新疆葉爾羌河流域胡楊林時(shí)空格局特征

李華林,白林燕,馮建中,高華端,冉啟云,于 濤,高旺旺

1 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094 2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所,北京 100081 3 貴州大學(xué)林學(xué)院,貴陽 550025

葉爾羌河是塔里木盆地西部最大的河流,孕育著新疆最大的綠洲之一—葉爾羌綠洲,是保障新疆塔里木河生態(tài)系統(tǒng)健康運(yùn)行的重要源流之一,對維護(hù)流域乃至整個(gè)新疆生態(tài)環(huán)境安全、促進(jìn)新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用[1- 2]。葉爾羌河流域地處塔里木河上游地區(qū),屬于典型極端干旱區(qū)[3],生態(tài)系統(tǒng)脆弱,極易受到氣候變化和人類活動(dòng)的影響。近年來,在自然和強(qiáng)烈的人為干擾下,流域內(nèi)河道斷流現(xiàn)象頻繁發(fā)生[4],以胡楊林為代表的荒漠河岸林日益衰敗,減弱了其防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣候、維持綠洲生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等作用[5-6]。因此,準(zhǔn)確掌握葉爾羌河胡楊林時(shí)空格局變化特征,對保護(hù)和恢復(fù)葉爾羌河流域生態(tài)環(huán)境、保障“一帶一路”生態(tài)文明建設(shè)順利實(shí)施有著十分重要的意義。

胡楊(PopuluseuphraticaOliv)是楊柳科楊屬中最古老、最原始的木本植物,它具有抗寒、抗熱、抗干旱、抗風(fēng)沙、耐鹽堿等優(yōu)良特性,是新疆干旱荒漠區(qū)天然林的建群樹種和珍貴的抗逆種質(zhì)資源,有著重要的生態(tài)作用[7]。研究表明,水分條件仍然是制約胡楊林生長發(fā)育的主要因素,決定其群落結(jié)構(gòu)和功能及植物個(gè)體形態(tài)和生理特征[8]。胡楊根系是吸收土壤水分和養(yǎng)分的關(guān)鍵,根系的分布決定著水資源的利用效率[9]；水分分布和鹽分條件影響著胡楊母樹和種子育苗的繁殖模式,對胡楊林的更新產(chǎn)生深刻的影響[10]；生態(tài)輸水能有效地改善胡楊林的局部生態(tài)環(huán)境[11-12]。目前,對新疆胡楊林流域尺度的研究主要集中在塔里木河干流。例如：崔彥軍等[13]、胡新振等[14]、金文斌等[15]、萬紅梅等[16]利用遙感方法提取塔里木河干流胡楊林信息特征；黃青等[17]、王亮[18]、趙虎等[19]通過遙感分析方法對塔里木河干流土地利用景觀格局進(jìn)行評價(jià)與分析；朱緒超等[20]、陳海燕等[21]、張繪芳等[22]利用遙感方法研究塔里木河干流植被群落結(jié)構(gòu)特征及變化趨勢；王家強(qiáng)等[23]采用高光譜技術(shù)研究塔里木河上游胡楊和灰葉胡楊葉片氮素含量。而對塔里木河上游葉爾羌河流域胡楊林研究較少,只涉及到胡楊林的碳、氮含量特征、胡楊林演變規(guī)律以及胡楊林生態(tài)保護(hù)對策等方面,對利用遙感方法監(jiān)測葉爾羌河流域胡楊林時(shí)空格局的研究極少。如：王晶等[24]研究葉爾羌河流域荒漠河岸林胡楊碳、氮含量特征,結(jié)果表明不同季節(jié)胡楊葉片C、N含量不同；李靖等[25]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和隸屬度結(jié)合的方法建立了流域生態(tài)承載力模型,確定了葉爾羌河流域的最優(yōu)發(fā)展方案；陳超群[26]探討了葉爾羌河流域胡楊林的演變規(guī)律及生態(tài)保護(hù)政策；程仲雷等[27]、胡林金等[28]、凌紅波等[29]、孫本國等[30]利用水文資料對葉爾羌河徑流量與降水量變化進(jìn)行了分析研究。鑒于此,本文基于1995—2015年Landsat TM/OLI長時(shí)間序列土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),通過土地利用程度變化來揭示區(qū)域土地利用狀況和變化趨勢；利用景觀指數(shù)分析胡楊林時(shí)空格局動(dòng)態(tài)變化特征,旨在揭示葉爾羌河流域胡楊林時(shí)空格局動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其對氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng),為保護(hù)葉爾羌綠洲和恢復(fù)葉爾羌河流域生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

