2019, Vol. 51
土地生态安全是指在一定时空范围内，土地生态系统保持其自身结构与功能不受威胁或少受威胁的健康、平衡的状态，并能够为人类的生存与可持续发展提供相应的服务，进而维持自然、社会、经济和土地等复合体的长期稳定协调发展[1-2]。可见，土地生态安全是土地资源可持续利用的基础与核心，土地资源作为人类赖以生存与发展的物质基础以及生存空间，已成为目前人类可持续发展研究中普遍关注的前沿课题[3-5]。近年来，随着人口的增长、经济的迅猛发展、新型城镇化的加速推进，人类对土地资源的需求在不断加强，同时包括不适当的开发利用，由此产生了一系列的土地生态问题，直接或间接地影响着土地的生态安全，制约着人类社会的可持续发展，因此，对土地生态安全进行综合评价，深入了解土地生态安全状况已成为区域可持续发展研究的重要内容之一[6]。其中，对土地生态系统的结构、功能、价值进行客观评价，掌握土地资源动态，了解土地资源变化特征，为土地资源可持续利用提供合理依据已经成为土地生态安全研究的主要方向[7]。目前，土地生态安全评价方法主要集中于从自然、经济和社会因素等视角出发，基于压力–状态–响应(PSR)模型框架指引，结合运用生态足迹、景观生态、物元分析等模型和应用GIS技术、支持向量机等多种评价方法，通过构建土地生态安全评价指标体系对区域土地生态安全进行评价[8]。
本研究在梳理相关研究的基础上，选取西北干旱脆弱区——叶尔羌河平原绿洲为研究靶区，从时间尺度上对研究区1991—2016年土地生态安全状况进行评价，目的在于明确叶尔羌河平原绿洲土地利用变化特征及土地生态环境现状，分析其土地生态安全目前存在的主要问题与影响因素，以期为研究区土地生态安全状况的合理改善和土地利用的优化、规划以及生态环境的保护提供一定的理论参考和科学依据。
1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况叶尔羌河流域地理坐标为74°28′ ~ 80°54′ E，34°50′ ~ 40°31′ N，地处塔克拉玛干沙漠西缘，喀喇昆仑山北麓，北抵天山南麓与阿克苏地区相接，流域地形西南高、东北低，大致分为山区和平原两大气候区[9]。本文研究区为处于叶尔羌河流域中下游的平原绿洲区，在行政区划上包括喀什地区的叶城、泽普、莎车、麦盖提、巴楚等县域，土地总面积为4.96×106 hm2，占新疆总面积的2.98%。至2016年末，绿洲内共有人口为2.25×106人，其中乡村人口约为1.76×106人，占人口总数的78.2%。地区生产总值345.07×108元，比2015年增长15.62×108元。农业总产值为2.23×1010元，占农林牧渔业总产值的74.03%。叶尔羌河平原绿洲是新疆南疆最大的绿洲、著名的粮棉基地，其中粮食总产量为1.69×106 t，总播种面积2.77×105 hm2。
2015年，绿洲区人口约为流域总人口的98.24%，剧烈的人类活动导致区域土地利用发生了显著变化，绿洲外围荒漠区的地下水位不断下降，荒漠区面积逐渐扩大[10]。2016年，研究区未利用土地占总面积的74.74%，成为区域景观面积最大、连通程度最高的地类[10](图 1)。目前，与叶尔羌河平原绿洲区相关的研究多集中于水资源配置[11-12]、气候变化[13-14]等方面，有关土地生态安全方面的研究甚少，基于此，本文以PSR模型为基础，通过构建土地生态安全评价指标体系，揭示土地生态安全现状以及进行诊断性分析，其对改善研究区所用的土地生态安全具有重要的现实意义。
1.2 数据来源与处理本研究所选取的土地利用数据来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，Landsat TM/ ETM+影像，成像时间分别为1991年、2005年和2016年的8—9月(每期共5景，轨道号分别为147/32、147/33、148/32、148/33、148/34)，云量均小于10%。所依据的基础数据主要来源于《新疆统计年鉴(1992—2017)》、《喀什统计年鉴(1992—2017)》、《中国气象灾害大典(新疆卷1949—2000)》、所辖县地方志以及由相关职能部门提供的统计数据进行计算和整理获得。据经团队实地考察及研究区土地利用程度，本研究将叶尔羌河平原绿洲土地利用分为7类：耕地、林地、草地、湿地、水域、建设用地和未利用土地，Kappa系数均达到80%，分类结果符合当地实际情况，满足研究需要。遥感影像解译过程参见文献[9]。
1.3 研究方法 1.3.1 土地利用变化分析单一土地利用动态度可以反映研究区一定时间范围内特定土地利用类型的数量变化程度[15-16]，通过分析可以了解某种土地利用类型的结构变化及趋势，其直观地反映某种土地利用变化的幅度和速度，计算公式为：
| $ k = \frac{{\left( {Ub - Ua} \right)}}{{Ua}} \times \frac{1}{T} \times 100\% $ | (1) |
