基于景觀指數(shù)的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)生態(tài)環(huán)境變化

侯秀玲，盧響軍，周益民

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，新疆 烏魯木齊 830011

地球表層系統(tǒng)最突出的景觀標(biāo)志就是土地利用與土地覆被[1]。土地利用或覆被變化不僅客觀記錄了人類改變地球表面特征的空間格局，而且再現(xiàn)了地球表層景觀的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過程。景觀格局及其變化是自然與人為因素相互作用所產(chǎn)生的一定區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系的綜合反映，既是各種干擾因素相互作用的結(jié)果，又影響著該區(qū)域的生態(tài)過程和邊緣效應(yīng)[2]。目前，許多學(xué)者利用遙感與地理信息系統(tǒng)對(duì)不同區(qū)域的土地利用變化進(jìn)行研究，并在土地利用變化研究中引入景觀格局分析方法[3-4]。景觀指數(shù)作為分析景觀格局的定量化指數(shù)，在過去20年的時(shí)間里得到迅速發(fā)展[5]。景觀格局在空間上表現(xiàn)為不同土地利用類型斑塊的鑲嵌，具有典型的空間異質(zhì)性[6]。這些斑塊在空間上的排列形式稱為景觀格局，它決定著自然地理環(huán)境的形成、分布和組成，制約著各種生態(tài)過程，并與干擾能力、恢復(fù)能力、系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性有著密切的聯(lián)系[7-8]。

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)(以下簡稱“兵團(tuán)”)是一個(gè)特殊的行政單元，其景觀類型以自然景觀向人工景觀過渡的特殊景觀為主，對(duì)兵團(tuán)區(qū)域景觀格局的研究不單是獲取該區(qū)域生態(tài)狀況及空間變異特征的有效手段，更重要的是揭示兵團(tuán)土地利用特點(diǎn)，為兵團(tuán)進(jìn)一步完善土地利用規(guī)劃、區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理和景觀生態(tài)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。近年來，在西部大開發(fā)的契機(jī)下，兵團(tuán)的發(fā)展日新月異，城鎮(zhèn)化范圍不斷擴(kuò)大，為合理規(guī)劃兵團(tuán)土地利用，有必要對(duì)兵團(tuán)的景觀格局進(jìn)行分析研究。遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，為景觀空間結(jié)構(gòu)研究和動(dòng)態(tài)模擬提供了可靠的信息源和有效的分析工具，使得在多尺度上景觀空間格局的定量化研究成為可能。通過RS和GIS對(duì)兵團(tuán)景觀格局及其變化因素進(jìn)行分析，以期為兵團(tuán)的土地利用規(guī)劃及環(huán)境管理提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

兵團(tuán)分布在新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)，現(xiàn)有土地面積為7.4萬平方公里，占新疆總面積的4.47%，人口為257.3萬，約占新疆總?cè)丝诘陌朔种?。兵團(tuán)屬溫帶大陸性氣候，集中表現(xiàn)為降水稀少、相對(duì)濕度低、冬季漫長、春秋季短、日照長、溫差大。兵團(tuán)多年平均降水量僅為145 mm，而蒸發(fā)量約為2 000～2 500 mm。地表水資源量為1.05×1010m3，地下水資源量為2.01×109m3，森林覆蓋率約為5%。兵團(tuán)下轄14個(gè)師，175個(gè)農(nóng)牧團(tuán)場(chǎng)，農(nóng)業(yè)人口為1.25×106人，占總?cè)丝跀?shù)的48.6%。2010年兵團(tuán)生產(chǎn)總值7.71×1010元，與2000年相比，平均年增長29.7%，人均生產(chǎn)總值29 948 元，是2000年人均生產(chǎn)總值的4倍。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

所用數(shù)據(jù)一方面來源于2000、2005、2010年新疆地區(qū)TM影像和HJ1A-CCD1影像進(jìn)行遙感解譯獲得的土地利用或土地覆蓋數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，另一方面來源于2000、2005、2010年兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒。

土地利用或覆蓋類型以《全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評(píng)估項(xiàng)目指南》中的土地覆蓋分類系統(tǒng)為參考，將土地利用景觀類型分為森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)、荒漠和冰川(永久積雪)等8個(gè)類型。

2.2 景觀格局分析指標(biāo)

