瑪納斯河流域景觀格局變化與地形控制分析

李慧婷，徐麗萍，郭 鵬，劉 琳

（石河子大學 理學院，新疆 石河子832003）

土地利用/覆被變化（LUCC）研究是全球變化的重要研究課題［1－2］。土地利用/覆被格局具有典型的空間異質性，在空間上表現為不同土地利用類型斑塊的鑲嵌，反映了土地生態過程的作用結果。景觀格局指數可準確定量反映土地利用方式變化的時空狀態［3－4］。因此，很多國際組織在土地利用/覆被變化研究項目中都結合景觀格局分析來研究土地利用/覆被變化的空間結構及變化趨勢。關于流域土地利用/覆被變化及景觀格局變化，國內外學者已經進行了大量研究，目前，國內學者已對滇池流域、白洋淀流域、小江流域、石羊河流域、太湖流域、瀾滄江流域等開展了流域土地利用景觀格局研究［5－13］。不過這些研究多數采用景觀格局指數直接分析或者模型分析的方法，雖然能反映景觀格局的幾何特征，但往往難以揭示景觀格局演化的深層規律，而且模型方法也存在不確定性。而地形作為影響景觀分布最重要的原因之一，有研究表明，地形是影響景觀格局最重要的自然因子，是土地利用規劃和景觀規劃研究中必須考慮的自然因子，同時，地形也是景觀演變方向和速度的重要制約因素［14－18］。但在瑪河流域這樣的典型干旱地區鮮有基于地形對景觀格局演化規律的分析，本研究以1990年、2000年、2005年、2010年四個時期的土地利用數據以及60m分辨率的DEM數據為信息源，借助GIS和Fragstats軟件，通過利用空間數據疊加、景觀轉移矩陣揭示各景觀類型的時空轉化動態，并基于DEM數據的高程數據、坡度數據和坡向數據進行空間疊加和數理統計，探索瑪河流域景觀格局變化的三維特征及影響因素，為實現流域土地資源合理開發利用、景觀格局的優化及可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區簡介

瑪納斯河流域地處新疆天山北麓準噶爾盆地南緣，位于天山北坡經濟帶的中心。由南向北依次為山地、山前平原、沙漠三大地貌單元（比例約為2.83∶1∶1.07）［19］。從東到西依次為塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、八音溝河及其相連的5片沖積洪積扇。各河流均發源于北天山中段，順天山北坡向北流入干旱的準噶爾盆地，其中瑪納斯河全長400km，是準噶爾盆地水量最大、流程最長的內陸河流，注入準噶爾盆地西北部的瑪納斯湖（已干枯）。流域行政上屬于瑪納斯縣、沙灣縣、石河子墾區和克拉瑪依部分地區。年平均降水量100～200mm，時空分布不均。年平均蒸發量1 500～2 100mm，年平均氣溫4.7～5.7℃，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候。

瑪納斯河流域在古代屬于純牧區，自清代以來成為新疆的重點開發區域之一，新中國成立以后，瑪納斯河流域成為新疆開墾的最大的人工綠洲和我國第四大灌溉農業區［19］，社會經濟取得巨大發展。但是近年來，由于自然環境的變化，人口的不斷增長，經濟的發展，部分地區對水土資源的不合理利用等原因，使得流域土地利用發生劇烈的變化，出現了諸如尾閭湖干涸、草場退化、土地沙化、鹽漬化和生物多樣性降低等問題［19－20］。

1.2 數據獲取與處理

采用1990年、2000年、2005年與2010年的Landsat TM（分辨率30m×30m）遙感影像數據，輔助資料為瑪納斯河流域行政區劃圖、土地利用圖、Gooleearth等。數據處理平臺為Envi 4.8，ArcGIS 10.0和Fragstats 3.4。首先利用Envi 4.8對得到的遙感影像進行預處理，之后利用監督分類法結合DEM，Gooleearth等輔助對圖像進行分類。基于劉紀遠等土地利用分類標準并結合研究區自身特點，將原標準進行修訂最終將二級地類合并為耕地、林地、草地、水域、鹽堿地、荒漠、冰川/永久積雪和城鄉建設用地八個一級地類，并將柵格數據分辨率重采樣為60m，最后在Fragstats 3.4中計算景觀格局指數。

