鞏 杰，孫 朋，謝余初，錢(qián)大文，賈珍珍

蘭州大學(xué), 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西部環(huán)境與氣候變化研究院, 蘭州 730000

基于移動(dòng)窗口法的肅州綠洲化與景觀破碎化時(shí)空變化

鞏 杰*，孫 朋，謝余初，錢(qián)大文，賈珍珍

蘭州大學(xué), 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西部環(huán)境與氣候變化研究院, 蘭州 730000

以甘肅省酒泉市肅州綠洲為例，以1990、1999和2010 年3 期Landsat TM/ETM 同月相數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，基于ArcGIS與Fragstats軟件，采用移動(dòng)窗口法、轉(zhuǎn)移矩陣和景觀指數(shù)等開(kāi)展綠洲化與景觀破碎化的時(shí)空變化研究。結(jié)果表明: (1)肅州綠洲化過(guò)程主要表現(xiàn)為綠洲面積變化和內(nèi)部土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)化。綠洲面積變化以耕地、草地和城市建設(shè)用地等的增加為主；綠洲土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)為耕地內(nèi)部變化、草地與未利用地，城市建設(shè)用地與未利用地之間的轉(zhuǎn)換等。(2)景觀破碎化程度整體上呈減緩趨勢(shì)，其劇變區(qū)多集中于綠洲邊緣的銀達(dá)鎮(zhèn)、三墩鎮(zhèn)、黃泥堡鄉(xiāng)和下河清鄉(xiāng)等，景觀破碎化在空間上表現(xiàn)為由綠洲內(nèi)部向邊緣區(qū)轉(zhuǎn)移。(3)以草地為主的綠洲荒漠過(guò)渡帶是綠洲擴(kuò)張和景觀破碎化的多發(fā)區(qū)，更是維持綠洲穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵子區(qū)。研究可為綠洲景觀管理和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

綠洲化; 移動(dòng)窗口法; 土地利用; 時(shí)空變化; 景觀破碎化; 肅州

土地利用-覆被變化(Land-Use and Land-Cover Change，LUCC)研究已成為全球環(huán)境變化研究的核心內(nèi)容[1-2]。綠洲是荒漠背景下人類(lèi)局部?jī)?yōu)化的生存環(huán)境，是干旱區(qū)環(huán)境變化的敏感組分[3-4]。綠洲化與荒漠化是干旱區(qū)兩個(gè)反向發(fā)展而又相互聯(lián)系的過(guò)程，處于此消彼長(zhǎng)的變化之中[4]。我國(guó)西北干旱區(qū)的綠洲化及土地利用變化必將導(dǎo)致綠洲景觀結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生變化[5]，引起區(qū)域景觀格局變化，進(jìn)而誘發(fā)區(qū)域生態(tài)過(guò)程和環(huán)境變化，必將在一定程度上影響綠洲的穩(wěn)定性和良性發(fā)展，最終影響綠洲產(chǎn)業(yè)發(fā)展、社會(huì)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展[6]。

景觀破碎化是指由于自然或人文因素干擾，導(dǎo)致景觀從簡(jiǎn)單趨向復(fù)雜的過(guò)程，即景觀由單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的變化過(guò)程[7-8]。景觀破碎化對(duì)景觀的結(jié)構(gòu)、功能及生態(tài)過(guò)程都有不同程度的影響[8]。人類(lèi)活動(dòng)及景觀破碎化研究一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)課題[9-13]。近年來(lái)，隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展，景觀破碎化的定量化研究也相繼展開(kāi)[11-13]。很多研究者認(rèn)為景觀破碎化呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律[14]，并在不同地理單元開(kāi)展了綠洲化進(jìn)程下景觀破碎化的變化研究[9,15-17]。這些研究多側(cè)重于景觀指數(shù)分析，涉及綠洲化與景觀破碎化的空間關(guān)系的研究報(bào)道較為鮮見(jiàn)。近年來(lái)，移動(dòng)窗口法在景觀生態(tài)學(xué)、綜合自然地理學(xué)方面的應(yīng)用愈加廣泛[18-20]。移動(dòng)窗口法是分析景觀格局指數(shù)空間變異狀況的有效手段[20-22]，可以更好地將景觀格局與自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)過(guò)程連接起來(lái)，但其應(yīng)用于綠洲景觀格局變化的研究報(bào)道較少。

