克里雅河流域三生空间演变特征及生态环境效应

The evolution of production-living-ecology spaces and eco- environmental effect in Keriya River Basin

摘要

目的 探讨克里雅河流域土地利用功能转型对生态环境产生的影响。 方法 基于1990、2000、2010、2020 年4期土地利用遥感监测数据，定量分析了克里雅河流域生产、生活和生态功能空间的时空演变特征，以及功能空间相互转移的生态环境效应。 结果 1990~2020 年，克里雅河流域生产空间和生活空间增加，而生态空间减少，土地利用功能转型主要表现为草地生态用地与其他生态用地之间的转化和其他生态用地与农业生产用地之间的转化；1990~2020 年，克里雅河流域生态环境质量指数呈现先减后增的变化趋势。变化较大是中游和下游区；1990~2020 年，其他生态用地转化为草地生态用地和水域生态用地是克里雅河流域生态环境质量提升的主要原因，二者贡献率达97.28%；相反，农业生产用地、草地生态用地和水域生态用地向其他生态用地的转入是流域生态环境质量退化的主要原因，三者贡献率达负的98.50%。人口与经济因素、农业发展因素是克里雅河流域三生空间变化的主要驱动力。 结论 克里雅河流域生态环境质量虽有所好转，但生态环境问题依旧突出，需要加强对农业生产用地、草地生态用地及水域生态用地的治理与保护。

Abstract

Objective The study aimed to explore the impact of land use transformation on ecological environment in the Keriya River Basin. Method Based on four periods of land use remote sensing monitoring data in 1990，2000，2010 and 2020，The spatial and temporal evolution characteristics of production，living and ecological function spaces in the Keriya River Basin and the eco-environment effect of function space transfer were quantitatively analyzed. Result From 1990 to 2020，the production and living space in the Keriya River Basin increased and the ecological space decreased，and the transformation of land use functions was mainly manifested by the transformations between grassland and other ecological land，and between other ecological land and agricultural production land.From 1990 to 2020，the ecological environmental quality index in the Keriya River Basin showed a downward trend firstly and then a upward trend.The biggest change occurred in the midstream and downstream areas.From 1990 to 2020，the improvement of the ecological environment quality in the Keriya River basin could be mainly attributed to the transformation of other ecological land into the grassland and the water ecological land，and the contribution of both reached 97.28%.On the contrary，the conversion of agricultural production land，grassland ecological land and water ecological land to the other ecological lands was the main reason for the deterioration of ecological environment quality in the basin，and the contribution rate of the three was 98.50%.Population，economic factors and agricultural development factors were the direct driving forces for the change of Production-Living-Ecology spaces in the Keriya River basin. Conclusion Although the eco-environmental quality of Keriya River basin has improved，the eco-environmental problems are still serious and it is necessary to strengthen the governance and protection of agricultural production land，grassland ecological land and water ecological land.

Graphical abstract

关键词

三生空间 / 克里雅河流域 / 生态环境效应 / 驱动力分析

Key words

production-living-ecology space / the Keriya River Basin / eco-environment effect / driving force analysis

Author summay

木尔阿地力·阿不力孜，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

三生空间一般是指生产空间、生活空间和生态空间，其中，生产空间是指承载人类一切生产活动的特定功能区；生活空间是为人们日常生活提供居住、消费和休闲娱乐的场合；生态空间是具有生态保护功能的，给人类提供生态产品及服务的地域空间^［1］。从以往的研究成果来看，研究内容主要围绕三生空间分类^［2-3］、格局演变^［4-5］、空间功能转型与生态环境效应^［6-8］、三生空间优化^［9-10］等展开。研究尺度从国家^［11-12］、省域^［13-14］等宏观尺度逐步向流域^［15-16］、县域^［17-18］、城镇^［19-20］等微观尺度转变；研究方法从单一的理论研究^［21-22］逐步向理论与实证相结合的方向发展^［23-24］。

