劉 娟，劉華民，卓 義，劉東偉，王立新

(內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

毛烏素沙地1990-2014年景觀格局變化及驅(qū)動力

劉 娟，劉華民，卓 義，劉東偉，王立新

(內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

土地利用的改變受自然環(huán)境和人類活動影響，土地利用變化又會影響景觀格局，本研究應(yīng)用3S技術(shù)和景觀指數(shù)相結(jié)合的方法，分析了毛烏素沙地1990、1995、2002、2008、2014年25年來土地利用動態(tài)過程與景觀格局變化，并選取自然和人類活動等10個因子分析了其變化驅(qū)動力。結(jié)果顯示，25年來固定沙地面積增加7.5%，半固定沙地增加3.8%，流動沙地減少42.95%,農(nóng)田面積增加4.6%，低濕地和水體面積基本不變，城建用地面積增加。其中，增加的固定沙地主要由半固定沙地和流動沙地轉(zhuǎn)變而來；增加的半固定沙地主要由流動沙地和固定沙地轉(zhuǎn)變而來；減少的流動沙地主要轉(zhuǎn)為固定沙地和半固定沙地。景觀結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，類型斑塊數(shù)增加，平均斑塊面積減小，破碎度上升，呈現(xiàn)破碎化態(tài)勢。各類型斑塊數(shù)和分離度變化非常顯著。研究區(qū)土地利用和景觀格局變化主要是人為活動中的農(nóng)牧民人均純收入、人口、GDP和農(nóng)林牧總產(chǎn)值因素所致，氣候因素貢獻不是很大。

毛烏素沙地；景觀結(jié)構(gòu)；景觀變化；斑塊；破碎度；土地利用；驅(qū)動力

毛烏素沙地是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū),在全球氣候變化大背景下近30年來，隨著人口急劇增加以及城鎮(zhèn)化進程加快，在全球氣候變化大背景下，該區(qū)成為人類活動與自然環(huán)境交互作用強烈的地帶[1]。自20世紀90年代以來，受國家“三北防護林”、“水土保持”、“退耕還林還草”等重大生態(tài)建設(shè)工程的實施以及人為活動干擾，該地區(qū)的土地利用和景觀格局發(fā)生了變化。同時，由于鄂爾多斯社會經(jīng)濟發(fā)展過程中丘間低地開墾、過度放牧、水資源不合理利用導(dǎo)致的水資源短缺嚴重、植被退化和部分沙丘活化等生態(tài)環(huán)境問題亦出現(xiàn)在該區(qū)域，且已在該地區(qū)的土地利用和景觀格局變化上有所反映[2-3]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注生態(tài)脆弱區(qū)的退化進程和植被恢復(fù)情況[4]，利用遙感和地理信息系統(tǒng)手段對植被覆蓋度[5]、景觀格局進程以及驅(qū)動機制進行了大量研究[6-9]。以往研究大多是毛烏素沙地固定的某一區(qū)域，如陜西榆林市[10]、內(nèi)蒙古烏審旗等地[11-12]，針對整個毛烏素沙地長序列多時段土地利用和景觀格局時空變化研究較少，對驅(qū)動力的分析多集中在氣候因素[13-20]，對綜合氣候因素和人為活動的驅(qū)動力分析較少,而人為活動對該研究區(qū)土地利用和景觀格局影響頗多[21-24]。

本研究區(qū)面積約占整個毛烏素沙地總面積的80%,時間尺度依據(jù)是國家政策在該區(qū)域的實施時間(1990-2014年)，本研究選取1990、1995、2002、2008和2014年，分5個時段系統(tǒng)分析毛烏素沙地土地利用和景觀格局變化的時間和空間特征，揭示土地利用變化過程，土地利用變化對景觀格局的影響，探討驅(qū)動因素，以期為沙地經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和區(qū)域生態(tài)恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源和方法

