干旱區(qū)綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀演變及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

鄒 易， 蒙吉軍

（北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 100871）

地球進入人類世以來，各類自然生態(tài)過程正被人類活動深刻改變，隨之引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題［1］，對全球生態(tài)系統(tǒng)安全帶來挑戰(zhàn)。景觀格局演變是區(qū)域人類活動與自然過程綜合作用的結(jié)果。在西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域，自然生態(tài)條件特殊，生態(tài)環(huán)境極端脆弱［2］，荒漠、綠洲和城鎮(zhèn)是其重要的景觀類型：荒漠是基質(zhì)景觀，占據(jù)干旱區(qū)絕對優(yōu)勢的面積比例；綠洲因具有明顯高于周圍荒漠的植被覆蓋度與植被生產(chǎn)力［3］，是干旱區(qū)獨特的景觀類型；城鎮(zhèn)則是人口最為密集、經(jīng)濟最為發(fā)達、社會經(jīng)濟功能更為完善的景觀類型［4］。近年來，隨著干旱區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展與人類活動的加?。?］，尤其是綠洲的擴張和城市化的快速發(fā)展，荒漠、綠洲與城鎮(zhèn)發(fā)展之間的矛盾日益突出，危及了干旱區(qū)流域生態(tài)安全［6］。從流域尺度定量揭示干旱區(qū)景觀格局變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)［7］，對內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

景觀格局與過程的相互關(guān)系是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心問題［8］。近年來，學(xué)者們在采用不同的方法來研究干旱區(qū)景觀格局與過程之間的相互關(guān)系，揭示綠洲與荒漠?dāng)U張或消退的過程，如Zhang等［9］利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法與冗余分析塔里木盆地綠洲轉(zhuǎn)化過程與穩(wěn)定性，進而揭示綠洲變化的驅(qū)動力；Yang等［10］將綠洲劃分為自然綠洲區(qū)與人工綠洲區(qū)，在此基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建模型確定適宜的綠洲規(guī)模與灌溉面積。也有學(xué)者聚焦荒漠-綠洲交錯區(qū)，研究土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響機制［11］，揭示不同景觀穩(wěn)定性水平及其維持機制［12］。綠洲化和荒漠化是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域兩個重要地理過程，二者反向發(fā)展但密切關(guān)聯(lián)［13］，城鎮(zhèn)化在推進我國城鄉(xiāng)一體化發(fā)展、全面推動鄉(xiāng)村振興進程中起到關(guān)鍵性作用［14］。“綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠”景觀之間時空格局動態(tài)變化，反映了干旱區(qū)內(nèi)陸河流域土地轉(zhuǎn)型的時空特點。學(xué)者們采用相關(guān)分析［15］、空間自相關(guān)分析［16］、擬合約束線［17］等方法來研究多要素之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。多元回歸樹（Multivariate Regression Tree，MRT）是在單變量回歸樹基礎(chǔ)上發(fā)展的拓展模型，多用于研究物種分布與環(huán)境因子之間的聯(lián)系［18］。因其可根據(jù)自變量的指標(biāo)梯度確定分割節(jié)點，將因變量定義的空間范圍劃分為基本同質(zhì)的類別，無需人為確定分類結(jié)果，更加客觀科學(xué)［19］。該模型可同時輸入一個或多個因變量，可用來揭示多要素之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系及其驅(qū)動因素。如Ndong等［20］將MRT創(chuàng)新性地應(yīng)用在分析景觀多個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其驅(qū)動因素之間的權(quán)衡協(xié)同效應(yīng)；Lyu等［21］利用MRT 探究不同景觀格局指標(biāo)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同效應(yīng)的影響閾值。可以看出，現(xiàn)有研究大多將綠洲、荒漠或綠洲-荒漠過渡帶視為獨立單元，重點關(guān)注其內(nèi)部穩(wěn)定性與時空變異性，將“綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠”作為干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的景觀模式開展的研究還較鮮見?；诖耍狙芯坎捎肕RT 分析“綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠”景觀組合在轉(zhuǎn)型中的權(quán)衡-協(xié)同關(guān)系，同時探討其空間驅(qū)動機制，以期擴展MRT 的應(yīng)用情境。

