新疆阿克蘇河流域2005—2015年景觀變化及驅(qū)動力分析

龍德江，魏光輝，張洛晨

(1.新疆喀什地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆 喀什 844000；2.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

全球氣候變暖、生物多樣性減少或消失、土地與生態(tài)系統(tǒng)退化等環(huán)境問題是困擾人類生存的首要矛盾，是實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的障礙[1-3].景觀生態(tài)學(xué)是宏觀生態(tài)研究的一個新領(lǐng)域，近年來，運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)方法探討流域環(huán)境脆弱的特點(diǎn)及成因一直是研究熱點(diǎn)[4-5].分析流域土地利用變化過程、變化規(guī)律以及驅(qū)動因素，是生態(tài)環(huán)境變化研究的基礎(chǔ)，也是調(diào)控人類行為的依據(jù)[6-8].

在景觀生態(tài)研究方面近10 a已取得較大的進(jìn)展，主要集中在較大時空尺度的景觀格局及其變化以及受水資源脅迫的景觀格局與變化[9-12]，對流域尺度景觀變化的人為驅(qū)動研究較為薄弱.隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，借助于高時空分辨率遙感影像可以實現(xiàn)流域景觀格局和景觀動態(tài)研究，且對人類活動對流域景觀變化的細(xì)微之處可進(jìn)行詳細(xì)刻畫.

塔里木河的來水量70%以上來自于阿克蘇河.因此，阿克蘇河流域景觀動態(tài)變化對于塔里木河來說極其重要.本文分別從景觀類型水平和景觀水平出發(fā)，結(jié)合GIS和RS技術(shù)，對新疆阿克蘇河流域2005—2015年的景觀格局進(jìn)行綜合研究，探究2005—2015年間土地演變趨勢和主要驅(qū)動力，揭示人類活動與景觀格局演變之間的聯(lián)系，以期為今后流域生態(tài)環(huán)境改善、促進(jìn)流域生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供參考和借鑒.

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河流域位于天山中段西部南麓，塔里木盆地北緣，地理位置介于75°35′～80°59′E，40°17′～42°27′N之間，流域面積5.3×104km2，其中境內(nèi)面積為3.1×104km2.阿克蘇河是塔里木河四源流之一，常年與塔里木河干流保持著輸水的關(guān)系，其輸水量占到四源流輸水總量的70%左右.流域形狀東西長而南北寬，地勢西北高而東南低，自西北向東南傾斜.地形可分為山區(qū)、平原兩大部分.阿克蘇河流域地處歐亞大陸腹地，干燥少雨，是典型的干旱大陸性氣候.流域多年平均氣溫為9.2 ℃～11.5 ℃，多年平均降水量64 mm，多年平均蒸發(fā)量1 890 mm，年極端最高氣溫40.2 ℃，年極端最低氣溫-27.6 ℃，多年平均日照時數(shù)2 850 h，無霜期188～207 d之間.

阿克蘇河流域主要包括阿克蘇市、阿瓦提縣、烏什縣、溫宿縣、柯坪縣、阿合奇縣及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師的1團(tuán)至6團(tuán).截止到2015年底，流域總?cè)丝?37.1萬，地方國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)約311.1億元，全社會固定資產(chǎn)投資約274億元，地方財政收入約25.9億元，地方財政支出約121.9億元.

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取新疆阿克蘇河流域2005年、2010年、2015年的Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，基于ENVI 4.8軟件，將研究區(qū)土地利用類型分成耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和其他土地7個類型，獲取三期土地利用圖；遙感解譯結(jié)果經(jīng)Kappa系數(shù)檢驗均值85%以上，分類精度較高.

2.2 景觀格局指數(shù)計算

在選擇景觀指數(shù)時，景觀類型水平評價選取斑塊個數(shù)、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)、斑塊分形維度和穩(wěn)定性系數(shù)等指標(biāo)[13-14](見表1)，運(yùn)用ArcGIS、Excel等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，研究各景觀指標(biāo)的演化特征、景觀格局空間配置狀態(tài)和景觀時空變化特點(diǎn).

表1 阿克蘇河流域景觀格局指標(biāo)選取

通過ArcGIS軟件，對阿克蘇河流域2005—2015年的土地利用狀況數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理，計算出各個斑塊的周長和面積，為相關(guān)指數(shù)計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

(1)斑塊個數(shù)(NP)和斑塊面積(PD)

對阿克蘇河流域土地解譯數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理，對7大地類的斑塊數(shù)和斑塊面積分別進(jìn)行分類匯總，計算得到研究區(qū)2005年、2010年和2015年各個地類的斑塊密度(見表2—4).

