松遼分水嶺隆起帶近30年景觀格局變化及驅(qū)動力分析

張爽 楊春鵬 李蒙 陳智文

摘要：松遼分水嶺的隆起對松遼平原的環(huán)境和景觀格局變化產(chǎn)生了重大影響，分析其隆起帶的景觀格局變化及驅(qū)動力對松遼盆地的局地氣候和環(huán)境變化研究有重要的意義。以松遼分水嶺隆起帶為研究對象，基于研究區(qū)近30年的遙感影像解譯數(shù)據(jù)，采用景觀指數(shù)、主成分分析等理論和方法，分析了該區(qū)的景觀格局演變規(guī)律及其驅(qū)動力。結(jié)果表明，松遼分水嶺隆起帶景觀空間分布不均勻，景觀類型以耕地和建筑用地為主;1980—2015年，鹽堿地、建筑用地面積顯著增加，分別增加為29.81%、21.55%，草地和水域面積明顯減少，分別減少為57.73%、32.07%;從景觀格局變化情況來看，1980—2015年松遼分水嶺隆起帶景觀多樣性降低，景觀斑塊分布不均衡，破碎化程度加深，耕地、建筑用地和鹽堿地景觀優(yōu)勢度增加，草地、水域、林地和沙地景觀優(yōu)勢度降低;結(jié)合定性與定量分析研究表明，該區(qū)景觀格局變化特征受人文因素和自然因素的綜合影響，其中，人文因素對景觀格局發(fā)展變化影響較大。

關(guān)鍵詞：松遼;分水嶺隆起帶;景觀演變;景觀多樣性;驅(qū)動力分析

中圖分類號： S127? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）18-0207-08

收稿日期：2020-04-22

基金項目：吉林省四平市社會科學(xué)項目（編號：SPSK201955）。

作者簡介：張 爽（ 1987—），女，吉林四平人，碩士，助教，主要從事遙感應(yīng)用相關(guān)研究。E-mail：jishizs@163.com。

通信作者：陳智文，教授，主要從事生態(tài)環(huán)境調(diào)控研究。E-mail：sdczw@126.com。

景觀格局研究是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心之一[1]，景觀格局及其變化是自然和人文等多因素相互作用產(chǎn)生的區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系及其變化的綜合反映[2-3]。隆起地形對區(qū)域氣候、水文、生態(tài)環(huán)境等具有重要的影響[4-5]，松遼分水嶺形成于晚更新世新構(gòu)造運動時期[6]，是松遼平原新構(gòu)造運動中最重要的地質(zhì)事件[7]，松遼分水嶺隆起帶是松遼分水嶺隆起形成的獨立帶狀地貌單元[8]，研究其景觀格局變化狀況對松遼盆地生態(tài)環(huán)境和氣候變化研究有重要的意義。然而，對松遼分水嶺的研究目前主要側(cè)重于其成因、演化和區(qū)域影響方面[9-12]，而景觀格局變化研究也多以行政區(qū)域或流域為研究對象[13-17]，鮮有以地質(zhì)構(gòu)造形成的獨立地貌單元為對象展開的研究，亟須開展相關(guān)研究工作，揭示其景觀格局動態(tài)變化過程及驅(qū)動機制[18]，以補充有關(guān)研究領(lǐng)域，為松遼盆地相關(guān)研究提供基礎(chǔ)參考資料。

通過分析景觀指數(shù)來定量研究景觀格局變化的方法已廣泛應(yīng)用于景觀生態(tài)學(xué)研究中[19-22]，遙感（RS）技術(shù)已成為景觀格局變化研究的主要數(shù)據(jù)獲取手段[23]，目前景觀格局變化研究主要采用“3S”技術(shù)與景觀指數(shù)、地統(tǒng)計學(xué)分析相結(jié)合的方法[24]。因此，本研究以松遼分水嶺隆起帶為研究對象，運用景觀生態(tài)學(xué)原理，基于RS與GIS技術(shù)，采用景觀指數(shù)分析[25]、主成分分析等方法，從景觀格局時空變化著手開展區(qū)域景觀格局變化及其驅(qū)動力分析[18]，以期為區(qū)域生態(tài)規(guī)劃和景觀格局優(yōu)化提供借鑒，并為松遼盆地生態(tài)環(huán)境變化和氣候變化研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

