1993—2016年達(dá)里雅博依綠洲土地利用變化特征

張 紅, 馬 麗

(新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊830046)

土地利用變化與生物多樣性、生態(tài)服務(wù)功能、生態(tài)穩(wěn)定性相互關(guān)聯(lián)[1],是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)行為與自然生態(tài)過程交互和鏈接的紐帶[2]。1995年,“國際地圈與生物圈計(jì)劃”(IGBP)和“全球變化人文因素計(jì)劃”(IHDP)共同制訂的“土地利用/覆被變化科學(xué)研究計(jì)劃”以及2005年發(fā)布的全球土地計(jì)劃(Global Land Project,GLP),將土地利用/覆被變化作為全球變化研究的核心內(nèi)容[3]。土地利用變化表現(xiàn)為土地資源的數(shù)量、質(zhì)量及土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)變化。土地利用空間格局與土地利用方式有關(guān),可表征土地利用生態(tài)過程的穩(wěn)定性[4]。有關(guān)土地利用/覆被變化的研究,應(yīng)注意不同地區(qū)的土地利用/覆被變化對(duì)全球變化影響不同,據(jù)此應(yīng)著重研究“熱點(diǎn)地區(qū)”“脆弱地區(qū)”及“關(guān)鍵地區(qū)”[5]。達(dá)里雅博依綠洲位于塔克拉瑪干沙漠腹地,屬于干旱荒漠地區(qū),生態(tài)環(huán)境脆弱,同時(shí)作為干旱區(qū)的“精華”,它也是人與自然頻繁交互的場所?？死镅藕恿饔蜃鳛樯衬木G色“走廊”,蘊(yùn)藏著一定的水資源、土地資源和生物資源,是抗衡沙摸化擴(kuò)展的屏障,維護(hù)荒漠生境的生命條帶,也是環(huán)境因子變化的敏感帶[6]。達(dá)里雅博依綠洲的科學(xué)價(jià)值逐漸被人們所挖掘,現(xiàn)有的研究多集中在綠洲的形成與演化[7]、環(huán)境變遷[8-9]、生態(tài)問題及維護(hù)對(duì)策[10-11]、植被群落特征[12-13]、地表水地下水[14]、綠洲的淺層地溫[15]、綠洲的氣溫及相對(duì)濕度[16]、綠洲地貌形態(tài)特征[17-18]等方面,對(duì)綠洲土地利用時(shí)空演變方面的研究匱乏。本研究將空間統(tǒng)計(jì)學(xué)與景觀生態(tài)學(xué)的方法與理論相結(jié)合,將達(dá)里雅博依綠洲作為目標(biāo)區(qū)域,運(yùn)用土地利用變化動(dòng)態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局的方法,定量分析了該綠洲土地利用時(shí)空演變特征,以期能為研究區(qū)的資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

達(dá)里雅博依綠洲是塔克拉瑪干沙漠腹地的天然綠洲[9],位于38°20′～38°50′N,81°50′～82°10′E,其面積約1 017 km2[10]。屬于克里雅河下游散流所形成的干三角洲,地勢(shì)平緩,泥沙淤積河床,洪水漫溢而出,分支叉流較多[11]。沉積物以沙土為主[11],復(fù)合型沙丘及沙丘鏈[18]在綠洲中廣泛分布。達(dá)里雅博依綠洲年平均降水不足10 mm。流域內(nèi)年平均蒸發(fā)量為2 479.2 mm,大氣極度干燥,相對(duì)濕度42%,多沙暴、浮塵天氣[19]。綠洲中胡楊、灰楊、怪柳及沙棗[12]等中生或潛水旱生型植被占據(jù)主導(dǎo)地位。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

