克里雅河中游土地利用/覆被與景觀格局變化研究

祖拜代·木依布拉,夏建新,*,普拉提·莫合塔爾,,張 潤(rùn)

1 中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,北京 100081 2 新疆大學(xué)旅游學(xué)院,烏魯木齊 830049 3 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所環(huán)境變化與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

土地利用變化是影響全球生態(tài)系統(tǒng)的決定性因素之一,同時(shí)也是全球變化最直接和最重要的表現(xiàn)形式[1]。土地利用變化會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,從而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的維持[2]。因此,研究土地利用/覆被變化是科學(xué)規(guī)劃生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)的穩(wěn)定性具有重要意義。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)域土地利用/覆被(LULC,land use/land cover)變化進(jìn)行了大量的研究,這類(lèi)研究也成為了西北干旱區(qū)綠洲演變研究的主題[3-11]。學(xué)者對(duì)西北干旱區(qū)的黑河、石羊河、塔里木河和瑪納斯河流域土地利用與景觀格局變化研究中指出,在人類(lèi)活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下,這些流域土地利用與景觀格局發(fā)生了劇烈的變化,耕地等人工綠洲增加,而草地等天然綠洲呈退化趨勢(shì)。雖然干旱區(qū)綠洲LULC研究日趨成熟,但仍然存在一些不足。主要體現(xiàn)在多數(shù)研究關(guān)注LULC與景觀格局的時(shí)間變化特征,而缺乏其空間特征的分析；研究方法上,較多學(xué)者利用土地利用動(dòng)態(tài)度模型,而沒(méi)有定量分析LULC轉(zhuǎn)移方向。動(dòng)態(tài)度反映的僅是LULC之間的轉(zhuǎn)移,不能說(shuō)明轉(zhuǎn)移后的生態(tài)狀況好或差。在克里雅河流域,以往學(xué)者也從綠洲土地利用演變方面取得了許多成果[12-15],但也同樣存在以上不足。因此,針對(duì)目前存在的問(wèn)題,本研究以塔里木盆地南緣典型綠洲為研究區(qū),以綠洲內(nèi)河流為中心進(jìn)行緩沖區(qū)分析,揭示LULC與景觀格局的空間分布特征。另外,為了量化LULC轉(zhuǎn)移方向及其反映的生態(tài)狀況變化,本文在邵全琴等[16]的研究思路的基礎(chǔ)上,提出LULC轉(zhuǎn)移方向模型。研究結(jié)果為干旱區(qū)流域土地利用與景觀格局的時(shí)空變化研究提供較好的思路,同時(shí),也為克里雅河流域土地資源可持續(xù)利用和區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

克里雅河位于昆侖山北麓,塔里木盆地南緣。該河流發(fā)源于昆侖山,向北經(jīng)山前戈壁、綠洲, 進(jìn)入塔克拉瑪干沙漠,全長(zhǎng)438 km,流域總面積3.95×104 km2,南北長(zhǎng)約466 km,東西寬30—120 km(圖1)。多年平均氣溫9.53℃, 極端最高溫43.0℃,極端最低氣溫-26.3℃[17]。流域內(nèi)綠洲主要由兩大部分組成,即中游以于田縣城為中心的農(nóng)業(yè)綠洲,是流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)的主要場(chǎng)所,下游是以牧業(yè)為主的天然綠洲。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location of study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究主要數(shù)據(jù)源有：1)克里雅河流域1995、2005和2015年土地利用分類(lèi)柵格圖(由地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)提供,分辨率為30 m×30 m)。本文在已解譯的LULC分類(lèi)體系的基礎(chǔ)上,對(duì)于面積較小的林地、建設(shè)用地等進(jìn)行剔除處理,將流域主要的土地利用類(lèi)型重分為4類(lèi),土地利用類(lèi)型分類(lèi)詳情為表1所示；2)研究區(qū)數(shù)字高程圖(DEM)(數(shù)據(jù)來(lái)源為地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái),http://www.gscloud.cn/,分辨率為30 m×30 m),用于提取河道。3)研究區(qū)行政邊界矢量圖從中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)獲取(http://www.resdc.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用/覆被變化分析

