侯秀玲，盧響軍，周益民

新疆生產建設兵團環(huán)境監(jiān)測中心站，新疆 烏魯木齊 830011

地球表層系統(tǒng)最突出的景觀標志就是土地利用與土地覆被[1]。土地利用或覆被變化不僅客觀記錄了人類改變地球表面特征的空間格局，而且再現(xiàn)了地球表層景觀的時空動態(tài)變化過程。景觀格局及其變化是自然與人為因素相互作用所產生的一定區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系的綜合反映，既是各種干擾因素相互作用的結果，又影響著該區(qū)域的生態(tài)過程和邊緣效應[2]。目前，許多學者利用遙感與地理信息系統(tǒng)對不同區(qū)域的土地利用變化進行研究，并在土地利用變化研究中引入景觀格局分析方法[3-4]。景觀指數(shù)作為分析景觀格局的定量化指數(shù)，在過去20年的時間里得到迅速發(fā)展[5]。景觀格局在空間上表現(xiàn)為不同土地利用類型斑塊的鑲嵌，具有典型的空間異質性[6]。這些斑塊在空間上的排列形式稱為景觀格局，它決定著自然地理環(huán)境的形成、分布和組成，制約著各種生態(tài)過程，并與干擾能力、恢復能力、系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性有著密切的聯(lián)系[7-8]。

新疆生產建設兵團(以下簡稱“兵團”)是一個特殊的行政單元，其景觀類型以自然景觀向人工景觀過渡的特殊景觀為主，對兵團區(qū)域景觀格局的研究不單是獲取該區(qū)域生態(tài)狀況及空間變異特征的有效手段，更重要的是揭示兵團土地利用特點，為兵團進一步完善土地利用規(guī)劃、區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理和景觀生態(tài)規(guī)劃提供科學依據(jù)。近年來，在西部大開發(fā)的契機下，兵團的發(fā)展日新月異，城鎮(zhèn)化范圍不斷擴大，為合理規(guī)劃兵團土地利用，有必要對兵團的景觀格局進行分析研究。遙感技術和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，為景觀空間結構研究和動態(tài)模擬提供了可靠的信息源和有效的分析工具，使得在多尺度上景觀空間格局的定量化研究成為可能。通過RS和GIS對兵團景觀格局及其變化因素進行分析，以期為兵團的土地利用規(guī)劃及環(huán)境管理提供技術支撐。

1 研究區(qū)概況

兵團分布在新疆維吾爾自治區(qū)境內，現(xiàn)有土地面積為7.4萬平方公里，占新疆總面積的4.47%，人口為257.3萬，約占新疆總人口的八分之一。兵團屬溫帶大陸性氣候，集中表現(xiàn)為降水稀少、相對濕度低、冬季漫長、春秋季短、日照長、溫差大。兵團多年平均降水量僅為145 mm，而蒸發(fā)量約為2 000～2 500 mm。地表水資源量為1.05×1010m3，地下水資源量為2.01×109m3，森林覆蓋率約為5%。兵團下轄14個師，175個農牧團場，農業(yè)人口為1.25×106人，占總人口數(shù)的48.6%。2010年兵團生產總值7.71×1010元，與2000年相比，平均年增長29.7%，人均生產總值29 948 元，是2000年人均生產總值的4倍。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

所用數(shù)據(jù)一方面來源于2000、2005、2010年新疆地區(qū)TM影像和HJ1A-CCD1影像進行遙感解譯獲得的土地利用或土地覆蓋數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，另一方面來源于2000、2005、2010年兵團統(tǒng)計年鑒。

土地利用或覆蓋類型以《全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調查與評估項目指南》中的土地覆蓋分類系統(tǒng)為參考，將土地利用景觀類型分為森林、灌叢、草地、濕地、農田、城鎮(zhèn)、荒漠和冰川(永久積雪)等8個類型。

2.2 景觀格局分析指標

隨著對景觀格局研究的不斷深入，近年來已提出了不少關于景觀空間分析的指標和方法[9-10]，其中景觀指數(shù)方法在景觀結構的描述、比較和動態(tài)研究中的應用越來越廣泛。景觀指數(shù)能夠從定量的高度概括景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置。在實際工作中，往往同時采用多種指數(shù)來描述景觀格局的數(shù)量和空間特征，以減少單一指標對空間分析的片面性。根據(jù)兵團的特點和研究需要，結合已有研究[9-10]和各指標的適用范圍，篩選了部分主要景觀度量指標，其公式及生態(tài)意義如表1所示。景觀格局指標以Arcgis10和景觀格局分析軟件Fragstats 3.3進行處理和計算。