肅州綠洲位于河西走廊中段的酒泉市，人類(lèi)活動(dòng)和綠洲農(nóng)業(yè)歷史悠久[23]，是研究綠洲景觀破碎化的典型代表。近20年來(lái)酒泉市肅州區(qū)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政策、灌溉、城市化等因素的共同影響下，綠洲化進(jìn)程及其變化劇烈。本研究基于研究區(qū)的1990、1999和2010年Landsat TM-ETM遙感影像，進(jìn)行綠洲空間分布重建，采用GIS和移動(dòng)窗口法等開(kāi)展綠洲景觀破碎化時(shí)空分布及其變化規(guī)律研究，探究綠洲化過(guò)程與綠洲景觀破碎化的關(guān)系，為干旱區(qū)綠洲時(shí)空變化過(guò)程認(rèn)知、綠洲景觀管理與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

甘肅省酒泉市肅州區(qū)位于河西走廊中部的祁連山北麓，地理位置為98°12′—99°18′ E， 39°10′—39°59′ N(圖1)，東與高臺(tái)縣、肅南縣接壤，南倚祁連山與肅南縣交界，西鄰嘉峪關(guān)市，北連金塔縣，全區(qū)總面積3 353 km2，總?cè)丝?2萬(wàn)人，其中城市人口約40萬(wàn)(2010年)。境內(nèi)地勢(shì)平坦，海拔1 350—2 000 m，年平均降水量85.3 mm，年蒸發(fā)量2 148.3 mm，年均溫7.3 °C，屬溫帶干旱大陸性氣候。受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，境內(nèi)綠洲、戈壁、河流、湖汊交織，為典型的戈壁綠洲地貌。本研究中肅州綠洲指酒泉市肅州區(qū)境內(nèi)的綠洲總稱(chēng)(文中簡(jiǎn)稱(chēng)為肅州綠洲)。

圖1 研究區(qū)示意簡(jiǎn)圖Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

綜合考慮研究區(qū)遙感影像的可獲取性、影像質(zhì)量和同時(shí)相性，本研究以1990、1999和2010年8月份的同時(shí)相Landsat TM-ETM遙感影像(分辨率為30 m)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于ERDAS和ArcGIS 平臺(tái)，以地形圖作為參照對(duì)原始影像進(jìn)行幾何精校正，結(jié)合實(shí)地考察建立解譯標(biāo)志，采用人機(jī)交互目視解譯的方法重建得到研究區(qū)景觀類(lèi)型圖(圖2)。參照中國(guó)科學(xué)院“中國(guó)資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)”土地利用遙感分類(lèi)體系并結(jié)合肅州綠洲特殊情況，將研究區(qū)土地利用類(lèi)型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六類(lèi)。除未利用地外的其它5種地類(lèi)均劃歸為綠洲地類(lèi)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《肅州區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒-1990、1999和2010年》、肅州志和官方數(shù)據(jù)報(bào)表等。

2.2 綠洲化過(guò)程分析方法

2.2.1 綠洲土地動(dòng)態(tài)度

該指標(biāo)用來(lái)定量研究綠洲中土地類(lèi)型面積數(shù)量變化，并預(yù)測(cè)未來(lái)土地變化趨勢(shì)[24-25]：

(1)

式中,K為研究時(shí)段綠洲演化動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初和研究期末某種土地利用類(lèi)型的面積；T為研究步長(zhǎng)，當(dāng)其設(shè)定為年時(shí)，K則表示該類(lèi)土地利用類(lèi)型的年變化率。

2.2.2 綠洲相對(duì)變化率

構(gòu)建了綠洲區(qū)域差異模型，用于表征綠洲變化的區(qū)域差異[25-26]：

(2)

式中，Ua、Ub分別為研究初期與末期子區(qū)域的綠洲面積，Ca、Cb則為對(duì)應(yīng)的整個(gè)研究區(qū)的綠洲面積。

2.2.3 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣

基于ArcGIS平臺(tái)對(duì)不同時(shí)期土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析，并采用Excel數(shù)據(jù)透視表進(jìn)行處理，得到各期土地類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣[26]。