黑河流域農(nóng)業(yè)綠洲開發(fā)歷史悠久，是我國西部重要的商品糧、蔬菜與制種基地，綠洲景觀總體表現(xiàn)為“主體穩(wěn)定，局部變化”的特點［22］。近年來，隨著人口增加與城鎮(zhèn)化速度加快，中游農(nóng)業(yè)綠洲與城鎮(zhèn)面積迅速擴大，自然綠洲逐漸被人工綠洲所取代［23-24］，同時對流域帶來一系列生態(tài)安全問題［5］?；诖耍狙芯繌摹案窬?過程”出發(fā)，針對干旱區(qū)典型的“綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠”景觀格局組合，利用景觀轉(zhuǎn)型信息熵、均衡度與優(yōu)勢度等指標(biāo)，結(jié)合景觀轉(zhuǎn)型核密度分析以及多元回歸樹模型等方法，揭示黑河流域綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型模式與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，以期為干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的生態(tài)系統(tǒng)管理提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河是我國第二大內(nèi)陸河，地處青藏高原和內(nèi)蒙古高原的過渡地帶，發(fā)源于青海省祁連山北麓，流經(jīng)青海、甘肅、內(nèi)蒙古3 省區(qū)的11 縣（區(qū)、旗），消亡于內(nèi)蒙古額濟納旗的東、西居延海，干流全長約821 km，流域面積約13×104km2（圖1）。黑河流域?qū)儆诘湫偷母珊祬^(qū)氣候，多年平均降水量為400 mm，多年平均潛在蒸散量為1600 mm。流域自南向北可分為上游祁連山地、中游走廊平原和下游阿拉善高原3個地貌單元。鶯落峽以上為上游，地勢高峻，氣候嚴(yán)寒濕潤，海拔4000 m以上的山脈發(fā)育有現(xiàn)代冰川，出山徑流主要來源于山區(qū)的大氣降水，冰川融水補給約占全部水量的3.6%，上游山地是流域產(chǎn)流區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)，以牧業(yè)為主，人均收入較高；鶯落峽和正義峽之間為中游，地處河西走廊，地勢平坦，氣候干旱，生態(tài)脆弱，也是整個流域綠洲最為集中、經(jīng)濟最為發(fā)達的地區(qū)，黑河流域主要城鎮(zhèn)也都分布于中游的各大綠洲之中；正義峽以下為下游，為開闊平坦的盆地，除額濟納綠洲外大部分為荒漠、沙漠和戈壁，氣候極度干旱。

圖1 黑河流域概況Fig.1 General situation of Heihe River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用的主要數(shù)據(jù)如表1所示。由于GDP空間分布最新數(shù)據(jù)截止2015年，因此本研究首先提取2015 年研究區(qū)各柵格GDP 產(chǎn)值占該柵格所在行政區(qū)縣總產(chǎn)值的比例，以此為權(quán)重，乘以2019 年該柵格所在行政區(qū)縣的GDP 總值，進而獲得研究區(qū)2019 年GDP 空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)，并以此代替2020 年GDP 空間分布數(shù)據(jù)。處理后數(shù)據(jù)精度與前序年份統(tǒng)一為1 km×1 km，空間化處理后數(shù)據(jù)相對誤差最小為0.04%，最大不高于4.47%，誤差較小，數(shù)據(jù)處理結(jié)果良好，可以滿足研究需求。

表1 數(shù)據(jù)來源與說明Tab.1 Data sources and description

對于精度較低、時間序列缺失的數(shù)據(jù)，采用圖像超分辨率方法進行合成得到高精度的完整時間序列數(shù)據(jù)，處理完成后數(shù)據(jù)精度為1 km×1 km，全時段數(shù)據(jù)精度實現(xiàn)統(tǒng)一，具體模型如下：

式中：y為標(biāo)準(zhǔn)化的高精度真實數(shù)據(jù)；x為標(biāo)準(zhǔn)化且插值后的低精度參考數(shù)據(jù)；k、b為系數(shù)；δ為隨機誤差。利用高精度數(shù)據(jù)使用最小二乘法率定出k、b的值后，可建立模型：

式中：y?為模型反演建立的高精度數(shù)據(jù)參考值。

1.3 研究方法

1.3.1 綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀劃分 本研究參考黑河流域1963—2013 年綠洲分布數(shù)據(jù)集與綠洲重建矢量數(shù)據(jù)（表1），自南向北將黑河流域綠洲區(qū)域分為5個片區(qū)：山丹-民樂山前沖積扇綠洲、甘-臨-高綠洲、酒泉綠洲、金塔-鼎新綠洲與額濟納綠洲。在土地利用圖中提取6 個片區(qū)內(nèi)的耕地、林地、草地、水域和沼澤地作為綠洲景觀，提取結(jié)果與綠洲重建數(shù)據(jù)對比，相對誤差均在1%以內(nèi)；提取中游和下游的沙地、戈壁、鹽堿地、低覆蓋度草地、裸土地、裸巖石質(zhì)地及其他未利用地為荒漠景觀；提取城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點及其他建設(shè)用地為城鎮(zhèn)景觀。綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀體系劃分如表2所示。

表2 黑河流域綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀土地利用分類系統(tǒng)Tab.2 Oasis-urban-desert landscape classification system in the Heihe River Basin

1.3.2 綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型分析

（1）景觀轉(zhuǎn)型矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣可用于描述多組分系統(tǒng)的狀態(tài)變化，可以直觀地表現(xiàn)出各類用地之間相互轉(zhuǎn)化的情況，其計算公式如下［25］：

式中：Transi,j表示從時間點i到時間點j的轉(zhuǎn)移矩陣；transp,q表示在該過程中第p類土地轉(zhuǎn)化為第q類土地的面積。矩陣每行的元素總和表示該類型土地在時間點i時的總面積，每列的元素總和表示該類型土地在時間點j時的總面積，所有元素總和表示研究區(qū)域的總面積。

（2）景觀轉(zhuǎn)型核密度

核密度分析是對點數(shù)據(jù)或線數(shù)據(jù)進行空間衰減可視化表示的方法［26］，本研究采用景觀轉(zhuǎn)型核密度揭示黑河流域景觀轉(zhuǎn)型的時空特征，計算公式為：