參考以往研究,本文通過(guò)土地利用面積、轉(zhuǎn)入/出率、轉(zhuǎn)移矩陣分析等表現(xiàn)研究區(qū)的土地利用變化特征,具體計(jì)算公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[18]。以各土地利用類(lèi)型的生態(tài)功能為依據(jù),基于層次分析法,對(duì)重分類(lèi)后的LULC賦予權(quán)重(表2),計(jì)算了不同年代,以及不同緩沖帶內(nèi)LULC轉(zhuǎn)移方向指數(shù)。

表1 于田綠洲景觀分類(lèi)結(jié)果

表2 土地利用/覆被類(lèi)型的權(quán)重

LULC轉(zhuǎn)移方向指數(shù)用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中,LCDI: 土地覆被轉(zhuǎn)移指數(shù),i∈[1,n];Ai: 第i個(gè)土地利用/覆被類(lèi)型面積;Dai: 轉(zhuǎn)移之前的土地利用/覆被類(lèi)型權(quán)重；Dbi: 轉(zhuǎn)移之后的土地利用/覆被類(lèi)型權(quán)重。

當(dāng)LCDI>0時(shí),表示LULC轉(zhuǎn)移有利于生態(tài)系統(tǒng)功能的提高,其值越大轉(zhuǎn)移后的生態(tài)系統(tǒng)功能越大；當(dāng)LCDI<0時(shí),表示該LULC轉(zhuǎn)移導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能下降,其值越小轉(zhuǎn)移后的生態(tài)系統(tǒng)功能越小。

2.2.2景觀格局指數(shù)分析

景觀格局指數(shù)反映的是土地利用類(lèi)型的結(jié)構(gòu)特征。本研究參考以往研究[19-21],分別從類(lèi)型水平和景觀水平選取景觀指數(shù),用Fragstats 4.2軟件進(jìn)行計(jì)算。另外,由于在干旱區(qū)荒漠為綠洲景觀的基質(zhì),為了排除荒漠景觀對(duì)綠洲其他景觀指數(shù)的影響,在計(jì)算景觀指數(shù)前剔除其他用地。

2.2.3緩沖區(qū)分析

參考已有的研究成果[22],結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn),距離河道兩側(cè)10 km(兩側(cè)各5 km)劃分一個(gè)緩沖帶,共劃分了5個(gè)緩沖帶。對(duì)于每個(gè)緩沖帶計(jì)算土地利用類(lèi)型面積、轉(zhuǎn)入/出率、景觀格局指數(shù)。為了描述方便,在文中將0—5 km緩沖帶簡(jiǎn)稱(chēng)緩沖帶Ⅰ,5—10 km為緩沖帶Ⅱ,10—15 km為緩沖帶Ⅲ,15—20 km為緩沖帶Ⅳ。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆被時(shí)空變化特征

3.1.1土地利用/覆被時(shí)間變化特征

過(guò)去20年,克里雅河中游土地利用/覆被類(lèi)型發(fā)生了較大的變化,耕地面積增加了6.44%,草地和濕地面積分別減少了16.69%和4.38%(圖2)。其他用地占得比例較大,并持續(xù)增加。

圖2 克里雅河中游1995、2005、2015年土地利用面積統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Area of LULC in 1995,2005 and 2015 of the middle reaches of Keriya River

1995—2005年,耕地轉(zhuǎn)入率(41.32%)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出率(4.81%)。從耕地轉(zhuǎn)入類(lèi)型看,水體轉(zhuǎn)入耕地的面積最大(99.19 km2),其次為草地(42.44 km2)。草地轉(zhuǎn)出率(15.3%)大于轉(zhuǎn)入率(2.47%),轉(zhuǎn)出為其他類(lèi)型的面積最大(61.08 km2),其次是耕地(42.44 km2)。水體轉(zhuǎn)出率為58.7%,而轉(zhuǎn)入率只有3.58%,主要轉(zhuǎn)出類(lèi)型為耕地。

2005—2015年,耕地轉(zhuǎn)出率和轉(zhuǎn)入率差異變小,轉(zhuǎn)出率增加到14.09%,轉(zhuǎn)入率減小到17.44%。耕地轉(zhuǎn)出為草地和水體的面積分別增加到50.19 km2和32.66 km2。從轉(zhuǎn)入類(lèi)型看,其他類(lèi)型轉(zhuǎn)入為耕地的面積增加了61.3 km2,使耕地總面積在持續(xù)增加。草地轉(zhuǎn)出率仍大于轉(zhuǎn)入率,與1995—2005年相比,轉(zhuǎn)入率與轉(zhuǎn)出率分別增加到34.99%和76.6%。該時(shí)期草地轉(zhuǎn)出為其他類(lèi)型的面積明顯增加,是2015年草地總面積減小的主要原因。水體轉(zhuǎn)入率明顯增加(51.63%),主要轉(zhuǎn)入類(lèi)型為耕地,同時(shí),轉(zhuǎn)出率增加了8.08%。