1.3 景觀格局指標選擇

本研究根據數據的易取性和計算精度兩方面選取斑塊形狀指數，包括斑塊邊界長度（TE）、邊界密度（ED）、面積加權平均形狀指數（AWMS1）、面積加權平均斑塊分維數（AWMPFD）；景觀面積（TA）、景觀類型面積比（PLAND）等進行景觀格局分析。以上這些指數的計算方法以及生態學意義詳見參考文獻［4，21］，本文不再一一詳述。

2 結果與分析

2.1 瑪河流域景觀格局現狀及時間變化

瑪納斯河流域2010年景觀類型總面積為3 404 998 hm2，把荒漠、鹽堿地等未利用地作為主導景觀類型，草地和耕地其次，草地和荒漠兩者占景觀總面積的百分比分別為35.8%和31.8%，控制著該地區的景觀；其次為耕地，面積百分比為21.85%，鹽堿地、水域、林地、冰川/永久積雪以及城鄉建設用地五種景觀類型所占面積較少，五類之和為11.6%。從面積比重看，草地應是研究區景觀的基質類型（見表1）。

1990—2010年20a間，耕地以及城鄉建設用地的增加幅度最大，耕地總面積共增加了283 761hm2，增長率為61.66%；城鄉建設用地雖然增加的面積不大，但增長率卻非常高，達到39.1%。草地以及冰川/永久積雪減少的幅度最大，草地由1990—2010年總面積減少了184 045hm2，冰川/永久積雪的減少率更是高達29.85%。另外，荒漠、鹽堿地也有不同程度的減少，林地與水域的變化幅度不大，總之，耕地和城鄉建設用地面積驟增的同時伴隨著草地、荒漠等其他地類面積的減少（見圖1）。

2.2 瑪河流域景觀斑塊形狀的時間變化

描述景觀斑塊形狀的指數有很多，包括斑塊邊界總長度TE、邊界密度ED、面積加權平均形狀指數AWMSI以及面積加權平均斑塊分維數AWMPFD。

表1 瑪納斯河流域景觀單元類型面積及百分比

圖1 瑪納斯河流域景觀單元類型面積百分比

表2 瑪納斯河流域景觀斑塊形狀指數

就整個瑪納斯河流域而言，1990—2010年，研究區的斑塊邊界總長度TE、邊界密度ED、面積加權平均形狀指數AWMSI以及面積加權平均斑塊分維數AWMPFD總體都呈下降趨勢，尤其是斑塊邊界總長度下降趨勢最為明顯（見表2），這說明瑪納斯河流域斑塊形狀總體趨向規則與簡單的發展趨勢。這可能是由近年來流域的不斷開發所引起的，隨著人類社會與科學技術的快速發展，大量的天然用地被開發為人工用地，使得原來小面積的人工用地發展成大面積的、連片集中的景觀類型。

就瑪納斯河流域各景觀類型來看，耕地的邊界密度ED、面積加權平均形狀指數AWMSI以及面積加權平均斑塊分維數AWMPFD在各個時期都是最大的，其次為草地、荒漠，林地、水域和城鄉建設用地的各項指數均較小（見表3）。這說明在研究期內，耕地、草地與荒漠的斑塊形狀指數較為不規則和復雜，這可能是由于草地與荒漠在研究區所占面積較大，與其他景觀類型鑲嵌分布，因此其形狀不規則，而耕地則是由于分布較分散，且單個斑塊面積較小，造成斑塊體形狀復雜。林地、水域和城鄉建設用地的斑塊形狀最為簡單，這主要是由于這幾種景觀類型斑塊形狀都比較穩定與規則。