式中：f(x)為x處的核密度值；n為樣本數(shù)；h為搜索半徑；K為核密度權(quán)重值；x-xi表示估計點x與樣本點xi之間的距離。

本研究以2 km×2 km格網(wǎng)為基本單元，計算網(wǎng)格內(nèi)景觀轉(zhuǎn)移的面積，并將每個網(wǎng)格內(nèi)的景觀轉(zhuǎn)移信息提取至點數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.2軟件中處理得到研究區(qū)景觀轉(zhuǎn)移的核密度結(jié)果。核密度分析識別除了景觀轉(zhuǎn)型熱點區(qū)，核密度由發(fā)生土地轉(zhuǎn)移的核心區(qū)向外圍衰減，反映景觀轉(zhuǎn)型由熱點區(qū)向周圍擴散的影響大?。?7］，由此將其他用地類型轉(zhuǎn)為荒漠、綠洲與城鎮(zhèn)景觀的景觀轉(zhuǎn)型核密度分別定義為荒漠化、綠洲化與城鎮(zhèn)化強度。

（3）景觀信息熵、均衡度和優(yōu)勢度

景觀轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)指標(biāo)可有效揭示不同景觀過程中土地利用的有序程度與演化方向［28］。本研究利用景觀信息熵、景觀均衡度和優(yōu)勢度等來揭示黑河流域景觀轉(zhuǎn)型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。其中，景觀信息熵可反映區(qū)域土地利用的多樣性與有序程度，一定程度上表征人類對土地系統(tǒng)的干擾程度；景觀均衡度與景觀優(yōu)勢度則反映土地利用之間面積大小的差異，表征土地利用結(jié)構(gòu)的空間格局，景觀均衡度側(cè)重衡量各類用地之間的發(fā)展是否平衡，景觀優(yōu)勢度詮釋研究區(qū)是否存在占支配地位的用地類型。3個指標(biāo)相互補充參考，能夠更加客觀全面的評價典型景觀系統(tǒng)的演變態(tài)勢。計算公式［29-30］分別為：

式中：H為景觀信息熵；Pi為土地利用面積的占比，可理解為概率；Ai為第i類用地的面積；n為用地類型的數(shù)量；J為景觀均衡度；D為景觀優(yōu)勢度；Pe為景觀完全均衡狀態(tài)時的概率。

1.3.3 景觀轉(zhuǎn)型間的權(quán)衡-協(xié)同效應(yīng) 本研究采用MRT 模型分析黑河流域綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型之間的權(quán)衡-協(xié)同關(guān)系，同時確定權(quán)衡與協(xié)同效應(yīng)空間差異的環(huán)境驅(qū)動機制。MRT 的目標(biāo)并非建立因變量與自變量之間的回歸關(guān)系，而是將自變量作為分類節(jié)點，利用二元分割法（binary split）將因變量定義的空間區(qū)域劃分為基本同質(zhì)的類別，并采用交叉驗證（cross-validation）確定分類結(jié)果，一般默認(rèn)保留結(jié)果為交叉驗證誤差最小的一個標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)的分類結(jié)果［18-19］。MRT的分類結(jié)果可以較好的模擬多種自然要素間的非線性關(guān)系與閾值效應(yīng)［31］。

基于科學(xué)性、合理性與可獲取性原則［20-21］，選擇人口密度、GDP、年降水量、年均氣溫、海拔、坡度與坡向共7個因子作為景觀轉(zhuǎn)型權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的驅(qū)動因子。以7 項驅(qū)動因子為自變量，2000—2020 年期間4 個時段的綠洲化、城鎮(zhèn)化與荒漠化強度累加值作為因變量，進行多元回歸樹分析。由于干旱區(qū)內(nèi)陸河流域綠洲之外的景觀轉(zhuǎn)型過程不強烈，為避免流域統(tǒng)計值中空值過多的問題，統(tǒng)計聚類景觀轉(zhuǎn)型強度時剔除大部分空值數(shù)據(jù)，最大限度反映出各聚類內(nèi)部的共性及聚類間的差異性，本研究選擇5 個聚類結(jié)果作為最終模擬結(jié)果，以最大限度體現(xiàn)類別內(nèi)的共性與類別間的差異性［20］。MRT 分析過程通過R語言軟件“mvpart”包實現(xiàn)。

1.3.4 景觀轉(zhuǎn)型生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析 景觀轉(zhuǎn)型過程往往伴隨生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化［32］。近年來，隨著遙感技術(shù)的蓬勃發(fā)展，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估漸趨完善［33］，尤其是遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）模型［34］，利用主成分分析法將綠度、濕度、熱度和干度4 個指標(biāo)集成起來，綜合評估區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了廣泛應(yīng)用［35］。本研究利用RSEI來反映景觀的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，用景觀轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境貢獻率（LEI）來刻畫景觀轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)［25-36］，包括負向和正向兩方面的效應(yīng)，計算公式為：

式中：LEI為景觀轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻率；LE1與LE0分別表示變化前、后兩期景觀的遙感生態(tài)指數(shù)；ΔS表示發(fā)生變化的景觀面積；TA為研究區(qū)總面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑河流域綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀分布格局

