2000～2015年吐魯番市高昌區景觀格局及生態風險變化分析

孫桂麗，王 立，李 雪，王志強，趙芳芳，白一純

(1.新疆農業大學 林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農業大學 干旱區林業生態與產業技術重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052；3.吐魯番市高昌區林業局，新疆 吐魯番 838000)

0 引言

景觀格局指構成景觀的生態系統或土地利用/覆被類型的形狀、比例和空間配置。它是景觀異質性的具體體現，又是各種生態過程在不同尺度上作用的結果[1-3]。景觀格局包括時間格局和空間格局兩個角度[3]。景觀格局指數是高度濃縮的景觀格局信息，同時也是反映景觀結構組成、空間配置特征的簡單化指標[4]。生態風險是指一個種群、生態系統或整個景觀的正常功能受外界脅迫，從而在目前和將來減少該系統內部某些要素或其本身的健康、生產力、遺傳結構、經濟價值和美學價值的一種狀況[1-2]。景觀格局是生態過程的載體，生態過程中包含眾多塑造格局的動因和驅動力[3]。景觀格局與生態過程相互作用，驅動著景觀的整體動態，并呈現出一定的生態功能特征[4-5]。景觀是表現生態變化的基礎，景觀結構和功能變化引起區域相應生態變化的反應，分析區域生態變化離不開景觀格局的分析[6-8]。由于人類對自然資源和環境影響的加劇，生態系統面臨著嚴峻的考驗，呈現出結構性破壞和功能紊亂的特點，因此景觀格局及生態風險變化是現今生態學研究的核心內容之一[1-3,9]。

從國外研究趨勢來看，借助GIS空間分析技術，以生態、污染源等風險因素為研究對象，對不同區域不同尺度的生態風險進行評價的居多[8,10]。20世紀90年代開始我國學者在生態風險研究領域主要以指標選取為主，將統計數據和調查數據結合并用數學模型進行定量模擬，得出研究區不同空間表面具體的生態風險值[11]；隨著3S技術的發展，目前利用遙感(RS)和空間分析方法研究生態風險的較多，如張學斌[12]、劉琪[1]、魏偉[2]、鞏杰[13]等以不同分辨率的影像為數據源，采用空間疊置和插值方法研究生態風險空間格局。近年來針對干旱區的生態風險研究逐漸增多[12-16]，本研究正是基于綠洲區是干旱地區人類活動的載體，只有準確認識并評價當前綠洲區的生態環境狀況，才能更好地開發、保護和利用綠洲。目前吐魯番高昌區生態環境狀況如何？怎樣從景觀層面上借助空間統計方法分析評價研究區生態風險？本研究將基于3S技術，利用遙感數據結合Fragstats 4.2軟件從時間和空間的角度對區域的景觀格局進行分析，并評價其生態風險狀況。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

數據是從地理空間數據云提供的landsatETM+與landsat OIL的2000、2005、2010、2015年4期遙感數據。根據吐魯番市土地類型圖和結合國家頒布的《土地利用現狀分類》(GB/T 2010─2017)及《2014年吐魯番土地利用總體規劃文本》將高昌區土地類型劃分為7類分別為林地、草地、園地、耕地、水域、建設用地、未利用土地。運用ENVI 5.3對圖像目視解譯，通過監督分類、樣本的分離度都大于1.8，每期的kappa指數都大于0.83達到了解譯精度的要求。為提高求算生態風險指數的精度，并將其進行空間可視化表達，利用DEM對研究區綠洲地形、坡度等進行綜合對比后發現1 km是比較理想的研究尺度。因此，將研究區劃分10 km×10 km采樣格網，共164個格網，將解譯得到的景觀類型轉換成柵格，在Fragstats軟件中計算生態風險小區的生態風險值，然后進行格式轉化，并將每個格網的中心點值作為整個格網的值，計算出每個生態風險小區的生態風險值后，采用空間疊置方法計算綠洲區生態風險值，最后將所有中心點值進行空間插值。

