近25年干旱區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)安全彈性恢復(fù)的影響

邵紫陽(yáng)++張永福

摘要：根據(jù)溫宿縣1990、2002與2015年TM影像資料，結(jié)合Fragstats軟件計(jì)算出景觀指數(shù)，評(píng)價(jià)景觀多樣性、優(yōu)勢(shì)度、破碎化，并進(jìn)行生態(tài)安全分析。結(jié)果表明，（1）溫宿縣耕地面積持續(xù)上升，水體和草地面積持續(xù)下降，鹽漬面積持續(xù)上升。砂地的前多后少和林地的前少后多。（2）耕地的優(yōu)勢(shì)度逐步上升，砂地、干涸湖底、草地和林地先降后升，鹽漬地先升后降，水體持續(xù)減少。（3）耕地破碎化先是急劇降低，而后有少量上升，水體和鹽漬地破碎化降低，林地持續(xù)上升、草地先減后增以及砂地先增后減。（4）耕地和林地的分離度持續(xù)降低，水體的分離度持續(xù)升高以及草地、砂地、鹽漬地上下波動(dòng)。（5）景觀多樣性雖然上下波動(dòng)，但總體有上升趨勢(shì)，通過(guò)景觀類(lèi)型多樣性指數(shù)看出景觀逐年豐富。（6）溫宿縣景觀生態(tài)彈性度顯“V”字型變化，先是由1990年的2.33×106下降為2002年的2.11×106，然后再增加到2015年的2.88×106。

關(guān)鍵詞：干旱區(qū)；溫宿縣；景觀指數(shù)；生態(tài)安全

中圖分類(lèi)號(hào)：TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）21-5507-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.017

Nearly 25 Years of Land Use Change Effects on Arid Zone Elastic Recovery of Ecological Safety Barriers：Taking Wensu County as an Example

SHAO Zi-yang， ZHANG Yong-fu

（Resources and Environment Science， Xinjiang University， Urumqi 830046， China）

Abstract：In the paper， using the Wensu County in 1990 and 2002 and 2015 TM image with FRAGSTATS software to calculate the landscape index， evaluation of landscape diversity， dominance， fragmentation and ecological security analysis. Results show that：（1）cultivated land area of Wensu County continued to rise， the continued decline in water and grass， and saline land continued to rise. Before and after less sand forest after little more than before.（2） gradually increased the dominance of cultivated land， sand， dry lakebed， grassland and woodland rise after the first drop，saline soil decreased. Continuous reduction of water body.（3）the fragmentation of cultivated land is sharply reduced， and a small rise， reduce water and saline alkaline land fragmentation，a sustained rise in the woodland and grassland decreased first and then increased and Sandy's first increase and decrease.（4）farmland and woodland separation continued to decrease， the separation of the water continued to rise and grassland， Sandy and saline on the fluctuations.（5）landscape diversity of although fluctuations， but overall there is a rising trend， through the landscape diversity index see landscape rich year after year.（6）the change of the “V” type of landscape ecological elasticity in Wensu county. The first is from 1990 2.33×106 down to 2.11×106 in 2002， and then increased to 2.88×106 in 2015.

Key words：arid region； Wensu； landscape indices； ecological security

綠洲是干旱地區(qū)典型的景觀類(lèi)型，是干旱區(qū)最具生命力的生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是維持當(dāng)?shù)厝祟?lèi)生活的必要環(huán)境條件。干旱地區(qū)綠洲景觀格局是基于荒漠地質(zhì)，依靠水資源維持所有動(dòng)植物生存的動(dòng)態(tài)生態(tài)景觀系統(tǒng)[1]。土地利用/覆被變化（Land Use/Cover Change，LUCC）是綠洲景觀格局時(shí)間、空間變化的根本動(dòng)因，同樣是景觀格局時(shí)間、空間變化的重要指標(biāo)[2]。所以，本研究利用溫宿縣土地利用/覆被變化遙感分類(lèi)結(jié)果并通過(guò)Fragstats軟件分析，最終對(duì)綠洲景觀格局進(jìn)行評(píng)價(jià)。