葉爾羌河流域位于新疆維吾爾族自治區(qū)西南部,塔里木盆地西部(圖1),地理坐標(biāo)為74°28′—80°54′E,34°50′—40°31′N[5]。葉爾羌河發(fā)源于喀喇昆侖山,全長1097 km,多年平均徑流量為66.3億m3,且年際和年內(nèi)流量分布不均,6—8月來水量較大,徑流主要靠冰川融雪和降雨補(bǔ)給,最終匯入塔里木河。在帕米爾高原、喀喇昆侖山和南天山的阻礙作用下,使大西洋和印度洋暖、濕氣流無法入境,導(dǎo)致區(qū)域常年干旱少雨,空氣干燥,多年平均降雨量為30—60 mm,屬于典型干旱大陸性氣候。流域內(nèi)光熱資源豐富,日照時(shí)間長,蒸發(fā)強(qiáng)烈,年均氣溫為11.9—12.1℃,最高溫為39.4℃,最低氣溫為-25℃[31]。土壤主要以沙壤土、板結(jié)鹽堿土為主,pH值為7.5—8.5[32]。

圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 The study area

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要包括土地利用數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)為北京宇世藍(lán)圖信息技術(shù)有限公司基于Landsat TM/OLI 遙感影像數(shù)據(jù),通過人工目視解譯方法生產(chǎn)的1995年、2005年、2015年3期柵格產(chǎn)品數(shù)據(jù),其空間分辨率為30 m,土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、居民用地和未利用地6個(gè)一級利用類型。本研究采用葉爾羌河流域1995年、2005年Landsat5 TM(30 m)和2015 年Landsat5 OLI(30 m)7、8、9月的遙感影像數(shù)據(jù)(http://www.gscloud.cn/),基于RULEGEN決策樹分類方法[33]并結(jié)合人工目視解譯提取天然胡楊林,并更新至已有的土地利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)中,最終得到包括耕地、胡楊林、草地、其他林地、水域、居民地、未利用地7個(gè)類型的土地利用數(shù)據(jù)。每期數(shù)據(jù)選擇3個(gè)固定驗(yàn)證樣區(qū)進(jìn)行精度驗(yàn)證,1995年使用Landsat5 TM(30 m)數(shù)據(jù),2005年使用Terra ASTER(15 m)數(shù)據(jù)(https://glovis.usgs.gov/),2015年使用GF1 PMS1(8 m)數(shù)據(jù)(http://210.72.27.21:8790/SNFFWeb/WebUI/HomePage.jsp)通過人工目視解譯方法得到驗(yàn)證樣區(qū)土地利用分類數(shù)據(jù),樣區(qū)土地利用數(shù)據(jù)與基于RULEGEN的決策樹分類的土地利用數(shù)據(jù)構(gòu)建混淆矩陣進(jìn)行精度驗(yàn)證評價(jià)[34](表1)。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》(1995—2016年)各地、州、市、縣(市)的耕地面積、人口數(shù)、地區(qū)生產(chǎn)總值以及自然資源狀況等數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http//cdc.cma.gov.com)“中國地面氣候資料年值數(shù)據(jù)集”,數(shù)據(jù)集包括氣壓、氣溫、水汽壓、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、降水、蒸發(fā)量和日照等8個(gè)要素的歷年年值數(shù)據(jù),本文選取研究區(qū)內(nèi)氣象站點(diǎn)1995—2015年21期年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)。

表1 土地利用分類精度驗(yàn)證

2.2 研究方法

圖2 土地利用轉(zhuǎn)移過程Fig.2 Land use transfer processT：初期,The beginning of land use types；T+1：末期,The end of land use types；A、B、C、D、E、F：不同土地利用類型,Different land use types