1.2 研究方法

景觀作為一個整體具有其組成部分所沒有的特性[17-18]。而景觀格局指數可以在斑塊、類型和景觀3 個層次上反映景觀結構組成和空間配置某些方面特征定量指標[19-22]。景觀格局指數眾多，但單一指數表征的景觀格局特征有一定局限性，而選擇過多，景觀格局指數之間又會存在冗余[23]。因此，本文參照前人相關研究[24-27]，運用Fragstats 軟件選取了8個類型水平和6個景觀水平上的景觀格局指數來表征吐魯番市高昌區的景觀格局。

利用Fragstats 4.2分析斑塊類型水平景觀格局指數(Class level index)[28]，選擇景觀類型要進行適應性檢驗，計算分析得到不同土地類型斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、斑塊面積(CA)、平均斑塊面積(MPS)、破碎度(Ci)、分離度(Si)、優勢度(Ki)和干擾度(Ei)。分析景觀水平指數(Landscape level index)獲取最大斑塊指數LPI、蔓延度(CONTAG)、聚集度指數AI、景觀形狀指數(LSI)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)等景觀格局指數[29-30]。

生態風險評價是一個預測人類活動對生態系統結構、過程和功能產生不利影響可能性的過程，是發現、解決生態環境問題的決策基礎，由于不同景觀格局指數在不同程度上對景觀生態風險都有一定的影響，不同的景觀對生態系統的抵抗力也是不同的。本研究以表1的斑塊水平景觀格局指數和景觀格局指數為基礎，統計每個生態風險小區內各景觀類型的面積和斑塊數，計算得到研究區內各個景觀類型的破碎度、分離度、優勢度，通過分別賦以權重值，得到景觀干擾度指數。通過專家打分法得到各景觀類型的脆弱度指數，并以此計算損失度指數，最后通過統計每個風險小區內各景觀類型的面積比例，構建生態風險指數模型，得到各生態風險小區的生態風險指數(Ecological Risk Index,ERI)，通過各景觀格局指數和不同景觀面積疊加來綜合反映不同景觀所受到的生態系統的風險程度[31-33]。

表1 景觀格局指數及生態風險計算公式

2 結果與分析

景觀格局變化是基于斑塊變化，所以本研究以斑塊水平研究為基礎，通過景觀格局變化，反應區域景觀生態風險變化。

2.1 斑塊水平景觀格局指數

由表2可知，在這15 a內景觀類型斑塊密度(PD)，除建筑用地以外，均呈現減少趨勢，其中草地、耕地變化最為顯著，斑塊密度分別減少了80.52%、76.34%，其次是林地，減少56.30%，園地、未利用地斑塊密度減少不明顯，建筑用地斑塊密度呈現先減少后增加趨勢。斑塊數(NP)只有建設用地呈增加趨勢，其他景觀類型的斑塊數均呈減少趨勢；從面積(CA)變化來看，由于城鎮的快速擴展，2015年與2000年相比建設用地面積增長了75.96%，建設用地大規模增長的同時，耕地這一景觀類型的比重有大幅度的降低，減少了45.19%，耕地面積呈現先降低后增加的趨勢，總體呈減少趨勢，與此同時，林地、草地、園地、水域均有一定程度增加，而綠洲區的優勢景觀類型仍是耕地、草地，但園地也逐漸成為優勢景觀。各景觀類型平均斑塊面積(MPS)也均呈增加趨勢，說明高昌區綠洲各類景觀呈連片狀發展，景觀連通性在不斷加強。

在2000～2015年間，高昌區綠洲的景觀格局發生較大變化(表2)，就景觀破碎度而言，2000年建設用地的破碎度最高(3.43)，其次為林地、耕地、草地、園地，未利用地、水域的破碎度較低，分別為0.04、0.02。經過15 a的變化，除水域、林地外2015年所有景觀類型的破碎度均降低，其中變化最大的是林地，破碎度降低了67%，其次是耕地，破碎度降低了57%。破碎度均降低表明：研究區斑塊間的連通性增加、整體性加強、斑塊的不穩定性減少，這與表2分析結果相一致。