從圖2 可以看出，荒漠是黑河流域分布最廣泛的景觀類型，占流域總面積的60%以上，廣泛分布于中游東北部和下游地區(qū)。綠洲主要分布在中游和下游，20 a 期間主體部分保持相對穩(wěn)定，面積由7579 km2增加至8513 km2，增加了934 km2，擴張達12%。其中，中游是流域綠洲面積最大、最集中的區(qū)域，以耕地為主，是我國西部重要的糧食基地；下游綠洲則以林地和草地為主，多生長耐鹽、耐旱植物，尤以胡楊林最為典型，額濟納綠洲為重要牧區(qū)。城鎮(zhèn)面積占比最?。?.65%），其空間分布和規(guī)模與各綠洲緊密關(guān)聯(lián)，大規(guī)模的城鎮(zhèn)多分布在規(guī)模較大的綠洲或水源富集區(qū)，尤其是中游各綠洲形成了張掖、酒泉和嘉峪關(guān)等地級城市以及山丹、民樂、臨澤、高臺、肅南和金塔等縣城，是流域內(nèi)城鎮(zhèn)化發(fā)展最為迅速的區(qū)域。

圖2 2000—2020年黑河流域綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠分布格局Fig.2 Spatial distribution of oasis-urban-desert in the Heiihe River Basin from 2000 to 2020

2.2 黑河流域綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型

2.2.1 綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型的時空特征 從圖3可以看出，20 a期間黑河流域景觀轉(zhuǎn)型呈現(xiàn)波動變化的特點，其中綠洲化過程最為強烈，城鎮(zhèn)化次之，荒漠化程度最輕。2010—2015年期間是綠洲化、荒漠化與城鎮(zhèn)化均較強烈的時段，土地利用沖突與競爭較為劇烈，土地轉(zhuǎn)型活躍且轉(zhuǎn)型方向復(fù)雜多樣。20 a期間，黑河流域荒漠化過程較微弱，熱點區(qū)分別位于中游高臺縣中部（2000—2005年）、甘州區(qū)南部（2000—2005年、2015—2020年）以及下游額濟納綠洲三角洲附近（2010—2015 年）。綠洲化過程經(jīng)歷了“快速發(fā)展-增速減緩-增速加劇-再度減緩”的波動過程，綠洲擴張區(qū)主要分布在中下游河道附近和綠洲外圍。城鎮(zhèn)化過程在2010年后明顯加快，多表現(xiàn)為各大城鎮(zhèn)向外圍擴張的趨勢。城鎮(zhèn)化和綠洲化區(qū)域集中在中游地區(qū)，圍繞沿連霍高速公路、312國道以及蘭新鐵路的東西向軸線與沿227 國道、蘭新鐵路二線的斜向軸線發(fā)展。其中，中游西部的酒泉市與嘉峪關(guān)市城鎮(zhèn)持續(xù)擴張，中游東部以張掖市濱河新區(qū)、民樂縣與山丹縣交界處為中心的城鎮(zhèn)擴張。此外，2010—2015年期間下游額濟納旗策克口岸為中心的城鎮(zhèn)建設(shè)是此階段城鎮(zhèn)化的重點。

圖3 2000—2020年黑河流域綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型的時空與數(shù)量特征Fig.3 Spatio-temporal and quantitative characteristics of oasis-urban-desert in the Heiihe River Basin from 2000 to 2020

2.2.2 綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型的內(nèi)部特征 從圖3和弦圖可以看出，2000—2005年間，綠洲面積的增加主要來自沙地、戈壁、鹽堿地、低覆蓋度草地與裸地的開墾，開墾面積分別為43 km2、47 km2、94 km2、98 km2、47 km2；荒漠化主要來自耕地的零星退化與水域面積的減少；城鎮(zhèn)發(fā)展則主要占用戈壁與鹽堿地。在2005—2010年間，綠洲化與城鎮(zhèn)化是景觀轉(zhuǎn)型的主要方向，均來自對荒漠的開墾和利用，耕地開墾過程較為強烈，耕地面積增加343 km2（占0.57%）。2010—2015 年間，景觀轉(zhuǎn)型過程最為強烈，農(nóng)業(yè)綠洲擴大287 km2，荒漠化面積高達53 km2，主要是額濟納三角洲綠洲草場退化；城鎮(zhèn)擴張及交通建設(shè)，導(dǎo)致戈壁、鹽堿地與裸地分別減少298 km2、113 km2和120 km2。2015—2020 年間，耕地與其他建設(shè)用地有較大幅度的增長，分別增加280 km2、104 km2，均以戈壁、鹽堿地與裸地的轉(zhuǎn)入為主，荒漠化過程則表現(xiàn)為水域轉(zhuǎn)為戈壁或裸地。

綜上所述，20 a 期間，綠洲的擴張主要來自沙地、戈壁、鹽堿地與裸地的開墾，其次是水域面積增加；荒漠化趨勢以草場退化、耕地沙化與水域面積減少為主；城鎮(zhèn)化過程前期以占用耕地為主，2005年后更多地以占用戈壁、中低覆蓋度草地、鹽堿地等荒漠為主。

