天山北坡土地利用景觀格局動態變化及驅動機制分析

徐麗萍 李慧婷 郭鵬 等

摘要：以1990年、2000年和2010年3個時期的土地利用覆被數據為基礎，在Arcmap和Fragstats 3.4軟件的支持下，利用景觀格局指標分析了天山北坡的景觀格局現狀和動態變化，并利用相關性定性分析和主成分定量分析2種方法分析了引起這種變化的驅動力。結果表明，①天山北坡1990～2010年土地利用類型變化顯著，荒漠、耕地、城鄉建設用地面積不斷增加，草地、水域以及林地面積都出現了不同程度的減少。②斑塊形狀總體趨向于不規則與復雜，景觀的多樣性指數和均勻度指數降低，各景觀類型所占比例差異增大，景觀斑塊的破碎化程度增強。③在基于相關性分析的定性分析中，影響天山北坡景觀格局變化的因素主要包括氣候因子、人口因子以及經濟因子；其中，氣候因子主要影響著草地、水域、林地等天然土地利用類型的景觀格局，而人口因子和經濟因子主要影響著耕地以及城鄉建設用地的景觀格局動態變化；在基于主成分分析的定量分析中，自然驅動的貢獻率小，人文驅動的貢獻率大。

關鍵詞：土地利用；景觀格局；動態變化；驅動機制；天山北坡

中圖分類號：F301.24 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）04-0947-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.034

Dynamic Change of Land Use Landscape Pattern and Its Driving Mechanism in Northern Slope of the Tianshan Mountains

XU Li-ping，LI Hui-ting，GUO Peng，ZHANG Zheng-yong

（College of Science， Shihezi University， Shihezi 832003， Xinjiang， China）

Abstract： Taking the Northern slope of the Tianshan Mountain as study area， with remote sensing images of 1990， 2000， 2010 as information source， changes of data related with landscape pattern indices were analyzed using Arcmap and the landscape pattern analysis software Fragstats 3.4. Correlation analysis and Principal component analysis were applied for analyzing the drive of the changes. The primary conclusions were as follows； ① Land use changes significantly， desert， farmland， urban and rural construction land increased； while grassland， water and forest area have suffered different degrees of reduction. ② Patch shape tend to change irregularly and complexly overall； landscape diversity and evenness has decreased；the difference of each type of landscape increased； and the degree of fragmentation increased. ③ According to the correlation analysis， the factors of the landscape pattern changes include climatic factors， demographic factors and economic factors， among which climate factors impacts grassland， water， forest and other natural land use types landscape patterns mainly； while population factors and economic factors affects arable land and urban and rural construction land mainly. According to principal component analysis， the contribution of natural factors is small； and the contribution of human-driven is big.

Key words： land use； landscape pattern； dynamic change； driving mechanism； Northern slope of the Tianshan Mountains

