1990—2018年新疆喀什噶爾河流域土地利用/覆被變化空間耦合及其生態(tài)效應(yīng)

常雪兒，汪 洋，甄 慧，夏婷婷，熱米娜·沙塔爾

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052)

【研究意義】土地利用/覆蓋變化是全球變化背景下人地關(guān)系最為密切的命題之一，它不僅是分析和解釋區(qū)域土地利用/覆蓋變化特征、過程和機(jī)理的重要手段，而且對全球及其區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要影響[1]。隨著人口不斷增長及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，資源需求量逐漸增加，農(nóng)田開墾、城市擴(kuò)張等對土地的肆意開發(fā)和資源的不合理利用加劇了土地利用類型相互轉(zhuǎn)換，嚴(yán)重影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康并制約著土地利用的可持續(xù)發(fā)展[2]，對地球原有生態(tài)環(huán)境的影響也日趨加重[3]。土地利用與人類的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系密切，對人類社會(huì)發(fā)展具有重要的價(jià)值[4]。同時(shí)，土地利用變化是人類—環(huán)境耦合系統(tǒng)研究的理想切入點(diǎn)[5]，土地利用格局的改變會(huì)導(dǎo)致地表植被覆蓋、土壤環(huán)境、溫室效應(yīng)、區(qū)域氣候與水循環(huán)過程的變化，是影響流域可持續(xù)發(fā)展的主要因素[6]，優(yōu)化土地利用格局可以提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，有利于區(qū)域生態(tài)安全的發(fā)展。因此，開展區(qū)域土地利用研究對協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的矛盾、實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)利用具有實(shí)際意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土地利用變化的空間耦合關(guān)系已成為綠洲土地利用變化研究的新視角。從耦合的方位來闡述人類與自然之間錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系，有助于揭示流域內(nèi)土地利用變化中密切的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系及原因，促進(jìn)人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展[7]，土地利用變化研究在發(fā)展過程中，已從土地利用演變格局特征[8]、驅(qū)動(dòng)機(jī)制[9]和生態(tài)效應(yīng)[10]等，延展至結(jié)合生態(tài)服務(wù)價(jià)值[11]、植被覆蓋[12]、土壤[13]等方面進(jìn)行研究，為區(qū)域土地資源優(yōu)化配置和土地利用規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，水土資源的大規(guī)模開發(fā)不僅改變了綠洲土地類型的時(shí)空分布，也對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了相應(yīng)的影響[14]?？κ哺翣柡恿饔蛭挥谖覈鞅备珊祬^(qū)，由于人為和自然因素的干預(yù)，本為塔里木河的九源流之一的喀什噶爾河與塔里木河干流失去了地表水聯(lián)系，形成了相對獨(dú)立的水系。隨著流域內(nèi)土地開發(fā)利用程度加劇，土地荒漠化、植被退化、冰川萎縮等生態(tài)環(huán)境問題逐漸凸顯[15]，目前關(guān)于喀什噶爾河流域水資源保護(hù)和管理[16-17]、水土流失[18-19]等研究較多。但是，在全球氣候變暖以及西部大開發(fā)背景下，喀什噶爾河流域面臨著全方位經(jīng)濟(jì)發(fā)展所引發(fā)的水土資源需求的巨大壓力。作為山地—綠洲—荒漠耦合系統(tǒng)的喀什噶爾河流域土地利用空間變化如何耦合及其生態(tài)效應(yīng)成為新的命題，因此本文采用空間耦合的角度探討喀什噶爾河流域土地利用變化以及生態(tài)效應(yīng)。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文基于野外考察和遙感影像目視解譯，從空間耦合角度分析了近29年喀什噶爾河流域土地利用動(dòng)態(tài)變化特征，并對其變化原因進(jìn)行初步探討，為喀什噶爾河流域土地可持續(xù)利用及生態(tài)文明建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

