閆俊杰，喬 木，田長彥，周生斌，盧 磊，宋 鵬

（1．中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

土地利用／覆被變化是引起區(qū)域環(huán)境變化的關(guān)鍵要素［1］，也是全球生態(tài)環(huán)境變化的重要組成部分［2］，因而成為全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)［3］。土地利用／覆被變化具有動態(tài)性和復(fù)雜性等特征［4］，其除了在類型數(shù)量和面積方面的變化外，還存在空間結(jié)構(gòu)的變化［5］。景觀格局分析是分析景觀要素組成及空間配置的方法［6］，是景觀生態(tài)學(xué)的核心內(nèi)容之一［7］。以景觀幾何特征為基礎(chǔ)的景觀格局分析可以有效地反映土地利用／覆被的空間格局變化［8］及其定量化狀態(tài)［9］。因此，近年來不少國內(nèi)研究學(xué)者將土地利用研究方法和景觀格局分析方法結(jié)合起來，對不同區(qū)域土地利用／覆被變化進(jìn)行了分析［10－12］。

阜康地區(qū)位于中國西北內(nèi)陸干旱區(qū)，其南部為天山山脈，中部為阜康綠洲，北部為準(zhǔn)格爾沙漠，3種地貌單元構(gòu)成了干旱區(qū)典型的山地—綠洲—荒漠系統(tǒng)（MODS，mountain oasisd desert system）。自20世紀(jì)60年代以來，隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展的逐步加快，土地開墾、放牧、城鎮(zhèn)和道路建設(shè)、采礦以及旅游資源開發(fā)等經(jīng)濟(jì)活動逐步增強(qiáng)［13］，阜康地區(qū)土地利用／覆被及景觀格局也隨之發(fā)生深刻變化。然而，目前針對阜康地區(qū)土地利用／覆被及景觀格局變化和驅(qū)動力分析的研究案例很少，對該區(qū)土地利用／覆被及景觀格局變化的方向、速率和趨勢還沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。因此，本文以1977—2006年的3期遙感影像為基礎(chǔ)，借助GIS和景觀生態(tài)的空間分析技術(shù)對阜康地區(qū)土地利用／覆被及景觀格局的變化進(jìn)行了研究，旨在揭示近30a來阜康地區(qū)土地利用／覆被和景觀結(jié)構(gòu)變化的過程和特征，以期為維護(hù)該區(qū)生態(tài)穩(wěn)定和水土資源開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

阜康地區(qū)地處天山北坡東段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地理坐標(biāo)為87°46′—88°44′E，43°45′—45°00′N，屬中溫帶大陸性干旱氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季酷熱，降雨量少，蒸發(fā)量大，年平均氣溫6．6℃，極端最高溫度41．5℃，極端最低溫度－37℃，多年平均降水量187．5mm，年蒸發(fā)量2 064mm。地形呈南北長條狀，南高北低，由東南向西北傾斜，地貌總輪廓由南向北沿低山丘陵、洪積扇沖積平原至沙漠，呈現(xiàn)出典型干旱區(qū)地貌景觀。

1．2 數(shù)據(jù)及研究方法

1．2．1 數(shù)據(jù)來源及處理 本文采用的數(shù)據(jù)主要有1977年8月13日獲取的Landsat MSS，1990年9月7日獲取的Landsat TM和2006年9月27日獲取的Landsat ETM＋3期遙感影像。MSS影像的空間分辨率為60m×60m，TM和ETM＋影像的空間分辨率均為30m×30m。MSS影像采取421波段假彩色合成，TM和ETM＋影像采用432波段假彩色合成。以1∶10萬地形圖為底圖在ENVI4．8軟件上完成3期影像的幾何校正，平均位置誤差控制在了1個像元以內(nèi)。

在對研究區(qū)進(jìn)行土地類型劃分時，參考了GB／T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》的2級分類體系，并結(jié)合阜康土地利用及景觀特點(diǎn)，將鹽堿地和沙地從未利用土地中分離開來，最終確定出耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地、沙地和鹽堿地8個類型。依據(jù)上述分類體系，根據(jù)不同土地覆被類型的影像色調(diào)、紋理等特征，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查，建立相應(yīng)的遙感解譯標(biāo)志，同時參考來自中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的2000年1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)，在ArcGIS 9．3平臺上采用人機(jī)交互的目視解譯方式完成對3期影像的解譯工作。具體的解譯過程詳見圖1。

