塔里木河中游耕地擴張及景觀破碎化研究

張志軍，伍維模，張 宏

（1.阿克蘇地區中心林管站，新疆 阿克蘇843000；2.塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300；3.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；4.新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾843300）

在全國耕地面積持續減少的大背景下，西北干旱地區的耕地卻呈現出擴張的趨勢[1,2]，尤其是塔里木河上、中游地區[3,4-7]。塔里木河是我國最大的內陸河，河流沿岸分布著南疆的主要灌溉綠洲。由于耕地擴張，農田、道路、人工渠等人為景觀的出現及增多，已經對塔里木河流域原始的荒漠河岸林景觀產生了重大影響[8]，突出表現為下游自然植被顯著減少、大面積胡楊林衰敗干死[9]及景觀的破碎化[4,10-13]。

景觀破碎化是指景觀類型破碎成更小的斑塊的過程[14,15]。景觀破碎化是導致生境喪失、斑塊隔離、邊緣效應發生，從而引起全球范圍內物種多樣性下降與損失的重要原因[14]。耕地擴張是人類活動造成生態系統或景觀破碎化的一個重要因子[14,16]。已有不少學者對塔里木河流域的景觀破碎化進行了研究[4,10-13,17]，但這些研究主要基于2010年以前的中低分辨率的衛星遙感數據生成的土地利用/覆蓋變化類型，較少有研究報道耕地擴張過程的變化軌跡[5,18]，以及耕地擴張對景觀破碎化的影響。因此，本研究以2007、2009、2013年和2015年的中高分辨率遙感影像為數據源，研究塔里木河中游的耕地擴張動態、耕地變化軌跡及對景觀破碎化的影響，旨在為該地區的林地、草地等自然資源、生態系統和生物多樣性保護提供依據。

1 材料與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆維吾爾自治區塔里木河中游英巴扎與卡拉之間，長約190 km，寬約33 km，地理位置在 40°47′～41°13′N 和 81°51′～83°40′E 之間（圖1）。屬于塔里木盆地北緣沖積平原，北鄰天山南麓洪積扇，南鄰塔克拉瑪干沙漠；海拔高度在928～1 005 m；年平均降水量30～50 mm；年蒸發量1 900～2 900 mm，屬于極端干旱大陸性荒漠氣候。研究區內包括庫車縣塔里木鄉、沙雅縣蓋孜庫木鄉和塔里木鄉，總面積4.3×105ha，總人口約2.9萬。

圖1 研究區地理位置示意圖（圖1的審圖號是GS(2015)125號）

1.2 數據來源及處理

本研究采用了4個時相的中高分辨率遙感影像，分別是2007年9月美國Landsat衛星（多光譜影像，30 m）、2009年10月德國RapidEye衛星（多光譜正射影像，5 m）、2013年7～9月資源一號02C衛星和資源三號衛星（全色、多光譜影像，2.1～5.8 m）、2015年7～9月中國資源三號衛星和高分1號（全色、多光譜影像，2～5.8 m）。

表1 耕地變化軌跡類別

1.3 景觀破碎化分析

遙感影像數據經過輻射校正、幾何校正、假彩色合成后，將2007、2009、2013年的遙感圖像與2015年的進行配準。參考以往的工作經驗[19]，采用人機交互屏幕目視解譯方法對4個時期的遙感圖像分別進行解譯分類。研究區的土地利用現狀類型劃分為耕地、公路用地、河流水面、村莊和其他地類5種類型。其他地類包括有林地、灌木林地、其他林地、天然牧草地、人工牧草地、其他草地、內陸灘涂、鹽堿地、沼澤地、沙地和裸地等。2014-07-10，開展外業植被類型調查，采集160個點的植被類型數據，用來驗證2013年遙感影像解譯分類的結果，總體分類精度為96.2%，Kappa系數為0.944。參考Sun and Zhou（2016）的方法[18]，共定義了7個耕地變化軌跡類別（表 1）。

表2 景觀格局指數及其計算公式[20]

采用景觀格局分析軟件FRAGSTATS 4.2[20]計算景觀格局指數。在參考前人研究成果的基礎上[21-23]，本研究選擇了7個類別水平及8個景觀水平的景觀格局指數來分析景觀破碎化程度（表2），即景觀分裂指數（Landscape Division Index，DIVISION）、分離度指數(Splitting Index，SPLIT)、有效粒度尺寸（Effective Mesh Size，MESH）、散布與并列指數（Interspersion and Juxtaposition Index，IJI）、聚集度指數（Aggregation Index，AI）、景觀形狀指數（Landscape Shape Index，LSI）、連接度指數（Connectance Index， CONNECT）和蔓延度指數（Contagion Index，CONTAG）。景觀格局指數的定義及景觀生態學意義參見景觀格局分析軟件FRAGSTATS的幫助文檔[20]。

