郭麗紅 沙占江 馬燕飛 張慧超 張婷婷

(青海師范大學(xué),青海西寧 810008)

環(huán)青海湖區(qū)20年來沙漠化土地景觀格局空間變化分析＊

郭麗紅 沙占江 馬燕飛 張慧超 張婷婷

(青海師范大學(xué),青海西寧 810008)

本文選取我國第一大內(nèi)陸湖泊—青海湖的環(huán)湖區(qū)域為試驗區(qū),借助遙感手段獲取試驗區(qū)1987年和2006年的景觀格局基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并利用ARCGIS9.2、FRAGSTATS3.3作分析工具,ERDAS I MAGI NE9.1作圖像處理工具。通過景觀指數(shù)對沙漠化土地景觀格局進(jìn)行研究分析,揭示沙漠化土地的動態(tài)變化過程。結(jié)果表明:20年來環(huán)湖區(qū)的沙漠化土地景觀破碎化程度在不斷增加,通過對各個等級的沙漠化土地斑塊面積和最大斑塊指數(shù)的對比分析,可以得到沙漠化土地正過程的發(fā)展趨勢。通過對景觀形狀指數(shù)和平均斑塊分維數(shù)的分析得到沙漠化土地景觀的斑塊形狀較為規(guī)則,不易受到周邊景觀斑塊的影響。

青海湖環(huán)湖區(qū);沙漠化土地;景觀格局;景觀指數(shù)

景觀生態(tài)學(xué)是一門研究空間格局對生態(tài)過程相互作用的新興交叉學(xué)科[1-3],是以景觀為研究對象,注重研究景觀空間格局的形成、動態(tài)以及生態(tài)學(xué)過程之間的相互關(guān)系,對景觀空間格局與景觀生態(tài)過程相互關(guān)系的研究是其主要特色和理論核心之一[4-5]。近年來,隨著景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展,借助景觀指數(shù)分析方法,通過對景觀格局的變化分析來反映沙漠化土地的變化過程,并且對研究沙漠化的發(fā)生機(jī)制,發(fā)展原因以及沙漠化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建都具有重要的意義[6]。蔡明玉,常學(xué)禮等運用景觀指數(shù)對科爾沁沙地典型地區(qū)土地利用景觀格局變化進(jìn)行了分析[7],郭紅、龔文鋒等運用景觀指數(shù)對嫩江下游土地沙漠化景觀格局變化特征進(jìn)行分析[4]等等,這些研究均為環(huán)湖區(qū)沙漠化土地景觀格局的空間變化分析提供了參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青海湖地處青藏高原的東北部,界于東經(jīng)99°36′-100°16′,北緯36°32′-37°15之間,是我國第一大內(nèi)陸湖泊,也是我國最大的咸水湖。且湖面的海拔約為3 260m,是世界上海拔最高的湖泊之一。青海湖具有高原大陸性氣候,光照充足,日照強(qiáng)烈;冬寒夏涼,暖季短暫,冷季漫長,春季多大風(fēng)和沙暴;雨量偏少,雨熱同期,干濕季分明。湖區(qū)全年日照時數(shù)大部分都在3000小時以上,湖區(qū)東部和南部氣溫稍高,西部和北部氣溫稍低,平均最高氣溫在6.7℃-8.7℃之間,平均最低氣溫在-6.7℃-4.9℃之間。湖區(qū)全年降水量偏少,但東部和南部稍高于北部和西部。湖區(qū)降水量季節(jié)變化大,年均降水量在300-400 mm,全年蒸發(fā)量達(dá)1 502mm,蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過降水量。降水多集中在5-9月份,雨熱同期。湖區(qū)大風(fēng)、沙暴日數(shù)是全省較多的地區(qū)之一,年平均風(fēng)速在3.2-4.4 m/s。注入青海湖的河流有70余條,其中布哈河是最大的一條。

青海湖區(qū)是青海省境內(nèi)人類活動相對較為集中的地區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計,2004年青海湖流域總?cè)丝跀?shù)為8.56萬。其中,農(nóng)牧戶總數(shù)1.38萬戶,人口7.09萬;牧業(yè)戶1.26萬戶。人口6.50萬。農(nóng)業(yè)戶(含半農(nóng)半牧戶)0.12萬戶,人口0.59萬。陸地人口平均密度3.4人每平方公里。湖區(qū)人口主要集中分布在環(huán)湖的狹長地帶以及湖周交通相對發(fā)達(dá)的湖盆地帶,特別是以剛察縣為中心的青海湖北岸湖濱三角地帶。本文以環(huán)青海湖13 835.22km2為研究區(qū)。

