祁連山生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域生態(tài)景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析

趙培強(qiáng)，陳明霞

(甘肅省環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730030)

生態(tài)景觀格局動(dòng)態(tài)變化是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心問(wèn)題[1]，探索景觀格局動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)因子有助于發(fā)現(xiàn)景觀格局變化規(guī)律，探究人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境演變間關(guān)系，進(jìn)而對(duì)景觀格局變化方向、過(guò)程和效應(yīng)進(jìn)行調(diào)控[2-7]。景觀格局在生態(tài)系統(tǒng)中功能十分重要，良好的景觀格局是物種生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，景觀格局中斑塊的類型、大小、形態(tài)、組合、動(dòng)態(tài)變化等對(duì)生物多樣性的發(fā)展影響較大[8-9]，因此研究生態(tài)景觀格局對(duì)區(qū)域生物多樣性的保護(hù)有重要的意義。

祁連山位于我國(guó)西北地區(qū)，區(qū)域物種資源豐富，珍稀和瀕危野生動(dòng)植物種類和數(shù)量繁多，是我國(guó)西北地區(qū)重要的生物資源基因庫(kù)，該區(qū)域生物多樣性的保護(hù)具有很高的價(jià)值。2015年原環(huán)境保護(hù)部在全國(guó)劃定了35個(gè)生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域，其中包括祁連山地區(qū)。本研究選取祁連山生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域(以下簡(jiǎn)稱“優(yōu)先區(qū)”)甘肅區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用生態(tài)遙感解譯技術(shù)，分析研究?jī)?yōu)先區(qū)甘肅區(qū)域5年間生態(tài)景觀格局動(dòng)態(tài)變化，旨在為研究區(qū)域生物多樣性保護(hù)規(guī)劃和生態(tài)景觀保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

祁連山生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域位于中國(guó)西北地區(qū)，甘肅省西部與青海省東北部交界處，總面積100 463 km2，涉及甘肅省和青海省的18個(gè)縣(區(qū)、市)，包括5個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。優(yōu)先區(qū)甘肅境內(nèi)總面積65 525.63 km2，涉及蘭州、金昌、武威、張掖、酒泉5個(gè)市13個(gè)縣(區(qū)、市)，包括了甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、甘肅安西極旱荒漠國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、甘肅連城國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和甘肅鹽池灣國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)共4個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和甘肅昌馬河省級(jí)自然保護(hù)區(qū)、甘肅瓜州縣塘墩湖省級(jí)自然保護(hù)區(qū)2個(gè)省級(jí)自然保護(hù)區(qū)，有森林、草原、荒漠、濕地、河流、湖泊、耕地和城市等多種生態(tài)景觀，構(gòu)成了復(fù)雜的生態(tài)景觀格局。祁連山生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域甘肅境內(nèi)范圍見(jiàn)表1。

表1 祁連山生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域甘肅境內(nèi)范圍

2 研究材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

以2010和2015年兩期Landsat TM遙感圖像為主要信息源，結(jié)合研究區(qū)同期土地利用現(xiàn)狀圖、行政區(qū)劃圖和1∶5萬(wàn)地形圖，在ArcGIS 10.2.1下對(duì)經(jīng)校正的兩期影像分別進(jìn)行裁剪處理，建立遙感解譯標(biāo)志，進(jìn)行人機(jī)交互式目視解譯，生成研究區(qū)域景觀類型圖，并分析研究區(qū)域景觀格局動(dòng)態(tài)變化。參考研究區(qū)域土地利用和覆蓋特點(diǎn)，根據(jù)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境實(shí)際情況，結(jié)合野外調(diào)查，將研究區(qū)景觀類型劃分為6種Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀(森林-灌叢、草地、農(nóng)田、濕地、城鎮(zhèn)、荒漠-裸地)和19種Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀(闊葉林、針葉林、針闊混交林、闊葉灌叢、稀疏林、稀疏灌叢、草原、草甸、草地、園地、耕地、濕地、湖泊、河流、城市綠地、建設(shè)用地、裸地、荒漠、冰川)進(jìn)行研究。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)景觀格局變化分析方法

在GIS技術(shù)支持下，對(duì)研究區(qū)生態(tài)景觀格局變化采用景觀格局轉(zhuǎn)移矩陣的方式進(jìn)行分析研究[10-11]，分析景觀格局變化形式及景觀類型的轉(zhuǎn)換信息。