2.3 景觀破碎化分析

本研究主要選取斑塊密度(PD) 、斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀分離度指數(shù)(DIV),Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)，采用移動(dòng)窗口法來(lái)探究研究區(qū)景觀破碎化的空間分布格局和內(nèi)部水平差異。參照前人研究[20-21]與研究區(qū)的大小范圍，通過(guò)對(duì)1、2、5、10 km的窗口進(jìn)行調(diào)試，2 km窗口范圍能較清晰的展示肅州綠洲景觀指數(shù)密度。選取2 km的分析窗口后，從研究區(qū)的左上角開(kāi)始逐步移動(dòng)，每次移動(dòng)1個(gè)柵格，計(jì)算窗口內(nèi)的景觀指數(shù)值，并將該值賦給該窗口的中心柵格，最終得到各個(gè)景觀指標(biāo)的柵格圖。景觀指數(shù)計(jì)算和移動(dòng)窗口分析利用Fragstats 3.3軟件完成。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 肅州綠洲時(shí)空變化

3.1.1 肅州綠洲土地利用時(shí)空變化

研究發(fā)現(xiàn)，肅州綠洲主要分布在北大河流域干流區(qū)和山前沖積平原區(qū)，兼有少量由地下水灌溉形成的小規(guī)模綠洲(圖2)。耕地、草地、水域和建設(shè)用地是綠洲的主要土地利用類(lèi)型，其中耕地是綠洲的主體(占綠洲面積比例為80.93%)，草地、水域是其重要組成部分，林地所占比重最少(僅占綠洲面積的0.03%—0.11%)。肅州綠洲變化過(guò)程總體表現(xiàn)為綠洲面積的擴(kuò)張。近20年來(lái)綠洲面積增加了362.9 km2(增長(zhǎng)幅度為35.4%)。其中，耕地、草地、建設(shè)用地分別增加了7.48%、1.53%和1.39%，未利用地減少了10.83%。

綠洲面積變化呈現(xiàn)一定的時(shí)間階段性，1999—2010年綠洲擴(kuò)張的幅度和規(guī)模均高于1990—1999年(表1)。1990—1999年間，肅州綠洲耕地面積增加了94.04 km2，其次為草地(23.78 km2)，而水域面積增長(zhǎng)了4.01 km2，這主要是由水庫(kù)周邊灘涂濕地的水位回升和季節(jié)性河湖水位上漲而造成的(圖2)。建設(shè)用地面積增加了25.07 km2，這主要是由于該區(qū)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快引起的；未利用地面積減少了137.83 km2，且主要轉(zhuǎn)化為綠洲用地類(lèi)型，這說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)綠洲土地利用的影響很大。而1999—2010年間，耕地的增長(zhǎng)面積為156.69 km2，其主要表現(xiàn)為綠洲內(nèi)部填充和邊緣外擴(kuò)；草地面積增加了27.49 km2；水域面積增加了10.06 km2，這主要受灌溉和季節(jié)性降水等的影響致使水域面積并不穩(wěn)定；林地面積呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，主要是林地轉(zhuǎn)化為草地和(或)灌叢；建設(shè)用地面積增加了21.6 km2；而未利用地面積減少了215.08 km2。

圖2 1990、1999、2010年肅州綠洲土地利用時(shí)空變化圖Fig.2 Spatiotemporal change of land use in the study area of 1990, 1999 and 2010

表1 肅州綠洲景觀構(gòu)成和動(dòng)態(tài)度K變化

總的來(lái)說(shuō)，近20年來(lái)肅州綠洲建設(shè)用地變化速率最大，而耕地面積變化量最大，但其相對(duì)變化量較小，這表明近20年肅州綠洲城市化進(jìn)程在加快，尤其是1999—2010年間，建設(shè)用地面積增加迅速(圖2)。

