瑪納斯河流域景觀格局演變特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

姜亮亮, 劉海隆, 包安明, 任艷群, 安小艷

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院, 新疆 石河子 832000; 2.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 烏魯木齊 830011)

瑪納斯河流域景觀格局演變特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

姜亮亮1, 劉海隆1, 包安明2, 任艷群1, 安小艷1

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院, 新疆 石河子 832000; 2.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 烏魯木齊 830011)

干旱區(qū)景觀格局演變特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析對(duì)區(qū)域水土資源可持續(xù)利用具有重要意義，選擇了西北干旱區(qū)水土開發(fā)的典型區(qū)域瑪納斯河流域，基于GIS/RS技術(shù)對(duì)研究區(qū)的1990，2000，2005，2010年TM影像數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類處理，運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的原理分別從類型水平和景觀水平上計(jì)算出8個(gè)景觀指數(shù)，探討景觀格局變化以及其驅(qū)動(dòng)力。結(jié)果表明：(1) 研究區(qū)草地和未利用土地的優(yōu)勢(shì)逐漸減小，耕地的優(yōu)勢(shì)逐漸上升，景觀多樣性升高，優(yōu)勢(shì)度下降，趨于分離、破碎化方向發(fā)展。(2) 人類活動(dòng)使草地和未利用土地轉(zhuǎn)為耕地，類型轉(zhuǎn)化逐漸由雙向轉(zhuǎn)化逐漸趨向于單向轉(zhuǎn)化，草地面積的變化和聚集度指數(shù)成線性關(guān)系，草地面積每減少1%，聚集度作出減少0.66的響應(yīng)。(3) 降水與氣溫都有明顯的增長，前十年的永久冰川雪地的最大斑塊指數(shù)和聚集度下降的幅度，均大于后十年，響應(yīng)了M-K趨勢(shì)分析“降雨、氣溫和徑流的突變點(diǎn)都集中在1995年左右”。最后提出需要合理規(guī)劃流域土地利用模式和水資源配置方案，不能擠占生態(tài)用水，要實(shí)現(xiàn)水土資源的合理開發(fā)。

瑪納斯河流域; 景觀格局; 人類活動(dòng); 氣候; MK趨勢(shì)分析

景觀格局變化是指景觀結(jié)構(gòu)、功能、空間格局隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化情況，一直是景觀生態(tài)學(xué)中研究熱點(diǎn)[1-4]，但其變化的驅(qū)動(dòng)力研究較少。干旱區(qū)的綠洲是干旱區(qū)最敏感的部分，是人類在荒漠背景下局部優(yōu)化的生存環(huán)境，是干旱區(qū)能流、物流最集中的場(chǎng)所，也是干旱區(qū)的精華所在[5-7]。隨近幾十年人類活動(dòng)的加強(qiáng)和氣候的變化，景觀格局有哪些變化？景觀格局的變化引發(fā)哪些生態(tài)環(huán)境的變化？明確這些，對(duì)區(qū)域水土資源可持續(xù)利用具有重要意義，尤其在干旱區(qū)。景觀格局的演變研究最初起源于歐洲，70，80年代，“3S”技術(shù)(GIS、RS和GPS)的出現(xiàn)和發(fā)展，推動(dòng)了景觀及其變化的深入和精確研究[8-10]。近10 a我國才對(duì)干旱區(qū)的景觀格局展開研究[11-14]，但氣候因子對(duì)景觀格局的影響研究較少。

瑪納斯河流域由于耕地的快速增長導(dǎo)致生態(tài)用水的急劇變化，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了重要影響，比如瑪納斯湖的逐漸萎縮造成數(shù)十種珍稀的沙漠物種消失。因而開展該流域的景觀格局的研究，明確氣候及人類活動(dòng)對(duì)其的影響，成為整個(gè)流域建設(shè)和管理的當(dāng)務(wù)之急。本文借助于遙感和GIS技術(shù)，利用TM數(shù)據(jù)解譯出1990，2000，2005，2010年四期土地利用分類圖，基于景觀格局理論，研究近20 a瑪納斯河流域景觀格局的變化，分析土地利用變化和流域上游的站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，探討氣候和人類活動(dòng)對(duì)景觀生態(tài)有著哪些具體的影響，為今后瑪納斯河流域的水土資源的合理開發(fā)與實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[15-16]。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域85°01′—86°32′E，43°27′—45°21′N，位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地西南部，西南部分別相鄰于準(zhǔn)噶爾盆地邊緣和著名的天山山脈。最高海拔5 242.5 m，平原區(qū)海拔300～500 m[17]，地形南高北低，山區(qū)和平原各半。地處天山北坡經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)核心地帶，流域總面積8.432萬km2，截止到2010年人口數(shù)達(dá)到99.73萬人。該流域?qū)儆诘湫偷拇箨懶詺夂?，夏季炎熱冬季寒冷，年均氣?.8℃，年降水量在110～200 mm。