內(nèi)蒙古境內(nèi)毛烏素沙地位于37°27′-39°22′ N，107°20′-111°30′ E，占地面積約2.4萬km2，貫穿烏審旗、鄂托克旗、鄂托克前旗和伊金霍洛旗4個旗，海拔1 200～1 500 m(圖1)，具有中溫帶大陸性季風(fēng)氣候的特點，屬荒漠草原-干草原-森林草原的過渡帶，沙漠化敏感性高，主要群落植被有沙蒿(Artemisiaordosica)、沙地柏(Sabinavulgaris)、沙柳(Salixpsammophila)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)[2]。毛烏素沙地屬于西北典型的生態(tài)脆弱區(qū)，是我國沙漠化最嚴重的地區(qū)之一，也是全國防風(fēng)固沙極重要生態(tài)功能區(qū)之一。同時也是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵地區(qū)，防風(fēng)固沙重要性突出[5]。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 數(shù)據(jù)和方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源和處理 以1990、1995、2002、2008和2014年Landsat遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選擇天氣晴朗、云量低，能夠清晰辨別地物的影像，共15景。利用GIS對植被敏感的近紅外紅、綠、藍波段進行假彩色合成及標準差拉伸，合成毛烏素沙地遙感影像底圖(Landsat_5影像由4、3、2波段合成，Landsat_8影像由5、4、3波段合成)(表1)?；?S技術(shù)對研究區(qū)土地利用地面基礎(chǔ)信息進行解譯，解譯地面信息基礎(chǔ)為2008年7月-8月詳細的地面樣方調(diào)查，確保2008年影像中每一種色彩的斑塊與實際土地類型匹配。解譯完成后,對2008年解譯結(jié)果進行了實測驗證,實測驗證108個點，準確率達到90%，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合影像顏色與野外定位調(diào)查來判斷各景觀類型，對1990、1995、2002和2014年影像進行分析解譯。利用ArcGIS for Desktop 10.0對完成的5期毛烏素沙地土地利用類型圖進行疊加分析[4]。

表1 1990、1995、2002、2008和2014年5期遙感數(shù)據(jù)信息

所用氣象數(shù)據(jù)來自1980-2014年毛烏素沙地近30年來4個氣象站臺(烏審旗、鄂托克前期、鄂托克旗、伊金霍洛旗)，由內(nèi)蒙古氣象資料中心提供。人口及社會經(jīng)濟相關(guān)數(shù)據(jù)來自統(tǒng)計年鑒。

1.2.2 研究方法 據(jù)已有的土地利用分類原則和分類系統(tǒng)[9]，毛烏素研究區(qū)可分為三大類(自然景觀、半自然景觀和人為景)，由8個亞類景觀類型構(gòu)成，分別是固定沙地、半固定沙地、流動沙地、低濕地、水體、人工林、農(nóng)田、城建用地。

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣基于ENVI_5.0軟件完成；景觀格局指數(shù)計算基于Fragstats_3.4完成[20-22]；數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理基于SPSS軟件完成主成分分析。

1.2.3 景觀格局特征指標 本研究中采用下列景觀指數(shù)分析景觀格局特征指標[9]。各指數(shù)的計算方法和生態(tài)學(xué)意義見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛烏素沙地土地利用動態(tài)變化

1990、1995、2002、2008、2014年毛烏素沙地各土地類型空間分布如圖2所示。固定沙地、半固定沙地、流動沙地占毛烏素沙地總面積的82.6%，3種景觀面積的變化影響整個沙地景觀空間格局。分析其轉(zhuǎn)換去向和來源對深入認識景觀格局變化的實質(zhì)和驅(qū)動原因具有一定意義。疊加分析1990、1995、2002、2008、2014年5期毛烏素沙地土地利用數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計得1990-1995年、1995-2002年、2002-2008年、2008-2014年4個時段3種主要景觀類型面積變化趨勢和幅度(圖3)。25年間毛烏素固定沙地面積增加了704.92 km2，增加7.5%;半固定沙地面積增加259.05 km2，增加3.8%;流動沙地面積減少了1 751.33 km2，減少42.95%。其中，增加的固定沙地主要由半固定沙地和流動沙地轉(zhuǎn)變而來，分別占轉(zhuǎn)入面積的比例是58.81%、17.71%，低濕地占11.67%，人工林占10.96%，農(nóng)田占0.85%。增加的半固定沙地主要由裸沙地和固定沙地轉(zhuǎn)變而來，分別占轉(zhuǎn)入面積的比例是84.96%、9.75%，低濕地占5.29%。減少的流動沙地主要轉(zhuǎn)為固定沙地和半固定沙地，分別占比51.70%和45.31%，轉(zhuǎn)為低濕地的比例是2.99%。轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入主要集中在這3種優(yōu)勢類型間。