3.1.2 綠洲內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換分析

基于ArcGIS 9.3平臺(tái)獲得肅州綠洲地類(lèi)轉(zhuǎn)化圖(圖3)及1990—1999年與1999—2010年兩個(gè)時(shí)段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2)?？梢?jiàn)，1990—1999年間，肅州綠洲各土地利用類(lèi)型之間的面積轉(zhuǎn)化由大到小依次為：未利用地轉(zhuǎn)為耕地、未利用地轉(zhuǎn)為草地、草地轉(zhuǎn)為耕地、耕地轉(zhuǎn)為未利用地、耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。這一階段綠洲土地利用變化以耕地、草地和建設(shè)用地的擴(kuò)張為主。其中，耕地?cái)U(kuò)張主要發(fā)生在綠洲邊緣帶和綠洲內(nèi)部(圖3)，建設(shè)用地的快速擴(kuò)張表現(xiàn)為對(duì)未利用地和耕地的侵占，處于綠洲荒漠過(guò)渡帶的草地面積由于受水資源和人類(lèi)活動(dòng)干擾的影響而出現(xiàn)波動(dòng)。而1999—2010年期間，肅州綠洲變化主要表現(xiàn)為耕地、建設(shè)用地的擴(kuò)張，未利用地與草地之間的轉(zhuǎn)換等。

近20年來(lái)肅州綠洲變化主要表現(xiàn)為綠洲面積增長(zhǎng)和綠洲各種土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換，具有明顯的時(shí)間階段性和空間變化。尤其表現(xiàn)出人類(lèi)活動(dòng)對(duì)未利用地的開(kāi)墾和草地的多樣化轉(zhuǎn)化，耕地是干旱區(qū)綠洲變化的主體，快速城鎮(zhèn)化是肅州綠洲發(fā)展的另一個(gè)重要影響因子。

3.2 肅州綠洲景觀破碎化分析

3.2.1 類(lèi)型水平上肅州綠洲景觀破碎化分析

研究發(fā)現(xiàn)，隨著綠洲化進(jìn)程的推進(jìn)，研究區(qū)各土地利用類(lèi)型的景觀破碎變化不一致且表現(xiàn)為階段差異性(圖4)。耕地具有最大的斑塊數(shù)和面積指數(shù)，盡管近20年來(lái)耕地面積增長(zhǎng)了250.53 km2，但1990—1999年間耕地NP逐漸減少(由278 個(gè)減少為226 個(gè))，PD在降低(由0.08 個(gè)/km2下降為0.07 個(gè)/km2)，LPI卻顯著增加(由8.58%增長(zhǎng)到18.08%)，這說(shuō)明綠洲化進(jìn)程中耕地斑塊的破碎化趨勢(shì)在減緩，這主要是由北大河沿岸綠洲的內(nèi)部填充和已開(kāi)墾的零星小規(guī)模綠洲的不斷合并導(dǎo)致的。而在1999—2010年間，耕地NP持續(xù)減少(由226 個(gè)減少為209 個(gè))，PD繼續(xù)降低(由0.07 個(gè)/km2下降到0.06 個(gè)/km2)，LPI增加(由18.08%增長(zhǎng)到21.36%)，說(shuō)明這一時(shí)期耕地更趨于一體化，其破碎化逐漸降低，綠洲化過(guò)程中的內(nèi)部填充式發(fā)展降低了綠洲景觀的破碎化。

1990—1999年間，草地NP由135 個(gè)下降到101 個(gè)，PD由0.04 個(gè)/km2下降到0.03 個(gè)/km2，而LPI呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。1999—2010年間，草地NP和PD小幅度減少，而最大斑塊指數(shù)趨于降低，主要受草地向耕地大規(guī)模轉(zhuǎn)化(轉(zhuǎn)化面積為43.22 km2)引起的(圖3)，這使得草地整體性在一定程度上被破壞。

圖4 肅州綠洲土地利用類(lèi)型斑塊特征Fig.4 Patch characteristics of the land use type in Suzhou oasis