2.2.3 綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型的階段特征 從圖4 看出，20 a 期間黑河流域景觀信息熵H平均值為1.794，始終位于較高水平且持續(xù)增長，景觀均衡度J由2000年0.677增長至2020年0.685，景觀優(yōu)勢度D呈現(xiàn)“下降-上升-下降”的波動趨勢。根據(jù)景觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)的年際變化趨勢可以將黑河流域景觀轉(zhuǎn)型過程分為以下三個階段：

圖4 2000—2020年黑河流域綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)演化Fig.4 Changes in the oasis-urban-desert land use structure in the Heiihe River Basin from 2000 to 2020

第一階段為農(nóng)業(yè)活動主導(dǎo)期（2000—2005年），流域景觀信息熵H與均衡度J基本平穩(wěn)略有上升，優(yōu)勢度則呈現(xiàn)先降低、后增加的波動狀態(tài)，流域整體發(fā)展速度緩慢，用地多樣性水平低，景觀轉(zhuǎn)型方向單一，表現(xiàn)為以耕地面積增加為主的農(nóng)業(yè)綠洲擴張，擴張達343 km2。

第二階段為產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展期（2005—2015年），城鎮(zhèn)與荒漠景觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)呈現(xiàn)明顯的拐點，城鎮(zhèn)信息熵H與均衡度J快速增加，優(yōu)勢度D快速下降，荒漠景觀則相反。同時，流域優(yōu)勢度D大幅下降，耕地、草地、水域、城鎮(zhèn)用地與建設(shè)用地面積分別增加10.45%、9.42%、6.11%、27.37%、80.01%，綠洲擴展從耕地擴張主導(dǎo)逐漸變?yōu)楦?、草地與水域協(xié)同擴張，綠洲內(nèi)部的優(yōu)勢度指數(shù)明顯下降，用地結(jié)構(gòu)漸趨協(xié)調(diào)與多樣化，流域開始進入快速發(fā)展階段。

第三階段為發(fā)展轉(zhuǎn)型協(xié)調(diào)期（2015—2020年），流域、綠洲和城鎮(zhèn)景觀信息熵H與均衡度J均明顯增加，優(yōu)勢度D隨之下降；荒漠景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)經(jīng)前階段的強烈變動后趨于平穩(wěn)，城鎮(zhèn)化進程加速使得流域內(nèi)景觀轉(zhuǎn)型方向更加多樣，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點與建設(shè)用地面積分別增加8.55%、1.36%、28.11%。城鎮(zhèn)化加速使得景觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增加，同時流域荒漠化趨勢得到一定控制，荒漠景觀優(yōu)勢度增加，主要原因是耕地、林地、草地與水域多轉(zhuǎn)為低覆蓋度草地，也使得低覆蓋度草地在荒漠景觀中逐漸處于支配地位。

2.3 黑河流域綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型的權(quán)衡-協(xié)同與環(huán)境驅(qū)動因子分析

利用MRT 定量分析黑河流域三類景觀轉(zhuǎn)型之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系及空間差異，并探索其環(huán)境驅(qū)動因子。最終MRT結(jié)果由3個分類層次與5個聚類組成（圖5），模型的模擬精度R2=0.42，標(biāo)準(zhǔn)誤差SE=0.01，對每個聚類中景觀轉(zhuǎn)型強度的值域范圍進行定量分析，結(jié)果顯示（表3），7個影響因子中，年均氣溫、海拔、GDP與年降水量4個因子的影響作用最為顯著。聚類在流域不同區(qū)域呈現(xiàn)聚集的趨勢，通過對比MRT結(jié)果與響應(yīng)變量箱線圖，對5個聚類進行分析。

表3 多元回歸樹結(jié)果統(tǒng)計Tab.3 Qualitative interpretation of the results of multivariate regression tree

圖5 黑河流域景觀轉(zhuǎn)型空間聚類屬性和環(huán)境驅(qū)動因子閾值Fig.5 The attributes and spatial distribution of landscape transformation and environmental effect bundles and their driving factors in the Heiihe River Basin

（1）聚類1：分布于流域內(nèi)荒漠地區(qū)。聚類中大部分區(qū)域三類景觀轉(zhuǎn)型均不強烈，但仍存在部分轉(zhuǎn)型強烈的區(qū)域，城鎮(zhèn)化強度處于流域平均水平，荒漠化強度高于流域平均值，綠洲化強度低于平均值，綠洲化與荒漠化之間存在權(quán)衡關(guān)系。該聚類的主要環(huán)境驅(qū)動因子為年均氣溫（＜8.99 ℃）和GDP（＜963.5×104元·km-2）。

（2）聚類2：主要分布在嘉峪關(guān)市、酒泉市及零星分布于張掖市的城鎮(zhèn)與居民點。城鎮(zhèn)化強度高于其他聚類，綠洲化強度低于流域平均水平，而荒漠化強度中等，城鎮(zhèn)化與綠洲化之間存在權(quán)衡關(guān)系。主要環(huán)境驅(qū)動因子為年均氣溫（＜8.99 ℃）和GDP（≥963.5×104元·km-2）。

