新疆塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)近35年來(lái)土地利用景觀格局變化研究

殷 建，薛莎莎，徐曉桃，楊貴森，張 偉，馬松增

(1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)水土保持監(jiān)測(cè)總站，新疆烏魯木齊 830002;2.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院省部共建森林資源培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;3.北京地拓科技發(fā)展有限公司，北京 100084)

景觀是指由地貌過程和各種干擾作用所形成的，具有特定的結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)特征的一種宏觀系統(tǒng)，大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合叫做景觀格局，包括景觀組成單元的類型、數(shù)目及空間分布與配置［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在景觀格局特征、景觀格局動(dòng)態(tài)變化及動(dòng)因、景觀生態(tài)效應(yīng)、景觀格局優(yōu)化等方面進(jìn)行了大量研究［2－7］。目前對(duì)景觀格局變化進(jìn)行定量分析的方法主要有三大類：景觀空間格局指數(shù)、景觀格局分析模型和景觀模擬模型［8］。

我們利用景觀空間格局指數(shù)法，結(jié)合景觀空間格局定量化分析軟件對(duì)新疆塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)1976、1990、2000、2006、2010年5個(gè)不同時(shí)期的景觀變化進(jìn)行了定量分析，旨在探究該地區(qū)土地利用景觀變化的動(dòng)因和機(jī)制，進(jìn)而為該地區(qū)合理利用土地，調(diào)整人類活動(dòng)的力度和方式提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)，位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)(地理坐標(biāo)東經(jīng) 79°22'33″—81°53'45″，北緯 40°20'—41°47'18″)，北起天山南麓山地，南至塔克拉瑪干沙漠邊緣，東臨沙雅縣，西抵柯坪縣，傍依阿克蘇河、塔里木河、臺(tái)蘭河、多浪河水系，地跨阿克蘇地區(qū)5縣1市(溫宿縣、烏什縣、阿瓦提縣、柯坪縣、沙雅縣，阿克蘇市)，東西相距221 km，南北相距180 km。

農(nóng)墾區(qū)屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，極端最高氣溫35℃，極端最低氣溫－28℃。墾區(qū)雨量稀少，冬季少雪，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降水量為40.1～82.5 mm，年均蒸發(fā)量1 876.6～2 558.9 mm。農(nóng)業(yè)在該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有非常大的比重。40多年來(lái)，該區(qū)域人民在極其艱苦的條件下，戰(zhàn)風(fēng)沙，斗酷暑，在塔里木河兩岸的亙古荒原上，用辛勤的汗水開發(fā)建設(shè)出萬(wàn)頃良田，把荒漠變成綠洲。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

該研究所采用的數(shù)據(jù)源主要包括：①遙感影像數(shù)據(jù)，分別為1976年Landsat－MSS遙感數(shù)據(jù)、1990年Landsat－TM遙感數(shù)據(jù)、2000年Landsat－ETM遙感數(shù)據(jù)、2006年landsat－ETM遙感數(shù)據(jù)、2010年HJ遙感數(shù)據(jù);②塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)1∶5萬(wàn)地形圖數(shù)據(jù);③研究區(qū)域的統(tǒng)計(jì)年鑒及相關(guān)的資料(氣象、水文、土壤、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等);④野外實(shí)地考察及實(shí)景拍攝照片庫(kù)。

借助專業(yè)遙感圖像處理軟件與地理信息系統(tǒng)軟件，基于2006年landsat－ETM數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒和野外調(diào)查成果，人工目視判讀提取出2006年土地利用數(shù)據(jù)，再以此為基準(zhǔn)年解譯其他四期數(shù)據(jù)。以這5個(gè)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)為景觀研究的基礎(chǔ)，劃分10種斑塊類型：耕地、園地、林地、牧草地、農(nóng)用地、新墾地、建筑用地、水利設(shè)施用地、未利用土地、其他土地。

將各期土地利用矢量數(shù)據(jù)在Arcgis軟件中轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率為60 m。利用景觀空間格局定量化分析軟件(Fragstats)分別計(jì)算5個(gè)時(shí)期土地利用的景觀指數(shù)。

2.2 景觀指數(shù)的選取

根據(jù)研究區(qū)域的景觀特征，分別從景觀類型水平和景觀水平選取以下指數(shù)對(duì)研究區(qū)35年的景觀格局特征及變化進(jìn)行定量分析：①景觀類型水平，選取斑塊面積百分比、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、分維數(shù)、斑塊密度、破碎度指數(shù)共計(jì)6個(gè)指標(biāo);②景觀水平，選取斑塊個(gè)數(shù)、平均斑塊面積、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和破碎度指數(shù)共6個(gè)指標(biāo)。指標(biāo)具體生態(tài)意義見表 1［9－14］。

表1 景觀格局指數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化過程

分析土地利用數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)耕地和未利用地在土地利用面積上占有支配地位，二者的面積百分比占研究區(qū)總面積的80%。近35年來(lái)，塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)土地利用的變化具有以下特點(diǎn)：①耕地面積急劇增加，占土地總面積的比例從18.4%上升至44.05%，總面積增加了1 820.91 km2;②未利用地面積迅速減少，其比例由67.56%降低至39.52%，林地、牧草地面積不斷減少;③建設(shè)用地面積占土地總面積的比例由0.23%上升至1.19%，總面積增加1 10.21 km2;④園地和新墾地面積在1976—2006年大幅增加，2006—2010年呈減少趨勢(shì);⑤農(nóng)用地、水利設(shè)施用地和其他土地面積變化不大(見表2)。