圖1 影像解譯工作流程

1．2．2 動態(tài)度分析 土地利用動態(tài)度是定量描述土地利用變化速度一個指標(biāo)，可分為單一土地利用動態(tài)度（K）和綜合土地利用動態(tài)度（LC）［14］。單一土地利用動態(tài)度表示一定時間內(nèi)某一土地利用類型的變化速度，綜合土地利用動態(tài)度表示一定時間內(nèi)整個研究區(qū)的土地利用變化速度。計(jì)算公式可以參考文獻(xiàn)［14］。

1．2．3 轉(zhuǎn)移矩陣分析 土地利用／覆被除了存在面積和速度等數(shù)量上的變化外，各土地利用類型之間還存在相互轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)換矩陣用于表達(dá)不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，是土地利用變化分析的一個有效手段［15］。本研究利用 ArcGIS 9．3軟件的空間分析模塊計(jì)算得到各土地利用類型在1977—1990年及1990—2006年的轉(zhuǎn)移矩陣。

1．2．4 景觀格局變化分析 根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)和研究需要，本文從類型水平和景觀水平上對景觀指數(shù)進(jìn)行選取。類型水平指數(shù)包括斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、面積—周長分維數(shù)（PAFRAC）、分離度指數(shù)（SPLIT）4個指數(shù)。景觀水平指數(shù)包括斑塊數(shù)（NP），斑塊密度（PD），香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI），香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI），蔓延度指數(shù)（CONTAG），分離度指數(shù)（SPLIT）6個指數(shù)。景觀指數(shù)值均在Fragstats 3．3軟件上計(jì)算完成。

2 結(jié)果與分析

2．1 土地利用／覆被變化分析

依據(jù)上述8個土地利用類型，以及1977，1990和2006年3期土地利用矢量圖，分別從總體特征、動態(tài)度變化和變化過程3個方面對阜康市土地利用／覆被變化進(jìn)行了分析。

2．1．1 土地利用／覆被變化總體特征分析 表1列出了阜康市土地利用／覆被變化總體特征。由表1可以看出，阜康市草地和沙地面積最大，1977年時草地和沙地的面積比例分別占到34．03%和51．20%。1977—1990年，建設(shè)用地變化最大，增加了305．83%，面積也由10．47km2增加到了42．49km2，其次是未利用土地和鹽堿地，分別減少22．79%和11．67%，耕地和草地分別增加9．42%和2．42%，而林地、水域和沙地則分別減少5．02%，2．50%和0．42%。1990—2006年，耕地面擴(kuò)張加快，增加64．15%，面積增加254．43km2，建設(shè)用地增加減緩，但仍然增加89．41%，水域比例明顯下降，減少61．92%，未利用土地由減少變?yōu)樵黾樱值?、草地、鹽堿地和沙地均有不同程度的減少。

表1 1977，1990，2006年不同土地利用／覆被類型面積和比例

2．1．2 土地利用／覆被變化動態(tài)度分析 1977—2006年研究區(qū)LC僅為0．15%（表2），表明土地利用總體變化速度不快。

不同研究時段LC差別較大，1990—2006年的LC明顯大于1977—1990年，表明土地變化的速度在加快。從單一動態(tài)度來看，建設(shè)用地的變化速度最大，年變化率達(dá)23．07%，其次為耕地和水域，年變化率為分別為2．75%和－2．17%，其他5種類型年變化速度相對較小。

不同類型在不同時段內(nèi)的變化速度也有所不同，與1997—1990年相比，1990—2006年除建設(shè)用地和沙地外，各類型的變化速度均有加快。

表2 1977－2006年土地利用／覆被動態(tài)度計(jì)算結(jié)果 %

2．1．3 土地利用／覆被變化過程分析 1977—1990年，草地、耕地和未利用土地的變動最大，3種地類在有大面積轉(zhuǎn)入的同時也有大面積的轉(zhuǎn)出（表3）。期間35．15km2和66．30km2草地轉(zhuǎn)出為林地和未利用土地，同時47．06km2林地和142．30km2未利用土地轉(zhuǎn)入草地，轉(zhuǎn)入大于轉(zhuǎn)出，面積增加。36．81km2和14．85km2耕地分別轉(zhuǎn)出為了草地和建設(shè)用地，同時63．77km2草地和40．10km2鹽堿地轉(zhuǎn)入了耕地。未利用土地有104．55km2轉(zhuǎn)入和195．00km2轉(zhuǎn)出，總體面積減少。建設(shè)用地增加主要是由耕地、草地和未利用土地轉(zhuǎn)入。1990—2006年，變動最大的仍是草地、耕地和未利用土地（表3）。236．73km2草地轉(zhuǎn)向了耕地，但也有60．27km2林地和106．92km2未利用土地轉(zhuǎn)入草地，減緩了草地的減少。對于耕地的變化，除有草地轉(zhuǎn)入外，還有65．78km2的鹽堿地的轉(zhuǎn)入耕地，耕地大面積增加。同時該時段，由于大量冰川的融化，102．59km2水域變成未利用土地，水域面積明顯減小。未利用土地轉(zhuǎn)入大于轉(zhuǎn)出，總體增加。建設(shè)用地仍繼續(xù)增加，主要還是由耕地、草地和未利用土地轉(zhuǎn)入。