喀什噶爾河流域地處于新疆西南部，地理位置為74°50'～78°39' E，38°28'～40°46' N。行政區(qū)包括阿克陶縣、英吉沙縣、烏恰縣、巴楚縣、阿圖什市、阿合奇縣、疏勒縣、伽師縣、岳普湖縣、疏附縣、喀什市等14個(gè)縣市。喀什噶爾河發(fā)源于帕米爾高原以及天山北部，流經(jīng)荒漠和綠洲最終被截流于巴楚縣的阿納庫勒水庫。流域地勢西高東低，具有“三面環(huán)山、一面敞開”的獨(dú)特地理地形條件，北依天山西段，西鄰帕米爾高原，南靠昆侖山北部，東面開口朝向塔克拉瑪干沙漠。流域?yàn)榈湫偷呐瘻貛Т箨懜珊禋夂颍邓∩?，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大。氣溫年際變化小，年均氣溫11.7 ℃，年平均降雨量30～60 mm，蒸發(fā)量3000 mm以上[20]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http://earthexplorer.usgs.gov/)，選取1990—2018年4個(gè)時(shí)期Landsat TM影像數(shù)據(jù)，為使數(shù)據(jù)具有可比性，根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)選取成像時(shí)間集中在7—9月的遙感影像，空間分辨率為30 m。通過輻射校正和圖像裁剪等處理后進(jìn)行信息提取，生成4期可用于研究區(qū)土地利用變化分析的遙感影像，并運(yùn)用混淆矩陣的方法通過實(shí)地調(diào)查結(jié)果及Google Earth的高分辨率圖像驗(yàn)證研究區(qū)的土地類型，Kappa系數(shù)為0.86，符合研究要求。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)取自《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》(1990—2018)[21]。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Sketch of study area

2.2 方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用動(dòng)態(tài)度可以具體反映土地利用類型在研究時(shí)段內(nèi)的動(dòng)態(tài)及其變化的幅度和速度[22]。公式為：

(1)

式中，K為研究期間某土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub為研究期始末該土地利用類型面積；T為研究時(shí)長。

2.2.2 土地利用強(qiáng)度 在某一空間單元內(nèi)各土地利用類型在研究時(shí)段始末單位面積的變化量稱為土地利用強(qiáng)度指數(shù)，是對該空間區(qū)域中土地利用類型面積變化速度的量化[23]，計(jì)算公式如下：

(2)

式中，Kj,b、Kj,a表示土地利用類型j在研究末期b到研究初期a期間在空間單元i上的面積，LAi為空間單元i的總面積，T為研究時(shí)長。

2.2.3 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 轉(zhuǎn)移矩陣是土地利用結(jié)構(gòu)變化和轉(zhuǎn)移方向分析的基礎(chǔ)，通過土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣模型能夠清晰刻畫出各土地利用類型間的轉(zhuǎn)移情況及用地結(jié)構(gòu)特征[24]。本文使用Arcgis 10.2軟件對1990—2018年研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加運(yùn)算，后用Excel進(jìn)行處理以建立1990—2018年喀什噶爾河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

2.2.4 土地利用重心遷移 通過分析各土地利用類型重心遷移的方向和距離來反映區(qū)域土地利用空間變化特征。重心遷移方向、轉(zhuǎn)移距離都可以采用重心坐標(biāo)的變化來表達(dá)，區(qū)域重心坐標(biāo)計(jì)算公式為[25]：

(3)

式中，屬性值Mi為各小區(qū)單元的面積，(Xi,Yi)為一個(gè)區(qū)域中第i個(gè)小區(qū)的中心坐標(biāo)，空間均值(x,y)為區(qū)域的幾何中心。

2.2.5 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度 區(qū)域土地系統(tǒng)有序程度可用土地利用結(jié)構(gòu)信息熵(H)表示。土地系統(tǒng)利用有序程度越高，信息熵值越低；反之，信息熵值越高[26]。

(4)