（3）聚類3：包括中游甘-臨-高綠洲西北部、下游金塔綠洲區(qū)及周邊地區(qū)，在額濟納旗東部沿黑河呈條帶狀分布。聚類中城鎮(zhèn)化強度略高于流域平均水平，荒漠化強度最低，綠洲化強度中等，城鎮(zhèn)化與荒漠化呈權(quán)衡關(guān)系。主要環(huán)境驅(qū)動因子為年均氣溫（≥8.99 ℃）和海拔（＜1376 m）。

（4）聚類4：包括甘-臨-高綠洲東部與南部，聚類中荒漠化強度高，綠洲化強度高于流域平均水平，城鎮(zhèn)化強度略低于流域平均水平，城鎮(zhèn)化與綠洲化、荒漠化之間呈權(quán)衡關(guān)系。主要環(huán)境驅(qū)動因子為年均氣溫（≥8.99 ℃）、海拔（＞1376 m）和年降水量（≥83.46 mm）。

（5）聚類5：集中分布在肅州區(qū)上壩鎮(zhèn)、鏵尖鄉(xiāng)等部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。其中綠洲化強度最高，荒漠化與城鎮(zhèn)化強度均較低，綠洲化與荒漠化、城鎮(zhèn)化之間存在權(quán)衡關(guān)系。主要環(huán)境驅(qū)動因子為年均氣溫（≥8.99 ℃）、海拔（≥1376 m）和年降水量（＜83.46 mm）。

結(jié)果顯示（圖5），溫度作為回歸樹第一層分割節(jié)點，是影響黑河流域景觀轉(zhuǎn)型權(quán)衡-協(xié)同效應(yīng)的首要因素，≥10 ℃積溫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有顯著的促進作用，因此在聚類3～5（年均氣溫≥8.99 ℃）中綠洲化強度明顯高于聚類1～2（年均氣溫＜8.99 ℃）。而在溫度未達到閾值的區(qū)域，GDP即社會經(jīng)濟因子成為主要驅(qū)動因素，隨著GDP 升高（≥963.5×104元·km2），城鎮(zhèn)化強度增加，由綠洲化與荒漠化的權(quán)衡關(guān)系轉(zhuǎn)為綠洲化與城鎮(zhèn)化的權(quán)衡；在溫度達到閾值（年均氣溫≥8.99 ℃）的區(qū)域，海拔開始對景觀轉(zhuǎn)型產(chǎn)生影響，高海拔地區(qū)往往會限制人類開發(fā)建設(shè)活動，為植被生長提供了更為適宜的生境條件，因此聚類4～5（海拔≥1376 m）均表現(xiàn)出較低的城鎮(zhèn)化強度與較高的綠洲化強度，而聚類3（海拔＜1376 m）則表示出較高的城鎮(zhèn)化強度。在海拔＞1376 m 閾值的區(qū)域，年降水量閾值83.46 mm區(qū)分了聚類4與聚類5，均表現(xiàn)出較高的綠洲化強度，綠洲化過程對降水最為敏感。其中，聚類4主要分布在張掖綠洲，周圍被沙漠戈壁環(huán)繞，加之近年來工業(yè)化與城市化建設(shè)的加快，農(nóng)田擴張與水資源的無序利用破壞了本就脆弱的生態(tài)環(huán)境，表現(xiàn)出較高的荒漠化強度；聚類5則因國道、高速公路等穿過，尤其蘭新高鐵貫穿全境，加強了區(qū)域與外界的連通性，促進農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易，因此綠洲化過程更加強烈。

2.4 黑河流域綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

2.4.1 黑河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化特征 根據(jù)ArcGIS自然斷點法，將黑河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分為5 個等級：較差（Ⅰ：0～0.17）、差（Ⅱ：0.17～0.27）、中等（Ⅲ：0.27～0.4）、良（Ⅳ：0.4～0.5）、優(yōu)（Ⅴ：0.5～1.0）。黑河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以Ⅰ級與Ⅱ級用地為主，占流域總面積的70%以上，Ⅰ級生境質(zhì)量分布在下游荒漠區(qū)，Ⅱ級生境質(zhì)量主要分布在中下游綠洲區(qū)的外圍。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最優(yōu)的Ⅴ級僅占流域總面積的7%左右，主要分布在中游綠洲區(qū)與上游祁連山區(qū)東南部。

將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級升高或降低一級的區(qū)域定義為提升區(qū)或下降區(qū)，變化兩級及以上的區(qū)域定義為明顯提升區(qū)或明顯下降區(qū)。從圖6 看出，黑河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化特征與綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型3 個階段非常吻合：（1）農(nóng)業(yè)發(fā)展主導(dǎo)期（2000—2005 年），生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)化趨勢最明顯，Ⅴ級生境質(zhì)量土地轉(zhuǎn)入高達4601 km2，由于大量荒漠景觀被開墾為耕地，使得生境質(zhì)量較高的用地面積增加，其中環(huán)境質(zhì)量明顯提升區(qū)集中分布于山丹綠洲與民樂綠洲。（2）產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展期（2005—2015 年），社會經(jīng)濟快速發(fā)展對流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了負面影響，Ⅰ級生境質(zhì)量用地轉(zhuǎn)入高達11787 km2，而Ⅴ級生境質(zhì)量土地則轉(zhuǎn)出3274 km2，生境惡化區(qū)集中在額濟納綠洲周圍、金塔縣西南部與甘州區(qū)東北部區(qū)域。由于城鎮(zhèn)擴張侵占部分耕地與林地，使得高質(zhì)量生境用地減少，加之人類活動對生態(tài)環(huán)境干擾增大，破壞了流域整體生態(tài)平衡。（3）發(fā)展轉(zhuǎn)型協(xié)調(diào)期（2015—2020年），黑河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量又出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，主要提升區(qū)分布在中游綠洲區(qū)與下游河道兩側(cè)區(qū)域。整體來看，20 a 期間黑河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)波動中提升的趨勢，綠洲化的持續(xù)擴張使其周邊區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯提升，而下游的城鎮(zhèn)化過程則造成生境質(zhì)量明顯下降。

