水資源約束下的民勤綠洲景觀格局研究

唐嘉琪，石培基

(西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅蘭州730070)

景觀動態變化是指景觀結構、功能、空間格局隨時間的變化情況［1－2］，景觀格局是指大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合［3］。景觀空間格局的演變是景觀動態變化的結果，它是景觀異質性的具體體現，又是各種生態過程在不同時空尺度上作用的結果。景觀異質性決定景觀的生態功能和生態效應，尤其是對一些生態功能脆弱的景觀類型，如綠洲景觀等。綠洲是在荒漠背景上以天然徑流為依托的，具有較高的第一性生產力的中、小尺度非地帶性景觀［4］。在較短的時間尺度內荒漠綠洲景觀格局受人類活動影響大，尤其容易受到水資源狀況的影響。然而，只有少數學者對石羊河流域水資源與景觀生態做了有針對性的研究，如張勃等［5］認為石羊河中游武威綠洲水資源開發利用與下游民勤地區生態環境演變有密切關系;楊永春等［6］認為石羊河中上游截流大量地表水資源是下游民勤綠洲變化的主要外部人文影響因素。筆者嘗試從景觀格局角度，對民勤綠洲景觀格局特點及其與水資源之間的關系進行分析。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

民勤地理位置介于 101°49'41″—104°12'10″E、38°3'45″—39°27'37″N之間，隸屬甘肅省武威市。東北被騰格里沙漠包圍，西北有巴丹吉林沙漠環繞，南鄰涼州區，中部是石羊河沖積而成的狹長而平坦的綠洲帶。民勤由沙漠、低山丘陵和平原3種基本地貌構成，屬溫帶大陸性荒漠氣候，多年平均降水量115 mm，多年平均蒸發量2664.0 mm，相對濕度為45%;是我國干旱、荒漠化最嚴重的地區之一，也是我國沙塵暴四大源區之一，為典型的生態脆弱地區。截至2008年，民勤縣轄6個鎮12個鄉，總人口31.5萬人，2008年全縣生產總值28.8億元。

1.2 數據來源與方法

遙感(RS)數據的可重復獲取性使其成為景觀生態學研究的基本數據源之一［7］。ArcGIS是有效利用遙感數據的工具，也為研究景觀格局和動態變化提供了一個極為有效的工具［8］。本研究以人工目視解譯2006年民勤TM影像數據獲得的土地利用∕覆蓋圖為基礎，經過ArcGIS的處理獲得民勤綠洲景觀分類柵格圖(網格分辨率為50 m)，在Fragstats3.3軟件的支持下選取恰當的景觀指標，分析民勤綠洲景觀格局特征。利用1987、2006年景觀水平上的格局數據，結合《2009年民勤縣國民經濟統計資料匯編》中提供的民勤水資源數據(民勤上游來水量、紅崖山水庫年蓄水量)，探討景觀格局和水資源變化之間的關系。

土地類型的劃分是景觀格局分析的關鍵，直接影響結果的可靠性。本研究土地類型的劃分以我國《鄉(鎮)土地利用總體規劃數據庫標準》(TD/T 1028—2010)中土地規劃用途及含義為依據，結合研究區的特點將民勤綠洲土地類型歸并為10類(表1)。

2 景觀格局分析

2.1 斑塊類型

斑塊類型，該尺度水平的指標是相對景觀中斑塊類型水平的度量，是對同一類型的斑塊形狀、分布特點的描述。結合研究目的和研究區現狀選取了8個指標，分別為相對面積指數(PLAND)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、形狀指數(SHAPE)、周長面積分維數(FRAFRAC)、叢聚指數(CLUMPY)、內聚力指數(COHESION)。

2.1.1 斑塊面積、密度分析

本研究選取的面積密度指數有:相對面積指數PLAND(某一斑塊類型總面積占景觀總面積的百分比)、斑塊密度PD(某一斑塊類型數占斑塊總數的百分比)、最大斑塊指數LPI(景觀中最大斑塊面積占整個景觀面積的比例)。

表1 民勤綠洲土地類型及概述

由表2得出，2006年民勤綠洲景觀中沙漠和戈壁所占的面積達49.71%，耕地、草地面積分別達20.817%和11.375%，而林地、水域、城鎮居民點及工礦用地均較小，分別為0.3786%、0.1676%、0.5588%，這就說明沙漠和戈壁是該地區綠洲景觀的基質。耕地、草地比例較高，說明民勤綠洲是以種植業和畜牧業為主的農業型綠洲。斑塊密度最大的是草地(0.0303%)，其次是城鎮居民和工礦用地(0.0109%)，說明民勤綠洲草地退化嚴重，城鎮居民和工礦用地分布分散。人工景觀斑塊中LPI最大的是耕地(17.4854%)，說明民勤綠洲中以種植業為主的農業較發達、耕地連片分布。