2 結果與分析

2.1 耕地擴張的時空動態

圖2 塔里木河中游2007～2015年耕地面積的數量變化

由圖2可知，塔里木河中游研究區內耕地呈現出持續擴張的趨勢，耕地面積不斷增大。2007、2009、2013年和2015年的耕地面積分別是3.65×104hm2、4.34×104ha、5.08×104ha和5.62×104ha，分別占總面積的8.3%、10.0%、11.6%和12.9%。2007～2015年耕地面積平均年增長0.25×104ha。2007～2009年、2009～2013年、2013～2015年耕地面積年增長率分別為9.8%、4.2%和5.3%，表明從2009年之后，塔里木河中游耕地擴張的速度減弱了。

耕地空間分布在塔里木河南岸的耕地要比北岸的多（圖3）。2007、2009、2013年和2015年，塔河南岸的耕地面積分別是1.83×104ha、2.21×104ha、2.71×104ha和3.06×104ha，而塔河北岸耕地面積分別是1.82×104ha、2.13×104ha、2.37×104ha和2.56×104ha。總體上，耕地面積的擴張速度表現出塔里木河南岸要快于北岸，且水土資源豐富及交通條件較好的區域，開墾耕地數量最多。

圖3 塔里木河中 游2007～2015年耕地等地類分布圖

2.2 耕地變化軌跡

圖4 塔里木河中游2007～2015年耕地變化軌跡

表3 耕地變化軌跡類別的面積及景觀格局指數

從圖4及表3可以看出，塔里木河中游研究區內，2007～2015年耕地變化軌跡類別中，老耕地面積最大，為2.5×104ha，占總面積的5.8%。2009年和2013年擴張耕地面積分別是1.3×104ha和0.95×104ha；擴張的耕地在塔里木河兩岸均有分布，但南岸較北岸擴張得更多。2009年擴張的耕地面積，南岸為0.68×104ha，北岸為0.62×104ha；2013年擴張的耕地面積，南岸為0.58×104ha，北岸為0.37×104ha；在耕地擴張的同時，也存在著棄耕現象，2009年和2013年棄耕地分別是0.69×104ha和0.27×104ha。棄耕地主要轉換為其他用途，如城鄉居民及建設用地、鄉村道路等[11]，還有一部分是水毀后的撂荒。

2.3 景觀破碎化分析

表4 塔里木河中游2007～2015年耕地、其他地類及整個研究區景觀水平的景觀格局指數

在類別水平上的指數對于描述和理解景觀中不同類型斑塊的格局特征具有重要的作用[20,24]。從表4可以看出，2007～2015年耕地、其他地類兩個景觀類型隨著耕地面積擴張，景觀形狀指數（LSI）值持續增加，散布與并列指數（IJI）持續減少，表明景觀類型斑塊呈現出破碎化特征。2007～2015年在研究區總體上耕地景觀類型有破碎化的趨勢。但是，從2013～2015年之后，由于有效粒度尺寸（MESH）和連接度指數（CONNECT）略有增加，而景觀分裂指數（DIVISION）始終不變，說明與2007～2013年相比，2013～2015年耕地景觀的破碎化進程已經減緩。對于其他景觀類型，2007～2015年景觀分裂指數、分離度指數（SPLIT）和景觀形狀指數的值均持續增加，而有效粒度尺寸、散布與并列指數、聚集度指數（AI）和連接度指數（CONNECT）的值持續減少。表明隨著耕地的擴張，塔里木河中游研究區內其他地類景觀類型破碎化呈現出持續加劇的趨勢。

在景觀水平上的指數反映的是整個景觀鑲嵌體的破碎化特征[20,24]。從表4可知，2007、2009、2013年和2015年景觀分裂指數（DIVISION）值分別為0.80、0.81、0.82和0.83，分離度指數（SPLIT）值分別為4.90、5.35、5.58和5.78。2007～2015年研究區的景觀形狀指數值也持續增加，而有效粒度尺寸、散布與并列指數、聚集度指數、連接度指數和蔓延度指數（CONTAG）的值持續減少，表明塔里木河中游研究區景觀的破碎化呈現出加重的趨勢。