采用土地利用結(jié)構(gòu)均衡度使不同土地利用類型在不同研究時(shí)段具有可比性。基于信息熵函數(shù)可以構(gòu)建土地利用結(jié)構(gòu)均衡度(E)以表達(dá)土地利用結(jié)構(gòu)的均衡性[27]。公式為：

(5)

式中，m表示土地利用類型數(shù)，Pi為第i類土地利用類型的面積比例。

2.2.6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值 參照謝高地等[28]提出的基于中國實(shí)際情況改進(jìn)的Costanza生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評價(jià)模型[29]得出的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行修正，對喀什噶爾河流域土地利用引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值進(jìn)行計(jì)算。公式為：

ESV=∑(Ak×VCk)

(6)

式中，ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值(元)；Ak為第k種土地利用類型的面積(km2)；VCk為第k種土地利用類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 喀什噶爾河流域土地利用變化

3.1.1 土地利用/覆蓋變化趨勢 1990—2018年喀什噶爾河流域土地利用/覆蓋變化顯著，由圖2可知，建設(shè)用地、耕地分布在研究區(qū)中部的綠洲，草地以及水域主要分布在北部和西部的山區(qū)，未利用地主要交匯在山區(qū)和綠洲區(qū)之間屬于荒漠區(qū)，研究區(qū)土地類型面積整體占比依次為未利用地>低覆蓋度草地>中覆蓋度草地>耕地>高覆蓋度草地>水域>林地>建設(shè)用地。根據(jù)該流域29年間的土地利用類型變化(表1)可知，整個(gè)研究區(qū)的情況呈現(xiàn)出耕地、高覆蓋度草地、建設(shè)用地、未利用地面積增加，林地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、水域面積減小的趨勢。由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速、人類活動(dòng)強(qiáng)度加大等因素導(dǎo)致建設(shè)用地和耕地面積增加，建設(shè)用地面積變化幅度最大，1990—2018年面積從104.50 km2增長至469.72 km2；耕地面積顯著增加，29年間迅速向流域東部擴(kuò)張，增加量為2124.93 km2，在1990年的基礎(chǔ)上增長了41.95%；未利用地面積總體呈現(xiàn)增加趨勢，增加量為2299.88 km2，增幅為7.18%；而草地總面積減少，其中高覆蓋度草地主要分布在山區(qū)，中、低覆蓋度草地主要分布在綠洲區(qū)；雖然2018年時(shí)高覆蓋度草地的面積較1990年增加42.15%，但是中覆蓋度草地以及低覆蓋度草地在29年間共減少4113.03 km2；其中減少的中覆蓋度草地面積及增加的高覆蓋度草地面積均出現(xiàn)在山區(qū)，部分高覆蓋度草地面積增長多位于水域周邊，此變化主要受到溫度、水分等自然因素的影響，而低覆蓋度草地主要由人類活動(dòng)導(dǎo)致的耕地開墾所侵占；對于水域面積來說，由于全球氣候變暖、耕地面積擴(kuò)張以至灌溉用水需求量大，研究期間其面積大幅度下降，面積減少達(dá)2658.13 km2，減幅為53.14%；林地總體面積變化幅度較小，較1990年增加了3.18 km2。

圖2 1990—2018年喀什噶爾河土地利用變化Fig.2 Land uses change in the Kaxgar River Basin from 1990 to 2018

表1 1990—2018年喀什噶爾河流域土地利用/覆蓋面積變化

3.1.2 土地利用動(dòng)態(tài)度變化 由表2可知，1990—2018年的土地利用動(dòng)態(tài)度發(fā)生了較大變化(圖3)?？κ哺翣柡恿饔蛑薪ㄔO(shè)用地動(dòng)態(tài)度一直處于較高水平，在29年間呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢，尤其在2010—2018年間急速升高，其動(dòng)態(tài)度高達(dá)21.53%；耕地、林地、高覆蓋度草地、未利用地以及水域則在1990—2018年間的動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，其中耕地、林地、高覆蓋度草地、未利用地總體為加速增長趨勢，而中、低覆蓋度草地和水域呈大幅度下降態(tài)勢。