2.1.2 斑塊形狀、分維數分析

本文選取的描述景觀形狀的指數有:景觀形狀指數LSI(描述斑塊類型聚集的程度)、形狀指數SHAPE(描述斑塊形狀的復雜性)、周長面積分維數FRAFRAC(描述斑塊類型的破碎程度)。一般來說，受人類活動干擾小、周長簡單的自然景觀周長面積分維數接近1，受人類活動干擾大、周長彎曲盤繞時接近2。

表2 2006年民勤綠洲各斑塊類型相對面積、密度、最大斑塊指數 %

圖1 2006年民勤綠洲景觀形狀指數、形狀指數、周長面積分維數

從圖1可以看出，形狀指數最大的是鹽堿地和戈壁，分別達 2.4383、2.2609，草地最低，為1.622，說明組成戈壁和鹽堿地的斑塊形狀復雜，而草地形狀規則簡單。景觀形狀指數最大的是城鎮居民和工礦用地(25.4634)，其次為耕地(23.7739)，說明民勤綠洲城鎮和工業發展還處在初級階段，居民點和工業分布分散，農業雖然在地方經濟中地位重要，但發展仍然滯后，主要表現在耕地分布分散，集約化程度低。民勤綠洲中周長面積分維數最大的斑塊類型是耕地(1.4642)，其次為城鎮居民及工礦用地(1.4611)、林地(1.4313)，說明人為引入斑塊受到人類活動的影響大、形狀復雜，隨著農業的發展人類對林地的影響也在逐漸變大。

2.1.3 斑塊聚合度分析

本文選取的聚合度指數有叢聚指數CLUMPY(描述斑塊類型集聚程度)和內聚力指數COHESION(描述的是相關斑塊類型的自然連通度)。當CLUMPY等于－1時，說明該斑塊類型最大限度地分散;等于0時，斑塊隨機分布;等于1時斑塊集聚程度不斷提高。COHESION取值范圍為［0，100)，景觀中斑塊類型的比例降低并且不斷細化、連通性降低，其值越接近0。

圖2 2006年民勤綠洲叢聚指數、內聚力指數

由圖2得出，叢聚指數和內聚力指數的變化有很大的相似性，大多數斑塊類型的叢聚指數和內聚力指數都較高，說明民勤綠洲大多斑塊分布集中，斑塊內部信息物質交流較通暢。指數值最小的是林地，其值分別為0.8986和96.112，其次是城鎮居民及工礦用地0.8704和96.353，說明林地、城鎮居民及工礦用地在景觀中所占比例小、分布分散、斑塊細化程度高，斑塊內物質能量交流不通暢。

2.2 景觀水平

景觀水平，該尺度水平的指標是對景觀整體分布、形態特征的度量。結合研究目的和研究區現狀，選取8個指標，分別為:周長面積分維數(FRAFRAC)、蔓延度(CONTAG)、相似鄰接指數(PLADJ)、散布與并列指數(IJI)、香農多樣性指數(SHDI)、辛普森多樣性指數(SIDI)、香農均勻性指數(SHEI)、辛普森均勻性指數(SIEI)。見表2。

民勤綠洲景觀水平周長面積分維數為1.3129，高于西北地區2000—2008年土地利用斑塊分維數的平均值1.0［9］，說明民勤綠洲脫離了簡單的幾何形狀，周長蜿蜒盤繞的程度大于西北地區的平均水平，表現出一定的復雜性。

表2 2006年民勤綠洲景觀水平指標值

蔓延度(CONTAG)和相似鄰接指數(PLADJ)都反映斑塊的破碎和集聚程度。蔓延度指數取值范圍為(0，100］，當所有斑塊最大限度破碎化和間斷分布時，指標值接近于0;當所有斑塊最大限度聚集在一起時，指標值達到100。相似鄰接指數取值范圍為［0，100］，當每一斑塊類型都最大限度離散化，不存在同類之間兩兩相鄰情況時，該值等于0;當所有斑塊最大限度聚集在一起，并且景觀存在一個由同類斑塊組成的邊界時，該值為100。民勤綠洲的蔓延度指數為59.4194，相似鄰接指數為98.2676，說明民勤綠洲所有斑塊的聚集程度高，組成景觀邊界的斑塊類型單一，而同類斑塊聚集程度不高，斑塊類型之間混雜分布現象明顯。

散布與并列指數(IJI)對那些受自然條件制約嚴重的生態系統的分布特征反映顯著。如山區的各種生態系統受到垂直地帶性的作用，其分布多呈環狀，IJI值一般較低;干旱區中的許多過渡植被類型受制于水的分布與多寡，彼此鄰近，IJI值一般較高。民勤綠洲IJI值為77.371，說明地處干旱半干旱地區的民勤綠洲受到水資源狀況的影響大。