表2 2000～2015年吐魯番市高昌區斑塊水平景觀格局指數

在2000～2015年間，分離度指數的變化較破碎度指數而言較為復雜(表2)，建設用地分離度指數呈現先急劇減少后緩慢增加的趨勢，從2000年到2005年分離度指數由10.49降低到5.90，之后緩慢增加，表明建設用地經歷了由分散到集中再到分散的過程，與人類活動對景觀的干擾程度由增強到減弱的變化趨勢有關，人類活動的強烈干擾改變了土地自然狀態，導致其原本的斑塊空間不斷分散和破碎化(表2)。林地的分離度指數呈現波動變化，但總體呈減少趨勢(圖1)，水域的分離度變化更為劇烈(圖1)，2005、2010年與2000年相比急劇增加，增加幅度高達23.24倍和18.92倍，分析其中的原因發現這與區域水域面積的變化高度一致，高昌區主要的水域為艾丁湖，由于人類活動的影響，艾丁湖1993年以后成為一個季節性湖泊，每年絕大多數時間都處于沒水的狀態，湖面2000年有所恢復，達75 km2，但2013年5月，艾丁湖又完全干涸，湖區裸露鹽化面積達90 km2，一直到2015年才有所恢復。說明隨著綠洲區城市的進一步發展，所帶來的各景觀分離度的變化表征著生境的變化，是不容忽視的。

景觀優勢度是衡量斑塊在景觀中重要地位的一種指標，在吐魯番高昌區綠洲內，除水域以外，不同景觀類型其優勢度大小差別不是很大，從時間變化上來看，2000～2015年間，其變化也不大，從表1可以看出，從2000～2015年間，草地的優勢度相對略高，林地、草地優勢度呈減少趨勢，而水域的優勢度一直處于最低值。通過分析對比發現(表1)，2000～2015年間，水域的干擾度變化最大，呈現先急劇升高，后又急劇降低，2005、2010與2000年相比，水域干擾度分別提高10.44倍、8.91倍(圖1)，這仍與艾丁湖水面面積變化有關，其他景觀類型的干擾度基本呈現降低趨勢。綜合分析發現，吐魯番高昌綠洲邊緣存在大量未利用地，景觀干擾度變化較大區域主要集中在綠洲核心區域的邊緣地帶，這些區域屬于生態敏感區，自然和人為等綜合因素造成景觀干擾度的空間變化較為明顯，需提高警惕，加大生態恢復力度，以免退化為裸地和沙地等，造成綠洲區沙漠化的危險。

圖1 2000～2015年吐魯番市高昌區林地、水域斑塊水平景觀格局指數

從表2、圖1可以發現，15 a林地變化趨于穩定發展，變化幅度依次減小，景觀完整程度增強；草地變化較大，15 a內干擾度減少了1.04，景觀完整程增加。林地、草地、園地及耕地這些農林用地斑塊增加數量大于減少的數量，耕地面積是減少，平均斑塊是增加。由于推行的退耕還林還草政策，農林用地中耕地面積減少，斑塊減少的幅度大變化大，2000～2005年、2005～2010年、2010～2015年平均斑塊面積分別呈減少0.0049 km2、0.0034 km2、增加0.4916 km2的變化。通過對景觀結構分析發現，綠洲區景觀格局演變特征主要是荒漠化景觀和綠洲化景觀逐漸分異，其根本原因是氣候這一最基本和最長久的自然因素所造成，加之降水稀少、蒸發量大，有限的水資源數量和分布狀況難以滿足綠洲區各景觀類型發展生存所需，水資源成為控制景觀荒漠化進程和綠洲化進程的主導因子，隨著社會的不斷進步，人類生產活動成為促進本地區景觀面貌改變的最活躍力量之一。

2.2 高昌區景觀水平格局指數分析

基于景觀水平動態變化，獲取斑塊總數(NP)、斑塊密度(PD)、蔓延度(CONTAG)、最大斑塊指數(LPI)、聚集度指數(AI)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)(表3、圖2)。