2 資料的獲取與遙感數(shù)據(jù)處理

2.1 資料的選取

本研究選取軌道號為134/34、133/34的1987年和2006年兩個時期的Landsat T M影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時以青海湖流域的植被圖、土地利用圖、1:50 000的地形圖、DEM圖作為輔助資料。

2.2 信息提取

基于光譜特征的分析方法是從分析地物的光譜曲線入手,挖掘譜間特征,從而提取如需地物信息的.該方法無法克服異物同譜和同物異譜的現(xiàn)象,許多地物無法準(zhǔn)確區(qū)分.因此,劉文娟等在對不同土地覆被類型光譜特征進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)歸一化指數(shù)(NDV I)和差值指數(shù)等,提出了分層信息提取方案,利用該方案分步提取地表覆被信息,避免了將各個波段光譜值作為同等重要的量來參與信息提取而引起的異物同譜和同物異譜現(xiàn)象,提高了分類精度[8]。

在數(shù)據(jù)處理過程中,首先在ERDAS I MAGI N 9.1中對兩期影像分別進(jìn)行波段合成、校正,以及根據(jù)環(huán)湖區(qū)域的流域界線進(jìn)行切割處理,利用543RGB假彩色作為訓(xùn)練樣區(qū)選擇的目標(biāo)圖像,進(jìn)行監(jiān)督分類。為了提高監(jiān)督分類訓(xùn)練樣區(qū)選擇的質(zhì)量,對原始T M影像進(jìn)行了增強(qiáng)處理,包括線性拉伸以及彩色合成。然后在Interpreter模版中選擇GISAnalysis對監(jiān)督分類好的數(shù)據(jù)重新編碼(執(zhí)行Recode命令)。通過疊加原數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)碎斑塊比較多,根據(jù)實驗要求的精度,選取了10-20個像元對其進(jìn)行Sieve運算,最后在ARCGIS9.2中將解譯好的單一地物類別信息與原數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,通過人工解譯的方法進(jìn)行修改,對沙漠化土地每一個類別徹底分類,生成最終分類的圖像[8](見圖1、圖2)。

3 研究方法

3.1 沙漠化土地等級劃分

由獲取的數(shù)據(jù)資料和野外實地考察的結(jié)果,將研究區(qū)的景觀類型劃分為14個類別:耕地、山地灌叢、河谷灌叢、高寒草甸、溫性草原、高寒沼澤、湖濱沼澤、河谷沼澤、基巖、裸土地、石礫地、沙地、湖泊、河流。根據(jù)本文的研究需要,將其重新合并為兩個大類:沙漠化土地和非沙漠化土地。其中河谷沼澤、湖濱沼澤、河谷灌叢、耕地、溫性草原、石礫地、裸土地、沙地歸為沙漠化土地,水體、基巖、高寒沼澤、山地灌叢、高寒草甸歸為非沙漠化土地。沙漠化土地類型的等級劃分各不相同,分類系統(tǒng)有一定的差別。根據(jù)青海湖環(huán)湖區(qū)域各地風(fēng)沙活動的強(qiáng)度不同,參考已有的劃分標(biāo)準(zhǔn),將環(huán)湖區(qū)沙漠化土地劃分為四個等級(見表1)[9]。

表1 青海湖環(huán)湖區(qū)沙漠化土地景觀分級系統(tǒng)

3.2 景觀指數(shù)的確定

景觀中任何一點都是屬于斑塊、廊道和基質(zhì)的,它們構(gòu)成了景觀的基本空間單元。斑塊-廊道-基質(zhì)的組合是最常見、最簡單的景觀空間格局構(gòu)型,是景觀功能、格局和過程隨時間發(fā)生變化的主要決定因素。景觀的這種簡單空間構(gòu)型模型是進(jìn)行景觀生態(tài)學(xué)研究的基礎(chǔ)[1]。

本文從景觀學(xué)的角度對各景觀類型進(jìn)行空間格局的分析,分別從斑塊類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)兩個方面進(jìn)行研究。根據(jù)研究需要所涉及到的景觀指數(shù)見表2[2,4]。

