董大鵬，張成棟，徐青，馬佳明，郝彎彎，趙鵬，劉雪瑩，谷建才

(1 河北農業(yè)大學 林學院，河北 保定 071000；2 張家口市林業(yè)局，河北 張家口 075000; 3 河北農業(yè)大學 植物保護學院，河北 保定 071000)

土地沙漠化是一種多發(fā)于干旱地區(qū)的由于氣候和人類共同作用導致的土地肥力下降，植被不宜生長的退化現(xiàn)象[1]。隨著自然環(huán)境的進一步惡化和生態(tài)退化現(xiàn)象日益嚴峻,沙漠化作為影響生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的重要問題引起了國際社會的廣泛關注[2]。土地荒漠化對人類的生存是有威脅的，人類一味追求經(jīng)濟的發(fā)展，導致了土地利用格局的不合理使用，人與自然的矛盾不斷加大。隨著科技的進步，人類對大自然的認知也越來越深入，近年來，許多學者將景觀生態(tài)學原理應用到土地沙漠化研究中，并取得了許多成果。胡志斌等人利用 3 期TM數(shù)據(jù)對岷江上游地帶景觀格局進行分析，發(fā)現(xiàn)人為干擾是影響當?shù)鼐坝^格局變化的主要因素[3]。蔣超亮利用景觀指數(shù)從斑塊和景觀兩個水平對古爾班通古特沙漠土地利用及景觀格局分析，發(fā)現(xiàn)當?shù)厣郴坝^破碎化程度加大[4]。崔巖等人對河北寬城縣葦子溝 2008 年-2018 年的景觀格局進行研究，結果顯示，該地景觀格局發(fā)生一定程度的變化[5]。阿如旱利用景觀生態(tài)學相關原理分析了內蒙古多倫縣 6 期影像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)整個景觀呈完整-破碎-完整-破碎的趨勢[6]。前人研究表明將景觀生態(tài)學原理運用到沙漠化研究中是具有極大指導意義的，但前人多采用單一方法即景觀指數(shù)分析法對土地格局進行分析，本研究在前人的基礎上結合了馬爾科夫轉移矩陣模型，綜合考慮沙化土地時空變化的具體特征。景觀由相互作用的斑塊以一定規(guī)律組成，是大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合[3]。不同景觀要素在空間上以分散或聚集表現(xiàn)方式構成的生態(tài)景觀,是景觀單元組成空間分布和組合的體現(xiàn),是景觀內部自然條件限制和人為活動影響下達到一定景觀功能要求而形成的一種景觀整體結構[7]。通過對各項景觀指數(shù)的計算與分析，能夠了解景觀的各種特征，以及在一定時間范圍內景觀的動態(tài)變化和發(fā)展趨勢?；诤颖笔紊系貐^(qū) 2009 年和 2014 年的景觀數(shù)據(jù)，對該地區(qū)土地沙漠化景觀進行分析，研究其動態(tài)變化，以期為壩上地區(qū)土地沙漠化的防治與生態(tài)環(huán)境的改善提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

壩上地區(qū)位于河北省北部與蒙古高原南緣相連接地帶，包括河北省的6個縣，分別是張家口的張北縣、康?？h、尚義縣和沽源縣，以及承德的豐寧和圍場縣。位于東經(jīng) 114°35′～116°45′ ，北緯 41°00′～42°20′ ，海拔 1 100～2 200 m ,年平均氣溫 2～5 ℃，年均降水量 330～460 mm。壩上地區(qū)地理位置比較特殊，地處季風氣候與大陸氣候、干旱與半干旱地區(qū)、農區(qū)與牧區(qū)的過渡帶，屬于半干旱型草原生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)環(huán)境脆弱，抗干擾能力和自我修復能力差[8]，壩上是京津境內眾多河流的發(fā)源地，也是京津等地的重要沙源地[9]。