3.1.2土地利用/覆被空間特征

耕地在1995年和2005年從緩沖帶Ⅰ到Ⅳ逐漸減少,即離河道越遠(yuǎn),耕地分布越少。2015年,耕地在緩沖帶Ⅰ中分布最多,Ⅳ內(nèi)最少,緩沖帶Ⅲ中出現(xiàn)了較多的耕地,其面積大于緩沖帶Ⅱ內(nèi)的面積。在過(guò)去20年,每個(gè)緩沖帶內(nèi)耕地持續(xù)增加。1995—2005年,緩沖帶Ⅰ內(nèi)耕地主要由水體(56.87 km2)轉(zhuǎn)入而來(lái)。而在2005—2015年,緩沖帶Ⅰ和Ⅲ內(nèi)耕地主要來(lái)自其他用地,分別為41.47 km2和14.33 km2。

草地1995年和2005年在緩沖帶Ⅳ內(nèi)分布最多,2015年在各緩沖帶內(nèi)分布較均勻。在1995—2015年,各緩沖帶內(nèi)草地持續(xù)減少,主要轉(zhuǎn)出為其他用地。其中,在緩沖帶Ⅳ和Ⅲ中轉(zhuǎn)出為其他用的面積較大,分別為165.24 km2和146.22 km2。可見(jiàn),研究時(shí)段內(nèi)草地持續(xù)退化,在綠洲邊緣退化較嚴(yán)重。

水體在1995年從緩沖帶Ⅰ到Ⅳ分布越來(lái)越少,2005年和2015年緩沖帶Ⅰ內(nèi)水體分布仍最多,而Ⅲ內(nèi)最少。1995—2015年,緩沖帶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ內(nèi)水體主要轉(zhuǎn)出為耕地。其中,在緩沖帶Ⅰ內(nèi)轉(zhuǎn)出面積最大。與1995—2005年相比,2005—2015年河道附近水體轉(zhuǎn)出為耕地的面積減少,說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水體的破壞有所緩解。LULC空間分布特征為圖3所示。

圖3 克里雅河中游1995、2005、2015年土地利用類(lèi)型空間分布面積(%)Fig.3 Area of LULC in different buffer zones in 1995,2005 and 2015 of the middle reaches of Keriya River

3.2 景觀格局變化特征

3.2.1類(lèi)型水平

從圖4看,在1995—2015年,耕地PLAND持續(xù)增加,草地和水體的減小。草地和水體的NP和PD增加,耕地的減小。說(shuō)明,草地和水體破碎化程度變大。從最大斑塊指數(shù)看,1995和2005年草地的LPI均大于耕地和水體,而到2015年耕地LPI是草地的3倍多。可見(jiàn),1995年和2005年草地是綠洲內(nèi)的優(yōu)勢(shì)景觀,而到2015年耕地在綠洲中占了優(yōu)勢(shì)。從SPLIT指數(shù)看,耕地持續(xù)減小,草地增加,水體先增后減。說(shuō)明,在過(guò)去20年,耕地具有向連片生成的趨勢(shì),而草地破碎化程度變大。水體結(jié)構(gòu)呈波動(dòng)變化。

耕地最大PLAND、NP和PD在緩沖帶Ⅰ內(nèi),并在1995—2015年呈增加趨勢(shì)。說(shuō)明,耕地在緩沖帶Ⅰ內(nèi)破碎度大。在3個(gè)時(shí)期,緩沖帶Ⅲ內(nèi)LPI最大,而SPLIT最小。可見(jiàn),在此緩沖帶內(nèi)耕地連接性最好、斑塊較大。

草地最大PLAND、NP、PD和LPI都出現(xiàn)在緩沖帶Ⅳ內(nèi),并在1995—2015年有減小趨勢(shì)。SPLIT指數(shù)在緩沖帶Ⅳ內(nèi)最小,Ⅰ內(nèi)最大,并在研究時(shí)段內(nèi)均呈增加趨勢(shì)。說(shuō)明,在克里雅河中游草地主要連片分布在綠洲邊緣,但在過(guò)去20年,其破碎化程度持續(xù)變大。