表2 2005年斑塊個數(shù)(NP)和面積(PD)計算相關(guān)參數(shù)

地類斑塊個數(shù)(NP)斑塊面積(A)斑塊密度(PD)耕地3 256620 990.30.005 24園地994162 0230.006 13林地254357 268.80.000 71草地6838 8560.001 75建設(shè)用地17114 2410.012 01水域194119 367.40.001 63其它用地157897 532.70.000 17

表3 2010年斑塊斑塊個數(shù)(NP)和面積(PD)相關(guān)參數(shù)

(2)斑塊形狀指數(shù)(S)

斑塊形狀指數(shù)等于某一斑塊形狀與相同面積的圓或正方形之間的偏離值，其計算式如下[15]：

(1)

式中：S—斑塊形狀指數(shù)；m—某一類圖斑總數(shù)；

Pi—i地類圖斑周長；Ai—i地類的圖斑面積.

運(yùn)用式(1)分別對研究區(qū)2005、2010和2015年的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果(見表5).

表4 2015年斑塊斑塊個數(shù)(NP)和面積(PD)相關(guān)參數(shù)

地類斑塊個數(shù)(NP)斑塊面積(A)斑塊密度(PD)耕地1 633617 433.20.002 64林地364288 376.00.001 26園地1 447291 393.90.004 97草地11832 512.00.003 63建設(shè)用地1 77763 729.50.027 88水域35788 718.90.004 02其它用地385825 515.50.000 47

表5 阿克蘇河流域2005—2015年各地類斑塊形狀指數(shù)值

(3)斑塊分形維度(D)及穩(wěn)定性系數(shù)(S)

斑塊分形維度通過周長與面積的線性擬合來求得，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和具有更大的代表意義，以一個地類作為單位，分別計算出InA(r)和InP(r)，通過趨勢線求出斜率，間接得到D值，再通過公式，計算穩(wěn)定性系數(shù)S.

3 結(jié)果分析

3.1 景觀格局時空演變特征

根據(jù)景觀格局指數(shù)計算式以及2005—2015年阿克蘇河流域土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)(見表6—8)，計算得到研究區(qū)2005、2010和2015年的景觀格局指數(shù)(見表9).

表6阿克蘇河流域2005年景觀格局指標(biāo)參數(shù)

地類ApNP2/DA0.5耕地620 990.321 515.683 2561.70788.03園地162 023.010 004.629941.37402.52林地357 268.83 695.782541.66597.72草地38 8562 543.43681.46285.23建設(shè)用地14 241.0765.381711.52119.34水域119 367.46 421.171941.31345.50其它用地897 532.77 433.351571.58947.38

表7 阿克蘇河流域2010年景觀格局指標(biāo)參數(shù)

表8 阿克蘇河流域2015年景觀格局指標(biāo)參數(shù)

從表9可以看出，2005—2015年阿克蘇河流域7大地類都經(jīng)過了較為復(fù)雜的變化過程，除了裸地的密度是單一上升、園地和建筑用地的布局在空間上呈現(xiàn)出持續(xù)收縮、園地的斑塊形狀越來越規(guī)則、水域的穩(wěn)定性不斷增加、裸地的穩(wěn)定性持續(xù)下降之外，大多數(shù)指標(biāo)都呈現(xiàn)出波動變化趨勢，使得景觀的分布變得更加復(fù)雜.

表9 2005—2015年流域景觀格局指數(shù)計算結(jié)果

(1)耕地

耕地作為流域最基本的地類，在土地總面積中占有較大比重，雖然在十年間面積總量經(jīng)過了一個“∧”形變化，但是占比仍在30%左右.斑塊總個數(shù)在2005—2010年間，并沒有發(fā)生太多的變化，而2010—2015年五年間，斑塊的數(shù)量大幅度減少，整體分布呈現(xiàn)出破碎的狀態(tài)，這與上述耕地面積的變化趨勢也是相吻合的，斑塊的面積減少與數(shù)量減少存在直接的聯(lián)系，在這個期間，斑塊密度也是呈現(xiàn)出劇烈減少的趨勢，這表明耕地斑塊的分布越來越分散.形狀指數(shù)呈現(xiàn)出“∨”性，分維指數(shù)卻是一個“∧”形的形狀，表明耕地斑塊的形狀復(fù)雜程度經(jīng)歷一個從較為不規(guī)則到更規(guī)則，到最后的不規(guī)則的狀態(tài)，在空間上呈現(xiàn)出先擴(kuò)展后收縮的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性在經(jīng)歷一段時間的下降之后，在2015年有所回升.

