寧夏中部干旱帶農(nóng)業(yè)景觀格局變化研究

王亞娟，米文寶，李建華，郭占軍

（寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，銀川750021）

農(nóng)業(yè)景觀是由相互作用的斑塊以一定的規(guī)律組成的，具有高度空間異質(zhì)性的、世界上分布最為廣泛的景觀類型［1－5］。由于干擾作用機(jī)制的綜合性、復(fù)雜性和區(qū)域性，農(nóng)業(yè)景觀較自然景觀更具變異性，直接影響和制約著不同尺度地理單元的生態(tài)過程［1－6］。作為我國西北干旱區(qū)重要的景觀類型，由于對(duì)區(qū)域土地的集約、粗放、或混合模式的經(jīng)營(yíng)和管理，農(nóng)業(yè)景觀的破碎化在不斷加劇，其空間組合及其格局也發(fā)生了變化。本文以寧夏中部干旱帶為例，分析該區(qū)域近30 a來農(nóng)業(yè)景觀格局的變化，探討導(dǎo)致景觀格局變化的主要因素，為動(dòng)態(tài)調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式，優(yōu)化農(nóng)業(yè)景觀格局等提供決策參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧夏中部干旱帶地處干旱風(fēng)沙區(qū)向黃土高原的過渡帶，北靠中衛(wèi)市的沙坡頭區(qū)和中寧縣、吳忠市的利通區(qū)和銀川市的靈武市；東部與內(nèi)蒙古的鄂托克前旗、陜西省的定邊縣、甘肅省的環(huán)縣為鄰；南接固原市的原州區(qū)和西吉縣；西與甘肅省的平川區(qū)和靖遠(yuǎn)縣接壤。行政區(qū)劃上包括鹽池縣、紅寺堡區(qū)、同心縣和海原縣4個(gè)縣（區(qū)），遙感計(jì)算面積為1.85萬k m2。該區(qū)域?qū)僦袦貛О敫珊祬^(qū)，為典型的大陸性氣候特征，干旱少雨，年平均降水量為277.8 mm；蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均蒸發(fā)量為2 168.75 mm，年均干燥度為2.95，水文環(huán)境較差，水資源短缺。沙塵天氣比較頻繁，且主要集中在3月。無論是浮塵還是揚(yáng)沙都表現(xiàn)為北部和南部較多，且沙塵天氣以揚(yáng)沙為主。沙塵暴時(shí)有發(fā)生，其他災(zāi)害性天氣，如冰雹、霜凍等亦頻繁發(fā)生。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究以T M／ET M影像作為基本數(shù)據(jù)源，根據(jù)影像的可獲得性以及研究區(qū)動(dòng)態(tài)變化的連續(xù)性，共篩選出1987—2011年共4期遙感影像，每期4景T M影像資料，影像的接收時(shí)間在6—10月間，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間段是研究區(qū)一年中植被生長(zhǎng)最旺盛、植被覆蓋最好的季節(jié)，可代表植被的年度狀況，所選擇的遙感影像成像質(zhì)量較好，基本上無云覆蓋或云量＜5%，保證了數(shù)據(jù)獲取的可靠性及定量研究的需要［7］。

本研究區(qū)所有T M／ET M影像在衛(wèi)星地面接收站都進(jìn)行過系統(tǒng)校正，投影系統(tǒng)為 WGS-84，但相對(duì)較粗略，需要進(jìn)行進(jìn)一步的精確校正，以滿足研究需要。本研究根據(jù)鹽池縣、同心縣、海原縣、紅寺堡區(qū)1∶500 00地形圖，運(yùn)用ENVI軟件中的幾何精校正模塊進(jìn)行校正［7－9］。因?yàn)檠芯繀^(qū)范圍較大，不同時(shí)期都用到了4景遙感影像圖，因此首先通過ENVI軟件中的Mosaik模塊進(jìn)行遙感影像的鑲嵌［9］。在T M4，3，2波段下打開，利用寧夏中部干旱帶邊界矢量文件（shape格式），在ENVI下，通過掩膜實(shí)現(xiàn)遙感影像的不規(guī)則剪裁。

2.2 農(nóng)業(yè)景觀分類系統(tǒng)