土地利用/土地覆蓋變化（Land use/Land cover change，LUCC）研究己經成為全球變化研究的前沿和熱點[1，2]，與此同時，隨著景觀生態學的發展，基于景觀格局的土地利用/土地覆蓋變化也成為研究熱點，不僅為景觀生態評價與設計等應用研究提供基礎，也可為區域規劃與生態建設提供科學依據[3，4]。把握景觀空間格局的演變過程與驅動力，是景觀生態安全評價的前提與基礎，所以具有重要的意義。關于區域景觀格局動態變化及驅動力分析，國內外學者已經進行了大量研究；目前，國外學者已在各種區域尺度以及時間尺度上進行了眾多的探討，其研究方法也從定性分析發展為定量分析，包括使用嚴謹的數理統計方法、構建模型等[5-10]；國內學者也在不同尺度上對景觀格局進行了研究，包括城市、流域、濕地以及森林、草地等不同景觀類型開展了景觀格局研究，其研究方法也逐漸趨向于多元化，尤其是關于驅動力的研究，更多的學者開始注重分析其機理[11-26]。不過這些研究多集中在中東部經濟較發達的地區，對于干旱區景觀，尤其是像天山北坡這樣典型的干旱區山盆系統的研究還較少。課題組在前人研究的基礎上，基于景觀生態學的理論與方法，對天山北坡1990年、2000年、2010年景觀格局的特點及其變化趨勢進行了分析；通過比較流域內各景觀類型的時空動態變化，揭示景觀類型之間相互作用的機制，以及景觀要素動態演替的方向、過程或變化趨勢；探索景觀格局的變化對生態環境所產生的影響，并采用相關分析與主成分分析方法分析了影響景觀格局形成與發展的驅動力以及人類活動在景觀格局動態中所起的作用，以期為實現研究區可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天山北坡是地處中國西北干旱區的一個大幅度、多層次而有規律的、典型的“山盆系統（Mountain-basin system，MBS）”，主要系天山山脈中段博格達山、依連哈比乃山和婆羅科努山分水嶺以北的區域，面積為95 598 km2。包括烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市、昌吉市、呼圖壁縣、瑪納斯縣、沙灣縣、烏蘇市、奎屯市、奇臺縣、吉木薩爾縣、木壘縣和精河縣等。天山北坡屬內陸干旱區，夏季炎熱干旱，冬季寒冷多風，年均氣溫6.9 ℃，年均降水量220 mm，平均蒸發潛力1 817 mm。年均降水由南部山區中低山帶的500 mm 降至北部沙漠區的100 mm 左右；年均氣溫由山區的<2 ℃到平原的6～8 ℃。根據研究區自然地理條件和景觀的分異規律，將研究區從南向北依次劃分為中高山帶、前山帶、人工綠洲區、北部沙漠區以及荒漠過渡帶。中高山帶通常指主體山脈，海拔大于1 600 m；前山帶指位于主體山脈之前的低山區，是中高山帶與平原區之間的過渡帶，一般由一排或幾排褶皺構造帶和相間的山間洼地組成；人工綠洲區通常位于前山帶河流出山口形成的沖洪積扇和沖積平原上，其下部緊臨北部沙漠區。中高山帶、前山帶、人工綠洲區、北部沙漠區和荒漠過渡帶占研究區的比例依次為23.0%、6.3%、29.7%、24.5%和16.5%。

1.2 數據獲取與處理

采用1990年、2000年與2010年的Landsat TM（分辨率 30 m×30 m）遙感影像數據，輔助資料為天山北坡行政區劃圖、土地利用圖、Gooleearth等。數據處理平臺為Envi 4.8遙感圖像處理系統、Arc GIS10.0地理信息系統和Fragstats 3.4景觀指數統計軟件。首先利用Envi 4.8對得到的遙感影像進行預處理，之后利用監督分類方法對圖像進行分類，然后導入到ArcGIS 10.0中，將瑪納斯河流域土地利用圖歸并為8類（耕地、林地、草地、水域、鹽堿地、荒漠、冰川/永久積雪、城鄉建設用地），并將柵格數據分辨率重采樣為60 m，最后在Fragstats 3.4中計算景觀格局指數。氣候數據年平均氣溫、年降水量由天山北坡的11個氣象站提供；經濟與人口數據由新疆維吾爾自治區統計局提供。

1.3 分類方案

依據分類結果，結合實際研究需要，利用Arc GIS 10.0軟件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、城鄉建設用地8個一級地類，處理后的天山北坡土地利用類型情況見圖1。

1.4 景觀格局分析指標選擇

本研究的目標是從宏觀尺度上分析研究區景觀結構。Fragstats 3.4軟件可以計算出60多個指標，根據數據的易取性和計算精度二方面考慮，最后從Fragstats 3.4軟件中選取了具有代表性的12個指標，分三個方面對天山北坡景觀格局進行分析。第一類是斑塊形狀指數，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（AWMS1）、面積加權平均斑塊分維數（AWMPFD）；第二類是多樣性指數，包括Shannon多樣性指數（SHDI）、Shannon均勻度指數（SHEI）；第三類是景觀破碎化指數，主要包括斑塊數目（NP）、斑塊面積（CA）、斑塊密度（PD）、斑塊平均面積（MPS），另外還包含表征景觀基本情況的景觀面積（TA）、景觀類型面積比（PLAND）。以上這些指數的計算方法以及生態學意義詳見參考文獻[21]，這里不再一一詳述。

