC變化進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模水土開發(fā)活動對于該研究區(qū)的LULC變化的影響十分明顯，并且對該研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響[7]。

目前關(guān)于人口對綠洲LULC變化的驅(qū)動研究多為定性分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，若將人口變化對LULC變化的影響進(jìn)行定量化并精準(zhǔn)化，將對LULC變化的研究起到非常大的影響[3，8]。在這種背景下，本研究采用3S技術(shù)（遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)）以及多種空間分析方法，定量地研究和田綠洲人口變化對該地區(qū)LULC變化的影響，并對LULC變化所引起的生態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究。研究典型綠洲區(qū)域的LULC變化以及人類活動對LULC變化的驅(qū)動影響，對于研究全球尺度下的生態(tài)環(huán)境變化具有十分重要的意義[9]。本研究旨在豐富綠洲地區(qū)的LULC變化的定量化研究，為當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

和田綠洲位于新疆南部（37°00′～37°30′N，79°30′～80°30′E）（圖1），南倚昆侖山，北接塔克拉瑪干沙漠南緣，其間包括和田市、和田縣、墨玉縣以及洛浦縣。和田綠洲屬于典型的暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，風(fēng)沙活動頻繁，多浮塵。綠洲內(nèi)部植被類型較少，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，該區(qū)域人口多從事農(nóng)業(yè)活動。玉龍喀什河和喀拉喀什河孕育了整個(gè)綠洲，在綠洲內(nèi)部形成了典型的人工農(nóng)田綠洲景觀系統(tǒng)[10]。2017年年底，研究區(qū)內(nèi)總?cè)丝?7.05萬人，出生率達(dá)15.72‰，死亡率為4.16‰，人口自然增長率為11.55‰。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選取的1992年研究區(qū)影像來源于Landsat-5衛(wèi)星TM傳感器，獲取時(shí)間為1992年6月4日，該影像包括7個(gè)波段，空間分辨率為30 m。2017年的研究區(qū)影像來源于Landsat-8衛(wèi)星OLI傳感器，獲取時(shí)間為2017年8月28日，該影像包括9個(gè)波段，單色波段空間分辨率為30 m，全色波段空間分辨率為15 m。2幅影像均來源于地理空間數(shù)據(jù)云。人口數(shù)據(jù)及經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等統(tǒng)計(jì)資料均來源于統(tǒng)計(jì)年鑒。對于獲取的影像，利用ENVI 5.1軟件進(jìn)行預(yù)處理，先進(jìn)行大氣校正與輻射定標(biāo)，再根據(jù)研究區(qū)邊界對處理過的影像進(jìn)行裁剪，最后使用監(jiān)督分類[支持向量機(jī)（SVM）]和人機(jī)交互解譯的方法對土地利用類型進(jìn)行分類。本研究參照《國家級基本資源遙感動態(tài)信息系統(tǒng)本底數(shù)據(jù)庫建設(shè)技術(shù)規(guī)程》，將土地利用類型劃分為耕地、建設(shè)用地、草地、水域、沙地、未利用地、裸地七大類。借助實(shí)驗(yàn)室野外調(diào)查數(shù)據(jù)以及其他調(diào)研資料，對解譯出的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步修正，經(jīng)過一系列修正得到1992年和2017年2期和田綠洲LULC類型圖。利用混淆矩陣對分類精度進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果顯示，1992年的LULC分類結(jié)果總體精度達(dá)96%，Kappa系數(shù)為0.88，各地類的生產(chǎn)精度和用戶精度均為71.99%～99.00%;對2017年所得的解譯圖進(jìn)行精度評價(jià)，結(jié)果顯示，LULC總體分類精度為97.56%，Kappa系數(shù)為0.92，各類型的生產(chǎn)精度與用戶精度均在91.43%以上。通過混淆矩陣進(jìn)行分類精度評價(jià)可知，該分類結(jié)果均滿足本研究的需要。

2.2 方法

2.2.1 LULC變化分析

2.2.1.1 土地利用動態(tài)變化度 土地利用動態(tài)變化度（K）是衡量土地利用動態(tài)變化的1個(gè)指標(biāo)，可以定量化地描述在某一段時(shí)間內(nèi)該研究區(qū)土地利用類型及數(shù)量變化的情況。計(jì)算公式為