流域水系主要由瑪納斯河、塔西河、金溝河、寧家河、大、小南溝河和巴音溝河等河流構(gòu)成。整個(gè)水系河流出山口后，流速變緩，泥砂大量堆積，形成了較平緩的洪積沖積扇。洪積沖積扇平原容易被人類加以改造利用，目前流域主要景觀類型為：草地、未利用土地和耕地，占全流域的90%左右。景觀格局的可變性比較大?，敿{斯河上游設(shè)有肯斯瓦特水文站。海拔910 m的肯斯瓦特為瑪納斯河干、支流匯合后的控制站，控制面積為4 637 km2[18]，流域水資源經(jīng)過多年的開發(fā)，有利于耕地的擴(kuò)張，景觀格局發(fā)生改變，現(xiàn)在瑪納斯河流域是中國第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文采用瑪納斯河流域土地利用數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為1990—2010年，共分為4個(gè)時(shí)間段：1990年7月、2000年8月、2005年8月和2010年7月，均采用分辨率為30 m的Landsat TM遙感影像，另有一期1∶100 000地形圖。以地形圖作為主控?cái)?shù)據(jù)源，將2005年TM數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，根據(jù)不同土地覆蓋類型的影像色調(diào)、紋理等特征，建立相應(yīng)的遙感解譯的特征變量，利用易康軟件進(jìn)行人機(jī)交互式判讀分析。根據(jù)研究的需要，將研究區(qū)土地利用分為9個(gè)類型: 耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地(城鄉(xiāng)、工礦、居民用地)、未利用土地、鹽堿地、永久冰川雪地和濕地。以2005年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)其它年份的影像進(jìn)行人工糾正，獲得不同時(shí)段土地利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)各土地利用類型的解譯精度均達(dá)到85%以上，能夠滿足大區(qū)域宏觀土地利用及流域景觀格局分析的需要。

為了分析氣候變化對(duì)流域景觀格局的影響，收集瑪納斯河流域出山口的肯斯瓦特站1980—2010年的氣象水文資料，用M-K檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 研究方法

對(duì)于景觀格局分析，許多的定量指標(biāo)已提出，本文結(jié)合本研究區(qū)的特點(diǎn)，類型水平上，選用斑塊個(gè)數(shù)(PN)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和聚集度(AI)。景觀水平上，選用香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(DI)、分離度指數(shù)(SPLIT)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和形狀指數(shù)(LSI)分析景觀結(jié)構(gòu)與空間變化。由于景觀指數(shù)較多，相關(guān)教程有詳細(xì)表述[19]，本文不再復(fù)述。通過在解譯出的土地利用分類的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用Fragstats 3.3軟件計(jì)算出各指數(shù)值。為了分析氣候變化對(duì)景觀格局的影響，本文使用的數(shù)據(jù)分析方法主要為Mann-Kendall[20]非參數(shù)檢驗(yàn)，包括突變檢驗(yàn)和長期趨勢(shì)檢驗(yàn)，用于分析氣溫、降水和徑流序列的突變檢測(cè)和長期趨勢(shì)對(duì)景觀格局的響應(yīng)。

(1) 香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)在生態(tài)學(xué)中應(yīng)用很廣泛，SHDI是一個(gè)敏感的指標(biāo)，如果研究區(qū)的土地利用程度與破碎度程度越高，計(jì)算出的SHDI也就越大。

(1)

(2) 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(DI)主要描述所占面積比例大的幾個(gè)景觀類型的的控制程度，值越小，表示各景觀類型所占的面積大致相等；值越大，說明景觀中某一類型或少數(shù)占大部分面積；

