白城市鹽堿地景觀格局及其情景演化預(yù)測(cè)

杜會(huì)石，滕澤宇，陳智文，孫 宏，王梓橦

（1. 吉林師范大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究所，吉林四平136000；2. 河北民族師范學(xué)院初等教育系，河北 承德067000）

土壤鹽堿化是土地荒漠化的主要類型之一，是不合理的人類活動(dòng)在脆弱的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境上作用的結(jié)果[1]。土壤鹽堿化已成為國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)，2005年，第一屆國際鹽漬化論壇在全世界范圍內(nèi)拉開了新一輪土地鹽堿化相關(guān)研究的序幕[2]。我國鹽堿地總面積約3 600萬hm2，占全國可利用土地面積的4.88%，主要分布在東北、華北、西北和沿海地區(qū)[3]。東北地區(qū)尤以吉林省西部地區(qū)最為典型，鹽堿地面積達(dá)30.95 萬hm2，土地鹽堿化嚴(yán)重影響了該區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)，并對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了較大威脅。

景觀格局指數(shù)是表征地表景觀特征的有效方式，而情景模擬是預(yù)測(cè)未來發(fā)展態(tài)勢(shì)，為政府提供輔助決策的有效手段。楊越等[4]報(bào)道了Markov 模型在吉林西部土地利用變化預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。湯杰等[5]利用1989年和2004年的Landsat 系列影像，基于CA-Markov 模型對(duì)吉林西部土地利用景觀進(jìn)行了預(yù)測(cè)，指出未來15 a 吉林西部的鹽堿地將以1.45%/a 的速率遞增。但這類研究所用數(shù)據(jù)較為陳舊，亟需利用現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的遙感數(shù)據(jù)，分析近期鹽堿地景觀變化特征及未來演變趨勢(shì)。

白城市位于吉林省西部，地處我國北方生態(tài)脆弱帶，區(qū)域環(huán)境對(duì)氣候變化敏感。近幾十年，隨著人類活動(dòng)的加強(qiáng)，土地鹽堿化問題日趨凸顯。因此，在該區(qū)開展鹽堿地景觀格局分析及情景模擬勢(shì)在必行。筆者基于3S技術(shù)，分析近10 a 吉林省西部白城市鹽堿地景觀格局特征，并對(duì)未來演化情景進(jìn)行預(yù)測(cè)，為該區(qū)土地資源可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)處理及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

白城市位于吉林省西部（121°38′～124°22′E，44°13′～46°18′N），總面積25 775 km2；屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季溫?zé)岫嘤?，秋季涼爽干燥，冬季寒冷少雪；年均光照時(shí)數(shù)2 890.9 h，年均溫4.5 ℃，年均降水量416.2 mm。

1.2 土地利用數(shù)據(jù)獲取與處理

數(shù)據(jù)源為2000年、2010年的Landsat TM 數(shù)據(jù)和2014年的Landsat OLI 數(shù)據(jù)（空間分辨率為30 m）。同時(shí)獲得該區(qū)1∶100 000 地形圖用作影像幾何校正，收集土壤類型圖、地質(zhì)地貌圖用于輔助解譯。選取TM432、OLI543 波段進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成，以地形圖、實(shí)地典型地物作為控制點(diǎn)，對(duì)各期影像作幾何精校正，誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。對(duì)同期影像作直方圖匹配和拼接處理，再按行政區(qū)劃界限裁剪[6]。

1.3 景觀格局指數(shù)分析

1.3.1 景觀分形維數(shù) 用r 為尺度去分析某種景觀要素斑塊的幾何形態(tài)[7]，則有：

式中，D 為景觀斑塊結(jié)構(gòu)分維值，P 為景觀斑塊周長，A 為面積，k 為常數(shù)。D 值表示某景觀斑塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其值越大，說明該要素斑塊結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。因此，可用穩(wěn)定性指數(shù)來衡量：

