元上都遺址土地利用及景觀格局變化

白力軍，寶音陶格濤，蘇金華，布仁圖雅，萬志強(qiáng)

（1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2. 內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；3. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021）

作為陸地上重要的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，草地生態(tài)系統(tǒng)在防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性保護(hù)等多方面具有重要的生態(tài)功能[1]。內(nèi)蒙古草原不但是歐亞草原的主體，同時也是中國溫帶草原的主要分布區(qū)[2]，具有豐富的草原類型和動植物資源，是我國北部邊疆重要的生態(tài)屏障[3]。

草原文化遺址是草原民族文化的靈魂之一，刻畫和折射了草原游牧民族的發(fā)展歷程，是生態(tài)文明的烙印和載體。2012年6月29日，元上都遺址正式成為世界文化遺產(chǎn)，成為了內(nèi)蒙古第1個、全國第30個世界文化遺產(chǎn)[4]。近年來，由于農(nóng)耕開墾、過度放牧及其他工礦建設(shè)等的影響，造成了元上都遺址地區(qū)生物多樣性降低，草原退化嚴(yán)重，不斷惡化的生態(tài)環(huán)境對元上都遺址的保護(hù)造成了嚴(yán)重威脅[5]。

遙感技術(shù)在時空分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，尤其是利用時間序列來研究草地的空間分布[6]，可以對草原實(shí)施長期有效的監(jiān)管[7]，如對草地退化、土地利用及景觀格局變化的時空特征進(jìn)行分析[8-9]；Batunacun等[10]通過對錫林郭勒市土地利用/土地覆蓋變化的研究，來評估土地退化的生態(tài)和社會后果；Zhang等[11]從多時間多尺度定量分析了呼倫貝爾草原的景觀格局以及土地的生態(tài)變化過程。目前，有關(guān)元上都遺址區(qū)土地利用及景觀格局方面的研究并不多。甄江紅等[12]從生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估的角度分析了元上都遺址的景觀格局變化，認(rèn)為元上都遺址景觀格局向破碎化、復(fù)雜化方向發(fā)展，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)加大；劉冠志等[13]研究表明，不同因子的綜合作用是土地利用發(fā)生變化的驅(qū)動因素。但目前研究仍有所不足，或缺少土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況描述，對土地利用動態(tài)分析不足；或研究空間尺度過大，針對性不足。為此，本研究以元上都遺址保護(hù)區(qū)為對象，分析其土地利用的動態(tài)和景觀格局的變化趨勢，研究其驅(qū)動因素，這對于元上都遺址區(qū)域保護(hù)措施的優(yōu)化，及當(dāng)?shù)刭Y源環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

元上都遺址坐落在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟正藍(lán)旗上都高勒鎮(zhèn)東北約20 km五一牧場境內(nèi)，地處金蓮川草原的腹地[14]，地勢南高北低，有著獨(dú)特的林地、沙地、河流、草地和濕地組成的復(fù)合自然景觀。地理位置116°9′50″-116°11′40″ E，42°20′40″-42°22′13″ N，海拔在 1 262-1 281 m，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，水熱分布不均勻，年均溫度2 ℃，年降水量 370 mm 左右，年蒸發(fā)量 1 920.5 mm，全年無霜期 90～117 d，平均風(fēng)速 4.7 m·s-1[15-16]。

本研究區(qū)域?yàn)椤对隙歼z址申報(bào)世界文化遺產(chǎn)報(bào)告書》中劃定的一類遺址保護(hù)區(qū)范圍和二類遺址保護(hù)區(qū)范圍。南北長20.6 km，東西寬18.7 km，總面積約 251.16 km2(圖 1)。

