陳曉娜，趙納祺，劉湘杰，張景波，鄭松州,葛根巴圖

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心，內(nèi)蒙古 磴口 015200；2.烏蘭布和沙漠綜合治理國家長期科研基地，內(nèi)蒙古 磴口 015200；3.北京金河水務(wù)建設(shè)集團有限公司，北京 102206)

【研究意義】景觀格局是指景觀成分空間中的形態(tài)、組合和排列，強調(diào)空間異質(zhì)性、生態(tài)過程和尺度之間的相互關(guān)系[1-4]，對景觀空間格局的演變開展研究，有助于了解生態(tài)系統(tǒng)間的復(fù)雜關(guān)系，也有利于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。我國干旱區(qū)面積廣袤，占全國陸地總面積的1/4。干旱區(qū)氣候干燥、降水少、蒸發(fā)強、風(fēng)大沙多、水資源匱乏，是我國生態(tài)條件最為嚴峻、脆弱的地區(qū)。在人類活動和氣候變化的影響下，土地荒漠化、水質(zhì)惡化、生物多樣性減少等一系列生態(tài)環(huán)境日益嚴重，不僅危及當?shù)厝说纳姘l(fā)展，而且對我國生態(tài)安全和社會經(jīng)濟發(fā)展構(gòu)成嚴重威脅[5-7]。因此，深入開展干旱半干旱地區(qū)的景觀格局研究，對于改善該區(qū)域的生態(tài)與環(huán)境、保障生態(tài)系統(tǒng)安全具有重要的戰(zhàn)略意義[8]?！厩叭搜芯窟M展】諸多學(xué)者借助土地利用類型、斑塊數(shù)量、斑塊面積、破碎度等景觀指數(shù)[9-12]，對干旱區(qū)耕地、綠洲、流域等的景觀格局動態(tài)進行研究[13-16]，采用集對分析模型進行景觀生態(tài)可持續(xù)發(fā)展定量評價[17]，然而有關(guān)干旱區(qū)綠地條件變化所導(dǎo)致的景觀破碎化梯度時空差異的研究則較少。黃河內(nèi)蒙古防凌應(yīng)急烏蘭布和分洪區(qū)(冠名為“奈倫湖”)是內(nèi)蒙古黃河應(yīng)急分洪區(qū)之一，位于烏蘭布和沙漠東北部。奈倫湖地域廣闊，沒有居民和耕地，植被稀少，高沙丘與低洼地帶交替出現(xiàn)，局部地方長有旱蘆葦和耐旱灌木[18]。近年來，隨著分洪區(qū)工程的啟動與實施，奈倫湖周邊喬木、灌木、草木等植被覆蓋度明顯增加，沙塵天氣及沙塵暴發(fā)生頻率明顯減少，水生植物、候鳥棲息動物也明顯增多，水土資源得到有效合理的利用，生態(tài)環(huán)境日趨好轉(zhuǎn)[19]。但是，目前針對烏蘭布和分洪區(qū)建立后生態(tài)效應(yīng)的變化僅停留在定性分析階段，還缺乏具體量化。如分洪對奈倫湖周邊環(huán)境的干擾程度究竟多大？分洪后不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況和轉(zhuǎn)移速率如何？水體變化所導(dǎo)致的周邊環(huán)境景觀形態(tài)與異質(zhì)性特征如何？諸如此類的問題有待進一步研究，對于充分理解分洪對周邊環(huán)境變化的影響機制和制定科學(xué)合理的土地利用政策等有非常重要的理論與現(xiàn)實意義[8]?！颈狙芯壳腥朦c】在遙感和GIS技術(shù)的支持下，對奈倫湖周邊景觀格局變化進行動態(tài)分析，揭示分洪后奈倫湖周邊景觀格局動態(tài)的變化規(guī)律，從而加深對烏蘭布和沙漠蓄洪后土地利用類型和景觀變化過程的了解。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文不僅為今后奈倫湖周邊生態(tài)保護修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展提供參考，還能為其他地緣鄰近地區(qū)的黃河防凌應(yīng)急分洪區(qū)植被恢復(fù)與重建以及沙漠化治理和景觀格局優(yōu)化調(diào)控提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