(2)

(3) 分離度指數(shù)(SPLIT)反映整體斑塊的離散程度，能夠反應(yīng)研究區(qū)空間變化的一個(gè)重要指標(biāo)，其值隨著景觀的細(xì)分而增加。

(3)

(4) 最大斑塊指數(shù)(LPI)等于某一類型或整個(gè)景觀中的最大斑塊占據(jù)整個(gè)景觀面積的比例，類型水平上其值的大小決定著景觀中的優(yōu)勢(shì)類型，可以反映人類活動(dòng)的方向和強(qiáng)弱。

(4)

式中：Ak——第k個(gè)景觀面積；A——研究區(qū)域總面積；Hmax——最大多樣性指數(shù)；m——景觀類型數(shù)目；n——某一類型的斑塊個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 瑪納斯河流域土地利用變化特征分析

利用易康軟件對(duì)研究區(qū)Landsat TM遙感影像解譯得到4期土地利用分類圖，然后在ArcGIS環(huán)境下對(duì)分類圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出各類型的面積(圖1)。

圖1 瑪納斯河流域土地利用空間格局

從圖1中可以看出，土地利用變化比較顯著，尤其是下游的瑪納斯湖，湖水面積逐漸縮小，最后干涸轉(zhuǎn)變成鹽堿地。1990—2010年耕地的面積增加了3 522.86 km2，建設(shè)用地(城鄉(xiāng)、工礦、居民用地)增加了一倍多，其中水域、濕地、未利用土地和永久冰川雪地都有明顯的減少，20 a期間，從空間上看，土地利用變化區(qū)域在瑪納斯、石河子和沙灣沿線繼續(xù)擴(kuò)大并向北部沙漠伸展，區(qū)域需水量不斷增加，導(dǎo)致濕地和水域等大量的萎縮，流域農(nóng)業(yè)用水?dāng)D占生態(tài)用水比較嚴(yán)重。

1990—2000年10 a間各景觀都發(fā)生了巨大的變化，各類型之間轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出很頻繁，而且量比較大。其中耕地和建設(shè)用地的增加的比較明顯，有1 792.03 km2的草地和529.88 km2的未利用土地轉(zhuǎn)為耕地，建設(shè)用地面積的增加的主要來源于草地和耕地。水域面積減少了21.26%，主要轉(zhuǎn)為草地和鹽堿地，瑪納斯湖周圍的鹽堿地斑塊逐漸變大。濕地萎縮的比較嚴(yán)重，濕地農(nóng)田化的面積為43.88 km2，和草地的相互轉(zhuǎn)化幾乎平衡。這10 a氣候變化導(dǎo)致永久冰川雪地面積退縮比較多，2000—2010年間(表1)，各類型之間的轉(zhuǎn)化有減緩的趨勢(shì)，耕地延續(xù)其穩(wěn)定增長態(tài)勢(shì)，建設(shè)用地的增速有所放緩，草地的減少最為顯著，1 559.81 km2的草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍，敿{斯湖幾乎干涸，變成鹽堿地。總之，類型的轉(zhuǎn)化逐漸從雙向轉(zhuǎn)化趨向單向轉(zhuǎn)化，前10 a的景觀格局變化幅度大于后10 a，其主要原因是20世紀(jì)90年代新疆建設(shè)兵團(tuán)占用了大量的草地和未利用土地進(jìn)行大規(guī)模的土地開發(fā)和房屋建設(shè)。

表1 2000-2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 瑪納斯河流域景觀格局變化

3.2.1 類型景觀指數(shù)分析 從類型水平上分析景觀格局指數(shù)，可以從不同類型的角度分析每個(gè)類別斑塊格局變化，能夠更深入地認(rèn)識(shí)和理解瑪納斯河流域景觀格局的變化規(guī)律。為此，計(jì)算了流域4期類型水平上的斑塊個(gè)數(shù)(PN)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和聚集度(AI)。