流域作为集经济、社会和生态要素于一体的复合系统，具有生产、生活和生态功能^［25］。近年来，学者在对不同流域三生空间演化研究中发现，不少流域出现生产、生活空间增加，生态空间减少的趋势，这在一定程度上威胁了流域的健康和可持续发展^［26］。不同区域生态环境背景不同，三生空间演化的生态环境效益也不同。对于水资源严重短缺、生态环境脆弱的塔里木盆地南缘地区，其流域三生空间的演化带来的生态环境效应可能与其他地区有所差异。克里雅河是我国西北干旱区塔里木盆地内重要的河流之一，发源于昆仑山，流经和田地区于田县，为县内人类生活、生产活动，以及动植物的生存和生长提供重要的水资源保障。近年来，在人类活动影响下，克里雅河流域内出现了地下水位下降、土壤盐渍化、生物多样性降低等一系列生态环境问题^［27］。以往克里雅河流域生态环境相关研究包括土地利用/覆被变化^［28］、气候与径流变化^［29］、土壤盐渍化监测^［30］以及生态系统服务价值变化^［31］等，而未见从三生空间视角下的空间功能演化相关研究。因此，在对国内外相关研究进行整理的基础上，本研究对克里雅河流域内生产、生活和生态空间的演化以及在这种演化下的生态环境质量变化进行研究，以期为克里雅河流域及塔里木盆地南缘的国土空间优化提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

克里雅河流域位于中昆仑山北麓、塔里木盆地南缘于田县境内，东以民丰县为界，南与西藏自治区改则县相连，西与策勒县相邻，北临塔克拉玛干大沙漠（图1）。地势南高北低，河水自南向北贯穿山区和于田县绿洲后，最后流入塔克拉玛干沙漠腹地，全长466 km，东西宽30~120 km，多年平均气温9.53 ℃。克里雅河由12条支流汇合而成，属于高山冰雪消融水补给为主的常年性河流，年径流量为7.272亿m³，河水流量相对稳定。克里雅河作为于田县境内主要的水资源来源，对维持社会和生态环境的生存起着重要的作用。

1.2 数据来源

克里雅河流域1990 年、2000 年、2010 年、2020 年4期的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：∥www.resdc.cn/），该数据以Landsat TM和ETM+为主要信息源解译完成，空间分辨率为30 m×30 m。按照土地利用分类标准，结合克里雅河流域自身土地利用功能情况分为生产、生活、生态3个一级用地类型，以及城镇生活用地、农村生活用地、农业生产用地、工业生产用地、林地生态用地、草地生态用地、水域生态用地、湿地生态用地、其他生态用地9个二级用地类型（表1）。驱动力分析所需气象数据包括降水和气温，数据来源为国家气象科学数据中心（www.nmic.cn）。社会经济统计数据从新疆统计年鉴（1991~2021年）获取。

1.3 研究方法

1.3.1 三生空间转型分析

在ArcGIS10.4中对原来的数据进行重分类后，利用土地利用转移矩阵分析了三生空间转型特征，转移矩阵表达式为：

{\mathrm{A}}_{\mathrm{i}\mathrm{j}}=\left[\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{11}}\\ A_{\mathrm{21}}\\ ⋮\\ A_{n\mathrm{1}}\end{array}\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{12}}\\ A_{\mathrm{22}}\\ ⋮\\ A_{n\mathrm{2}}\end{array}\begin{array}{c}\cdots \\ \cdots \\ \cdots \\ \cdots \end{array}\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{1}n}\\ A_{\mathrm{2}n}\\ ⋮\\ A_{nn}\end{array}\right]（1）

式中：A表示流域某一地类面积；n表示转移前和转移后的土地利用类型数；i、j（i=1，2，…；j=1，2）分别研究初期和末期的土地利用类型；A_{ij}表示转移前的i地类转换成转移后的j地类的面积。

1.3.2 生态环境效应评估模型

从生态环境质量指数和三生空间转型的生态贡献率两方面分析克里雅河流域三生空间转型的生态环境效应。对于三生空间用地类型的生态环境质量指数参考了李晓文等^［32］、帕茹克·吾斯曼江等^［33］的研究，在此基础上通过专家打分和访谈等方式对研究区的相关指数进行了修正，最后确定出克里雅河流域三生空间用地类型生态环境质量指数，见表1。

1.3.2.1 生态环境质量综合指数

在确定每个空间类型的生态环境质量指数的基础上，利用以下公式计算区域生态环境质量综合指数^［34］：

E{V}_t={\sum }_{i=\mathrm{1}}^N\frac{A_{ki}}{A_k}{R}_i（2）

式中：E{V}_t为生态环境质量指数，数值范围0~100；A_{ki}为区域t时期第i种国土空间类型面积（km²）；A_k为区域总面积（km²）；R_i为第i种国土空间类型的生态环境质量指数；N为区域国土空间类型的数量。