景觀格局是地球物質(zhì)形態(tài)實(shí)際分布的表現(xiàn)形式，與景觀中的每個(gè)生態(tài)活動(dòng)都高度相關(guān)[3]。通過(guò)對(duì)研究區(qū)景觀格局變化的研究，對(duì)探討生態(tài)系統(tǒng)的抵抗能力、修復(fù)能力、生態(tài)系統(tǒng)平穩(wěn)性以及物種豐富度等有著深遠(yuǎn)的影響[4]。每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的空間屬性可以通過(guò)景觀格局來(lái)準(zhǔn)確反映，并且為景觀生態(tài)變化的研究和發(fā)展提供理論依據(jù)[5]。針對(duì)景觀格局時(shí)空變化進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)，對(duì)研究自然因素和人為因素對(duì)景觀生態(tài)安全威脅的主次方面進(jìn)行比較與探討，以及識(shí)別景觀生態(tài)安全發(fā)展變化的客觀后果，有助于進(jìn)一步改進(jìn)評(píng)價(jià)生態(tài)安全的指標(biāo)體系[6-11]。

景觀生態(tài)學(xué)是生態(tài)科學(xué)與環(huán)境科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域交叉綜合起來(lái)的新興學(xué)科。但是1980年前后，景觀生態(tài)學(xué)才慢慢開(kāi)始蓬勃發(fā)展[12]。國(guó)外學(xué)者在景觀生態(tài)學(xué)的模型分析方法及應(yīng)用等方面進(jìn)行大量的研究。美國(guó)生態(tài)學(xué)家Costanza等[13]對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價(jià)值的研究，被評(píng)價(jià)為當(dāng)代生態(tài)學(xué)界里占主導(dǎo)力的研究理論。William等[14]利用景觀指標(biāo)與水文過(guò)程模型結(jié)合找出改變流域的潛在水質(zhì)問(wèn)題，評(píng)估其對(duì)城市環(huán)境和農(nóng)業(yè)的影響。國(guó)內(nèi)方面，近20年來(lái)景觀生態(tài)學(xué)研究是在我國(guó)得以迅速發(fā)展。郭明等[15]以酒泉市多年遙感影像為研究基礎(chǔ)，分析出各景觀斑塊的空間位置屬性，對(duì)綠洲進(jìn)行了生態(tài)安全評(píng)估；而在景觀生態(tài)學(xué)理論研討上，RS和GIS專(zhuān)題景觀數(shù)據(jù)模型構(gòu)建以及景觀實(shí)驗(yàn)探索3個(gè)方面是我國(guó)學(xué)者的主導(dǎo)方向，其中以邵國(guó)凡等[16]對(duì)景觀動(dòng)態(tài)專(zhuān)題模型的探討，占有很大的影響力。

1 研究區(qū)域概況

溫宿縣位于新疆西部天山中段南坡，托木爾峰南麓，塔里木盆地北緣。北與吉爾吉斯斯坦共和國(guó)、哈薩克斯坦共和國(guó)，伊犁哈薩克自治州昭蘇縣接壤，東與拜城、新和兩縣交界，南與阿克蘇市比鄰，西與烏什縣隔河相望，位于東經(jīng)79°27′50″-81°29′58″，北緯40°51′41″-42°15′13″，溫宿縣全縣南北長(zhǎng)167 km，東西寬154 km，縣域總面積1 433 516.24 hm2。

2 研究方法

2.1 遙感影像處理

本研究通過(guò)ENVI軟件采用最大似然分類(lèi)方法進(jìn)行分類(lèi)，并對(duì)圖像進(jìn)行了Majority/Minority分析。然后將圖像導(dǎo)入Arcgis 9.3軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 景觀空間格局分析

Fragstats3.4軟件提供的景觀指數(shù)多達(dá)60種，而這些景觀指數(shù)都是高度相關(guān)的[17]。本研究在景觀類(lèi)型上選取了9個(gè)指標(biāo)。在景觀水平上選取12個(gè)指標(biāo)，其景觀指數(shù)生態(tài)學(xué)意義見(jiàn)表1。

2.3 生態(tài)安全評(píng)價(jià)

