邵紫陽++張永福

摘要：根據(jù)溫宿縣1990、2002與2015年TM影像資料，結(jié)合Fragstats軟件計算出景觀指數(shù)，評價景觀多樣性、優(yōu)勢度、破碎化，并進(jìn)行生態(tài)安全分析。結(jié)果表明，（1）溫宿縣耕地面積持續(xù)上升，水體和草地面積持續(xù)下降，鹽漬面積持續(xù)上升。砂地的前多后少和林地的前少后多。（2）耕地的優(yōu)勢度逐步上升，砂地、干涸湖底、草地和林地先降后升，鹽漬地先升后降，水體持續(xù)減少。（3）耕地破碎化先是急劇降低，而后有少量上升，水體和鹽漬地破碎化降低，林地持續(xù)上升、草地先減后增以及砂地先增后減。（4）耕地和林地的分離度持續(xù)降低，水體的分離度持續(xù)升高以及草地、砂地、鹽漬地上下波動。（5）景觀多樣性雖然上下波動，但總體有上升趨勢，通過景觀類型多樣性指數(shù)看出景觀逐年豐富。（6）溫宿縣景觀生態(tài)彈性度顯“V”字型變化，先是由1990年的2.33×106下降為2002年的2.11×106，然后再增加到2015年的2.88×106。

關(guān)鍵詞：干旱區(qū)；溫宿縣；景觀指數(shù)；生態(tài)安全

中圖分類號：TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5507-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.017

Nearly 25 Years of Land Use Change Effects on Arid Zone Elastic Recovery of Ecological Safety Barriers：Taking Wensu County as an Example

SHAO Zi-yang， ZHANG Yong-fu

（Resources and Environment Science， Xinjiang University， Urumqi 830046， China）

Abstract：In the paper， using the Wensu County in 1990 and 2002 and 2015 TM image with FRAGSTATS software to calculate the landscape index， evaluation of landscape diversity， dominance， fragmentation and ecological security analysis. Results show that：（1）cultivated land area of Wensu County continued to rise， the continued decline in water and grass， and saline land continued to rise. Before and after less sand forest after little more than before.（2） gradually increased the dominance of cultivated land， sand， dry lakebed， grassland and woodland rise after the first drop，saline soil decreased. Continuous reduction of water body.（3）the fragmentation of cultivated land is sharply reduced， and a small rise， reduce water and saline alkaline land fragmentation，a sustained rise in the woodland and grassland decreased first and then increased and Sandy's first increase and decrease.（4）farmland and woodland separation continued to decrease， the separation of the water continued to rise and grassland， Sandy and saline on the fluctuations.（5）landscape diversity of although fluctuations， but overall there is a rising trend， through the landscape diversity index see landscape rich year after year.（6）the change of the “V” type of landscape ecological elasticity in Wensu county. The first is from 1990 2.33×106 down to 2.11×106 in 2002， and then increased to 2.88×106 in 2015.

Key words：arid region； Wensu； landscape indices； ecological security

綠洲是干旱地區(qū)典型的景觀類型，是干旱區(qū)最具生命力的生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是維持當(dāng)?shù)厝祟惿畹谋匾h(huán)境條件。干旱地區(qū)綠洲景觀格局是基于荒漠地質(zhì)，依靠水資源維持所有動植物生存的動態(tài)生態(tài)景觀系統(tǒng)[1]。土地利用/覆被變化（Land Use/Cover Change，LUCC）是綠洲景觀格局時間、空間變化的根本動因，同樣是景觀格局時間、空間變化的重要指標(biāo)[2]。所以，本研究利用溫宿縣土地利用/覆被變化遙感分類結(jié)果并通過Fragstats軟件分析，最終對綠洲景觀格局進(jìn)行評價。