從各類型的斑塊統(tǒng)計(jì)結(jié)果上來看，總的斑塊數(shù)從1990年的20 705個(gè)增加到2005年的21 916個(gè)，2005年后，略有減少。單個(gè)景觀類型上(圖2)，草地的斑塊數(shù)減少的明顯，建設(shè)用地有大幅度增加，耕地1999—2000年增加的幅度比較大，增加了246個(gè)斑塊。可見近20 a來，在人類活動(dòng)的影響下，瑪納斯河流域景觀格局發(fā)生了較大變化，流域景觀破碎化程度逐漸變大。

進(jìn)一步分析斑塊空間格局變化過程，從聚集度(表2)上看，變化較大的是水域和建設(shè)用地，水域從1990年的84.77減少到2010年的75.62，說明水域的分離程度變大，原因在于滿足灌溉的需要，期間新建了許多水庫，導(dǎo)致水域的分離度變大。建設(shè)用地10 a間減少了6.02，主要是因?yàn)槭幼邮?、沙灣縣和瑪納斯縣的人口不斷增加和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，導(dǎo)致人們

對(duì)房屋居住和糧食作物的需求擴(kuò)大，從而引起新的城鄉(xiāng)工礦居民地的出現(xiàn)。由于草地和未利用土地是耕地和建設(shè)用地的主要來源，草地和未利用土地所占的面積大，所以聚集度有少量的減少。從最大斑塊指數(shù)中，可以看出，耕地斑塊數(shù)增加2.91倍，空間上成連片的趨勢(shì)，耕地的面積以每5年增加880.72 km2的速度增加，圖2中斑塊數(shù)目增加的很緩慢，后10 a幾乎沒有增加，也驗(yàn)證了這一趨勢(shì)。水域、濕地、未利用土地和永久冰川雪地都有縮小，空間上分割的趨勢(shì)，水域最大斑塊縮小和鹽堿地的增加，正是瑪納斯湖萎縮，逐漸變成鹽堿地的原因(圖1)，耕地的大量開墾和氣候的變化導(dǎo)致后2者的變化。

圖2 景觀類型數(shù)目表2 類型水平上景觀指數(shù)

景觀類型1990年最大斑塊指數(shù)聚集度2000年最大斑塊指數(shù)聚集度2005年最大斑塊指數(shù)聚集度2010年最大斑塊指數(shù)聚集度草地16.8396.5317.0096.2016.9696.2517.0495.30耕地2.8795.287.9092.679.0593.2311.2194.40建設(shè)用地0.1689.350.2882.200.3082.230.3583.29水域0.2484.770.1682.430.0675.890.0675.62濕地0.0590.690.0486.500.0487.080.0486.91林地0.1888.130.1180.220.1180.700.1181.15未利用土地44.6698.9242.6798.4741.4798.2941.2598.24鹽堿地0.3995.340.8096.101.0697.131.0396.91永久冰雪地1.1394.060.6992.090.6891.410.6891.45

3.2.2 整體景觀指數(shù)分析 選取了香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(DI)、分離度指數(shù)(SPLIT)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和形狀指數(shù)(LSI)。分析景觀格局指數(shù)，可以從整個(gè)流域的角度反映人類活動(dòng)的方向和強(qiáng)弱。

20 a來，瑪納斯河流域香農(nóng)多樣性逐漸遞增，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)逐漸遞減(圖3)，從圖中看出折線接近對(duì)稱，二者的變化趨勢(shì)說明整個(gè)流域的景觀異質(zhì)性在逐漸增大，區(qū)域整體景觀格局越來越受到多數(shù)斑塊所控制，區(qū)域內(nèi)4期的土地利用類型數(shù)量沒有變化，表明各類型所占總面積的比例差異逐漸縮小。研究區(qū)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)減小，說明未利用土地和草地的優(yōu)勢(shì)程度減弱，同類型水平上草地和未利用土地聚集度的減少結(jié)論相一致。

圖3 景觀香農(nóng)多樣性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)

1990—2000年，是景觀格局變化最大的10 a，能夠表現(xiàn)空間變化的3個(gè)關(guān)鍵指數(shù)：最大斑塊指數(shù)、形狀指數(shù)和分離度(表3)，在這10 a變化幅度最大，較大斑塊的土地利用類型由于建設(shè)和開墾的需要，被分割為許多較小斑塊，形狀變化復(fù)雜多樣，分離度變大，但在2000—2010年期間，這樣的趨勢(shì)有所減緩，甚至出現(xiàn)逆變化，主要表現(xiàn)在形狀指數(shù)和分離度的減少，后期流域的生產(chǎn)建設(shè)趨于集中化，人類活動(dòng)對(duì)景觀影響程度有所減小。

