石羊河下游民勤土地利用及景觀格局動(dòng)態(tài)分析

陳 杰, 楊太保, 何 毅

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 冰川與生態(tài)地理研究所, 蘭州 730000)

石羊河下游民勤土地利用及景觀格局動(dòng)態(tài)分析

陳 杰, 楊太保, 何 毅

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 冰川與生態(tài)地理研究所, 蘭州 730000)

基于遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺(tái)，以石羊河下游民勤縣1991和2011年遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，分析了研究區(qū)20 a來各土地利用景觀類型的變化特征，并從水土保持角度出發(fā)，利用斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊所占景觀面積的比例(LPI)、平均斑塊面積(MPS)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)及分離度(Fi)7種景觀指數(shù)對(duì)沙漠、重鹽堿地、植被和輕鹽堿地的斑塊變化進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：(1) 該區(qū)域以沙漠化景觀為主，且20 a來鹽堿地和植被均有所減少，沙漠化擴(kuò)張；(2) 1991—2011年期間，區(qū)域整體景觀格局的景觀破碎化程度減小，景觀的異質(zhì)化程度呈下降趨勢(shì)，表明該區(qū)整體景觀格局將有利于向水土保持方向發(fā)展。(3) 各土地利用類型的景觀格局動(dòng)態(tài)分析都顯示植被破碎化程度加劇，人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域植被的干擾程度較大。

石羊河下游; 景觀格局; 動(dòng)態(tài)分析; 土地利用

近年來，在以GIS和RS為代表的新技術(shù)支持下，對(duì)景觀動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行大尺度生態(tài)監(jiān)測(cè)和建模研究成為景觀生態(tài)學(xué)的新熱點(diǎn)[1-2]。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的景觀動(dòng)態(tài)變化研究[3-6]大多采用RS與GIS相結(jié)合的手段，其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)合RS與GIS技術(shù)對(duì)景觀格局進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，可以快速地分析出景觀斑塊的轉(zhuǎn)移和變化，揭示其變化規(guī)律，并以科學(xué)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)為調(diào)控手段，為景觀規(guī)劃和管理提供理論依據(jù)。景觀空間格局是大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列，它既是景觀異質(zhì)性的重要表現(xiàn)，又是各種生態(tài)過程在不同尺度上相互作用的結(jié)果[7-9]。用景觀指數(shù)描述景觀格局及變化，建立格局與景觀過程之間的聯(lián)系，是景觀生態(tài)學(xué)最常用的定量化分析方法[10]。目前景觀格局的研究成果主要集中于兩個(gè)方面：一是靜態(tài)的格局分析，主要探討景觀的空間異質(zhì)性問題[11]；二是在相對(duì)穩(wěn)定的地域空間上，探討景觀格局隨時(shí)間的變化情況，即時(shí)間異質(zhì)性問題。

石羊河下游民勤地區(qū)風(fēng)蝕嚴(yán)重，沙化面積和荒漠草原枯死面積逐年擴(kuò)大，生物多樣性等生態(tài)環(huán)境問題日益突出，逐漸引起人們的重視。為了加強(qiáng)石羊河下游民勤的生態(tài)環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，首先需要了解該地區(qū)的土地利用現(xiàn)狀，認(rèn)識(shí)區(qū)域景觀格局特征及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，分析人類活動(dòng)對(duì)景觀格局及生態(tài)過程的影響，在此基礎(chǔ)上努力探索該區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)與資源環(huán)境的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，尋求可持續(xù)發(fā)展的途徑[12-13]。本文以石羊河下游民勤為研究對(duì)象，在RS與GIS技術(shù)的支持下，利用景觀格局指數(shù)定量分析該區(qū)域1991—2011年的景觀格局的動(dòng)態(tài)變化，揭示其景觀時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的演變規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