景觀格局是地球物質(zhì)形態(tài)實際分布的表現(xiàn)形式，與景觀中的每個生態(tài)活動都高度相關(guān)[3]。通過對研究區(qū)景觀格局變化的研究，對探討生態(tài)系統(tǒng)的抵抗能力、修復(fù)能力、生態(tài)系統(tǒng)平穩(wěn)性以及物種豐富度等有著深遠(yuǎn)的影響[4]。每個生態(tài)系統(tǒng)的空間屬性可以通過景觀格局來準(zhǔn)確反映，并且為景觀生態(tài)變化的研究和發(fā)展提供理論依據(jù)[5]。針對景觀格局時空變化進(jìn)行生態(tài)安全評價，對研究自然因素和人為因素對景觀生態(tài)安全威脅的主次方面進(jìn)行比較與探討，以及識別景觀生態(tài)安全發(fā)展變化的客觀后果，有助于進(jìn)一步改進(jìn)評價生態(tài)安全的指標(biāo)體系[6-11]。

景觀生態(tài)學(xué)是生態(tài)科學(xué)與環(huán)境科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域交叉綜合起來的新興學(xué)科。但是1980年前后，景觀生態(tài)學(xué)才慢慢開始蓬勃發(fā)展[12]。國外學(xué)者在景觀生態(tài)學(xué)的模型分析方法及應(yīng)用等方面進(jìn)行大量的研究。美國生態(tài)學(xué)家Costanza等[13]對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價值的研究，被評價為當(dāng)代生態(tài)學(xué)界里占主導(dǎo)力的研究理論。William等[14]利用景觀指標(biāo)與水文過程模型結(jié)合找出改變流域的潛在水質(zhì)問題，評估其對城市環(huán)境和農(nóng)業(yè)的影響。國內(nèi)方面，近20年來景觀生態(tài)學(xué)研究是在我國得以迅速發(fā)展。郭明等[15]以酒泉市多年遙感影像為研究基礎(chǔ)，分析出各景觀斑塊的空間位置屬性，對綠洲進(jìn)行了生態(tài)安全評估；而在景觀生態(tài)學(xué)理論研討上，RS和GIS專題景觀數(shù)據(jù)模型構(gòu)建以及景觀實驗探索3個方面是我國學(xué)者的主導(dǎo)方向，其中以邵國凡等[16]對景觀動態(tài)專題模型的探討，占有很大的影響力。

1 研究區(qū)域概況

溫宿縣位于新疆西部天山中段南坡，托木爾峰南麓，塔里木盆地北緣。北與吉爾吉斯斯坦共和國、哈薩克斯坦共和國，伊犁哈薩克自治州昭蘇縣接壤，東與拜城、新和兩縣交界，南與阿克蘇市比鄰，西與烏什縣隔河相望，位于東經(jīng)79°27′50″-81°29′58″，北緯40°51′41″-42°15′13″，溫宿縣全縣南北長167 km，東西寬154 km，縣域總面積1 433 516.24 hm2。

2 研究方法

2.1 遙感影像處理

本研究通過ENVI軟件采用最大似然分類方法進(jìn)行分類，并對圖像進(jìn)行了Majority/Minority分析。然后將圖像導(dǎo)入Arcgis 9.3軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 景觀空間格局分析

Fragstats3.4軟件提供的景觀指數(shù)多達(dá)60種，而這些景觀指數(shù)都是高度相關(guān)的[17]。本研究在景觀類型上選取了9個指標(biāo)。在景觀水平上選取12個指標(biāo)，其景觀指數(shù)生態(tài)學(xué)意義見表1。