式中：k为研究时段单一土地利用类型的动态度; Ua、Ub分别为研究初期和末期单一土地利用类型的面积(hm2); T为研究时段长度(a)。若k>0，则表示某土地利用类型的面积增加，反之，则为减少。绝对值k的大小表明某土地利用类型变化速度的快慢。
1.3.2 土地生态安全评价1) 评价指标体系建立。本文运用PSR框架模型，在借鉴相关研究[17-19]的基础上，结合数据的可得性，遵循指标选取的科学性、实用性、合理性及完整性等原则，同时充分考虑研究区的生态环境、土地利用/覆被变化特征等实际情况[20]，最终筛选出了相应的指标，构建了包含目标层、准则层、指标层3个层次共计24个指标的研究区土地生态安全评价指标体系(表 1)。
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表 1 叶尔羌河平原绿洲土地生态安全评价指标体系及权重 Table 1 Evaluation indexes and their weights of land ecological security in oasis of Yarkant River Plain |
2) 评价指标数据标准化处理。由于各指标具有不同的测度量级，无可比性，不便于分析甚至会影响评价结果，因此本文采用极差法[21]进行各指标的标准化处理。其计算公式如下：
正向指标：
| $ {y_{ij}} = \frac{{{x_{ij}} - \min ({x_{ij}})}}{{\max ({x_{ij}}) - \min ({x_{ij}})}} $ | (2) |
负向指标：
| $ {y_{ij}} = \frac{{\max ({x_{ij}}) - {x_{ij}}}}{{\max ({x_{ij}}) - \min ({x_{ij}})}} $ | (3) |
式(1)、(2)中：yij为第i年第j个指标的标准值; xij为第i年第j个指标的原始值; max(xij)、min(xij)分别为第j个评价指标的最大值和最小值。其中，i=1, 2, …，m; j= 1, 2, …，n。
3) 评价指标权重确定。目前，确定指标权重的方法有主观赋权法和客观赋权法两种。在对研究区土地生态安全的各指标进行赋权时本文采用客观性较强的熵权法，其将避免评价结果产生主观偏差，能够更客观地反映各指标对研究区土地生态安全状况的影响程度[22]。具体的计算过程为：
定义fij为第j项指标下第i个被评价对象的指标比重，采用公式为：
| $ {f_{ij}} = \frac{{{y_{ij}}}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{y_{ij}}} }} $ | (4) |
式中：n为研究年份，本文为26;j为指标个数，本文为24。
定义Pj为第j项指标的熵值，采用公式为：
| $ {P_j} = - K\sum\limits_{i = 1}^n {{f_{ij}}\ln {f_{ij}}} $ | (5) |
式中：
定义Wj为第j项指标的熵权，采用公式为：
| $ {W_j} = \frac{{1 - {P_j}}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {(1 - {P_j})} }} $ | (6) |
其中：0≤Wj≤1，
如果某个指标的信息熵越小，说明该项指标值的相对变化程度越大，其指标所提供信息的有效性也越大，在综合评价中所起的作用也就越大，故其权重也应越大，反之就越小[23-24]。通过上述步骤，对各项指标进行标准化处理及确定权重(表 1)，以为多指标综合评价提供客观依据。
4) 土地生态安全综合指数计算。本文采用综合评价模型[2, 18, 25]，对研究区的土地生态安全状况进行计算及定量评价。其计算公式为：
| $ {\rm{LES}} = \sum\limits_{j = 1}^n {{y_j}{W_j}} $ | (7) |
式中：LES为研究区土地生态安全的综合值; yj为第j个指标的标准化值; Wj为第j个指标的权重值，其数值越大，说明研究区域生态安全的状况越好，反之，其生态安全状况越差。
根据计算所得的土地生态安全综合值，本文参考前人的相关研究[2, 26-27]，同时结合研究区土地生态安全的实际情况，将土地生态安全综合值(0 ~ 1)设置为5个等级(表 2)，在此基础上进行土地生态安全评价，确定研究区生态安全状态。
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表 2 叶尔羌河平原绿洲土地生态安全等级划分标准 Table 2 Classification criterion of land ecological security in oasis of Yarkant River Plain |