圖6 2000—2020年黑河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化Fig.6 Spatial and temporal variation of RSEI in the Heiihe River Basin from 2000 to 2020

2.4.2 綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng) 圖7 顯示，2000—2020 年間，黑河流域景觀轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)以正效應(yīng)為主，整體來看正效應(yīng)主要來自荒漠景觀轉(zhuǎn)為綠洲和城鎮(zhèn)景觀，負效應(yīng)主要來自綠洲轉(zhuǎn)型為荒漠與建設(shè)用地，其中正效應(yīng)明顯強于負效應(yīng)。沙地、戈壁、鹽堿地等荒漠景觀向耕地的轉(zhuǎn)型是黑河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要原因，占正效應(yīng)總貢獻率的79.8%；戈壁向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)型也在一定程度上對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善起到作用，占正效應(yīng)總貢獻率的6.5%。耕地退化為戈壁、低覆蓋度草地與裸地等荒漠景觀是生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因，占負效應(yīng)總貢獻率的41.4%；水域減少造成的環(huán)境惡化貢獻率占總貢獻率的20.0%。此外，草地的退化也是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的重要因素，占總負效應(yīng)的12.2%；城鎮(zhèn)擴張對耕地的占用造成的生態(tài)環(huán)境負效應(yīng)占貢獻總值的9.1%。

圖7 黑河流域2000—2020年綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型及生態(tài)環(huán)境貢獻率Fig.7 Transformation and contribution rate of oasis-urban-desert in the Heiihe River Basin from 2000 to 2020

3 討論

3.1 景觀轉(zhuǎn)型的環(huán)境響應(yīng)機制

區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是景觀過程與格局的直接反映?？焖俪擎?zhèn)化與工業(yè)化帶來了區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，若不能正確協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的關(guān)系，必將對區(qū)域生態(tài)安全造成負面影響［37］。區(qū)域景觀格局的變化與人類活動密切相關(guān)，景觀格局的演變過程深入反映了人類活動、自然環(huán)境在不同時空對地表的改造［38］。權(quán)衡區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護之間的關(guān)系成為諸多決策部門面臨的兩難課題［39］。

由于惡劣的自然環(huán)境條件，我國西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體偏差。在干旱區(qū)內(nèi)陸河流域，綠洲是人類活動最為活躍的區(qū)域，也是景觀轉(zhuǎn)型最強烈的區(qū)域，而其他區(qū)域景觀格局變化相對很?。?0］，在本研究中黑河流域的綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型的熱點區(qū)域也同樣分布在各綠洲外圍。黑河流域綠洲化過程主要受自然因子如降水、氣溫與海拔的驅(qū)動（聚類4與聚類5），城鎮(zhèn)化過程主要由海拔與GDP驅(qū)動（聚類2與聚類3），而荒漠化過程受復(fù)雜人為因素影響較大。綠洲化過程對降水因子最為敏感，降水量增加有助于作物生長，加速綠洲擴張，而溫度對綠洲化的影響比較復(fù)雜，Song 等［41］發(fā)現(xiàn)，溫度升高對黑河流域玉米生長具有積極影響，從而誘導(dǎo)了農(nóng)業(yè)綠洲的擴張。研究區(qū)在年均氣溫8.99 ℃處存在閾值效應(yīng)，綠洲化與城鎮(zhèn)化之間的權(quán)衡關(guān)系發(fā)生逆轉(zhuǎn)，氣溫適宜發(fā)展種植業(yè)的區(qū)域優(yōu)先擴張綠洲（聚類4），而氣溫較低的區(qū)域則城鎮(zhèn)化發(fā)展占據(jù)優(yōu)勢（聚類2），城鎮(zhèn)化帶動經(jīng)濟發(fā)展，經(jīng)濟發(fā)展過程必然加速水資源消耗，有限的水資源無法同時承載綠洲化過程，此時綠洲化與城鎮(zhèn)化過程必然表現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系（聚類2），水資源依舊是制約流域發(fā)展的關(guān)鍵因素，這與Shao等［42］在黑河流域的研究結(jié)論相一致。

3.2 基于景觀轉(zhuǎn)型的流域高質(zhì)量發(fā)展策略

本研究利用MRT 分析綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀組合的轉(zhuǎn)型過程中的復(fù)雜非線性關(guān)系及閾值效應(yīng)，根據(jù)聚類結(jié)果，結(jié)合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量效應(yīng)，提出如下促進流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的策略：