表3 景觀水平上景觀指數(shù)

3.3 瑪納斯河流域的景觀格局驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

3.3.1 人類活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響 從類型水平上的最大斑塊指數(shù)可以看出，耕地、草地和未利用土地斑塊明顯大于其他類型，這3類總面積占研究區(qū)90%左右，人類活動(dòng)使3者相互轉(zhuǎn)化非常頻繁(表1)，主導(dǎo)著整個(gè)研究區(qū)的景觀格局，可以從分析耕地、草地和未利用土地與景觀指數(shù)的關(guān)系來探討人類活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響。

數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要任務(wù)是通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)地研究圖像處理的基本原理、基本方法和典型處理算法的再現(xiàn)方法．教學(xué)內(nèi)容是數(shù)字圖像處理理論和高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)的綜合運(yùn)用，是從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)，從一維信號(hào)到二維信號(hào)和從時(shí)域到空域再到頻域的信號(hào)處理系列課程的信息與信號(hào)處理理論的深化和升華[8]．可見，數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心是培養(yǎng)學(xué)生的高級(jí)思維能力，要求學(xué)生能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)算法，并具有初步設(shè)計(jì)算法的能力．因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)以數(shù)字圖像處理典型算法的實(shí)現(xiàn)為主，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目信息見表１．

1990—2010年耕地的面積增加了3 522.86 km2，草地和未利用土地分別減少了1 605.59 km2，1 228.65 km2，香農(nóng)多樣性指數(shù)從1.29增加到1.32(圖4)，結(jié)果表明，流域景觀多樣性基本隨草地、未利用地面積減少和耕地面積增加呈上升態(tài)勢(shì)，反映出流域景觀類型趨于多樣化，而景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的下降同樣證實(shí)了上述土地利用變化的結(jié)果。其主要原因是草地和未利用土地的優(yōu)勢(shì)逐漸減小，對(duì)景觀控制作用逐漸減弱，耕地的優(yōu)勢(shì)逐漸上升，其它景觀類型也都有不同的程度的變化，直接導(dǎo)致景觀多樣性升高，優(yōu)勢(shì)度下降。80年代之前大面積的開荒造田，到90年代轉(zhuǎn)入了零星開荒時(shí)代，景觀的分離度變大，這與人類將流域北部邊緣沙地、出山口的草地開墾為耕地有關(guān)，新開墾的耕地鑲嵌在草地和未利用土地中，使它們趨向破碎，城鎮(zhèn)、道路和水利設(shè)施的建設(shè)同樣也造成景觀破碎化程度增強(qiáng)?？傊?，瑪納斯河流域景觀格局的變化，主要是人類開墾的耕地導(dǎo)致草地和未利用土地的減少，致使景觀多樣性上升，優(yōu)勢(shì)度降低，景觀整體上趨于分離、破碎化方向發(fā)展。

圖4 耕地、草地、未利用土地與多樣性指數(shù)

研究區(qū)的草地面積雖然比未利用土地小，但從轉(zhuǎn)移矩陣中可以看出它與耕地和建設(shè)用地交換的活躍程度要大于未利用土地。草地轉(zhuǎn)化為其它類型，必然破壞原有的完整性，聚集度發(fā)生變化。草地面積的變化和聚集度指數(shù)成線性關(guān)系(圖5)，相關(guān)性為0.99，草地面積每減少1%，聚集度作出減少0.66的響應(yīng)。瑪納斯河流域農(nóng)業(yè)主要是種植棉花為主，90年代，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)刺激下，棉花價(jià)格的上漲帶動(dòng)了棉花種植， 使得大量草地和未利用土地被開墾為耕地，致使耕地面積增加了1 087.37 km2。2000年以后，糧食和棉花價(jià)格持續(xù)攀升，在經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使和家庭農(nóng)場(chǎng)為主的開墾熱潮下，綠洲與荒漠過度帶大量被開墾為耕地，造成耕地面積急劇增加了2 435.49 km2。現(xiàn)在瑪納斯河流域是新疆水資源利用率較高的灌區(qū)，已實(shí)現(xiàn)東水西調(diào)、西水東調(diào)和南水北調(diào)，后期耕地增加潛力將有所減小。