圖3 1990—2018年喀什噶爾河流域土地利用動(dòng)態(tài)度Fig.3 Land use dynamic index of Kaxgar River Basin from 1990 to 2018

總體而言，在1990—2010年間，除建設(shè)用地變化較為劇烈之外，其余土地利用類型動(dòng)態(tài)變化較弱。2010年之后，由于人口激增、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，喀什噶爾河流域各土地利用類型動(dòng)態(tài)度變化強(qiáng)烈。

3.1.3 土地利用強(qiáng)度變化 從土地利用變化強(qiáng)度(圖4)來看，1990—2010年喀什噶爾河流域總體土地利用類型強(qiáng)度較小，可能是由于在此期間喀什噶爾河流域生產(chǎn)水平的限制，土地利用開發(fā)強(qiáng)度及擾動(dòng)較小所導(dǎo)致。2010—2018年，城市化進(jìn)程不斷加快，人地矛盾逐漸激化，綠洲區(qū)的耕地、建筑用地的變化強(qiáng)度逐步增加，分別為0.30%、0.05%；由于受到耕地面積侵占，中、低覆蓋度草地土地利用強(qiáng)度達(dá)到-0.32%、-0.25%；2010—2018年間水域土地利用強(qiáng)度變化最為強(qiáng)烈，在土地利用格局演變中占據(jù)著主導(dǎo)地位?？傮w上，喀什噶爾河流域土地利用強(qiáng)度變化的主要類型為耕地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、水域和未利用地，其余土地利用類型強(qiáng)度較弱。

圖4 1990—2018年喀什噶爾河流域土地利用強(qiáng)度Fig.4 Land use Intensity of Kaxgar River Basin from 1990 to 2018

表2 1990—2018年喀什噶爾河流域土地利用/覆蓋變化指數(shù)

3.2 喀什噶爾河流域土地利用空間耦合

3.2.1 土地利用類型轉(zhuǎn)移情況 由1990—2018年喀什噶爾河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移情況(表3)可知，各土地利用類型之間轉(zhuǎn)移頻繁。29年間耕地面積急劇擴(kuò)張，由其他土地類型轉(zhuǎn)化而來的面積為3313.40 km2，包括林地(58.50 km2)、高覆蓋度草地(75.58 km2)、中覆蓋度草地(595.99 km2)、低覆蓋度草地(1626.08 km2)、水域(31.63 km2)以及未利用地(869.82 km2)，其中未利用地和草地在轉(zhuǎn)入耕地面積的比例中高達(dá)95.59%。

表3 1990—2018年喀什噶爾河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移方向上，轉(zhuǎn)入耕地的面積主要來自未利用地和草地，說明開荒和毀草造田是耕地?cái)U(kuò)大的主要方式。在研究期間林地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的面積較為均衡，面積變化不大。增加的高覆蓋度草地面積主要分布在山區(qū)，轉(zhuǎn)入面積為4503.05 km2，主要由中覆蓋度草地(2220.27 km2)、低覆蓋度草地(686.72 km2)、水域(421.33 km2)和未利用地(873.76 km2)轉(zhuǎn)化而來。中覆蓋度草地以及低覆蓋度草地的面積在29年間轉(zhuǎn)出面積較多，轉(zhuǎn)出面積分別為8233.08和9110.34 km2，分布在綠洲區(qū)的中覆蓋度草地主要轉(zhuǎn)化為耕地(595.99 km2)，而山區(qū)的中覆蓋度草地向高覆蓋度草地(2220.27 km2)、低覆蓋度草地(2926.85 km2)和未利用地(2189.69 km2)轉(zhuǎn)化；低覆蓋度草地主要向綠洲區(qū)耕地以及山區(qū)高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和未利用地轉(zhuǎn)化。水域面積向其他土地類型轉(zhuǎn)移程度劇烈，共計(jì)轉(zhuǎn)3611.04 km2，轉(zhuǎn)出方向主要是由山區(qū)的冰雪轉(zhuǎn)移為未利用地，說明研究期間喀什噶爾河流域由于自然原因造成了冰雪融化導(dǎo)致水資源大量減少，加劇山區(qū)土地荒漠化。由于流域內(nèi)土地利用逐漸向城鎮(zhèn)化趨勢轉(zhuǎn)變，建設(shè)用地在研究期間面積急速擴(kuò)增，主要由耕地面積(315.56 km2)、低覆蓋度草地(31.40 km2)和未利用地(65.54 km2)轉(zhuǎn)化而來。綠洲區(qū)耕地對草地及未利用地的侵占與荒漠區(qū)草地退化同時(shí)發(fā)生，呈現(xiàn)“綠洲—荒漠”之間土地利用的空間耦合。