遙感技術(shù)是進(jìn)行土地利用分類最常用的手段[20],選取達(dá)里雅博依綠洲1993年、2006年、2011年、2016年的landsatOLI/TM(條帶號(hào):145,行編號(hào):33,分辨率:30 m)遙感影像,4期影像均下載于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.Gscloud.cn)。考慮到云量、植被長勢(shì)對(duì)影像的影響,因此選擇7月—8月遙感影像。利用ENVI 5.3對(duì)選用的4期達(dá)里雅博依綠洲影像做輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正等前處理。根據(jù)NDVI計(jì)算得到的值確定所要研究的綠洲范圍,在此基礎(chǔ)上對(duì)綠洲影像進(jìn)行掩膜處理,并形成4期可進(jìn)行監(jiān)督分類的研究區(qū)影像。依據(jù)綠洲土地利用的情況將研究區(qū)土地利用劃分為水域、沙丘、林地、草灌叢、其他(大部分是河流、湖泊干涸后的干河床,在歷史影像上表現(xiàn)為白色)共5類。在ENVI 5.3下利用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類,并將分類結(jié)果中存在的小斑塊去除。運(yùn)用目視解譯及參考奧維等歷史影像并根據(jù)不同地物對(duì)波段的不同響應(yīng)來確定研究區(qū)影像中土地覆被信息,經(jīng)GPS點(diǎn)屬性驗(yàn)證,各期土地分類結(jié)果總精度高達(dá)90%以上,1993年、2006年、2011年、2016年土地分類的kappa系數(shù)達(dá)到85%以上,分類精度滿足研究需求。對(duì)土地利用的分類結(jié)果在ENVI 5.3中進(jìn)行土地轉(zhuǎn)移矩陣,運(yùn)用Excel2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。在ArcGis 10.6中繪制達(dá)里雅博依綠洲1993年、2006年、2011年、2016年土地覆被類型圖。采用Fragstats 4.2軟件對(duì)研究區(qū)景觀格局指數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。

2 研究方法

2.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度指某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的年變化率,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[21]:

式中:N——研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的單一動(dòng)態(tài)度;sa、sb分別是研究類型初期和末期某一土地利用類型的面積,km2;T為初期至末期的時(shí)段[22],a。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣可用來闡釋不同時(shí)期各土地類型在相互轉(zhuǎn)化的方向、來源及數(shù)量方面的信息[23],可以定量直觀地反映兩個(gè)時(shí)期各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況,包括轉(zhuǎn)化來源、去向及數(shù)量大小等信息,其具體數(shù)學(xué)表達(dá)形式為:

式中:s——土地利用類型的面積,km2;n——土地利用類型;sij——研究初期類土地到研究末期轉(zhuǎn)為j類土地的面積,km2。

2.3 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)包括斑塊水平指數(shù)、斑塊類型水平指數(shù)及景觀水平指數(shù)[24]三部分。景觀格局指數(shù)高度濃縮了景觀格局信息,并能夠反映景觀結(jié)構(gòu)組成、空間配置特征[25]。本研究選取斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PI)、邊緣密度(EI)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、聚合度指數(shù)(AI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、斑塊面積(CA)指標(biāo)進(jìn)行研究[26-27]。

3 結(jié)果分析

3.1 達(dá)里雅博依綠洲土地利用類型的時(shí)空變化

3.1.1 時(shí)間變化特征

對(duì)4期研究區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析后得到各時(shí)段土地利用面積及其變化幅度(圖1與表1)。由圖1可知,在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)沙丘、草灌叢及其他用地在綠洲土地利用中占主導(dǎo)地位,林地面積所占比重最小。1993—2016年,草灌叢與其他用地變化幅度大,面積變化較不穩(wěn)定。1993年水域面積為84.94 km2,而后呈現(xiàn)先減小后增加趨勢(shì);1993—2006年沙丘面積消減較大,2006—2016年趨于平穩(wěn)狀態(tài);1993—2016年整個(gè)林地面積先減小后增加,增加幅度小,增長緩慢。

土地利用變化的整體狀況,達(dá)里雅博依綠洲在1993—2016年水域、沙丘、林地、草灌叢面積都呈現(xiàn)出不同程度的消減,草灌叢面積減小最多,減小了128.76 km2,其他用地面積呈上升趨勢(shì),增加351.27 km2,如表1所示。