2 研究方法

2.1 景觀類型劃分

沙漠化景觀類型的劃分是開展沙化土地景觀格局動態(tài)變化研究的基礎，植被生長狀況是對沙漠化景觀判定的首要依據(jù)，根據(jù)聯(lián)合國制定的荒漠化分級標準，結合研究區(qū)域沙漠化實際情況，利用 ArcGIS 10.2 分別對 2009 年和 2014 年的數(shù)據(jù)進行沙漠化景觀類型的劃分，將壩上地區(qū)土地劃分為 5 種景觀類型，分別是非沙漠化景觀，輕度沙漠化景觀，中度沙漠化景觀，重度沙漠化景觀和極重度沙漠化景觀。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究選取壩上地區(qū)沙化土地 2009 年與 2014 年2期 TM 數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，結合大量實地勘測數(shù)據(jù)，實地景觀照片和當?shù)刂脖活愋蛨D等作為輔助信息，將遙感影像導入到 ENVI 5.1 軟件中進行拼接處理，同時進行大氣校正和幾何校正處理，繼而對其進行監(jiān)督分類，得到壩上地區(qū)沙化土地景觀格局變化矢量數(shù)據(jù)。再利用 ArcGIS 10.2 軟件對校正后矢量數(shù)據(jù)進行處理分析，運用掩膜提取的方法對矢量數(shù)據(jù)裁剪，最終得到本研究所需的遙感影像。

2.3 景觀指數(shù)

景觀格局指數(shù)能高度濃縮景觀發(fā)展的信息，通過對指數(shù)的計算與分析，能有效反映景觀結構組成和動態(tài)變化，將研究區(qū)景觀空間變化與時間過程緊密結合起來[10]。結合研究區(qū)域的實際情況，本研究從斑塊類型和景觀兩個水平上選取多個景觀指數(shù)，利用 Fragstats 4.0 進行計算分析。選取的景觀指數(shù)主要有：

(1)斑塊數(shù)(NP):

NP=N

(1)

NP代表景觀中斑塊的總數(shù)，NP≥ 1，無上限。

(2)斑塊密度(PD):

(2)

N代表景觀中斑塊的數(shù)量，A為景觀總面積，PD表示每平方千米的斑塊數(shù)，值越大說明組成景觀的斑塊越破碎。

(3)邊緣密度(ED)：

(3)

E為景觀內所有斑塊邊界總長度，ED越大，表示景觀類型被邊界割裂的程度越高。

(4)形狀指數(shù)(LSI):

(4)

LSI≥ 1，無上限，0.25 為正方形校正常數(shù)，LSI越大，表示斑塊的形狀越復雜，曲折程度越高。

(5)分維數(shù)(Fd):

(5)

P是斑塊的周長，A是斑塊的面積，k為常數(shù)。Fd反映斑塊邊界構圖的復雜程度。

(6)Shannon 多樣性指數(shù)(SHDI):

(6)

Pk為斑塊類型k在景觀中出現(xiàn)的概率，n為景觀中斑塊類型的總數(shù)，當景觀中不同斑塊類型數(shù)目增加時，景觀多樣性隨之增高。

(7)Shannon 均勻度指數(shù)(SHEI)：

(7)

式中各項定義與SHDI相同。滿足景觀由一個斑塊組成時，SHEI= 0，當所有的斑塊類型在景觀中的面積分布完全均勻時，滿足SHEI= 1。

2.4 馬爾科夫轉移矩陣

轉移矩陣方法能夠將土地變化的各種細節(jié)結構特征展示出來，在土地利用研究方面經(jīng)常使用[11]。馬爾科夫轉移矩陣可以描述各種土地類型之間的轉換情況，它不但能夠反映研究期初、研究期末的土地類型結構，同時還能夠反映研究時段內各土地類型的轉移變化情況，用來刻畫區(qū)域土地利用變化方向以及研究期末各土地類型的來源與構成[12]。模型如下：

(8)

式中：A為轉移矩陣。Aij表示i土地類型轉移到下一時期同區(qū)域j土地類型中的面積。i土地類型轉移到下一時期同區(qū)域j土地類型中的比例Bij可以通過轉移矩陣來計算得出，公式表示為：

(9)