1.2 研究內(nèi)容與研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究所使用的遙感影像信息源為美國陸地資源衛(wèi)星 Landsat TM 影像及 Landsat8 OLI影像，一景影像即可覆蓋整個元上都遺址區(qū)域。研究時間為1984-2013年，為了使研究更為細(xì)化，將研究時間段分為 6個，即 1984、1995、2000、2005、2010、2013年，前5期所用的影像為Landsat TM，空間分辨率為30 m；2013年所用的影像為Landsat8 OLI遙感影像，全色波段空間分辨率15 m，軌道號為p124/r31。采用最大似然法進(jìn)行影像監(jiān)督分類，判讀提取目標(biāo)地物的最小單元應(yīng)大于4 × 4個像元(120 m×120 m)；判讀精度要求所解譯圖斑要素的判讀精度為90%以上，根據(jù)現(xiàn)場核查的結(jié)果來看，元上都遺址區(qū)域的遙感解譯精度較好，分類解譯精度達(dá)95%。

所選遙感為每年植物生長季節(jié)(5-9月)，影像色調(diào)均勻，層次清晰，影像平均云量小于5%。利

圖 1 元上都遺址地理位置Figure 1 The geographical location of Xanadu site

用 Erdas Imagine 2013軟件對遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段合并，影像合成，隨后進(jìn)行影像校色、銳化、幾何校正，并進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，投影定義為Albers110_Krasovski_1940，再利用ArcGIS 9.3，對遙感影像的解譯標(biāo)志進(jìn)行分析和判斷、歸納，得到各年度的遙感解譯數(shù)據(jù)。所得到的遙感解譯數(shù)據(jù)經(jīng)過拓?fù)涮幚恚崛「髂甓鹊耐恋乩妙愋蛿?shù)據(jù)和年度間動態(tài)變化數(shù)據(jù)，利用 Microsoft Excel 2007 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。最后利用ArcGIS 9.3中的Spatial Analyst工具將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Grid格式的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Fragststs 3.3中，選取景觀層面的相關(guān)指數(shù)，得出各個年度的數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.2.2 研究方法

土地利用分類體系采用環(huán)保部制定的《生態(tài)環(huán)境狀況評價(jià)技術(shù)規(guī)范》(HJ192-2015)中的土地利用/覆蓋分類體系[17]，包括耕地、草地、林地、工礦建設(shè)用地、水域濕地、未利用地6個一級類型。對研究區(qū)內(nèi)的所有土地利用類型分類，按年度分析一級類型的變化情況，并對土地利用轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行分析。同時引入單一土地利用動態(tài)度以及綜合土地利用動態(tài)度兩個指標(biāo)來對元上都遺址區(qū)域土地利用發(fā)生動態(tài)變化的速度進(jìn)行描述[18-20]。

為了定量描述和監(jiān)測研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)特征隨著時間的變化情況，將較為復(fù)雜的景觀分為簡單并且易于識別的景觀格局，選用了景觀特征指數(shù)[21-22]，利用 ArcGIS 9.3及 Fragstats 3.3等軟件，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理，得到景觀格局特征數(shù)據(jù)，著重從景觀水平指數(shù)(landscape-level index)層面進(jìn)行分析，選取總面積(TA)、斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)等8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化幅度分析

2013年，在6個一級土地利用類型中，所占面積比例從大到小依次是草地、水域濕地、農(nóng)田、林地、未利用地、建設(shè)用地(圖2)，面積分別為153.63、27.92、25.05、22.98、12.46 和9.13 km2(圖3)。1984-2013年，農(nóng)田面積變化最大，共減少了23.48 km2，其次為林地，共增加了 21.37 km2。水域濕地面積、建設(shè)用地、草地面積均有所增加(圖3)，分別增加了3.45、2.45和0.51 km2，未利用地面積減少了1.38 km2。如圖4所示，可以清晰的看到元上都遺址區(qū)域6期土地利用類型的變化。

圖 2 元上都遺址2013年一級土地利用類型面積比例Figure 2 Area ratio diagram of first-level land-use types of Xanadu sites in 2013

