塔里木河中游耕地?cái)U(kuò)張及景觀破碎化研究

張志軍，伍維模，張 宏

（1.阿克蘇地區(qū)中心林管站，新疆 阿克蘇843000；2.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；3.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；4.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾843300）

在全國耕地面積持續(xù)減少的大背景下，西北干旱地區(qū)的耕地卻呈現(xiàn)出擴(kuò)張的趨勢(shì)[1,2]，尤其是塔里木河上、中游地區(qū)[3,4-7]。塔里木河是我國最大的內(nèi)陸河，河流沿岸分布著南疆的主要灌溉綠洲。由于耕地?cái)U(kuò)張，農(nóng)田、道路、人工渠等人為景觀的出現(xiàn)及增多，已經(jīng)對(duì)塔里木河流域原始的荒漠河岸林景觀產(chǎn)生了重大影響[8]，突出表現(xiàn)為下游自然植被顯著減少、大面積胡楊林衰敗干死[9]及景觀的破碎化[4,10-13]。

景觀破碎化是指景觀類型破碎成更小的斑塊的過程[14,15]。景觀破碎化是導(dǎo)致生境喪失、斑塊隔離、邊緣效應(yīng)發(fā)生，從而引起全球范圍內(nèi)物種多樣性下降與損失的重要原因[14]。耕地?cái)U(kuò)張是人類活動(dòng)造成生態(tài)系統(tǒng)或景觀破碎化的一個(gè)重要因子[14,16]。已有不少學(xué)者對(duì)塔里木河流域的景觀破碎化進(jìn)行了研究[4,10-13,17]，但這些研究主要基于2010年以前的中低分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)生成的土地利用/覆蓋變化類型，較少有研究報(bào)道耕地?cái)U(kuò)張過程的變化軌跡[5,18]，以及耕地?cái)U(kuò)張對(duì)景觀破碎化的影響。因此，本研究以2007、2009、2013年和2015年的中高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，研究塔里木河中游的耕地?cái)U(kuò)張動(dòng)態(tài)、耕地變化軌跡及對(duì)景觀破碎化的影響，旨在為該地區(qū)的林地、草地等自然資源、生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性保護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河中游英巴扎與卡拉之間，長約190 km，寬約33 km，地理位置在 40°47′～41°13′N 和 81°51′～83°40′E 之間（圖1）。屬于塔里木盆地北緣沖積平原，北鄰天山南麓洪積扇，南鄰塔克拉瑪干沙漠；海拔高度在928～1 005 m；年平均降水量30～50 mm；年蒸發(fā)量1 900～2 900 mm，屬于極端干旱大陸性荒漠氣候。研究區(qū)內(nèi)包括庫車縣塔里木鄉(xiāng)、沙雅縣蓋孜庫木鄉(xiāng)和塔里木鄉(xiāng)，總面積4.3×105ha，總?cè)丝诩s2.9萬。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖（圖1的審圖號(hào)是GS(2015)125號(hào)）

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用了4個(gè)時(shí)相的中高分辨率遙感影像，分別是2007年9月美國Landsat衛(wèi)星（多光譜影像，30 m）、2009年10月德國RapidEye衛(wèi)星（多光譜正射影像，5 m）、2013年7～9月資源一號(hào)02C衛(wèi)星和資源三號(hào)衛(wèi)星（全色、多光譜影像，2.1～5.8 m）、2015年7～9月中國資源三號(hào)衛(wèi)星和高分1號(hào)（全色、多光譜影像，2～5.8 m）。