表3 瑪納斯河流域景觀類型斑塊形狀指數

1990—2010年，不同景觀類型的面積加權平均形狀指數AWMSI以及面積加權平均斑塊分維數AWMPFD變化趨勢是不同的，荒漠、草地、林地與冰川＼永久積雪整體呈下降趨勢（見表3）。城鄉建設用地與耕地有明顯的增加趨勢，這兩種景觀類型受人類活動影響最顯著，尤其是近十年來，面積不斷增加，在擴張的過程中導致其斑塊形狀趨于復雜。鹽堿地、水域變化趨勢不明顯。

2.3 景觀單元類型轉換的地形梯度特征

通過對研究區1990年與2000年的土地利用數據進行疊加分析，得到景觀演變面積最大的十種轉化類型，分別為：草地轉為耕地、荒漠轉為耕地、冰川/永久積雪轉為荒漠、冰川/永久積雪轉為草地、荒漠轉為草地、鹽堿地轉為荒漠、耕地轉為城鄉建設用地、耕地轉為草地、草地轉為城鄉建設用地、水域轉為草地。

基于研究區數字高程模型，利用ArcMap軟件獲取高程圖、坡度圖與坡向圖，并將其分級，然后與主要景觀類型演變數據進行疊加分析，統計得出各景觀演變類型在不同高程、坡向、坡度的分布情況。

根據主要景觀單元演變類型分級統計結果，研究區景觀類型演變存在明顯的地域分異規律，在低海拔地區以草地向耕地的演變為主要演變方式，尤其是在海拔為350～450m的地區，草地轉為耕地的比例高達86%；在0～350m的地區，主要的景觀演變類型包括荒漠轉為耕地、草地轉為耕地以及鹽堿地轉為荒漠；3 000～5 000m的區域，以冰川/永久積雪轉為荒漠以及冰川/永久積雪轉為草地為主（見表4）。這說明近20a來，隨著人類活動的加劇，在人類的活動范圍內，即低海拔地區，大量的天然用地演變為人工用地，包括耕地以及城鄉建設用地。在高海拔地區主要表現為冰川/永久積雪轉為荒漠以及冰川/永久積雪轉為草地兩種景觀單元演變類型，這與高海拔地區冰川/永久積雪的大面積分布有關。

表4 主要景觀單元演變類型高程分級統計

景觀演變類型與坡向的關系不太密切，每一種景觀演變類型在各坡向的分布差異不大，只有草地轉為耕地類型在北坡的分布面積明顯高于南坡，冰川/永久積雪轉為荒漠以及冰川/永久積雪轉為草地兩種景觀單元演變類型主要分布在南坡，前者主要是由瑪納斯河流域的南高北低的地形特征決定的，后者主要是因為南坡溫度高于北坡，造成南坡冰雪消融。整體看來，草地轉為耕地在各個坡向的分布均較廣，其次是荒漠轉為耕地，水域轉為草地的區域在各個坡向均最少，此分布規律與景觀演變類型的面積排序一致，說明坡向對景觀演變類型的分布影響不大（見圖2）。

坡度對景觀類型演變的影響比較明顯，草地向耕地的演變主要位于坡度介于0°～10°的區域，荒漠向耕地的演變主要集中在0°～3°的區域，這都與耕地的限制因素相關；冰川/永久積雪向其他景觀類型的演變主要位于大于10°的坡度較高的地區，在0°～3°的區域沒有分布；其他幾種主要的景觀演變類型多分布在坡度小于10°的區域，尤其是鹽堿地向荒漠的演變以及耕地向城鄉建設用地的演變（見表5）。此外，值得關注的是：在10°～20°的較陡坡區域，仍有大面積的草地轉化為耕地，甚至在40°～90°的陡坡也有部分草地轉為耕地，這對生態環境的保護是極其不利的。