4 計算結(jié)果與分析

本文通過對景觀類型的劃分,在景觀軟件FRAGSTATS3.3的支持下對選取的景觀指標(biāo)進(jìn)行計算,進(jìn)而對環(huán)湖區(qū)沙漠化土地景觀的空間格局進(jìn)行分析。

表2 本研究所用到的景觀指數(shù)及其生態(tài)意義

表3 1987年沙漠化土地斑塊類型水平指數(shù)

表4 2006年沙漠化土地斑塊類型水平指數(shù)

4.1 斑塊類型水平指數(shù)分析

(CA):景觀斑塊面積;(PLAND):某一類型斑塊所占的百分比;(PD):斑塊密度;(LPI):最大斑塊指數(shù);(LSI):景觀形狀指數(shù);(AREA-MN):平均斑塊面積;(SHAPEMN):平均形狀指數(shù);(CLUMPY):斑塊叢生指數(shù);(COHESI ON):斑塊聚合度指數(shù)。

由表3和表4可得:

(1)1987年和2006年研究區(qū)內(nèi)沙漠化土地的面積分別是:5 330.87 km2和5 330.95km2,其中潛在沙漠化土地的面積分別為4 680.14 km2和4 618.28 km2,正在發(fā)展的沙漠化土地面積分別為42.72km2和58.50 km2,強(qiáng)烈發(fā)展中沙漠化土地面積為120.12 km2和152.46 km2,嚴(yán)重沙漠化土地面積為487.89 km2和501.63 km2,非沙漠化土地的面積為8 504.35 km2和8 504.27 km2。在20年的時間里潛在沙漠化土地和非沙漠化土地的面積分別減少了61.77 km2和0.08 km2,而正在發(fā)展的沙漠化土地面積增加了15.78 km2,嚴(yán)重發(fā)展的沙漠化土地面積增加了13.74 km2,強(qiáng)烈發(fā)展中沙漠化土地的面積增加了32.34 km2,從總體趨勢來看,環(huán)湖區(qū)沙漠化土地的過程呈現(xiàn)正過程的發(fā)展趨勢。

(2)研究區(qū)內(nèi)潛在沙漠化土地和強(qiáng)烈發(fā)展中沙漠化土地的平均斑塊面積均增加0.17 km2,正在發(fā)展的沙漠化土地和嚴(yán)重發(fā)展的沙漠化土地的平均斑塊面積均減少了2.49 km2,從總體景觀趨勢來看,景觀內(nèi)平均斑塊的面積呈遞減趨勢。而景觀斑塊的大小是研究景觀組成結(jié)構(gòu)的主要參數(shù),它直接影響單位面積景觀的生物量、生產(chǎn)力、養(yǎng)分貯量以及物種組成和多樣性。

(3)從表3和表4中也可以得到沙漠化土地的最大斑塊指數(shù)數(shù)值呈遞增趨勢,從1987年的28.17%,0.05%、0.14%、1.78%到2006年的33.00%、0.06%、0.25%、1.83%。而最大斑塊指數(shù)是確定景觀的優(yōu)勢種等類型,所以從這一角度也可以看出沙漠化正過程的發(fā)展趨勢。

(4)斑塊密度是景觀組分的斑塊數(shù)與景觀組分面積的比例,它更直接反映景觀破碎化程度。斑塊密度越大,破碎化程度就越高。從表3也可以看出正在發(fā)展的和嚴(yán)重發(fā)展的沙漠土地景觀斑塊的密度從1987年到2006年分別是:0.57個/km2、1.63個/km2,斑塊密度都增大,相應(yīng)的破碎化程度高。而潛在沙漠化土地的斑塊密度從1987年的3.79個/km2減少到2006年的3.6個/km2,強(qiáng)烈發(fā)展中沙漠化土地的斑塊密度從1987年的2.28個/km2減少到2006年的2.01個/km2,這兩類景觀的斑塊密度減小了,說明破碎化程度有所降低[2,4]。

4.2 景觀類型水平指數(shù)分析

由表5可知:

(1)從1987-2006年研究區(qū)內(nèi)沙漠化土地景觀的斑塊密度從10.67個/km2增大到11.46個/km2,而斑塊密度反映的是整個景觀的破碎化程度,密度越大,景觀斑塊的破碎化程度越高,所以20年來沙漠化土地景觀的破碎化程度在增加[4]。