本文基于1995—2015年Landsat TM/OLI長時(shí)間序列土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),利用土地利用程度變化指數(shù)、轉(zhuǎn)移矩陣以及景觀指數(shù)對新疆葉爾羌河流域胡楊林時(shí)空變化進(jìn)行監(jiān)測與分析。(1)野外樣方調(diào)查：采用樣帶調(diào)查方法對葉爾羌河流域天然胡楊林進(jìn)行野外調(diào)查,在葉爾羌河中、下游天然胡楊林分布區(qū),選擇具有代表性的6個(gè)調(diào)查地點(diǎn)(圖1),在調(diào)查地點(diǎn)垂直河岸不同距離(250 m,500 m,1000 m,1500m)設(shè)立20 m×20 m調(diào)查樣方進(jìn)行群落調(diào)查。(2)轉(zhuǎn)移矩陣(圖2)：土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映某一區(qū)域某一時(shí)段初期(T)和期末(T+1)各土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過程信息[35],(3)土地利用指數(shù)(表2)：本文利用單一土地利用動(dòng)態(tài)度、單一土地利用空間動(dòng)態(tài)度、單一土地利用變化狀態(tài)指數(shù)評價(jià)土地利用的變化速率和現(xiàn)狀。單一土地利用動(dòng)態(tài)度表征某土地利用類型數(shù)量變化；單一土地利用空間動(dòng)態(tài)度表征某類型在空間變化及其變化頻率；單一土地利用變化狀態(tài)指數(shù)表征某類型的趨勢和狀態(tài)。(4)景觀指數(shù)(表2)：以充分表征景觀組成、結(jié)構(gòu)和反映景觀全局及各類型變化為原則,結(jié)合研究目標(biāo)和尺度選擇具有相同生態(tài)學(xué)意義的景觀指數(shù),最終選取斑塊密度(Patch density)、最大斑塊指數(shù)(Largest patch index)、散布與并列指數(shù)(Interspersion and juxtaposition index)、結(jié)合度指數(shù)(Patch cohesion index)共4個(gè)類型水平景觀指數(shù)；選取景觀形狀指數(shù)(Landscape shape index)、蔓延度指數(shù)(Contagion index)、分離度指數(shù)(Splitting index)、Shannon多樣性指數(shù)(Shannon′s diversity index)、Shannon均勻度指數(shù)(Shannon′s evenness index)共5個(gè)景觀水平指數(shù)[36]。

表2 土地利用與景觀分析

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域土地利用時(shí)—空變化

3.1.1土地利用變化狀況

1995—2015年間,葉爾羌河流域土地利用類型面積發(fā)生了顯著變化(圖3),流域內(nèi)草地、水域、未利用地占主要類型,其總面積在三期土地利用中分別占91.03%、88.90%和92.60%。耕地和居民地面積呈上升趨勢,比重由1995年的5.73%增加到2015年的9.72%,面積增加3810.14 km2；胡楊林面積呈下降趨勢,比重由1995年的2.01%下降至2015年的1.73%,面積減少263.90 km2。1995—2005年,其他林地(除胡楊林外)和水域面積分別增加306.57 km2和2435.09 km2,而2005—2015年,其他林地和水域面積分別減少622.85 km2和4370.36 km2。1995—2005年,草地面積減少1942.60 km2,而2005—2015年,草地面積增加1268.95 km2。

圖3 1995—2015年葉爾羌河流域土地利用類型Fig.3 Land use types of the Yarkant River Basin from 1995 to 2015

根據(jù)野外調(diào)查和圖3可知：胡楊林沿主河道、支流以走廊式分布在葉爾羌河中、下游地區(qū),而上游地區(qū)分布較少。胡楊林主要分布在四十八團(tuán)至三河口河道兩側(cè)、低階地、河漫灘以及沖積平原等區(qū)域。四十八團(tuán)至永安壩段受小海子、永安壩水庫和葉爾羌河地下水的補(bǔ)給,其土壤濕潤,養(yǎng)分充足,胡楊林長勢旺盛,植物群落復(fù)雜,具有喬、灌、草三層結(jié)構(gòu)；永安壩至夏河林場段胡楊林受攔截洪水漫灌,胡楊林長勢較好,幼成林較多,植物群落單一；夏河林場至三河口段地下水較深,胡楊林長勢較差,林地稀疏,無幼成林,呈散生狀態(tài),且胡楊林向河道逐漸縮減,受沙漠侵襲較嚴(yán)重。總體上,隨著遠(yuǎn)離河道主軸線,植物種類逐漸減少和植被結(jié)構(gòu)趨于簡單,胡楊林個(gè)體長勢逐漸下降和衰敗。葉爾羌河下游水資源缺乏,胡楊林逐漸衰退,植被生態(tài)系統(tǒng)活力、結(jié)構(gòu)自我調(diào)節(jié)能力和恢復(fù)能力趨向退化,加上人為干預(yù)破壞系統(tǒng)承載力,導(dǎo)致胡楊林大面積死亡。

3.1.2土地利用動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)葉爾羌河流域1995—2015年土地利用動(dòng)態(tài)變化情況(圖4)可知,近20年耕地和居民地土地利用動(dòng)態(tài)度和變化狀態(tài)指數(shù)較高,表明該土地利用類型變化幅度較大,增速較快,面積有持續(xù)增加的趨勢。1995—2005年時(shí)段內(nèi)耕地土地利用動(dòng)態(tài)度和變化狀態(tài)指數(shù)均高于2005—2015年時(shí)段,表明耕地面積增幅降低和增速有減緩的趨勢,而居民地面積增速加快。其他林地土地利用動(dòng)態(tài)度由從1995—2005年的2.61%降低到2005—2015年的-4.20%,表明其他林地在1995—2005年內(nèi)增速和增幅較大,而在2005—2015年內(nèi)減少,在研究時(shí)間序列內(nèi)變化劇烈。從土地利用空間動(dòng)態(tài)度來看,近20年其他林地和居民地土地利用空間動(dòng)態(tài)度較大,表明該時(shí)期其他林地和居民地轉(zhuǎn)移面積較多,空間轉(zhuǎn)移頻繁；而水域、未利用地及草地空間動(dòng)態(tài)度較少,表明此三種土地利用類型空間變化頻率小。