1 材料與方法

民勤位于甘肅省西北部，河西走廊東北部，石羊河流域下游(102°45′—103°55′E，38°20′—39°10′N)。東西北三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，毗鄰武威、金昌和內(nèi)蒙古左右旗。該區(qū)境內(nèi)地勢(shì)平坦，總面積1.6萬 km2，全縣總?cè)丝?7.43萬人，常住人口24.13萬人，其土地類型主要由沙漠、鹽堿地和綠地構(gòu)成，土壤主要為灰鈣土、灰漠土、綠洲灌淤土、草甸土、荒漠林土、鹽土、風(fēng)沙土等類型。多年平均降水量110 mm，蒸發(fā)量2 644 mm，光照豐富，熱量充足，全年日照時(shí)數(shù)3 208 h，晝夜溫差大，平均相對(duì)濕度45%，濕潤(rùn)系數(shù)0.66，平均氣溫為7.8℃，最高氣溫38.1℃，風(fēng)沙大，盛行西北風(fēng)，平均風(fēng)速2.8 m/s，最大風(fēng)速31 m/s，是我國(guó)干旱、荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是我國(guó)沙塵暴四大源區(qū)之一。沙漠以每年8～10 m的速度向綠洲推進(jìn)，最大處每年超過120 m，大片綠洲淪為不毛之地，沙漠區(qū)內(nèi)的喬、灌木及大片草甸萎縮、枯死，固沙能力減弱，覆蓋率降低，綠洲已由過去的阻沙天塹變?yōu)樯吃?，水干風(fēng)起，沙逼人退。如今，綠洲在水資源短缺和沙害的影響下，生態(tài)環(huán)境日益惡劣，直接威脅著綠洲的存亡。

1.1 景觀源數(shù)據(jù)

選取石羊河下游1991年和2011年Landsat TM影像數(shù)據(jù)，行列號(hào)為131/33,日期分別為1991-6-25和2011-6-24，波段組成為4,3,2 ( RGB) ，空間分辨率為30 m ，影像無云遮蓋，清晰易解譯。同期的遙感資料我們還選擇了1992-7-29和2011-7-26的遙感影像作為對(duì)比進(jìn)行圖像解譯，以便解譯數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 景觀類型劃分與遙感解譯 結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，參照國(guó)家《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[14]中的分類標(biāo)準(zhǔn)，擬將研究區(qū)分為沙漠、重鹽堿地、植被和輕鹽堿地4種土地利用類型。

圖像經(jīng)過幾何糾正、坐標(biāo)變換和增強(qiáng)處理后，在ENVI中，根據(jù)解譯時(shí)建立的解譯標(biāo)志和影像中地物的光譜特征來選取各類型的典型區(qū)域建立監(jiān)督分類的樣本[15]，采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類[16]。由于在分類的過程中難免會(huì)產(chǎn)生一些小圖斑，需要對(duì)小圖斑進(jìn)行剔除和重新分類，用聚類將周圍的小圖斑合并到大類中，用過濾剔除不符合的小圖斑；最后進(jìn)行人工目視解譯。借助GIS對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，同時(shí)利用統(tǒng)計(jì)分析工具得到各種土地利用類型的定量信息，在GIS疊置分析功能的支持下，對(duì)四種土地利用類型進(jìn)行變化檢測(cè)，已達(dá)到對(duì)研究區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究的目的，確立解譯標(biāo)志和解譯精度。根據(jù)利用遙感技術(shù)開展土地資源分類調(diào)查及可能達(dá)到的規(guī)定精度，對(duì)低于應(yīng)用陸地衛(wèi)星TM圖像并配合采用細(xì)小地物成數(shù)抽樣方法量測(cè)達(dá)到預(yù)期精度的地類，均不能單獨(dú)列入分類系統(tǒng)。通過野外調(diào)繪、核實(shí)，本文遙感解譯精度為 96.7%。

1.2.2 景觀空間格局分析 石羊河下游景觀格局分析是在ArcGIS 10.0和 FRAGSTAT 3.3的聯(lián)合使用下完成的，在ArcGIS 10.0平臺(tái)支持下，首先將矢量格式的景觀類型分布圖轉(zhuǎn)換成柵格格式，然后再進(jìn)行不同時(shí)段的景觀格局分析。

1.3 分析指標(biāo)選取

目前已經(jīng)有大量的景觀格局指數(shù)用于描述不同尺度和不同方面的景觀格局特征，但景觀格局指標(biāo)的相關(guān)性和冗余性也受到生態(tài)學(xué)研究者的廣泛重視。根據(jù)前人[17]的研究經(jīng)驗(yàn)，本文從景觀水平和類型水平兩種尺度對(duì)石羊河下游的景觀結(jié)構(gòu)及其變化進(jìn)行分析。由于缺少判據(jù)斑塊核心面積和邊緣寬度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因而不適合計(jì)算邊緣指標(biāo)和核心面積指標(biāo)及一部分鄰近指標(biāo)；同時(shí)還排除了一部分相關(guān)性很高的指標(biāo)；最后從FRAGSTATS軟件中選取了能夠確保計(jì)算精度的7個(gè)指標(biāo)(表1)，景觀水平上選取斑塊數(shù)(NP)、平均斑塊面積(MPS)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)和分離度(Fi)5個(gè)指標(biāo)；類型水平上選取斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊面積(MPS)4個(gè)指標(biāo)。所選指標(biāo)及其意義如表1所示。