(2)景觀的形狀指數(shù)反映景觀組分斑塊的復(fù)雜程度,形狀指數(shù)越大,斑塊形狀就越不規(guī)則,曲折程度就越高;形狀指數(shù)越小,斑塊形狀越規(guī)則越平滑。從表中可以得到1987年和2006年的形狀指數(shù)分別是12.92%和12.71%,景觀形狀指數(shù)變小了,說明景觀斑塊的形狀較為規(guī)則,不易受到周邊景觀的影響,因此沙漠化土地的治理比較困難[2]。

(3)從1987-2006年整個景觀平均斑塊分維數(shù)的值從1.09%減少到1.07%。而平均斑塊分維數(shù)描述的是景觀斑塊的形狀指數(shù),且值越大形狀越不規(guī)則。所以說本研究區(qū)的景觀斑塊形狀趨于規(guī)則化。這是從另一個角度反映沙漠化土地的治理比較困難[4]。

(4)Shannon多樣性指數(shù)從1987年的0.84%增大到2006年的0.86%,這一指數(shù)反映的是景觀異質(zhì)性,破碎化程度越高,其不定性的信息含量也越大,SHD I的值也就越高。因此從這一角度也可反映研究區(qū)內(nèi)整個景觀的破碎化程度在增加[2,4]。

5 結(jié) 論

根據(jù)1987年和2006年兩期遙感數(shù)據(jù),利用景觀指數(shù)的方法研究分析,可以得出青海湖環(huán)湖區(qū)沙漠化土地景觀格局發(fā)生了顯著的變化。

表5 1987-2006年沙漠化土地在景觀水平上的景觀指標(biāo)

通過對研究區(qū)內(nèi)的沙漠化土地景觀斑塊類型水平分析可以得到:正在發(fā)展的和嚴(yán)重發(fā)展的沙漠化土地破碎化程度高,從各個等級的沙漠化土地斑塊面積和最大斑塊指數(shù)的對比分析,可以得到沙漠化土地的正過程的發(fā)展趨勢。

通過對研究區(qū)內(nèi)沙漠化土地景觀類型水平分析可以得到,該研究區(qū)內(nèi)整個沙漠化土地景觀的破碎化程度在不斷增加。從景觀形狀指數(shù)和平均斑塊分維數(shù)可以說明沙漠化土地景觀的斑塊形狀較為規(guī)則,不易受到周邊景觀斑塊的影響,沙漠化的治理比較困難。

(編輯:劉文政)

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AbstractThispaper selected the largest inland lake in China-QinghaiLake region as the pilot area.The landscape pattern of basic data used remote sensing to obtain experimental area in 1987 and 2006,and ARCGIS9.2,FRAGSTATS3.3 were used for analysis tools,ERDAS I MAGI NE9.1 for image processing tool.Through landscape pattern index the landscape of land desertification was analyzed,to conduct the dynamic changes of land desertification processwas revealed.Rresults show that:the degree of landscape fragmentation of land desertification in this area has been increasing bypast20 years,through the various levelsof desertified land plaque area andmaximum plaque index of comparative analysis,the paper obtained the process of land desertification trends.Through the landscape shape index and mean patch fractal dimension analysis,the land desertification landscape patch shape ismore credible,and less susceptibly impacted by surrounding landscape patches.

Key wordsQinghaiLake area;land desertification;landscape pattern;landscape index

The Past 20 Years of Land Desertification Landscape Pattern Analysis of Spatial Variation of Qingha iLake Area

GUO Li-hong SHA Zhan-jiang MA Yan-fei ZHANG Hui-chao ZHANG Ting-ting
(College ofLife and Geography Science,QinghaiNormalUniversity,XiningQinghai 810008,China)

X171.1

A

1002-2104(2010)03專-0119-05

2010-02-20

郭麗紅,碩士生,研究方向為環(huán)境遙感與地理信息系統(tǒng)。

＊青海省科技廳項目“環(huán)青海湖區(qū)土地沙漠化現(xiàn)代過程研究”(No.2008-z-613);科技部國家科技支撐計劃“青海湖流域生態(tài)和環(huán)境治理技術(shù)集成與示范研究”之子課題“臨水湖濱帶濕生植被封育保護(hù)與培植技術(shù)”(No.2007BAC30B02-02)。