生態(tài)安全是指生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾程度及自我修復(fù)能力的屬性。生態(tài)安全是人類(lèi)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)其功能的評(píng)價(jià)在全球生態(tài)系統(tǒng)管理和可持續(xù)發(fā)展生態(tài)學(xué)研究中占有十分重要的地位[18]。全球變化的本質(zhì)就是研究人類(lèi)活動(dòng)造成的全球變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響及其響應(yīng)[19]。完善的生態(tài)系統(tǒng)是穩(wěn)定的和可演化的，隨時(shí)間的周期變化能夠自我完善組織結(jié)構(gòu)并進(jìn)行修復(fù)。反之，不完善的生態(tài)系統(tǒng)，是功能缺失的生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)結(jié)構(gòu)處于威脅之中，甚至產(chǎn)生惡化。目前，生態(tài)安全研究主要有綜合指數(shù)法、模型模擬法和景觀分析法等，其中景觀分析法是以宏觀尺度為依據(jù)的生態(tài)安全研究。景觀生態(tài)安全是以生態(tài)系統(tǒng)多樣性和區(qū)域景觀尺度來(lái)分析評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)與自然脅迫對(duì)景觀生態(tài)安全的影響狀況。本研究根據(jù)景觀格局變化結(jié)果，并借助田美榮[20]所提出的生態(tài)彈性力理論分析溫宿縣景觀生態(tài)安全變化。生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)彈性度大小可用下述模型量化地表示：

ECORES=Di∑Si×Pi （1）

式中，ECORES為生態(tài)彈性度大小，Si表為地物i的覆蓋面積，Pi為地物i的彈性分值，Di為多樣性指數(shù)。根據(jù)在景觀生態(tài)系統(tǒng)中，地面覆蓋表示覆蓋在地球表面的各個(gè)地類(lèi)，因此式中Si表示不同地類(lèi)的面積比，而不是植被的面積比；Pi代表某種地物覆蓋的彈性度分值，可根據(jù)覆蓋度、生產(chǎn)力以及專(zhuān)家評(píng)分等方法評(píng)定；生態(tài)系統(tǒng)的彈性限度高低不僅取決于地物的覆蓋類(lèi)型及等級(jí)狀況，還取決于地物類(lèi)型的豐富度。

3 景觀格局變化及生態(tài)安全分析

3.1 景觀格局變化分析

本研究以溫宿縣1990、2002和2015年TM影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)ENVI軟件，采用最大似然分類(lèi)將土地結(jié)構(gòu)類(lèi)型歸并為耕地、草地、林地、水體、鹽漬地、沙地和其他七大類(lèi)型。各年份分類(lèi)精度見(jiàn)表2。

利用Fragstats軟件對(duì)分類(lèi)圖像進(jìn)行分析并計(jì)算出景觀指數(shù)表3和表4。從表3可知，從景觀類(lèi)型面積和斑塊占景觀面積看，按斑塊類(lèi)型面積大小排序，1990年為其他>草地>砂地>鹽漬地>干涸湖底>林地>水體>耕地。2002年為其他地類(lèi)>砂地>鹽漬地>草地>耕地>林地>水體>干涸湖底。2015年為其他>鹽漬地>砂地>耕地>林地>草地>水體>干涸湖底。由溫宿縣人口的增長(zhǎng)以及他們生活與生產(chǎn)需要，以及開(kāi)荒政策的支持造成耕地面積持續(xù)上升，再加上生活用水、灌溉用水大幅度提升，最終使得水體和草地的逐步減少，以及鹽漬地的逐步升高。由于人類(lèi)主觀認(rèn)識(shí)的影響，使人們開(kāi)始有意識(shí)的保護(hù)自然，使得砂地面積先增后減和林地先減后增。

斑塊平均面積大小可應(yīng)用于衡量景觀的完整性以及斑塊的破碎化程度，MPS值越低則該類(lèi)斑塊越破碎。可以看出由于人類(lèi)開(kāi)始時(shí)在一片區(qū)域開(kāi)墾耕地，而后為滿(mǎn)足生活生產(chǎn)在其他區(qū)域開(kāi)墾少量耕地，從而導(dǎo)致耕地破碎化先是急劇降低，而后少量上升。這樣間接造成了零碎的水源干涸，使得水體和鹽漬地破碎化降低，從而使水體和鹽漬地平均面積持續(xù)增加和干涸湖底大幅度波動(dòng)。林地的持續(xù)上升、草地的先減后增以及砂地的先增后減可以說(shuō)明人類(lèi)有意識(shí)的保護(hù)自然景觀。

最大斑塊指數(shù)（LPI）能夠描述研究區(qū)相應(yīng)階段的優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型。由表3可知，前4類(lèi)的景觀類(lèi)型：1990年是其他、鹽漬地、干涸湖底和砂地。2002年是其他、鹽漬地、砂地和水體。2015年是其他、鹽漬地、耕地和砂地。耕地的優(yōu)勢(shì)度逐年上升，砂地、干涸湖底、草地和林地先降后升，鹽漬地先升后降。水體持續(xù)減少。但是鹽漬地、干涸湖底、砂地一直保持很大的優(yōu)勢(shì)，充分說(shuō)明溫宿縣自然環(huán)境情況不容樂(lè)觀。