表1 景觀格局指數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀要素類型面積變化

研究區(qū)總面積為940.92 km2，1991年和2011年均以沙漠和植被為主，兩種土地利用類型占總面積的近80%，鹽堿地所占比例較小(圖1)，由此反映出該區(qū)域沙漠分布和植被覆蓋率較高。

圖1 不同景觀類型面積分布及所占比例

從表2可以看出，近20 a間，研究區(qū)內(nèi)各類景觀要素的面積發(fā)生了很大變化，沙漠面積增幅較大，所占總面積的比例由1991年的48.49%增加到2011年的54.60%，重鹽堿地大幅度的降低，由1991年的127.62 km2減少到2011年的89.53 km2,凈減38.09 km2,所占面積的比例由1991年的13.56%迅速下降到2011年的9.52%，植被和輕鹽堿地均有所減少。從變化數(shù)量看，在沙漠面積顯著增加的同時(shí)植被面積明顯減少，20 a間沙漠增加了57.49 km2，平均每年增加2.87 km2，同期植被減少了13.56 km2，平均每年減少0.68 km2；其原因是該區(qū)降水稀少，導(dǎo)致土地不能被充分的開發(fā)利用，植被減少則是由人類活動(dòng)破壞造成的。鹽堿地的減少，意味著土地被開發(fā)利用或是進(jìn)一步退化為沙漠；從土地利用景觀類型年變化率來看：重鹽堿地年變化率最大，平均每年減少1.49%，其次是沙漠，平均每年增加0.63%。

表2 1991-2011年不同景觀類型的變化

2.2 區(qū)域整體的景觀格局動(dòng)態(tài)分析

在景觀水平上，斑塊密度是評(píng)價(jià)景觀完整性和破碎化的重要指標(biāo)之一，其數(shù)量的大小可以反映景觀破碎化程度及空間異質(zhì)性大小，數(shù)值越大說明破碎程度越大。平均斑塊面積也是評(píng)價(jià)景觀破碎化程度的指標(biāo)之一，它與斑塊數(shù)量及斑塊的總面積有關(guān)，與破碎化呈反相關(guān)，平均斑塊面積越大，則破碎度越低。從研究區(qū)總體景觀格局來看(表3)，1991—2011年，斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)和最大斑塊面積百分比(LPI)分別由1991年的343，0.362 1，35.57變?yōu)?011年的252，0.271 4，31.40，逐漸減少，減少比率分別為26.53%，25.05%，11.72%；而平均斑塊面積(MPS)大幅度增加，增加比率為26.72%；香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)在研究時(shí)間段內(nèi)分別減少了0.080 3和0.057 9，這些景觀指數(shù)的變化表明研究區(qū)域內(nèi)景觀類型的豐富程度和均勻程度在下降，優(yōu)勢(shì)景觀在上升，破碎度降低，對(duì)區(qū)域生態(tài)起調(diào)節(jié)作用的主要景觀類型對(duì)區(qū)域的生態(tài)調(diào)節(jié)作用在增強(qiáng)。20 a間研究區(qū)景觀破碎化程度逐漸減小，景觀的異質(zhì)化程度呈下降趨勢(shì)，表明在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化水平快速推進(jìn)的背景下，人類對(duì)區(qū)域景觀的干擾程度下降。代表自然生態(tài)系統(tǒng)的土地覆被類型大幅度增加，從而使自然生態(tài)環(huán)境的凈化和維系能力上升，適于生物生存，物種的繁殖擴(kuò)散遷移都得到了很好的保護(hù)。

表3 景觀級(jí)別指數(shù)動(dòng)態(tài)變化

注：NP為斑塊個(gè)數(shù)；PD為斑塊密度；LPI為最大斑塊指數(shù)；MPS為平均斑塊面積；SHEI為香農(nóng)均勻度指數(shù)；SHDI為香農(nóng)多樣性指數(shù)。

