龔文峰,袁力,范文義

（1.黑龍江大學,哈爾濱 150086;2.東北林業(yè)大學,哈爾濱 150040）

景觀動態(tài)變化過程實質上包括不同組分之間復雜的相互轉化過程[1],直接后果是導致景觀組分格局特征發(fā)生劇烈變化[2-4],不同景觀組分之間的復雜轉移過程受到自然環(huán)境條件、區(qū)域農業(yè)生產經營和生態(tài)保護需求的綜合約束[5-6]。轉移概率矩陣是揭示特定時段不同土地利用類型之間數(shù)量變化關系的有效手段[7-9],可衡量某一景觀組分在景觀變化過程中受到的影響程度,但是無法對景觀動態(tài)變化的驅動機制研究提供更有力的支持[10],而景觀組分轉移過程參數(shù)可揭示景觀演變規(guī)律和機制[11]。在RS和GIS支持下,以扎龍濕地為例,通過計算景觀組分的保留率、特定組分轉入貢獻率、轉出貢獻率和特定轉移過程貢獻率,探討景觀動態(tài)變化特征及驅動機制,揭示景觀格局演變趨勢與自然生態(tài)過程的關系,為土地合理利用和濕地資源的保護及可持續(xù)發(fā)展等提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

扎龍濕地位于黑龍江省西部,松嫩平原烏裕爾河下游、齊齊哈爾市東南、林甸縣西南和杜爾伯特蒙古族自治縣西北交界地。地理坐標為:46°52′-47°32′N,123°47′-124°37′E,屬溫帶大陸性季風氣候 ,位于半濕潤向半干旱過渡的生態(tài)脆弱帶,全區(qū)平均海拔144.0 m,年平均溫度3.9℃,年平均降水量402.7 mm。扎龍濕地以蘆葦沼澤為主,另外還有草甸草原、農田防護林泡等生境類型。其中以蘆葦沼澤面積最大,總蓋度80%～90%,野生丹頂鶴數(shù)量約占世界總量的1/6。在世界鶴類保護及濕地生態(tài)系統(tǒng)保護事業(yè)中占有重要位置。扎龍濕地不僅為鶴類等珍稀鳥類提供了棲息地,且對調節(jié)黑龍江省西部地區(qū)干旱氣候、平衡降雨、蓄水、分洪等方面也發(fā)揮重要作用[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據處理 以1∶5萬的地形圖為地理參考數(shù)據,在 ERDAS IMAGINE 9.0下,對 1995年 7月、2000年8月和2004年7月Landsat TM 遙感圖像進行幾何校正,參照1∶10萬的土地利用圖和GPS外業(yè)調查數(shù)據,采用監(jiān)督分類和目視解譯相結合的方法對完成景觀分類與制圖,進而得到研究區(qū)域土地利用數(shù)據[13-15],分為7個類型:耕地、有林地、草地、水域、鹽堿地、居民工礦用地、沼澤濕地。

1.2.2 研究方法 利用ArcGIS的空間分析功能,通過景觀組分轉移概率矩陣計算不同景觀組分的總體變化情況及不同時段組分的保留率、特定組分轉入貢獻率、轉出貢獻率和特定轉移過程貢獻率,從而通過組分轉移概率來研究景觀的動態(tài)變化,計算公式如下[10]。

(1)特定組分轉入貢獻率參數(shù)。指其他景觀組分向某一特定景觀組分轉入的面積占景觀總轉移發(fā)生量的比例。該參數(shù)可用于比較不同組分在景觀動態(tài)變化的轉入過程中面積增量分配的差異。

式中:Aji——第 j種組分向第i種組分轉移的面積;At——景觀組分發(fā)生轉移的總面積;n——景觀組分的類型數(shù)量。

(2)特定組分轉出貢獻率參數(shù)。指某一特定景觀組分向其他景觀組分轉移的面積占景觀總轉移發(fā)生量的比例。該參數(shù)可用于比較不同組分在景觀動態(tài)變化的轉出過程中面積減量分配的差異。

式中:Toi——組分轉出貢獻率,其它參數(shù)同上。

(3)特定轉移過程貢獻率參數(shù)。指一個具體轉移過程的轉移面積占景觀總轉移發(fā)生量的比例。該參數(shù)可用于比較景觀動態(tài)變化過程中特定景觀轉移過程的重要性程度差異。

