博斯騰湖小湖區(qū)濕地景觀變化特征研究

張 皓，李新國*，閆 凱，劉 彬

(1 新疆師范大學 地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054；2 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，烏魯木齊 830054；3 新疆維吾爾自治區(qū)草原總站,烏魯木齊 830001；4 新疆師范大學 生命科學學院, 烏魯木齊830054)

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博斯騰湖小湖區(qū)濕地景觀變化特征研究

張 皓1,2，李新國1,2*，閆 凱3，劉 彬4

(1 新疆師范大學 地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054；2 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，烏魯木齊 830054；3 新疆維吾爾自治區(qū)草原總站,烏魯木齊 830001；4 新疆師范大學 生命科學學院, 烏魯木齊830054)

以博斯騰湖小湖區(qū)為研究區(qū)，采用5個不同時期的Landsat影像為主要數(shù)據(jù)源，運用景觀轉換系數(shù)和重心遷移模型對1996～2015年研究區(qū)濕地景觀變化進行分析，以揭示博斯騰湖小湖區(qū)的景觀變化類型與景觀的重心變化特征。結果顯示：(1)近20年有地表水的濕地與旱地的重心變化強烈，1996～2001年有地表水的濕地重心變化達到最大值，向西南遷移10.57 km，旱地重心變化也達到最大值，向東南遷移8.78 km。(2)近20年明水與旱地的重心遷移呈順時針向心偏移。(3)穩(wěn)定型景觀是研究區(qū)的主要構成類型，占總類型的89.72%，非穩(wěn)定型景觀保持在總類型的11.28%，研究區(qū)濕地景觀變化逐漸呈穩(wěn)定趨勢。研究表明，氣候因素、湖泊水位和區(qū)域濕地保護措施是影響研究區(qū)濕地景觀變化的主要驅動因素。

景觀變化；景觀轉換系數(shù)；重心遷移模型；Landsat影像；博斯騰湖小湖區(qū)

景觀變化是景觀內部各種矛盾與外部作用力相互作用的結果與表現(xiàn)，是景觀從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉變過程[1]。景觀變化是濕地研究的一項重要內容，也是生態(tài)學研究的熱點領域。目前研究濕地景觀變化主要集中在兩方面：一是對景觀變化的研究，如利用轉移矩陣分析景觀面積的變化、類型的轉移、景觀指數(shù)的分析等[2-8]；二是對景觀變化過程的模擬研究，大多數(shù)利用空間模型如馬爾科夫模型、CA模型等模擬景觀的變化[9-11]。重心遷移模型可以從空間上描述土地利用類型的時空演變過程[12]，通過研究各時段內的各種景觀類型的分布重心，能夠更好地發(fā)現(xiàn)濕地景觀的總體變化趨勢和空間變化特征，前人利用重心遷移模型分析巴音布魯克自然遺產地各生態(tài)風險區(qū)的重心變化[13]。張玉紅等對扎龍濕地采用景觀轉換系數(shù)，分析扎龍濕地近35a的景觀動態(tài)變化特征[14]。

博斯騰湖濕地生態(tài)研究主要集中在濕地評價、景觀格局變化與驅動分析、土壤分析等方面[15-20]。結合1996～2015年5個不同時期的Landsat影像，利用景觀轉換系數(shù)與景觀重心遷移模型，分析近20年博斯騰湖小湖區(qū)濕地景觀變化特征，探討其景觀變化類型與景觀的重心變化，對研究區(qū)的可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

博斯騰湖小湖區(qū)位于博斯騰湖大湖區(qū)西南(圖1)，地理坐標41°45′～41°55′N，86°20′～86°41′E，由達吾松等16個小湖和蘆葦沼澤濕地組成[21]，處于開都河三角洲、孔雀河河漫灘和博斯騰湖湖濱交匯帶；開都河在下游寶浪蘇木分水樞紐處分為東支和西支，東支入大湖，西支入小湖[22]，進入小湖區(qū)的水量受寶浪蘇木分水樞紐站控制；研究區(qū)內部鑲嵌小湖

群并有河叉相連，洪水期大水漫溢、旱期地面干涸，地下水位埋深淺，小湖區(qū)平均積水深0.2～0.3 m[23]。研究區(qū)景觀類型以濕地景觀為主，濕地植被以蘆葦為主。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 基本數(shù)據(jù)的獲取與處理