式中，SK 為景觀斑塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，D 為景觀斑塊結(jié)構(gòu)分維值。

1.3.2 分離度（Isolation）指數(shù)（Fi） 該指數(shù)越大，表明景觀在地域分布上越分散[8]。分離度指數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：Fi為景觀類型i 的分離度，n 表示景觀類型i中的元素個(gè)數(shù)，Ai 為第i 類景觀的面積，A 為研究區(qū)總面積。

1.3.3 景觀破碎度指數(shù)C 破碎度可以體現(xiàn)土地覆被斑塊的大小，從而揭示人、自然環(huán)境與土地覆被格局間的相互作用，它與土地覆被格局、功能和過程聯(lián)系密切。

式中，Σni為景觀中斑塊的總個(gè)數(shù)；A 為景觀的總面積。

1.3.4 景觀蔓延度指數(shù)（CONTAG） 蔓延度描述的是景觀里不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)。該指標(biāo)包含空間信息，高蔓延度說明景觀中的某種優(yōu)勢(shì)斑塊類型形成了良好的連接性；反之則表明景觀是具有多種要素的密集格局，景觀破碎化程度高。

式中，Pi為第i 類景觀所占的面積比例；gik為第i 和k 類景觀間相鄰格網(wǎng)單元數(shù)目；m 為景觀類型總數(shù)。

1.4 鹽堿地預(yù)測(cè)方法

1.4.1 Markov 模型 若隨機(jī)過程在有限的時(shí)序t1＜t2＜t3＜…＜tn中，任意時(shí)刻tn的狀態(tài)an只與其前一時(shí)刻tn-1的狀態(tài)an-1有關(guān)，稱該過程具有馬爾柯夫性，該過程為馬爾柯夫過程。在土地覆被變化預(yù)測(cè)中，將某一時(shí)刻的土地覆被類型對(duì)應(yīng)于Markov 過程中的可能狀態(tài)，土地覆被類型間相互轉(zhuǎn)換的比例即為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率?？捎孟率竭M(jìn)行預(yù)測(cè)：

式中，S（t）、S（t+1）分別為t、t+1 時(shí)刻土地覆被系統(tǒng)的狀態(tài)；Pij為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

1.4.2 CA 模型 CA 模型的特點(diǎn)是時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散，每個(gè)變量都只有有限個(gè)狀態(tài)，而且狀態(tài)改變的規(guī)則在時(shí)間和空間上均表現(xiàn)為局部特征[9]。CA 模型可用下式表達(dá)：

式中，S 表示元胞有限、離散的狀態(tài)集合；t、t+1 表示不同時(shí)刻；N 表示元胞的鄰域；f 表示局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。

1.4.3 CA-Markov 模型 在柵格圖中，每個(gè)像元視為一個(gè)元胞，每個(gè)元胞的土地覆被類型為元胞的狀態(tài)，元胞的當(dāng)前狀態(tài)及鄰居狀況決定下一時(shí)期該元胞的狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)過程為：（1）確定轉(zhuǎn)換規(guī)則，將研究區(qū)2000年、2010年解譯矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格格式，通過GIS 疊置分析，得到土地類型轉(zhuǎn)移概率矩陣、轉(zhuǎn)移面積矩陣和條件概率圖像；（2）構(gòu)造CA 濾波器，根據(jù)鄰居和元胞距離的遠(yuǎn)近創(chuàng)建具有顯著空間意義的權(quán)重因子，使其作用于元胞，從而確定元胞的狀態(tài)改變；（3）確定起始時(shí)刻和迭代次數(shù)，以2010年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇循環(huán)次數(shù)用于預(yù)測(cè)未來鹽堿地變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿地景觀格局變化