表4 1990—2018年喀什噶爾河流域土地利用重心轉(zhuǎn)移

3.2.2 土地利用類型重心遷移 1990—2018年各土地利用類型重心均出現(xiàn)遷移(圖5)。綠洲區(qū)耕地重心向東北方向轉(zhuǎn)移14.08 km；建設(shè)用地其重心遷移方向軌跡與耕地相反，在1990—2018年間向西南方向遷移18.70 km。水域在2018年面積急劇縮減，以至水域的重心在1990—2018年間向東北方向遷移；近30年來由于水域的縮減對山區(qū)草地及未利用地面積影響較大，高覆蓋度草地重心遷移最遠(yuǎn)，向南遷移了49.40 km；低覆蓋度草地重心遷移距離次之，向西南方向遷移了42.16 km；山區(qū)未利用地面積增加且耕地面積對未利用地的侵占使未利用地重心向西北遷移；中覆蓋度草地重心在山區(qū)水域面積變化及綠洲區(qū)人類活動(dòng)的共同作用下向東北遷移31.52 km；因此，未利用地與耕地、水域、草地重心遷移方向呈現(xiàn)空間耦合?？梢?，在1990—2018年間人類對綠洲自然植被的大規(guī)模開發(fā)使得“綠洲—荒漠—山區(qū)”形成時(shí)空耦合的重要原因。

圖5 1990—2018年喀什噶爾河流域土地利用重心遷移Fig.5 The change of land use/cover gravity center in the Kaxgar River Basin from 1990 to 2018

3.2.3 土地利用信息熵與均衡度變化 信息熵高低可以反映用地結(jié)構(gòu)均衡程度。由圖6可知，1990—2010年喀什噶爾河流域土地利用信息熵和均衡度均呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，表明喀什噶爾河流域的土地利用系統(tǒng)沒有發(fā)生劇烈變化，但是土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土地利用類型增多，日益復(fù)雜多樣，各類土地利用面積發(fā)展方向逐步趨于一致；均衡度和信息熵在2010年達(dá)最高值，處于最均衡狀態(tài)，土地利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性最好；2010—2018年，土地利用信息熵及均衡度呈現(xiàn)迅速減少趨勢，表明土地利用類型的豐富度降低，土地利用復(fù)雜性和多樣性減少，并在2018年達(dá)到最低值，此時(shí)有序程度最高，土地利用系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)性最弱。由此可見，信息熵與均衡度在29年間有所下降，綠洲系統(tǒng)趨于穩(wěn)定但均衡性日趨減弱，均衡性程度的降低與綠洲系統(tǒng)區(qū)域逐漸穩(wěn)定呈空間耦合。

圖6 1990—2018年喀什噶爾河流域信息熵、均衡度變化Fig.6 Change of land use/cover information entropy and equilibrium degree in the Kaxgar River Basin from 1990 to 2018

3.3 喀什噶爾河流域土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)