隨著對(duì)景觀格局研究的不斷深入，近年來已提出了不少關(guān)于景觀空間分析的指標(biāo)和方法[9-10]，其中景觀指數(shù)方法在景觀結(jié)構(gòu)的描述、比較和動(dòng)態(tài)研究中的應(yīng)用越來越廣泛。景觀指數(shù)能夠從定量的高度概括景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置。在實(shí)際工作中，往往同時(shí)采用多種指數(shù)來描述景觀格局的數(shù)量和空間特征，以減少單一指標(biāo)對(duì)空間分析的片面性。根據(jù)兵團(tuán)的特點(diǎn)和研究需要，結(jié)合已有研究[9-10]和各指標(biāo)的適用范圍，篩選了部分主要景觀度量指標(biāo)，其公式及生態(tài)意義如表1所示。景觀格局指標(biāo)以Arcgis10和景觀格局分析軟件Fragstats 3.3進(jìn)行處理和計(jì)算。

表1 景觀空間格局特征指數(shù)及生態(tài)學(xué)涵義

注：表中ni為i類景觀類型的斑塊個(gè)數(shù)；ai為i類景觀類型的斑塊總面積；Pi為各類景觀類型在總景觀中所占的比例；m為景觀類型數(shù)；Li為i類景觀類型的斑塊周長；Hmax=ln(m)為景觀最大多樣性；TA為景觀類型總面積；pij為斑塊類型i與j相鄰的概率。

2.3 驅(qū)動(dòng)力分析指標(biāo)

人口城市化，即城市戶籍人口占總?cè)丝诘陌俜直龋?；土地城市化，即城市面積占國土總面積的百分比，%；農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，即農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值與農(nóng)田面積的比值，元/畝；牧業(yè)產(chǎn)值，即牧業(yè)總產(chǎn)值與草地面積的比值，元/畝；農(nóng)牧產(chǎn)值比，即農(nóng)業(yè)產(chǎn)值與牧業(yè)產(chǎn)值的比例，%；農(nóng)田機(jī)械化，即農(nóng)田機(jī)耕、播種、化學(xué)除草、施肥、病蟲防治、灌溉、收割、秸桿還田和飛機(jī)作業(yè)面積之和與農(nóng)田面積之比除以8種作業(yè)方式，%；草地機(jī)械化，即機(jī)械收割牧草的數(shù)量占收獲牧草數(shù)量的百分比，%。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀總體特征

表2是經(jīng)計(jì)算得到的兵團(tuán)2000—2010年土地利用景觀格局指數(shù)的總體特征。

表2 兵團(tuán)總體景觀格局指數(shù)

由表2可見，兵團(tuán)AI指數(shù)各年份均超過90%，表明兵團(tuán)景觀類型主要由少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成，其值稍微上升說明斑塊類型相對(duì)變得集中，空間連通性升高。H指數(shù)和E指數(shù)都有所增加，表明兵團(tuán)各種景觀類型的比例差異在逐步減小，而兵團(tuán)的D指數(shù)減少，則進(jìn)一步說明景觀的異質(zhì)性程度在逐漸提高，土地利用向著多樣化和均勻化方向發(fā)展。S、F、C指數(shù)均表現(xiàn)為先增加后減少，總體下降的趨勢(shì)，說明兵團(tuán)總體景觀格局變化不大，但景觀要素斑塊形狀趨向于簡單化。

3.2 景觀類型特征

表3為兵團(tuán)2000—2010年土地利用景觀格局指數(shù)。

表3 景觀類型格局指數(shù)

由表3可以看出，草地、農(nóng)田在兵團(tuán)景觀格局構(gòu)成中占據(jù)主導(dǎo)地位，其中以草地占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，2000—2010年農(nóng)田和城鎮(zhèn)用地呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì)，草地、灌叢和冰川(永久積雪)呈現(xiàn)不斷減少的趨勢(shì)；森林、濕地、沙漠面積在2000—2010年有增有減，但是除濕地明顯減少外，森林和沙漠總體呈現(xiàn)略微增加趨勢(shì)；S指數(shù)和C指數(shù)均以城鎮(zhèn)最大，說明城鎮(zhèn)景觀受人為活動(dòng)干擾強(qiáng)度大；F在各景觀間變化不大，但以城鎮(zhèn)值最大，說明城鎮(zhèn)的形狀規(guī)律性最差。