(2)林地

林地面積不斷減少，而斑塊密度卻呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，說明在整體水平上林地的破碎度和斑塊形狀呈現(xiàn)出波動變化，在空間上呈現(xiàn)出先擴(kuò)展后收縮的趨勢，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也隨之波動.從總的趨勢上來看，相對于2005年，林地的分布更加分散，而形狀也更加規(guī)則，空間上呈現(xiàn)出收縮的趨勢，穩(wěn)定性也有所增加.

(3)園地

作為流域的主要經(jīng)濟(jì)來源之一，園區(qū)種植業(yè)在當(dāng)?shù)氐玫酱蠓秶茝V，園地面積和斑塊個數(shù)不斷增加，而斑塊密度呈現(xiàn)“∧”型變化，形狀指數(shù)呈現(xiàn)出“∨”形波動之后，表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的狀態(tài).這與當(dāng)?shù)貙@地的集中管理具有一定的聯(lián)系，而形狀逐漸趨不規(guī)則，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到緩解，在2015年時達(dá)到了一個較好的水平.

(4)草地

在流域整體生態(tài)布局中，草地面積在所有地類中處于比較薄弱的狀況，從2005年的1.76%到2010年的1.54%，再到2015年的1.47%，草地占比都是非常小的.2005—2015年間，草地斑塊個數(shù)不斷增加，而面積卻呈現(xiàn)出不斷減少的趨勢，使得斑塊密度呈現(xiàn)出增加態(tài)勢，草地的破碎化程度不斷增加，分布也更加聚集，而形狀指數(shù)由原本的0.213下降到2010年0.182，再回到0.201，形狀復(fù)雜度在一段時間的平緩之后，較2005年更為復(fù)雜.但是草地整體在空間上呈現(xiàn)出先擴(kuò)展后收縮的趨勢，穩(wěn)定性也隨之得到改善.

(5)建筑用地

建筑用地的分布較少，且主要集中在水域邊緣地區(qū).在2005—2015年間，建筑用地的斑塊數(shù)量變化則呈現(xiàn)出“∨”形變化，2010—2015年的變化更為明顯，斑塊密度也印證了這個規(guī)律.建筑用地的景觀經(jīng)過一段時間的平穩(wěn)改善期后，斑塊分布越加分散，但是斑塊形狀越來越規(guī)則，穩(wěn)定性呈現(xiàn)出一個不斷增加的趨勢.

(6)水域

從2005年起，由于流域建筑用地的增加和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展導(dǎo)致用水需求的增大，水域在經(jīng)歷了形狀不規(guī)則化、破碎化加重的過程后，整體結(jié)構(gòu)恢復(fù)到比較平穩(wěn)的狀態(tài).

(7)其他土地

其他土地主要是裸地，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)的需求使得原本的裸地轉(zhuǎn)化為其他土地類型，其面積的增加和斑塊個數(shù)的增加使得裸地在空間上呈現(xiàn)出收縮狀態(tài)，形狀逐漸變得更加規(guī)則，結(jié)構(gòu)也趨于穩(wěn)定.

3.2 土地利用變化驅(qū)動力分析

3.2.1 基于主成分分析的驅(qū)動因子研究

阿克蘇河流域近10 a(2005—2015年)來的土地利用格局變化中，建設(shè)用地變化最為顯著，故選擇該時段建設(shè)用地面積變化作為驅(qū)動力分析的初步研究對象.根據(jù)流域?qū)嶋H情況，選取16個與建設(shè)用地面積變化相關(guān)的指標(biāo)：X1為年末總?cè)丝?×104人)、X2為非農(nóng)業(yè)人口(×104人)、X3為地方生產(chǎn)總值(×108元)、X4為第二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重(%)、X5為農(nóng)民人均純收入(元/人)、X6為城鎮(zhèn)居民人均可支配收入(元/人)、X7為人均糧食產(chǎn)量(t/人)、X8為經(jīng)濟(jì)作物播種面積(×104ha)、X9為種植結(jié)構(gòu)比(%)、X10為畜牧業(yè)產(chǎn)值(×104元)、X11為林業(yè)產(chǎn)值(×104元)、X12為固定資產(chǎn)投資額(×108元)、X13為社會消費(fèi)品零售額(×108元)、X14為公路里程(×104km)、X15為貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量(×104t·km)、X16為客運(yùn)周轉(zhuǎn)量(×104人km).采取主成分分析方法對流域建設(shè)用地面積變化的驅(qū)動因素進(jìn)行分析[16].