隔年春天，我被調(diào)到省城，新單位暫時沒有住房，李耕老師讓我跟他一塊住。他落實政策在省文聯(lián)分到住房，家屬還在外地：我上班，房子就是空的，你可以安心寫作。飯我們自己做。

2.2 毛烏素沙地景觀格局變化

2.2.1 景觀多樣性變化 景觀多樣性指數(shù)大小取決于斑塊類型多少(即豐富度)和斑塊面積在類型上的分布均勻程度，是影響景觀生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其生產(chǎn)性的重要指標[11]，1990-2014年研究區(qū)景觀Shannon多樣性指數(shù)由1.47上升到1.50；均勻度指數(shù)由0.71上升到0.72，變化幅度不大；優(yōu)勢度指數(shù)由0.61下降到0.58(表3)。對比多樣性、均勻度和優(yōu)勢度3項指標，顯示出毛烏素沙地25年間景觀結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，斑塊分布均勻度增加，優(yōu)勢斑塊的優(yōu)勢度有所減少。

2.2.2 景觀結(jié)構(gòu)分析 毛烏素沙地各景觀類型從1990-2014年有不同程度的變化(表4、圖4)。不同類型景觀分離度差異明顯。低濕地、水體、人工林、農(nóng)田、城建用地占整個景觀百分比小，景觀分離度大，水體和城建用地分離度均大于3.0，分布相對分散。這5種類型的斑塊數(shù)25年來有增有減，其中農(nóng)田斑塊數(shù)變化明顯，2014年較1990年增加一倍之多。固定沙地、半固定沙地、流動沙地的景觀分離度大部分小于0.1，分布集中。受自然侵蝕地貌限制，加之人類開發(fā)利用，呈現(xiàn)出破碎復(fù)雜形態(tài)，斑塊數(shù)目變化顯著；其中，固定沙地和流動沙地表現(xiàn)出顯著階段性差異，1990-1995年固定沙地面積下降7.8%，斑塊數(shù)增多。流動沙地面積上升23.5%，斑塊數(shù)驟增。1995-2014年，固定沙地面積增加，斑塊數(shù)逐漸減少；流動沙地面積減少，斑塊數(shù)明顯增加。這一時期毛烏素沙地生態(tài)建設(shè)相繼實施[5]，包括國家退耕還林還草、“三北”防護林工程，內(nèi)蒙古防沙治沙、禁牧輪牧、草地圍封等植被恢復(fù)措施，沙地植被恢復(fù)和綜合治理成效明顯，同時人為擾動增加了景觀的破碎化程度[13]。

表2 景觀指數(shù)計算公式

注:(1)中SHDI=H。m為景觀類型數(shù)，Pi是景觀類型i所占面積比；(2)中Hmax是最大多樣性指數(shù)，Hmax=ln(m)；(4)中A為景觀總面積，E為景觀邊界長度；(5)中Ai是各類型的斑塊面積，Di為景觀類型i的距離指數(shù)，Si為景觀類型i的面積指數(shù)，n表示景觀類型i中的斑塊個數(shù)；(6)中Ni是類型i的斑塊數(shù)；(7)中Nf是景觀中某一類型斑塊總數(shù)，Nc是用柵格個數(shù)表示的研究區(qū)總面積。

Note:(1) SHDI=H. m is the type number of landscape, Piis the ratio of the area occupied by landscape type i； (2) Hmaxis the maximum diversity index, Hmax=ln(m)； (4) A is the total area of the landscape, E is landscape boundary length； (5) Aiis the patch area of type i, Diis the distance index of type i, Siis the area of type i, n represents the number of patches in the landscape type i； (6) Niis the number of patch in type i； (7) Nfis the total patch numbers of one type, Ncis the total area represented by the number of grids.