圖2 主要景觀單元演變類型坡向分級統計

總體分析主要景觀單元演變類型在各高程梯度、坡向梯度以及坡度梯度分布的數據發現：景觀類型演變存在明顯的地域分異規律，尤其與高程和坡度因子密切相關。

表5 主要景觀單元演變類型坡度分級統計

3 結論與建議

瑪納斯河流域1990—2010年土地利用類型變化顯著，荒漠、草地、水域以及林地面積都出現了不同程度的減少，耕地以及城鄉建設用地面積不斷增加，各景觀類型面積差異不斷減少。1990—2010年，瑪納斯河流域斑塊形狀總體趨向規則與簡單的發展趨勢，城鄉建設用地與耕地斑塊形狀趨于復雜，尤其是近十年來，面積不斷增加，在擴張的過程中導致其斑塊形狀趨于復雜。鹽堿地、水域變化趨勢不明顯。景觀類型演變存在明顯的地域分異規律，尤其與高程和坡度因子密切相關。

針對以上研究結論對土地利用規劃及景觀規劃提出以下幾個方面的建議：（1）控制耕地與城鄉建設用地的面積，尤其是耕地的面積，響應國家退耕還林與退耕還草的政策。為保證糧食產量，應該在保護生態環境的基礎上，提高耕地質量。與此同時，應采用一定的措施防治土壤鹽漬化與土地沙漠化。（2）針對城鄉建設用地與耕地斑塊形狀趨于復雜的問題，應對城鄉建設用地進行合理規劃，優化城鄉景觀格局，提高城市生產效率。（3）根據不同地形梯度上景觀格局演變類型分布結果，在低海拔、坡度小的區域，是人類主要聚集地，目前也是環境污染最嚴重的區域，因此在發展經濟的同時，要嚴格控制并管理重污染型工廠、防治城市點源污染與耕地面源污染；在中低海拔、坡度較緩的區域，開發耕地會加大水土流失發生的概率，但種植果樹有助于防風固沙，并且能增加經濟效益；在海拔較高、坡度較大的地區，更要減少耕地的分布，把已有的耕地轉為林地、草地，保持生態環境的平衡；在坡度陡的高海拔區域，植被分布主要是高山草原、草甸，景觀類型主要是冰川/永久積雪以及裸地，因此該區域生態環境及其脆弱，根據生態系統的穩定性原理，此種生態環境一旦遭到破壞便很難恢復，所以更應該加強生態環境的保護，具體做到規范并控制旅游開發，嚴禁破壞。

4 討 論

瑪納斯河流域作為新疆開墾的最大的人工綠洲和我國第四大灌溉農業區［19］，社會經濟取得巨大發展。近年來，由于自然環境的變化，人口的不斷增長，經濟的發展，部分地區對水土資源的不合理利用等原因，瑪納斯河流域的景觀格局發生了變化。其中，人口增加是瑪納斯河流域景觀格局變化的主要驅動因素，進入21世紀以來，人口的增加導致研究區耕地與城鄉建設用地的面積迅速擴大，與此同時，草地與荒漠的面積逐漸減少，進而造成各景觀類型面積所占比例差異減少，這一點，與以往研究得出的瑪納斯河流域景觀演變類型主要以草地與未利用土地轉化為耕地與建設用地的結論一致［22］。研究中發現，隨著人口的增加，對耕地的需求量不斷上升，在坡度較陡的區域，仍有大面積的草地轉化為耕地，這對生態環境的保護是極其不利的，會大大加大水土流失的發生頻率。要實現區域景觀格局的優化和生態功能的良性循環，必須重視土地利用格局優化，維護景觀生態過程與格局的連續性。

本文采用景觀單元類型轉移矩陣、主要景觀演化類型的地形梯度分析和空間數據疊加等方法，分別從高程、坡向、坡度三個方面對景觀格局演變的分布規律進行分析，結果表明：景觀類型演變存在明顯的地域分異規律，尤其與高程和坡度因子密切相關。但不同高程、坡向以及坡度帶上景觀演變類型對生態環境的影響及效應還未明確，在今后的研究中會對此問題進行進一步探討。

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