1.3.2.2 生态环境质量空间插值

本文使用网格法对流域进行等间距采样，并利用克里金法对样本点的生态环境质量指数进行空间插值，得到流域生态环境质量空间分布情况。在ArcGIS软件中自然间隔断点法的基础上结合流域实际情况，把研究区域分成5个生态环境质量等级区^［35］。即低质量区（E{V}_t<0.016）、较低质量区（0.016<E{V}_t<0.037）、中质量区（0.037<E{V}_t<0.060）、较高质量区（0.060<E{V}_t<0.084）、高质量区（E{V}_t>0.084）。

1.3.2.3 三生空间转型的生态贡献率

生态贡献率是指三生空间在转移过程中对区域生态环境质量的影响程度^［36-37］，其表达式为：

LEI= （L{E}_{\mathrm{t}+\mathrm{1}}-L{E}_t）LA/TA（3）

式中：LEI为土地利用功能转型的生态贡献率；L{E}_{\mathrm{t}+\mathrm{1}}、L{E}_{\mathrm{t}}分别为某种土地利用变化类型所反映的变化初期和末期土地利用类型所具有生态质量指数；LA为该变化类型的面积；TA为区域总面积。

2 结果与分析

2.1 三生空间时空变化特征

由图2可以看出，克里雅河流域三生空间中生态用地面积最大，占总面积90%以上；其次为生产用地，大于5%；生活用地面积最少，不足1%。生态空间中，各类生态用地所占比例大小为：其他生态用地>草地生态用地>水域生态用地>林地生态用地>湿地生态用地。生产空间中，农村生产用地大于工业生产用地，占总生产空间面积98%以上。生活空间中，农村生活用地远大于城镇生活用地。

从三生空间总体面积变化来看，1990~2020年间克里雅河流域生产及生活用地面积持续增加，生态用地面积不断减少。其中，农业生产用地、工业生产用地、城镇生活用地、其他生态用地面积显著增加，而农村生活用地、草地生态用地、水域生态用地、林地生态用地、湿地生态用地面积显著减少（表2）。1990~2020 年农业生产用地增加了328.92 km²，工业生产用地增加了5.42 km²。1990~2020 年城镇生活用地增加了2.52 km²，而农村生活用地减少了33.32 km²，反映了土地城市化发展趋势。在生态用地中，草地生态用地、水域生态用地、林地生态用地、湿地生态用地呈减少趋势，分别减少了2 597.85、970.05、28.38、15.9 km²，而其他生态用地面积不断增加。

从三生空间转型变化来看，1990~2020 年间农业生产用地、城镇生活用地、水域生态用地、农村生活用地、草地生态用地变化率较高，分别为98.89%/a、84.46%/a、62.84%/a、57.23%/a、24.57%/a。与其他年份相比，在2000~2010 年各类空间类型转移率较高，与1990~2000 年相比，农业生产用地增加了16.12%/a，城镇生活用地变化率增加了43.59%/a，草地生态用地及水域生态用地变化率分别增加了22.62%/a和62.82%/a。

2.2 三生空间转移特征

为深入观察三生空间的内部转换，利用ArcGIS软件对4期土地利用数据进行空间叠加运算，得到了1990~2000 年、2000~2010 年、2010~2020 年、1990~2020 年转移矩阵（图3），明确了克里雅河流域土地利用功能转移方向与数量。从空间功能转型方向来看（表3），农业生产用地主要转入类型为草地生态用地及其他生态用地，虽然有一小部分转出面积，但面积较小。在生活空间中，城镇生活用地主要从农业生产用地转入，农村生活用地除转出为城镇生活用地，还有一部分转出为农业生产用地。生态空间中，大量草地生态用地和其他生态用地相互转移较明显，尤其草地转出为其他生态用地的面积远大于转入面积，反映着生态用地中较明显的草地退化趋势。此外，水域生态用地大面积向草地生态用地和其他生态用地转移，林地生态用地和湿地生态用地不断向草地生态用地转移。