奈倫湖位于烏蘭布和沙漠東北緣，隸屬于內(nèi)蒙古磴口縣，地理坐標為106°09′～106°57′E，39°16′～40°57′N。奈倫湖屬中溫帶大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季短暫炎熱而少雨，冬季漫長嚴寒而少雪。日照時間長，無霜期短，溫差大，降水稀少，蒸發(fā)強烈。年均降水量146.7 mm，汛期(7—9月)降水量達全年的69.10%；多年平均蒸發(fā)量2257 mm；年均氣溫8.0 ℃，年極端最低氣溫-34.2 ℃，年極端最高氣溫38.5 ℃。年最大凍土深度108 cm，多年最大風(fēng)速19.0 m/s[20]。

分洪工程于2011年初開始試運行，主要目的是黃河下游堤防出現(xiàn)險情時，通過奈倫湖應(yīng)急分洪，減輕防凌壓力，防止洪水漫堤決口，預(yù)防和減輕凌汛災(zāi)害，保護沿黃河兩岸人民生命財產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施安全[19]。目前，該分洪區(qū)已建成多年，不僅有效緩解了黃河河套段洪水和凌汛壓力，還向烏蘭布和沙漠生態(tài)補水，對烏蘭布和沙漠東北緣地下水及生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生明顯影響[21-23]，形成的濕地和水域面積對改變?yōu)跆m布和沙漠生態(tài)環(huán)境，開發(fā)烏蘭布和分洪區(qū)周邊的沙產(chǎn)業(yè)、旅游業(yè)創(chuàng)造了良好的條件。目前已建成奈倫湖旅游區(qū)，吸引了周邊大量旅游者前來觀光[24]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

選擇2010—2017年8期Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)，利用ENVI 5.5軟件進行輻射定標、大氣校正，影像鑲嵌與研究區(qū)裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理。根據(jù)奈倫湖土地利用/覆被特征和土地資源實際狀況，將研究區(qū)景觀類型劃分為水域、耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地(簡稱“城建地”)、其他用地(該區(qū)域主要為戈壁、裸巖和鹽堿地)和沙地等7種(一級類型：6種；二級類型：1種)。在參照相關(guān)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究區(qū)遙感影像特征和土地利用/覆被特征，選取原始影像、4個光譜指數(shù)(NDVI、NDBI、MNDWI和MSAVI 2)與3個地形特征(海拔、高程和坡向)作為特征變量，采用R語言的Raster程序包生成多元數(shù)據(jù)集。通過R語言的randomForest程序包構(gòu)建隨機森林分類模型，獲取2010—2017年該區(qū)域的土地利用/覆被數(shù)據(jù)，總體分類精度≥90%，可以滿足研究需求。

2.2 景觀指數(shù)選取和緩沖帶劃分

選擇斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、香濃多樣性指數(shù)(SHDI)等3個景觀指數(shù)分析研究區(qū)景觀格局動態(tài)變化。在ArcGIS 10.2軟件的支持下，以2010年奈倫湖湖邊為界線，向外圍以0.3 km為間隔做緩沖帶，共劃分10個緩沖帶(圖2)。采用Fragstas 4.2計算了各個時期10條緩沖帶的景觀格局指數(shù)，監(jiān)測奈倫湖周邊不同土地類型的破碎化動態(tài)過程，從而識別奈倫湖周邊不同土地類型受分洪干擾強度的動態(tài)變化過程。