圖5 草地與景觀聚集度指數(shù)關(guān)系

3.3.2 氣候變化對(duì)景觀格局的影響 水資源是影響瑪納斯河流域景觀格局變化的關(guān)鍵因素，也是流域活躍的影響因子，流域綠洲與荒漠的水資源主要依賴天山中段山區(qū)冰川融水和大氣降水，因此，氣候的變化對(duì)流域景觀格局變化的影響很大。本文選用瑪納斯河流域上游具有代表性氣象站點(diǎn)肯斯瓦特的降雨和氣溫資料及同一時(shí)期年徑流量實(shí)測(cè)資料，結(jié)合徑流變化，分析氣候?qū)坝^的影響。使用的數(shù)據(jù)分析方法主

要為Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)，對(duì)近幾十年的氣溫、降水和徑流序列進(jìn)行突變檢測(cè)和長期趨勢(shì)分析。

為了方便對(duì)氣溫、降水和徑流量3種不同數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，要對(duì)數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)化處理。整體上，降水與氣溫都有明顯的增長，這與施雅風(fēng)等研究的西北干旱區(qū)氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變的結(jié)論相一致[21]，年降水量和年均氣溫的大多數(shù)波峰、波谷與徑流量保持一致(圖6a)，說明二者是影響徑流量變化的關(guān)鍵因素，是影響研究區(qū)水資源的重要因子。M-K檢驗(yàn)結(jié)果顯示(圖6b，c，d)，年降雨發(fā)生明顯的突變年份是1993年，1987年以后，一直是正增長趨勢(shì)；而年均溫度在性度線內(nèi)出現(xiàn)3個(gè)突變點(diǎn)，溫度在1990—1998年前雖然處于正增長趨勢(shì)，變化幅度比較大，1998年后流域的氣溫急劇上漲，2006年達(dá)到最高的8.1℃，增長30%左右。對(duì)徑流而言，1994年既是個(gè)突變點(diǎn)，又是增減的分界點(diǎn)，年徑流量從1980年的11.30億m3增長到2010年的16.61億m3。

圖6 瑪納斯河流域氣候與徑流標(biāo)準(zhǔn)化及M-K變化與突變檢測(cè)

注：a.氣溫、降水和徑流量標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)序列變化趨勢(shì)；b.年降雨量變化及突變檢測(cè)；c.年均氣溫變化及突變檢測(cè)；d.年徑流變化及突變檢測(cè)。

前10 a的永久冰川雪地的最大斑塊指數(shù)和聚集度下降的幅度均大于后十年響應(yīng)了突變點(diǎn)都集中在1995年左右。這可能與溫度的升高和降雨的增加，加快的永久冰川雪地消融迅速，地表徑流在這之后也顯著增加，氣候的變化將有利于生態(tài)的改善，但流入瑪納斯湖的水逐年減少，甚至出現(xiàn)瑪納斯河斷流，湖水干涸。濕地和水域大面積的減小以及它們的聚集度指數(shù)和最大斑塊指數(shù)也都呈減小的趨勢(shì)。由于農(nóng)業(yè)需水量的增加，需要新建水庫和人工渠道，儲(chǔ)水灌溉，現(xiàn)在西岸大渠也串通了八音溝河、清水河、金溝河和寧家河，經(jīng)總干渠輸送到灌區(qū)。

4 結(jié)論與討論

(1) 瑪納斯河流域前10 a的景觀類型變化幅度大于后10 a，類型的轉(zhuǎn)化逐漸從雙向轉(zhuǎn)化逐漸趨向單向轉(zhuǎn)化，主要以草地與未利用土地轉(zhuǎn)化為耕地與建設(shè)用地為主要特點(diǎn)，耕地及建設(shè)用地的增加引起區(qū)域用水量的增加，擠占生態(tài)用水，瑪納斯湖逐漸萎縮尤為顯著。