表1 耕地變化軌跡類別

1.3 景觀破碎化分析

遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)過輻射校正、幾何校正、假彩色合成后，將2007、2009、2013年的遙感圖像與2015年的進(jìn)行配準(zhǔn)。參考以往的工作經(jīng)驗(yàn)[19]，采用人機(jī)交互屏幕目視解譯方法對(duì)4個(gè)時(shí)期的遙感圖像分別進(jìn)行解譯分類。研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀類型劃分為耕地、公路用地、河流水面、村莊和其他地類5種類型。其他地類包括有林地、灌木林地、其他林地、天然牧草地、人工牧草地、其他草地、內(nèi)陸灘涂、鹽堿地、沼澤地、沙地和裸地等。2014-07-10，開展外業(yè)植被類型調(diào)查，采集160個(gè)點(diǎn)的植被類型數(shù)據(jù)，用來驗(yàn)證2013年遙感影像解譯分類的結(jié)果，總體分類精度為96.2%，Kappa系數(shù)為0.944。參考Sun and Zhou（2016）的方法[18]，共定義了7個(gè)耕地變化軌跡類別（表 1）。

表2 景觀格局指數(shù)及其計(jì)算公式[20]

采用景觀格局分析軟件FRAGSTATS 4.2[20]計(jì)算景觀格局指數(shù)。在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上[21-23]，本研究選擇了7個(gè)類別水平及8個(gè)景觀水平的景觀格局指數(shù)來分析景觀破碎化程度（表2），即景觀分裂指數(shù)（Landscape Division Index，DIVISION）、分離度指數(shù)(Splitting Index，SPLIT)、有效粒度尺寸（Effective Mesh Size，MESH）、散布與并列指數(shù)（Interspersion and Juxtaposition Index，IJI）、聚集度指數(shù)（Aggregation Index，AI）、景觀形狀指數(shù)（Landscape Shape Index，LSI）、連接度指數(shù)（Connectance Index， CONNECT）和蔓延度指數(shù)（Contagion Index，CONTAG）。景觀格局指數(shù)的定義及景觀生態(tài)學(xué)意義參見景觀格局分析軟件FRAGSTATS的幫助文檔[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地?cái)U(kuò)張的時(shí)空動(dòng)態(tài)

圖2 塔里木河中游2007～2015年耕地面積的數(shù)量變化

由圖2可知，塔里木河中游研究區(qū)內(nèi)耕地呈現(xiàn)出持續(xù)擴(kuò)張的趨勢(shì)，耕地面積不斷增大。2007、2009、2013年和2015年的耕地面積分別是3.65×104hm2、4.34×104ha、5.08×104ha和5.62×104ha，分別占總面積的8.3%、10.0%、11.6%和12.9%。2007～2015年耕地面積平均年增長0.25×104ha。2007～2009年、2009～2013年、2013～2015年耕地面積年增長率分別為9.8%、4.2%和5.3%，表明從2009年之后，塔里木河中游耕地?cái)U(kuò)張的速度減弱了。

耕地空間分布在塔里木河南岸的耕地要比北岸的多（圖3）。2007、2009、2013年和2015年，塔河南岸的耕地面積分別是1.83×104ha、2.21×104ha、2.71×104ha和3.06×104ha，而塔河北岸耕地面積分別是1.82×104ha、2.13×104ha、2.37×104ha和2.56×104ha?？傮w上，耕地面積的擴(kuò)張速度表現(xiàn)出塔里木河南岸要快于北岸，且水土資源豐富及交通條件較好的區(qū)域，開墾耕地?cái)?shù)量最多。

圖3 塔里木河中 游2007～2015年耕地等地類分布圖

2.2 耕地變化軌跡

圖4 塔里木河中游2007～2015年耕地變化軌跡

表3 耕地變化軌跡類別的面積及景觀格局指數(shù)

從圖4及表3可以看出，塔里木河中游研究區(qū)內(nèi)，2007～2015年耕地變化軌跡類別中，老耕地面積最大，為2.5×104ha，占總面積的5.8%。2009年和2013年擴(kuò)張耕地面積分別是1.3×104ha和0.95×104ha；擴(kuò)張的耕地在塔里木河兩岸均有分布，但南岸較北岸擴(kuò)張得更多。2009年擴(kuò)張的耕地面積，南岸為0.68×104ha，北岸為0.62×104ha；2013年擴(kuò)張的耕地面積，南岸為0.58×104ha，北岸為0.37×104ha；在耕地?cái)U(kuò)張的同時(shí)，也存在著棄耕現(xiàn)象，2009年和2013年棄耕地分別是0.69×104ha和0.27×104ha。棄耕地主要轉(zhuǎn)換為其他用途，如城鄉(xiāng)居民及建設(shè)用地、鄉(xiāng)村道路等[11]，還有一部分是水毀后的撂荒。