表3 不同時期土地利用／覆被轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2．2 景觀動態(tài)變化分析

2．2．1 類型水平上景觀變化分析 斑塊密度（PD）是指單位面積上的斑塊個數(shù)，可以反映景觀的破碎化程度和空間異質(zhì)性程度。最大斑塊指數(shù)（LPI）是各類型中最大斑塊占景觀總面積的比例，是一種簡單的衡量各類型優(yōu)勢度的指數(shù)。從表4可以看出，除未利用土地PD在減小外，其他7種景觀類型PD均呈增加趨勢，其中建設(shè)用地和鹽堿地PD增加最為顯著，分別由 0．003 2 個／km2和 0．002 7 個／km2增加到0．010 9個／km2和0．007 6個／km2。林地和耕地PD由0．019 0個／km2和0．007 5個／km2增加到0．022 8個／km2和0．009 5個／km2。草地和水域PD先增加后減小，總體增加。沙地PD變化較小。研究區(qū)PD增大說明景觀趨于破碎化，土地開發(fā)與城鎮(zhèn)發(fā)展在加快，人類活動在增強(qiáng)。從LPI可以看出，沙地和草地的LPI很大，其余斑塊類型的LPI很小，說明阜康地區(qū)沙地和草地占據(jù)絕對優(yōu)勢。從變化趨勢來看，1977—2006年，耕地和建設(shè)用地的LPI逐步增加，分別從1．38%和0．02%增加到1．91%和0．15%，表明這2種類型的斑塊趨于連片增長。草地、水域和鹽堿地的LPI先增加后減小，總體減小，分別從33．30%，1．24%和0．24%減小到28．01%，0．52%和0．13%，表明這幾種類型的斑塊被分割，優(yōu)勢度減小。未利用土地LPI略有增加，沙地和林地類型LPI變化不大。

分形維數(shù)是描述土地利用形態(tài)分析的有效語言，在景觀生態(tài)學(xué)中經(jīng)常被用于描述斑塊或景觀形狀在空間尺度上的復(fù)雜程度，分維數(shù)越接近1，斑塊自相似性越強(qiáng)，幾何形狀越簡單，說明斑塊受人為干擾的程度越大。由表4可知，1977—2006年，草地和鹽堿地PAFRAC持續(xù)減小，由1．40減小為1．31，說明其斑塊形狀趨于簡單化，人類開發(fā)活動加強(qiáng)。建設(shè)用地PAFRAC持續(xù)增加，由1．14增加為1．60，說明人類對建設(shè)用地的開發(fā)存在很大的隨意性，其斑塊形狀變得越來越復(fù)雜。沙地PAFRAC幾乎沒有變化。其余5種類型的PAFRAC出現(xiàn)先增加后減小的變化，表明人類開發(fā)方式發(fā)生了改變，開發(fā)活動隨意性降低，而趨向于合理化，這與政策環(huán)境的改善有很大關(guān)系。

斑塊分離度指數(shù)（SPLIT）是對某一景觀類型中不同斑塊空間分布的離散程度的描述。從表4可以看出，草地和沙地的SPLIT最低，且?guī)缀鯖]有變化，表明這2類的連通性最好，其連通性受人類破壞較小。耕地和建設(shè)用地的SPLIT持續(xù)減小，說明這2種類型呈連片增長，且不斷被整合，連通性增強(qiáng)。林地和鹽堿地的變化與耕地和建設(shè)用地相反，斑塊越來越離散。水域和未利用土地的SPLIT出現(xiàn)波動變化，水域越來越離散，未利用土地越來越聚集。

表4 1977－2006年斑塊水平景觀格局指數(shù)