1996～2015年5個不同時期的研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)從美國地質勘探局(USGS)網站下載(http://glovis.usgs.gov), 選取質量良好的影像數(shù)據(jù)(云量≤5%、影像質量9等)，選取5個不同時期的影像參數(shù)如表1。為減少誤差避免不同季相對景觀分類產生不利影響，選取研究區(qū)夏季6～8月份的影像。

2.1.1 研究區(qū)景觀分類的確定 在對研究區(qū)調研的基礎上，參照前人描述濕地景觀變化的濕地分類系統(tǒng)[14]，結合研究區(qū)的濕地植被特征，采取簡化濕地內覆蓋物的類別的方式，突出主要景觀類型，將濕地分為有地表水的濕地、無地表水濕地，以側重區(qū)分濕地內水分的變化；將所用陸生類型合并為旱地，湖沼坑塘劃分為明水；將研究區(qū)的景觀類型劃分為明水、有地表水的濕地、無地表水濕地和旱地4種。

圖1 博斯騰湖小湖區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

序號Number時間(年?月?日)Date(Year?Moth?Day)傳感器類型Sensortype軌道號Path/Row影像質量Imagequality空間分辨率Spatialresolution/m11996?07?12TM143/3193022001?06?16ETM+143/3193032006?06?22TM143/3193042011?08?23TM143/3193052015?07?17OLI143/31930

表2 博斯騰湖小湖區(qū)景觀轉換系數(shù)

2.1.2 研究區(qū)景觀分類提取 在ENVI 5.1支持，對研究區(qū)遙感影像進行分類。先利用非監(jiān)督分類進行初分類，得到初步的地物分類，并結合現(xiàn)地考察的情況將非監(jiān)督分類得到的類別進行人工判別、類別合并等處理，將得到的新分類作為監(jiān)督分類的訓練區(qū)模板進行精分類，再進行斑塊去除、分類統(tǒng)計、分類疊加等后處理，分類影像的Kappa系數(shù)在0.90以上。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀轉換系數(shù)的確定 根據(jù)前人研究結果[14]，結合研究區(qū)現(xiàn)狀，確定適用于研究區(qū)的景觀轉換系數(shù)，利用ENVI 5.1對分類影像進行轉移矩陣計算，并利用表2確定每一類的景觀轉換系數(shù)值，計算研究區(qū)不同類別的景觀轉換系數(shù)在時間序列上的變化情況，以此為基礎得出研究區(qū)不同區(qū)域所對應的不同景觀變化類型。

2.2.2 研究區(qū)景觀重心遷移模型 根據(jù)段翰晨等對重心遷移模型的研究[24]，利用重心遷移模型來計算研究區(qū)景觀的重心、重心遷移的方向和距離，量化分析不同景觀的變化趨勢和空間變化范圍, 研究區(qū)景觀重心坐標計算公式如下，

(1)

(2)

式中：Xi、Yi為第i年某種景觀類型重心的經緯度坐標；n為第i年該景觀類型的斑塊數(shù)，Cti為第t年該景觀類型第i個斑塊的面積；Xti、Yti為第t年該植被覆蓋類型土地第i個景觀類型的重心坐標。

3 結果與分析

3.1 景觀類型的重心轉移特點

利用重心轉移模型計算出不同景觀的重心坐標，采用重心坐標繪制出各景觀重心點的空間遷移圖，揭示4種不同景觀類型的重心在空間上的轉移過程。從圖2可知，1996～2001年有地表水的濕地重心移動幅度最大，從空間角度上看，經度方向上向西遷移7.53′，緯度上向南遷移了1.06′，重心累計遷移距離為10.57 km；2001～2006年，旱地重心移動幅度最大，經度方向上向東遷移了6.33′，緯度上向南遷移了0.49′，重心累計遷移距離為8.78 km；2006～2011年，旱地重心移動幅度最大，經度方向上向西遷移了5.21′，緯度上向南遷移了0.52′，重心累計遷移距離為7.25 km；2011～2015年，有地表水的濕地重心移動幅度最大，經度方向上向東遷移了4.70′，緯度上向北遷移了0.24′，重心累計遷移距離為6.50 km，有地表水的濕地和旱地呈現(xiàn)這種交替大幅度的重心變化首先是由于兩者是研究區(qū)的主要景觀組成，重心的大幅度變化對應該景觀的大幅度轉入或轉出。