1.5 景觀格局驅動力分析

本研究對景觀格局驅動力分析采用定性分析與定量分析相結合的方式，分別采用相關分析和主成分分析2種分析方法，并對分析結果進行比較。

首先選取國內生產總值、第一產業生產總值、第二產業生產總值、第三產業生產總值、年末總人口數、農業人口數、年平均氣溫、年降水量等8個因子進行天山北坡景觀格局動態變化的驅動力分析。由于驅動力因子對景觀格局的影響具有一定的滯后性，故將此8個指標在1980—1990年、1991—2000年、2001—2010年的數據取平均值作為1990、2000、2010年的數據，并與選取的景觀指數進行相關性分析、顯著性檢驗、定量分析。

第二種方法首先選取代表自然驅動的年平均氣溫（℃）、年均降水量（mm）和年均濕度（%）3個自然因素，人為驅動因素考慮年末總人口（萬人）、農業人口（萬人）、非農業人口（萬人）、國內生產總值（萬元）、第一產業產值（萬元）、第二產業產值（萬元）、第三產業產值（萬元）、農林牧副漁總產值（萬元）、牲畜數量（萬頭、萬只）、機械總動力（萬kw）、第一產業比重、第二產業比重、第三產業比重、社會固定資產投資（萬元）等，分別屬于人口、經濟發展水平、科學技術進步和政策支持等范疇，然后對篩選出的17種社會經濟與氣象因子在做完標準化處理后進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 景觀格局基本情況

天山北坡2010年景觀類型總面積為14 965 379 hm2，其1990～2010年各單元類型面積占總面積的比例情況見圖2。從圖2可見，在2010年，草地和荒漠2個土地利用類型控制著該地區的景觀，兩者分別占景觀總面積的19%和50%，其次為耕地，占景觀總面積的17.63%，鹽堿地、水域、林地、冰川/永久積雪、城鄉建設用地5種景觀類型所占面積較少，其之和為13.47%。從面積看，荒漠應是研究區景觀的基質類型。

從圖2還可見，在1990～2010年20年間，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1 398 936 hm2；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116.8%；荒漠的增加幅度也比較明顯；草地以及鹽堿地減少的幅度最大，草地從1990年到2010年總面積減少了492 856 hm2，鹽堿地總面積減少了1 449 166 hm2，后者減少率高達72.8%。另外，水域、林地也有不同程度的減少。總之，在荒漠、耕地和城鄉建設用地面積驟增的同時，是草地、林地等類型面積的減少。

2.2 景觀斑塊形狀指數

20年來天山北坡景觀斑塊形狀指數統計情況見表1。從表1可見，1990～2010年天山北坡總體的斑塊邊界總長度（TE）、邊界密度（ED）呈明顯下降的變化趨勢，這說明天山北坡的斑塊數量在減少，可能是由于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。而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）在總體上都呈上升趨勢，且上升幅度較大。這說明天山北坡斑塊形狀總體趨向于不規則與復雜，可能是由于人類活動的干預，造成了生態交錯帶呈鋸齒狀或其他不規則狀的邊界類型結果。

1990～2010年天山北坡景觀各單元類型斑塊形狀指數統計情況見表2。從表2可見，荒漠的邊界密度（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、耕地、林地，水域、冰川/永久積雪和城鄉建設用地的各項指數均較小。這說明在研究期內，荒漠、耕地、草地與林地的斑塊形狀指數較為不規則和復雜，可能是由于草地與荒漠在研究區所占的面積較大、與其他景觀類型鑲嵌分布造成的，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形成的。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的緣故。