2.3 生态环境质量变化特征

从克里雅河流域生态环境质量空间分布图来看（图4），1990~2020 年高质量区主要分布在克里雅河流域中部、南部及北部达里雅布依绿洲附近。中质量区主要分布在南部昆仑山附近，低质量区主要分布在流域北部和东部区域。从空间变化上来看，1990~2000 年，中部较高质量区面积小幅度扩张，其主要原因是其他生态用地向农业生产用地转移。2000~2010 年，中部高质量区大幅度缩小，原因是草地生态用地向其他生态用地转移、水域生态用地向农业生产用地和其他生态用地转移、湿地向草地生态用地转移。与此同时，研究区南部高质量区不断扩大，其原因是低质量的其他生态用地向高质量的草地生态用地转移。2010~2020 年，中部较低质量区小幅度增加，高质量区减少，其原因为农业生产用地向其他生态用地转移。

通过公式（2）计算得出克里雅河流域1990、2000、2010、2020年生态环境质量指数分别为0.162、0.160、0.120和0.121，总体呈现先减后增趋势。其中，生产空间生态环境质量指数持续增长，而生活和生态空间生态环境质量指数持续下降。在生态空间中，水域生态用地生态环境质量指数变化最大，从1990 年0.024 7下降到2020年0.009 2，其次分别为草地生态用地从0.114 6下降到0.086 4、林地生态用地从0.003 8下降到0.003 3和湿地生态用地从0.002 6下降到0.002 4。生产空间中，农业生产用地生态环境质量指数从0.002 1增长到0.004 2。生活空间中，农村生活用地从0.000 3下降到0.000 1。

2.4 三生空间转型对生态环境的影响

为了进一步揭示克里雅河流域各功能空间转型对区域生态环境质量的影响，根据公式（3）计算了生态贡献率（表4）。结果表明，1990~2000 年，草地生态用地转为湿地生态用地和其他生态用地转为水域生态用地是流域生态环境质量改善的主要原因，贡献率分别为33.86%、31.31%。相反，草地生态用地转为其他生态用地和农业生产用地是导致生态环境质量恶化的主要原因，贡献率分别为负的79.54%和12.63%。2000~2010 年，其他生态用地转为草地生态用地是生态环境质量改善的主要原因，贡献率为96.67%。相反，草地生态用地、水域生态用地转为其他生态用地是流域生态环境质量恶化的主要原因，贡献率分别为-85.90%和-11.72%。总体来看，该阶段空间功能转型的生态环境负效应大于正效应，生态环境质量持续下降。2010~2020 年，其他生态用地转成农业生产用地的贡献率上升48.67%，很大程度改善了流域生态环境质量。

总体来讲，1990~2020年其他生态用地转化为草地生态用地和水域生态用地是克里雅河生态环境质量提升的主要原因，二者贡献率达97.28%。相反，农业生产用地、草地生态用地和水域生态用地向其他生态用地的转入是流域生态环境质量恶化的主要原因，三者贡献率达负的98.50%。总体上，研究时段内克里雅河流域三生空间转移的生态环境负效应大于正效应。

2.5 驱动因素分析

2.5.1 自然因素

众多研究表明，气候因子中气温和降水是绿洲土地空间演化最主要的自然驱动因子，因此本研究在自然驱动因子中分析了克里雅河流域1990~2020 年的气温和降水变化趋势（图5）。结果表明，在1990~2020 年克里雅河流域气候具有暖干趋势。其中，气温以0.25 ℃/a的变化率显著增加，降水以0.76 mm/a 的速率缓慢减少。气候变化直接影响生态空间。在短时间内受气候暖干变化影响较大的是草地生态空间。研究时期内有大面积的草地生态空间转出为未利用地等其他生态空间，这可能是由气候变化引起的。

2.5.2 人为因素

在人为驱动因素中选取以下11个因子进行主成分分析，分别为：X₁国内生产总值（亿元）、X₂第一产业增加值（亿元）、X₃第二产业增加值（亿元）、X₄第三产业增加值（亿元）、X₅人口（万人）、X₆城镇人口（万人）、X₇乡村人口（万人）、X₈农业总产值（万元）、X₉总播种面积（khm²）、X₁₀粮食作物产量（t）、X₁₁社会商品零售总额（万元）。在SPSS软件中进行主成分分析得到各因子方差贡献及累计贡献率，经Bartlett球体检验，显著性概率为0，检验样本KMO系数为0.66，效果较好。按照特征值大于1以及累积贡献率大于85%的原则提取因子，前2个主成分方差贡献率分别为77.72%和13.79%，累积贡献率大于80%，特征值分别为9.326和1.655，方差极大化旋转后前2个主成分在各变量上的载荷见表5。由表5可见，第一主成分在国内生产总值、第一产业、第二产业、第三产业、人口、城镇人口、农村人口、农业总产值、社会商品零售总额等指标上载荷较大，可概括为人口与经济因子。第二主成分在总播种面积和粮食作物产量上载荷较大，概括为农业发展因子。