1996～2015年5個時期，研究區(qū)明水重心遷移2.15 km(1996～2001年)、2.31 km(2001～2006年)、2.53 km(2006～2011年)與1.64 km(2011～2015年)，由于受大湖區(qū)的影響，明水相對于其他3種景觀明水重心移動較為穩(wěn)定，經度上移動呈現(xiàn)東、西、西、東的現(xiàn)象，緯度上呈現(xiàn)北、南、北、南的規(guī)律，結合圖2,D與圖3可知明水的重心偏移呈順時針向心偏移，是由于小湖區(qū)周圍水體減少(尤其是小湖區(qū)西北部)、內嵌坑塘變化較小引起的；無地表水的濕地于近20年期間呈現(xiàn)波動趨勢，重心遷移幅度變化不大，結合圖4可知，其重心移動幅度變大時面積呈下降趨勢反之亦然。

從圖2可知，明水和旱地的重心偏移呈順時針向心偏移，有、無地表水的濕地重心偏移呈現(xiàn)折線型。結合圖3，可知明水的重心遷移呈向心型是由于研究區(qū)周圍水體減少(尤其是研究區(qū)西北部)；旱地呈向內部增加的趨勢，旱地的重心遷移呈向心型。無地表水的濕地重心遷移幅度變大時面積呈下降趨勢反之亦然，有地表水的濕地重心遷移與其景觀在空間上的變化尚無明顯特征。

A. 有地表水的濕地；B. 無地表水的濕地；C.旱地；D.明水圖2 博斯騰湖小湖區(qū)各景觀類型的重心變化A.Wet land with surface water；B. Wet land without surface water；C.Dry land；D. waterFig.2 Change of landscape gravity types in small lakes of Bosten Lake

圖3 博斯騰湖小湖區(qū)景觀的空間分布Fig.3 Map of landscape types in study area

3.2 景觀變化類型分析

通過對研究區(qū)野外實地考察，根據(jù)濕地景觀變化表現(xiàn)的類型特征，結合其轉移矩陣與景觀轉換系數(shù)，將研究區(qū)的景觀變化類型分為穩(wěn)定型景觀、小幅度變化型景觀、中幅度變化型景觀和大幅度變化型景觀等4種。

(1)穩(wěn)定型景觀。該區(qū)域景觀中的斑塊在近20年幾乎沒有發(fā)生類型間的轉換，轉換系數(shù)為零。從表3與圖5可知，近20年處于這種景觀變化類型的景觀是研究區(qū)的主要景觀變化類型平均占總比例的89.72%；1996～2015年穩(wěn)定型景觀呈增長趨勢從1996年的691.48 km2(85.13%)增長至2015年的768.85 km2(94.66%)，平均值為730.17 km2，研究區(qū)的景觀變化趨于穩(wěn)定。

圖4 博斯騰湖小湖區(qū)各景觀類型面積隨時間進程的動態(tài)變化Fig.4 The areas of various landscape types in small lakes of Bosten Lake for 5 periods

(2)小幅度變化型景觀。該區(qū)域的景觀中的斑塊隨著不同年份水分波動小幅度地在自然屬性相似的景觀類型間轉換，轉換系數(shù)為±1，從圖3與圖5可知，小幅度變化型景觀主要為小湖區(qū)內部明水與有地表水的濕地的相互轉換，無地表水的濕地與有地表水的濕地、無地表水的濕地與旱地之間的相互轉換。從表3可知，小幅度變化型景觀是第二種主要的景觀變化類型平均占總比例的6.23%，呈下降趨勢，由1996年的60.95 km2(7.50%)下降至2015年的31.78 km2(3.91%)。

(3)中幅度變化型景觀。該區(qū)域的景觀中的斑塊隨著不同年份水分波動呈中幅度地在自然屬性有差異的類型間轉換，轉換系數(shù)為±2，如有地表水的濕地轉換為旱地、無地表水的濕地與明水之間的相互轉換。中幅度變化型景觀所占比例小僅占總比例的1.90%，1996～2015年呈現(xiàn)下降趨勢，從1996年的26.82 km2(3.30%)下降至2015年的7.44 km2(0.92%)，研究區(qū)的景觀變化強度明顯下降，與總體趨勢相同。

圖5 博斯騰湖小湖區(qū)景觀變化類型的空間分布Fig.5 The maps of landscape dynamic types in Small Lakes of Bosten Lake

項目Project1996～20012001～20062006～20112011～2015所占比例Percentage/%面積Area/km2所占比例Percentage/%面積Area/km2所占比例Percentage/%面積Area/km2所占比例Percentage/%面積Area/km2穩(wěn)定型景觀Stablelandscape85．13691．4887．89713．8891．19740．6994．66768．85小幅度變化型景觀Landscapewithsmallvariation7．5060．956．7955．176．7254．583．9131．78中幅度變化型景觀Landscapewithmoderatevariation3．3026．822．4519．910．947．630．927．44大幅度變化型景觀Landscapewithlargevariation4．0632．992．8723．291．159．340．524．18