2.3 景觀破碎化分析

表4 塔里木河中游2007～2015年耕地、其他地類及整個(gè)研究區(qū)景觀水平的景觀格局指數(shù)

在類別水平上的指數(shù)對(duì)于描述和理解景觀中不同類型斑塊的格局特征具有重要的作用[20,24]。從表4可以看出，2007～2015年耕地、其他地類兩個(gè)景觀類型隨著耕地面積擴(kuò)張，景觀形狀指數(shù)（LSI）值持續(xù)增加，散布與并列指數(shù)（IJI）持續(xù)減少，表明景觀類型斑塊呈現(xiàn)出破碎化特征。2007～2015年在研究區(qū)總體上耕地景觀類型有破碎化的趨勢(shì)。但是，從2013～2015年之后，由于有效粒度尺寸（MESH）和連接度指數(shù)（CONNECT）略有增加，而景觀分裂指數(shù)（DIVISION）始終不變，說明與2007～2013年相比，2013～2015年耕地景觀的破碎化進(jìn)程已經(jīng)減緩。對(duì)于其他景觀類型，2007～2015年景觀分裂指數(shù)、分離度指數(shù)（SPLIT）和景觀形狀指數(shù)的值均持續(xù)增加，而有效粒度尺寸、散布與并列指數(shù)、聚集度指數(shù)（AI）和連接度指數(shù)（CONNECT）的值持續(xù)減少。表明隨著耕地的擴(kuò)張，塔里木河中游研究區(qū)內(nèi)其他地類景觀類型破碎化呈現(xiàn)出持續(xù)加劇的趨勢(shì)。

在景觀水平上的指數(shù)反映的是整個(gè)景觀鑲嵌體的破碎化特征[20,24]。從表4可知，2007、2009、2013年和2015年景觀分裂指數(shù)（DIVISION）值分別為0.80、0.81、0.82和0.83，分離度指數(shù)（SPLIT）值分別為4.90、5.35、5.58和5.78。2007～2015年研究區(qū)的景觀形狀指數(shù)值也持續(xù)增加，而有效粒度尺寸、散布與并列指數(shù)、聚集度指數(shù)、連接度指數(shù)和蔓延度指數(shù)（CONTAG）的值持續(xù)減少，表明塔里木河中游研究區(qū)景觀的破碎化呈現(xiàn)出加重的趨勢(shì)。

老耕地的分離指數(shù)及景觀形狀指數(shù)值是所有變化軌跡類別中最小的，而有效粒度尺寸值，散布與并列指數(shù)，聚集度指數(shù)值是最大的（表3），表明耕地?cái)U(kuò)張過程中，耕地變化軌跡類別中除了一直不發(fā)生變化的老耕地之外，其他變化軌跡類別的破碎化程度要高于老耕地。

3 討 論

塔里木河流域兩岸天然植被是橫亙?cè)谌斯ぞG洲經(jīng)濟(jì)帶和塔克拉瑪干沙漠之間的唯一屏障，生態(tài)區(qū)位十分重要。從上世紀(jì)50年代以后，塔里木河源流及干流地區(qū)大規(guī)模發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)、毀林開荒（主要是平原天然林），擴(kuò)大棉花的種植面積，造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[9]。為了保護(hù)新疆的平原天然林，尤其是南疆塔里木盆地的胡楊林和荒漠灌生林，2009-02-01起施行《新疆維吾爾自治區(qū)平原天然林保護(hù)條例》，并以此為執(zhí)法時(shí)間界線，對(duì)不在建成鄉(xiāng)范圍的新墾耕地全部退出，采取人工和自然相結(jié)合的技術(shù)措施，恢復(fù)新墾耕地森林資源?；?007～2015年的中高分辨率的衛(wèi)星遙感影像，本研究發(fā)現(xiàn)塔里木河中游研究區(qū)內(nèi)耕地仍然呈擴(kuò)張趨勢(shì)。因此，應(yīng)該加大法律法規(guī)宣傳，使當(dāng)?shù)鼐用裰ǘǎ餐S護(hù)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。