從表3可知，在分離度方面，1990年SPLIT排序?yàn)楦?林地>水體>草地>干涸湖底>鹽漬地>砂地>其他。2002年為干涸湖底>林地>草地>耕地>水體>砂地>鹽漬地>其他。2015年為林地>草地>干涸湖底>水體>砂地>耕地>鹽漬地>其他?；谌祟?lèi)的主要影響，導(dǎo)致耕地和林地的分離度持續(xù)降低，間接影響水體的分離度的持續(xù)升高以及草地、砂地、鹽漬地的上下波動(dòng)。

從表4可知，MPS持續(xù)增加和NP值持續(xù)減少，溫宿縣景觀破碎化持續(xù)降低，景觀整體更加完整。AWMSI持續(xù)降低，由于人類(lèi)持續(xù)影響，景觀空間分布逐漸形象化。MNN持續(xù)升高，溫宿縣景觀類(lèi)型拼塊格局越來(lái)越離散。從IJI和SPLIT值看出分離度上下波動(dòng)，但是分離度有降低趨勢(shì)，景觀更加聚集。AI值上下波動(dòng)，更加趨于穩(wěn)定，景觀內(nèi)斑塊高度連接。SHDI和SHEI指數(shù)上下波動(dòng)，有上升趨勢(shì)，景觀類(lèi)型多樣性更加豐富，這是由于人類(lèi)活動(dòng)作用于斑塊更加明顯，廊道景觀發(fā)生明顯變化，雖本研究沒(méi)有把鐵路、公路等交通設(shè)施解譯，但是與人類(lèi)生活相關(guān)的設(shè)施日益完善，直接影響綠洲物質(zhì)與能量的循環(huán)，使得綠洲的總體布局發(fā)生明顯變化，促使景觀多樣性逐步上升。

3.2 景觀生態(tài)安全分析

對(duì)溫宿縣生態(tài)彈性強(qiáng)度有影響的土地覆蓋類(lèi)型可分為4大類(lèi)型。第Ⅰ類(lèi)為重要型，該類(lèi)型對(duì)研究區(qū)生態(tài)彈性度有主導(dǎo)意義，對(duì)該類(lèi)型管理和維護(hù)得好，可提高區(qū)域生態(tài)彈性度。主要包括林地、耕地；第Ⅱ類(lèi)為次要型，該類(lèi)型對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)和促進(jìn)區(qū)域生態(tài)彈性度有促進(jìn)作用，若規(guī)劃不當(dāng)，則很容易造成生態(tài)系統(tǒng)弱化而使區(qū)域生態(tài)彈性度明顯下降，主要包括水體和草地。第Ⅲ類(lèi)為中間型，該類(lèi)對(duì)區(qū)域生態(tài)彈性度貢獻(xiàn)很小甚至嚴(yán)重退化，主要包括砂地和干涸湖底。第Ⅳ類(lèi)為威脅型，因?yàn)檠芯繀^(qū)降水稀少、蒸發(fā)特別強(qiáng)烈，土壤下部的鹽分極易隨水分蒸發(fā)上升至地表，形成鹽堿地。該類(lèi)型對(duì)區(qū)域生態(tài)彈性度幾乎沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，急需加強(qiáng)該生態(tài)環(huán)境的綜合治理和調(diào)整。這種類(lèi)型主要包括鹽堿地。由于每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益是相對(duì)區(qū)別的，其彈性分值（Pi）也不同。本研究根據(jù)日本專(zhuān)家通過(guò)調(diào)查各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)功能，并結(jié)合溫宿縣景觀的實(shí)際特點(diǎn)依次為林地、耕地、水體、草地、鹽漬地、干涸湖底以及砂地建立生態(tài)彈性度分值表（表5）。

