基于RS的東祁連山地景觀生態安全度分析

侯艷麗，劉學錄，馬 俊

（甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070）

目前國內外大量有關生態安全的研究主要集中在生物入侵、環境污染和城市、地區生態安全的評價等方面,主要涉及生態安全的概念及本質、生態安全評價體系的構建、生態安全度數量化指標或生態安全系數的設計[1-4]。關于山地生態安全的研究主要集中在環境脆弱性和保護策略等方面[5－6]，而從景觀生態角度入手的研究較少。在人類活動改變和影響地球環境的過程中，山地系統是最敏感的區域之一。由于景觀本身是人類經濟活動的資源和開發利用的對象,人類的經濟開發活動主要是在景觀層次上進行的，因而景觀成為研究人類活動對山地環境影響的適度尺[7]。近年來，祁連山地系統在自然因素和人類活動影響下，森林資源破壞嚴重，野生動物銳減，冰川退縮。據專家提供資料，祁連山東段冷龍嶺北坡的水管河4號冰川，1956~1976年冰川平均每年退縮16m，1976年以來，冰川后退了71.2m，平均每年退縮8.9 m。目前對祁連山的研究主要集中在對祁連山冰川的研究上，關于祁連山地景觀生態安全度的研究還未見報導。因此，本文通過對景觀類型斑塊破碎度、邊界破碎度、斑塊優勢度、斑塊聯系度和斑塊脆弱度等的分析，反映東祁連山地各景觀類型生態安全度，為未來山地景觀生態安全度的研究提供一定的理論依據。

本文用熵權表示評價指標的相對重要程度，基本思想是認為評價指標的差異程度越大越重要，則權重相應也越大。熵是系統無序程度的度量，它還可以度量數據所提供的有效信息量，因此，可以用熵來確定權重[8]。當評價對象在某項指標上的值相差較大時，熵值較小，說明該指標提供的有效信息量較大，該指標的權重也應較大；反之，若某項指標的值相差越小，熵值較大，說明該指標提供的信息量較小，該指標的權重也應較小。

1 研究區概況

祁連山位于中國青海省東北部與甘肅省西部邊境，由多條西北-東南走向的平行山脈和寬谷組成。因位于河西走廊南側，又名南山。西端在當金山口與阿爾金山脈相接，東端至黃河谷地，與秦嶺、六盤山相連，長近1 000 km，屬褶皺斷塊山。最寬處在酒泉市與柴達木盆地之間，達300 km。自北而南，包括大雪山、托來山、托來南山、野馬南山、疏勒南山、黨河南山、土爾根達坂山、柴達木山和宗務隆山。山峰多海拔4 000～5 000m，最高峰疏勒南山的團結峰海拔5 808m。海拔4 000m以上的山峰終年積雪，山間谷地也在海拔3 000～3 500m之間。

研究區地理位置為 93°30′~103°00′E，36°30′~39°30′N。祁連山東段山勢由西向東降低，包括走廊南山-冷龍嶺-烏鞘嶺，大通山-達坡山，青海南山-拉背山三列平行山系。其間夾有大通河谷地、湟水谷地和青海湖盆。由于受新構造運動的強烈抬升而劇烈褶皺，同時在流水地質作用的強烈侵蝕下大幅度下切，形成陡峻的“V”型河谷。山峰海拔高度為3 000~5 500 m,平均海拔4 000 m左右，海拔2 500～3 300m分布有寒溫帶針葉林。海拔4 700m以上的山地終年積雪，廣泛發育現代冰川，有冰川3 306條，面積2 063 km2，呈現高寒礫漠（或巖漠）景觀[9]。區內自然氣候條件復雜、水熱條件差異大，使植被的分布具有明顯的水平差異和垂直梯度變化。祁連山河流水系發育良好，分屬于河西內陸河流域和黃河流域兩大流域。其中，內陸河流域的石羊河水系較大的河流自西向東有西大河、東大河、西營河、金塔河、雜木河、黃羊河、古浪河、大靖河等，均發源于祁連山東段冷龍嶺和毛毛山，集水面積9 057 km2，山區徑流量為15.63億m3，出山徑流量為15.4億m3[10-12]。東部森林資源破壞嚴重，野生動物減少。研究區域地貌見圖1。

2 研究方法

2.1 材料

本研究所選用的遙感數據為美國陸地資源衛星1995年6月11日Landsat 5 TM（Thematic Mapper） 遙感影像和 2009年 6月 17日 Landsat 7 ETM+（Enhanced Thematic Mapper）遙感圖像。

2.2 圖像處理

首先用ERDAS9.1將TIF格式遙感圖像轉換為柵格格式，融合7、4、2三個波段以獲得具有最大光譜多樣性的多波組合圖像，對這兩個時相的融合圖像進行非監督分類得到研究區域的分類柵格圖像。利用ARCVIEW GIS中的Spatial Analyst擴展模塊將ERDAS分類柵格圖像轉換為網格圖（Grid）格式，用FRAGSTATS景觀指標計算軟件計算景觀指數。