胡楊林土地利用動(dòng)態(tài)度從1995—2005年的1.04%降低到2005—2015年的0.38%；土地利用變化狀態(tài)指數(shù)從1995—2005年的-0.10升高到2005—2015年的-0.06,表明胡楊林在研究時(shí)段內(nèi)面積持續(xù)減少,并幅度減少和速度有減緩的趨勢。從空間上來看,胡楊林土地利用空間動(dòng)態(tài)度從1995—2005年的10.35%降低到2005—2015年的6.77%,表明胡楊林在1995—2005年內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)換頻繁,空間變化頻率較高,而2005—2015年有減緩的趨勢。1995—2005年胡楊林的減少速度較快,而且一直呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢,這與人口對耕地的需求逐漸增加、人們對資源的合理開發(fā)意識較低以及對胡楊林的保護(hù)意識較差有關(guān),最終導(dǎo)致胡楊林面積減少。而2005—2015年胡楊林減少的速度變緩,減少的趨勢在降低,這與葉爾羌河流域逐步完善生態(tài)用水配套體系、強(qiáng)化水資源節(jié)約保護(hù)意識、新疆實(shí)施天然林保護(hù)措施以及強(qiáng)有力的水資源管理制度有顯著的關(guān)系。但總體上葉爾羌河下游地區(qū)水資源匱乏,胡楊林呈減少的趨勢,與王芳[37]、徐培軍等[38]的研究一致。

圖4 1995—2015年葉爾羌河流域土地利用變化Fig.4 The land use types change in the Yarkant River Basin from 1995 to 2015

3.2 胡楊林轉(zhuǎn)移時(shí)-空變化

圖5 1995—2015葉爾羌河流域胡楊林變化Fig.5 The change of Populus euphratica forests in the Yarkant River Basin from 1995 to 2015

為了揭示胡楊林空間格局的變化情況,通過統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和制圖得到研究區(qū)胡楊林與其他土地利用類型間的占比和空間轉(zhuǎn)移分布圖(圖5)。1995—2005胡楊林轉(zhuǎn)移較為劇烈,其總轉(zhuǎn)移面積占胡楊林總面積的70.60%。胡楊林轉(zhuǎn)為其他土地利用類型面積較多,占胡楊林總面積的38.84%,主要向未利用地和草地轉(zhuǎn)移；而由其他土地利用類型轉(zhuǎn)為胡楊林的面積占胡楊林總面積的31.76%,主要由草地和其他林地轉(zhuǎn)入。2005—2015年胡楊林轉(zhuǎn)為其他土地利用類型面積較多,占胡楊林總面積的27.10%,主要向未利用地和草地轉(zhuǎn)移；而由其他土地利用類型轉(zhuǎn)為胡楊林的面積占胡楊林總面積的24.23%,主要由草地和其他林地轉(zhuǎn)入。1995—2005年,永安壩至夏河林場段受人類活動(dòng)的影響劇烈,胡楊林和耕地過渡區(qū)域有大片的胡楊林被迫轉(zhuǎn)為耕地,耕地向葉爾羌河道擴(kuò)張；而夏河林場至三河口段,在遠(yuǎn)離葉爾羌河道的區(qū)域胡楊林面積逐漸減少,轉(zhuǎn)為草地和未利用地。胡楊林增加主要分布在河道兩側(cè)和水庫周邊,胡楊林更新較快,存在天然幼齡林。2005—2015年,隨著葉爾羌河下游水資源的逐漸減少,夏河林場至三河口段遠(yuǎn)離河道的胡楊林逐漸衰敗,向未利用地轉(zhuǎn)移。在人類生態(tài)環(huán)境的重視以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的條件下,胡楊林亂砍亂伐以及毀林開荒的現(xiàn)象減小,胡楊林增加區(qū)域主要分布在河漫灘與沖積平原地區(qū),該區(qū)域土壤濕度較大,土壤含水量較高,土壤生物較多,能為胡楊林提供充足的水分和養(yǎng)分滿足胡楊生長需求。