3.2.1 森林景觀變化

通過森林景觀類型指標(biāo)變化可知，兵團(tuán)森林景觀受退耕還林及防風(fēng)固沙防護(hù)林建設(shè)的政策指導(dǎo)，總體變化不大。

3.2.2 灌叢景觀變化

兵團(tuán)灌叢景觀的Pi、NP、MPA值和AI指數(shù)下降，S、F和C指數(shù)上升。說明由于受人類活動(dòng)行為的影響，灌叢景觀的變化較大；NP的多少與景觀的破碎度有很好的相關(guān)性，而MPA反映景觀的完整性和破碎化程度。由此可知，兵團(tuán)灌叢景觀的破碎化程度增加，灌叢景觀的形狀趨于復(fù)雜，分布更分散，聚集程度下降。但AI指數(shù)各年份都較高，說明灌叢景觀主要還是由少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成。

3.2.3 草地景觀變化

兵團(tuán)草地景觀的Pi、NP值和F、C指數(shù)減少，AI、S指數(shù)增加。說明由于人類活動(dòng)的影響，草地景觀的變化相對(duì)較大。MPA變化不大，但Pi、NP、F明顯減少，說明草地生態(tài)系統(tǒng)的破碎化程度降低。草地景觀C指數(shù)降低，則說明受人類活動(dòng)的影響程度在逐漸減弱。AI升高，表明草地景觀類型主要由少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成，其值稍微升高，說明斑塊空間連通性增加，而S的逐漸增加則表明團(tuán)聚斑塊呈現(xiàn)出分散的趨勢(shì)。

2000—2005年草地的Pi、NP、F和C指數(shù)減少了5.54%、3.62%、0.02%和1.65%，而2005—2010年則分別減少了4.74%、6.81%、0.15%、8.85%，通過2組數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，草地在“十五”時(shí)期的變化幅度明顯弱于“十一五”時(shí)期，“十一五”時(shí)期的破碎化程度明顯好于“十五”時(shí)期，說明在退耕還林還草政策的支持下以及“十一五”兵團(tuán)環(huán)保事業(yè)的逐步開展下，人們對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)逐漸增強(qiáng)。

3.2.4 濕地景觀變化

兵團(tuán)濕地景觀的Pi、MPA值和AI指數(shù)減少，NP值和C指數(shù)增加。說明濕地景觀形狀愈來愈復(fù)雜，斑塊的完整性下降，景觀類型總體上變得相對(duì)分散，空間連通性變差。其C指數(shù)的持續(xù)增加，說明其受到的人為活動(dòng)影響在逐步增強(qiáng)，特別是“十一五”時(shí)期明顯大于“十五”時(shí)期，說明“十一五”期間的水利工程建設(shè)強(qiáng)度對(duì)兵團(tuán)濕地景觀影響較大。

3.2.5 農(nóng)田景觀變化

兵團(tuán)農(nóng)田景觀的Pi、MPA值和AI指數(shù)增加，NP、S、F和C指數(shù)減少。說明這一時(shí)期由于人類大量開墾，以及兵團(tuán)的高度農(nóng)業(yè)機(jī)械化導(dǎo)致農(nóng)田面積不斷增加，MPA值大幅度提高。農(nóng)田景觀斑塊的團(tuán)聚性和連通性增大，愈來愈趨向于集中和成片發(fā)展。

2000—2005年農(nóng)田景觀中Pi、MPA和AI指數(shù)分別增加16.99%、18.26%和0.62%，而NP、S、F和C指數(shù)則分別減少1.10%、14.97%、0.25%和16.39%；2005—2010年農(nóng)田景觀中Pi、MPA和AI指數(shù)分別增加11.02%、18.26%和0.90%，NP、S、F和C指數(shù)則分別減少23.88%、21.46%、0.36%和47.79%；通過對(duì)比可知，人類活動(dòng)強(qiáng)度“十一五”時(shí)期明顯強(qiáng)于“十五”時(shí)期，特別是兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，極大影響著兵團(tuán)農(nóng)田景觀的MPA值。

