鞏 杰，謝余初，高彥凈，孫 朋，錢(qián)大文

蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000

1963—2009年金塔綠洲變化對(duì)綠洲景觀格局的影響

鞏 杰，謝余初*，高彥凈，孫 朋，錢(qián)大文

蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000

內(nèi)陸河流域綠洲與荒漠景觀之間的相互作用與影響機(jī)制是干旱區(qū)景觀地理學(xué)的重要內(nèi)容之一。綠洲時(shí)空變化及其對(duì)區(qū)域景觀格局影響的研究，對(duì)流域綠洲管理和環(huán)境保護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義和科學(xué)價(jià)值。以中國(guó)西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水土資源開(kāi)發(fā)的典型代表區(qū)域——金塔綠洲為例，基于5期不同的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型及景觀指數(shù)等方法開(kāi)展綠洲變化過(guò)程、趨勢(shì)、空間分布格局和景觀結(jié)構(gòu)特征變化研究。結(jié)果表明：(1)1963—2009年間金塔綠洲主要以擴(kuò)張為主，綠洲面積增加了167.37 km2，綠洲與荒漠間相互轉(zhuǎn)化劇烈，呈現(xiàn)出非平衡-平衡-極端不平衡的趨勢(shì)狀態(tài)。綠洲變化主要體現(xiàn)在西壩鄉(xiāng)、羊井子灣鄉(xiāng)的綠洲外延擴(kuò)張和在三合鄉(xiāng)-中東-大莊子鄉(xiāng)、金塔鎮(zhèn)-中東鎮(zhèn)、古城鄉(xiāng)等地的綠洲內(nèi)部填充合并。(2)近46 a來(lái)金塔綠洲景觀的分形特征、離散程度和破碎化程度趨于減小，各景觀斑塊則趨于簡(jiǎn)單和均勻化。(3)綠洲變化在一定程度上影響著綠洲景觀格局，導(dǎo)致景觀結(jié)構(gòu)趨于均勻化和密集化，綠洲斑塊鑲嵌體表現(xiàn)出散布-擴(kuò)張-破碎-融合擴(kuò)展的變化過(guò)程。

干旱區(qū); 綠洲變化; 時(shí)空變化; 景觀結(jié)構(gòu); 金塔綠洲; 多源遙感影像

綠洲作為我國(guó)干旱區(qū)的人類(lèi)活動(dòng)與社會(huì)發(fā)展的基本場(chǎng)所，其面積僅占我國(guó)干旱區(qū)面積的4%—5%，卻集中了該區(qū)域90%以上的人口與95%以上的社會(huì)財(cái)富[1]。干旱區(qū)特殊的水、土、氣、生過(guò)程及人類(lèi)活動(dòng)干擾，使得近幾十年來(lái)綠洲擴(kuò)張(綠洲化)與退縮(荒漠化)過(guò)程變動(dòng)較為頻繁、受擾動(dòng)的程度增大[2]。綠洲化與荒漠化過(guò)程是干旱區(qū)的兩個(gè)最基本地理過(guò)程，也是干旱區(qū)環(huán)境變化的直接體現(xiàn)，其中綠洲化過(guò)程對(duì)人類(lèi)的生存和社會(huì)發(fā)展具有更為直接的影響作用[3- 4]。綠洲化是干旱區(qū)由于人與自然因素共同作用所導(dǎo)致的由荒漠向綠洲轉(zhuǎn)變的過(guò)程，是以強(qiáng)化生物過(guò)程、提高土地生產(chǎn)力為中心的自然因素與人為因素綜合作用所導(dǎo)致的荒漠向綠洲轉(zhuǎn)變的過(guò)程[1,5- 6]。隨著人們?cè)诰G洲區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)及綠洲環(huán)境管理的不斷深入，綠洲也在不斷地變化著，這不僅包括綠洲內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生態(tài)過(guò)程的變化，也體現(xiàn)在綠洲的擴(kuò)張和退縮等方面。尤其是近百年以來(lái),受強(qiáng)烈人類(lèi)活動(dòng)的影響，使得綠洲的變化尤為突出[3- 5,7]。綠洲時(shí)空變化在地理空間上表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)的面狀分布，并具有時(shí)空尺度上的數(shù)和量的變化特征，因此，開(kāi)展綠洲擴(kuò)張與退縮時(shí)空變化過(guò)程及其特征與規(guī)律研究，探討綠洲水土資源利用和持續(xù)發(fā)展途徑，已成為當(dāng)前綠洲研究的核心問(wèn)題之一[8- 10]。