松遼分水嶺隆起帶位于43°24′～45°2′N、121°57′～125°45′E，面積為17 309.32 km2，是一個不規(guī)則隆起區(qū)[8]，屬溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨、冬季漫長寒冷[18]，年均日照時數(shù)為2 690.05 h，年均氣溫為4.5 ℃，年均降水量為409.28 mm，年均風(fēng)速為3～4 m/s。區(qū)內(nèi)無主要河流，處于霍林河、西流松花江、伊通河、東遼河和新開河包圍圈內(nèi)，土壤類型主要有草甸堿土、草甸風(fēng)沙土、鹽化草甸土、黑鈣土、黑土等[26]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究所選解譯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為1980—2015年松遼分水嶺隆起帶的多波段掃描影像（MSS和TM影像）數(shù)據(jù)，解譯參考圖選用1 ∶100 000地形圖和《中華人民共和國地貌圖集（1 ∶1 000 000）》[27]及研究區(qū)Google Earth影像，精度檢驗參照GPS實測點數(shù)據(jù)。

松遼分水嶺隆起帶主要位于吉林省西部，范圍涉及公主嶺、農(nóng)安、前郭爾羅斯蒙古族自治縣、長嶺、通榆1市4縣（市）的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)（圖1）。研究范圍與行政區(qū)范圍并不完全吻合，因此，以研究區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)占所在縣（市）行政區(qū)面積比例，即公主嶺（62.97%）、農(nóng)安（52.51%）、長嶺（93.83%）、通榆（35.37%）、前郭爾羅斯蒙古族自治縣（45.69%），計算研究區(qū)的人口和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)[28]。

研究用的氣象資料來源于中國氣象局氣象站點資料（http：//data/cma.cn/），人口和社會經(jīng)濟(jì)資料來源于1991—2016年《吉林省統(tǒng)計年鑒》。

2.2 數(shù)據(jù)處理

使用ENVI、ERDAS等軟件對遙感影像進(jìn)行幾何精校正、波段合成和拼接等預(yù)處理[29]，并根據(jù)劃定的研究區(qū)范圍對遙感影像進(jìn)行裁剪。

根據(jù)松遼分水嶺隆起帶的地形、地貌、景觀空間分布等自然特征，參照GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》[30]，將研究區(qū)景觀劃分為耕地、建筑用地、草地、林地、沙地、水域和鹽堿地共7個類別，采用面向?qū)ο蠼庾g方法對遙感影像進(jìn)行解譯[31]，并采用抽樣統(tǒng)計驗證法對解譯結(jié)果進(jìn)行精度驗證，隨機驗證點主要來自于野外實地采樣以及Google Earth影像，通過計算得到1980、1990、2000、2010、2015年的影像解譯結(jié)果的精度值，分別為 85.8%、88.5%、89.7%、90.5%、90.6%，滿足研究需要。

2.3 研究方法

根據(jù)研究目的及區(qū)域特點，選取景觀破碎度、景觀優(yōu)勢度和蔓延度指數(shù)、景觀多樣性指數(shù)等對景觀格局變化進(jìn)行分析（表1）[18]。

3 結(jié)果與分析

3.1 松遼分水嶺隆起帶景觀演變特征

由圖2和表2可知，松遼分水嶺隆起帶景觀類型以耕地、建筑用地為主，其所占面積比例達(dá)85%，1980—2015年，耕地、建筑用地、鹽堿地、沙地面積增加，草地、水域和林地面積減少。