由表3及圖2可知，2000～2015年高昌區景觀格局變化很大。斑塊數是呈減少趨勢，斑塊數減少幅度2000～2005年最大，減少幅度為40.3%，2005～2010年斑塊數量減少幅度為8.36%，2010～2015年減少幅度為13.61%。2000～2015年斑塊數總共減少了144357個，斑塊數整體減少明顯，說明破碎化程度降低；斑塊密度的變化趨勢與斑塊數量基本一致，2000～2005年、2005～2010年、2010～2015年斑塊密度分別減少了8.18%、0.74%、1.79%。最大斑塊指數2000～2015年整體呈現先急劇增加后減少趨勢，2005年比2000年增加了1倍多，表示高昌區優勢景觀類型未利用土地不斷擴展變化，擴展幅度大，2005～2010年、2010～2015年分別減少了7.0119、0.9746，表示高昌區優勢景觀未利用土地類型出現擴展變化，2005～2010年未利用土地開始出現縮小變化，未利用土地面積減少，未利用土地分離度增加，所以未利用土地縮小變化，與上述結論相符。

圖2 2000～2015年吐魯番高昌區景觀水平指數變化

表3 2000～2015年吐魯番市高昌區景觀水平景觀格局指數

2000～2015年吐魯番高昌區景觀蔓延度變化不明顯。與最大斑塊指數變化相同，蔓延度變化最大的是2000～2005年呈現增加變化趨勢，增加了3.2512。2005～2015年緩慢減少，減少了1.5512。蔓延度變化，前5 a蔓延度呈增加趨勢，在此期間小斑塊數多，表明研究區內各景觀類型聚集程度有所降低，主要原因可能是耕地景觀轉化為未利用土地；后10 a蔓延度緩慢減少主要原因可能是景觀類型趨于穩定發展。2000～2015年吐魯番高昌區聚集度指數呈現緩慢增加趨勢，前5 a的變化，主要是人為對景觀類型影響，高昌區全面退耕還林還草，耕地面積減少，大量種植樹草、種草。高昌區香農多樣性指數總體呈現先降低后增加趨勢，2000～2005年香農多樣性呈現減少的變化，2005～2015年香農多樣性增加變化，減少的程度小于增加的，說明優勢景觀類型所占份額減少，單一組分對景觀的控制作用減弱，反映出研究區景觀異質性增加。香農均勻度指數呈波動變化，2000～2005、2010～2015年香濃均勻度指數分別減少0.1271、0.1147，主要由于未利用土地及農林用地類型變化所引起，2005～2010年增加了0.1194，主要是由于未利用土地減少導致。

斑塊和景觀類型面積呈現均衡的發展，這些可能原因是優勢景觀未利用土地所占比例減少，景觀豐富度增加的同時區域生態穩定發展。

2.3 景觀生態風險評價

生態風險評價是基于一種或者多種外界因素導致的可能會發生的或者正在發生的對生態環境產生不良影響的評價方法，其重點為評價人類活動在生態環境中產生的不良影響[1]，土地資源開發利用，建設用地的快速擴張都對吐魯番市的生態安全帶來影響。

為了分析吐魯番市高昌區景觀生態風險的空間分布特征，利用表1中的公式計算出每個風險小區的景觀生態風險值，將每個生態風險評價單元的ERI作為其中心點的屬性值，利用ArcGIS地統計模塊中的普通克里金插值得到其景觀生態風險的空間分布。并結合區域實際情況和4個時相的ERI指數，利用自然斷點法將吐魯番市高昌區的ERI劃分為5個生態風險等級，并計算了各生態風險級別所占的面積，以便直觀描述研究區內生態風險的時間、空間分布情況。

2.3.1 景觀生態風險時間變化 由表4可知，綜合風險呈減少趨勢，從單一土地利用類型來看，風險值最小的是水域，其次是園地和建設用地，風險值最大的是未利用地，多為流動沙丘或沙化土地，表明其景觀格局計算的合理性，與實際相符。

2010～2015年林地風險值先增加后減少，但變化幅度不大；2010～2015年草地風險值減少13.36×10-4，減少幅度較大；分析林地和草地風險值減少原因，據表4和研究區實際情況推測可能主要是由于2003年退耕還林還草政策的實施，耕地面積減少，林地草地面積增加，分離度、斑塊個數、干擾度減少。園地風險值呈U形變化，耕地風險呈現先急劇減少后緩慢增加，結合表2、表4發現2000～2015年耕地和園地的干擾度、破碎度和損失度減小，風險降低；水域的風險值呈現倒V形變化，建設用地風險呈輕微波動變化；未利用地風險呈現波動變化。從表5可以看出：斑塊數、斑塊密度、最大斑塊指數和聚集度指數對景觀生態風險影響較大。