對(duì)不同時(shí)段土地利用分析,1993—2006年水域、沙丘、林地、草灌叢面積分別下降了17.76 km2、170.59 km2、28.53 km2、171.26 km2,其中草灌叢面積下降最大,其他用地面積增加了388.04 km2,從不同研究時(shí)期來看這一時(shí)段的其他用地面積增加最多。2006—2011年,林地、草灌叢面積呈上升趨勢(shì),分別增加了1.56 km2、208.11 km2,水域、沙丘、其他用地面積分別下降了12.15 km2、12.70 km2、184.79 km2。2011—2016年,水域、林地、其他用地面積增加,增長最多的是其他用地,增加了148.02 km2,沙丘、草灌叢用地面積下降。如表2所示,整體來看其他用地的增長與河流的來水量有直接關(guān)系,上游來水量的減少及綠洲內(nèi)用水量增加,導(dǎo)致干涸的河道增多。

圖1 1993—2016年達(dá)里雅博依綠洲土地利用類型面積

表1 1993—2016年達(dá)里雅博依綠洲土地利用類型面積動(dòng)態(tài)變化 km2

通過公式(1)計(jì)算求得達(dá)里雅博依綠洲各時(shí)段土地利用類型動(dòng)態(tài)度(表2)。通過表2可以看出,1993—2016年水域用地單一動(dòng)態(tài)度較穩(wěn)定,沙丘、林地、草灌叢、其他用地呈減小趨勢(shì),減幅均不明顯。1993—2006年水域、沙丘、林地、草灌叢用地的單一動(dòng)態(tài)度呈增加趨勢(shì),其中林地的單一動(dòng)態(tài)度相對(duì)其他用地稍高,其值為0.13。其他用地單一動(dòng)態(tài)度為-0.06。2006—2011年土地利用單一動(dòng)態(tài)度為正值的是林地、草灌叢,其值分別為0.02,0.14,這一時(shí)期的草灌叢單一動(dòng)態(tài)度在整個(gè)研究階段的增幅最大。水域、沙丘、其他用地的單一動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)負(fù)值,均有不同程度的減小。2011—2016年水域、林地、其他的土地利用單一動(dòng)態(tài)度為正,沙丘動(dòng)態(tài)度變化微弱,草灌叢單一動(dòng)態(tài)度呈下降趨勢(shì),其值為-0.07,在研究區(qū)的整體階段中只這一時(shí)期的草灌叢規(guī)模下降相對(duì)明顯。

表2 1993—2016年達(dá)里雅博依綠洲土地利用動(dòng)態(tài)變化度 %

3.1.2 空間變化特征

由圖2可知,達(dá)里雅博依綠洲的水域主體分布在其西北與中部地區(qū),2011年水域在綠洲中心地區(qū)的分布范圍縮減,水域萎縮。林地基本分布于綠洲中心,能夠得到水流的滋養(yǎng)滿足生長需求、草灌叢沿林地及水域的周邊分布,空間分布范圍較廣,可達(dá)綠洲北部地區(qū)。其他用地在整個(gè)研究區(qū)廣泛分布,主體沿綠洲中心偏北及北部地區(qū)分布,沙丘貫穿整個(gè)流域分布。

3.2 達(dá)里雅博依綠洲土地利用類型矩陣轉(zhuǎn)移

由表1與表3可知,1993—2006年綠洲土地利用類型中其他用地面積增長了338.04 km2,主要由水域及草灌叢轉(zhuǎn)化而來。水域、沙丘、林地、草灌叢都在減少,其中沙丘面積減少了170.59 km2,草灌叢減少面積最多,達(dá)171.26 km2,主要轉(zhuǎn)化為水域及林地。2006—2011年林地與草灌叢面積增加,草灌叢面積增幅最大,達(dá)到208.11 km2,基本由其他用地與水域轉(zhuǎn)化而來,而草灌叢轉(zhuǎn)化成其他用地的比例也很高,可見草灌叢與其他用地相互轉(zhuǎn)化頻率較高。2011—2016年沙丘、草灌叢面積下降,其中草灌叢面積降幅最大,下降165.61 km2,主體轉(zhuǎn)化為其他用地,其余土地利用類型面積均增加,且水域由草灌叢轉(zhuǎn)化的比例最高,其他用地大部分由草灌叢而轉(zhuǎn)來。