3.2 景觀指數(shù)分析

3.2.1 類型水平上動(dòng)態(tài)變化分析

(1)最大斑塊指數(shù)(LPI)和面積比分析。最大斑塊指數(shù)(LPI)是指某一斑塊類型中的最大斑塊占據(jù)整個(gè)景觀面積的比例，其數(shù)值在0～100之間，是一種簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)度衡量法［15］。由表2中斑塊類型的面積比和LPI變化對(duì)比可以看出：1976年，未利用地為研究區(qū)景觀的主要控制類型，其面積比為67.56%，最大斑塊指數(shù)為18.6;在接下來(lái)的35年中，由于人類的開發(fā)利用，未利用地的面積比和LPI逐漸減小，耕地和建筑用地的面積比逐漸增加，并在景觀上連成一片;林地、牧草地因?yàn)槿藶楦蓴_而被景觀占據(jù)和分割，其面積比和LPI均減小;園地和新墾地的面積比和LPI處于先增大后減小的趨勢(shì)(見表2)。

表2 1976—2010年斑塊類型的面積比和LPI變化對(duì)比

(2)形狀指數(shù)分析。斑塊形狀的復(fù)雜程度與受人類影響程度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，受人為影響后的斑塊形狀趨于簡(jiǎn)單。本研究用景觀形狀指數(shù)和分維數(shù)來(lái)表示。景觀形狀指數(shù)(LSI)大于等于1。當(dāng)景觀中斑塊形狀不規(guī)則時(shí)，LSI較大。分維數(shù)取值一般在1～2之間，其值越接近1，斑塊形狀越有規(guī)律，斑塊越簡(jiǎn)單，受人為干擾的程度就越大;其值越接近2，斑塊形狀就越復(fù)雜。

分析表明：水利設(shè)施用地形狀比較規(guī)則，其他農(nóng)用地形狀比較復(fù)雜;除了其他農(nóng)用地的分維數(shù)大于1.6之外，其余斑塊類型都小于1.5，說(shuō)明研究區(qū)景觀除了其他農(nóng)用地外，其余斑塊類型的斑塊形狀都比較簡(jiǎn)單，顯示了人們對(duì)塔里木盆地農(nóng)墾區(qū)景觀的干擾較為深入和廣泛。

(3)破碎化分析。耕地和水利設(shè)施用地的破碎度較小，即這些斑塊類型都是成片地連在一起，其平均斑塊面積較大;園地、農(nóng)用地和建筑用地在整個(gè)研究區(qū)的分布則比較分散，且平均斑塊面積較小;1976—2010年間，園地、林地、牧草地的破碎度不斷增大，說(shuō)明這些地區(qū)受人為干擾，被分割成小的斑塊，降低了土地類型的生態(tài)調(diào)節(jié)作用。

3.2.2 景觀水平上動(dòng)態(tài)變化分析

1976—2006 年，研究區(qū)斑塊數(shù)量從1 014個(gè)增加到2 566個(gè)，平均斑塊面積(MPA)從6.993 km2減小到2.764 km2，景觀破碎度由1.45增加到9.285，顯示了在農(nóng)業(yè)及城市發(fā)展的過程中，人類對(duì)土地的干擾日益增多和深入。同時(shí)，這一時(shí)期人類對(duì)研究區(qū)景觀進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母蓴_，大量開發(fā)利用未利用土地，發(fā)展園地、建筑用地、耕地等，使各斑塊類型的數(shù)量和面積差異縮小，提高了景觀異質(zhì)性，因此景觀多樣性和均勻度都有所增加。但是2006—2010年，由于耕地的持續(xù)成片發(fā)展，園地、新墾地、林地和牧草地的斑塊數(shù)量和面積比例都減少了，因此這時(shí)期景觀的斑塊個(gè)數(shù)減少，景觀破碎度、景觀多樣性和均勻度減小，優(yōu)勢(shì)度增加，耕地對(duì)景觀格局的控制增強(qiáng)(詳見表3)。

表3 研究區(qū)域景觀格局動(dòng)態(tài)變化

4 結(jié)論

研究區(qū)域35年內(nèi)土地利用及景觀格局發(fā)生了較大變化：①由于農(nóng)業(yè)和城市的發(fā)展，未利用地被大量開發(fā)，其面積逐漸減少，耕地和城市面積大幅增加并逐漸連成片;林地和牧草地的面積逐年減少，處于逐漸退化過程;園地和新墾地先增加后減少。②1976—2006年，土地利用向多樣化和均勻化發(fā)展，景觀多樣性、均勻度及破碎度指數(shù)增大，景觀異質(zhì)性程度逐漸提高，景觀生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定;2006—2010年，耕地持續(xù)連片發(fā)展，園地、新墾地、林地和牧草地被改造，景觀破碎度和均勻度指數(shù)都減小，景觀優(yōu)勢(shì)度增加，這個(gè)過程降低了景觀異質(zhì)性，使生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱。

在以后的土地開發(fā)利用中，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)林、人工草地和園地的建設(shè)，一方面可以利用綠色植物凈化空氣、防風(fēng)御沙的功能保護(hù)環(huán)境，另一方面則可以優(yōu)化土地利用景觀格局，加強(qiáng)景觀對(duì)干擾的抵御能力，實(shí)現(xiàn)其生態(tài)功能的良性發(fā)揮［3－4］。

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