3.3.1 流域生態(tài)服務(wù)功能變化 本研究基于土地利用一級分類，分別估算了喀什噶爾河流域1990、2000、2010和2018年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem services values, ESV)(表5)。由圖7可知，調(diào)節(jié)服務(wù)功能中氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)和廢物處理功能在1990—2018年均呈現(xiàn)先上升再輕微下降的趨勢；水源涵養(yǎng)功能與水域面積具有很強(qiáng)的相關(guān)性，其ESV在1990—2000年處于上升階段，而后出現(xiàn)劇烈下降的態(tài)勢。土壤形成與保護(hù)和生物多樣性保護(hù)服務(wù)功能在1990—2018年間均呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢；2018年相較于1990年，土壤形成與保護(hù)服務(wù)價(jià)值降低，生物多樣性保護(hù)服務(wù)價(jià)值升高。支持服務(wù)主要受到耕地、林地、草地和水域的影響，在耕地的持續(xù)性擴(kuò)增、水域面積大幅度下降以及草地總體面積減少三者綜合作用下使支持服務(wù)在2000年之后表現(xiàn)為先急速上升后緩慢逐漸下降的趨勢。供給服務(wù)

表5 1990—2018年喀什噶爾河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

圖7 1990—2018年喀什噶爾河各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化Fig.7 Change of various ecosystem service value in the Kaxgar River Basin from 1990 to 2018

主要受到耕地和林地的主導(dǎo)作用，耕地的不斷開墾使得農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量增加，導(dǎo)致食物生產(chǎn)服務(wù)價(jià)值在1990—2018年呈現(xiàn)出平緩的增長趨勢。原材料生產(chǎn)主要與林地相關(guān)，其服務(wù)價(jià)值的變化與林地面積變化趨勢一致。娛樂文化服務(wù)在29年間呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，在2010—2018年間下降幅度較大。

由圖8可知，1990—2018年喀什噶爾河生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值中調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)價(jià)值比重較大，總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)出先增加再減少的態(tài)勢。1990—2000年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高的林地、草地、水域面積增加，因此總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在2000年呈現(xiàn)出較高的水平。2000—2010年ESV變化基本保持持平狀態(tài)，但在2010—2018年呈現(xiàn)明顯降低的趨勢，是由于氣候變暖導(dǎo)致山區(qū)冰雪面積退縮，綠洲區(qū)耕地面積擴(kuò)張侵占中、低覆蓋度草地且大量消耗水資源導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值從987.07億元降低至750.95億元。由于生態(tài)用地的縮減，研究區(qū)生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)承載能力日益下降，水資源的大量損耗并未實(shí)現(xiàn)區(qū)域“生態(tài)—經(jīng)濟(jì)—水”的協(xié)調(diào)發(fā)展，導(dǎo)致綠洲生態(tài)服務(wù)功能自2000年之后逐年降低，并有持續(xù)下降的趨勢。

圖8 1990—2018年喀什噶爾河流域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化Fig.8 Change of total ecosystem service value in the Kaxgar River Basin from 1990 to 2018