其中，耕地多集中在東部地區(qū)，呈緩慢擴(kuò)大趨勢;建筑用地主要集中在東南地區(qū)，面積呈持續(xù)增加的趨勢，共增加了179.78 km2。草地、沙地主要分布在中西部地區(qū)，草地面積共減少了586.76 km2。沙地面積呈階段性變化，2000年以前，沙地面積持續(xù)增加，1980—1990年面積增加了92.59 km2，1990—2000年沙地面積每年以0.23%的速度增長，2000—2010年沙地面積每年以1.61%的速度減少，一些固定沙丘被人工草方格及人工防護(hù)林覆蓋，但一些半固定沙丘和流動沙丘狀態(tài)不穩(wěn)定，一些固定沙丘在不利的條件下又會活化[36]，2010—2015年期沙地面積又增加了3.23 km2，由此看來，研究區(qū)沙化問題依然嚴(yán)峻。鹽堿地面積不斷增加，共增加了156.33 km2;水域多與鹽堿地相伴零散分布，面積呈不斷減少的趨勢，共減少 108.16 km2;林地主要分布在研究區(qū)中部地區(qū)，多與草地和耕地相鄰，林地面積占總面積的比例始終低于0.5%。

3.2 景觀格局指數(shù)分析

3.2.1 景觀破碎度分析

從表3可知，1980—2015年松遼分水嶺隆起帶的景觀斑塊數(shù)（NP）總體呈波動性增漲趨勢;斑塊平均面積（MPS）總體呈波動性減少趨勢。1980—2015年，研究區(qū)的景觀斑塊數(shù)增加了1 365塊，斑塊平均面積從1980年的 245.58 hm2 減少到2015年的205.74 hm2，這種變化趨勢表明研究區(qū)景觀破碎程度加深，在外界因素干擾下，景觀格局復(fù)雜化[18]。

3.2.2 景觀優(yōu)勢度和蔓延度指數(shù)分析

由圖3可知，研究區(qū)最大斑塊指數(shù)在75%～85%之間，隨時間的延長呈階段性增加趨勢;蔓延度指數(shù)在60%～70%之間，總體上呈波動性增加趨勢，表明研究區(qū)景觀主要由少數(shù)大斑塊團(tuán)聚而成[37]，景觀受1種或少數(shù)幾種優(yōu)勢種支配，且景觀優(yōu)勢度增加。其中，1980—1990年和2000—2010年間最大斑塊指數(shù)增加，優(yōu)勢種景觀優(yōu)勢度增加，1990—2000、2010—2015年最大斑塊指數(shù)減小，優(yōu)勢種景觀優(yōu)勢度減弱;1980—1990年和2000—2010年間，蔓延度指數(shù)增加，各景觀斑塊之間連接性增強，1990—2000年和2010—2015年蔓延度指數(shù)呈減小趨勢，景觀類型的連接性降低，斑塊之間團(tuán)聚程度減弱，景觀破碎度增加。

3.2.3 景觀多樣性分析

由圖4可知，1980—2015年松遼分水嶺隆起帶的SHDI與SHEI均呈波動性減小趨勢，研究區(qū)SHEI小于0.5，說明研究區(qū)景觀多樣性較差，某一景觀類型優(yōu)勢度較高，景觀主要受1種或少數(shù)幾種優(yōu)勢種支配，景觀多樣性降低。其中，1980—2010年SHDI與SHEI呈逐年降低的趨勢，不同景觀斑塊分布不均衡，說明景觀多樣性降低[37]，主要是耕地、建筑用地和鹽堿地斑塊面積大量增加所致;2010—2015年SHDI與SHEI呈增加趨勢，景觀斑塊分布更均衡，景觀多樣性增加，景觀中優(yōu)勢種的作用有所減弱。

3.3 松遼分水嶺隆起帶景觀格局變化驅(qū)動力分析

氣候因素是長期影響景觀變化最活躍的自然因素[38-39]，同時，人文因素在景觀格局變化中也產(chǎn)生了重要影響，人類活動范圍越大、強度越強，對景觀格局變化的影響越大[40-41] 。本試驗結(jié)合定性分析與定量分析方法，研究松遼分水嶺隆起帶1980—2015年景觀格局變化的自然因素和人文因素，進(jìn)一步對研究區(qū)景觀格局演變過程進(jìn)行分析。

3.3.1 氣候因素

由圖5-a可知，松遼分水嶺隆起帶年均氣溫呈波動性升高趨勢，氣候逐漸變暖，最高氣溫出現(xiàn)在2007年，年均氣溫7.5 ℃。其中，1980—2010年氣溫異常年較多，且多高于趨勢線水平，氣溫異常影響了植被景觀的生長狀況及水域和鹽堿地景觀的發(fā)育;2010—2015年氣溫較接近趨勢線水平，適宜的溫度促進(jìn)了植被景觀的生長發(fā)育，使得整體景觀多樣性增加。