圖1 烏蘭布和分洪區(qū)概況

圖2 奈倫湖周邊緩沖帶劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型變化分析

以2010年10個緩沖帶的各土地利用類型占比為基底值，分析2010—2017年距離奈倫湖0.3 km范圍內(nèi)各土地利用類型的變化發(fā)現(xiàn)，水體和沙地隨時間推移變化趨勢相對較規(guī)律，水體面積呈增加趨勢，由4.14 hm2增加至187.47～341.37 hm2(表1)；沙地面積呈減小的趨勢，由177.21 hm2降至18.0～42.03 hm2；2010—2017年林地面積幾乎為零。土地轉(zhuǎn)移矩陣分析顯示，隨時間推移，距奈倫湖0.3 km范圍內(nèi)的大部分耕地、草地、沙地和未利用地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，僅有小部分互相轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)為城建地。距湖體0.3～3.0 km范圍內(nèi)，分洪后耕地、草地、林地、沙地和其他用地轉(zhuǎn)化為水域、耕地、草地、沙地和未利用地，其中林地、沙地和其他用地面積降低，水域和草地面積均高于2010年。說明，林地、沙地和未利用地在轉(zhuǎn)化過程中，僅保留自身的部分面積，其余則變?yōu)樗蚝筒莸孛娣e。其中，隨緩沖帶的增加，沙地面積減小的幅度逐漸減小，距湖體2.4～3.0 km范圍內(nèi)，沙地面積基本保持平衡，不再降低，甚至在2016—2017年間略微增加。隨時間推移，各緩沖帶中不同年份的耕地面積波動較大，2013年和2016年耕地面積較多，其他年份基本低于2010年；2015年的草地、林地和未利用土地波動幅度較亂，其中草地和林地面積大幅度提高，其他用地大幅度降低；2016年水域面積較2010年增加的幅度相對其他年份較小。10個緩沖帶的城建地在2016年和2017年明顯增加。

表1 土地利用類型的緩沖帶梯度變化特征

續(xù)表1 Continued table 1

續(xù)表1 Continued table 1

3.2 景觀破碎化的緩沖帶格局分析

從圖 3可知，2011年，PD指數(shù)在距奈倫湖0.9 km以內(nèi)變化較穩(wěn)定，距湖體0.9～1.5 km范圍內(nèi)快速降低，距湖體1.5～2.7 km范圍內(nèi)又緩慢增加；其它7個年份，PD指數(shù)則基本表現(xiàn)出相似的梯度變化特征，即PD隨緩沖帶的增加基本呈逐漸降低的趨勢。2011年各緩沖帶的PD指數(shù)完全低于2010年；2013年P(guān)D指數(shù)與其相近年的PD指數(shù)相差較大，其各緩沖帶的PD指數(shù)基本介于2016年和2017年之間，始終高于其他5個年份的PD指數(shù)；2010年、2012年、2014年和2015年各緩沖帶的PD指數(shù)相差不大，均處于2011年與2013年、2016年、2017年之間。在1緩沖帶中，2010年的PD僅低于2016年，高于其他6個年份；在距湖體0.3～1.2 km范圍內(nèi)，2010年P(guān)D指數(shù)基本高于2011年，低于其他6個年份；距湖體1.2～1.8 km范圍內(nèi)，2010年P(guān)D指數(shù)高于2011年和2012年，低于其他5個年份；距湖體1.8～3.0 km范圍內(nèi)，2010年P(guān)D指數(shù)高于2011年、2012年和2014年，低于其他4個年份。

圖3 斑塊密度(PD)的緩沖帶梯度變化特征

從圖4可知，在距奈倫湖體0.3 km范圍內(nèi)，2010年的LPI低于其他所有年份；但距湖體0.3～3.0 km范圍內(nèi)，2010年LPI高于其他所有年份。2010年，LPI隨緩沖帶的增加呈逐漸增加的趨勢；2011年LPI隨距湖體距離的增加均增加，但增加量呈先大后小的趨勢，即在距湖體1.8 km時增加量達到最大值，之后逐漸減小；2012年、2013年、2015年和2017年的LPI均隨緩沖帶的增加呈降低趨勢，距湖體0.3～0.6 km范圍內(nèi)，LPI均快速下降，之后相對穩(wěn)定；2014年和2016年LPI隨緩沖帶的增加呈先下降后增加的趨勢，其值均在距湖體0.6～0.9 km帶間達到最低。從以上對LPI的分析可以看出，2010年隨緩沖帶的增加景觀破碎化程度不斷加強，2011年在距湖體0.9～2.7 km范圍內(nèi)景觀破碎化也較嚴重。在距湖體0.3 km范圍內(nèi)，2012年、2013年、2014年、2015年和2017年的景觀破碎化嚴重度高于2010年，但在距湖體0.3 km外，僅2010年和2011年的景觀破碎化比較嚴重，其他年份的破碎化程度趨于緩和。