通过对叶尔羌河平原绿洲遥感影像的精确解译，分别得到了研究区1991年、2005年和2016年土地利用空间格局(图 1)、各土地利用类型面积及百分比(表 3)。研究区土地利用程度较低，主要以未利用土地、耕地和草地为主，三者总和占研究区总面积的94.47%。1991—2016年，耕地和建设用地分别以年均4.65%和1.97%的速度增加，分别增长了3.50×105、9.30×103 hm2，其中耕地的增幅最大(116.13%)，建设用地的增幅最小(49.28%); 林地、湿地、草地、水体和未利用地分别以年均1.88%、0.11%、0.36%、0.15%和0.23%的速度减小，分别减少了8.98×104、4.81×102、3.78×104、3.11×103和2.28×105 hm2，减少幅度分别为47.12%、2.87%、9.07%、3.82%和5.79%。综合分析可知，近26 a来人为活动或自然环境变化对耕地的影响最大，其次是建设用地、林地、草地、未利用土地、水体和湿地(从动态度的变化结果中也可以得出同样的结论)[28]。这与研究区的实际情况相符合。首先，叶尔羌河平原绿洲是全疆最大的农业灌区之一，1991—2016年平均农业产值占全疆农业产值的9.50%，占喀什地区农业产值的58.53%;其次，叶尔羌河平原绿洲承载着全流域近95%的人口，其中以从事农业生产活动为主的劳动力占82%，1991—2016年农业生产总值约占农林牧渔业总产值的70.95%，绿洲农业的重要性不言而喻，其中体现出耕地的动态度最大，建设用地次之。由于当今耕地、建设用地的需求不断扩大，这无疑需要以牺牲其他土地利用类型的面积为代价，进而导致林地、草地、未利用土地、水体、湿地的面积减小[9]。
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图 1 叶尔羌河平原绿洲1991年、2005年、2016年土地利用变化 Fig. 1 Land use changes of Yarkant Plain Oasis in 1991, 2005 and 2016 |
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表 3 叶尔羌河平原绿洲1991—2016年土地利用类型变化 Table 3 land use types change of Yarkant River Plain Oasis from 1991 to 2016 |
通过熵权法得出的各指标权重及排序(表 1)，在研究区土地生态安全评价指标体系准则层中，系统压力、系统状态与系统响应的权重分别是0.317 4、0.269 6、0.412 9，表明在这个评价指标体系中响应指标所占的比重最大，是生态安全评价的重要影响因子。从各指标的权重排序可以看出，当年造林面积、固定资产投资、教育事业投资占GDP比重、土地垦殖指数、水利、环境和公共设施管理业投资、人口密度、化肥使用强度对研究区生态安全的影响较大，其权重均大于0.05;地膜使用强度、农作物受灾面积、人口自然增长率对研究区生态安全影响相对较弱，其权重均小于0.01。这与研究区的实际情况相符。近年来，叶尔羌河平原绿洲作为西部大开发与“十三五”对口援疆工作的重点针对区域，大力发展经济，随固定资产投资的增加，科技、教育、水利、环保和公共设施管理业的投入也同步增加。造林面积增加，进一步改善了生态环境; 教育事业投资占GDP的比重增大; 随着绿洲人口的不断增长，开垦面积不断扩大并导致了土地垦殖指数的增大。从而，在叶尔羌河平原绿洲土地生态安全评价体系中，这些指标起了很重要的作用。
2.3 研究区土地生态安全综合评价压力指数、状态指数与响应指数共同决定了叶尔羌河平原绿洲土地生态安全综合指数[26]。由表 4可知，叶尔羌河平原绿洲土地生态安全综合指数大致呈现递增趋势。其中，1991—2012年土地生态安全综合指数呈现先减后增再减又增的反复“W”型变化趋势。1991—2007年土地生态安全等级一直处于风险状态; 2007—2008年土地生态安全综合指数从0.344 7增长为0.408 0，并且土地生态安全等级从危险级上升到敏感级状态。2012—2016年土地生态安全综合指数呈现出“V”型变化趋势，土地生态安全等级仍处于敏感级状态。通过分析可知，研究区土地生态安全至研究期末仍处于敏感级状态，说明研究区生态压力还没得到根本性缓解，其主要原因在于：①人口密度呈现上升趋势。人口密度由1991年的53.69人/km2上升到2016年的86.04人/km2; 人口自然增长率由1988年的12.77‰上升到2016年的16.83‰; ②人地矛盾突出，自然灾害频繁。叶尔羌河平原绿洲虽然土地面积大，但是土地利用程度较低。绿洲人口224.92万，人均耕地面积仅0.167 hm2/人。人均收入虽逐年上升，但叶尔羌河平原绿洲财政收入整体仍处于较低水平。叶尔羌河平原绿洲以农业为主，因化肥使用量较强，生态系统结构简单，非绿洲面积较大，所以生态环境极其脆弱。