由圖5-b可知，松遼分水嶺隆起帶年降水量總體上表現(xiàn)為波動性增加，年均降水量為 409.28 mm，降水峰值出現(xiàn)在1990年，研究區(qū)氣候呈干濕交替的變化趨勢。1980—1990年為相對多雨期，平均年降水量為447 mm，降水增加促進(jìn)了植被的生長，增加了景觀斑塊的連接性和延展性以及景觀優(yōu)勢度和蔓延度指數(shù);1990—2000年年降水量總體上呈波動性減少趨勢，部分水域轉(zhuǎn)變?yōu)辂}堿地，降低了景觀斑塊的連接性、延展性以及景觀優(yōu)勢度和蔓延度指數(shù);2000—2010年年降水量呈階段性增加，景觀優(yōu)勢度和蔓延度指數(shù)增加;2010—2015年年降水量變化幅度較大，異常變化的降水量在不同程度上影響了各自然景觀類型變化。

由圖5-c可知，松遼分水嶺隆起帶風(fēng)速呈明顯減小趨勢，年均風(fēng)速為3.14 m/s，變化率為 0.24 m/（s·10年）。1980—2000年研究區(qū)年均風(fēng)速呈波動性減小趨勢，變化率為0.32 m/（s·10年），風(fēng)蝕作用減弱，延緩了沙漠化的發(fā)展速度;2010—2015年，研究區(qū)風(fēng)速以0.51 m/（s·10年）的速度增加，大風(fēng)天氣極易引起地表風(fēng)沙活動，導(dǎo)致沙地面積增加。

由圖5-d可知，松遼分水嶺隆起帶年日照時數(shù)年際波動不穩(wěn)定，總體上呈波動性減少，年均日照時數(shù)2 690.05 h。其中，1980—2000年年均日照時數(shù)波動性減少，日照減少在一定程度上促進(jìn)了斑塊類型間的轉(zhuǎn)化，增加了景觀破碎化程度;2000—2015年年均日照時數(shù)波動性增加，在一定程度上促進(jìn)了植被景觀的發(fā)育，增加了景觀斑塊的連接性和延展性，降低了景觀破碎化程度。

3.3.2 人文因素分析

由圖6-a可知，1990—2015年松遼分水嶺隆起帶總?cè)丝跀?shù)量呈波動性增加趨勢，由1990年的207.76萬人增加到2015年的222.46萬人，年均增長率為0.27%。其中，2011年研究區(qū)總?cè)丝跀?shù)量達(dá)到最大值，為228.48萬人。

由圖6-b可知，1990—2015年間農(nóng)業(yè)人口數(shù)量減少，年均減少約0.54萬人。其中，1990—2011年間，農(nóng)業(yè)人口數(shù)量波動性增加;2011年以后，農(nóng)業(yè)人口數(shù)量明顯下降，由2011年的174.10萬人下降到2015年的154.33萬人。總?cè)丝跀?shù)量增加，糧食需求增加，導(dǎo)致耕地面積增加;城市人口增加，農(nóng)業(yè)人口減少，人類活動范圍擴(kuò)大，活動強度增強，對住房和公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求增加，使得建筑用地面積增加;不規(guī)范的耕地開墾和建筑用地的不斷開發(fā)加深了研究區(qū)的景觀破碎化程度。

根據(jù)圖6-c可見，研究區(qū)GDP在1990—2015年間由24.45億元快速增長到970.46億元，擬合指數(shù)回歸方程為y=23.01e0.150 8x（r2=0.984 1）。由圖6-d可知，25年間三產(chǎn)不同程度的增長，其中第三產(chǎn)業(yè)增長最快，產(chǎn)值增加了382.02億元，占總GDP增加值的40.38%。2007年以前，該區(qū)主要經(jīng)濟(jì)來源于第一產(chǎn)業(yè);2007年開始，第二、第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速;至2015年，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值分別占GDP總產(chǎn)值的39.71%和36.23%。經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整[25]，促使人類活動強度加強和活動范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致建筑用地、耕地面積增加，草地、林地等自然資源面積減少，增加了研究區(qū)的景觀破碎化程度，降低了整體景觀多樣性。