圖4 最大斑塊指數(shù)(LPI)的緩沖帶梯度變化特征

2010年各緩沖帶的SHDI指數(shù)與其他年份SHDI指數(shù)變化趨勢不同，其呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢；而2012年和2013年SHDI指數(shù)隨緩沖帶的增加呈拋物線結(jié)構(gòu)(即增加幅度由大到小)；2011年、2014年、2016年和2017年呈先增加后減小的趨勢；2015年SHDI指數(shù)相對較穩(wěn)定。距湖體0.3 km范圍內(nèi)，2010年SHDI指數(shù)高于2011年、2012年、2015年和2017年，低于2013年、2014年和2016年；距湖體0.6～1.2 km范圍內(nèi)，2010年SHDI指數(shù)始終低于其他年份；距湖體1.2～1.5 km范圍內(nèi)，2010年SHDI指數(shù)僅高于2011年；距湖體1.8～2.7 km，各年份間SHDI指數(shù)規(guī)律相對復(fù)雜；距湖體2.7～3.0 km，2010年SHDI指數(shù)僅低于2013年，高于其他年份。

圖5 香濃多樣性(SHDI)的緩沖帶梯度變化特征

3.3 土地類型和景觀指數(shù)整體變化

分析黃河內(nèi)蒙古防凌應(yīng)急烏蘭布和分洪區(qū)分洪前后湖區(qū)3 km范圍內(nèi)土地類型和景觀指數(shù)整體的變化發(fā)現(xiàn)，分洪后水體和草地面積大幅度增加(表2)，分洪7年時水體面積由9.90 hm2擴展到1007.73 hm2；2015年草地面積增長幅度最大，達3241.62 hm2。分洪降低了沙地面積和其他用地面積，2013年和2015年沙地面積的減少尤為明顯，僅為2010年的46.36%和46.49%。城建地在分洪6～7 年時，面積突增，由0增長至161.37 hm2。分洪區(qū)3 km范圍內(nèi)，PD和SHDI指數(shù)的變化趨勢基本一致，高于2010年，分洪后LPI呈降低的趨勢，2017年的LPI較2010年下降118.90。

表2 分洪區(qū)3 km范圍內(nèi)土地利用類型和景觀指數(shù)整體變化特征

4 討 論

分洪區(qū)蓄水運行后，淹沒區(qū)域起伏不平的陸地及河流被平滑的水面替代，水體面積逐年增加，但由于黃河分洪量有限，導(dǎo)致奈倫湖外圍較遠地區(qū)水體增加幅度逐漸減小。分洪區(qū)建成后給奈倫湖及其周邊環(huán)境提供了相對充足的水源，分洪區(qū)周邊植被覆蓋率明顯增加[11]。距離奈倫湖0.3 km范圍內(nèi)，分洪量較大，水位抬高，淹沒大量水草，使草地面積逐年降低；距湖體0.3～3.0 km范圍內(nèi)，隨時間推移草地面積呈增加的趨勢，水體、草地等逐漸取代荒漠，水土資源逐漸恢復(fù)，周邊生態(tài)環(huán)境得到改善，嚴重的荒漠化得到局部控制[13]，尤其2.4 km范圍內(nèi)的沙地面積大量減少，隨距奈倫湖湖體距離的增加，沙地面積縮減的幅度逐漸變小，至距湖體2.4～3.0 km范圍內(nèi)，沙地面積基本保持平衡，甚至在2016—2017年時最外側(cè)2帶的沙地面積略微偏高。2010年奈倫湖周邊3.0 km范圍內(nèi)，以沙地類型為主；2017年奈倫湖周邊3.0 km范圍內(nèi)，雖仍以沙地為主，但此時沙地面積較2010年降低718.29 hm2，水體面積較2010年增加997.83 hm2。形成的濕地和水域面積對改變?yōu)跆m布和沙漠生態(tài)環(huán)境，開發(fā)烏蘭布和分洪區(qū)周邊的沙產(chǎn)業(yè)、旅游業(yè)創(chuàng)造了良好的條件，水體面積與草地面積可產(chǎn)生正循環(huán)效應(yīng)，水體面積的增加可為植物的生長提供良好的水分條件，進一步降低風(fēng)沙侵害。越來越多的其他用地得到有效利用，促使2016年和2017年城建地明顯增加。土地利用類型趨于均衡，各斑塊面積相差減小，對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境治理與經(jīng)濟發(fā)展呈有利趨勢。