人口与经济因子直接影响生活空间，因此对第一主成分中的各因子与生活空间变化进行相关性分析。结果显示，国内生产总值、人口等因子与生活空间相关性较大，相关系数分别为0.956和0.961。第二主成分中，总播种面积和粮食作物产量与农业生产空间相关性较大，尤其粮食作物产量与农业生产空间相关性最大，相关系数为0.974。可见，国内生产总值、人口数量、粮食作物产量等是克里雅河流域生活和生产空间增加的主要驱动力。在这些人为驱动因素影响下，流域生活和生产空间扩大，占据了生态空间，进而降低了生态环境质量。

3 讨论

本研究在参考以往相关研究的基础上，基于LUCC数据对克里雅河流域三生空间变化及其生态环境效应进行研究。研究时期内克里雅河流域生产和生活空间持续增加，而生态空间持续减少，相似的变化趋势在我国西北干旱区其他流域中也被发现^［38］。在克里雅河流域生态空间中低覆盖度草地生态空间和水域生态空间变化较大，该结果与克里雅河流域其他研究结果一致^［27-28］。1990~2020 年间克里雅河流域气候具有暖干变化趋势，其中，气温增加趋势比较显著，这种变化会加快上游冰川融化的速度，进而增加地表径流量。地表径流的增加有利于流域内植被的生长，对于生态空间的扩张是有利的，然而在研究时期内流域生态空间减少。一方面，随着人口增加、经济快速发展、粮食需求量增加，流域内生活空间和生产空间增加，占用了越来越多的生态空间，导致生态空间减少；另一方面，随着生产和生活空间的增加，农业生产用水和生活用水量增加，而生态用水减少，导致生态空间退缩。生态空间的退缩，尤其是那些对环境变化敏感的低覆盖草地生态空间的退化导致了克里雅河流域生态环境质量的下降。虽然研究时期内降水表现增加趋势，但是在塔里木盆地南缘地区降水量远远低于地表蒸发量，因此降水的增加对生态空间的影响极小。这种变化在人类活动强度最大的中游最明显，进一步证明人类活动是该流域三生空间演化的主要驱动力，在这种驱动力下流域生态环境质量在恶化。因此，合理规划流域三生空间是改善流域生态环境质量，实现可持续发展的必经之路。

本研究在三生空间分类时主要参考了已有的相关研究方法，基本符合研究区的实际情况。不同的三生空间分类方法可能对研究结果有较大影响，因此在以后的研究中还需要对三生空间进行更加详细的分类，探索更科学的符合旱区流域的三生空间分类体系。对于三生空间变化下的生态环境质量评价，还可以从生态系统服务功能等方面进一步探索和证明。

4 结论

1） 在三生空间时空演变方面，研究期内流域生产、生活空间增加，生态空间减少，生产空间与生态空间的相互转化是流域空间格局演变的主要类型。从二级分类看，研究期内流域主要以农业生产用地、其他生态用地面积增加，草地生态用地、水域生态用地面积减少为主；在土地利用功能转型方面，转出面积最大的为草地生态用地，而转入面积最大的为其他生态用地。

2） 在三生空间生态环境质量方面，研究期内流域生态环境质量空间分布差异显著，高值区主要集中在克里雅河流域中部、南部及北部达里雅布依绿洲附近，而低值区主要分布在流域北部和东部区域。此外，克里雅河流域生态环境质量变化表现为高质量区大幅度向低质量区转移，低质量区小幅度向较低质量区转移。

3） 在三生空间生态环境效应方面，研究期内流域同时存在生态改善和恶化两种趋势，其中其他生态用地向草地及水域生态用地转出是生态环境改善的主导因素。相反，农业生产空间、草地生态空间地和水域生态空间向其他生态空间的转入是流域生态环境质量退化的主要原因。

4） 驱动力分析结果表明，在人口、经济和农业发展因子等人为驱动影响下克里雅河流域三生空间发生了显著变化，进而影响了生态环境质量。气候的暖干变化趋势对流域三生空间的影响不显著。

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基金资助

国家自然科学基金联合重点支持项目(U1703237)