2．2．2 景觀水平上景觀變化分析 阜康地區(qū)斑塊數(shù)（NP）和斑塊密度（PD）持續(xù)增大，最大斑塊指數(shù)（LPI）持續(xù)減少（表5）。NP由1977年的453個增加到了1990的572個，2006年增加到591個。PD相應(yīng)地由1977年的0．053 2個／km2增加到1990年的0．067 1個／km2，到2006年增加為0．069 3個／km2。1977—2006年LPI逐步由50．27%減少到50．10%。NP和PD增加表明斑塊增多，景觀變得破碎。LPI減少表明研究區(qū)中大斑塊減少，小斑塊增多，斑塊大小趨于均勻。

香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）可以反映景觀類型的多少和景觀中斑塊的多度和異質(zhì)性，而香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）表示景觀中不同斑塊類型在數(shù)目或面積方面的均勻程度。由表5可以看出，研究區(qū)SHDI和SHEI先減小后增加，但總體增加，分別由1．21和0．58增加到了1．26和0．61，說明整個研究區(qū)的景觀斑塊的多度增加，不同斑塊的面積大小差異減小，景觀的異質(zhì)性增加，各斑塊類型趨于均勻，景觀空間結(jié)構(gòu)向著多樣化和均勻化方向發(fā)展。

蔓延度指數(shù)（CONTAG）是描述景觀中不同類型聚集程度的指標(biāo)，而景觀水平上的分離度指數(shù)（SPLIT）是描述景觀中不同斑塊個體空間分布的離散程度的指標(biāo)。從表5可以看出，阜康地區(qū)CONTAG指數(shù)逐漸減小，由1977年的69．45%減小到2006年的68．35%，SPLIT指數(shù)逐漸增大，由1997年的2．74增加到2006年的3．01，說明整個景觀區(qū)各景觀要素的聚集程度減小，離散和分離程度增大，優(yōu)勢斑塊類型的比例逐漸下降，景觀要素空間分布逐步趨于均勻。

表5 1977－2006年景觀水平景觀格局指數(shù)

2．3 驅(qū)動力分析

影響土地利用／覆被及景觀結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因素一般包括自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素兩大類。隨人類社會的進(jìn)步及人類改造自然的能力的增強(qiáng)，人口增長、政策環(huán)境及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等社會經(jīng)濟(jì)因素的影響逐步超過了自然因素，成為驅(qū)動土地利用／覆被及景觀結(jié)構(gòu)變化的主要因素。相對社會經(jīng)濟(jì)因素，自然因素雖然比較穩(wěn)定，但對于對環(huán)境變化反應(yīng)敏感的干旱區(qū)來說，其變化仍可能帶來不容忽視的影響。

2．3．1 自然因素 影響土地利用／覆被及景觀結(jié)構(gòu)變化的自然因素主要有地質(zhì)、地貌、土壤、氣溫和降水等［5，16］，30a的時期內(nèi)，前3個因素的變化有限，而氣溫和降水表現(xiàn)相對活躍，對土地利用／覆被及景觀結(jié)構(gòu)變化的影響亦相對較大［11］。

研究區(qū)地處典型的內(nèi)陸干旱區(qū)，草地是主要的植被類型，對降水量的變化非常敏感。從圖2中降水變化曲線可以看出，研究區(qū)降水在1977—1990年波動上升，在1990—2006年先升后降。相應(yīng)地從遙感衛(wèi)片上可以看出研究區(qū)中部和東部沙漠邊緣有大約130km2的區(qū)域，在1977—1990年時，由裸地轉(zhuǎn)化為了草地，而在1990—2006年，該區(qū)又由草地轉(zhuǎn)化為了裸地?？梢娊邓牟▌幼兓瘜Σ莸仡愋偷拿娣e和結(jié)構(gòu)有較大的影響。

圖2 1977－2007年阜康地區(qū)降水量和氣溫年際變化

從圖2中氣溫變化曲線可以看出，1977—2006年研究區(qū)氣溫呈現(xiàn)明顯的升高趨勢。隨氣溫的升高，研究區(qū)南部高山的冰雪覆蓋區(qū)逐步縮小，形成了大面積的裸露巖石，而研究區(qū)內(nèi)水域類型主要為冰川，所以由氣溫升高引起的冰川融化為研究區(qū)水域面積減小的主要原因，整個區(qū)域的景觀結(jié)構(gòu)組成也因冰川融化而發(fā)生一定改變。此外，在干旱區(qū)MODS系統(tǒng)中，冰川是綠洲景觀及其相關(guān)的水文和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和持續(xù)存在的核心［17］，冰川的逐步縮小終將會給整個系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響。