基于ArcGIS 9.3平臺(tái)獲得肅州綠洲地類(lèi)轉(zhuǎn)化圖(圖3)和1990—1999年、1999—2010年兩個(gè)時(shí)段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。1990—1999年間，肅州綠洲各土地利用類(lèi)型之間的面積轉(zhuǎn)化由大到小依次為：未利用地轉(zhuǎn)化為耕地、未利用地轉(zhuǎn)化為草地、草地轉(zhuǎn)化為耕地、耕地轉(zhuǎn)化為未利用地、耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。這一階段綠洲土地利用變化以耕地、草地和建設(shè)用地的擴(kuò)張為主，耕地?cái)U(kuò)張主要發(fā)生在綠洲邊緣帶和綠洲內(nèi)部(圖3)，建設(shè)用地的快速擴(kuò)張表現(xiàn)為對(duì)未利用地和耕地的侵占，處于綠洲荒漠過(guò)渡帶的草地面積由于受水資源和人類(lèi)活動(dòng)干擾等影響而出現(xiàn)波動(dòng)。而1999—2010年期間，肅州綠洲變化主要表現(xiàn)為耕地和建設(shè)用地的擴(kuò)張，未利用地與草地之間的轉(zhuǎn)換等。

近20年來(lái)肅州綠洲的水域面積變化相對(duì)穩(wěn)定，其PD、LPI變化相對(duì)穩(wěn)定。肅州綠洲中林地較少，多為果園和農(nóng)田防護(hù)林，面積小而零散分布，且在解譯中劃為耕地，因而其景觀指數(shù)變化不明顯?？焖俪擎?zhèn)化進(jìn)程帶來(lái)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張是綠洲化的又一表征。城鎮(zhèn)化及新農(nóng)村建設(shè)等導(dǎo)致了建設(shè)用地斑塊數(shù)的增加(由157 個(gè)增加到193 個(gè))，加劇了建設(shè)用地斑塊的破碎化程度。隨著城鎮(zhèn)的合理規(guī)劃和城鎮(zhèn)化趨于理性，1999—2010年間建設(shè)用地斑塊破碎化趨勢(shì)有所下降。

3.2.2 肅州綠洲景觀破碎化的時(shí)空分布特征分析

1990年NP與PD高值都集中分布在肅州綠洲北部，且多處于綠洲邊緣和河岸區(qū)(圖5)，這主要是因?yàn)楹拥纼蓚?cè)土地利用類(lèi)型多樣所導(dǎo)致的。2010年綠洲北部區(qū)域NP與PD表現(xiàn)為減小(圖5)，這是綠洲內(nèi)部填充式擴(kuò)張的結(jié)果。1990年LPI分布高值主要在北大河沿岸、綠洲內(nèi)部及北部邊緣帶，而在山前綠洲區(qū)呈條帶狀分布(圖5)；到2010年，LPI指數(shù)高值面積分布在北大河沿岸有所減少，在綠洲東部及沿河岸區(qū)有所增加，表現(xiàn)出綠洲內(nèi)部整體性增加，綠洲邊緣帶變動(dòng)劇烈，出現(xiàn)LPI低值(圖5)。

景觀分離度指數(shù)(DIV)在1990年的分布表現(xiàn)為北大河沿岸為高值區(qū)，肅州北部沖積平原綠洲的分離度指數(shù)范圍在0.36—0.92之間，這主要是由于草地和未利用地的大面積存在使得耕地的整體性較差，出現(xiàn)較嚴(yán)重的景觀分離現(xiàn)象(圖5)。肅州山前沖積扇綠洲區(qū)和豐樂(lè)河周?chē)霈F(xiàn)小范圍的高值區(qū)，其整體變化多在0.49—0.74，低于北大河沿岸區(qū)，這是由于該區(qū)屬于沖積扇地貌區(qū)，地形較為單一，且多為耕地造成的。2010年北大河沿岸和邊緣區(qū)的開(kāi)墾使綠洲分布有所擴(kuò)大，DIV指數(shù)變化主要發(fā)生在未利用地轉(zhuǎn)化為草地和耕地的區(qū)域，但在山前沖積綠洲區(qū)，由于結(jié)構(gòu)類(lèi)型較為單一，表現(xiàn)為相對(duì)較低的DIV值(圖5)。