近年來(lái)，干旱區(qū)綠洲變化研究受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，已成為全球變化、土地覆被變化與干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展中的研究熱點(diǎn)之一[6,9]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)于干旱區(qū)綠洲變化過(guò)程的研究主要體現(xiàn)在綠洲土地利用與土地覆被變化[2,10- 12]、綠洲化與荒漠化作用機(jī)理及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制[13- 15]、綠洲景觀格局變化及生態(tài)效應(yīng)[16- 18]等方面，但由于數(shù)據(jù)源時(shí)段較短且連續(xù)性不一致，其研究多集中在有衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的近30年，且多以行政界限為參考劃分綠洲范圍，而較長(zhǎng)時(shí)期(如近50 年)的研究報(bào)道較為鮮見(jiàn)。另外，基于流域單元的較長(zhǎng)時(shí)間和小尺度綠洲的時(shí)空變化與環(huán)境效應(yīng)研究，尤其是針對(duì)綠洲時(shí)空變化與景觀格局相互影響的研究相對(duì)薄弱。因此，本文以北大河流域尾閭綠洲——金塔綠洲為例，基于RS、GIS 技術(shù)及景觀生態(tài)學(xué)方法，采用一套數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型來(lái)分析研究綠洲的面積、速度、方向、趨勢(shì)狀態(tài)及其空間展布形式等時(shí)空變化特征，旨在系統(tǒng)分析近50年來(lái)內(nèi)陸河尾閭綠洲變化與景觀格局響應(yīng)，為區(qū)域綠洲社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，綠洲景觀管理及人類(lèi)活動(dòng)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

金塔綠洲地處河西走廊中部的北大河下游尾閭，是典型的灌溉農(nóng)業(yè)綠洲。綠洲南北長(zhǎng)約46 km，東西寬約20—35 km，大致介于97°58′—99°20′ E，39°47′—40°17′ N，海拔1200—1300 m，屬于溫帶荒漠氣候與暖濕帶荒漠氣候過(guò)渡區(qū)。冬季寒冷，夏季炎熱，風(fēng)沙多。1月份平均最低氣溫是-9.3 ℃，7月份平均最高氣溫為24.1 ℃，年平均降雨量約為59.5 mm，多集中在7—9 月，年潛在蒸發(fā)量約為2567.1 mm，全年日照時(shí)數(shù)約3193.2 h左右，無(wú)霜期145—160 d。金塔綠洲地勢(shì)平坦，是干旱區(qū)綠洲土地開(kāi)發(fā)與整理的重要區(qū)域之一。金塔綠洲包括金塔、三合、東壩、大莊子、古城、中東、西壩和羊井子灣等8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)丝跒?24 029 人(截至2009年)。金塔縣83.35%的農(nóng)田和果園分布在金塔綠洲之內(nèi)，是甘肅省重要的糧棉商品生產(chǎn)基地[13]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