SHDI、SIDI、SHEI、SIEI反映綠洲景觀的多樣性和均勻性，數據意義相似，但是香農指數對稀缺種類的反映比辛普森指數敏感，辛普森指數代表的是隨機從景觀中選取的柵格單元，意義更直觀，本文側重研究民勤綠洲景觀格局特點，而非個別優勢或稀缺斑塊的特點。故選取辛普森多樣性指標SIDI和辛普森均勻性指標SIEI做詳細分析。SIDI值越接近1，景觀的多樣性增加、斑塊類型數增加;SIEI值越接近1，景觀中各斑塊類型的比例越均衡。民勤綠洲辛普森多樣性指數SIDI為0.7915，辛普森均勻性指數SIEI為0.8794，反映出民勤綠洲景觀多樣性較低、均勻性高、優勢度低的特點。

3 景觀格局與水資源變化的關系

干旱區荒漠綠洲系指荒漠中有水源，可供人類生存并從事各種社會經濟活動的區域，其綠洲生態系統既是整個荒漠生態系統的組成部分，又是決定荒漠生態系統結構與功能的關鍵組分［10］。綠洲景觀格局直接影響綠洲生態系統的功能，因此研究干旱區荒漠綠洲景觀格局的特征有很重要的生態意義。荒漠綠洲對水源的依賴性使得河流廊道變化將直接導致整個景觀結構與空間格局發生改變，水資源狀況成為研究區景觀過程的主要驅動力［11］。民勤綠洲位于河西走廊北部，地處大陸內部，屬于典型的干旱半干旱地區荒漠型綠洲，其土地利用景觀格局的變化直接依賴于水資源變化，尤其是對河川徑流、水庫蓄水的依賴性很強。

隨著流域上中游地區人口數量與經濟規模的不斷擴大，近年來流入下游民勤綠洲的地表水資源日趨減少。由圖3得出，1987年以來民勤上游來水和紅崖山水庫的蓄水量逐年減少，到2002年達到最低，上游來水 0.62億 m3、紅崖山水庫蓄水0.3277億m3。此后，上游來水量和水庫蓄水又有上升趨勢。據統計，總體來講1987到2006年上游來水減少40.64%，紅崖山水庫蓄水量減少27.6%。

圖3 民勤綠洲1987—2009年上游來水及紅崖山水庫蓄水量

表3 1987年民勤綠洲景觀水平指標值

結合表2、3中2006和1987年兩年的景觀格局數據，得出民勤綠洲景觀格局指標中與水資源變化同步的有周長面積分維數FRAFRAC和蔓延度CONTAG，從1987年到2006年分別減小了5.32%和0.343%，而相似鄰接指數PLADJ、散布與并列指數IJI分別增加了1.64%和8.58%。原因在于:對水資源變化反映較敏感的是斑塊的形狀和面積指數，各個斑塊面積和形狀的改變導致斑塊間的鄰接性發生變化，進而影響到斑塊類型乃至景觀水平的緊實度，最后才會對景觀的多樣性和均勻性有影響。

4 結語與討論

(1)以沙漠和戈壁為基質的民勤綠洲，農牧業發展快，其貢獻率在整個地方經濟中占有很重要的地位。隨著農牧業和農業灌溉的發展，人類對草地和林地的開發強度日益增大，當地的土地利用景觀格局發生了很大的變化:草地和鹽堿地邊緣復雜、破碎程度高，林地和城鎮居民及工礦用地分布復雜、連接性低、物質信息交流不暢。說明，在人類活動的影響下民勤綠洲土地鹽堿化、過度放牧導致的土地退化、土地沙漠化等生態問題突出，土地格局已經脫離了自然的分布狀態。如果不適當調整土地政策，則勢必影響當地社會、經濟、生態的可持續發展。

(2)作為干旱半干旱地區特殊生態系統的民勤綠洲，其土地利用格局變化具有非常重要的生態意義，沙漠化的發展直接關系著河西地區乃至我國北方地區的氣候和環境狀況。民勤綠洲景觀分維數、蔓延度、多樣性指數、均勻性指數等都表現出其地方特殊性，說明整個綠洲景觀的形狀簡單、受主要土地類型支配作用大、景觀異質性低，但景觀內斑塊類型仍然豐富，民勤綠洲仍然保持在較為緊實有序的綠洲景觀系統的水平上。

(3)干旱半干旱地區綠洲生態系統對水資源的依賴性毋庸置疑，隨著上游來水和水庫蓄水量的變化，民勤綠洲變化最為明顯的是綠洲中斑塊的聚合程度，水資源減少、聚合度減小、斑塊分布分散、集中連片的斑塊減少，而聚合度變化主要是由斑塊面積變化決定的，最終聚合度又會影響整個土地利用景觀的多樣性和均勻性。因此，在兼顧社會環境用水條件下，如何合理有效地利用有限的水資源發展當地經濟，是民勤謀求可持續發展的重要思考方向。

(4)結合其他人員的研究成果，從景觀生態方面分析了民勤綠洲土地利用格局的特點，及其與水資源之間的相互關系。由于可獲取的數據時間序列有限，以及數據處理過程中存在的由標準問題而產生的誤差，加之目前土地類型劃分缺乏統一的分類標準，致使本文的研究結果還有進一步探討的空間。

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