圖5 肅州綠洲景觀指數(shù)密度空間分布變化Fig.5 Spatial distribution of landscape index density of Suzhou oasisNP: 斑塊數(shù)Number of Patch, PD:斑塊密度Patch Density, LPI:最大斑塊指數(shù)Largest Patch Index, DIV:景觀分離度指數(shù)Landscape Division Index, SHDI: Shannon多樣性指數(shù)Shannon′s Diversity Index

1990年SHDI指數(shù)高值區(qū)集中分布在北大河沿岸，其主體值為0.71—1.32，這主要是由于土地利用方式較為多樣化(圖5)；山前沖積扇綠洲區(qū)的SHDI多在0.56—0.71之間的中值區(qū)，其土地利用方式較為單一。2010年SHDI指數(shù)高值區(qū)主要為綠洲邊緣帶，包括黃泥堡鄉(xiāng)和三墩鄉(xiāng)等(圖5)，SHDI變化表現(xiàn)為內(nèi)部區(qū)域的降低和邊緣帶的增高，這主要是由于綠洲內(nèi)部的填充式發(fā)展和邊緣帶的波動(dòng)變化導(dǎo)致的。

3.2.3 肅州綠洲鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度景觀破碎化特點(diǎn)分析

以肅州區(qū)各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為樣點(diǎn)，計(jì)算出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)1990年和2010年景觀指數(shù)差值與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠洲動(dòng)態(tài)度和相對(duì)變化率(圖6)。由圖6可見(jiàn)，景觀指數(shù)的差值直接反映了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀指數(shù)變化量和態(tài)勢(shì)，正向和負(fù)向分別表現(xiàn)了斑塊指數(shù)的增加和減少。各景觀指數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)變化差異明顯，變化多集中在少數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。其中NP差值表現(xiàn)為銀達(dá)鎮(zhèn)最小(負(fù)值)，金佛寺鎮(zhèn)、下河清鄉(xiāng)和總寨鎮(zhèn)次之，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)變化較小。PD差值總體表現(xiàn)為負(fù)值，負(fù)向差值較大的是西峰鄉(xiāng)和銀達(dá)鎮(zhèn)，總寨鎮(zhèn)、鏵尖鄉(xiāng)次之，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)變化很低。LPI差值變化幅度基本不大，正向差值最大的是上壩鎮(zhèn)，銀達(dá)鎮(zhèn)、下河清鄉(xiāng)次之(呈負(fù)向變化)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)變化較小。DIV負(fù)向差值最大的是上壩鎮(zhèn)，銀達(dá)鎮(zhèn)和下河清鄉(xiāng)次之。SHDI差值表現(xiàn)為上壩鎮(zhèn)和鏵尖鄉(xiāng)負(fù)向變化外，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)變化都為正向變化。肅州綠洲各鄉(xiāng)鎮(zhèn)動(dòng)態(tài)度均表現(xiàn)為正值，這說(shuō)明綠洲在各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)都呈擴(kuò)張趨勢(shì)，綠洲邊緣區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的動(dòng)態(tài)度和相對(duì)變化率尤為劇烈，如銀達(dá)鎮(zhèn)、三墩鎮(zhèn)、黃泥堡鄉(xiāng)和下河清鄉(xiāng)等(圖6)。

圖6 肅州綠洲鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度景觀破碎化差值(1990—2010年差值)與綠洲動(dòng)態(tài)度和相對(duì)變化率Fig.6 Difference of landscape fragmentation indices between 1990 and 2010, dynamic and relative change rate of township scale in Suzhou oasisNP: 斑塊數(shù)Number of Patch, PD:斑塊密度Patch Density, LPI:最大斑塊指數(shù)Largest Patch Index, DIV:景觀分離度指數(shù)Landscape Division Index, SHDI: Shannon多樣性指數(shù)Shannon′s Diversity Index