2.3 景觀要素類型格局動(dòng)態(tài)分析

各景觀要素的格局指數(shù)及其變化情況見圖2。沙漠是石羊河下游地區(qū)主要的景觀類型，其面積占到整個(gè)研究區(qū)面積的50%，在這20 a間，各類型的景觀格局發(fā)生了改變。

圖2 不同時(shí)期各景觀要素類型格局指數(shù)動(dòng)態(tài)

(1) 斑塊數(shù)量(NP)分析。由圖2a可以看出，沙漠NP較小且有變小的趨勢(shì)，由1991年的14變?yōu)?011年的9，說明沙漠破碎化程度較低，表明受人類活動(dòng)干擾較小，這與現(xiàn)實(shí)相符合，由于沙漠地區(qū)人類無法生活，很少受到人類的影響；植被和輕鹽堿地NP較大但也逐年減小,1991年分別為73，154，到2011年變?yōu)?11，52；說明破碎化程度較高，受人類活動(dòng)影響較大；從1991—2011年，植被NP增大，增率34.23%；反映出植被破碎化程度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其主要是因?yàn)槿祟悮Я珠_荒等活動(dòng)的影響，導(dǎo)致植被斑塊破碎化程度加劇。沙漠、重鹽堿地和輕鹽堿地都是NP減少，表明其破碎化程度下降。

(2) 斑塊密度(PD)分析。由圖2b可以看出，重鹽堿地、植被和輕鹽堿地的平均斑塊密度較高，其值在1991年分別為0.108 4，0.077 6，0.163 7,都在0.1左右，2011年分別為0.084 8，0.117 7，0.055 1；表明這幾類景觀破碎化程度較大。研究時(shí)段內(nèi)，植被斑塊密度指數(shù)增大了0.040 1，呈上升趨勢(shì)，植被破碎化程度加劇；重鹽堿地、沙漠和輕鹽堿地的平均斑塊密度都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降率為21.77%，36.24%，66.34%，其中輕鹽堿地變率最大；說明景觀破碎化程度減弱，表明了總體景觀組織活力較好，景觀與生物多樣性高，景觀格局復(fù)雜。

(3) 最大斑塊所占景觀面積的比例(LPI)分析。由圖2c可以看出，1991—2011年期間，植被的最大斑塊所占景觀面積的比例大幅度增加，從1991年的10.48變?yōu)? 011的25.96，說明受到人類活動(dòng)的影響最大；重鹽堿地和輕鹽堿地都有不同程度的減少，沙漠小幅度上升，在20 a間增加了6.22。

(4) 平均斑塊面積(MPS)分析。從整體上看圖2d，除沙漠外，其它類型平均斑塊面積較低，在2.5左右；20 a間，除植被平均斑塊面積有1991年的3.54減小到2011年的2.21，減少了1.33以外，其他景觀要素都是增加，也表明植被的破壞化程度較高。

(5) 分離度(Fi)分析。其描述景觀類型中不同斑塊個(gè)體分布的分離程度。經(jīng)公式計(jì)算可知，在1991年，研究區(qū)域內(nèi)斑塊類型的分離度較大的是鹽堿地，其值分別為輕鹽堿地5.963 0，重鹽堿地3.295 7，分離度最小的斑塊是沙漠 0.180 6?？梢?，研究區(qū)域內(nèi)各景觀的分離程度差異較大，鹽堿地在整個(gè)地域空間上常呈孤立的散點(diǎn)狀, 被其他類型斑塊所隔離，故其值較大。沙漠面積較大，且分布較集中連片，分離度較小。從變化幅度來看，植被的分離度從0.967 4增加到1.293 4，從而反映出植被的破壞程度加劇。

綜上所述，從各景觀要素的格局指數(shù)及其變化分析可知，植被破碎化程度加劇，表明在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化水平快速推進(jìn)的背景下，人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域植被的干擾程度逐漸增加，植被遭到大量破壞。