3.2.6 城鎮(zhèn)景觀變化

兵團(tuán)城鎮(zhèn)景觀的Pi、NP、MPA值及AI、C指數(shù)增加，而S和F指數(shù)減少。說明這一時(shí)期城市化進(jìn)程加快，對(duì)城鎮(zhèn)景觀影響很大。隨著人口增長，新的城鎮(zhèn)不斷增加，城鎮(zhèn)面積不斷擴(kuò)展，城鎮(zhèn)的復(fù)雜性及破碎化程度也有所增加。斑塊的團(tuán)聚性和連通性雖有增大，但與其他景觀相比仍然較差。

2000—2005年城鎮(zhèn)景觀的Pi、NP、MPA值和AI指數(shù)分別增加15.52%、10.50%、3.70%和0.73%，2005—2010年則分別增加9.95%、4.56%、3.57%和0.53%；而S、F則分別由8.72%和0.17%減少為7.13%和0.12%；C指數(shù)則前5年增加6.03%，后5年減少0.72%。通過以上數(shù)據(jù)的對(duì)比可知， “十五”期間城鎮(zhèn)景觀的變化幅度明顯強(qiáng)于“十一五”，“十五”期間人類活動(dòng)主要是隨著人口數(shù)量的增加建立新的居民點(diǎn)，因此NP值明顯大于“十一五”時(shí)期的增長；而“十一五”時(shí)期則主要以建立大型的城鎮(zhèn)，進(jìn)行連片發(fā)展為城市化的發(fā)展方向，因此，MPA顯著大于“十五”期間。

3.2.7 荒漠景觀變化

由表3可知兵團(tuán)荒漠景觀的Pi值各年份間變化不大，但荒漠景觀變得愈來愈復(fù)雜，斑塊的完整性下降，景觀類型總體上變得相對(duì)分散，空間連通性相對(duì)變差，但仍以少數(shù)的大斑塊組成為主。

3.2.8 冰川(永久積雪)景觀變化

兵團(tuán)冰川(永久積雪)景觀受氣候及人類活動(dòng)影響，變得愈來愈復(fù)雜，斑塊的完整性下降，景觀類型總體上變得分散，空間連通性變差。

3.3 兵團(tuán)生態(tài)環(huán)境變化驅(qū)動(dòng)因素分析

驅(qū)動(dòng)因素一般分為2類，自然驅(qū)動(dòng)因素和人為驅(qū)動(dòng)因素。自然驅(qū)動(dòng)因素常在較大的時(shí)空尺度上作用于景觀，它引起大面積的景觀變化，而人為驅(qū)動(dòng)因素包括人口、技術(shù)、政治體制和文化等因素，它們對(duì)景觀的影響在較小尺度上十分重要。由于解譯數(shù)據(jù)時(shí)間尺度較小，因此，僅對(duì)兵團(tuán)變化較劇烈的農(nóng)田、草地和城鎮(zhèn)土地利用類型中人為因素進(jìn)行分析(表4)。

表4 兵團(tuán)人為驅(qū)動(dòng)因子與土地利用指標(biāo)變化[11]