长期以来，由于人口持续增长，新型城镇化的加速推进以及盲目进行土地开垦等原因，导致大量水、土资源的浪费，光热资源利用效率低，有限的植被资源不断受到破坏，林地、草场大面积的退化萎缩，并引发土壤沙漠化、盐渍化、环境污染等一些列问题，使得研究区土地生态安全仍存在较大的隐患与威胁。2000年以来，随着国家对于西部大开发战略的重视程度不断提高，技术型人才不断引进，对科技、水利、环境和公共设施管理业的投资加大，叶尔羌河平原绿洲的经济呈现出良好的发展趋势，这也是研究区土地生态安全综合指数从2008年以后呈现增长趋势的原因; 另外，2010年召开的中央新疆工作座谈会和2015年召开的第五次全国对口支援新疆工作会议之后，推动了各项事业的快速发展，这一变化表明在政府的政策引导下，研究区土地生态安全正在逐渐改善，所实施的一系列政策计划对于研究区土地生态安全有重要的作用。
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表 4 叶尔羌河平原绿洲土地生态安全综合值 Table 4 Comprehensive values of land ecological security in Yarkant River plain oasis from 1991 to 2016 |
土地生态安全压力指数越小，土地生态安全压力就越大，反之就越小[18]。由表 4可知，研究区压力指数的变化呈现逐年减小的趋势，这说明叶尔羌河平原绿洲的土地生态安全受人类活动的影响很大，土地生态系统面临着严重的冲击与破坏。通过系统压力指标的分析，发现造成这一现象的主要原因是随着绿洲人口的不断增长，开垦面积不断扩大，导致了土地垦殖指数的增大，土地垦殖指数由1991年的9.15%增长为2016年的13.66%;2016年人口密度是1991年的1.6倍，年均增长率达到1.7%;另外，其与化肥的使用强度有密切的关系，这些将导致水土资源污染，土壤盐碱化程度加剧，最终增加了土地生态安全压力。继续实行有效的人口政策，注重控制人口增长，降低土地承载压力，提高人口文化素质，鼓励农牧民发展新型绿色农业，合理施用化肥、农药，减轻对土地资源的污染，以此来进一步改善研究区的土地生态安全状况。
由表 4可以看出，叶尔羌河平原绿洲的状态指数呈现缓慢递增趋势，这表明研究区土地生态系统状态正缓慢趋向好转。这主要是因为在状态层指标中人均粮食产量、在岗职工年均工资量处于不断增长的趋势，1991—2016年人均粮食产量从482 kg增加到774.4 kg，在岗职工年均工资量从2 387.4元增加到72 616.8元。另外，农业机械化水平不断提高，单位耕地面积农业机械总动力由1 156 W/hm2提高至6 882.88 W/hm2，保障了农业的生产效率，并反映出平原绿洲在经济、社会、环境和生态的协调发展。但由于研究区土地生态环境比较脆弱，自然灾害频繁，各年份灾情程度和受灾面积差异较大，一旦受损，恢复困难，因此土地生态环境的改善是一个长期、缓慢的过程，从而研究区状态指数大体呈现缓慢上升的趋势。今后应通过积极开展农村土地整治，规范土地利用活动，不断增加有效土地数量，提高耕地质量，达到改善土地生态环境的目的。
土地生态安全响应指数越大，研究区域抵御生态风险的能力越强，土地生态环境越安全。由表 4可知，叶尔羌河平原绿洲土地生态安全系统的响应指数呈相对平缓的上升趋势，前期发展速度较缓慢，从2006年开始上升速度加快，反映了研究区域环保意识与环保能力在不断增强并对区域社会经济发展起到了很大的作用。近年来，随着西部大开发的进程不断深入，政府的财政调控能力不断增强，对科技、教育事业和环保的投入更加科学合理，对生态环境保护和建设的支持力度增强。由此可知，叶尔羌河平原绿洲解决土地生态安全系统问题的能力也在不断地提高与上升。
3 结论1) 叶尔羌河平原绿洲土地利用类型主要以未利用土地、耕地、草地为主，三者面积之和占总面积的94.47%。1991—2016年除耕地、建设用地面积增大外，其余地类面积均减小，其中耕地动态度最大，建设用地次之，湿地最小。
2) 叶尔羌河平原绿洲土地生态安全综合指数大致呈递增趋势，其中，1991—2007年均处于风险级，2008—2016年土地生态环境状况有所改善，但安全等级处于敏感级，土地生态环境仍较差。
3) 从3个系统的安全指数来看，研究区压力指数呈逐年减小的发展趋势，状态指数和响应指数均出现递增的发展趋势，其中响应指标在土地生态安全评价过程中起重要作用，说明改善叶尔羌河平原绿洲土地生态安全状况，需要加大资金投入力度，加强生态建设与土地利用监督管理，牢固树立土地生态安全的理念，积极开展农村土地整治工作，做好宣传教育，使保护土地生态安全的观念深入人心; 控制人口增长速度，缓解人地矛盾，做到人与土地资源的和谐共处，为实现土地资源生态安全的可持续发展奠定良好的基础。
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