表1 景觀空間格局特征指數(shù)及生態(tài)學涵義

注：表中ni為i類景觀類型的斑塊個數(shù)；ai為i類景觀類型的斑塊總面積；Pi為各類景觀類型在總景觀中所占的比例；m為景觀類型數(shù)；Li為i類景觀類型的斑塊周長；Hmax=ln(m)為景觀最大多樣性；TA為景觀類型總面積；pij為斑塊類型i與j相鄰的概率。

2.3 驅動力分析指標

人口城市化，即城市戶籍人口占總人口的百分比，%；土地城市化，即城市面積占國土總面積的百分比，%；農業(yè)產值，即農業(yè)總產值與農田面積的比值，元/畝；牧業(yè)產值，即牧業(yè)總產值與草地面積的比值，元/畝；農牧產值比，即農業(yè)產值與牧業(yè)產值的比例，%；農田機械化，即農田機耕、播種、化學除草、施肥、病蟲防治、灌溉、收割、秸桿還田和飛機作業(yè)面積之和與農田面積之比除以8種作業(yè)方式，%；草地機械化，即機械收割牧草的數(shù)量占收獲牧草數(shù)量的百分比，%。

3 結果與分析

3.1 景觀總體特征

表2是經計算得到的兵團2000—2010年土地利用景觀格局指數(shù)的總體特征。

表2 兵團總體景觀格局指數(shù)

由表2可見，兵團AI指數(shù)各年份均超過90%，表明兵團景觀類型主要由少數(shù)團聚的大斑塊組成，其值稍微上升說明斑塊類型相對變得集中，空間連通性升高。H指數(shù)和E指數(shù)都有所增加，表明兵團各種景觀類型的比例差異在逐步減小，而兵團的D指數(shù)減少，則進一步說明景觀的異質性程度在逐漸提高，土地利用向著多樣化和均勻化方向發(fā)展。S、F、C指數(shù)均表現(xiàn)為先增加后減少，總體下降的趨勢，說明兵團總體景觀格局變化不大，但景觀要素斑塊形狀趨向于簡單化。

3.2 景觀類型特征

表3為兵團2000—2010年土地利用景觀格局指數(shù)。

表3 景觀類型格局指數(shù)

由表3可以看出，草地、農田在兵團景觀格局構成中占據(jù)主導地位，其中以草地占絕對優(yōu)勢，2000—2010年農田和城鎮(zhèn)用地呈現(xiàn)不斷增加趨勢，草地、灌叢和冰川(永久積雪)呈現(xiàn)不斷減少的趨勢；森林、濕地、沙漠面積在2000—2010年有增有減，但是除濕地明顯減少外，森林和沙漠總體呈現(xiàn)略微增加趨勢；S指數(shù)和C指數(shù)均以城鎮(zhèn)最大，說明城鎮(zhèn)景觀受人為活動干擾強度大；F在各景觀間變化不大，但以城鎮(zhèn)值最大，說明城鎮(zhèn)的形狀規(guī)律性最差。

3.2.1 森林景觀變化

通過森林景觀類型指標變化可知，兵團森林景觀受退耕還林及防風固沙防護林建設的政策指導，總體變化不大。

3.2.2 灌叢景觀變化

兵團灌叢景觀的Pi、NP、MPA值和AI指數(shù)下降，S、F和C指數(shù)上升。說明由于受人類活動行為的影響，灌叢景觀的變化較大；NP的多少與景觀的破碎度有很好的相關性，而MPA反映景觀的完整性和破碎化程度。由此可知，兵團灌叢景觀的破碎化程度增加，灌叢景觀的形狀趨于復雜，分布更分散，聚集程度下降。但AI指數(shù)各年份都較高，說明灌叢景觀主要還是由少數(shù)團聚的大斑塊組成。