圖6 1995—2015年葉爾羌河流域胡楊林時(shí)空間轉(zhuǎn)移Fig.6 Spatio-temporal transfer of Populus euphratica forests in the Yarkant River Basin from 1995 to 2015UTP：未利用地向胡楊林轉(zhuǎn)移,Unused land transfer to Populus euphratica forests；RTP：居民地向胡楊林轉(zhuǎn)移,Residential area transfer to Populus euphratica forests；WTP：水域向胡楊林轉(zhuǎn)移,Water area land transfer to Populus euphratica forest forests；GTP：草地向胡楊林轉(zhuǎn)移,Grassland land transfer to Populus euphratica forests；OTP：其他林地向胡楊林轉(zhuǎn)移,Other forestland transfer to Populus euphratica forests；FTP：耕地向胡楊林轉(zhuǎn)移,Cultivated land transfer to Populus euphratica forests；PTU：胡楊林向未利用地轉(zhuǎn)移,Populus euphratica forests transfer to unused land；PTR：胡楊林向居民地轉(zhuǎn)移,Populus euphratica forests transfer to residential area；PTW：胡楊林向水域轉(zhuǎn)移,Populus euphratica forests transfer to water area；PTG：胡楊林向草地轉(zhuǎn)移,Populus euphratica forests transfer to grassland land；PTO：胡楊林向其他林地轉(zhuǎn)移,Populus euphratica forests transfer to other forestland；PTF：胡楊林向耕地轉(zhuǎn)移,Populus euphratica forests transfer to cultivated land

為了定量揭示胡楊林與其他土地利用類型的相互轉(zhuǎn)移情況,通過土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣反映各土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)移動(dòng)態(tài)過程信息(圖6)。1995—2015胡楊林主要向草地、其他林地、未利用地和耕地轉(zhuǎn)移,同時(shí)部分未利用地、草地和其他林地轉(zhuǎn)為胡楊林。胡楊林向居民地和水域轉(zhuǎn)移面積較少,同時(shí)水域、耕地及居民地向胡楊林轉(zhuǎn)移較少。1995—2005年胡楊林向草地、其他林地和耕地面積分別轉(zhuǎn)移667.3 km2、252.66 km2、116.13 km2；草地、其他林地和未利用地分別向胡楊林轉(zhuǎn)移547.13 km2、199.85 km2、135.09 km2。2005—2015年胡楊林主要向未利用地、草地和其他林地面積分別轉(zhuǎn)移310.35 km2、221.07 km2、55.76 km2,而草地、其他林地和未利用地分別向胡楊林轉(zhuǎn)移296.46 km2、173.57 km2、67.25 km2。總體上,近20年內(nèi)葉爾羌河流域天然胡楊林與草地、未利用地和其他林地轉(zhuǎn)移頻繁,而與居民地和水域相互轉(zhuǎn)移較少。

3.3 景觀格局動(dòng)態(tài)變化

3.3.1基于景觀類型水平動(dòng)態(tài)變化特征

草地和胡楊林斑塊密度(PD)較大,耕地、水域以及居民地斑塊密度較小(表3),表明草地和胡楊林分布較集中,而水域和居民地分布比較分散；胡楊林PD從1995年的0.19增加到2005年的0.56,然后再減少到2015年的0.35,總體呈增加趨勢。草地和未利用地最大斑塊指數(shù)(LPI)最大,而其他地類值較小,說明草地和未利用地占主要類型；胡楊林LPI從1995年的0.35增加到2015年0.58,說明胡楊林在研究時(shí)序內(nèi)空間分布上逐漸連片。居民地散布與并列指數(shù)(IJI)最低,說明居民地分布較分散,鄰近度低,而其他地類相對集中。1995—2015年胡楊林IJI指數(shù)一直增加,從50.11增加到60.23,說明胡楊林分布越來越集中,彼此為鄰,分離度逐漸降低。其他林地和居民地斑塊結(jié)合度指數(shù)(COHESION)較低,而其他的五類土地利用類型斑塊結(jié)合度指數(shù)較高接近100,說明居民地和其他林地的連通性較差,分布相對分散,空間連接性較低。胡楊林斑塊結(jié)合度指數(shù)變化幅度較小,但呈增加趨勢,說明其分布逐漸集中,空間連接性越來越高。胡楊林景觀格局變化劇烈,胡楊林斑塊密度、最大斑塊指數(shù)和散布與并列指數(shù)呈增加趨勢,斑塊結(jié)合度指數(shù)相對較高。1995—2015年,永安壩至夏河林場段胡楊林逐漸向葉爾羌河道縮減；而夏河林場至三河口段因水資源減少和地下水位下降,在遠(yuǎn)離葉爾羌河區(qū)域的胡楊林逐漸趨于死亡,導(dǎo)致胡楊林分布逐漸集中、景觀破碎度降低、連通性呈上升趨勢。