(4)大幅度變化型景觀。該區(qū)域的景觀轉換系數(shù)常常在短時間內頻繁的在-3與3之間交替。這種景觀變化類型主要受開都河徑流量的影響，在洪水期研究區(qū)大水漫溢，研究區(qū)西北部及研究區(qū)外緣的旱地就會充滿積水；而旱期這些由旱地轉換而來的明水在缺少水源補給的情況下又會很快干涸，這種類型主要受到開都河徑流量和氣候的影響。從表3、圖5(A)與圖5(B)可知大幅度變化型景觀在1996～2001期間面積為32.99 km2、2006年面積為23.29 km2，主要受開都河水量和降水的影響，2001年的明水面積激增，小湖區(qū)北部、西北部大量旱地轉換為明水，而2001年以后降水量減少，轉換而來明水由于缺少補給逐漸干涸，最終又轉換為旱地；從表3、圖5(C)與圖5(D)可知，2006～2011年面積為9.34 km2、2011～2015年面積為4.18 km2，大幅度變化型景觀面積減小，且其主要發(fā)生區(qū)域集中在研究區(qū)西北部。

3.3 景觀類型變化的驅動因素分析

濕地景觀的變化是對一定時期外界干擾因素的反映，通過歸納和總結眾多關于研究區(qū)的研究與實踐的結果表明[17-18,21,25-27]，自然因素和人文因素是驅動博斯騰湖小湖區(qū)濕地變化的動因，其中氣候因素、湖區(qū)水位和人文因素對研究區(qū)濕地景觀變化產生重要影響。

圖6 1960～2013年研究區(qū)年平均降水量和氣溫Fig.6 Average annual precipitation and air temperature in study area during the period of 1960～2013

3.3.1 自然因素 (1)氣候因素。從圖6可知，1960～2013年研究區(qū)的氣溫、降水量呈現(xiàn)波動上升的趨勢，近54年研究區(qū)年平均氣溫升高了0.63 ℃、年平均降水量增長了12.87 mm，增長的氣溫不但加快了明水的蒸發(fā)，還導致了農業(yè)灌溉需水量的增加[18]；由于受到人類活動的強烈干擾，即使在降水量和溫度的增加使得匯入研究區(qū)的徑流豐沛的情況下，人類活動能使研究區(qū)明水減少[25]。氣候因素影響研究區(qū)水分分布的同時也影響濕地植被的生長，溫濕的氣候環(huán)境為植被生長提供了良好的條件，氣候因素是影響研究區(qū)景觀變化的重要因素之一。

(2)水位因素。由于蘆葦是構成研究區(qū)濕地的主要植被類型，蘆葦生活在淺水區(qū)，過低、過高的水位均不利于其生長，水位急劇升高的情況下會影響蘆葦生長，造成蘆葦漲勢衰退、濕地面積減小，在蘆葦被淹沒的區(qū)域嚴重時會導致蘆葦死亡，濕地面積出現(xiàn)最小值[26]，如2001年研究區(qū)高水位濕地面積出現(xiàn)最小值為288.63 km2。根據(jù)圖7可知，1996～2001年期間在湖水水位上漲呈上漲趨勢時，濕地的面積呈現(xiàn)下降趨勢，在這一期間研究區(qū)濕地面積急劇減少；2001～2015年期間，湖水水位呈下降趨勢，而濕地面積呈增長趨勢，該階段內研究區(qū)明水從450.94 km2減至63.35 km2、濕地面積從288.63 km2增至341.83 km2，研究區(qū)西北部變化尤為明顯。

圖7 博斯騰湖大湖水位與濕地面積的動態(tài)變化Fig.7 Variation trends of water level in main area of Bosten Lake and area of wetland