2.3 景觀生態安全度指標選取及其方法

2.3.1 景觀類型斑塊破碎度 景觀類型斑塊破碎度，也即類型密度，計算公式如式（1）。

式中，N（i）為類型斑塊數，A（i）為類型面積。

2.3.2 景觀類型邊界破碎度 景觀類型邊界破碎度，也即類邊界密度，邊界密度揭示了景觀或類型被邊界的分割程度，是景觀破碎化程度的直接反映，計算公式如式（2）。

式中，C（i）為類型周長，A（i）為類型面積。

2.3.3 斑塊優勢度 優勢度描述景觀由少數幾個生態系統控制的程度。計算公式如式（3）。

式中，RD是相對優勢度指數（百分比）；D是Shannon-Wienner多樣性指數；Dmax是D的最大可能取值。D與Dmax的計算公式分別為式（4）、式（5）：

式中，log是以 2為底的對數；P（i）是生態系統類型i在景觀中的面積比例；T是景觀中生態系統的類型總數。

2.3.4 斑塊聯系度 聯系度指數可用來描述景觀中同類斑塊聯系程度。聯系度指數是最近相鄰斑塊距離的反函數，它使用斑塊面積做加權數，見式（6）。

式中，PX是聯系度指數；A（i）是斑塊i的面積；NND（i）是斑塊i到其相鄰斑塊的最小距離。PX取值從0到1；PX取值大時，則表明景觀中給定斑塊類型是群聚的。

2.3.5 斑塊脆弱度 斑塊脆弱度很難確定，原因如下。①脆弱度與景觀類型自然演替過程中所處的階段有關,相當復雜;②與景觀類型本身的結構和功能完整性有關;③與景觀類型對外界干擾的抵抗能力有關;④與干擾的種類、性質、強度、方式等特性有關。本研究將斑塊脆弱度與景觀類型特性相關聯，將斑塊脆弱度從小到大順序排列并賦值如下：林地（0.111）<草地（0.138 9）<灌叢（0.166 7）<冰雪（0.199 4）<水體（0.199 4）<裸地（0.222 2）[13]。

2.3.6 生態安全度 本研究采用各景觀類型受干擾程度和斑塊脆弱度來表征景觀類型生態安全程度[13]，計算過程與步驟如下。

景觀類型受干擾程度用Ii來表示,公式中四項景觀指數采用熵權法計算權重，計算步驟如下。（1）定義熵。在有m個評價指標，n個評價對象的評價問題中，第i個指標的熵定義見式（7）。（2）定義熵權。定義了第i個指標的熵之后，第i個指標的熵權定義見式（8）。（3）干擾度公式見式（9）。

式中：Ii為干擾度；PDi為景觀類型斑塊破碎度，也即類型密度；EDi為景觀類型邊界破碎度，也即類邊界密度；RD為景觀類型斑塊優勢度，也即類斑優勢度；PX為景觀類型斑塊聯系度，也即類斑分離度。

景觀類型生態安全度用ESi，其計算方法見式（10）：

式中，Qi為景觀類型斑塊脆弱度；2.5為換算系數；總體景觀的生態安全度用ES表示，計算方法見式（11）。

式中，PRi為景觀類型斑塊面積百分比,即類斑蓋度,n為景觀類型數。

3 結果分析

從表1中可以看出，東祁連山地景觀由林地、草地、灌叢、冰雪、水體和裸地等6種組分構成。其中，草地面積最大，為山地景觀的基質，水系為山地景觀的廊道，林地、灌叢和冰雪為斑塊。

表1 東祁連山地景觀結構組分類型

1995年和2009年各景觀類型的斑塊破碎度、邊界破碎度、斑塊優勢度、斑塊聯系度和斑塊脆弱度的值見表2。從1995年和2009年景觀類型干擾度動態變化來看（表3），1995年各類景觀類型干擾度范圍在0.210 2~0.937 8之間，按大小順序排列為水體>灌叢>裸地>草地>林地>冰雪。2009年年各類景觀類型干擾度范圍在0.173 6~1.037 8之間，按大小順序排列為水體>灌叢>草地>林地>裸地>冰雪。干擾變化率降低的景觀依次為灌叢（-29.79%）、冰雪（-17.37）、裸地（-33.22），而林地、草地和水體的干擾度均有不同程度的增加。

表2 東祁連山地景觀生態安全指數（1995、2009）

表3 東祁連山地景觀類型干擾度和生態安全度變化

2009年景觀類型生態安全度相比于1995年各景觀類型生態安全度，林地、草地和水體的生態安全度變化率降低，分別為-0.30、-0.37和-5.85，其他景觀類型的生態安全度均有不同程度的增加。2009年各景觀類型生態安全度范圍在0.608 0~0.936 7之間，生態安全度分布在安全度等級0.6～0.9級范圍內。生態安全度為0.9級的有林地、草地和冰雪；0.8級為有裸地；0.7級的為灌叢；0.6級的為水體。這可以看出，生態安全度隨著干擾度的增加而降低。

4 結論與討論

東祁連山地各景觀類型生態安全度變化率分析：灌叢、冰雪和裸地的生態安全度變化率均不同程度增加，分別為灌叢（16.98%）、冰雪（2.03%）、裸地（7.22%）；林地、草地和水體的生態安全度變化率降低，分別為林地（-0.30%）、草地（-0.37%）、水體（-5.85%）。這說明從1995年到2009年，灌叢、冰雪和裸地的生態安全度提高，其中，灌叢從0.6級提高到0.7級，冰雪從0.8級提高到0.9級。而林地、草地和水體的生態安全度有所降低，但幅度不大。東祁連山地景觀的生態安全度整體呈上升趨勢，14年來提高0.015，提高率為1.76%。

通過各景觀類型的生態安全度計算，林地和草地的安全程度有所降低是由于人為活動的干預和破壞而導致，水體的安全程度降低可能是由環境污染、全球溫度變化等引起的，未來還要在這一方面加大保護力度。此外，本文所涉及的熵權法確定景觀類型權重的方法以及脆弱度的確定方法也有待完善和改善。

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