表3 葉爾羌河流域景觀類型水平指數(shù)變化

3.3.2基于景觀水平動(dòng)態(tài)變化特征

圖7 葉爾羌河流域胡楊林景觀指數(shù)變化 Fig.7 Changes of landscape indices of Populus euphratica forests in the Yarkant River BasinSHDI：Shannon多樣性指數(shù),Shannon′s diversity index；SHEI：Shannon均勻度指數(shù),Shannon′s evenness index；CONTAG：蔓延度指數(shù),Contagion index；SPLIT：分離度指數(shù),Splitting index；LSI：景觀形狀指數(shù),Landscape shape index

整體景觀形狀指數(shù)(LSI)呈先增后減的趨勢(圖7),分別由1995年的84.67增加到2005年的93.44,再下降至2015年的90.56,整體上增加5.89。說明研究區(qū)在20年內(nèi)景觀形狀越來越不規(guī)則,越來越復(fù)雜多樣。Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)和Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)呈現(xiàn)相同的變化趨勢,1995—2005年,呈現(xiàn)增加的趨勢,分別由1995年的1.35和0.69增加至2005年的1.41和0.72,表明景觀內(nèi)土地利用越來越豐富,破碎化程度較高,景觀異質(zhì)性、多樣性及均勻度增加,景觀類型向復(fù)雜化發(fā)展。2005—2015年,呈現(xiàn)減少趨勢,分別下降至2015年的1.38和0.71,表明景觀內(nèi)土地利用越來越單一,優(yōu)勢度明顯,景觀異質(zhì)性、多樣性及均勻度減弱,景觀類型向單一發(fā)展。蔓延度指數(shù)(CONTAG)呈現(xiàn)先減后增的趨勢,分離度指數(shù)(SPLIT)呈現(xiàn)先增后減的趨勢,表明1995—2005年,景觀要素連接性逐漸變?nèi)?聚集程度降低,離散和分離程度增加,景觀趨于復(fù)雜化；2005—2015年,景觀要素連接性逐漸變強(qiáng),聚集程度增加,離散和分離程度減弱,優(yōu)勢度斑塊類型比例逐漸增加,景觀趨于穩(wěn)定?？傮w上,1995—2015年間葉爾羌河流域LSI、SPLIT、SHEI、SHDI指數(shù)增加,CONTAG指數(shù)減少。景觀異質(zhì)性、多樣性及均勻度增加、破碎和分離程度較高、景觀類型向復(fù)雜化發(fā)展。

3.4 歸因分析

3.4.1氣候變化

氣候變化是影響土地利用和景觀格局變化的主要因素,降水和氣溫變化又是氣候要素中相對活躍的影響因子；葉爾羌河流域是典型的冰雪融水補(bǔ)給河流[39],其出山口卡群水文站水文資料對研究葉爾羌河流域水資源具有重要的價(jià)值。因此,本文以降水、氣溫和卡群站徑流量三個(gè)氣象因子分析氣候變化對葉爾羌河流域胡楊林時(shí)空格局的影響。由圖8可見,1995—2005年,平均年降水量為67.29 mm,其中1996年與2002年降水量較大,分別為153.70 mm和152.70 mm,年際降水波動(dòng)較大,平均降水量低；年平均氣溫為12.54℃,其中,1996年平均氣溫最低11.30℃,而2004年平均氣溫最高13.30℃,氣溫趨于平穩(wěn),徑流量變化較小。2005—2015年,平均降水量為60.84 mm,降水量趨于平穩(wěn),年際降水波動(dòng)較??；年平均氣溫為12.61℃,其中,2012年平均氣溫最低為11.60℃,氣溫波動(dòng)幅度較大,平均氣溫有所升高,徑流量變化較大。整體上,降水年際變化明顯,降水量呈減少趨勢；年際平均氣溫年際變化明顯,平均氣溫呈上升趨勢；徑流量呈增加趨勢；總體呈現(xiàn)出“冷濕-暖干”變化的趨勢。溫度升高加快冰雪融化,徑流量有增加的趨勢,而降水直接對冰川和徑流進(jìn)行補(bǔ)給,降水增加使冰川區(qū)積累量增加,調(diào)節(jié)河道徑流量[40]。