20年來天山北坡景觀的面積加權平均形狀指數（AWMSI）比較情況見圖3，天山北坡景觀的面積加權平均斑塊分維數（AWMPFD比較情況見圖4。從圖3與圖4可見，在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，鹽堿地、冰川/永久積雪、草地景觀類型整體呈下降變化趨勢。荒漠與耕地景觀類型有明顯的增加趨勢，尤其是耕地景觀類型受人類活動的影響最明顯，在近10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。而水域與城鄉建設用地景觀類型的變化趨勢不明顯。

2.3 景觀多樣性指數

20年來天山北坡景觀的Shannon多樣性指數與Shannon均勻度指數比較情況見圖5。從圖5可見，在1990～2010年，天山北坡景觀的Shannon多樣性指數與Shannon均勻度指數都呈下降變化趨勢，其中，Shannon多樣性指數下降了7.2%，Shannon均勻度指數也下降了7.2%，兩者下降幅度都比較大。Shanon多樣性指數和Shanon均勻度指數降低意味著優勢度的增加，即優勢景觀類型的比例增加，單一組分對景觀的控制作用增強。各景觀類型所占比例的差異增加，景觀異質性減弱。上述各指數的變化趨勢在一定程度上反映了人類活動對景觀整體的影響，這主要表現在由于人類不合理的土地利用，使草地退化與荒漠化嚴重，導致原本就在整個景觀中占主導地位的荒漠面積增加，所占比例上升，其對景觀的控制作用也隨之增強。與此同時，原來在景觀中比例較大的鹽堿地與草地所占比例不斷減小，兩者對整個景觀的控制作用也與日俱減。

2.4 景觀破碎化指數

20年來天山北坡景觀破碎化指數統計情況見表3。從表3可見，在1990～2010年，天山北坡的斑塊數目整體呈下降變化趨勢，斑塊密度有相同的變化軌跡，而斑塊平均面積變化趨勢則相反，整體呈上升趨勢，這說明研究區景觀斑塊的破碎化程度在降低。

1990～2010年天山北坡景觀類型破碎化指數統計情況見表4。從表4可見，在研究區內不同景觀類型之間的斑塊密度（PD）和斑塊平均面積（MPS）相差比較大。如荒漠的斑塊密度在各個時期都是數一數二的，這主要是因為近年來人類活動的開發力度加強，導致連片荒漠破碎為小片斑塊所致；鹽堿地與草地在20年內減少的趨勢明顯；耕地、城鄉建設用地、水域、冰川/永久積雪的斑塊密度較小，且在20年間無明顯變化。各景觀類型的斑塊平均面積在不同時期有很大的差異，其中工礦、交通、居民用地等城鄉建設用地的斑塊平均面積在各個時期都是比較大的；其次為耕地，耕地不僅斑塊平均面積較大，且在近年來增加趨勢明顯；林地、水域、草地和冰川/永久積雪的平均斑塊面積在各個時期都比較小。綜上所述，在研究期內，草地、荒漠和鹽堿地的景觀破碎化程度較高，其他各景觀類型的景觀破碎化程度較低。

3 景觀格局變化的驅動力分析

3.1 基于相關性的驅動力分析

將當地的國內生產總值、第一產業生產總值、第二產業生產總值、第三產業生產總值、年末總人口數、農業人口數、年平均氣溫、年降水量等8個驅動力因子分別與天山北坡的景觀破碎化指數中斑塊密度（PD）的各類型如城鄉建設用地斑塊密度、水域斑塊密度、冰川/永久積雪斑塊密度、鹽堿地斑塊密度、林地斑塊密度、耕地斑塊密度、草地斑塊密度、荒漠斑塊密度以及天山北坡的斑塊密度、邊界密度（ED）、斑塊平均面積（MPS）、面積加權平均形狀指數（AWMSI）、面積加權平均斑塊分維數（AWMPFD）、Shannon多樣性指數（SHDI）、Shannon均勻度指數（SHEI）進行相關性分析，并進行顯著性檢驗，結果見表5。