式中：K表示某一段時(shí)間內(nèi)該研究區(qū)土地利用動態(tài)變化度;Ua、Ub分別表示該研究區(qū)初期、末期某種土地利用類型的面積;T表示研究初期至研究末期之間的時(shí)間間隔，單位一般為年。

根據(jù)王麗萍等的分類標(biāo)準(zhǔn)可知，城市的空間擴(kuò)展速度可分為高速擴(kuò)展、快速擴(kuò)展、中速擴(kuò)展和慢速擴(kuò)展4種類型[11]。高速擴(kuò)展型城市的K大于20%，快速擴(kuò)展型城市的K為14%～20%，中速擴(kuò)展型的K為8%～14%，慢速擴(kuò)展型城市的K一般會小于8%。

2.2.1.2 擴(kuò)展速率 擴(kuò)展速率（expansion speed，簡稱ES）作為1個(gè)重要指標(biāo)，常被用來衡量城市用地的擴(kuò)展規(guī)模和速度，主要通過分析研究區(qū)某一時(shí)間段內(nèi)的擴(kuò)展面積的年增長率來實(shí)現(xiàn)其衡量目的，計(jì)算公式為

2.2.1.3 擴(kuò)展強(qiáng)度

式中：EI為擴(kuò)展強(qiáng)度。該公式可對每年的平均擴(kuò)展速度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得每個(gè)城市不同時(shí)期的擴(kuò)展速率具有可比性。

劉盛和等根據(jù)城市EI對城市擴(kuò)展情況進(jìn)行分析，將城市擴(kuò)展速度分為6種類型，其中包括高速擴(kuò)展、快速擴(kuò)展、中速擴(kuò)展、低速擴(kuò)展、緩慢擴(kuò)展，即EI≥1.92%為高速擴(kuò)張，1.92%>EI≥1.05%為快速擴(kuò)展，1.05%>EI≥0.59%為中速擴(kuò)展，0.59%>EI≥0.28%為低速擴(kuò)展，0.28%>EI>0為緩慢擴(kuò)展，EI=0則表示無擴(kuò)展現(xiàn)象[12]。

2.2.1.4 綜合擴(kuò)展指數(shù) 采用綜合擴(kuò)展指數(shù)（SI）對影響城市擴(kuò)展的因素進(jìn)行綜合分析，例如城市用地?cái)U(kuò)展面積、研究初期的城市用地面積和城市用地類型等，對其進(jìn)行歸一化處理可以得到一個(gè)綜合反映城市擴(kuò)張的指標(biāo)SI，計(jì)算公式如下：

式中：U表示該研究區(qū)某種土地利用類型的面積。

根據(jù)李雪瑞的劃分標(biāo)準(zhǔn)，按照城市綜合擴(kuò)展指數(shù)值將城市擴(kuò)展分為高速擴(kuò)展、快速擴(kuò)展、中速擴(kuò)展、低速擴(kuò)展、無擴(kuò)展等5種類型[13]，即當(dāng)SI≥0.50時(shí)則為高速擴(kuò)展;當(dāng)0.50>SI≥0.35時(shí)則為快速擴(kuò)展;當(dāng)0.35>SI≥0.20時(shí)則為中速擴(kuò)展;當(dāng)0.20>SI>0時(shí)則為低速擴(kuò)展;當(dāng)綜合擴(kuò)展指數(shù)為0時(shí)則為無擴(kuò)展[14]。

2.2.2 基于Pearson相關(guān)系數(shù)的LULC變化與人口相關(guān)分析 本研究對全局尺度上的人口變化與LULC變化進(jìn)行相關(guān)分析采用的是Pearson相關(guān)性分析方法。通過使用該方法進(jìn)行分析，來研究在人口發(fā)生不同程度的變化時(shí)，該研究區(qū)的LULC將會呈現(xiàn)的變化趨勢，以及由人口變化引起的LULC各類型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。將人口變化作為自變量，其他各地類的變化作為因變量，求解它們之間的相關(guān)性，得出相關(guān)系數(shù)（r）。r的絕對值為[-1，1]，若 r>0，則表示要素之間呈現(xiàn)正相關(guān);若r<0，表示負(fù)相關(guān)。r的絕對值越接近1，則說明2個(gè)要素的相關(guān)關(guān)系越密切;越接近0則說明相關(guān)性越弱[15]。