2.3 生態(tài)安全評價

生態(tài)安全是指生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾程度及自我修復(fù)能力的屬性。生態(tài)安全是人類生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，對其功能的評價在全球生態(tài)系統(tǒng)管理和可持續(xù)發(fā)展生態(tài)學(xué)研究中占有十分重要的地位[18]。全球變化的本質(zhì)就是研究人類活動造成的全球變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響及其響應(yīng)[19]。完善的生態(tài)系統(tǒng)是穩(wěn)定的和可演化的，隨時間的周期變化能夠自我完善組織結(jié)構(gòu)并進(jìn)行修復(fù)。反之，不完善的生態(tài)系統(tǒng)，是功能缺失的生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)結(jié)構(gòu)處于威脅之中，甚至產(chǎn)生惡化。目前，生態(tài)安全研究主要有綜合指數(shù)法、模型模擬法和景觀分析法等，其中景觀分析法是以宏觀尺度為依據(jù)的生態(tài)安全研究。景觀生態(tài)安全是以生態(tài)系統(tǒng)多樣性和區(qū)域景觀尺度來分析評估人類活動與自然脅迫對景觀生態(tài)安全的影響狀況。本研究根據(jù)景觀格局變化結(jié)果，并借助田美榮[20]所提出的生態(tài)彈性力理論分析溫宿縣景觀生態(tài)安全變化。生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)彈性度大小可用下述模型量化地表示：

ECORES=Di∑Si×Pi （1）

式中，ECORES為生態(tài)彈性度大小，Si表為地物i的覆蓋面積，Pi為地物i的彈性分值，Di為多樣性指數(shù)。根據(jù)在景觀生態(tài)系統(tǒng)中，地面覆蓋表示覆蓋在地球表面的各個地類，因此式中Si表示不同地類的面積比，而不是植被的面積比；Pi代表某種地物覆蓋的彈性度分值，可根據(jù)覆蓋度、生產(chǎn)力以及專家評分等方法評定；生態(tài)系統(tǒng)的彈性限度高低不僅取決于地物的覆蓋類型及等級狀況，還取決于地物類型的豐富度。

3 景觀格局變化及生態(tài)安全分析

3.1 景觀格局變化分析

本研究以溫宿縣1990、2002和2015年TM影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過ENVI軟件，采用最大似然分類將土地結(jié)構(gòu)類型歸并為耕地、草地、林地、水體、鹽漬地、沙地和其他七大類型。各年份分類精度見表2。

利用Fragstats軟件對分類圖像進(jìn)行分析并計算出景觀指數(shù)表3和表4。從表3可知，從景觀類型面積和斑塊占景觀面積看，按斑塊類型面積大小排序，1990年為其他>草地>砂地>鹽漬地>干涸湖底>林地>水體>耕地。2002年為其他地類>砂地>鹽漬地>草地>耕地>林地>水體>干涸湖底。2015年為其他>鹽漬地>砂地>耕地>林地>草地>水體>干涸湖底。由溫宿縣人口的增長以及他們生活與生產(chǎn)需要，以及開荒政策的支持造成耕地面積持續(xù)上升，再加上生活用水、灌溉用水大幅度提升，最終使得水體和草地的逐步減少，以及鹽漬地的逐步升高。由于人類主觀認(rèn)識的影響，使人們開始有意識的保護(hù)自然，使得砂地面積先增后減和林地先減后增。

斑塊平均面積大小可應(yīng)用于衡量景觀的完整性以及斑塊的破碎化程度，MPS值越低則該類斑塊越破碎?？梢钥闯鲇捎谌祟愰_始時在一片區(qū)域開墾耕地，而后為滿足生活生產(chǎn)在其他區(qū)域開墾少量耕地，從而導(dǎo)致耕地破碎化先是急劇降低，而后少量上升。這樣間接造成了零碎的水源干涸，使得水體和鹽漬地破碎化降低，從而使水體和鹽漬地平均面積持續(xù)增加和干涸湖底大幅度波動。林地的持續(xù)上升、草地的先減后增以及砂地的先增后減可以說明人類有意識的保護(hù)自然景觀。

最大斑塊指數(shù)（LPI）能夠描述研究區(qū)相應(yīng)階段的優(yōu)勢景觀類型。由表3可知，前4類的景觀類型：1990年是其他、鹽漬地、干涸湖底和砂地。2002年是其他、鹽漬地、砂地和水體。2015年是其他、鹽漬地、耕地和砂地。耕地的優(yōu)勢度逐年上升，砂地、干涸湖底、草地和林地先降后升，鹽漬地先升后降。水體持續(xù)減少。但是鹽漬地、干涸湖底、砂地一直保持很大的優(yōu)勢，充分說明溫宿縣自然環(huán)境情況不容樂觀。