3 結果與分析

3.1 景觀結構特征及其變化

不同時期壩上地區(qū)土地景觀類型的分布如圖1和圖2所示。

圖1 2009 年壩上地區(qū)土地景觀格局 圖2 2014 年壩上地區(qū)土地景觀格局

Figure 1 Land landscape pattern in Bashang area in 2009 Figure 2 Land landscape pattern in Bashang area in 2014

根據(jù)圖1 和圖2，可以看出 2009 年和 2014 年壩上地區(qū)沙化土地的景觀類型分布狀況及增減趨勢。壩上地區(qū)中部往西是沙漠化土地分布較廣的地帶，且以輕度沙漠化景觀為主；中度和重度沙漠化景觀集中分布在壩上地區(qū)的中心地帶，且二者均呈現(xiàn)縮減的趨勢；極重度沙漠化景觀分布范圍極小。

利用 ArcGIS 10.2 空間分析功能獲取不同時期各景觀類型的數(shù)據(jù)信息，進行匯總制得表1。

表1 壩上地區(qū)沙化土地景觀結構及變化

由表 1 可以了解到 2009 年和 2014 年壩上地區(qū)沙化土地的景觀結構及其變化。2009年壩上地區(qū)沙化土地占主要成分的景觀類型是非沙漠化景觀和輕度沙漠化景觀，二者占土地總面積的比例高達 93.62%，其中占比最高的景觀類型為輕度沙漠化景觀，比例為 47.54%，非沙漠化景觀的面積有 1 090 301.33 hm2,占土地總面積 46.08%，中度沙漠化景觀占比為 5.79%，重度和極重度沙漠化景觀的面積相對較小，占地比例分別為 0.58% 和 0.01%。2014 年壩上地區(qū)沙化土地的景觀類型同樣以非沙漠化和輕度沙漠化景觀為主，面積最大的仍然是輕度沙漠化景觀，占土地總面積 47.42%，非沙漠化景觀次之，為 46.34%，中度和重度沙漠化景觀所占比例分別是 5.76% 和 0.47%，占比最小的景觀類型是極重度沙漠化景觀，僅為 0.006%。

通過2期數(shù)據(jù)比對來看，輕度、中度、重度和極重度沙漠化景觀面積都有不同程度的減少，其中減幅最為明顯的是極重度沙漠化景觀，為 39.23%，非沙漠化景觀面積增加了 6 048.15 hm2，增幅為 0.55%。綜合來看，研究區(qū)域內的景觀類型以非沙漠化與輕度沙漠化景觀為主，面積增加的景觀類型只有非沙漠化景觀，其余4種景觀類型面積減少，表明 5 a時間內研究區(qū)域沙化程度明顯減輕，土地沙漠化狀況得到很大改善。

3.2 景觀空間格局變化特征

3.2.1 景觀多樣性變化分析 2009-2014 年壩上地區(qū)沙化土地景觀水平指數(shù)見表 2。

表2 壩上地區(qū)沙化土地景觀水平指數(shù)變化

多樣性和均勻度從兩個方面反映研究區(qū)域空間結構的豐富度和受一種或幾種土地利用要素支配的程度，反映不同景觀要素分布的均勻性和復雜程度[13]。研究區(qū)域的多樣性指數(shù)與區(qū)域內各組分所占的比例密切相關，多樣性指數(shù)越大，各組分的比例越均勻。景觀均勻度指數(shù)表示景觀鑲嵌體中不同景觀類型在其數(shù)目或面積方面的均勻程度，該值越接近 1，表明景觀類型間的面積比例越接近[14]。根據(jù)表 2 可以了解到研究區(qū)域 2009 年的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)分別是 0.906 2 和 0.563 0，而 2014 年該區(qū)域的2種相關指數(shù)分別為 0.900 5 和 0.559 5，在 5 a 時間內，多樣性指數(shù)減少了 0.005 7，均勻度指數(shù)減少了 0.003 5。多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)的同時減少說明研究區(qū)域內各組分所占的比例向著非均勻的方向轉變，導致景觀異質性在不斷降低。