圖 3 元上都遺址一級土地利用類型變化Figure 3 Changes in first-level land-use types in Xanadu site

2.2 土地利用動態(tài)分析

元上都遺址區(qū)域1984-2013年之間的土地利用動態(tài)率表1)表明，單一土地利用動態(tài)度方面，林地、水域濕地、建設(shè)用地變化速率呈遞增趨勢，其中林地遞增速率最高，為14.00%，尤其是2000-2005年期間，遞增速率極快；建設(shè)用地變化呈遞增趨勢，并在2010-2013年達(dá)到最大值；水域濕地年動態(tài)率為0.49%，年度間動態(tài)幅度變化較為劇烈；草地整體上的動態(tài)變化不大，但是年度間呈現(xiàn)明顯的波浪形波動變化趨勢；農(nóng)田年遞減速率為1.67%，2000-2005年遞減速率最高，為-8.95%；未利用地年動態(tài)也呈現(xiàn)遞減的趨勢。綜合土地利用動態(tài)度在1984-2013年間遞增，在2000-2005年達(dá)到最大值。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

1984-2013年元上都遺址區(qū)域土地利用類型變化轉(zhuǎn)移矩陣(表2)分析表明，1984-2013年，農(nóng)田轉(zhuǎn)出較為明顯，分別有18.04 和12.97 km2轉(zhuǎn)化為林地和草地，而2.33和5.14 km2的林地、草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田；林地總體上以轉(zhuǎn)入為主，主要為農(nóng)田、草地轉(zhuǎn)化為林地，分別為18.04和5.67 km2；草地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積大致相當(dāng)，轉(zhuǎn)入主要為農(nóng)田、未利用地轉(zhuǎn)化為草地，轉(zhuǎn)出主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)田、林地以及未利用地；水域濕地以轉(zhuǎn)入為主，主要為草地、林地轉(zhuǎn)化而來；建設(shè)用地以轉(zhuǎn)入為主，以草地、林地、農(nóng)田為主；未利用地轉(zhuǎn)化與草地之間也相互轉(zhuǎn)化，由于未利用地主要為沙地類型，因此轉(zhuǎn)移過程主要為草地沙化及固沙治理等原因，同時也有少量林地轉(zhuǎn)化為未利用地。

表2 元上都遺址區(qū)域一級土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Transfer matrix of first-level land-use types in Xanadu site

2.4 景觀格局變化分析

通過6期遙感解譯數(shù)據(jù)計(jì)算獲得一級土地利用類型的各個景觀格局指數(shù)。一級土地利用類型景觀水平特征變化(表3)顯示，1984-2013年，元上都遺址區(qū)域斑塊密度變化無明顯的規(guī)律性，2005年時斑塊密度達(dá)到最大，說明2005年景觀最為破碎化，隨后斑塊數(shù)量有所降低；最大斑塊所占景觀面積的比例均保持著較高比例，說明景觀中一直保持著一個優(yōu)勢斑塊；景觀在2000年具有最高的聚集度，而2005年景觀分割指數(shù)達(dá)到最高，但變化幅度均不大。6個時期的Shannon多樣性指數(shù)值介于1.18～1.30，說明整個景觀存在一定的異質(zhì)性，景觀破碎化；2005年景觀多樣性最高，破碎化程度最高，1984年景觀多樣性最低，破碎化程度也最低；Shannon均勻度指數(shù)位于0.66～0.73，說明景觀整體上均勻度較高，2005年達(dá)到最大值，景觀最為均勻，1984年和1995年景觀均勻度最低。

表3 1984-2013年一級土地利用類型景觀水平特征變化Table 3 Changes in landscape characteristics of first-level land-use types from 1984 to 2013

3 討論

元上都遺址區(qū)的本底景觀是草原景觀，這與許多其他的文化遺址所處環(huán)境形成了鮮明的對比，具有草原游牧文化遺址獨(dú)特的風(fēng)格[23]。草地是整個研究區(qū)域中最主要的土地利用類型，草地在研究時間段內(nèi)呈現(xiàn)出面積先減少后增加的趨勢。研究區(qū)綜合土地利用動態(tài)度最高的時間段是2000-2005年，這與劉冠志等[13]認(rèn)為草地和耕地是主要的土地利用類型并且土地利用動態(tài)主要發(fā)生在1990-2000年的結(jié)論不同，這可能是研究的空間尺度和時間尺度不同所導(dǎo)致。2000年之前，研究區(qū)各土地利用類型面積變化不大；2000年之后，研究區(qū)陸續(xù)開始開展了京津風(fēng)沙源治理工程、退耕還林還草工程等生態(tài)建設(shè)工程[24]，使得土地利用類型間發(fā)生了較大變化。同時元上都遺址區(qū)景觀格局向多樣化和破碎化方向發(fā)展，這與甄江紅等[12]的研究結(jié)果一致，但是本研究結(jié)果也表明，斑塊在向某些主要的景觀類型聚集，局部地區(qū)并沒有持續(xù)破碎化。