金塔綠洲時(shí)空變化研究是基于1963—2009年的遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展的，分別選用1963年的Keyhole衛(wèi)星存檔相片(由美國(guó)60年代KeyHole系列照相偵察衛(wèi)星所拍，本研究采用的是KH- 4型衛(wèi)星拍攝的相片，地面分辨率2—3 m[13])，1973年的 Landsat MSS，1986、1999和2009年TM/ETM+遙感影像進(jìn)行解譯獲得綠洲圖件(詳細(xì)的影像數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1)。利用ERDAS IMAGE 圖像處理軟件和地形圖對(duì)上述影像進(jìn)行幾何校準(zhǔn)輻射校正和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理，即，用1∶100 000地形圖對(duì)1999年的ETM+ 影像進(jìn)行幾何校正后作為參考圖像，采用二次多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換方程對(duì)Keyhole衛(wèi)星存檔相片和TM影像進(jìn)行糾正。為了使各不同分辨率遙感影像具有可比性，用雙線性內(nèi)插法將Keyhole衛(wèi)星存檔相片進(jìn)行重采樣到分辨率為80 m80 m，Landsat MSS、TM影像則采用最鄰近內(nèi)插法[19- 20]來(lái)處理。在綜合考慮遙感影像數(shù)據(jù)光譜信息和紋理特征的基礎(chǔ)上，參考與研究區(qū)自然條件類(lèi)似的已知區(qū)域建立對(duì)應(yīng)判讀標(biāo)志，對(duì)研究區(qū)綠洲與荒漠進(jìn)行劃分界定，并將研究區(qū)土地覆被類(lèi)型分為耕地、林地、灌叢、草地、水域、居民建設(shè)用地、鹽堿地、裸地、沙地和戈壁荒灘等10種。其中，戈壁荒灘含低覆蓋草地(其植被覆蓋度≤15%)視為荒漠。根據(jù)研究需要，將鹽堿地、裸地、沙地和戈壁荒灘劃為荒漠；耕地、草地、林地、灌叢、水體和城鎮(zhèn)建設(shè)用地等6種地類(lèi)歸為綠洲。按照上述分類(lèi)系統(tǒng)，在ENVI 4.6軟件FX模塊采用面向?qū)ο蟮挠跋裉卣魈崛》椒▽?duì)1963年的衛(wèi)星相片和1973年的MSS影像進(jìn)行綠洲提??；對(duì)1986、1999和2009年3期遙感影像(Landsat TM /ETM+)則是利用自動(dòng)閾值法對(duì)研究區(qū)綠洲進(jìn)行提取，即通過(guò)圖像增強(qiáng)將目標(biāo)地物與背景區(qū)分開(kāi)，并在MATLAB中編程計(jì)算出目標(biāo)物與背景這兩類(lèi)間的方差達(dá)到最大時(shí)的值，由此將目標(biāo)物提取出來(lái)[21]，并建立拓?fù)潢P(guān)系，并對(duì)居民點(diǎn)、水體等地類(lèi)進(jìn)行目視解譯。最后，對(duì)各個(gè)時(shí)期影像解譯的結(jié)果進(jìn)行目視解譯修正，生成各個(gè)時(shí)期綠洲分布圖形數(shù)據(jù)。通過(guò)2009和2010年的兩次野外實(shí)地驗(yàn)證工作，即，利用GPS采點(diǎn)、地形圖驗(yàn)證及高分辨率影像對(duì)分類(lèi)結(jié)果(如，Google Earth的衛(wèi)星影像)及與當(dāng)?shù)乩夏暝∶裨L談(訪談原住民多為50至70歲的老農(nóng)，以便于對(duì)早期影像和土地利用情景進(jìn)行核對(duì))，利用分類(lèi)后對(duì)比方法(post-classification comparison)在同一個(gè)比例尺下對(duì)誤提或漏提的綠洲進(jìn)行目視判讀修改與驗(yàn)證[22- 23]。同時(shí)利用1∶50 000地形圖(1960年)和1∶100 000地形圖(1972年)、植被分布圖(1∶100萬(wàn))、1989年和2000年的金塔縣土地利用圖以及走訪當(dāng)?shù)匕傩者M(jìn)行綠洲實(shí)地調(diào)查對(duì)各個(gè)時(shí)期綠洲分布精度進(jìn)行評(píng)價(jià)(表2)。

表1 研究中所選用的遙感數(shù)據(jù)信息Table 1 The information of the remote sense data used in this study

表2 土地覆被類(lèi)型的描述及其精度評(píng)價(jià)Table 2 Description of land-use/cover types and accuracy assessment of the classified images

2.2 綠洲時(shí)空變化過(guò)程分析方法及模型

2.2.1 綠洲動(dòng)態(tài)變化分析

(1)綠洲面積變化及其凈變化速度

綠洲變化是一個(gè)累計(jì)過(guò)程，面積變化能直觀地反映研究時(shí)段內(nèi)綠洲變化程度，其凈變化速度能描述綠洲累計(jì)過(guò)程中綠洲退縮或擴(kuò)張的速度，是通過(guò)當(dāng)年的面積減去其前一年的面積并除以前一年的面積，采用幾何平均法能定量描述研究區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)綠洲年平均增長(zhǎng)速度[11- 12]，其表達(dá)式分別為：

ΔU=Ub-Ua

(1)

(2)

(2)綠洲擴(kuò)張與退縮過(guò)程雙向動(dòng)態(tài)變化指數(shù)

描述綠洲擴(kuò)張(綠洲新增面積)和退縮(綠洲減少面積)方向相向的變化，用以表征綠洲與荒漠相互轉(zhuǎn)化的劇烈程度[24]。表達(dá)式為：

(3)