2.2.2 景觀特征分析方法

對(duì)研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)景觀格局的變化運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)中的景觀指數(shù)法進(jìn)行分析，選取斑塊數(shù)(NP)、邊界密度(ED)、平均斑塊面積(MPS)、類斑塊平均面積(MPST)、聚集度指數(shù)(CONT)5個(gè)景觀指數(shù)，利用地理信息系統(tǒng)平臺(tái)ArcGIS和景觀結(jié)構(gòu)分析軟件FRAGSTAST進(jìn)行分析[12-14]。

(1)斑塊數(shù)(NP)。該指標(biāo)用來(lái)衡量目標(biāo)景觀的復(fù)雜程度，斑塊數(shù)量越多說(shuō)明景觀構(gòu)成越復(fù)雜。

NP=N

(1)

式中：NP表示整個(gè)景觀或單一景觀類型的斑塊數(shù)量；N為≥1的自然數(shù)，N=1時(shí)可認(rèn)為整個(gè)景觀只有一個(gè)斑塊。

(2)邊界密度(ED)。邊界密度也稱為邊緣密度，包括景觀總體邊緣密度(或稱景觀邊緣密度)和景觀要素邊緣密度(簡(jiǎn)稱類斑邊緣密度)，它是從邊形特征描述景觀破碎化程度，邊界密度越高說(shuō)明斑塊破碎化程度越高。計(jì)算公式為

ED=E/A

(2)

式中：ED為邊界密度；E為邊界總長(zhǎng)度；A為景觀總面積。

(3)平均斑塊面積(MPS)。該指標(biāo)可以用于衡量景觀總體完整性和破碎化程度，平均斑塊面積大說(shuō)明景觀較完整，破碎化程度較低。計(jì)算公式為

MPS=A/N

(3)

式中：MPS為平均斑塊面積；A為景觀總面積；N為斑塊數(shù)量。

(4)類斑塊平均面積(MPST)。它是景觀中第i類景觀要素面積的算數(shù)平均值，反映該類景觀要素斑塊規(guī)模的平均水平，平均面積最大的類可以說(shuō)明區(qū)域景觀的主要特征，每一類的平均面積則說(shuō)明該類在景觀中的完整性。計(jì)算公式為

(4)

(5)聚集度指數(shù)(CONT)。反映景觀中不同斑塊類型的非隨機(jī)性或聚集程度。聚集度指數(shù)越高說(shuō)明景觀完整性越好，相對(duì)的破碎化程度越低，計(jì)算公式為

(5)

式中：C為聚集度指數(shù)；Cmax為最大聚集度指數(shù)；n為景觀中斑塊類型總數(shù)；Pij為斑塊類型i與j相鄰的概率。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析

3.1.1 生態(tài)景觀格局轉(zhuǎn)移矩陣分析

在GIS支持下，將獲得的研究區(qū)兩個(gè)時(shí)期的Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀格局動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀格局轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表2。

由表2可知，研究區(qū)兩個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)期6種Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀類型沒(méi)有發(fā)生變化，但景觀格局發(fā)生變化：草地、農(nóng)田、濕地、荒漠-裸地4種Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀發(fā)生了矩陣

表2 2010—2015年優(yōu)先區(qū)Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀格局轉(zhuǎn)移矩陣 km2

轉(zhuǎn)出，局部面積轉(zhuǎn)移為其他生態(tài)景觀，也有其他生態(tài)景觀的轉(zhuǎn)入，其中草地生態(tài)景觀局部轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田、濕地、城鎮(zhèn)和荒漠-裸地生態(tài)景觀，農(nóng)田生態(tài)景觀局部轉(zhuǎn)變?yōu)樯?灌叢、草地和濕地生態(tài)景觀，濕地生態(tài)景觀局部轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、農(nóng)田和荒漠-裸地生態(tài)景觀，荒漠-裸地生態(tài)景觀局部轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍⑥r(nóng)田、濕地和城鎮(zhèn)生態(tài)景觀；森林-灌叢、城鎮(zhèn)2種Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生矩陣轉(zhuǎn)出，但由于其他生態(tài)景觀的轉(zhuǎn)入，景觀格局也發(fā)生了變化，面積有所增大。

由Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀格局轉(zhuǎn)移矩陣(略)可知，研究區(qū)兩個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)期19種Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀類型沒(méi)有發(fā)生變化，但景觀格局發(fā)生了變化。Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀中，闊葉林、針闊混交林、闊葉灌叢、稀疏林、稀疏灌叢、園地、城市綠地7種生態(tài)景觀格局表現(xiàn)穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生矩陣轉(zhuǎn)移；其余12種生態(tài)景觀格局相對(duì)不穩(wěn)定，發(fā)生了矩陣轉(zhuǎn)移，其中針葉林、草甸、河流、建設(shè)用地4種生態(tài)景觀沒(méi)有發(fā)生矩陣轉(zhuǎn)出，只有其他景觀面積轉(zhuǎn)入，而草原、草地、耕地、濕地、湖泊、裸地、荒漠、冰川8種生態(tài)景觀既發(fā)生了矩陣轉(zhuǎn)出，又有其他生態(tài)景觀面積轉(zhuǎn)入。發(fā)生矩陣轉(zhuǎn)出的8種生態(tài)景觀中，草原有0.48 km2轉(zhuǎn)移為耕地，0.01 km2轉(zhuǎn)移為湖泊，0.36 km2轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地，極少量轉(zhuǎn)移為荒漠；草地有678.70 km2轉(zhuǎn)移為草甸，12.42 km2轉(zhuǎn)移為耕地，0.67 km2轉(zhuǎn)移為湖泊，2.26 km2轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地，0.19 km2轉(zhuǎn)移為荒漠，極少量轉(zhuǎn)移為裸地；耕地有2.17 km2轉(zhuǎn)移為針葉林，0.15 km2轉(zhuǎn)移為草原，0.06 km2轉(zhuǎn)移為湖泊，極少量轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地；濕地有0.05 km2轉(zhuǎn)移為荒漠；湖泊有0.08 km2轉(zhuǎn)移為草原，0.15 km2轉(zhuǎn)移為草甸，0.64 km2轉(zhuǎn)移為草地，0.49 km2轉(zhuǎn)移為耕地，2.52 km2轉(zhuǎn)移為濕地，1.91 km2轉(zhuǎn)移為河流，11.59 km2轉(zhuǎn)移為荒漠；裸地有13.66 km2轉(zhuǎn)移為冰川；荒漠有0.62 km2轉(zhuǎn)移為草地，2.44 km2轉(zhuǎn)移為耕地，0.09 km2轉(zhuǎn)移為濕地，0.88 km2轉(zhuǎn)移為湖泊，2.25 km2轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地；冰川有7.92 km2轉(zhuǎn)移為裸地。

3.1.2 生態(tài)景觀格局轉(zhuǎn)移強(qiáng)度分析

在GIS支持下，對(duì)研究區(qū)兩個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)期的Ⅰ、Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析5年間Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀格局動(dòng)態(tài)變化強(qiáng)度，具體結(jié)果見(jiàn)圖1、2。

圖1 Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀格局變化強(qiáng)度

圖2 Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀格局變化強(qiáng)度

圖1表明，2010—2015年，研究區(qū)Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀中，森林-灌叢、農(nóng)田、城鎮(zhèn)、荒漠-裸地生態(tài)景觀格局面積增大，草地、濕地生態(tài)景觀格局面積減少；從生態(tài)景觀轉(zhuǎn)移強(qiáng)度分析，濕地、城鎮(zhèn)、荒漠-裸地生態(tài)景觀格局轉(zhuǎn)移強(qiáng)度相對(duì)較大，森林-灌叢、草地、農(nóng)田生態(tài)景觀格局轉(zhuǎn)移強(qiáng)度相對(duì)較?。粡纳鷳B(tài)景觀轉(zhuǎn)移面積占研究區(qū)總面積比例分析，6種生態(tài)景觀格局轉(zhuǎn)移面積在0.53～11.28 km2之間，僅占研究區(qū)總面積的0.000 8%～0.017 2%，占比很小，說(shuō)明研究區(qū)Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀格局總體表現(xiàn)穩(wěn)定。

圖2表明：2010—2015年，研究區(qū)Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀中有12種生態(tài)景觀格局發(fā)生變化，其中針葉林、草甸、耕地、濕地、河流、建設(shè)用地、荒漠、冰川8種生態(tài)景觀格局面積增大，草原、草地、湖泊、裸地4種生態(tài)景觀格局面積減少；從生態(tài)景觀轉(zhuǎn)移強(qiáng)度分析，草甸、草地生態(tài)景觀格局轉(zhuǎn)移強(qiáng)度相對(duì)較大，針葉林、草原、耕地、濕地、河流、建設(shè)用地、荒漠、冰川、湖泊、裸地10種生態(tài)景觀格局轉(zhuǎn)移強(qiáng)度相對(duì)較小；從生態(tài)景觀轉(zhuǎn)移面積占研究區(qū)總面積比例分析，12種生態(tài)景觀格局轉(zhuǎn)移面積在0.34～693.6 km2之間，占優(yōu)先區(qū)總面積的0.000 5%～1.06%，占比相對(duì)較大，說(shuō)明研究區(qū)Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀格局穩(wěn)定性相對(duì)較差。