式中:Tpi——特定轉移過程貢獻率。

(4)組分保留率為比較分析不同景觀組分在研究時段內的穩(wěn)定性情況,本研究還計算了各個階段組分的保留率情況。

式中:BRi——某一階段第 i種景觀組分保留率;T Ai——比較初始年份該組分的總面積;BAi——比較時段內沒有發(fā)生變化的第i種景觀的組分面積。

2 結果與分析

2.1 研究區(qū)域總體景觀特征

1995年、2000年和2004年各景觀類型面積所占比例的順序均為:沼澤地＞草地＞耕地＞鹽堿地＞水域＞居民工礦用地＞林地。沼澤地景觀占據較大的優(yōu)勢,面積百分比均大于50%,分別為55.34%,56.40%和54.77%,是研究區(qū)基質景觀,控制著整個區(qū)域的物流和能量流動;草地也占據一定的優(yōu)勢;有林地景觀和居民工礦用地景觀占據較小的比例?？梢?自然景觀(沼澤地、草地)占據主導地位,半自然景觀(鹽堿地和部分水域)占據一定比例,人為景觀(有林地、居民工礦用地)占據較小比例,處于支配地位,形成以沼澤景觀為主體,草地、耕地等其它景觀類型鑲嵌分布的景觀格局,這與保護區(qū)的性質、當?shù)鼐幼〉娜丝跀?shù)量及經濟發(fā)展程度有關(見表1)。

2.2 主要景觀要素的空間按格局時空演變

由表1可知,沼澤地、草地、耕地、鹽堿地、水域為研究區(qū)域的主要景觀要素。沼澤地景觀1995-2004年面積減少了 12.88 km2,所占比例減少了0.57%,其中1995-2000年面積增加幅度為1.8%,2000-2004年面積減少幅度為2.8%,經歷了略微增加,而后較小幅度減少的變化過程,受自然因素和人為活動的雙重影響,被圍墾成為農田和不斷沙化、鹽堿化的多重威脅下,造成該景觀類型處于自然退化和不斷萎縮狀態(tài);斑塊數(shù)目由1995年的44增加到2000年和2004年的51和57,呈現(xiàn)遞增的趨勢,斑塊平均面積呈現(xiàn)遞減的趨勢,表明其破碎化程度加重,島嶼化、片段化加劇,歸因于大量的人為活動(道路和水利工程的建設)改變了沼澤濕地的空間格局,破壞其完整性。1995-2004年草地景觀面積減少了79.01 km2,其中1995-2000年面積減少了96.63 km2,2000-2004年面積增加了17.62 km2,變化區(qū)域集中在保護區(qū)的核心區(qū),濫牧、濫墾等不合理的人為活動是造成草地面積減少和質量下降的主要原因;斑塊數(shù)目由1995年的196個一直遞減到2000年和2004年的121個和110個,平均面積呈現(xiàn)遞增,表明草地景觀破碎化程度降低,連通性增強,由相對分散的隨機分布逐步趨向集中。1995-2004年,耕地景觀所占面積比例增加了0.68%,其中1995-2000年耕地景觀所占面積比例減少了0.06%,2000-2004年面積所占比例增加了0.74%,呈現(xiàn)先減少而后增加的變化態(tài)勢,斑塊數(shù)目的變化趨勢與之相同,由于當?shù)厣鐓^(qū)的經濟發(fā)展和村屯城鎮(zhèn)化進程的加快,加大了對草地、沼澤濕地進行過度開墾和放牧等干擾活動,造成草地和沼澤濕地面積減少,耕地面積和斑塊數(shù)不斷增加,對土地的利用規(guī)劃還不夠合理;斑塊平均面積呈現(xiàn)先增加而后減少的變化,表明該景觀類型的分布格局由相對集中趨向分散,破碎度增大。1995-2004年,鹽堿地景觀面積增加了39.4 km2,表明區(qū)域的生態(tài)環(huán)境水平繼續(xù)惡化,除了人為干擾活動外,自然環(huán)境的脆弱性和氣候條件的不斷惡化[16],導致耕地和沼澤濕地大規(guī)模的鹽堿化和沙化也是一個重要的原因,其中1995-2000年增加了63.94 km2,2000-2004年減少了24.54 km2;斑塊數(shù)目和斑塊平均面積呈現(xiàn)遞增的趨勢,該景觀類型完整性增加,景觀破碎化程度有所降低。水域景觀一直呈現(xiàn)增長態(tài)勢,除了自然降雨外,主要歸功于烏雙流域和嫩江流域的生態(tài)補水[17-18];斑塊數(shù)目呈現(xiàn)先減少而后增加的變化態(tài)勢,平均面積一直處于增加的趨勢,歸因于清淤和修建養(yǎng)魚池塘等以及在濕地周圍修建了大量水渠等人為活動,改變了水域的時空分布,使得大量小斑塊連接在一起,形成少量大斑塊,大斑塊之間的連接性增強,復雜程度增大。