3 討論與結(jié)論

景觀格局、功能和變化是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果，自然因素常常是在較大時(shí)空尺度上作用于景觀。研究區(qū)域內(nèi)各景觀類型面積轉(zhuǎn)移的主要去向是沙漠。民勤處于風(fēng)沙沿線的前沿地帶。據(jù)氣象資料，民勤地區(qū)20世紀(jì)90 a代以來8級(jí)以上大風(fēng)月平均29日，最大風(fēng)力11級(jí)，年均風(fēng)沙日數(shù)達(dá)139日。另?yè)?jù)《民勤縣生態(tài)環(huán)境綜合治理情況匯報(bào)》，綠洲風(fēng)沙危害性近10 a來日益加劇，流沙每年以3～4 m的速度向綠洲腹部逼近，個(gè)別地段風(fēng)沙前移速度高達(dá)8～10 m。從理論上講，由于風(fēng)沙化的存在，綠洲中與沙地相鄰的耕地斑塊存在著一定的風(fēng)蝕潛在危險(xiǎn)性。其相鄰斑塊邊界的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，數(shù)量越多，土壤風(fēng)蝕的潛在危險(xiǎn)性越大。從遙感影像上看到1991—2011年期間綠洲邊緣地帶大量開荒造成了一些零星分布于半固定沙丘中的，沒有防護(hù)林體系保護(hù)耕地的存在，面臨沙害的危險(xiǎn)性很大。經(jīng)遙感影像解譯所得到的景觀變化結(jié)果可知：由于景觀斑塊類型的空間變化，使得各灌區(qū)植被斑塊體與沙地斑塊體相鄰邊界長(zhǎng)度與條數(shù)，呈現(xiàn)出逐年增加的發(fā)展趨勢(shì)。加之在地表水逐年減少和人類不合理的土地利用雙重作用下，最終導(dǎo)致持續(xù)超采地下水，破壞地下水的采補(bǔ)平衡、引起地下水埋深大幅度下降，進(jìn)而破壞植被和鹽堿地的防護(hù)體系，從而引發(fā)了植被和鹽堿地整體水平的逐年下降。

通過GIS和RS平臺(tái)，利用遙感數(shù)據(jù)結(jié)合景觀指數(shù)分析了石羊河下游民勤20 a景觀格局動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果表明：

(1) 石羊河下游地區(qū)的組成不合理，沙漠景觀所占面積的比率嚴(yán)重偏高；并且20 a來鹽堿地和植被面積均有所減少，而沙漠面積增加，沙漠化加劇。

(2) 1991—2011年，區(qū)域整體的景觀格局景觀破碎化程度逐漸減小，景觀的異質(zhì)化程度呈下降趨勢(shì)，表明研究區(qū)的整體景觀格局將有利于向水土保持方向發(fā)展。

(3) 各景觀要素類型格局動(dòng)態(tài)分析都顯示植被破碎化程度加劇，由于人為活動(dòng)的影響，研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境難以維持其穩(wěn)定性，因此，加大景觀格局的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可以進(jìn)一步指導(dǎo)區(qū)域的土地利用規(guī)劃，并為其生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

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AnalysisonDynamicCharacteristicsofLandscapePatternsinMinqinofShiyangRiverDownstream

CHEN Jie, YANG Tai-bao, HE Yi

(InstituteofGlaciologyandEcogeography,CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

The spatiotemporal changes of land use and cover of Minqin county in the lower reaches of Shiyang River during 1991 and 2001 were analyzed quantitatively by taking Landsat TM images as data sources and based on GIS and RS. At the same time, NP， PD，LPI ，MPS，SHDI, SHEI and Fi were used to analyze and evaluate the patch changes of desert，heavy saline soil，vegetation and saline-alkali soil. Analyses indicated that :(1) desertification landscapes counted for the largest proportion in the region, the proportion of saline-alkali soil and vegetation reduced in recent 20 years, while desertification expanded; (2) the overall regional landscape pattern and landscape fragmentation decreased and the degree of landscape heterogeneity decreased during 1991—2011, which indicated that the overall landscape pattern would be conducive to soil and water conservation; (3) various types of pattern analysis on landscape elements showed that levels of fragmentation of vegetation had been increasing, indicating that impacts of human activities on regional vegetation degree of interference were great.

Shiyang River downstream; landscape; dynamic analysis; land use

2014-01-15

：2014-03-05

國(guó)家自然科學(xué)項(xiàng)目“黃河上游晚更新世河流階地和冰川演化對(duì)千年尺度氣候變化的響應(yīng)”(41271024)

陳杰(1990—),男,甘肅張掖人,碩士,研究方向?yàn)镚IS和RS應(yīng)用。E-mail:chenjie12@lzu.cn

楊太保(1962—),男,山西平陸人,博士,教授,博導(dǎo),主要從事自然地理環(huán)境變化研究。E-mail：yangtb@lzu.edu.cn

F321.1P901;X171.1

：A

：1005-3409(2014)06-0251-05