3.2 生態(tài)景觀特征變化分析

本研究利用ArcGIS 10.2.1軟件，選取研究區(qū)2010和2015年兩個(gè)時(shí)期6種Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀和19種Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀進(jìn)行遙感解譯分析，利用景觀生態(tài)學(xué)中的斑塊數(shù)(NP)、邊界密度(ED)、平均斑塊面積(MPS)、類斑塊平均面積(MPST)、聚集度指數(shù)(CONT)5個(gè)景觀指數(shù)對(duì)研究區(qū)生態(tài)景觀特征進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3、4。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)分析， 研究區(qū)5年內(nèi)Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀

表3 2010—2015年研究區(qū)Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀指數(shù)

指數(shù)總體變化不明顯，除斑塊數(shù)(NP)、聚集度指數(shù)(CONT)略有變化外，邊界密度(ED)、平均斑塊面積(MPS)、類斑塊平均面積(MPST)均沒(méi)有發(fā)生變化，表明5年內(nèi)研究區(qū)Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀格局比較穩(wěn)定。根據(jù)景觀指數(shù)特性分析，研究區(qū)內(nèi)斑塊數(shù)(NP)較大，邊界密度(ED)、平均斑塊面積(MPS)、類斑塊平均面積(MPST)、聚集度指數(shù)(CONT)相對(duì)較小，表明研究區(qū)Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀破碎化程度較高。

表4 2010—2015年研究區(qū)Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀指數(shù)

注：表中各景觀類型以代碼代替，11、12、13、14、15、16分別代表闊葉林、針葉林、針闊混交林、闊葉灌叢、稀疏林、稀疏灌叢，21、22、23分別代表草原、草甸、草地，31、32分別代表園地、耕地，41、42、43分別代表濕地、湖泊、河流，51、52分別代表城市綠地、建設(shè)用地，61、62、63分別代表裸地、荒漠、冰川。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)分析，研究區(qū)5年內(nèi)Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀指數(shù)發(fā)生了一定的變化，從2010年至2015年，斑塊數(shù)(NP)增加，聚集度指數(shù)(CONT)有所降低，表明研究區(qū)5年內(nèi)破碎化程度增加。通過(guò)對(duì)類斑塊平均面積(MPST)分析，湖泊、冰川MPST降低，表明評(píng)價(jià)斑塊面積減小，破碎化程度增加；闊葉灌叢MPST增加，表明闊葉灌叢類斑塊平均面積增大，破碎化程度降低；其他景觀MPST沒(méi)有發(fā)生變化，表明研究區(qū)類斑塊平均面積穩(wěn)定。

4 結(jié)論與討論

(1)2010—2015年，祁連山生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域甘肅區(qū)域Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀中，景觀類型沒(méi)有發(fā)生變化，但景觀格局發(fā)生了動(dòng)態(tài)變化；19種Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀中，生態(tài)景觀類型沒(méi)有發(fā)生變化，但其中有12種生態(tài)景觀格局發(fā)生了動(dòng)態(tài)變化，景觀面積有所增減。

(2)2010—2015年，祁連山生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域甘肅區(qū)域Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀格局中，6種Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀格局均發(fā)生矩陣轉(zhuǎn)移，但轉(zhuǎn)移面積占比很小，表明研究區(qū)Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀格局總體表現(xiàn)穩(wěn)定。19種Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀格局中12種景觀格局發(fā)生矩陣轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積占比相對(duì)較大，表明研究區(qū)Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀格局總體穩(wěn)定性相對(duì)較差。

(3)2010—2015年，祁連山生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域甘肅區(qū)域Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀指數(shù)變化不明顯，表明研究區(qū)Ⅰ級(jí)生態(tài)景觀穩(wěn)定；Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀指數(shù)有所變化，但總體變化幅度不大，表明研究區(qū)Ⅱ級(jí)生態(tài)景觀發(fā)生了變化，但變化不明顯，生態(tài)景觀總體表現(xiàn)穩(wěn)定。

(4)祁連山生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域甘肅區(qū)域兩個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)期的景觀特征中，斑塊數(shù)(NP)較大，邊界密度(ED)、平均斑塊面積(MPS)、類斑塊平均面積(MPST)、聚集度指數(shù)(CONT)等較小，表明研究區(qū)域生態(tài)景觀復(fù)雜，景觀破碎化程度較高，研究結(jié)果與甘肅省河西走廊復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境相符。

(5)生態(tài)景觀格局動(dòng)態(tài)變化與區(qū)域生物多樣性保護(hù)存在一定的關(guān)系，研究結(jié)果表明，2010—2015年優(yōu)先區(qū)生態(tài)景觀格局總體表現(xiàn)穩(wěn)定、景觀類型豐富多樣，為各種類型的生物提供了良好的棲息地和生存環(huán)境。