3.2.3 草地景觀變化

兵團草地景觀的Pi、NP值和F、C指數(shù)減少，AI、S指數(shù)增加。說明由于人類活動的影響，草地景觀的變化相對較大。MPA變化不大，但Pi、NP、F明顯減少，說明草地生態(tài)系統(tǒng)的破碎化程度降低。草地景觀C指數(shù)降低，則說明受人類活動的影響程度在逐漸減弱。AI升高，表明草地景觀類型主要由少數(shù)團聚的大斑塊組成，其值稍微升高，說明斑塊空間連通性增加，而S的逐漸增加則表明團聚斑塊呈現(xiàn)出分散的趨勢。

2000—2005年草地的Pi、NP、F和C指數(shù)減少了5.54%、3.62%、0.02%和1.65%，而2005—2010年則分別減少了4.74%、6.81%、0.15%、8.85%，通過2組數(shù)據(jù)的對比可知，草地在“十五”時期的變化幅度明顯弱于“十一五”時期，“十一五”時期的破碎化程度明顯好于“十五”時期，說明在退耕還林還草政策的支持下以及“十一五”兵團環(huán)保事業(yè)的逐步開展下，人們對自然生態(tài)環(huán)境的保護意識逐漸增強。

3.2.4 濕地景觀變化

兵團濕地景觀的Pi、MPA值和AI指數(shù)減少，NP值和C指數(shù)增加。說明濕地景觀形狀愈來愈復雜，斑塊的完整性下降，景觀類型總體上變得相對分散，空間連通性變差。其C指數(shù)的持續(xù)增加，說明其受到的人為活動影響在逐步增強，特別是“十一五”時期明顯大于“十五”時期，說明“十一五”期間的水利工程建設強度對兵團濕地景觀影響較大。

3.2.5 農田景觀變化

兵團農田景觀的Pi、MPA值和AI指數(shù)增加，NP、S、F和C指數(shù)減少。說明這一時期由于人類大量開墾，以及兵團的高度農業(yè)機械化導致農田面積不斷增加，MPA值大幅度提高。農田景觀斑塊的團聚性和連通性增大，愈來愈趨向于集中和成片發(fā)展。

2000—2005年農田景觀中Pi、MPA和AI指數(shù)分別增加16.99%、18.26%和0.62%，而NP、S、F和C指數(shù)則分別減少1.10%、14.97%、0.25%和16.39%；2005—2010年農田景觀中Pi、MPA和AI指數(shù)分別增加11.02%、18.26%和0.90%，NP、S、F和C指數(shù)則分別減少23.88%、21.46%、0.36%和47.79%；通過對比可知，人類活動強度“十一五”時期明顯強于“十五”時期，特別是兵團農業(yè)機械化的快速發(fā)展，極大影響著兵團農田景觀的MPA值。

3.2.6 城鎮(zhèn)景觀變化

兵團城鎮(zhèn)景觀的Pi、NP、MPA值及AI、C指數(shù)增加，而S和F指數(shù)減少。說明這一時期城市化進程加快，對城鎮(zhèn)景觀影響很大。隨著人口增長，新的城鎮(zhèn)不斷增加，城鎮(zhèn)面積不斷擴展，城鎮(zhèn)的復雜性及破碎化程度也有所增加。斑塊的團聚性和連通性雖有增大，但與其他景觀相比仍然較差。

2000—2005年城鎮(zhèn)景觀的Pi、NP、MPA值和AI指數(shù)分別增加15.52%、10.50%、3.70%和0.73%，2005—2010年則分別增加9.95%、4.56%、3.57%和0.53%；而S、F則分別由8.72%和0.17%減少為7.13%和0.12%；C指數(shù)則前5年增加6.03%，后5年減少0.72%。通過以上數(shù)據(jù)的對比可知， “十五”期間城鎮(zhèn)景觀的變化幅度明顯強于“十一五”，“十五”期間人類活動主要是隨著人口數(shù)量的增加建立新的居民點，因此NP值明顯大于“十一五”時期的增長；而“十一五”時期則主要以建立大型的城鎮(zhèn)，進行連片發(fā)展為城市化的發(fā)展方向，因此，MPA顯著大于“十五”期間。