表4 吐魯番市高昌區不同景觀類型風險值

表5 景觀生態風險與景觀格局指數相關性分析

從各等級變化來看，由圖3可以看出，生態風險區以高風險為主，除2010年外，占比均在50%以上；低風險比例較低，面積較少，但2015年低風險區面積、比例增加明顯，由2000年的0.28 km2增加到2015年的310.76 km2；較低風險2000～2015年面積、比例增加也較顯著，由2000年的2.34%增加到2015年的13.44%；中等風險和高風險區面積、比例下降，分別由2000年的21.82%、17.87%下降到2015年的14.83%、13.40%；研究期間總的變化趨勢是低風險區、較低生態風險面積增多，而高風險面積呈減少趨勢，研究期間中等生態風險和較高生態風險等級的面積減少，總體生態風險呈下降趨勢，說明綠洲區部分區域生態風險降低的同時，其他區域生態風險有所提高。

圖3 2000～2015年吐魯番市高昌區各類風險面積百分比變化

2.3.2 生態風險空間變化 通過景觀格局變化，利用表1中的公式，統計并計算獲取區域內各景觀類型相對應的風險值，根據風險值變化，在ArcGIS 10.0中將生態風險值從小到大按照自然斷點法重分類把研究區的生態風險分為低風險區、較低風險區、中等風險區、較高風險區和高風險區5個風險等級，其空間分布情況如圖4所示。

圖4 2000～2015年吐魯番市高昌區景觀生態風險

從分布上來看，4個時期的生態風險，研究區南部生態風險狀態較為穩定，風險等級基本沒有明顯變化，且風險等級較高，比較敏感且變化區域主要分布北部，生態風險變化較為明顯，且相對南部來看，風險等級較為復雜多樣，但大部分生態風險等級較低，且分布情況也在不斷變化，邊緣地區生態風險由高/較高變化為中/較低轉化，原因可能與整個區域大體是北高南低，艾丁湖水域位于南部，北部為博格達峰山區，是區域的主要水源。2000～2015年期間，吐魯番市高昌區生態風險變化顯著。生態風險經歷了從高到低的轉變，生態整體趨于好轉。結合4期的土地利用類型分布情況發現低風險區的土地利用類型以草地和園地為主，這是因為草地和園地生態系統結構較為穩定，抵抗外界干擾能力較強，受人類活動影響較小；風險高的區域集中分布于未利用地，主要為荒漠，荒漠生態風險較高主要是與其自身生態脆弱性有關。研究期初，北部高風險區和較高風險區分布較為廣泛，后集中分布于北部的東南和西南部。較低生態風險區在研究期初分布也較為分散，期末主要分布于北部邊緣和中部地區。

3 結論

本研究以吐魯番市高昌區2000～2015年4期30 m分辨率的遙感圖像為基礎，通過一系列的圖像預處理，解譯所運用Fragstats 4.2景觀格局指數計算景觀格局指數。

(1)2000～2015的15 a內7種景觀類型斑塊數量呈現減少趨勢，平均斑塊面積增加，斑塊密度呈減少趨勢，研究區景觀完整程度增加。景觀聚集度呈現先減少后增加；香農多樣性指數總體呈增加趨勢；香農均勻度指數整體呈現減少；斑塊和景觀類型面積呈現均衡的發展，景觀豐富度增加，區域生態環境向良好穩定方向發展。

(2)2000～2015年4個時期的生態風險，研究區南部生態風險狀態較為穩定，風險等級基本沒有明顯變化，且風險等級較高，主要為未利用地，大多為荒漠，其生態風險較高主要是與其自身生態脆弱性有關。北部生態風險變化較為明顯，風險等級也較為復雜多樣，但大部分生態風險等級較低；總體來看，高、較高生態風險區面積減少，低、較低生態風險區面積增加，區域整體生態風險呈降低趨勢。