3.2.4 肅州綠洲景觀破碎化的主要人文因子分析

綠洲變化的驅(qū)動(dòng)因素研究表明，近60年來(lái)，相對(duì)于自然因素而言，人文因素是我國(guó)干旱區(qū)綠洲變化的主要影響因素[25]，因此，本文主要分析引起綠洲景觀破碎化的人文因素，如人口、城鎮(zhèn)人口、農(nóng)機(jī)總動(dòng)力、機(jī)電井和種植結(jié)構(gòu)比等(表 2)。可見(jiàn)，近20年來(lái)，隨著人口的不斷增長(zhǎng)，人們對(duì)土地的需求大大增加，尤其是城市人口比例的逐步擴(kuò)大是建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的直接原因，特別是近10年來(lái)，城市人口比重由29.82%上升到43.65%，人口的激增導(dǎo)致了建設(shè)用地的快速擴(kuò)張，導(dǎo)致了綠洲景觀的破碎化。耕地變化是綠洲破碎化的驅(qū)動(dòng)因素之一，這主要是由于農(nóng)村機(jī)械化動(dòng)力的提升和機(jī)電井的建設(shè)導(dǎo)致的。種植結(jié)構(gòu)比表現(xiàn)了糧食作物面積與經(jīng)濟(jì)作物播種面積之間的比值，可反映研究時(shí)段內(nèi)綠洲人類(lèi)活動(dòng)和作物種植結(jié)構(gòu)。由表 2可知，肅州綠洲種植結(jié)構(gòu)比呈現(xiàn)大幅度降低趨勢(shì)，這主要受經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動(dòng)，特別是2005年前后制種業(yè)的大規(guī)模興起造成的，這是綠洲景觀破碎化的另一主要原因。

表2 1990—2010肅州綠洲景觀破碎化的主要影響因子變化分析

4 結(jié)論與討論

本文采用同源遙感數(shù)據(jù)和移動(dòng)窗口法開(kāi)展近20年來(lái)肅州綠洲時(shí)空變化及其景觀破碎化研究，從土地利用類(lèi)型、空間和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度探究景觀破碎化與綠洲化時(shí)空變化及其主要人文因素。研究結(jié)果表明：

肅州綠洲面積呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為耕地、草地、建設(shè)用地和水域等變化。近20年來(lái)綠洲面積增加了362.9 km2，綠洲增長(zhǎng)過(guò)程的主要表現(xiàn)為耕地的空間擴(kuò)張和面積增長(zhǎng)，各土地利用類(lèi)型面積變化的大小依次是耕地>草地>城建用地>水域>林地。綠洲在空間上的擴(kuò)張和轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)為耕地的擴(kuò)張、建設(shè)用地增加及其對(duì)耕地與未利用地的侵占、綠洲邊緣帶草地的波動(dòng)等。

近20年來(lái)，肅州綠洲景觀破碎化程度整體上呈現(xiàn)減緩趨勢(shì)，表現(xiàn)為不同尺度上的差異性。耕地、草地和建設(shè)用地的侵吞式和填充式為主的擴(kuò)張致使綠洲斑塊數(shù)目和斑塊密度減小，不斷增大的最大斑塊指數(shù)是景觀破碎化減緩的重要表征。肅州綠洲景觀指數(shù)存在明顯的區(qū)域差異性。斑塊破碎化趨勢(shì)主要體現(xiàn)為位于綠洲西部、北部的河岸綠洲子區(qū)、綠洲內(nèi)部向綠洲邊緣區(qū)的遷移；而在綠洲南部、東部的山前沖擊扇區(qū)的景觀指數(shù)變化相對(duì)穩(wěn)定。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上，綠洲景觀動(dòng)態(tài)度以及相對(duì)變化率的變化主要集中在綠洲邊緣區(qū)的銀達(dá)鎮(zhèn)、三墩鎮(zhèn)、黃泥堡鄉(xiāng)和下河清鄉(xiāng)等，位于綠洲邊緣的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)是綠洲動(dòng)態(tài)變化最活躍的部分。動(dòng)態(tài)度和相對(duì)變化率的變化與景觀的破碎程度沒(méi)有直接的響應(yīng)關(guān)系，是人類(lèi)活動(dòng)與區(qū)位因素綜合作用的結(jié)果。