(2) 在研究期內(nèi)，景觀優(yōu)勢(shì)度下降，多樣性升高，趨于分離、破碎化方向發(fā)展。人類加強(qiáng)了對(duì)耕地的開墾力度，耕地的優(yōu)勢(shì)逐漸上升，草地和未利用土地的優(yōu)勢(shì)逐漸減小，對(duì)景觀控制作用逐漸減弱，其它景觀類型也都有不同的程度的變化。

(3) 前10 a的永久冰川雪地的最大斑塊指數(shù)和聚集度下降的幅度均大于后10 a，響應(yīng)了M-K檢驗(yàn)出降雨、氣溫和徑流的突變點(diǎn)都集中在1995年左右。前10 a徑流的增加幅度明顯大于后10 a，說明天山中段的永久冰川雪地消融迅速逐漸減緩，永久冰川雪地景觀指數(shù)隨時(shí)間變化速度也有所減緩。

遙感和GIS作為數(shù)據(jù)獲取和處理的技術(shù)手段，與傳統(tǒng)的景觀生態(tài)學(xué)理論相結(jié)合，為定量和定性分析區(qū)域景觀格局變化提供了新的思路，通過對(duì)瑪納斯河流域景觀格局的分析，給我們一些新的思考，人類活動(dòng)和氣候相互疊加共同作用于景觀，尤其是人類活動(dòng)對(duì)景觀的影響愈來愈大，近期流域農(nóng)業(yè)用水的增加，生態(tài)用水的減少，常常是景觀變化的主要因素。因此，需要合理規(guī)劃流域土地利用模式和水資源配置方案，要實(shí)現(xiàn)生態(tài)用水和經(jīng)濟(jì)用水協(xié)調(diào)發(fā)展，其研究成果將為今后開展生態(tài)用水對(duì)景觀格局影響提供借鑒經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累，為當(dāng)?shù)毓芾聿块T進(jìn)一步開發(fā)水土資源提供決策依據(jù)。

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AnalysisonLandscapePatternChangeandDrivingMechanisminManasRiverWatershed

JIANG Liang-liang1, LIU Hai-long1, BAO An-ming2, REN Yan-qun1, AN Xiao-yan1

(1.CollegeofWaterConservancyandArchitecturalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832000,China;2.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China)

The arid landscape pattern change and its driving mechanism analysis are of great significance on sustainable utilization of local water and land resources. Typical region of Manas River Watershed, which is dramatic exploitation and use of water and land resources in the arid area of the northwestern of China, was chosen as the study case. Based on the technique of geographical information system (GIS) and remote sensing (RS) , land use analysis dispose about TM image data for study area of 1990, 2000, 2005, 2010 were to proceed. The methods of landscape ecology were used to calculate eight landscape indices, respectively, to explore the change of landscape pattern and its driving forces from class level and landscape level. The results show that: (1) the advantages of grassland and unused land in study area decrease gradually, the advantages of arable land increase gradually, landscape diversity elevates, and dominance declines, tending to the change of separation and crushing direction; (2) human activities make grassland and unused land convert to arable land, the type conversion transforms gradually from bidirectional transition to one-way transition, the change of grassland area and aggregation index presents a linear relationship, each 1% reduction in grassland area can make aggregation reduce by 0.656 7; (3) there is a clear growth on precipitation and temperature, the decline range of largest patch index for permanent glacier snow and aggregation in the first decade were all greater than later decade, which responsed the M-K trend analysis of ‘the point mutations of rainfall, temperature and runoff will concentrate around 1995’. Finally, in order to achieve the rational development of water resources, it was suggested that watershed land use patterns and water resources allocation plan should be rationally planned, and ecological water can not be occupied.

Manas River Watershed; landscape pattern; human activity; climate change; Mann-Kendall test method

2013-10-05

：2013-11-02

新疆重大科技專項(xiàng)(201230117-01)；新疆研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(XJGRI2013056);國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAH27B03);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2010CB951003)

姜亮亮(1988—),男,安徽蕪湖人,碩士研究生,主要從事生態(tài)環(huán)境及水文水資源研究。E-mail:jiang_liangliang@outlook.com

劉海隆(1974—),男,四川德陽人,博士,教授,主要從事水文水資源研究。E-mail:liu_hai_tiger@163.com

F301.24

：A

：1005-3409(2014)04-0256-07