從表3可知，在分離度方面，1990年SPLIT排序為耕地>林地>水體>草地>干涸湖底>鹽漬地>砂地>其他。2002年為干涸湖底>林地>草地>耕地>水體>砂地>鹽漬地>其他。2015年為林地>草地>干涸湖底>水體>砂地>耕地>鹽漬地>其他?；谌祟惖闹饕绊懀瑢?dǎo)致耕地和林地的分離度持續(xù)降低，間接影響水體的分離度的持續(xù)升高以及草地、砂地、鹽漬地的上下波動。

從表4可知，MPS持續(xù)增加和NP值持續(xù)減少，溫宿縣景觀破碎化持續(xù)降低，景觀整體更加完整。AWMSI持續(xù)降低，由于人類持續(xù)影響，景觀空間分布逐漸形象化。MNN持續(xù)升高，溫宿縣景觀類型拼塊格局越來越離散。從IJI和SPLIT值看出分離度上下波動，但是分離度有降低趨勢，景觀更加聚集。AI值上下波動，更加趨于穩(wěn)定，景觀內(nèi)斑塊高度連接。SHDI和SHEI指數(shù)上下波動，有上升趨勢，景觀類型多樣性更加豐富，這是由于人類活動作用于斑塊更加明顯，廊道景觀發(fā)生明顯變化，雖本研究沒有把鐵路、公路等交通設(shè)施解譯，但是與人類生活相關(guān)的設(shè)施日益完善，直接影響綠洲物質(zhì)與能量的循環(huán)，使得綠洲的總體布局發(fā)生明顯變化，促使景觀多樣性逐步上升。

3.2 景觀生態(tài)安全分析

對溫宿縣生態(tài)彈性強(qiáng)度有影響的土地覆蓋類型可分為4大類型。第Ⅰ類為重要型，該類型對研究區(qū)生態(tài)彈性度有主導(dǎo)意義，對該類型管理和維護(hù)得好，可提高區(qū)域生態(tài)彈性度。主要包括林地、耕地；第Ⅱ類為次要型，該類型對維持生態(tài)系統(tǒng)和促進(jìn)區(qū)域生態(tài)彈性度有促進(jìn)作用，若規(guī)劃不當(dāng)，則很容易造成生態(tài)系統(tǒng)弱化而使區(qū)域生態(tài)彈性度明顯下降，主要包括水體和草地。第Ⅲ類為中間型，該類對區(qū)域生態(tài)彈性度貢獻(xiàn)很小甚至嚴(yán)重退化，主要包括砂地和干涸湖底。第Ⅳ類為威脅型，因為研究區(qū)降水稀少、蒸發(fā)特別強(qiáng)烈，土壤下部的鹽分極易隨水分蒸發(fā)上升至地表，形成鹽堿地。該類型對區(qū)域生態(tài)彈性度幾乎沒有任何貢獻(xiàn)，急需加強(qiáng)該生態(tài)環(huán)境的綜合治理和調(diào)整。這種類型主要包括鹽堿地。由于每個生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益是相對區(qū)別的，其彈性分值（Pi）也不同。本研究根據(jù)日本專家通過調(diào)查各類生態(tài)系統(tǒng)功能，并結(jié)合溫宿縣景觀的實際特點依次為林地、耕地、水體、草地、鹽漬地、干涸湖底以及砂地建立生態(tài)彈性度分值表（表5）。

