基于GIS的天山北坡荒漠綠洲景觀格局變化的研究
——以新疆巴里坤哈薩克自治縣為例

李小鋒，郭正剛，劉秀梅

（1．蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅 蘭州730000；2．新疆巴里坤草原工作站，新疆 巴里坤839200；3．新疆哈密地區(qū)草原站，新疆 哈密839000）

土地利用變化必然引起區(qū)域內(nèi)景觀格局的聯(lián)動反應，分析特定地域不同時相的景觀格局，可明晰景觀格局變化特征與相關(guān)生態(tài)過程，解析景觀結(jié)構(gòu)變化內(nèi)在機制［1－2］。國家政策和各類生態(tài)工程均能引起土地利用格局的變化，因此研究景觀格局變化特征是評價國家政策或生態(tài)工程績效的重要方面，也是景觀生態(tài)學的研究熱點之一［3－4］。我國自20世紀80年代初期開始景觀生態(tài)學的研究，經(jīng)過近30年的工作積累，研究內(nèi)容已從過去景觀生態(tài)學研究內(nèi)容的描述，景觀格局自身特征的分析，逐漸演變到景觀格局和土地利用關(guān)系的研究。龍花樓和李秀彬［5］研究了長江沿線樣帶景觀格局的變化特征，詮釋了不同地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展程度必將引起土地利用結(jié)構(gòu)的巨大差異。郭濼等［6］研究了地形對山地森林景觀的影響及響應尺度，李勝男等［7］分析了三江平原地區(qū)濕地景觀變化及其對水文過程的影響，黎夏等［8］和王雪等［9］全面分析了海濱紅樹林的變化特征和城市景觀格局，這些研究均為平原地區(qū)自然資源保護和城市的健康發(fā)展提供了一定的對策。

荒漠綠洲是我國西北干旱內(nèi)陸地區(qū)特有的土地類型，常常被戈壁、沙漠和大山等分隔包圍，綠洲是荒漠生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，它的變化決定荒漠生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化。而荒漠綠洲的生態(tài)環(huán)境十分脆弱，其景觀格局更容易受到土地利用政策或生態(tài)工程的干擾，特別是綠洲對區(qū)域水土資源開發(fā)利用的響應尤為強烈，而景觀格局的變化將改變當?shù)鼐幼≌呱婧桶l(fā)展的基質(zhì)［10－11］。然而，目前關(guān)于荒漠綠洲景觀格局的變化研究相對較少。因此本研究以天山北坡荒漠綠洲地區(qū)的巴里坤哈薩克自治縣（巴里坤縣）為對象，采用遙感和GIS方法，分析天山北坡荒漠綠洲景觀格局變化，為當?shù)亓饔蛏鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)及荒漠綠洲區(qū)的土地資源合理開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆巴里坤縣位于新疆東北部，天山山脈東段與東準噶爾斷塊山系之間的荒漠草原上（91°19′30″～94°48′30″E、43°21′～45°5′19″N），總面積3 688 651．39hm2，地形復雜，東南高，西北低，海拔高度在500～4 000m。年平均氣溫1．0℃，極端最高氣溫42℃（7、8月），極端最低氣溫－43．6℃（12月）。年平均日照時數(shù)3 213．1h，≥10℃的積溫1 735．0 ℃·d，無霜期102d。年平均降水量203．0mm，年平均蒸發(fā)量1 621．7mm。境內(nèi)有巴里坤山、北山、阿爾泰山余脈相互平行對峙，呈三山夾兩個盆地的地貌。特殊地形和海拔高度差孕育了復雜多樣的氣候特點，植被和土壤地帶性變化明顯，在發(fā)源于天山北麓巴里坤河的貫穿下，形成了干旱荒漠背景下的特殊荒漠－綠洲景觀［12］。近年來由于人口的劇增、開墾活動的加強，特別是天山北坡修建的柳條河水庫、望海水庫和大柳溝水庫投入使用，使巴里坤河徑流量減少，流域內(nèi)地下水位下降，中下游地區(qū)植被逐漸退化，原本脆弱的荒漠綠洲景觀在較小時間尺度上空間結(jié)構(gòu)、功能、分布均發(fā)生了一定的變化，但原有的土地利用結(jié)構(gòu)逐漸滯后于環(huán)境的變化，一系列生態(tài)問題凸顯。