2.2.3 毛烏素沙地景觀破碎化程度 25年間，毛烏素沙地景觀斑塊平均面積減小，斑塊數(shù)增多，總體呈現(xiàn)出破碎化趨勢。固定沙地斑塊數(shù)變化較小，分離度不變。破碎斑塊逐漸整體化，破碎度減小。流動沙地破碎度變化劇烈，1995年最高，為0.068，2002年以后，斑塊數(shù)減小，破碎度下降，斑塊數(shù)和流沙面積減小，破碎化程度得到控制，流動沙地治理改善明顯，但相比其它類型，整體破碎程度依然較高。半固定沙地破碎度呈明顯上升趨勢，表現(xiàn)為斑塊增多，分離度增大，整體的連續(xù)斑塊正逐漸破碎。低濕地破碎化程度增加。人工林變化不明顯。農(nóng)田斑塊數(shù)增多，面積增大，分離度減小，農(nóng)田占地集中。由于城建用地所占面積比例小，位置固定，變化較小并且破碎度為零，所以文中不做討論。研究區(qū)25年內(nèi)人口增加，經(jīng)濟快速發(fā)展，資源開發(fā)等人為干擾，加之自然因子變化，構(gòu)成了自然氣候和人類活動綜合作用對研究區(qū)景觀破碎化程度的貢獻(表4、圖4)。

2.3 毛烏素沙地土地利用和景觀格局變化的驅(qū)動力

毛烏素沙地所在的鄂托克前旗、鄂托克旗和烏審旗，主要經(jīng)濟來源是農(nóng)業(yè)、林業(yè)和牧業(yè)。通過對區(qū)域氣候因素(年均氣溫、年均降水量)和人為因素(人口、GDP、耕地面積、放牧強度、農(nóng)牧民人均純收入、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、林業(yè)總產(chǎn)值、牧業(yè)總產(chǎn)值)10個因子的分析，25年內(nèi)研究區(qū)氣溫和降水量總體上升，氣溫上升幅度更大。耕地面積1990-2014年的25年內(nèi)整體呈現(xiàn)上升趨勢，1997年顯著增加，2008年起增加趨勢減緩。放牧強度在2005年以前控制在一定水平上，2005年以后顯著增強，2010年至今趨于平緩。人口總數(shù)增長18.6%。GDP從2005年以后明顯增加(圖5)。

主成分分析表明，第一主成分和第二主成分為人為因素，其中以人口、GDP、農(nóng)牧民人均純收入為重要影響因素，第三主成分是自然因素，其中降水量為重要影響因素(表5)。3個主成分對毛烏素沙地土地利用和景觀格局變化貢獻率分別是57.02%、16.53%、12.25%。

圖2 1990、1995、2002、2008、2014年毛烏素沙地土地利用分布圖

圖3 1990-2014年主要景觀類型面積變化率

年份Year多樣性Shannon’sdiversityindex均勻度Shannon’sevennessindex優(yōu)勢度Landscapedominanceindex19901.470.710.6119951.510.730.5720021.460.700.6220081.440.690.6420141.500.720.58