3.3.2 流域生態(tài)環(huán)境變化 在全球氣候變化的背景下，中國西北內(nèi)陸氣候由暖干型向暖濕型轉(zhuǎn)變[30]，新疆氣溫呈上升趨勢，平均增長率每10年增長0.27 ℃。氣溫的升高導(dǎo)致山區(qū)冰雪覆蓋面積處于退縮及消失狀態(tài)[31]，從圖9可知，研究區(qū)在2000年后水域面積處于減少態(tài)勢，冰雪融化而暴露出的地表及地下水資源得以補(bǔ)給，山區(qū)植被擁有了更好的生長環(huán)境，使得部分地區(qū)高覆蓋度草地面積增加，綠洲區(qū)農(nóng)作物生長也獲得了更有利的條件；同時(shí)冰雪融水增加對研究區(qū)水資源的補(bǔ)給及河川徑流產(chǎn)生顯著的影響，生態(tài)環(huán)境逐漸改善。但在2010年后，流域山區(qū)的冰雪面積融化極為迅速；隨著冰雪的消融加劇，其面積嚴(yán)重萎縮，失去對河流的調(diào)節(jié)作用[32]，河川徑流量出現(xiàn)減少趨勢，再加上近年來綠洲區(qū)耕地面積的急速擴(kuò)增導(dǎo)致灌溉量增大、不合理的灌溉管理方式使得有限的水資源無法得到充分利用而愈發(fā)短缺，水資源匱乏，湖泊河流面積愈來愈少；此外，1990—2018年間喀什噶爾河流域內(nèi)人口數(shù)從20.40萬人增長到32.79萬人，與1990年相比，人口數(shù)量增長60.73%。隨著喀什噶爾河流域人口增加、經(jīng)濟(jì)規(guī)模擴(kuò)大，土地利用程度不斷提高、耕地面積急速擴(kuò)張等不合理的土地資源開發(fā)方式，人類用水將嚴(yán)重?cái)D占生態(tài)用水進(jìn)一步激化用水矛盾，最終導(dǎo)致土地利用系統(tǒng)向無序的方向發(fā)展，綠洲區(qū)流域植被日趨衰退，鹽堿化土地加劇，荒漠化危害愈加嚴(yán)重，荒漠區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)環(huán)境承載能力日益下降，生態(tài)問題也愈加嚴(yán)峻[33]。

圖9 喀什噶爾河流域生態(tài)效應(yīng)Fig.9 Ecological effects in the Kaxgar River Basin

4 討 論

土地利用變化反映了人類與自然的相互影響的關(guān)系[34]，自1990年以來研究區(qū)各土地利用類型之間轉(zhuǎn)移頻繁。由于受到全球變暖的影響，喀什噶爾河流域山區(qū)水域面積持續(xù)性下降，在2010—2018年呈急速下降態(tài)勢，大部分水域轉(zhuǎn)化為未利用地；此外，由于人類活動(dòng)和水資源的匱乏導(dǎo)致大量中、低覆蓋度草地向耕地及未利用地轉(zhuǎn)化。土地利用變化影響著生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，喀什噶爾河流域耕地面積增加，中、低覆蓋度草地及水域大面積被侵占，自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，草地、水域等生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地和未利用地是生態(tài)系統(tǒng)退化的典型特征，說明存在著綠洲化和荒漠化共同發(fā)展的情況[35]。因此，喀什噶爾河流域在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、大力推進(jìn)人民生活水平的同時(shí)，應(yīng)重視綠洲生態(tài)用地大幅減少對于脆弱生態(tài)環(huán)境的沖擊，注重生存環(huán)境質(zhì)量的提高，保護(hù)并適量增加生態(tài)用地來有效緩和人地矛盾，為喀什噶爾河流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展做好保障。

人類活動(dòng)對水土資源調(diào)配持續(xù)的干預(yù)，讓脆弱的生態(tài)環(huán)境面臨著更加巨大的壓力。本文對1990—2018年喀什噶爾河流域的土地利用變化及生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明該流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)下降狀態(tài)。通過對比該流域的土地利用研究發(fā)現(xiàn)各變化趨勢相差無幾。如在1990—2010年喀什噶爾河流域受到人口、政策、經(jīng)濟(jì)等多重影響，導(dǎo)致耕地面積增加，植被退化，給流域生態(tài)環(huán)境帶來了潛在的威脅[15]。以及2000—2018年間喀什噶爾河流域土地利用類型發(fā)生明顯的變化，引發(fā)了土壤鹽漬化加重、土地沙化明顯等諸多生態(tài)問題[36]。與新疆其他地區(qū)相比研究結(jié)果也并無二致，康紫薇等[37]對瑪納斯河流域土地利用變化進(jìn)行了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，發(fā)現(xiàn)在研究期間伴隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，土地資源的需求逐漸放大，導(dǎo)致大量草地及未利用地面積轉(zhuǎn)化成為建設(shè)用地和耕地，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度升高。張軍峰等[38]對新疆孔雀河近40年土地利用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)建設(shè)用地和耕地大面積擴(kuò)張占用了林地、草地等較肥沃的土地以及未利用地，并且水資源開發(fā)利用強(qiáng)度的增加會(huì)引發(fā)生態(tài)危機(jī)。結(jié)合前人的研究發(fā)現(xiàn)，過度開發(fā)水土資源會(huì)對生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展產(chǎn)生不良影響，草地退化、土地荒漠化、水資源匱乏以及生態(tài)系統(tǒng)等問題的滋生，制約著喀什噶爾河流域人們生活環(huán)境的改善和生態(tài)文明建設(shè)的進(jìn)程。