2.2.3 生態(tài)響應(yīng)分析 生態(tài)服務(wù)價(jià)值分析

式中：ESV為各種土地利用類型的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值，元/年;VC0是ESV當(dāng)量因子的價(jià)值量，元/（hm2·年）;P為全國糧食價(jià)格，元/kg;Qi為第i年研究區(qū)平均糧食產(chǎn)量，kg/hm2;n為年份數(shù);ESVk為k種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，元/年;ESVf為第f項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值，元/年;Ak指第k種土地利用類型的分布面積，hm2;VCkf為第k種土地利用類型第f項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值指數(shù)，元/（hm2·年）。

3 結(jié)果與分析

3.1 和田綠洲26年的人口變化

由圖2可知，在26年間，和田綠洲的人口發(fā)生了非常大的變化。就和田市、和田縣、墨玉縣、洛浦縣來說，在1992年人口數(shù)目分別為1.44萬、3.79萬、3.46萬、14.30萬人。而在2017年時(shí)，4個(gè)縣（市）人口增加到1992年總?cè)丝诘?.4倍，人口數(shù)量明顯驟增。2017年和田市人口為40.23萬人，和田縣人口為35.69萬，墨玉縣為64.62萬人，洛浦縣人口達(dá)到29.75萬人。其中墨玉縣人口增幅最大，增速最快。

3.2 和田綠洲26年的LULC變化

3.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移分析 從表1可知，沙地轉(zhuǎn)為未利用地的面積最大，建設(shè)用地和裸地、草地和建設(shè)用地之間也存在較大的面積轉(zhuǎn)換關(guān)系，沙地、裸地等都和建設(shè)用地之間存在一定的面積轉(zhuǎn)換，這主要是由人口增加以及城市不斷擴(kuò)張所帶來的結(jié)果。

就耕地來看，草地轉(zhuǎn)換為耕地的面積較大，達(dá)到133.772 hm2，草地被耕地占用也是由人類生產(chǎn)生活帶來的結(jié)果。綜上所述，各地類之間存在明顯的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并且與人口增加有明顯的相關(guān)性。

3.2.2 LULC變化分析 從表2、圖3可知，各地類的LULC變化十分明顯。未利用地、沙地、耕地是當(dāng)前主要的地類。由于和田綠洲中主要的2條河流流向都是自南向北，北部不僅緊鄰著沙漠而且地勢低，鹽堿化嚴(yán)重，使得南部地區(qū)的LULC擴(kuò)張比北部明顯。1992年耕地面積為910.29 hm2，2017年增長到1 040.30 hm2，耕地主要分布于綠洲中部，一小部分分布在北部的河流周邊，主要原因受到自然條件的制約。對建設(shè)用地進(jìn)行分析可知，建設(shè)用地面積的增長趨勢不可小覷。從1992年至2017年，建設(shè)用地面積增加了215.24 hm2，擴(kuò)展速率為2.66，處于高速擴(kuò)張階段，這是發(fā)展的必然趨勢。在河流周圍發(fā)展尤為明顯，逐漸形成了以各鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為中心的擴(kuò)張趨勢。在研究的幾種地類中，沙地的變化幅度最大，呈現(xiàn)高速增長的趨勢，主要分布于綠洲北部。研究期間，水體、未利用地、裸地面積都呈現(xiàn)減少趨勢，并且裸地面積減少最為明顯。

3.3 和田綠洲26年來人口空間變化與LULC變化的相關(guān)性

由圖3、表3可知，和田綠洲內(nèi)部的建設(shè)用地面積變化受人口變化的影響，并且呈現(xiàn)高度正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.809，表明人口變化對建設(shè)用地面積的變化有著直接的影響。由圖2可知，和田綠洲的人口數(shù)量增長較大，人口的大量、快速增長給該地區(qū)帶來了較大的居住壓力。在和田綠洲地區(qū)，農(nóng)村人口較多，因此大多數(shù)人更傾向于在當(dāng)?shù)厣?，?dǎo)致建設(shè)用地呈現(xiàn)明顯擴(kuò)張的現(xiàn)象。而耕地面積變化與草地、未利用地、沙地和裸地面積變化均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這主要是由于人們居住的建設(shè)用地以及耕地來源于草地、未利用地等資源，而水體面積變化與耕地面積、人口變化的相關(guān)性系數(shù)分別為-0.589、-0.208，表明水域面積的減少伴隨著人口數(shù)量以及耕地面積的增加。根本原因是人口增加導(dǎo)致綠洲建設(shè)、生產(chǎn)生活的耗水量增加以及水的不合理利用。