總的來(lái)說(shuō)，肅州綠洲化時(shí)空過(guò)程及其景觀破碎化表現(xiàn)為綠洲面積增加和景觀破碎化的減緩，這主要是人口增加、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高、灌溉條件改善、種植結(jié)構(gòu)變化與追求經(jīng)濟(jì)效益等的驅(qū)動(dòng)的。以草地為主的綠洲荒漠過(guò)渡帶，既是綠洲擴(kuò)張的主要子區(qū)，也是景觀破碎化的多發(fā)區(qū)，更是保護(hù)綠洲環(huán)境和穩(wěn)定性的關(guān)鍵區(qū)域。本研究較為系統(tǒng)地分析了肅州綠洲化與景觀破碎化的時(shí)空變化，可為綠洲景觀管理和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。但是，由于綠洲時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因子在不同時(shí)空尺度上的表現(xiàn)和作用不同，同時(shí)，綠洲時(shí)空變化與人類(lèi)活動(dòng)也必將誘發(fā)綠洲景觀格局的變化[5,17,24]，因此，綠洲土地利用變化的多尺度模擬模型[27]、人文因素和綠洲變化的空間耦合[28]及其生態(tài)效應(yīng)研究，將是未來(lái)綠洲景觀生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)之一。

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Spatiotemporal change and landscape fragmentation in suzhou oasis using the moving window method

GONG Jie*, SUN Peng, XIE Yuchu, QIAN Dawen, JIA Zhenzhen

KeyLaboratoryofWesternChina′sEnvironmentalSystems(MinistryofEducation),ResearchSchoolofAridEnvironmentandClimateChange,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China

Study of land-use and land-cover change is at the forefront of global environmental change research. Oases are unique geographical desert features that allow flourishing vegetation and human settlements, and sensitive to environmental change in arid areas. Research focusing on landscape index analysis of oasis development and the spatial relationships of landscape fragmentation is relatively rare and recent. The combined use of land cover classification based on remote sensing data and landscape metrics has provided a useful comprehensive understanding of the features of landscape structure and the ecological processes underlying these. In this study, we analyzed landscape fragmentation and change in Suzhou oasis, a typical agricultural oasis in the middle reach of the Heihe River watershed. To study oasis change and landscape fragmentation, oasis maps were obtained from Landsat TM/ETM images 1990, 1999 and 2010. The “Dynamic degree” and “Relative rate of change” were used to describe oasis change. We analyzed the relationships between oasis change and landscape fragmentation for 15 sample towns using correlograms and the moving window method. From 1990 to 2010, changes in oasis land-use were primarily an increase in farmland, grassland and human construction. Oasis area increased mainly due to the conversion of farmland, unused land to grassland, and rapid urbanization. Landscape fragmentation indices changed over time in the 15 towns, there were decreases in number of patches (NP), patch density (PD) and largest patch index (LPI), and increases in division index (DIV) and Shannon′s density index (SHDI), suggesting that the rate of landscape fragmentation slowed down gradually. The most dramatically changed areas were at the margin of Suzhou Oasis, such as Yinda Township, Sandun Township, Huangnibao Township, and Xiaheqing Township. Landscape fragmentation increased with the rapid change in oasis area and inner structural change in the edge zone. The ecotone, dominated by grassland, between the oasis and desert, was the main area where the oasis expanded and fragmented, and also the subarea key to maintaining oasis stability and managing sustainable development. In conclusion, it is vital to understand the relationships between oasification, human land-use change, and landscape fragmentation. This research is useful for landscape management and sustainable development of oases in arid areas of China.

oasification; moving window method; land use; spatiotemporal change; landscape fragmentation; Suzhou

教育部“春暉計(jì)劃”科研項(xiàng)目(Z2011028); 蘭州大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(lzujbky-2013-m02)

2014-03-16; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2014-12-04

10.5846/stxb201403160453

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jgong@lzu.edu.cn

鞏杰，孫朋，謝余初，錢(qián)大文，賈珍珍.基于移動(dòng)窗口法的肅州綠洲化與景觀破碎化時(shí)空變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(19):6470-6480.

Gong J, Sun P, Xie Y C, Qian D W, Jia Z Z.Spatiotemporal change and landscape fragmentation in suzhou oasis using the moving window method.Acta Ecologica Sinica,2015,35(19):6470-6480.