2 數(shù)據(jù)和方法

2．1 數(shù)據(jù)來源及預處理 數(shù)據(jù)源為2000年7月26日和2007年7月28日的Landsat－TM影像，其空間分辨率為30m，原始數(shù)據(jù)由中國科學院地理科學與資源研究所資源數(shù)據(jù)中心提供，二期影像云霧覆蓋度都較小。2002年的巴里坤縣土地利用現(xiàn)狀圖（1∶10萬）、1982年的草地資源類型圖（1∶20萬）和草地利用現(xiàn)狀圖（1∶20萬）等資料作為輔助材料。

本研究利用ERDAS 7．0軟件對影像進行預處理，包括波段優(yōu)化組合（Landsat－TM 的 Band3、Band4和Band5進行假彩色合成）、幾何校正、圖像增強處理等。

2．2 研究方法

2．2．1 景觀分類 目前景觀分類的分類體系較多，其依據(jù)主要為人類影響強度、土地利用方式、自然度以及植被類型或地貌特征［13］。本研究參照中國科學院“國家資源與環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)研究”中的土地資源分類系統(tǒng)，結(jié)合巴里坤縣荒漠綠洲景觀特點，按照一級分類標準將其分為6個類別，主要包括草地、林地、耕地、水域、居民及工礦用地和未利用地［14］。

本研究根據(jù)解譯標志以及各種輔助資料對預處理后的TM影像進行內(nèi)業(yè)初步解譯，勾繪景觀類型圖初圖，然后采用外業(yè)調(diào)查核查景觀類型，對圖像上難以辨別的景觀類型及其邊界進行定點核查，共完成核查點60個。在外業(yè)核查的基礎(chǔ)上，內(nèi)業(yè)進一步修改初步解譯勾繪景觀初圖，最終景觀類型圖正確度達到86%，確定各景觀類型邊界，獲取景觀類型空間和屬性信息，建立GIS數(shù)據(jù)庫，運用ArcGIS 9．3軟件完成各景觀類型圖的疊加，獲得巴里坤縣荒漠綠洲景觀圖。然后運用ArcGIS 9．3軟件的Arc／INFO、ArcVIEW模塊對影像進行處理后，再利用景觀格局分析軟件FRAGSTATS 3．3獲得各類景觀參數(shù)。

2．2．2 景觀格局分析指標 選擇景觀多樣性指數(shù)、景觀空間構(gòu)型指數(shù)、斑塊特征指數(shù)，定量分析研究區(qū)荒漠綠洲景觀格局特征［15－18］。

1）景觀多樣性指數(shù)，包括多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)3個指標。

多樣性指數(shù)（SHDI）的大小主要反映景觀要素的多少和各景觀要素所占比例的變化情況，其計算公式為：

式中，Pi表示第i類斑塊面積占景觀總面積的比例；m為研究區(qū)景觀所有斑塊體的類型總數(shù)。

優(yōu)勢度指數(shù)（PLAND）所表示的意義是景觀由少數(shù)幾個主要景觀類型控制的程度，其計算公式為：

式中，i表示斑塊類型；j表示斑塊的數(shù)目；aij表示第i類斑塊中第j個的面積；A為總的景觀面積。

均勻度指數(shù)（SHEI）主要反映景觀受到一種或少數(shù)幾種優(yōu)勢拼塊景觀景觀類型所支配，其計算公式為：

2）景觀空間構(gòu)型指數(shù)，包括景觀破碎度和景觀形狀指數(shù)2個指標。

景觀破碎度（LCI）指景觀被分割的破碎化程度，其計算公式為：

式中，ni為i景觀的斑塊數(shù)；αj為i景觀的總面積。

景觀形狀指數(shù)（LSI）通過計算某一景觀類型的圖斑周長與同面積圓周長的比值，來測定該類景觀形狀的復雜程度，其計算公式為：

式中，Pi為i景觀類型斑塊周長；a為斑塊面積。

3）斑塊特征指數(shù)，主要包括景觀穩(wěn)定性指數(shù)和分維數(shù)2個指標。

穩(wěn)定性指數(shù)（SK）主要反映景觀類型的穩(wěn)定程度，其值越大，表明該類景觀越穩(wěn)定。計算公式為：

景觀分維數(shù)（FD），主要反映景觀斑塊空間形狀的復雜程度或斑塊形狀影響內(nèi)部斑塊的生態(tài)過程。計算公式為：

式中，P為斑塊周長；n為斑塊面積；K為常數(shù)（對于單個正方形斑塊K＝4）。

3 結(jié)果

3．1 不同景觀類型面積的變化 2000年和2007年，巴里坤縣土地利用方式中均以未利用地和草地面積最大，其次是林地和耕地，次之為水域，而居民及工礦用地面積最小，說明巴里坤哈薩克自治縣8年內(nèi)景觀格局的主體沒有發(fā)生明顯的變化，但各種景觀類型的絕對面積有所變化。2000－2007年間，草地景觀面積減少14 566．72hm2，占總面積的0．90%；水域景觀面積減少623．42hm2，占總面積的5．93%；未利用地、耕地、林地和居民及工礦用地面積呈增加局勢，分別增加9 397．30、3 090．15、259．57和2 443．12hm2，分別占總面積的0．56%、0．49%、0．08%和70．94%。