3.3 生態(tài)響應(yīng)分析

3.3.1 綠洲-荒漠過渡帶植被破壞 綠洲與荒漠之間往往會有一條植被過渡帶，這條過渡帶具有較好的生態(tài)效益，它主要是由一些荒漠植被所構(gòu)成，這些荒漠植被需水量大多很少。該過渡帶是綠洲穩(wěn)定的區(qū)域[16]，它對綠洲可持續(xù)發(fā)展有著決定性作用[17]。

研究表明，中游和田綠洲區(qū)耕地質(zhì)心向西北荒漠推進(jìn)4.49 km，沙地質(zhì)心后退3.14 km[18]。由此可知，近26年耕地與沙地之間的空間耦合關(guān)系是人類對和田綠洲開發(fā)的結(jié)果。而這種“人進(jìn)沙退”，以破壞綠洲-荒漠過渡帶植被為代價(jià)的綠洲開發(fā)勢必危及綠洲的安全與穩(wěn)定[19-20]。

3.3.2 綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降 本研究采用謝高地等的研究方法[19]對生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算得知，和田綠洲的生態(tài)服務(wù)價(jià)值在26年間呈現(xiàn)降低趨勢。其中，氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、保持土壤、維持生物多樣性等服務(wù)功能都有所降低?？梢?，這種以大量消耗水資源為代價(jià)，而其生態(tài)服務(wù)價(jià)值沒有升高，反而有所降低的綠洲開發(fā)模式值得深思。

3.3.3 和田綠洲生態(tài)惡化 由土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表1）即可得知，和田綠洲沙地面積在不斷增加。與此同時(shí)，水體面積有所減少。和田河中游“墾荒”在破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)與環(huán)境，危及綠洲系統(tǒng)安全與穩(wěn)定的同時(shí)，導(dǎo)致下游水資源供給不足，水域、沼澤地面積減少，鹽堿地、沙地面積增加，林、草地退化，綠洲衰退甚至消亡，危及和田河綠色走廊可持續(xù)發(fā)展。塔里木河下游生態(tài)退化嚴(yán)重，耕地大面積撂荒，已出現(xiàn)生態(tài)移民現(xiàn)象[21]，威脅和田綠洲的生態(tài)安全與穩(wěn)定，進(jìn)而危及和田綠洲的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

對比1992年和2017年的數(shù)據(jù)可知，近26年以來，和田綠洲人口明顯增多，其空間分布范圍也有了明顯擴(kuò)張，更趨向于向縣、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）中心集聚。建設(shè)用地有了明顯擴(kuò)張，未利用地、裸地與水體面積呈現(xiàn)減少趨勢，并且沙地面積不斷擴(kuò)張。由于受到人口分布范圍擴(kuò)張與人口密度增加的雙重壓力，綠洲承受的人口、社會、經(jīng)濟(jì)壓力不斷增加。

和田綠洲各LULC類型的變化在空間分布上具有明顯的差異。人口對于綠洲LULC變化的影響機(jī)制十分復(fù)雜，但是不可否認(rèn)的是其對土地利用類型變化具有十分重要的影響。例如，人口擴(kuò)張使得建筑用地、耕地都向南進(jìn)行了不同程度的擴(kuò)張（215.24、130.01 hm2）。而間接的表現(xiàn)有很多，如草地等的變化（95.77 hm2）。人口變化對于綠洲LULC變化的驅(qū)動作用不容小覷。這些變化都可以解釋當(dāng)前的一些現(xiàn)象，如人口遷移、干旱化加劇、土壤鹽漬化等問題。本研究結(jié)果對和田綠洲的可持續(xù)發(fā)展具有指導(dǎo)作用。

26年間，和田綠洲生態(tài)服務(wù)價(jià)值呈降低趨勢，并且其生態(tài)環(huán)境有一定的惡化趨勢，譬如和田綠洲的綠洲-荒漠過渡帶植被受到破壞，當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門應(yīng)該注意該種情況，并對其加以治理。

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