3.3.2 人文因素 在影響研究區(qū)濕地景觀變化的眾多人文因素中，政策調控是影響研究區(qū)景觀變化的重要因素。1988年竣工的寶浪蘇木分水樞紐，開始人工調控進入小湖區(qū)的開都河西支水量；2000～2004年塔里木河管理局向塔里木河下游應急生態(tài)輸水6次，博斯騰湖大湖和小湖是此項工程的引用水源之一，區(qū)域性的政策措施快速有效的影響研究區(qū)的明水面積[27]。近10年來黃水溝流域的人工育葦，直接導致黃水溝原入湖水量無法進入博斯騰湖小湖，加快了研究區(qū)的干涸。小湖區(qū)西南部的人工育葦、博斯騰湖濕地恢復及生物多樣性保護工程等為小湖區(qū)的濕地增加創(chuàng)造了良好基礎。人文因素在研究區(qū)濕地景觀變化方面起著強大的推動作用，是影響景觀變化的主要因素，隨著博湖縣經濟發(fā)展方

式的轉變、人工育葦工程、博斯騰湖濕地恢復及生物多樣性保護工程的實施，為研究區(qū)的濕地景觀穩(wěn)定性提供了有效的保護。

4 結 論

(1)近20年有地表水的濕地、旱地的重心變化強烈，1996～2001年有地表水的濕地重心變化達到最大值，向西南遷移10.57 km；旱地重心變化最大值出現(xiàn)在2001～2006年，向東南遷移了8.78 km。近20年研究區(qū)濕地周圍的明水逐年減少，內嵌坑塘數(shù)量下降小于周圍明水的減小量，導致明水的重心遷移呈順時針向心偏移；旱地逐年向內擴展，旱地的重心遷移呈順時針向心偏移。

(2)穩(wěn)定型景觀是研究區(qū)的主要構成類型占總類型的89.72%，從1996～2001年的691.48 km2增長至2011～2015年的768.85 km2；小幅度變化型景觀、大幅度變化型景觀、中幅度變化型景觀呈逐年下降趨勢，大幅度變化型景觀、中幅度變化型景觀從1996～2001年的32.99 km2、26.82 km2減少至2011～2015年的4.18 km2、7.44 km2，二者面積只占總類型的1.44%，綜上說明研究區(qū)濕地景觀變化逐漸穩(wěn)定。

(3)氣候因素、湖泊水位與區(qū)域濕地保護措施是研究區(qū)濕地景觀變化的主要驅動因素。博斯騰湖濕地恢復及生物多樣性保護工程、人工育葦工程為研究區(qū)濕地景觀穩(wěn)定性與可持續(xù)利用、區(qū)域生態(tài)安全都具有重要的實踐價值。

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(編輯:潘新社)

Wetland Landscape Change in Small Lakes of Bosten Lake

ZHANG Hao1,2,LI Xinguo1,2*,YAN Kai3,LIU Bin4

(1 College of Geographic Sciences and Tourism,Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China; 2 Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone,Urumqi 830054,China;3 General Grassland Station of Xinjiang,Urumqi 830001,China; 4 College of Life Sciences, Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China)

The wetland landscape changes of small lakes of Bosten Lake were analyzed from 1996 to 2015 with adoption of landscape conversion coefficient and the model of center of gravity migration, with small lakes of Bosten Lake as research area and adopting the Landsat images in five different periods as main data source. Research results show that: (1) the center of gravity of wetland with surface water and dry land changes dramatically in nearly 20 years, and between 1996 and 2001. The change of center of gravity of wetland with surface water reached the highest value and moved by 10.57 km to the southwest. The maximum change value of center of gravity for dry land appeared between 2001 and 2006 and moved by 8.78 km to the southwest. (2) In nearly 20 years, the water around wetland of small lake area was decreasing gradually, dry land expanded to inside annually and the center of gravity migration of water and dry land moved in a clockwise direction. (3) Stable landscape was the main composition type of study area. In nearly 20 years, accounting for 89.72% of the total types and nonstable landscape in 11.28% of the total type. The wetland landscape change of small lakes of Bosten Lake presented a stable trend gradually. Climatic factors, lake level and human factors were main factors that influence of wetland landscape change in the study area.

landscape change;landscape conversion coefficient;the model of center of gravity migration; Landsat images;Small lakes of Bosten Lake

1000-4025(2016)12-2533-08

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.12.2533

2016-08-07;修改稿收到日期:2016-11-01

國家自然科學基金(31360039，41661047)；新疆師范大學地理學博士點支撐學科開放課題(XJNU-DL-201514)；新疆維吾爾自治區(qū)草原總站專項資金

張 皓(1991-)，男，在讀碩士研究生，主要從事干旱區(qū)資源變化及其遙感應用研究。E-mail:zhgeos@sina.com

*通信作者:李新國，教授，主要從事干旱區(qū)資源變化及其遙感應用研究。E-mail: onlinelxg@sina.com

Q151;P901;P941.78

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