由圖1可知，溫宿縣景觀生態(tài)彈性度顯“V”字型變化。先是由1990年的2.33×106下降為2002年的2.11×106，然后再增加到2015年的2.88×106，原因可能是因為溫宿縣位于干旱地區(qū)，其景觀類型主要以生態(tài)系統(tǒng)脆弱，彈性分值較低的草地和砂地為主，而林地等生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜，服務(wù)功能高的景觀較少，而溫宿縣人口的增長以及他們生活與生產(chǎn)需要，以及開荒政策的支持造成耕地的面積持續(xù)增長，使溫宿縣生態(tài)彈性分值人為上升；研究區(qū)生態(tài)彈性度整體上趨于增漲趨勢，說明溫宿縣的生態(tài)安全呈上升趨勢，也說明該流域生態(tài)系統(tǒng)對外界干擾和壓力的緩沖調(diào)節(jié)能力大幅度增強(qiáng)。2002-2015年上升最為明顯，彈性度的總體變化和耕地總體變化趨勢有明顯耦合性，可以得出研究區(qū)彈性度的增加主要是由于耕地面積的增加，而耕地這一景觀類型是一種生態(tài)系統(tǒng)較為單一，脆弱的景觀類型，所以在人為的影響下，溫宿縣生態(tài)環(huán)境仍較為脆弱，生態(tài)安全相對容易受到威脅，溫宿縣各個景觀指數(shù)的相應(yīng)變化也很好的驗證這一點。所以，干旱區(qū)流域生態(tài)彈性力是人類活動和自然變化對土地干擾結(jié)果的綜合反映。

4 小結(jié)與討論

1）從景觀指數(shù)上來看，溫宿縣的優(yōu)勢斑塊1990年是其他、鹽漬地、干涸湖底和砂地。2002年優(yōu)勢斑塊的地類變化為其他、鹽漬地、砂地和水體。2015年又發(fā)生一定改變，變?yōu)槠渌?、鹽漬地、耕地和砂地四種地類。耕地持續(xù)增長最終成為優(yōu)勢斑塊。MPS從1990年的11.81到2002年22.03再到2015年的22.18。NP從1990年的97782到2002年的52 425再到2015年的52 063。MPS持續(xù)增加和NP持續(xù)減少，溫宿縣景觀破碎化持續(xù)降低，景觀整體更加完整。AWMSI從1990年的41.19到2002年的31.53，最終到2015年的29.27，指數(shù)持續(xù)降低，由于人類持續(xù)影響，景觀斑塊形狀趨于規(guī)則。MNN從1990年128.24至2002年145.59，最后到2015年的150.46持續(xù)升高，景觀類型斑塊分布更加離散。IJI從61.05到60.55再到63.56，SPLIT從1990年的7.23變?yōu)?002年的5.05而后增長為2015年的5.78，從IJI和SPLIT看出分離度上下波動，但是分離度有降低趨勢，景觀更加聚集。AI從92.53變?yōu)?4.86又下降到94.73，上下波動，更加趨于穩(wěn)定，景觀內(nèi)斑塊高度連接。SHDI和SHEI數(shù)值上下波動，但總體顯上升狀態(tài)，景觀類型多樣性隨時間推移更加豐富。

2）從生態(tài)彈性度來看，溫宿縣景觀生態(tài)彈性度從1990年的2.33×106下降為2002年的2.11×106，然后再增加到2015年的2.88×106。研究區(qū)生態(tài)彈性度整體上趨于增漲趨勢，說明研究區(qū)的生態(tài)安全呈整體上升趨勢，也說明該流域生態(tài)系統(tǒng)對外界干擾和壓力的緩沖調(diào)節(jié)能力大幅度增強(qiáng)。2002-2015年上升最為明顯，彈性度的總體變化和耕地總體變化趨勢有明顯耦合性，因為在短短的20年間，自然因素的變化比較小，可以推測出溫宿縣地區(qū)景觀綜合特征的變化主要是由人類的持續(xù)活動對景觀干擾不斷加強(qiáng)的結(jié)果，可以得出研究區(qū)彈性度的上升主要是由于耕地面積向上浮動。而耕地的景觀類型是一種生態(tài)系統(tǒng)較為單一、脆弱的景觀類型，所以溫宿縣生態(tài)環(huán)境仍較為脆弱。

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