3.1.1 氣候因子 通過對天山北坡11個氣象站的氣候數據進行整理，可以得到天山北坡1981～2010年間的年平均氣溫和降雨量連續變化的動態情況，具體見圖6。從圖6可見，天山北坡1981～2010年間的平均氣溫、年平均降水的變化總體呈上升趨勢，說明在全球變暖背景下，天山北坡從20世紀80年代以來氣候暖濕化趨勢較為明顯。氣溫的大幅度上升導致冰川/永久積雪融化，冰川面積大幅度減少；另外，氣溫上升引起的區域強烈蒸發是造成天山北坡荒漠面積增加的重要原因。雖然天山北坡降水量也有所增加，但其上升幅度明顯小于氣溫。因此，降水量增加所帶來的效應就顯得相對弱一些。結合表5可知，降水對耕地面積的影響較大，與之呈顯著正相關；而氣溫主要影響冰川/永久積雪、耕地面積、荒漠面積以及斑塊平均面積（MPS）。

3.1.2 人口因素 目前，已有眾多學者針對人口變化對景觀格局變動產生的影響展開了研究。課題組根據天山北坡各地20余年的人口數據，對天山北坡人口數量及人口結構進行了統計，結果見圖7。從圖7可見，天山北坡1988～2010年間人口總數發生了很大的變化。通過進一步對農業人口和非農業人口數據分析對比，發現人口結構變化異常明顯，農業人口在總人口中所占的比例大幅下降。人口總數的增加帶來的是相應的糧食需求，這也是近20年來天山北坡耕地面積大幅增加的原因；同時，農業人口所占比例的下降意味著非農業人口的數量增多，這也是造成天山北坡城鎮大面積擴張的重要原因。耕地的增加與城鎮的擴張帶來的是大量的草地與林地被占用，以及對水的大量利用，這可以用來解釋天山北坡1990～2010年耕地、城鄉建設用地面積增加，而林地、水域、草地面積大量減少的現象。結合表5可知，農業人口與面積加權平均形狀指數（AWMSI）、面積加權平均斑塊分維數（AWMPFD）呈顯著正相關，與Shannon多樣性指數（SHDI）和Shannon均勻度指數（SHEI）呈顯著負相關，這說明農業人口的增加是造成天山北坡景觀形狀復雜化和景觀多樣性下降的重要原因。

3.1.3 經濟因素 天山北坡是新疆維吾爾自治區經濟最發達的地區，天山北坡經濟帶在全疆有著舉足輕重的影響，也是我國國土綜合開發的19個重點片區之一，更是開發大西北的重點地區。通過對天山北坡國民生產總值及各產業結構組成進行統計后發現，天山北坡1980～2010年30年間經濟發展迅速，尤其是近10年來，經濟發展出現了質的飛躍，產業格局也發生了較大調整，具體見圖8。從圖8可見，天山北坡近30年間第一產業增長緩慢，而第二、第三產業發展迅速，產業增速格局也呈現出“二、三、一”的發展態勢。結合表5可知，經濟的發展與城鄉建設用地、耕地面積變化呈顯著正相關，而同草地、林地、水域、荒漠面積變化呈顯著負相關關系，這說明經濟的發展以及產業結構的調整加強了對基礎設施建設、工業及居民用地的需求，對荒漠等未利用土地開發利用的強度也隨之增加，引起了建筑面積的擴張和未利用土地的減少。另外，經濟的發展離不開資源的供給，包括水資源、能源等，這也是造成水域、林地等大面積減少的原因之一。數據也顯示：第一產業生產總值與斑塊密度PD、邊界密度ED呈顯著負相關關系，與斑塊平均面積（MPS）呈顯著正相關，這說明研究區第一產業生產總值的上升與景觀斑塊的破碎化程度降低有一定的關聯性。