綜合比較國家和學(xué)術(shù)研究分類系統(tǒng)和成果，參考遙感影像的實(shí)際情況，根據(jù)研究區(qū)域自然地理狀況、農(nóng)業(yè)特征及其土地利用現(xiàn)狀，確定采用兩級(jí)分類法對(duì)研究區(qū)農(nóng)業(yè)景觀類型進(jìn)行劃分［6－8，10］。其中，一級(jí)分類包括耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)工礦居民用地、水域以及未利用地。在一級(jí)分類的基礎(chǔ)上，耕地又分為水澆地和旱地兩類；林地又分為有林地、灌木林、疏林和未成林3類；草地分為高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地3類；未利用地分為沙地和其他未利用土地（表1）。

表1 寧夏中部干旱帶農(nóng)業(yè)景觀分類系統(tǒng)

2.3 遙感圖像解譯分類

經(jīng)過GPS定位和野外實(shí)地考察，以衛(wèi)星圖像反映出的大小、形狀、色彩、亮度和紋理結(jié)構(gòu)為主要指標(biāo)，建立目視解譯標(biāo)志［7，9］（表2）。

表2 寧夏中部干旱帶農(nóng)業(yè)景觀TM／ETM影像解譯標(biāo)志

基于以上解譯標(biāo)志，參照其他輔助信息，在遙感處理軟件EVNI中，在人機(jī)交互式目視解譯判讀的基礎(chǔ)上，利用監(jiān)督分類法中的最大似然法對(duì)遙感影像進(jìn)行計(jì)算機(jī)解譯分類，得到1987年、1996年、2005年和2011年寧夏中部干旱帶農(nóng)業(yè)景觀分類專題圖（附圖5—6）。對(duì)解譯結(jié)果采用隨機(jī)抽樣調(diào)查的方式進(jìn)行野外調(diào)查驗(yàn)證和GPS定位，驗(yàn)證的結(jié)果表明，分類精度可以滿足研究需要。

2.4 景觀格局指數(shù)選取與計(jì)算

根據(jù)本研究的目的和各景觀指數(shù)的意義和實(shí)用性，選用生態(tài)學(xué)意義相對(duì)明確的斑塊類型指數(shù)和景觀水平指數(shù)，探析寧夏中部干旱帶各種農(nóng)業(yè)景觀要素和總體景觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征，反映研究區(qū)近30 a來農(nóng)業(yè)景觀動(dòng)態(tài)變化的生態(tài)學(xué)規(guī)律［11－14］。

本研究中選擇的斑塊類型指數(shù)有斑塊所占景觀面積的比例（PLAND）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（MPS）、景觀形狀指數(shù)（LSI）；景觀水平指數(shù)有斑塊數(shù)（NP）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、Shannon多樣性指數(shù)（SHDI）、Shannon均勻度指數(shù)（SHEI）、景觀聚集度（CONTAG）。

根據(jù)寧夏中部干旱帶1987年、1996年、2005年和2011年解譯分類圖，采用Fragstats軟件柵格版，進(jìn)行景觀格局指數(shù)的計(jì)算，基于此，分析區(qū)域生態(tài)狀況及空間變異特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 斑塊類型指數(shù)

對(duì)FRAGSTATS軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到研究區(qū)斑塊類型指數(shù)PLAND、PD、MPS、LSI的值（圖1—4）。

圖2 不同時(shí)期各農(nóng)業(yè)景觀PD變化

圖1 不同時(shí)期各農(nóng)業(yè)景觀PLAND變化

圖4 不同時(shí)期各農(nóng)業(yè)景觀LSI變化

圖3 不同時(shí)期各農(nóng)業(yè)景觀MPS變化

上述各斑塊類型指數(shù)中，PLAND、MPS反映了斑塊的大小特征及變化情況，PD反映了景觀的破碎化程度，LSI反映了不同斑塊的形狀特征及其變化情況。總體而言，1987—1996年，研究區(qū)各景觀類型斑塊數(shù)增加，平均斑塊面積減小，斑塊密度大，破碎化明顯，反映出研究區(qū)受人為干擾明顯，而在2005年之后，朝著改善的方向發(fā)展。研究區(qū)的草地面積雖然較大，但斑塊數(shù)卻不多，因?yàn)樵谡麄€(gè)研究區(qū)草地面積占有絕對(duì)性優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)集中連片的分布，雖然面積較大，但斑塊數(shù)反而相對(duì)較少；水澆地整體比旱耕地的斑塊面積大，MPS早期較小，后期逐漸增大并且較穩(wěn)定，變化幅度較小，斑塊大小也比較均勻；城鄉(xiāng)工礦居民用地的斑塊密度非常高，說明1 k m2的斑塊數(shù)很多，城鄉(xiāng)工礦居民用地雖然總面積不大，但是相比之下斑塊數(shù)很多，反映出建設(shè)用地的擴(kuò)張。其次是旱耕地的斑塊密度較大，再次表明旱耕地的斑塊數(shù)較多；水域的斑塊密度也較大，說明水域一方面本身面積比較小，另一方面數(shù)量較多，單個(gè)斑塊的面積較小。未利用地的斑塊密度呈明顯下降趨勢(shì)。斑塊密度和大，受人為干擾程度大，草地斑塊的形狀最復(fù)雜，人類活動(dòng)的干擾程度相對(duì)較低，而城鄉(xiāng)工礦居民用地、水域、耕地的較小，變化也不太明顯，也反映出人為景觀和自然景觀相比，更趨于規(guī)則，差異不顯著。