（1）荒漠生態(tài)區(qū)：包括中下游荒漠區(qū)（聚類1），區(qū)域內(nèi)沙漠戈壁廣布，為控制荒漠蔓延，有必要重點加強防護林建設(shè)、天然草原退牧還草、防沙治沙等生態(tài)工程，同時保護東、西河岸綠洲生態(tài)，全力保障生態(tài)用水，完善水資源配置格局，牢筑居延綠洲生態(tài)安全屏障。

（2）城鎮(zhèn)綠洲權(quán)衡區(qū)：包括聚類2 與聚類4，應(yīng)重點解決水資源承載力限制人口與經(jīng)濟增長問題，有效保護河西走廊農(nóng)業(yè)灌溉用水，提高農(nóng)業(yè)用水效率，發(fā)展新型節(jié)水灌溉設(shè)施；注重發(fā)展特色農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)，有針對性的擴大特色種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模，打造兼具現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)商貿(mào)與歷史文化特色旅游功能的綠洲生態(tài)城市。

（3）荒漠綠洲權(quán)衡區(qū)：主要為聚類3，作為荒漠綠洲的過渡區(qū)，應(yīng)提高植被覆蓋率，重點保護綠洲外圍過渡帶，加大荒漠化治理力度，防止荒漠蔓延，科學(xué)合理開發(fā)利用荒地，提高區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

（4）農(nóng)業(yè)綠洲發(fā)展區(qū)：主要為聚類5所在區(qū)，作為綠洲農(nóng)田發(fā)展區(qū)，應(yīng)聚焦耕地高質(zhì)量發(fā)展與保護，提高農(nóng)業(yè)科技發(fā)展水平，注重耕地質(zhì)量而非數(shù)量，在減少耕地面積投入的基礎(chǔ)上增加耕地產(chǎn)量。

3.3 研究局限性

本研究也存在部分局限。利用景觀轉(zhuǎn)型核密度表征流域內(nèi)各類景觀轉(zhuǎn)型的強度，進而反映流域城鎮(zhèn)化、綠洲化與荒漠化強度，這一評價方法僅在空間上量化三類景觀轉(zhuǎn)型的強度，而實際上城鎮(zhèn)化、綠洲化過程評價機制較為復(fù)雜，有時還需考量地區(qū)的人口城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟城鎮(zhèn)化、空間城鎮(zhèn)化和社會城鎮(zhèn)化等一系列相關(guān)指標(biāo)［43-44］；此外，由于干旱內(nèi)陸河流域在綠洲以外的區(qū)域景觀轉(zhuǎn)型不明顯，核密度統(tǒng)計數(shù)據(jù)可能存在較多空值，數(shù)據(jù)在空間上的不連續(xù)可能會對模型結(jié)果造成影響。

4 結(jié)論

本文研究了黑河流域典型景觀“綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠”的“格局-過程”，基于景觀轉(zhuǎn)型的時空特征、內(nèi)部特征與階段特征分析景觀時空動態(tài)變化，基于MRT 模型分析三類景觀轉(zhuǎn)型之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系及空間響應(yīng)機制，基于遙感生態(tài)指數(shù)評估景觀轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，主要結(jié)論如下：

（1）荒漠是黑河流域分布最廣泛的景觀類型，主要分布于中游東北部和下游地區(qū)；綠洲集中分布在中游和下游地區(qū)，其中，中游綠洲是流域綠洲面積最大、最集中的綠洲；城鎮(zhèn)所占面積最小，其空間分布和規(guī)模與綠洲緊密關(guān)聯(lián)，中游綠洲孕育了張掖、酒泉和嘉峪關(guān)市等重要城市。

（2）黑河流域綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型可分為三個時期：2000—2005 年為農(nóng)業(yè)活動主導(dǎo)期，耕地開墾為主要的轉(zhuǎn)型方向；2005—2015年為產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展期，轉(zhuǎn)型方向復(fù)雜多樣，城鎮(zhèn)綠洲快速發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)趨于協(xié)調(diào)與多樣；2015—2020年為發(fā)展轉(zhuǎn)型調(diào)整期，城鎮(zhèn)發(fā)展加速的同時，逐漸重視生態(tài)經(jīng)濟功能區(qū)的建設(shè)。

（3）氣溫、GDP、海拔、降水量共同影響綠洲-城鎮(zhèn)-荒漠景觀轉(zhuǎn)型之間的權(quán)衡-協(xié)同關(guān)系，其中氣溫主要影響綠洲化過程，海拔影響城鎮(zhèn)化過程，氣溫、降水量與海拔之間的復(fù)雜相互作用則會影響區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展（綠洲化）與生態(tài)退化（荒漠化）過程。

（4）2000—2020年間黑河流域景觀轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)以正效應(yīng)為主，正效應(yīng)主要是來自荒漠景觀轉(zhuǎn)為綠洲和城鎮(zhèn)景觀，負效應(yīng)主要來自綠洲轉(zhuǎn)型為荒漠與建設(shè)用地；其中耕地擴張是正效應(yīng)的主要原因，耕地退化、水域減少與草地退化則是負效應(yīng)的主要原因。