本文對喀什噶爾河流域土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素沒有進(jìn)行深入剖析，未量化政策對土地利用變化的影響。生態(tài)效應(yīng)中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究缺少空間變化的分析，對于山區(qū)、綠洲、荒漠區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化未具體討論。此外，定性分析了不同土地利用類型之間的耦合關(guān)系，尚未進(jìn)行定量分析。在今后的工作中，將深刻探究喀什噶爾河流域?qū)ψ匀患叭祟惢顒?dòng)驅(qū)動(dòng)因素的響應(yīng)，詳細(xì)闡明區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變化，深化各個(gè)土地利用類型之間轉(zhuǎn)化的耦合關(guān)系，對研究區(qū)土地利用生態(tài)問題更進(jìn)一步的挖掘，以期為喀什噶爾河流域生態(tài)環(huán)境的改善提供更有效的理論依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1)1990—2018年間，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)及糧食需求等政策的實(shí)施，新疆喀什噶爾河流域內(nèi)土地利用變化特征主要表現(xiàn)為建設(shè)用地、耕地、高覆蓋度草地、未利用地增加，水域、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地呈現(xiàn)減少趨勢。其中，29年來耕地面積和建設(shè)用地的變化率最大，并且在2010—2018年間建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)度高達(dá)21.53%。水域面積縮減最為明顯，29年以來減少了53.69%，尤其在2010—2018年土地利用程度達(dá)到了-6.04%。

(2)喀什噶爾河流域的耕地面積主要由中、低覆蓋度草地、未利用地轉(zhuǎn)化而來，其中低覆蓋度草地面積向耕地轉(zhuǎn)移頻繁，此變化在研究區(qū)東南部最為明顯。高覆蓋度草地在29年間轉(zhuǎn)入面積多于轉(zhuǎn)出面積，主要由中覆蓋度草地轉(zhuǎn)化而來。水域面積向其他土地利用類型轉(zhuǎn)移劇烈，尤其在研究期間向未利用地轉(zhuǎn)移了53.93%。綠洲區(qū)耕地對林、草及未利用地的侵占與荒漠區(qū)林、草退化同時(shí)發(fā)生，呈現(xiàn)“綠洲—荒漠”之間土地利用的空間耦合。

(3)29年間，喀什噶爾河流域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度的變化一致，都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且在2010年喀什噶爾河流域的信息熵與均衡度達(dá)到最高值，在2018年達(dá)到最低值。耕地的迅速擴(kuò)增及水域的大面積減少是影響信息熵與均衡度變化的主要因素。

(4)該流域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在研究期間受到各土地利用類型頻繁轉(zhuǎn)移的影響，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均發(fā)生了變化。喀什噶爾河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。伴隨著人口數(shù)量的增加，土地利用程度不斷提高，耕地的擴(kuò)張導(dǎo)致地表河道輸水損失增加，使得喀什噶爾河下游水資源供給不足，水域面積減少，未利用地增加，林、草地退化，嚴(yán)重危及綠洲系統(tǒng)安全與穩(wěn)定。