該結(jié)果表明，短時間序列內(nèi)毛烏素沙地土地利用和景觀格局變化主要是人為社會經(jīng)濟活動所致，氣候因素貢獻不大。

表4 1990-2014年毛烏素沙地景觀類型斑塊數(shù)與分離度

圖4 1990-2014年毛烏素沙地破碎度變化

3 討論與結(jié)論

毛烏素沙地土地利用和景觀格局變化是自然和人為的多重因素綜合作用的結(jié)果。人為活動干擾，農(nóng)牧民人均純收入、人口、耕地面積、GDP和農(nóng)林牧總產(chǎn)值對土地利用變化都有不同程度影響，氣候因素也是有一定關(guān)系。與自然因素相比，人為因素對沙地生態(tài)環(huán)境的干擾往往更加迅速。脆弱生態(tài)環(huán)境的過渡性和敏感性特點會影響區(qū)域景觀的穩(wěn)定性。毛烏素的景觀多樣性變化受到土地利用和造林綠化政策變動的深刻影響。

研究區(qū)固定沙地主要植被類型是沙蒿群落、小葉錦雞兒群落以及沙蒿、小葉錦雞兒復(fù)合群落，半固定沙地主要有沙蒿、沙柳群落。已有研究表明，地表植被覆蓋度影響沙地固沙能力，關(guān)于地表植被生長和氣候因子的相關(guān)關(guān)系國內(nèi)外已有大量研究，影響地表植被生長的因子主要體現(xiàn)在溫度和降水兩方面[5-6]。水分條件是制約植被生長的一個主要因子，水分收支平衡直接影響植被群落的生態(tài)學(xué)過程[10]。溫度作為植被生長的一個重要因子，通過加速或減緩植物的生長周期，影響植被覆蓋度。毛烏素沙地地處我國北方干旱半干旱生態(tài)過渡區(qū)，年均降水量少，分布不均勻。25年內(nèi)降水呈緩慢下降趨勢，溫度呈逐漸上升趨勢，夏季地表蒸發(fā)強烈，水分耗散，可利用降水少，春季植被生長時，氣候相對較干旱。另外，由于鄂托克旗和鄂托克前旗所在地理位置，地勢高，受大風(fēng)天氣影響較大，加之地表土壤結(jié)構(gòu)松散，不利于地表植被生長，裸露的土地容易沙化[5-10]。

圖5 1980-2014年毛烏素沙地自然和人為因子變化

項目 Item 第一主成分Thefirstprincipalcomponent第二主成分Thesecondprincipalcomponent第三主成分ThethirdprincipalcomponentGDP0.890.930.24耕地面積Farmland0.930.770.27人口Population0.940.890.17放牧強度Grazing0.780.650.10農(nóng)牧民人均純收入PerCapitaNetIncomeofPeasant&Herdsman0.970.880.09農(nóng)林牧總產(chǎn)值GrossoutofFarming,Forestry,AnimalHusbandry0.640.530.04年均降水量Annualprecipitation0.320.150.77年均氣溫Annualmeantemperature0.400.310.68

人類活動可以改變地表覆被和土壤的物理、化學(xué)性狀。20世紀末，由于人類活動的強度不斷加大，不合理地開發(fā)利用荒地，棄耕后的土地沒有進行植被修復(fù)，過度放牧和樵采等人為活動加劇土壤結(jié)構(gòu)和覆被的變化。毛烏素沙地氣田資源和礦產(chǎn)資源儲量大，在開發(fā)利用能源的過程中，由于鋪設(shè)輸氣管道，大型工程項目建設(shè)以及露天煤礦開采，易對脆弱的沙地環(huán)境造成破壞。如果在人為干擾破壞后，不及時進行有效的植被恢復(fù)，那么沙地治理成效的可持續(xù)性將受到挑戰(zhàn)。人為因素對沙地的影響不僅表現(xiàn)在人類生產(chǎn)活動對地表覆被的影響，還表現(xiàn)在不同土地利用和政策的實施方面所產(chǎn)生的影響。進入21世紀，在國家退耕還林還草、“三北”防護林、水土保持，內(nèi)蒙古自治區(qū)防沙治沙、禁牧輪牧、草場圍封等生態(tài)恢復(fù)工程的廣泛實施下，毛烏素沙地土地沙化程度逐漸得到控制，裸露沙地減少，固沙植被增多，沙地治理成效明顯。