分洪后，景觀水平指數(shù)上的PD指數(shù)和SHDI指數(shù)隨緩沖帶增加的變化趨勢基本一致，隨緩沖帶的增加呈先增加后降低的趨勢；LPI指數(shù)則呈先迅速降低后緩慢回升的趨勢。在距離奈倫湖0.3 km范圍內(nèi)，分洪后各緩沖帶的LPI基本高于分洪當年，說明分洪使奈倫湖0.3 km范圍內(nèi)的景觀優(yōu)勢度增加；分洪當年P(guān)D和SHDI在距離奈倫湖0.3～1.2 km范圍內(nèi)基本低于分洪后其他年份，說明破碎化程度逐漸加重，斑塊類型逐漸豐富，景觀多樣性及斑塊分布均勻度升高；而距湖體1.2～3.0 km范圍內(nèi)則處于各年份中間。一方面，分洪前奈倫湖周邊3.0 km范圍內(nèi)以沙地為主，2010年沙地面積占整體面積的54.99%。但由于距離湖體0.3 km范圍內(nèi)，分洪后大量水體淹沒周圍土地及植被等，土地類型逐漸以水體為主，破碎化程度低，優(yōu)勢景觀度較高；距湖體0.3～1.2 km范圍內(nèi)，由于分洪水量有限，加之水體增多導(dǎo)致周邊生態(tài)環(huán)境的好轉(zhuǎn)，對區(qū)域景觀斑塊也進行了切割，導(dǎo)致景觀類型趨于零散，而水體和草地面積大量增多，沙地面積急劇降低，從而使景觀類型趨于均勻化；而距湖體1.2 km范圍內(nèi)以外，分洪量逐漸減小，沙地面積得不到有效控制，整體景觀類型受分洪的影響也逐漸降低。另一方面，生態(tài)環(huán)境的整體好轉(zhuǎn)，分洪區(qū)周邊逐年開展旅游觀光活動，周邊建筑物不斷增多，人為活動對奈倫湖周邊資源的大規(guī)模開采利用和交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，也會導(dǎo)致景觀類型支離破碎，形狀越來越復(fù)雜。本結(jié)果驗證了于強等[25]關(guān)于烏蘭布和沙漠磴口縣荒漠景觀逐漸向西北遷移，綠洲景觀逐步擴張的觀點。2013年P(guān)D指數(shù)、LPI指數(shù)和SHDI指數(shù)變化趨勢雖與其他年份一致，但變化幅度卻相差較大，2013年P(guān)D指數(shù)和SHDI指數(shù)高于其他所有年份，而LPI指數(shù)卻低于所有年份。原因可能是2013年其他5種類型土地變化趨于穩(wěn)定時，大面積沙地被開發(fā)成耕地，原本的主要土地類型——沙地面積突減，耕地面積占比突增，沙地、水體、草地、耕地等4種土地類型構(gòu)成奈倫湖周邊的主要土地類型，景觀優(yōu)勢度明顯降低，景觀均勻度增加。

5 結(jié) 論

2010—2017年間，分洪后奈倫湖周邊3.0 km范圍內(nèi)水體、草地和城建地面積增加，沙地和其他用地面積降低，隨著與湖體距離的增加，沙地面積減小幅度逐漸減輕，距離湖體2.4～3.0 km范圍內(nèi)，沙地面積基本保持平衡，甚至在2016—2017年略微增加。隨時間的推移，水體和草地等逐漸取代荒漠，周邊生態(tài)環(huán)境得到改善，其他用地逐漸被開發(fā)利用，城建地不斷增多。湖區(qū)3.0 km范圍內(nèi)土地利用類型趨于均衡，各斑塊面積相差減小。分洪使奈倫湖周邊景觀格局向均衡化方向發(fā)展，破碎化程度雖增加，但景觀優(yōu)勢度逐漸降低，斑塊類型逐漸豐富，景觀多樣性及斑塊分布均勻度升高。總的來說，分洪對奈倫湖周邊1.2 km范圍內(nèi)的景觀格局影響更為明顯。