3．2 景觀多樣性指數(shù)的變化 巴里坤縣景觀多樣性指數(shù)2000年為0．74，2007年為0．80（圖1），說明景觀多樣性有所增加，但6類景觀在2000年和2007年均有分布，各類景觀類型面積和斑塊數(shù)量差異較大，斑塊數(shù)量由2000年的191個增加到2007年的241個，說明景觀整體異質(zhì)性增加。景觀均勻度指數(shù)也呈現(xiàn)增加的趨勢，2000年為0．346 7，2007年為0．395 7，說明景觀各組成成分分配均勻程度在增加，景觀各個類型所占比例向協(xié)調(diào)均衡的方向發(fā)展。2000年和2007年的景觀優(yōu)勢度均以草地和未利用土地最大（表1），而居民及工廠用地最小，說明巴里坤縣景觀類型表現(xiàn)為個別景觀類型控制整體景觀。

圖1 巴里坤縣荒漠綠洲景觀多樣性的變化Fig．1 Changes of landscape diversity index in the desert－oasis region of Kazakh Autonomous County

表1 2000和2007年巴里坤縣荒漠綠洲景觀優(yōu)勢度指數(shù)和形狀指數(shù)的變化Table 1 Comparison of landscape dominant index and shape index in the desert－oasis region of Kazakh Autonomous County in 2000and 2007

3．3 景觀空間構(gòu)型指數(shù)的變化 巴里坤縣荒漠綠洲各景觀類型形狀指數(shù)相對較大（表1），說明各景觀斑塊形狀極不規(guī)則，在過去8年間各個景觀類型變化不盡一致，表現(xiàn)為耕地和居民及工礦用地的形狀指數(shù)減小，草地、林地、未利用地和水域增加。2000年到2007年巴里坤縣各景觀類型破碎度出現(xiàn)分異（圖2），草地、林地、未利用地和水域破碎度均有所增加，其中草地增加最大，從2000年的8．401 2到2007年的9．404 4，說明草地是人為因素影響最頻繁的區(qū)域；而耕地和居民及工礦用地破碎度降低，從2000年的9．000 0和6．848 5減小到2007年的8．472 4和6．324 5（表1）。

3．4 斑塊特征指數(shù)的變化 分維數(shù)反映的是整體景觀的復雜程度，其值越大，說明景觀形狀越復雜。巴里坤縣2000年和2007年的景觀平均分維數(shù)除水域和居民及工礦用地斑塊分維數(shù)較?。ǚ謩e為1．024 1和1．049 9）外，其他景觀類型平均分維數(shù)均接近1．1（表2），景觀類型斑塊形狀較復雜，說明各景觀類型受人類活動的干擾程度較大。在8年時間內(nèi)，水域、耕地、林地和未利用地景觀的分維數(shù)呈增大趨勢，而草地和居民及工礦用地景觀分維數(shù)呈減小趨勢。各景觀要素結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性程度依次為：居民及工礦用地＞水域＞耕地＞林地＞草地＞未利用地，說明居民及工礦用地是最穩(wěn)定的景觀類型，水域、耕地和林地是相對穩(wěn)定的景觀類型，未利用地與草地相對其他景觀類型來說是最不穩(wěn)定的類型。

圖2 巴里坤縣荒漠綠洲景觀優(yōu)破碎度的變化Fig．2 Changes of landscape fragmentation index in the desert－oasis region of Kazakh Autonomous County

表2 2000和2007年巴里坤荒漠綠洲景觀分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)的變化Table 2 Comparison of landscape cent dimension and stability index in the desert－oasis region of Kazakh Autonomous County in 2000and 2007