3.2.7 荒漠景觀變化

由表3可知兵團荒漠景觀的Pi值各年份間變化不大，但荒漠景觀變得愈來愈復雜，斑塊的完整性下降，景觀類型總體上變得相對分散，空間連通性相對變差，但仍以少數(shù)的大斑塊組成為主。

3.2.8 冰川(永久積雪)景觀變化

兵團冰川(永久積雪)景觀受氣候及人類活動影響，變得愈來愈復雜，斑塊的完整性下降，景觀類型總體上變得分散，空間連通性變差。

3.3 兵團生態(tài)環(huán)境變化驅動因素分析

驅動因素一般分為2類，自然驅動因素和人為驅動因素。自然驅動因素常在較大的時空尺度上作用于景觀，它引起大面積的景觀變化，而人為驅動因素包括人口、技術、政治體制和文化等因素，它們對景觀的影響在較小尺度上十分重要。由于解譯數(shù)據(jù)時間尺度較小，因此，僅對兵團變化較劇烈的農田、草地和城鎮(zhèn)土地利用類型中人為因素進行分析(表4)。

表4 兵團人為驅動因子與土地利用指標變化[11]

由表4可知，引起兵團景觀格局變化的人為驅動因素有：①人口增加和機械化程度的提高是農田面積增加的內在動力。人口作為影響土地利用變化的主要因素是客觀存在的。如表4所示，兵團人口2005年比2000年增加了14.19萬人，而2010年比2005年僅增加0.34萬人，人口增加在一定程度上決定著土地利用類型向農田轉變。而人口城市化的速度大于人口增加的速度，這在一定程度上限制了農田面積的增加。兵團結合自身農業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢及特點，不斷提高機械化水平，農業(yè)機械化面積年均增長率4.66%。由機械耕地、播種發(fā)展到機械收割，由機收小麥、水稻、玉米等發(fā)展到機收棉花和甜菜等作物，釋放了大量的農業(yè)人口。②經濟發(fā)展是兵團農田和城鎮(zhèn)面積增加，草地面積減少的主要因素。盡管兵團一直實施退耕還林還草政策，兵團職工為增加個體收入仍然進行農田開發(fā)，其生產總值以每年15.9%的速率遞增，并逐漸由2000年一、二、三產業(yè)的比例40.6∶27.5∶31.9轉向2010年的31.6∶35.5∶33.2。這在一定程度上促進了兵團經濟結構由以農業(yè)生產為主逐漸向一、二、三產業(yè)并重的方向發(fā)展。追求經濟利益的提高是農田和城鎮(zhèn)面積增加、草地面積減少的主要原因。③兵團小城鎮(zhèn)建設的推進是城鎮(zhèn)面積不斷增加的動力。根據(jù)安瓦爾·買買提明等[12]的統(tǒng)計，在2000年前沒有文獻涉及到兵團小城鎮(zhèn)，而在2004年公開發(fā)表的相關文獻達到高峰，說明兵團的小城鎮(zhèn)建設在這一時期不斷受到專家和領導的高度重視，在政策上不斷給予扶持，這無疑推動了兵團城鎮(zhèn)面積及人口的迅速增長。④政策導向是調節(jié)兵團景觀格局變化的有效途徑。由表4中草地面積與農牧業(yè)產值比可以看出，2000—2005年草地減少5.56%，而農牧產值比減少23.75%；2005—2010年草地面積減少4.73%，而農牧產值比則減少40.08%。兵團的退耕還草和畜牧業(yè)補貼等政策在草地景觀格局的變化上起到了至關重要的作用。

4 結論

兵團2000—2010年土地利用景觀格局具有3方面特點：

1)兵團景觀類型主要由少數(shù)團聚的大斑塊組成，總體景觀格局變化不大，但景觀要素斑塊形狀趨向于簡單化。

2)草地、農田在兵團景觀格局構成中占據(jù)主導地位，其中以草地占絕對優(yōu)勢。2010年農田和城鎮(zhèn)面積比2000年分別增加29.85%和24.09%。草地、灌叢和冰川(永久積雪)呈現(xiàn)不斷減少的趨勢。

3)兵團農田景觀變化主要受人口和農業(yè)機械化影響，城鎮(zhèn)景觀變化的主要影響因素是經濟發(fā)展和兵團小城鎮(zhèn)建設，而政策導向是調節(jié)兵團景觀格局變化的有效途徑。

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