表1 1995-2004年景觀類型數(shù)據

2.3 景觀組分轉入和轉出貢獻率分析

通過景觀組分轉入貢獻率和景觀組分轉出貢獻率兩個數(shù)量指標來描述景觀的動態(tài)進程和總體變化特點,進而描述景觀動態(tài)變化的總體特點和內在驅動機制,本文分1995-2000年和2000-2004年2個階段進行研究?？芍?表2),體現(xiàn)研究區(qū)域景觀動態(tài)變化的主要景觀類型有:草地、耕地、鹽堿地和沼澤濕地。

1995-2000年,沼澤濕地的轉入貢獻率最高,其次是鹽堿地和草地,最后是耕地景觀;草地景觀的轉出貢獻率最大,遠大于其它景觀類型,其次是沼澤濕地和耕地景觀,最小的是鹽堿地景觀。首先,由于草地景觀的轉入貢獻率要遠小于其轉出貢獻率,故草地面積不斷遞減,反映出草地景觀依舊受到人類干擾比較嚴重;其次,沼澤濕地的轉出貢獻率小于轉入的貢獻率,沼澤濕地面積的增加表明人們對濕地的保護力度得到了加強;再次,耕地景觀的轉出貢獻率大于轉入貢獻率,耕地面積的減少可能受到退耕還林等政策的影響;最后是鹽堿地景觀,其轉入貢獻率大于轉出貢獻率的,說明鹽堿地面積是不斷增大,區(qū)域生態(tài)環(huán)境的質量不容樂觀。

表2 景觀組分轉入和轉出貢獻率%

圖1 主要景觀要素變化圖

2000-2004年,草地景觀的轉入貢獻率最高,其次是沼澤濕地和草鹽堿地,最后是耕地;沼澤濕地的轉出貢獻率最大,其次是沼澤濕地和草鹽堿地,最后是耕地。首先,沼澤濕地景觀的轉出貢獻率要大于轉入貢獻率,由于自然環(huán)境和人為活動干擾的雙重影響,沼澤濕地退化成草甸和干草原,造成其面積有所減少;其次,草地景觀的轉入貢獻率要大于轉出貢獻率,其面積是增加受到退耕還草等政策的影響;再次,鹽堿地景觀的轉出貢獻率也大于轉入貢獻率,表明區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化程度有所緩解,但仍需要保護;最后是耕地景觀,其轉入貢獻率大于轉出貢獻率,耕地面積增大,歸因于人們對退化濕地和草地不合理的開發(fā)改造并進行耕作。

此外,有林地景觀、水域景觀和居民工礦用地景觀都保持著較大的轉入貢獻率和較小的轉出貢獻率,表明這些景觀類型的面積一直處于穩(wěn)定增長的狀態(tài)。

2.4 景觀組分保留率

景觀組分的保留率是指比較時段截止年份與起始年份相比,沒有發(fā)生變化的面積占起始年份總面積的比重。不同景觀組分在動態(tài)轉移過程中的行為特征可以通過保留率加以刻畫[8]?？芍?沼澤濕地景觀、水域景觀、耕地景觀、居民工礦用地景觀和草地景觀等具有較大的景觀保留率(表3)。