葉爾羌河流域?qū)儆诘湫偷母珊档貐^(qū),降水量、溫度和徑流量是影響胡楊林生長的主要因素。四十八團(tuán)至永安壩段水資源豐富,胡楊林受氣候變化的影響較少,胡楊林有增加的趨勢。而永安壩至夏河林場段,胡楊林受氣候變化較為明顯,溫度升高使蒸發(fā)加快,而降水減少使該區(qū)域更加干旱,使胡楊林逐漸衰敗。夏河林場至三河口段自然條件更為惡劣,在氣候向“暖干”變化的趨勢下,胡楊林向河道逐漸縮減,逐漸轉(zhuǎn)為未利用地。總體上：溫度、徑流量、降水三者相互影響,氣溫升高,降水減少使胡楊林逐漸衰?。粡搅髁坑性黾拥内厔?但在上游新修水利工程和人類活動(dòng)的影響下,使中、下游地區(qū)徑流量減少,地下水位逐漸變深[41],導(dǎo)致下游胡楊林逐漸轉(zhuǎn)化為未利用地,夏河林場至三河口段尤為明顯?？梢姎夂蜃兓瘜ν恋乩米兓?、胡楊林生長情況、草地等景觀格局影響較大。

圖8 1995—2015年葉爾羌河流域氣象因子統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistical chart of meteorological factors in the Yarkant River Basin from 1995 to 2015

3.4.2人類活動(dòng)

人類活動(dòng)是人類為了生存發(fā)展和提升生活水平而進(jìn)行的活動(dòng),而這些活動(dòng)是通過人口、地區(qū)生產(chǎn)總值等經(jīng)濟(jì)社會指標(biāo)表征。人口是人類社會經(jīng)濟(jì)中最主要的因素；國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)是地區(qū)農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)等發(fā)展?fàn)顩r的綜合反映,也反映了一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平；第一產(chǎn)業(yè)對胡楊林、林地、耕地等景觀結(jié)構(gòu)變化影響極大。因此,本文以人口、第一生產(chǎn)比重、GDP三個(gè)社會因子分析人類活動(dòng)對葉爾羌河流域胡楊林時(shí)空格局的影響。從圖9可知：1995—2005年,人口增長速率較快,增加21.29%；GDP增長平穩(wěn),增長幅度??；第一產(chǎn)業(yè)比重先升高后降低。2005—2015年,人口增長較前10年較緩,增加18.02%；GDP增長迅速,增長幅度巨大,是2005年的4倍；第一產(chǎn)業(yè)比重持續(xù)下降。總體上,人口持續(xù)增加,從1995年的175.45萬人增加到20015年的251.12萬人,增加43.13%。人口增長使城鎮(zhèn)快速擴(kuò)張,增加居民地面積,而為保障農(nóng)民生活需發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì),因此破壞草地、其他林地以及胡楊林地,共使140.59 km2胡楊林轉(zhuǎn)移到耕地。GDP持續(xù)增長,呈現(xiàn)先緩后迅速的增長趨勢；第一產(chǎn)業(yè)比重呈現(xiàn)先增加后持續(xù)降低的趨勢,表明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,產(chǎn)業(yè)越來越多樣化,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,第一產(chǎn)業(yè)比重先增加后持續(xù)下降,而使耕地面積增加,隨著第一產(chǎn)業(yè)比重的下降,草地和未利用地面積增加。

圖9 1995—2015年葉爾羌河流域人口、GDP及第一產(chǎn)業(yè)比重變化趨勢Fig.9 Change trends of population, GDP, and proportion of primary industry in Yarkant River Basin from 1995 to 2015

4 討論

葉爾羌河流域是塔里木河流域重要的生態(tài)系統(tǒng),同時(shí)處于塔克拉瑪干沙漠北部,是葉爾羌綠洲的屏障,其地理位置極其特殊與重要。本文基于長時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù),通過土地利用指數(shù)、轉(zhuǎn)移矩陣以及景觀指數(shù)對葉爾羌河流域胡楊林時(shí)空格局變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測與分析,為葉爾羌河流域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及胡楊林保護(hù)提供參考。本次研究時(shí)間序列適中,但研究時(shí)間間隔較長,由于胡楊林在沙漠化地區(qū)植被覆蓋度較低,同時(shí)與其他地類差異較小,通過遙感影像準(zhǔn)確提取胡楊林難度較大。因此,后續(xù)研究可以根據(jù)遙感影像其顏色特征、紋理特征、光譜特征,結(jié)合計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)建立胡楊林特征數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)提取胡楊林面積分布,更高效,更準(zhǔn)確,更快速地完成分類,增加本研究時(shí)間序列和減少研究間隔。