由圖1可知，溫宿縣景觀生態(tài)彈性度顯“V”字型變化。先是由1990年的2.33×106下降為2002年的2.11×106，然后再增加到2015年的2.88×106，原因可能是因?yàn)闇厮蘅h位于干旱地區(qū)，其景觀類(lèi)型主要以生態(tài)系統(tǒng)脆弱，彈性分值較低的草地和砂地為主，而林地等生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜，服務(wù)功能高的景觀較少，而溫宿縣人口的增長(zhǎng)以及他們生活與生產(chǎn)需要，以及開(kāi)荒政策的支持造成耕地的面積持續(xù)增長(zhǎng)，使溫宿縣生態(tài)彈性分值人為上升；研究區(qū)生態(tài)彈性度整體上趨于增漲趨勢(shì)，說(shuō)明溫宿縣的生態(tài)安全呈上升趨勢(shì)，也說(shuō)明該流域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界干擾和壓力的緩沖調(diào)節(jié)能力大幅度增強(qiáng)。2002-2015年上升最為明顯，彈性度的總體變化和耕地總體變化趨勢(shì)有明顯耦合性，可以得出研究區(qū)彈性度的增加主要是由于耕地面積的增加，而耕地這一景觀類(lèi)型是一種生態(tài)系統(tǒng)較為單一，脆弱的景觀類(lèi)型，所以在人為的影響下，溫宿縣生態(tài)環(huán)境仍較為脆弱，生態(tài)安全相對(duì)容易受到威脅，溫宿縣各個(gè)景觀指數(shù)的相應(yīng)變化也很好的驗(yàn)證這一點(diǎn)。所以，干旱區(qū)流域生態(tài)彈性力是人類(lèi)活動(dòng)和自然變化對(duì)土地干擾結(jié)果的綜合反映。

4 小結(jié)與討論

1）從景觀指數(shù)上來(lái)看，溫宿縣的優(yōu)勢(shì)斑塊1990年是其他、鹽漬地、干涸湖底和砂地。2002年優(yōu)勢(shì)斑塊的地類(lèi)變化為其他、鹽漬地、砂地和水體。2015年又發(fā)生一定改變，變?yōu)槠渌Ⅺ}漬地、耕地和砂地四種地類(lèi)。耕地持續(xù)增長(zhǎng)最終成為優(yōu)勢(shì)斑塊。MPS從1990年的11.81到2002年22.03再到2015年的22.18。NP從1990年的97782到2002年的52 425再到2015年的52 063。MPS持續(xù)增加和NP持續(xù)減少，溫宿縣景觀破碎化持續(xù)降低，景觀整體更加完整。AWMSI從1990年的41.19到2002年的31.53，最終到2015年的29.27，指數(shù)持續(xù)降低，由于人類(lèi)持續(xù)影響，景觀斑塊形狀趨于規(guī)則。MNN從1990年128.24至2002年145.59，最后到2015年的150.46持續(xù)升高，景觀類(lèi)型斑塊分布更加離散。IJI從61.05到60.55再到63.56，SPLIT從1990年的7.23變?yōu)?002年的5.05而后增長(zhǎng)為2015年的5.78，從IJI和SPLIT看出分離度上下波動(dòng)，但是分離度有降低趨勢(shì)，景觀更加聚集。AI從92.53變?yōu)?4.86又下降到94.73，上下波動(dòng)，更加趨于穩(wěn)定，景觀內(nèi)斑塊高度連接。SHDI和SHEI數(shù)值上下波動(dòng)，但總體顯上升狀態(tài)，景觀類(lèi)型多樣性隨時(shí)間推移更加豐富。

2）從生態(tài)彈性度來(lái)看，溫宿縣景觀生態(tài)彈性度從1990年的2.33×106下降為2002年的2.11×106，然后再增加到2015年的2.88×106。研究區(qū)生態(tài)彈性度整體上趨于增漲趨勢(shì)，說(shuō)明研究區(qū)的生態(tài)安全呈整體上升趨勢(shì)，也說(shuō)明該流域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界干擾和壓力的緩沖調(diào)節(jié)能力大幅度增強(qiáng)。2002-2015年上升最為明顯，彈性度的總體變化和耕地總體變化趨勢(shì)有明顯耦合性，因?yàn)樵诙潭痰?0年間，自然因素的變化比較小，可以推測(cè)出溫宿縣地區(qū)景觀綜合特征的變化主要是由人類(lèi)的持續(xù)活動(dòng)對(duì)景觀干擾不斷加強(qiáng)的結(jié)果，可以得出研究區(qū)彈性度的上升主要是由于耕地面積向上浮動(dòng)。而耕地的景觀類(lèi)型是一種生態(tài)系統(tǒng)較為單一、脆弱的景觀類(lèi)型，所以溫宿縣生態(tài)環(huán)境仍較為脆弱。

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