在GIS 平臺(tái)支持下，采用人工目視解譯方式可提取各期鹽堿地信息（圖1）。利用GIS 的空間分析功能，可統(tǒng)計(jì)白城市鹽堿地面積變化情況，2000～2010年，白城市鹽堿地面積呈減少趨勢(shì)，由2000年的5 405.53 km2減少到2010年的3 925.09 km2，年均減少3.77%；而到2014年，該區(qū)鹽堿地面積減少到3 801.84 km2。鹽堿地減少區(qū)域分布于乾安縣西部及查干湖南部地區(qū)，主要是大量堿泡周圍鹽堿地縮小所致。

從表1 中可以看出，景觀分形維數(shù)呈持續(xù)減少趨勢(shì)，說明鹽堿地景觀斑塊的結(jié)構(gòu)變得簡單；鹽堿地景觀分離度增加，由2000年的1.049 2 增加到2014年的1.435 1，表明原本空間上連續(xù)分布的鹽堿地斑塊，因分布面積縮減而彼此分離成獨(dú)立斑塊；而景觀破碎度和蔓延度指數(shù)減少，則進(jìn)一步說明該區(qū)分散分布的鹽堿地面積銳減，且部分鹽堿地小斑塊已逆轉(zhuǎn)消失。

圖1 2000～2014年白城市鹽堿地遙感影像與解譯圖

2.2 鹽堿地情景模擬

利用CA-Markov 模型，模擬2014年土地利用格局，用于檢驗(yàn)精度；再以2010年實(shí)際土地覆被格局為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)2020年土地利用情景。由圖2 可知，到2020年，白城市鹽堿地面積為3 180.05 km2。2010～2020年該市鹽堿地年均減少1.90%，較上個(gè)10 a 減少速度有所放緩。鹽堿地減少的空間位置集中于乾安縣以西的區(qū)域，并仍以堿泡周圍鹽堿地萎縮為主。

表1 2000～2014年白城市鹽堿地景觀格局變化

2.3 精度檢驗(yàn)

目前，精度檢驗(yàn)方法有選取綜合精度檢驗(yàn)、定位精度檢驗(yàn)和定性精度檢驗(yàn)法等，其中定性精度檢驗(yàn)又包括地面調(diào)查驗(yàn)證、圖形對(duì)比驗(yàn)證和抽樣統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證法[10]。該研究采用圖形對(duì)比法，將2014年模擬結(jié)果與該年解譯圖進(jìn)行地圖代數(shù)，得出預(yù)測(cè)的精度為92.12%，模擬結(jié)果可信度較高。

3 結(jié)論

圖2 2014年白城市鹽堿地預(yù)測(cè)

以鹽堿化較為典型的吉林西部白城市為研究區(qū)，利用2000～2014年3 期遙感影像分析該區(qū)鹽堿地景觀格局變化特征，并通過CA-Markov 模型對(duì)該區(qū)鹽堿地未來的發(fā)展變化進(jìn)行情景模擬，結(jié)果表明：（1）土地鹽堿化是典型的自然景觀演變過程，景觀格局分析方法能定量反演該區(qū)鹽堿地景觀的總體特征和變化趨勢(shì)，近14 a 來吉林西部白城市鹽堿地面積呈減少趨勢(shì)，凈減603.39 km2；（2）除景觀分離度指數(shù)增加外，景觀分形維數(shù)、景觀破碎度、景觀蔓延度等指數(shù)皆呈減少趨勢(shì)，鹽堿地景觀斑塊結(jié)構(gòu)變得簡單，原本連續(xù)分布斑塊，因面積縮減而彼此分隔獨(dú)立，部分小斑塊已逆轉(zhuǎn)消失；（3）根據(jù)預(yù)測(cè)，未來6 a年內(nèi)白城市鹽堿地面積仍呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但減少速度較目前有所放緩，減少的區(qū)域集中于乾安縣以西地區(qū)，并以堿泡周圍鹽堿地萎縮為主。

[1]杜會(huì)石.半干旱區(qū)土地利用/覆被變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究——以吉林省西部為例[D].長春：東北師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

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