3.2 景觀水平指數(shù)

研究區(qū)景觀水平指數(shù)見表3，反映出研究區(qū)的整體景觀格局變化特征，斑塊數(shù)呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，而最大斑塊指數(shù)卻下降，說明研究區(qū)景觀的破碎化程度加劇，人類干擾力度在增加。SHDI從1987到1996年增加較多，增加了13.58%，之后呈微小增加，表明在研究初期斑塊類型為非均衡分布，即各斑塊所占面積比例差別較大，之后逐漸趨于均衡分布，各類型斑塊所占面積比例分配相對(duì)均勻。SHEI呈持續(xù)增加趨勢(shì)，說明研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)斑塊面積逐漸減少，所以各斑塊類型在景觀中趨于均勻分布。CONTAG值明顯降低，而且在研究時(shí)段內(nèi)，聚集度逐步下降，反映出斑塊類型增加，各種類型斑塊的優(yōu)勢(shì)度降低且連通性變差，也進(jìn)一步說明了研究區(qū)各類型斑塊在空間分布上的均衡化趨勢(shì)。

表3 景觀水平的景觀指數(shù)

4 結(jié)論

（1）從整體來看，研究區(qū)農(nóng)業(yè)景觀類型中草地占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其次為林地、旱地先增加后減少，水澆地逐漸增加；草地整體逐漸減少，其中高草在增加，而中、低草逐漸減少；林地整體先減少后增加，其中有林地、灌木林先減少后增加，疏林及未成林持續(xù)增加；水域整體變化不顯著，呈微弱起伏；城鄉(xiāng)工礦居民用地大幅增加；未利用地逐漸減少。

（2）從景觀指數(shù)來看，研究區(qū)1987—1996年間，各景觀類型斑塊數(shù)增加，平均斑塊面積減小，斑塊密度大，破碎化明顯，反映出研究區(qū)受人為干擾明顯，而在2005年之后，朝著改善的方向發(fā)展。CONTAG指數(shù)整體持續(xù)下降，表明景觀中各種類型的斑塊在空間分布出現(xiàn)了均衡化，SHDI指數(shù)和SHEI指數(shù)表現(xiàn)出波動(dòng)性變化，整體平穩(wěn)增加，反映出研究區(qū)不同類型的農(nóng)業(yè)景觀分配相對(duì)均勻，景觀的異質(zhì)性增加。

（3）研究區(qū)農(nóng)業(yè)景觀格局變化的首要原因在于人口的持續(xù)增加，受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平的限制，對(duì)耕地需求增加，而草地、林地、灘涂成為開墾的首選對(duì)象，以及為了從土地獲取更多的產(chǎn)出，大量修建水利設(shè)施等［15］。其次，國家政策也起著十分重要的作用，上世紀(jì)80年代初通過實(shí)施家庭聯(lián)產(chǎn)承包制度后，由原來國家統(tǒng)一安排轉(zhuǎn)向農(nóng)民自發(fā)的多元經(jīng)營(yíng)模式轉(zhuǎn)變。一方面農(nóng)民急功近利，過度開發(fā)，擴(kuò)大種植面積；另一方面，種植的多元化加劇了景觀的破碎化［16］。后來由于國家退耕還林還草政策影響和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，寧夏中部干旱帶進(jìn)行了大規(guī)模的退耕還林還草工程，天然林資源保護(hù)工程，綠化荒山荒地等，對(duì)坡耕地有計(jì)劃有步驟地退耕還林還草等，林草地面積大幅度增加，耕地面積大幅度減少，未利用地面積減少。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加快，水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加強(qiáng)，促使建設(shè)用地規(guī)模急劇擴(kuò)大，水澆地面積持續(xù)增長(zhǎng)。

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