3.2.2 斑塊形狀特征分析 2009-2014 年壩上地區(qū)沙化土地斑塊水平指數(shù)見表 3。

表3 壩上地區(qū)沙化土地斑塊水平指數(shù)變化

景觀類型的邊緣密度是指景觀類型的周長與面積的比例，是一個景觀類型單位面積所擁有周長的度量，單位面積周長值越大，則代表景觀類型被邊界割裂的程度越高，人類干擾影響越大，反之則代表景觀類型保存完好，人類干擾影響較小[15]。景觀組分的斑塊數(shù)量和斑塊密度能反映各景觀組分的破碎化程度，一般規(guī)律是斑塊個數(shù)越多，斑塊密度越大，則破碎度越高；斑塊個數(shù)越少，斑塊密度越小，則破碎度越低[6]。結合表 3 和表 2 來看，我們不難發(fā)現(xiàn)，無論是景觀水平還是斑塊水平，二者邊緣密度和斑塊密度都發(fā)生了一定的變化。從景觀水平(表 2 )來看，研究區(qū)斑塊密度僅增加了 0.099 3個/km2，而邊緣密度由 14.876 0 m/km2增長到 17.334 4 m/km2， 5 a 時間增加了 2.458 4 m/km2，說明研究區(qū)整體被邊界割裂的程度加深，人類活動對其影響加劇，同時也說明該區(qū)域沙漠化防治工作難度的加大。

各景觀類型的斑塊密度和邊緣密度變化詳見圖3。

圖3 壩上地區(qū)沙化土地景觀要素斑塊密度和邊緣密度 圖4 壩上地區(qū)沙化土地景觀要素形狀指數(shù)和分維數(shù)

Figure 3 Plaque density and edge density of landscape elements in desertification land in the Bashang area Figure 4 Shape index and fractal dimension of landscape elements of desertification land in Bashang area

由圖3可知，5種景觀類型中，只有中度沙漠化景觀的邊緣密度減少了，其余 4 種景觀類型的邊緣密度都有不同程度的增長。表明人類活動對中度沙漠化土地的影響不大，非沙漠化、輕度、重度、極重度沙漠化景觀的邊緣效應都相應變大、其中邊緣效應最大，邊緣最復雜的景觀類型是輕度沙漠化景觀。結合表 3 和圖3 可知，研究區(qū)域內各景觀類型的斑塊數(shù)量與斑塊密度增減情況是一致的，僅有中度沙漠化景觀的斑塊數(shù)量與斑塊密度減少，其余景觀類型均為增加。斑塊密度最大的為非沙漠化景觀，其次為重度沙漠化景觀，說明二者景觀破碎化程度加劇比較明顯，景觀異質性較高。

3.2.3 景觀形狀指數(shù)及分維數(shù)分析 各景觀類型的形狀指數(shù)和分維數(shù)變化詳見圖4。

景觀形狀指數(shù)能夠反映景觀內各組分斑塊的復雜程度，形狀指數(shù)越大，則代表斑塊的形狀越復雜，曲折程度越高[13]。分維數(shù)可以反映空間客體形狀的復雜程度和自我相似程度，能夠反映斑塊邊界構圖的復雜性[16]。由表 2 得出，研究區(qū)域 2009-2014 年景觀形狀指數(shù)增加了 9.517 4，分維數(shù)減少了 0.012 9，這說明研究區(qū)整體水平曲折程度加深，景觀整體形狀趨向復雜化。從斑塊水平來看，結合圖4， 2014 年研究區(qū)域中形狀指數(shù)比較高的景觀類型是非沙漠化景觀、輕度和重度沙漠化景觀，說明三者的形狀更加復雜化，邊界曲折程度升高，其中形狀指數(shù)最大的是輕度沙漠化景觀，該景觀類型最容易受人類活動和其他景觀類型的影響。中度和極重度沙漠化景觀形狀指數(shù)較小，說明二者斑塊形狀趨于簡單化，邊界曲折程度降低，形狀指數(shù)最小的是極重度沙漠化景觀，說明該景觀類型最不易受其他干擾因子的影響，治理難度最大。由圖4 可知，極重度沙漠化景觀分維數(shù)變化最明顯，說明 5 a 內該景觀類型邊界變化趨勢是由簡單到復雜，并且其穩(wěn)定性最差，其余 4 種景觀類型的分維數(shù)較小，最小的是中度沙漠化景觀，說明其形狀分布最規(guī)則，穩(wěn)定性最高。