景觀格局指數(shù)可以用來定量描述和監(jiān)測(cè)景觀結(jié)構(gòu)特征隨時(shí)間的變化[24]。景觀分裂指數(shù)、分離度指數(shù)和有效粒度尺寸能有效地度量人類活動(dòng)引起的景觀破碎化[23]。前人的研究結(jié)果表明，當(dāng)景觀分裂指數(shù)和分離度指數(shù)值增大，有效粒度尺寸減小，就表明景觀破碎化程度加大[20,25]。本研究發(fā)現(xiàn)，2007～2015年，在類別水平上的景觀類型（其他地類）與景觀水平上的整個(gè)景觀鑲嵌體的景觀分裂指數(shù)和分離度指數(shù)值均增大，而有效粒度尺寸均減小，表明塔里木河中游其他地類（如林地、草地等）及整個(gè)研究區(qū)景觀因耕地?cái)U(kuò)張表現(xiàn)出明顯的破碎化現(xiàn)象，斑塊隔離程度增大。該結(jié)果與多數(shù)研究者對(duì)塔里木河流域2010年以前的景觀格局分析的結(jié)果是一致的[10-12,26]。

尺度，如空間分辨率、范圍對(duì)景觀格局指數(shù)有重要影響[24,27-29]。在本研究中，2007年的土地利用類型來源于中等空間分辨率（30 m）Landsat陸地衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)，2009、2013和2015年的土地利用類型來源于高空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)（2～5 m）。高空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)用于塔里木河中游的耕地解譯及景觀格局特征的分析還不多見。由于數(shù)據(jù)源的空間分辨率不同，直接用不同空間分辨率的土地利用現(xiàn)狀類型的柵格文件來進(jìn)行景觀格局指數(shù)的計(jì)算，會(huì)因?yàn)闁鸥裣裨笮〔煌a(chǎn)生景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)[27-31]。也就是說，同一研究區(qū)同一時(shí)期的景觀格局指數(shù)會(huì)隨著粒度大小變化而變化。為此，本研究在解譯4個(gè)時(shí)期不同空間分辨率的遙感影像時(shí)，先生成矢量型數(shù)據(jù)文件，再重采樣為相同像元大小的土地利用現(xiàn)狀類型的柵格文件，據(jù)此來進(jìn)行不同年份的景觀格局指數(shù)的計(jì)算與比較，可以減少因不同年份的遙感數(shù)據(jù)空間分辨率不同帶來的景觀格局指數(shù)的粒度效應(yīng)。

耕地?cái)U(kuò)張及景觀破碎化的驅(qū)動(dòng)力除了環(huán)境因素之外，人類活動(dòng)，尤其是人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的壓力也是重要的因素[15]。本研究雖然揭示了自2009-02-01施行《新疆維吾爾自治區(qū)平原天然林保護(hù)條例》之后，塔里木河中游的耕地?cái)U(kuò)張及景觀格局變化的特征，但對(duì)于耕地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 語

1）2007～2015年塔里木河中游研究區(qū)耕地面積呈持續(xù)擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)；2007～2015年耕地面積平均年增長0.25×104ha；2009年之后，塔里木河中游耕地?cái)U(kuò)張的速度減弱。塔里木河南岸的耕地面積、2009年擴(kuò)張耕地和2013年擴(kuò)張耕地面積均大于北岸。

2）2007～2015年塔里木河中游耕地變化軌跡類別中，老耕地的景觀破碎化程度低于2009、2013年擴(kuò)張耕地，2009年棄耕地和2013年棄耕地等類別。

3）隨著耕地?cái)U(kuò)張，塔里木河中游耕地以外的其他地類景觀及整個(gè)研究區(qū)的景觀破碎化程度加大，這對(duì)于保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性帶來了更大的壓力。

致謝：作者感謝美國Landsat項(xiàng)目、德國RapidEye和中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供本研究所用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。