為保證所有人文統(tǒng)計數(shù)據(jù)的一致性，經(jīng)查詢，研究區(qū)范圍內(nèi)只有1990年以后具有公共指標(biāo)數(shù)據(jù)，故本研究只分析了1990—2015年的人文數(shù)據(jù)。

由圖6-e可知，研究區(qū)糧食產(chǎn)量由1990年的309.81萬t波動增長到2015年的625.17萬t，年均增長率為2.85%。人口增漲導(dǎo)致糧食需求的增加，研究區(qū)內(nèi)提高糧食產(chǎn)量的方式主要是擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，增加耕地面積。實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)開墾的耕地主要為草地、干涸水域，開墾后地表天然植被、水域消失，地表抗風(fēng)蝕能力減弱，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)風(fēng)沙活動急劇增強，地表鹽漬化程度加強，不同程度地增加了區(qū)內(nèi)沙地、鹽堿地的面積。由圖6-f可知，牲畜年末存欄量呈現(xiàn)波動性增加的趨勢，年均增長率為3.68%，牲畜增加使放牧量增加，草地承載力增加，從而使草地面積減少。

3.3.3 自然因素與人文因素定量分析 本研究選取了年日照時數(shù)、年均風(fēng)速、年降水量、年均氣溫、總?cè)丝跀?shù)量、第二產(chǎn)業(yè)比例（占GDP總值）、糧食產(chǎn)量、年末牲畜存欄量共8個因子進(jìn)行主成分分析，定量分析自然因素和人文因素對景觀格局變化的影響[42]。由表4可知，第1主成分貢獻(xiàn)率46.493 9%，糧食產(chǎn)量、第二產(chǎn)業(yè)比例和人口數(shù)量在第2主成分中載荷值較高，主要反映了研究區(qū)第一、第二產(chǎn)業(yè)和人口的發(fā)展?fàn)顩r;第2主成分貢獻(xiàn)率為 21.343 6%，人口數(shù)和牲畜年末存欄頭數(shù)載荷量較高，主要反映了研究區(qū)人口和畜牧業(yè)發(fā)展?fàn)顩r;第3主成分貢獻(xiàn)率為13.512 5%，年均氣溫載荷值最高，主要反映了氣候變化情況。通過主成分分析可以看出，影響研究區(qū)景觀格局變化的主要因素為人文因素，氣候因素的作用相對較弱。

4 結(jié)論

松遼分水嶺隆起帶景觀類型以耕地和建筑用地為主，景觀空間分布不均勻，近30年來該區(qū)景觀面積變化顯著，變化速度逐漸減小，耕地、建筑用地、沙地和鹽堿地面積增加，與草地、林地、水域面積減少產(chǎn)生強烈對比。其中，草地和水域減少趨勢最明顯，減少率分別為57.73%、32.07%，耕地面積增加最顯著，面積增加了353.29 km2，鹽堿地面積增長率最高，2015年比1980年增加了29.81%。

研究區(qū)景觀斑塊數(shù)量增加，景觀多樣性降低，景觀破碎程度增加。其中鹽堿地、沙地擴(kuò)張，草地退化，水域萎縮是研究區(qū)的主要生態(tài)環(huán)境問題。

松遼分水嶺隆起帶景觀格局變化是自然因素和人文因素共同作用的結(jié)果。其中，人文因素起主導(dǎo)作用，人口數(shù)量、第二產(chǎn)業(yè)比例、糧食產(chǎn)量和年末牲畜存欄量對研究區(qū)景觀格局變化的影響作用較強;自然因素的作用相對較弱，且年均氣溫、年降水量的影響大于年日照時數(shù)和年均風(fēng)速。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民日益增長的物質(zhì)文化需求導(dǎo)致人類活動范圍擴(kuò)大是該區(qū)生態(tài)用地減少，土地沙漠化、鹽漬化的主要原因。

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