2．3．2 人口增長因素 人口是人類社會經(jīng)濟(jì)活動中最主要的因素，也是土地利用／覆蓋及景觀結(jié)果變化的直接驅(qū)動因素。根據(jù)資料和統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，1977年，阜康地區(qū)人口為10．33萬人，到2006年人口達(dá)到16．28萬，近30a內(nèi)人口增加57．60%［18］。人口的不斷增長，隨之而來的是耕地大面積開墾以及城鎮(zhèn)的擴(kuò)張，居民建設(shè)用地和交通用的增加。1997—2006年耕地和建設(shè)用地增加，林地、草地、鹽堿地減少，究其原因，主要還是人口增加所致。從圖3可以看出，1988年以后，人口增長明顯加快，致使1990—2006年研究區(qū)土地利用變化速度明顯大于1977—1990年。

圖3 1977－2007年阜康地區(qū)人口年際變化

2．3．3 政策及產(chǎn)業(yè)因素 除人口因素外，政策環(huán)境的改變和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整也是阜康地區(qū)土地利用／覆被及景觀格局變化的重要驅(qū)動因素。從1976年“文革”結(jié)束到1978年改革開放，再到1984年家庭聯(lián)產(chǎn)承包土地制度的實(shí)施，這些政策充分調(diào)動了廣大人們?nèi)罕姷纳a(chǎn)建設(shè)積極性［18］。這一時期，建設(shè)用地面積增長迅速，草地開墾以及鹽堿地改良擴(kuò)大了耕地面積，景觀斑塊數(shù)目增多，密度增大，景觀變得破碎而離散，多樣性和均勻性減小。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，隨著經(jīng)濟(jì)改革的推進(jìn)，一些石油重工業(yè)企業(yè)、煤礦企業(yè)以及煤炭電力工業(yè)企業(yè)陸續(xù)在阜康開辦和投產(chǎn)［19］，工業(yè)的發(fā)展增強(qiáng)了人類土地開發(fā)的強(qiáng)度和頻度。同期阜康地區(qū)對農(nóng)業(yè)進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動了農(nóng)業(yè)開發(fā)向合理化方向發(fā)展。這一時期土地變化速度明顯加快，景觀離散程度增大的同時景觀要素的多樣性增加，空間分布也趨于均勻化。

3 結(jié) 論

（1）1977—2006年阜康地區(qū)土地利用／覆被變化顯著，總體上表現(xiàn)為建設(shè)用地和耕地大幅增加，平均每年分別增加23．07%和2．75%，林地、草地、水域和鹽堿地相應(yīng)減少，水域的減小速度最快，每年減少2．17%。30a內(nèi)整個研究區(qū)綜合土地利用變化速度不大，但有明顯加快的趨勢。土地利用類型的轉(zhuǎn)化方向主要為耕地、草地和未利用土地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，草地和鹽堿地向耕地轉(zhuǎn)化，水域向未利用土地轉(zhuǎn)化，草地與林地以及草地與未利用土地相互轉(zhuǎn)化。

（2）類型水平上，耕地和建設(shè)用地隨面積的擴(kuò)大，空間連通性增強(qiáng)，但在斑塊形狀上耕地趨于規(guī)則，而建設(shè)用地卻趨于復(fù)雜；草地破碎度增加，形狀趨于規(guī)則，連通性幾乎沒有變化。林地、水域和鹽堿地隨面積的減小和斑塊密度的增多，破碎程度逐步增加，斑塊大小趨于均勻，形狀也趨于規(guī)則，分布更為離散，連通性減弱。未利用土地雖然面積減小，斑塊密度也在減小，斑塊分布反而趨于聚集，連通性增強(qiáng)。沙地斑塊類型幾乎沒有變化。

（3）景觀水平上，30a內(nèi)研究區(qū)斑塊數(shù)、斑塊密度、分離度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻指數(shù)增加，而最大斑塊指數(shù)和蔓延度指數(shù)減小。表明景觀破碎度增加，斑塊趨于離散和分離，空間連接性下降，各類型所占比例差距縮小，斑塊大小趨于均勻，景觀多樣性水平提高，異質(zhì)性增強(qiáng)。

（4）動力分析表明，由氣溫增加而造成的冰川融化是阜康地區(qū)水域減少的主要原因，同時降水的變化對草地變化有較大影響。但人口、政策和產(chǎn)業(yè)因素是阜康地區(qū)土地利用／覆被以及景觀格局變化的主要驅(qū)動因素。其中人口增加的影響最直接，而政策環(huán)境的改善以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整起到很大的推動作用。尤其20世紀(jì)90年代后，隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加快以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整阜康地區(qū)地利用／覆被的變化速度明顯加快，景觀結(jié)構(gòu)也趨于多樣化和均勻化。

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