1995-2000年,沼澤濕地景觀的保留率最大,沼澤濕地景觀是研究區(qū)域的基質景觀,轉化為其它景觀類型的面積較小;其次是水域景觀,是受到1998年洪水災害和生態(tài)補給水的影響,水域面積較大,且轉移為其它景觀類型的面積比較小;最小的為有林地景觀,反映了有林地被改造和開墾,土地利用類型發(fā)生了變化,轉移為其它景觀類型的面積比較大。2000-2004年,沼澤濕地景觀的保留率最大,其次是水域景觀,最小是鹽堿地景觀,表明鹽堿地的土地利用發(fā)生了一定的變化,區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化的狀況有所緩解,但是保護和改善脆弱的區(qū)域生態(tài)環(huán)境的任務仍然非常艱巨[16];有林地景觀具有較大的保留率,反映出“退耕還林”政策的作用。

2.5 特定轉移過程貢獻率分析

利用景觀組分的轉入/轉出貢獻率缺乏詳細刻畫景觀內部組分之間的轉移信息,從而影響了對其內部驅動和轉移機制的進一步分析。特定轉移過程貢獻率的分析則可以進一步印證組分轉移貢獻率的分析結果,且可以更加清晰地揭示景觀動態(tài)變化的主要驅動機制[9]。其中特定轉移過程貢獻率的結果見表4。

表3 不同階段景觀組分保留率%

表4 不同階段的景觀轉移過程及其貢獻率(1995-2000)

表5 不同階段的轉移過程及其貢獻率(2000-2004)

通過特定轉移過程貢獻率來研究土地利用類型的動態(tài)變化(表4-5),其中優(yōu)勢景觀轉移過程主要表現(xiàn)為有:草地→耕地、耕地→草地;草地→鹽堿地、鹽堿地→草地;草地→沼澤濕地、沼澤濕地→草地;耕地→鹽堿地、鹽堿地→耕地;耕地→沼澤濕地、沼澤濕地→耕地;鹽堿地→沼澤濕地、沼澤濕地→鹽堿地;水域→沼澤濕地、沼澤濕地→水域,主要轉移過程基本反映了研究區(qū)域內土地動態(tài)變化的主要驅動機制[19]。其結果具體分析如下:

1.草地→沼澤地和沼澤地→草地是研究區(qū)域主要土地利用類型的優(yōu)勢轉移過程,處于主導地位。對于草地→沼澤濕地而言,除了自然環(huán)境和氣候條件的影響外,主要歸功于對濕地的加強保護和生態(tài)補水,從側面也反映出不同時期農業(yè)政策和農業(yè)需求的驅動影響[16],1995-2000年的轉移結果較大。沼澤濕地→草地,體現(xiàn)了沼澤濕地的退化進程,研究區(qū)域呈現(xiàn)出沼澤→沼澤化草甸→草甸草原方向變化[20],特別是蘆葦沼澤濕地演變?yōu)楹瞪蛴袎A蓬生長的鹽生草甸,形成堿蓬鹽沼或永久的堿灘,當?shù)厮那閯葑兓窃摼坝^變化的主要驅動機制,2000-2004年的結果較大。

2.草地→鹽堿地和鹽堿地→草地兩類景觀類型轉移在研究區(qū)域中也占據比較重要的地位,表明鹽堿地的主要轉移來源為耕地和草地。其中草地→鹽堿地,自然環(huán)境的脆弱性和氣候條件的不斷惡化成為該轉變和生態(tài)環(huán)境不斷惡化的重要原因,表明環(huán)境因子導致土地利用結構和生態(tài)過程中的改變;同時外加人類濫牧、濫墾等不合理活動,草地被改造為耕地或者直接退化為鹽堿地,加速區(qū)域生態(tài)環(huán)境退化,1995-2000年的結果大于2000-2004年的。鹽堿地→草地,在人類參與區(qū)域環(huán)境改造活動強度不斷加大和自然環(huán)境因素的雙重影響下,呈現(xiàn)這一逆向的轉移過程,反映出土地利用動態(tài)變化驅動機制的復雜性[16],2000-2004年的結果大于1995-2000年的,充分說明2000-2004年間土地利用的復雜程度較高。