3.2 基于主成分的驅動力分析

將選取的17種社會經濟與氣象因子標準化處理后進行主成分分析，對分析結果共篩選了2個主成分，其累計貢獻率達到94.238%，符合分析要求，由此可得出旋轉之后的主成分載荷矩陣，具體見表6。主成分載荷是主成分與變量之間的相關系數；從表6可見，第一主成分主要與年末總人口、人口密度、GDP、第一產業產值、第二產業產值、第三產業產值、固定資產投資等11項人為驅動因子具有顯著的正相關關系；第二主成分主要與年均氣溫和年均降水量指標具有較大關系，反映出自然驅動對土地覆被變化的影響。從相關系數的數值可以看出，研究區景觀格局變化與經濟發展水平、政策導向（投入）、人口等人為驅動因素密切相關，與氣候變化等自然驅動因素密切程度低。同時，不難看出，研究區近年來經濟活動及經濟快速發展對天山北坡景觀格局動態變化起著最主要的推動作用。

3.3 天山北坡景觀格局變化的驅動機制

基于相關性的驅動力分析采用驅動力因子數據與天山北坡的景觀格局指數相結合進行相關分析的方法，對每一個景觀指數的驅動機制都有所表達，進而對研究區整體景觀格局的驅動機制進行了詳細的刻畫。結果表明，影響天山北坡景觀格局變化的因素主要包括氣候因子、人口因子以及經濟因子；其中，氣候因子主要影響著草地、水域、林地等天然土地利用類型的景觀格局，而人口因子、經濟因子主要影響著耕地以及城鄉建設用地的景觀格局動態變化。造成天山北坡景觀形狀復雜化和景觀多樣性下降的重要原因是農業人口的增加；研究區第一產業生產總值的上升與景觀斑塊的破碎化程度的降低存在一定的關聯性。

基于主成分的驅動力分析，將對研究區景觀格局有影響的驅動因子進行主成分分析，并選出2個主成分，此方法能夠從整體上反映出影響天山北坡景觀格局的貢獻較大的驅動因子，結果表明，研究區景觀格局變化與經濟發展水平、政策導向（投入）、人口等人為驅動因素密切相關，自然驅動因素對景觀格局變化的影響較小。

4 小結與討論

研究結果表明，天山北坡1990～2010年的土地利用類型變化顯著，荒漠、耕地、城鄉建設用地面積不斷增加，草地、水域以及林地面積都出現了不同程度的減少。在20年間，天山北坡斑塊形狀總體趨向于不規則與復雜；景觀的多樣性指數和均勻度指數降低，各景觀類型所占比例差異增大，景觀異質性減弱；景觀斑塊的破碎化程度在增大。影響天山北坡景觀格局變化的因素主要包括氣候因子、人口因子以及經濟因子，其中，氣候因子主要影響著草地、水域、林地等天然土地利用類型的景觀格局，而人口因子、經濟因子主要影響著耕地以及城鄉建設用地的景觀格局動態變化。研究區景觀格局變化與經濟發展水平、政策導向（投入）、人口等人為驅動因素密切相關，與氣候變化等自然驅動因素密切程度較低。

天山北坡景觀格局及其變化往往是多種驅動因素共同作用的結果，其中人口、經濟、政策等人文因素以及氣溫、降水等自然因素對景觀格局的影響較顯著。國內外學者在景觀格局驅動力方面已做了大量的研究，采用的方法主要包括定性分析法與定量分析法，而定量分析中比較常用的包括主成分分析法、相關分析法等，課題組采用主成分分析法與相關分析法2種相結合的分析方法，分別從單個景觀類型以及整體景觀格局2個水平上對天山北坡的景觀格局驅動機制進行了初步分析。2種方法均表明，人口、經濟等人為因素對研究區景觀格局產生了重要的影響，尤其是對研究區整體景觀格局變化影響更深刻；而氣溫、降水等自然因素對單一景觀類型的影響較大，對整體景觀格局的影響程度低，這與以往的研究結論基本相吻合。

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