區(qū)域合理利用資源，平衡人口增加與資源需求的矛盾，是沙地生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)的前提和保障。以農(nóng)牧業(yè)發(fā)展為主要經(jīng)濟來源的農(nóng)牧交錯帶，受人口增長壓力和生產(chǎn)條件落后的制約。近年來，毛烏素沙地治理成效明顯，隨著植樹造林和生態(tài)恢復(fù)措施的相繼實施，沙地生態(tài)環(huán)境治理的可持續(xù)性有待進一步探討。

1990-2014年的25年內(nèi)研究區(qū)固定沙地和半固定沙地面積增加，流動沙地面積顯著減小。景觀結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，類型斑塊數(shù)增加，平均斑塊面積減小，破碎度上升，呈現(xiàn)破碎化態(tài)勢。主成分分析結(jié)果顯示，研究區(qū)土地利用和景觀格局變化主要是人為活動中的農(nóng)牧民人均純收入、人口、GDP和農(nóng)林牧總產(chǎn)值因素所致，人為活動作用更加迅速，氣候因素貢獻不是很大。

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(責(zé)任編輯 張瑾)

Dynamics and driving forces of landscape patterns in Mu Us Sandy Land, from 1990 to 2014

Liu Juan, Liu Hua-min, Zhuo Yi, Liu Dong-wei, Wang Li-xin

(1.School of Ecology and Environmens, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China)

Land use is affected by climate and human activities, which in turn affects the landscape pattern. In this study, we combined 3S technology and landscape index to investigate the land use and landscape pattern change characteristics of Mu Us Sandy Land, a semi-arid area of China, in 25 years (1990, 1995, 2002, 2008, and 2014), select climate and human activities 10 factors analysing driving force. The results showed that the area of fixed sandy land increased by 7.5%, semi-fixed sandy land increased by 3.8%, shifting sandy area decreased by 47.8%, the rate of farmland increased by 4.6%, surface water and low-wet land were essentially the same, and the urban construction area increased. Fixed sandy land mainly by semi-fixed sandy land and shifting sandy land changed from; increased semi-fixed sandy land mainly by shifting sandy land and fixed sandy land changed from; the reduced shifting sandy land mainly changed into fixed and semi-fixed sandy land. Landscape structure became complex, the total number of patches and landscape fragmentation indices increased, and the change in each type of patch number and isolation indices are very significantly. Climate change and human activities are the two driving forces for the change in land use. Human factors include population, GDP, gross out of farming, forestry, animal husbandry and per capita net income of peasant & herdsman. The contribution of climate to the change in land use is not significant.

Mu Us Sandy Land; landscape structure; landscape dynamics; patches; fragmentation index; land use; driving forces

Wang Li-xin E-mail：Lx_wimu@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0258

2016-05-16接受日期：2016-08-30

國家自然科學(xué)基金項目(31560146、41562020、41571090)；內(nèi)蒙古教育廳項目(NJYT-15-A02)；內(nèi)蒙古科技廳項目(20140707)

劉娟(1989-),女,內(nèi)蒙古達拉特旗人,碩士,研究方向為環(huán)境生態(tài)學(xué)。E-mail：862486070@qq.com

王立新(1975-),男,內(nèi)蒙古寧城人,教授,博士,研究方向為濕地科學(xué)與環(huán)境生態(tài)學(xué)。E-mail：Lx_wimu@163.com

P901;X826

A

1001-0629(2017)2-0255-9

劉娟,劉華民,卓義,劉東偉,王立新.毛烏素沙地1990-2014年景觀格局變化及驅(qū)動力.草業(yè)科學(xué),2017,34(2)：255-263.

Liu J,Liu H M,Zhuo Y,Liu D W,Wang L X.Dynamics and driving forces of landscape patterns in Mu Us Sandy Land, from 1990 to 2014.Pratacultural Science，2017,34(2)：255-263.