3.耕地→沼澤濕地和草地:主要歸功于政策導向和當?shù)鼐用裼X悟提高,人們對濕地保護和對退耕還草工程和退耕還林等政策認識不斷加深,促使了該景觀組分類型的轉移,1995-2000年的結果較大;沼澤濕地和草地→耕地,源于人口數(shù)量的增長和對經濟利益的驅使,該轉移過程不僅說明了耕地主要來源,也表明人類對沼澤濕地和草地開發(fā)改造的不合理活動,如濫建、濫墾等,并在改造區(qū)域上進行耕作,造成草地和沼澤濕地面積減少,生態(tài)環(huán)境退化,人為因素在此過程中處于主導作用,1995-2000年的結果要大于2000-2004年。

4.鹽堿地→耕地這一過程的轉變,表明人為因子導致土地利用結構和生態(tài)過程中的改變,隨著經濟和社會不斷的發(fā)展,人類對土地的利用和改造程度不斷提高,加大了鹽堿地的治理,使土地利用類型趨向合理化,從側面反映了人類活動范圍增大和強度增加以及農牧業(yè)快速擴張,對研究區(qū)域的土地類型存在著一定的潛在危險,1995-2000年的結果較小。耕地→鹽堿地,表明環(huán)境因子導致土地利用結構和生態(tài)過程中的改變,除了自然因素外,人類的不合理活動導致耕地大規(guī)模的鹽堿化和沙化,人為因素在此過程中處于主導作用,同時也說明人類活動對研究區(qū)域的過度干擾是區(qū)域環(huán)境惡化的重要因素,1995-2000年的結果較大。

5.水域→沼澤濕地,除了自然因素外,人類對沼澤濕地的不合理開墾,改變了水資源空間分布格局,破壞了沼澤濕地的水文循環(huán),造成水質不斷的惡化和水域面積逐步減少,加速了水域不斷的退化和沼澤化進程,1995-2000年的結果較小;沼澤濕地→水域,則主要反映了當?shù)刈匀画h(huán)境變化對生態(tài)過程的驅動作用,同時對扎龍濕地進行生態(tài)補水也是一個重要的因素,1995-2000年的結果較小。

6.鹽堿地→沼澤濕地,體現(xiàn)出土地利用結構和生態(tài)過程中改變了環(huán)境因子,生態(tài)環(huán)境的惡化程度趨向緩解,且生態(tài)環(huán)境的質量有所改善,1995-2000年的結果要小于2000-2004年;沼澤濕地→鹽堿地,對于研究區(qū)域多年的氣象數(shù)據表明,氣溫明顯上升,降水減少,干燥度增大,氣候已經出現(xiàn)由半干旱區(qū)向干旱區(qū)過渡的特征[16],導致沼澤濕地大規(guī)模的鹽堿化和沙化,自然因素是該土地利用變化的重要原因。除了自然環(huán)境因素影響外,人類的不合理干擾活動在土地利用類型中占據一定的作用,1995-2000年的結果要小于2000-2004年。

3 結論與討論

(1)區(qū)域內各類生態(tài)景觀斑塊的數(shù)量、面積及空間位置都發(fā)生了不同程度的變化,但區(qū)域呈現(xiàn)以沼澤地景觀為基質的草地、耕地和鹽堿地景觀等相對為主體的交錯濕地景觀格局,其余景觀類型呈補丁狀散布該區(qū)域之中,總體上景觀格局沒有發(fā)生變化。

(2)通過矩陣轉移法來研究特定時段不同土地利用類型之間數(shù)量時空變化。1995-2000年,沼澤濕地是研究區(qū)內具有最高轉入貢獻率和保留率的景觀組分,草地景觀轉出貢獻率最大的景觀組分;2000-2004年,草地景觀是研究區(qū)內具有最高轉入貢獻率景觀組分,沼澤濕地具有最大轉出貢獻率的景觀組分,沼澤濕地景觀的保留率最大。

(3)草地→沼澤地和沼澤地→草地是研究區(qū)域的主要景觀類型的優(yōu)勢轉移過程,處于主導地位,草地→鹽堿地,自然因素成為該景觀組分類型的轉變和生態(tài)環(huán)境惡化的重要原因,鹽堿地→草地,反映出土地利用動態(tài)變化驅動機制的復雜性。

(4)在經濟發(fā)展的同時,對土地的利用一般應按照一定的規(guī)劃原則進行,加大對濕地的保護力度,做到土地的合理利用,同時還要協(xié)調好資源的可持續(xù)利用和環(huán)境的發(fā)展,實現(xiàn)土地資源的永續(xù)利用和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

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