老耕地的分離指數及景觀形狀指數值是所有變化軌跡類別中最小的，而有效粒度尺寸值，散布與并列指數，聚集度指數值是最大的（表3），表明耕地擴張過程中，耕地變化軌跡類別中除了一直不發生變化的老耕地之外，其他變化軌跡類別的破碎化程度要高于老耕地。

3 討 論

塔里木河流域兩岸天然植被是橫亙在人工綠洲經濟帶和塔克拉瑪干沙漠之間的唯一屏障，生態區位十分重要。從上世紀50年代以后，塔里木河源流及干流地區大規模發展灌溉農業、毀林開荒（主要是平原天然林），擴大棉花的種植面積，造成了嚴重的生態環境問題[9]。為了保護新疆的平原天然林，尤其是南疆塔里木盆地的胡楊林和荒漠灌生林，2009-02-01起施行《新疆維吾爾自治區平原天然林保護條例》，并以此為執法時間界線，對不在建成鄉范圍的新墾耕地全部退出，采取人工和自然相結合的技術措施，恢復新墾耕地森林資源。基于2007～2015年的中高分辨率的衛星遙感影像，本研究發現塔里木河中游研究區內耕地仍然呈擴張趨勢。因此，應該加大法律法規宣傳，使當地居民知法懂法，共同維護脆弱的生態系統。

景觀格局指數可以用來定量描述和監測景觀結構特征隨時間的變化[24]。景觀分裂指數、分離度指數和有效粒度尺寸能有效地度量人類活動引起的景觀破碎化[23]。前人的研究結果表明，當景觀分裂指數和分離度指數值增大，有效粒度尺寸減小，就表明景觀破碎化程度加大[20,25]。本研究發現，2007～2015年，在類別水平上的景觀類型（其他地類）與景觀水平上的整個景觀鑲嵌體的景觀分裂指數和分離度指數值均增大，而有效粒度尺寸均減小，表明塔里木河中游其他地類（如林地、草地等）及整個研究區景觀因耕地擴張表現出明顯的破碎化現象，斑塊隔離程度增大。該結果與多數研究者對塔里木河流域2010年以前的景觀格局分析的結果是一致的[10-12,26]。

尺度，如空間分辨率、范圍對景觀格局指數有重要影響[24,27-29]。在本研究中，2007年的土地利用類型來源于中等空間分辨率（30 m）Landsat陸地衛星的遙感數據，2009、2013和2015年的土地利用類型來源于高空間分辨率的衛星數據（2～5 m）。高空間分辨率的衛星數據用于塔里木河中游的耕地解譯及景觀格局特征的分析還不多見。由于數據源的空間分辨率不同，直接用不同空間分辨率的土地利用現狀類型的柵格文件來進行景觀格局指數的計算，會因為柵格像元大小不同，產生景觀指數的粒度效應[27-31]。也就是說，同一研究區同一時期的景觀格局指數會隨著粒度大小變化而變化。為此，本研究在解譯4個時期不同空間分辨率的遙感影像時，先生成矢量型數據文件，再重采樣為相同像元大小的土地利用現狀類型的柵格文件，據此來進行不同年份的景觀格局指數的計算與比較，可以減少因不同年份的遙感數據空間分辨率不同帶來的景觀格局指數的粒度效應。

耕地擴張及景觀破碎化的驅動力除了環境因素之外，人類活動，尤其是人口、社會經濟活動的壓力也是重要的因素[15]。本研究雖然揭示了自2009-02-01施行《新疆維吾爾自治區平原天然林保護條例》之后，塔里木河中游的耕地擴張及景觀格局變化的特征，但對于耕地擴張的驅動力還需要進一步研究。

4 結 語

1）2007～2015年塔里木河中游研究區耕地面積呈持續擴張的態勢；2007～2015年耕地面積平均年增長0.25×104ha；2009年之后，塔里木河中游耕地擴張的速度減弱。塔里木河南岸的耕地面積、2009年擴張耕地和2013年擴張耕地面積均大于北岸。

2）2007～2015年塔里木河中游耕地變化軌跡類別中，老耕地的景觀破碎化程度低于2009、2013年擴張耕地，2009年棄耕地和2013年棄耕地等類別。

3）隨著耕地擴張，塔里木河中游耕地以外的其他地類景觀及整個研究區的景觀破碎化程度加大，這對于保護生態系統和生物多樣性帶來了更大的壓力。

致謝：作者感謝美國Landsat項目、德國RapidEye和中國資源衛星應用中心提供本研究所用的衛星遙感數據。