圖4 克里雅河中游類(lèi)型水平景觀指數(shù)Fig.4 Landscape index at class level of the middle reaches of Keriya River

水體最大PLAND在緩沖帶Ⅰ內(nèi)。2005年和2015年,緩沖帶Ⅰ內(nèi)NP、PD和LPI最大,SPLIT最小。反映水體主要分布在緩沖帶Ⅰ內(nèi),并斑塊間連接性好。1995—2015年,緩沖帶Ⅰ內(nèi)PLAND減小,NP、PD和SPLIT變大。說(shuō)明,在過(guò)去20年,河道附近水體破碎度變大。這可能與水體受人類(lèi)活動(dòng)影響較大,尤其在農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)中被農(nóng)用地占用造成的。

3.2.2景觀水平

從圖5看,1995—2005年,綠洲景觀NP和PD變大,而LPI和SHDI減小,說(shuō)明整個(gè)綠洲景觀有破碎化和均勻化的趨勢(shì)。這是草地和水體斑塊數(shù)量減少,破碎化程度變大,而耕地逐漸占優(yōu)勢(shì)的結(jié)果。另外,SPLIT指數(shù)先減小后增加,該變化趨勢(shì)與水體分離度變化一致。可以推測(cè),水體的分離度對(duì)整個(gè)景觀分離度的影響較大。

在緩沖帶Ⅰ內(nèi),NP、PD和SHDI最大,說(shuō)明在河道附近景觀類(lèi)型較多,并鑲嵌分布。在1995—2015年,該緩沖帶內(nèi)NP和PD增大,而SHDI減小,反映景觀破碎度變大、多樣性降低,具有單一化趨勢(shì)。這與河道附近草地和水體退化,而耕地持續(xù)增加有關(guān)。在緩沖帶Ⅳ內(nèi),LPI最大,但在1995—2015年逐漸減小。這是綠洲邊緣原來(lái)占優(yōu)勢(shì)的草地較嚴(yán)重退化的結(jié)果。

圖5 克里雅河中游景觀水平景觀格局指數(shù)Fig.5 Landscape index at landscape level of the middle reaches of Keriya River

3.3 土地覆被轉(zhuǎn)移指數(shù)

圖6 克里雅河中游土地覆被轉(zhuǎn)移指數(shù)時(shí)空變化特征 Fig.6 Spatiotemporal characteristics of LCDI in the middle reaches of Keriya River

為了量化LULC轉(zhuǎn)移方向,本研究引入了LULC轉(zhuǎn)移方向指數(shù)模型。由圖6可見(jiàn),過(guò)去20年,研究區(qū)LULC總體變差,具有退化趨勢(shì),這種變化將導(dǎo)致綠洲生態(tài)系統(tǒng)功能下降。從空間上看,LULC退化趨勢(shì)在每個(gè)緩沖帶內(nèi)都發(fā)生。其中,在緩沖帶Ⅰ內(nèi),與1995—2005年相比,2005—2015年轉(zhuǎn)移指數(shù)絕對(duì)值變小,說(shuō)明在河道附近土地退化有所緩解。而在其他緩沖帶內(nèi)退化明顯加重。

4 討論

水資源決定著干旱區(qū)綠洲景觀空間分布格局,對(duì)土地開(kāi)發(fā)利用起著決定性作用[7,18]。研究期間,隨著人口增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人們對(duì)農(nóng)用地的需求增加,從而對(duì)河流以及其周?chē)w進(jìn)行了大量的圍墾,導(dǎo)致草地退化,在以往的干旱區(qū)綠洲LULC研究中也證實(shí)了這種變化趨勢(shì)[10,23-24]。這種人類(lèi)活動(dòng)會(huì)極大地改變水資源的時(shí)空分配,減少綠洲內(nèi)生態(tài)用水量,從而導(dǎo)致草地等天然植被的水量得不到滿(mǎn)足而嚴(yán)重退化。