人為影響和自然條件變化是引起土地利用和景觀發(fā)生變化的主要原因[25]，本研究也體現(xiàn)在這兩個方面。首先，人為的開墾、退耕還林、放牧等活動直接影響了土地利用類型的轉(zhuǎn)移和變化。Ranjeet等[26]的研究表明，土地覆蓋/利用的大規(guī)模變化會使草原的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生退化；而土地利用的變化會直接影響景觀的斑塊數(shù)、破碎化指數(shù)、聚集指數(shù)等指標(biāo)，與景觀格局的變化密切相關(guān)[27]。元上都遺址區(qū)各個土地利用類型面積的不斷變化伴隨著景觀格局中斑塊密度、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和聚集指數(shù)等指標(biāo)的變化，生態(tài)建設(shè)工程的開展和農(nóng)牧民對草地、耕地之間的選擇是引起這些變化的主要驅(qū)動因素。其次，氣候、降水等自然條件的變化，也是引起變化的驅(qū)動力之一。武錄義等[16]研究得出，氣溫升高、降水減少是元上都遺址區(qū)氣候的變化趨勢，但從小尺度上來說，閃電河下游人工水壩對河流的攔截作用更為明顯，使研究區(qū)水域濕地面積增加，反過來又對其他土地利用類型產(chǎn)生了影響。本研究未對氣候因素產(chǎn)生的影響進(jìn)行更多的討論，這也是下一步的研究方向之一。

草地景觀作為元上都遺址區(qū)域的本底景觀類型，要保持和加大草地景觀的面積，嚴(yán)格限制人類對草地資源的開發(fā)和利用，同時要加強(qiáng)已有生態(tài)建設(shè)工程的監(jiān)管工作。2010-2013年，農(nóng)田面積略有增加，主要是元上都遺址東部退耕還林區(qū)所種植灌木大量死亡，又人為開墾為農(nóng)田，不但破壞了原有景觀，還導(dǎo)致了開墾區(qū)的沙化。今后還需進(jìn)一步采取有效的措施，提高草原區(qū)整體的景觀功能[28]，結(jié)合日趨成熟的草原生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制[29]，加強(qiáng)對元上都遺址的保護(hù)。

4 結(jié)論

本研究運(yùn)用 6 期 Landsat TM/OLI 遙感影像，選取單一土地利用動態(tài)度、綜合土地利用動態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣及景觀格局指數(shù)等指標(biāo)，分析了元上都遺址區(qū)域 1984-2013 年土地利用、景觀格局變化，結(jié)果表明：1) 草地是元上都遺址區(qū)域的主要一級土地利用類型，面積占到研究區(qū)域的一半以上，其次為水域濕地、農(nóng)田；草地景觀是研究區(qū)域的本底景觀，但在研究時間段內(nèi)草地面積呈現(xiàn)出明顯的波動變化趨勢，與林地、農(nóng)田、未利用地之間頻繁的進(jìn)行著轉(zhuǎn)移。2)1984-2013年，林地、草地、水域濕地、建設(shè)用地變化速率呈遞增趨勢，其中林地遞增速率最高；綜合土地利用動態(tài) 2000-2005 年綜合土地利用動態(tài)度最高，年變化率為 2.09%，是土地利用變化最為劇烈的時間段，與這個時間段內(nèi)所開展的生態(tài)建設(shè)工程密切相關(guān)。3)2000 年景觀完整性最高，2005 年景觀構(gòu)成最為復(fù)雜，景觀變化主要發(fā)生在2000-2005 年之間，多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)最高，景觀越來越多樣化、破碎化，至 2013 年，景觀已逐漸趨于穩(wěn)定。