3.2.4 景觀類型之間轉化分析 選取 5 種不同的景觀類型，借助馬爾科夫轉移矩陣模型，得出研究區(qū)域 2009-2014 年的景觀類型轉移概率矩陣，詳見表 4。

表4 壩上地區(qū)沙化土地景觀類型轉移矩陣

由表 4 可知，研究區(qū)域景觀類型總體轉移趨勢是中度、重度和極重度沙漠化景觀向輕度沙漠化景觀的轉移，重度沙漠化景觀向中度沙漠化景觀的轉移，以及極重度沙漠化景觀向非沙漠化和重度沙漠化景觀的轉移，其中轉移現(xiàn)象最為顯著的是中度沙漠化景觀轉為輕度沙漠化景觀，轉移面積占 2009 年中度沙漠化景觀的 0.421，其次是極重度向中度沙漠化景觀的轉移，轉移概率是 0.404。此外，轉移概率較大的還有重度向輕度沙漠化景觀的轉變，極重度向重度沙漠化景觀的轉變，轉移概率分別是 0.379 和 0.316，其余景觀類型轉移概率則較小。

4 結論與討論

通過對壩上地區(qū)沙化土地景觀格局及變化進行研究，結果表明，壩上地區(qū)沙化土地的主要景觀類型為非沙漠化景觀和輕度沙漠化景觀，面積增加的景觀類型只有非沙漠化景觀，其余 4 種景觀類型面積減少，其中減幅最為明顯的是極重度沙漠化景觀，表明 5 a 時間內研究區(qū)域沙化程度明顯減輕，土地沙漠化狀況得到很大改善；研究區(qū)景觀多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和分維數(shù)減少，邊緣密度和形狀指數(shù)增加，這表明景觀異質性在不斷降低，景觀內各類斑塊越來越不均衡，且被邊界割裂的程度加深，曲折程度加大，景觀整體形狀趨向復雜化，造成景觀格局變化的主要原因是 5 a 來人類活動的干擾。

研究還發(fā)現(xiàn)，人類活動對中度沙漠化景觀的影響不大，對輕度沙漠化景觀的干擾程度最大，這也是導致其邊緣最復雜的原因；非沙漠化和重度沙漠化景觀破碎化程度加劇比較明顯，景觀異質性較高；非沙漠化、輕度沙漠化和重度沙漠化景觀的形狀更加復雜化，極重度沙漠化景觀邊界變化趨勢由簡單到復雜，穩(wěn)定性最差，中度沙漠化景觀形狀最規(guī)則，穩(wěn)定性最高。

同時，研究也發(fā)現(xiàn) 2009 年到 2014 年壩上地區(qū)沙化土地景觀類型的轉移趨勢為中度，重度和極重度沙漠化景觀向輕度沙漠化景觀的轉移，重度向中度沙漠化景觀的轉移，以及極重度向非沙漠化和重度沙漠化景觀的轉移，其中轉移現(xiàn)象最顯著的是中度向輕度沙漠化景觀的轉移，造成這種轉移趨勢是 5 a 來當?shù)卣蜕鐣扇〉囊幌盗蟹郎持紊车裙ぷ鞯慕Y果，使當?shù)卣w沙化情況得到改善，生態(tài)環(huán)境逐漸好轉。總體來看，壩上地區(qū)沙化土地景觀格局在 5 a 時間里發(fā)生了一定的改變，且這種改變是朝著有利于人類生存的方向發(fā)展，今后壩上地區(qū)的沙漠化防治工作要注重自然規(guī)律，考慮人類活動對土地的干擾程度，同時也要繼續(xù)積極響應國家的一系列政策，繼續(xù)推動退耕還林還草工程，為當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的改善做出更大貢獻。