在過(guò)去的研究中,多數(shù)學(xué)者以行政區(qū)為單位解釋了土地利用/覆被的空間分布,而把河流廊道作為綠洲整體景觀的研究較少。以河道為中心的緩沖區(qū)分析更好的反映綠洲景觀的空間特征,對(duì)于流域水土資源的空間優(yōu)化配置具有指導(dǎo)作用。從本研究結(jié)果看,耕地在河道附近分布最多,并持續(xù)增加。隨著耕地斑塊數(shù)量的增加,出現(xiàn)了越來(lái)越大的耕地斑塊,斑塊間連接性越來(lái)越好,使耕地逐漸成為了綠洲中的優(yōu)勢(shì)景觀。從而導(dǎo)致在河道附近景觀多樣性降低,景觀呈單一化趨勢(shì),這不利于綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。合理調(diào)整種植結(jié)構(gòu),提高農(nóng)業(yè)用水效率是減緩由農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)程度大而造成的環(huán)境壓力的有效途徑。本研究?jī)H分析了河道兩側(cè)緩沖區(qū)內(nèi)景觀變化規(guī)律,而對(duì)于河道上下段綠洲變化相關(guān)的研究在下一步工作中進(jìn)行討論。

草地是干旱區(qū)綠洲-荒漠交錯(cuò)帶的主體,起到防風(fēng)固沙作用,草地的退化增加綠洲沙漠化,威脅綠洲的生態(tài)安全[25-26]。然而在克里雅河中游草地呈退化趨勢(shì)。綠洲-荒漠交錯(cuò)帶草地退化也出現(xiàn)在塔里木盆地南緣其他綠洲內(nèi)[27-28]。對(duì)草地進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù),使草地斑塊連接成片、減小破碎度,對(duì)改善綠洲的整體環(huán)境具有重要意義[29]。

土地覆被轉(zhuǎn)移方向指數(shù)綜合反映LULC變化方向,以及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。在以往的研究中,有學(xué)者對(duì)不同土地利用類(lèi)型賦予生態(tài)等級(jí),計(jì)算其轉(zhuǎn)類(lèi)指數(shù),從而解釋了LULC轉(zhuǎn)移方向[16,30]。該方法在三江源應(yīng)用較多,而是否適合在干旱區(qū)使用并未被證實(shí)。考慮到干旱區(qū)LULC單一,并在各LULC生態(tài)系統(tǒng)功能之間存在較大差異[31],本研究以每種LULC生態(tài)系統(tǒng)服大小為依據(jù),經(jīng)專(zhuān)家打分,通過(guò)層次分析法,確定了每種LULC的權(quán)重,計(jì)算出了克里雅河中游土地覆被轉(zhuǎn)移方向指數(shù)。研究結(jié)果較好的反映了研究區(qū)LULC變化方向,這可為干旱區(qū)綠洲土地轉(zhuǎn)移方向的量化提供較好的思路。在今后的研究中還需要對(duì)LULC進(jìn)行更細(xì)的劃分。

5 結(jié)論

1)從土地利用類(lèi)型時(shí)間變化看,1995—2015年,耕地增加,草地和水體減少。耕地、水體的這種變化趨勢(shì)主要發(fā)生河道附近,而草地減少在綠洲邊緣最明顯。從空間分布來(lái)看,耕地和水體較多分布在河道周?chē)?而草地較多分布在綠洲-荒漠交錯(cuò)帶。在河道附近耕地轉(zhuǎn)入率和水體轉(zhuǎn)出率最大,草地轉(zhuǎn)出率在綠洲邊緣最大。在河道附近,土地轉(zhuǎn)移主要以耕地與水體之間的相互轉(zhuǎn)移為主,而在綠洲邊緣以草地轉(zhuǎn)出為其他用地為主。

2)從景觀指數(shù)的變化趨勢(shì)來(lái)看,研究區(qū)景觀破碎化程度變大、分離度和多樣性降低,這些變化在河道附近和綠洲邊緣最明顯。從類(lèi)型水平看,耕地破碎化程度變大,分離度減小,主要發(fā)生在河道附近。草地破碎化變大,主要發(fā)生在綠洲邊緣。水體景觀指數(shù)變化與草地有相同的趨勢(shì),但這種變化在河道附近最明顯。

3)從土地覆被轉(zhuǎn)移指數(shù)看,過(guò)去20年,克里雅河中游土地覆被總體變差。在1995—2005年和2005—2015年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi),河道附近土地覆被經(jīng)歷了變差-好轉(zhuǎn)的變化過(guò)程,而其他緩沖帶則是持續(xù)變差,尤其緩帶Ⅳ退化程度最為嚴(yán)重。