由表4可知，引起兵團(tuán)景觀格局變化的人為驅(qū)動(dòng)因素有：①人口增加和機(jī)械化程度的提高是農(nóng)田面積增加的內(nèi)在動(dòng)力。人口作為影響土地利用變化的主要因素是客觀存在的。如表4所示，兵團(tuán)人口2005年比2000年增加了14.19萬人，而2010年比2005年僅增加0.34萬人，人口增加在一定程度上決定著土地利用類型向農(nóng)田轉(zhuǎn)變。而人口城市化的速度大于人口增加的速度，這在一定程度上限制了農(nóng)田面積的增加。兵團(tuán)結(jié)合自身農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)，不斷提高機(jī)械化水平，農(nóng)業(yè)機(jī)械化面積年均增長率4.66%。由機(jī)械耕地、播種發(fā)展到機(jī)械收割，由機(jī)收小麥、水稻、玉米等發(fā)展到機(jī)收棉花和甜菜等作物，釋放了大量的農(nóng)業(yè)人口。②經(jīng)濟(jì)發(fā)展是兵團(tuán)農(nóng)田和城鎮(zhèn)面積增加，草地面積減少的主要因素。盡管兵團(tuán)一直實(shí)施退耕還林還草政策，兵團(tuán)職工為增加個(gè)體收入仍然進(jìn)行農(nóng)田開發(fā)，其生產(chǎn)總值以每年15.9%的速率遞增，并逐漸由2000年一、二、三產(chǎn)業(yè)的比例40.6∶27.5∶31.9轉(zhuǎn)向2010年的31.6∶35.5∶33.2。這在一定程度上促進(jìn)了兵團(tuán)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)由以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主逐漸向一、二、三產(chǎn)業(yè)并重的方向發(fā)展。追求經(jīng)濟(jì)利益的提高是農(nóng)田和城鎮(zhèn)面積增加、草地面積減少的主要原因。③兵團(tuán)小城鎮(zhèn)建設(shè)的推進(jìn)是城鎮(zhèn)面積不斷增加的動(dòng)力。根據(jù)安瓦爾·買買提明等[12]的統(tǒng)計(jì)，在2000年前沒有文獻(xiàn)涉及到兵團(tuán)小城鎮(zhèn)，而在2004年公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)達(dá)到高峰，說明兵團(tuán)的小城鎮(zhèn)建設(shè)在這一時(shí)期不斷受到專家和領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，在政策上不斷給予扶持，這無疑推動(dòng)了兵團(tuán)城鎮(zhèn)面積及人口的迅速增長。④政策導(dǎo)向是調(diào)節(jié)兵團(tuán)景觀格局變化的有效途徑。由表4中草地面積與農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)值比可以看出，2000—2005年草地減少5.56%，而農(nóng)牧產(chǎn)值比減少23.75%；2005—2010年草地面積減少4.73%，而農(nóng)牧產(chǎn)值比則減少40.08%。兵團(tuán)的退耕還草和畜牧業(yè)補(bǔ)貼等政策在草地景觀格局的變化上起到了至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)論

兵團(tuán)2000—2010年土地利用景觀格局具有3方面特點(diǎn)：

1)兵團(tuán)景觀類型主要由少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成，總體景觀格局變化不大，但景觀要素斑塊形狀趨向于簡單化。

2)草地、農(nóng)田在兵團(tuán)景觀格局構(gòu)成中占據(jù)主導(dǎo)地位，其中以草地占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。2010年農(nóng)田和城鎮(zhèn)面積比2000年分別增加29.85%和24.09%。草地、灌叢和冰川(永久積雪)呈現(xiàn)不斷減少的趨勢(shì)。

3)兵團(tuán)農(nóng)田景觀變化主要受人口和農(nóng)業(yè)機(jī)械化影響，城鎮(zhèn)景觀變化的主要影響因素是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和兵團(tuán)小城鎮(zhèn)建設(shè)，而政策導(dǎo)向是調(diào)節(jié)兵團(tuán)景觀格局變化的有效途徑。

[1] 史培軍.人地系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的現(xiàn)狀與展望[J].地學(xué)前緣，1997，4(1-2)：201-202.

[2] 許慧，王家驥.景觀生態(tài)學(xué)的理論與應(yīng)用[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1993：129-209.

[3] 朱會(huì)義，李秀彬.關(guān)于土地利用變化指數(shù)模型方法的討論[J].地理學(xué)報(bào)，2003，58(5)：643-650.

[4] 周月敏，王建華，馬安青，等.基于遙感和地理信息系統(tǒng)的臨澤縣土地利用動(dòng)態(tài)變化分析[J].中國沙漠，2003，23(2)：142-146.

[5] 趙文武，傅伯杰，陳利頂.景觀指數(shù)的粒度變化效應(yīng)[J].第四紀(jì)研究，2003，23(3)：326-333.

[6] 吳波，慈龍駿.毛烏素沙地景觀格局變化研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，21(2)：191-196.

[7] 肖篤寧，李秀珍，高峻.景觀生態(tài)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2003：139-144.

[8] 徐建華，岳文澤，談文琦.城市景觀格局尺度效應(yīng)的空間統(tǒng)計(jì)規(guī)律——以上海中心城區(qū)為例[J].地理學(xué)報(bào)，2004，159(6)：1 058-1 067.

[9] 陳文波，肖篤寧，李秀珍.景觀指數(shù)分類、應(yīng)用及構(gòu)建研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13(1)：121-125.

[10] 李秀珍，布仁椰，常禹，等.景觀格局指標(biāo)對(duì)不同景觀格局的反應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24(1)：123-133.

[11] 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)局.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒(2001—2011)[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社.

[12] 安瓦爾.買買提明，張仲伍.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)小城鎮(zhèn)研究綜述[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，29(4)：25-30.