圖2 1993—2016年達(dá)里雅博依綠洲不同土地利用類型分布

表3 1993—2016年達(dá)里雅博依綠洲土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.3 達(dá)里雅博依綠洲景觀格局分析

由表4可知綠洲整體景觀格局,斑塊個(gè)數(shù)(NP)在這里表現(xiàn)為綠洲內(nèi)斑塊總數(shù),其值的大小與綠洲景觀的破碎程度表現(xiàn)為正相關(guān)模式,NP值高,景觀破碎度高,其值小,景觀整合度好。1993—2006年斑塊個(gè)數(shù)先減小后增大,從整個(gè)研究階段來看其值總體呈下降趨勢(shì),研究區(qū)景觀破碎度下降。聚合度指數(shù)(AI)指示研究區(qū)內(nèi)斑塊離散程度,其值越大,聚合度越好。1993—2016年綠洲聚合度指數(shù)(AI)先增大后減小,整體來看其值趨于上升,共增長0.147 8,表明綠洲景觀斑塊集聚度增大。1993—2016年,最大斑塊密度(LPI)為研究區(qū)最大斑塊所占據(jù)整個(gè)景觀面積的比例,其值表現(xiàn)出“下降—上升—下降—上升”趨勢(shì),變化不穩(wěn)定,研究階段其指數(shù)下降了0.007 3,綠洲景觀之間接連程度下降不明顯。形狀指數(shù)(LSI)表明景觀中斑塊形狀規(guī)則程度,值越大斑塊形狀不規(guī)則度越高。研究區(qū)形狀指數(shù)(LSI)呈現(xiàn)先減小后增加趨勢(shì),1993—2016年間共下降1.595 8,綠洲景觀斑塊不規(guī)則度增加。蔓延度指數(shù)(CONTAG)體現(xiàn)景觀中斑塊的團(tuán)聚狀況或延展趨勢(shì),值大代表景觀連通性好,值小代表景觀中小斑塊數(shù)量增多。蔓延度指數(shù)(CONTAG)先增大后減小,1993—2016年間共下降0.284,體現(xiàn)了研究區(qū)景觀類型趨向分散化狀態(tài),空間連通性輕微變差。香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)整體增大,可知綠洲景觀向小斑塊景觀轉(zhuǎn)移;均勻度指數(shù)(SHEI)在1993—2016年上升0.008 8,變化微小,表明景觀類型的比例結(jié)構(gòu)基本無變化。

表4 1993—2016年達(dá)里雅博依綠洲景觀格局指數(shù)

4 結(jié)論

通過對(duì)達(dá)里雅博依綠洲1993年、2006年、2011年、2016年4期遙感影像處理、運(yùn)算及分析,主要得到以下結(jié)論:

(1)1993—2016年達(dá)里雅博依綠洲水域、沙丘、林地、草地面積表現(xiàn)出不同程度的下降,其中沙丘面積下降最多,達(dá)183.51 km2,其他用地面積增加351.27 km2。水域面積先減后增,沙丘面積在整個(gè)時(shí)段都在降低,草灌叢面積則表現(xiàn)為先增后減,其他用地面積先增后減。

(2)1993—2016年綠洲的土地利用類型中水域、草灌叢存在不同程度的相互轉(zhuǎn)化,其他用地面積增幅最大,主要由草灌叢轉(zhuǎn)化而來。

(3)達(dá)里雅博依綠洲景觀總體變化表現(xiàn)為,斑塊個(gè)數(shù)1993—2016年減少592,斑塊密度1993—2016年下降0.143,邊緣密度指數(shù)在研究期間下降0.980 5,景觀格局的破碎程度下降。