4 討論

土地景觀類型格局及其變化往往受各種政策、工程措施以及利用方式的影響，其一般通過某一景觀類型面積的增加或減少來適應當?shù)鼐幼≌叩男滦枨?，也反映了當?shù)鼐幼≌咴谀骋欢螘r間內(nèi)對土地利用格局的需求。新疆巴里坤縣是新疆天山北坡荒漠綠洲的典型代表區(qū)域，其景觀類型的變化特征能夠基本映射出天山北坡土地景觀格局的整體變化趨勢和過程。本研究表明，2000－2007年巴里坤縣荒漠綠洲的主要景觀類型是未利用地和草地，雖然其絕對數(shù)量有所增加或減少，而景觀的主體并沒有發(fā)生顯著的改變，這和精河縣［19］景觀變化基本一致，說明目前新疆天山地區(qū)土地利用政策仍然堅持以區(qū)域微調(diào)為主，沒有發(fā)生根本性的變化。草地景觀主要是由天然荒漠草地和未利用地組成，形成其主體景觀基質(zhì)，是荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)干擾最為頻繁的景觀類型［20］，而林地、耕地、水域以及居民和工礦用地等類景觀鑲嵌其中，形成相間分布的格局。

景觀多樣性反映某一區(qū)域內(nèi)景觀要素的類型數(shù)和各個景觀要素占據(jù)總土地面積的比例，但某一區(qū)域內(nèi)為單一景觀要素時，其多樣性最低，而當2個以上景觀要素時，此時如果各個景觀要素所占比例相等，則景觀多樣性最大［9］。本研究表明，巴里坤縣從2000年到2007年間的景觀多樣性和均勻性指數(shù)均增加，但景觀類型并沒有顯著變化，說明景觀要素所占據(jù)土地面積的比例逐漸向均分水平演變，其主要原因是牧民定居工程和城鎮(zhèn)化建設(shè)所致［19］，這兩項工程使原來占據(jù)主導地位的草地景觀類型和未利用土地類型通過流轉(zhuǎn)調(diào)整的方式向居民建設(shè)用地轉(zhuǎn)變，居民居住地更加集中連片，而草地和未利用土地出現(xiàn)更多的版塊，從而使其破碎度有所增加，而耕地和居民及工礦用地景觀斑塊數(shù)目減少。

當?shù)亟?jīng)濟建設(shè)和發(fā)展增加了土地開發(fā)利用強度，特別是未利用土地景觀類型，使巴里坤縣景觀斑塊密度、破碎度和面積加權(quán)形狀指數(shù)增大，斑塊間的最鄰近距離趨于減小，出現(xiàn)不同類型斑塊團聚的現(xiàn)象，同類斑塊連接性相對減小，這和長江沿線經(jīng)濟開發(fā)對土地利用格局的影響具有本質(zhì)上的趨同［5］。景觀類型斑塊數(shù)的變化不僅受當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展水平的影響，更與氣候變化相關(guān)。巴里坤內(nèi)陸河流域原來支流數(shù)目眾多，河流徑流量的季節(jié)變化及其河道游移變遷，均影響沿河兩岸分布的主要景觀類型斑塊數(shù)［2］，特別是草地景觀類型的斑塊數(shù)和耕地斑塊數(shù)更是復雜多變，地下水充裕時草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，而地下水干枯時耕地因棄耕而演變?yōu)椴莸?，且這些草地的承載力隨著區(qū)域降水而發(fā)生變化，結(jié)果導致草地向其他土地利用類型轉(zhuǎn)變［21］，從景觀類型劃分要么為未利用土地，要么轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)工地［22］。

國家退牧還草和牧民定居等生態(tài)工程簡化了草地和居民及工礦用地的斑塊形狀，其本質(zhì)在于改變了游牧文化所蘊含的草地利用方式［23］，促進草原畜牧業(yè)從粗放向集約化轉(zhuǎn)型，但是由于工程措施的強制性和地下水位連續(xù)變化的影響，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的改變，特別是沖積平原區(qū)，居民居住點增加，灌溉量增大，加之地下水位較淺，土壤鹽漬化逐漸嚴重。導致耕地、林地、草地和未利用地等幾種景觀類型分維數(shù)的增加，星羅棋布的鹽漬化斑塊鑲嵌在各種景觀類型中，這種因人為活動造成的地表景觀分異過程對景觀類型的穩(wěn)定性具有一定的影響，主要是不同景觀類型土地適應土地鹽漬化的能力有所差異，整體表現(xiàn)為耕地、林地和草地穩(wěn)定性減小，呈現(xiàn)向其他景觀類型轉(zhuǎn)變的趨勢，這和劉新春等［20］在新疆阜康縣取得的結(jié)果趨同，即我國內(nèi)陸干旱地區(qū)地下水位的變化影響了土壤水鹽在空間的分布，從而引起景觀格局的變化。

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