運(yùn)用SPSS軟件，首先對選取的16個因子進(jìn)行典型相關(guān)分析，剔除了3個與建設(shè)用地面積變化相關(guān)性小的因子：經(jīng)濟(jì)作物播種面積、畜牧業(yè)產(chǎn)值和林業(yè)產(chǎn)值.進(jìn)一步進(jìn)行主成分分析，計算特征值、累計貢獻(xiàn)率、主成分載荷矩陣等(見表10).第一、二、三主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)>85%，符合主成分分析要求.第一主成分與X3、X4、X5、X6、X12、X13的載荷系數(shù)較大，反映研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，歸為經(jīng)濟(jì)因素；第二主成分與X14、X15、X16的載荷系數(shù)較大，反映研究區(qū)道路設(shè)施建設(shè)情況，歸為交通因素.第三主成分與X1、X2的載荷系數(shù)較大，反映該地區(qū)的人口發(fā)展?fàn)顩r，歸為人口因素.因此，可從經(jīng)濟(jì)、交通以及人口三個方面分析其對阿克蘇河流域建設(shè)用地面積變化的影響.

表10 驅(qū)動力指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

3.2.2 驅(qū)動機(jī)制分析

(1)經(jīng)濟(jì)因素

2005—2015年，阿克蘇河流域地區(qū)生產(chǎn)總值從150.10×108元增加到569.64×108元，年均增長27.95%，人均地方生產(chǎn)總值由6461.07元增加到22 435.61元.同期建設(shè)用地面積從14 241.00 hm2增加到63 729.51 hm2，年均增加34.75%.經(jīng)過相關(guān)性檢驗，兩者的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.942，可知經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對建設(shè)用地擴(kuò)張產(chǎn)生重要影響，主要表現(xiàn)為：伴隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，阿克蘇河流域三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從2005年的33.10 ∶27.4 ∶39.5轉(zhuǎn)變?yōu)?015年的22.73 ∶35.14 ∶42.13，第一產(chǎn)業(yè)比例下降超過10個百分點(diǎn)，第二產(chǎn)業(yè)比例上升近8個百分點(diǎn)，第三產(chǎn)業(yè)比例變化幅度不大，隨著第二產(chǎn)業(yè)投資的加大，工業(yè)增加值年均上升43個百分點(diǎn)，工業(yè)、建筑業(yè)用地面積隨之迅速增加；經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)固定資產(chǎn)投資的增加，10年間，阿克蘇河流域固定資產(chǎn)投資增長687.29%.

(2)交通因素

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展能夠加快農(nóng)村道路、境內(nèi)公路、鐵路等建設(shè)用地的開發(fā).2005—2015年，阿克蘇河流域公路里程較2005年增幅74.46%.其中，阿克蘇市交通建設(shè)用地增加最為明顯，南疆鐵路和高速公路穿境而過，交通沿線可達(dá)性進(jìn)一步增強(qiáng).對公路里程和建設(shè)用地面積進(jìn)行相關(guān)性分析，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.953，說明道路交通的擴(kuò)展在很大程度上促進(jìn)了建設(shè)用地規(guī)模的擴(kuò)張.

(3)人口因素

人口作為社會活動的主體，對建設(shè)用地變化起著不可忽視的作用.2005—2015年，阿克蘇河流域總?cè)丝诤头寝r(nóng)業(yè)人口分別增加了27.42萬與18.59萬，與建設(shè)用地面積呈正向變化趨勢.從土地資源來看，新增人口、尤其是非農(nóng)業(yè)人口的增加必然會產(chǎn)生對建設(shè)用地的旺盛需求，城鎮(zhèn)住房、大型商場、綠地、娛樂設(shè)施等建設(shè)用地逐步向城郊擴(kuò)展，大量耕地被轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)建設(shè)用地，從而推動了建設(shè)用地面積的急速增加.

4 結(jié) 論

(1)2005—2015年間，阿克蘇河流域土地總面積變化不明顯，但土地利用類型在空間、時間上發(fā)生了明顯改變，這與人類活動和城鎮(zhèn)化的發(fā)展有著不可分割的聯(lián)系.

(2)在流域景觀格局當(dāng)中，耕地斑塊朝向分散化、破碎化發(fā)展，斑塊形狀經(jīng)歷了較規(guī)則、不規(guī)則到規(guī)則的“∧”形變化，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有所提高；流域建筑用地、草地、園地和水域的狀態(tài)趨向平穩(wěn)，形狀逐漸規(guī)則化，整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)也有所提升.

(3)采用主成分分析法對流域建設(shè)用地面積變化的驅(qū)動因子進(jìn)行定量分析，表明經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、非農(nóng)人口的增加和交通建設(shè)是導(dǎo)致建設(shè)用地擴(kuò)張的主要因素.