本研究表明,耕地、居民地增加,而水域、草地、胡楊林減少,與前人研究一致。例如：張廣朋等[42]探討綜合治理項(xiàng)目實(shí)施前后葉爾羌河流域生態(tài)與環(huán)境結(jié)果表明：流域土地利用變化強(qiáng)烈,且2000—2010年比1990—2000年土地利用變化速度比慢,草地面積呈減少趨勢；許艾文等[43]通過遙感數(shù)據(jù)研究了1978—2015年喀喇昆侖山克勒青河流域(葉爾羌河支流)冰川變化情況,結(jié)果表明：近二十年來水域面積呈減少的趨勢,流域冰川近40年面積減少145.78 km2；王芳[37]研究表明耕地和居民地面積一直增加,區(qū)域土地利用變化是自然和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果,而人口快速增長占主要因素。對葉爾羌河流域胡楊林研究表明[44- 46]：葉爾羌河流域氣候變化和人類活動(dòng)共同影響胡楊林生境,而不同區(qū)域影響胡楊林景觀格局的主導(dǎo)因子不同。四十八團(tuán)至夏河林場段,水資源相對豐富,盲目開荒、過度樵采、不合理采伐等人類活動(dòng)是胡楊林減少的主要因素,胡楊林主要轉(zhuǎn)為耕地；而在夏河林場至三和口段,遠(yuǎn)離城市,胡楊林主要受氣候變化影響,同時(shí)受葉爾羌河上、中游河道攔河筑壩、攔截洪水的影響,導(dǎo)致下游徑流量減少,地下水位下降,使胡楊向河道縮減逐漸變?yōu)樯衬?。干旱區(qū)域水資源是影響區(qū)域景觀格局的關(guān)鍵因子,應(yīng)如何恢復(fù)胡楊林生態(tài)系統(tǒng),保障流域生態(tài)安全？李靖等[25]研究表明通過節(jié)流、治污、開源、合理調(diào)控水資源、提高水資源利用率和加強(qiáng)流域生態(tài)建設(shè)是提高該流域生態(tài)承載力和恢復(fù)植被生態(tài)系統(tǒng)的具體措施[25]。綜上所述,在氣候變化和人類活動(dòng)的干預(yù)下,葉爾羌河流域胡楊林景觀格局發(fā)生了顯著變化,胡楊林逐漸衰敗。因此,構(gòu)建生態(tài)用水法律保障,嚴(yán)格執(zhí)行流域限額用水制度,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水,調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu),控制人口增長速度以及實(shí)施胡楊林保護(hù)措施,有望實(shí)現(xiàn)葉爾羌河流域水資源可持續(xù)利用和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的目標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)胡楊林面積持續(xù)減少,從1995年的1916.15 km2減少到2015年的1652.25 km2,面積減少了263.90 km2。胡楊林土地利用動(dòng)態(tài)度和空間動(dòng)態(tài)度分別從2005年之前的1.04%和10.35%降低到2005年之后的0.38%和6.77%；而變化狀態(tài)指數(shù)卻從1995—2005年的-0.10升高到2005—2015年的-0.06,表明胡楊林面積持續(xù)減少,減少速度漸緩,空間轉(zhuǎn)移劇烈。胡楊林主要分布在葉爾羌河下游四十八團(tuán)至三河口河道兩側(cè),且隨著遠(yuǎn)離河道主軸線,植物種類逐漸減少,結(jié)構(gòu)趨于簡單,胡楊林逐漸衰退。

(2)1995—2015年胡楊林地轉(zhuǎn)移較劇烈,主要向草地、耕地以及未利用地轉(zhuǎn)移。永安壩至夏河林場段,胡楊林主要向耕地轉(zhuǎn)移；在遠(yuǎn)離葉爾羌河道的腹地(夏河林場至三河口段),胡楊林逐漸趨于死亡,轉(zhuǎn)為未利用地,而胡楊林主要增加在河漫灘、沖積平原地區(qū)、河道兩岸以及水庫周邊。

(3)草地和未利用地占主要的景觀類型,居民地分布比較分散；胡楊林斑塊密度、最大斑塊指數(shù)和散布與并列指數(shù)分別從1995年的0.19、0.35、50.11增加到2015年的0.35、0.58、60.23,胡楊林分布逐漸集中、景觀破碎度降低、連通性呈上升趨勢。整體上,景觀異質(zhì)性、多樣性及均勻度增加,破碎化程度較高,聚集程度和優(yōu)勢度斑塊類型比例降低,景觀類型向復(fù)雜化發(fā)展。

(4)氣候總體表現(xiàn)出“冷濕-暖干”的變化趨勢。1995—2005年在氣候變化和人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干預(yù)下,胡楊林面積減少較快,而2005—2015年隨著水資源節(jié)約保護(hù)意識的增強(qiáng)、胡楊林保護(hù)措施的實(shí)施、水資源管理制度的執(zhí)行、第一產(chǎn)業(yè)比重的下降以及生態(tài)輸水等舉措的實(shí)施,胡楊林衰退減緩,但對胡楊林仍有巨大的威脅。