式中,ΔUout為研究時(shí)段內(nèi)綠洲內(nèi)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移為荒漠面積之和，即轉(zhuǎn)移面積；ΔUin為同時(shí)期荒漠轉(zhuǎn)變?yōu)榫G洲的面積之和，即新增面積；Ua和Ub同上。

2.2.2 綠洲變化趨勢(shì)狀態(tài)指數(shù)模型

存在狀態(tài)是指綠洲在空間位置上是否表現(xiàn)為劇烈的增減變化，在一定程度上能反映綠洲系統(tǒng)是否穩(wěn)定和變化趨勢(shì)[13,17]:

Ps=(L-D)/(L+D)

(4)

式中，Ps指綠洲狀態(tài)指數(shù)，L指綠洲的增加量，D指綠洲的減少量；當(dāng) 0

2.2.3 綠洲空間分布格局分析

(1) 綠洲重心遷移模型

重心遷移模型能夠具體反映研究對(duì)象在空間演變的過(guò)程。綠洲的空間變化可以用其重心在各個(gè)方向上的分布變化來(lái)反映，通過(guò)計(jì)算比較研究期間綠洲分布的重心空間位置，可以直接反映研究時(shí)段內(nèi)綠洲的空間動(dòng)態(tài)變化特征。第t年綠洲重心坐標(biāo)(經(jīng)緯度)可表示為[25]：

(5)

式中，X、Y分別表示綠洲分布重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)；Ci表示第i個(gè)綠洲斑塊的面積；Xi、Yi分別表示第i個(gè)綠洲斑塊分布重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

(2) 綠洲化荒漠化轉(zhuǎn)化過(guò)程模型

轉(zhuǎn)移矩陣能較好地描述綠洲和荒漠之間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，用以定量描述綠洲擴(kuò)張或退縮的動(dòng)態(tài)變化[13]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(6)

式中,S為研究區(qū)面積，i研究初期土地利用類(lèi)型，i=1(綠洲)或2(荒漠)；j為研究末期的土地利用類(lèi)型，j=1(綠洲)或2(荒漠)。

2.3 綠洲景觀特征指數(shù)分析

綠洲景觀特征和空間格局變化不僅是大小、形狀不一的綠洲斑塊在空間上的景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，也是各種生態(tài)過(guò)程在不同尺度上作用的結(jié)果。綠洲擴(kuò)張與退縮過(guò)程深深地影響著綠洲斑塊的大小、形狀和連接度，進(jìn)而間接影響著綠洲穩(wěn)定性及其可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?。因此，理解和建立綠洲時(shí)空變化過(guò)程對(duì)景觀格局之間的相互影響關(guān)系就顯得極其重要。根據(jù)研究需要和景觀指數(shù)的特點(diǎn)，分別選取綠洲形狀和分維數(shù)、分離度、破碎化指數(shù)等來(lái)分析綠洲景觀結(jié)構(gòu)和空間變化[18,26- 27]，并探討綠洲變化與景觀格局變化的關(guān)系。

(1)綠洲形狀指數(shù)(LSI)與面積加權(quán)斑塊分維指數(shù)(AWMPFD)

描述綠洲變化過(guò)程中綠洲形狀和分維特性，揭示不同規(guī)模綠洲產(chǎn)生和變化的隱性特征，綠洲形態(tài)變化的復(fù)雜性，可通過(guò)景觀格局分析軟件Fragstats3.3計(jì)算獲得。

(2)綠洲景觀分離度(DIVISION)

描述綠洲(或荒漠)景觀中不同斑塊個(gè)體空間分布的離散程度，可通過(guò)Fragstats3.3軟件計(jì)算獲得，其計(jì)算公式為：

(7)

式中,aij為景觀類(lèi)型ij面積，i=1(綠洲)或2(荒漠)，Ai為景觀類(lèi)型i的總面積，N為景觀中的斑塊總數(shù)。

(3)景觀破碎度(Ci)

指綠洲景觀類(lèi)型在給定時(shí)間和給定性質(zhì)上被分割的破碎程度，在一定程度上反映出人為因素對(duì)綠洲景觀的干擾程度[28]，其計(jì)算公式為：

Ci=ni/Ai

(8)

式中，Ai為綠洲景觀類(lèi)型i的總面積，ni為綠洲景觀類(lèi)型i的斑塊數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 綠洲時(shí)空變化過(guò)程

3.1.1 1963—2009年金塔綠洲變化速度與趨勢(shì)分析

圖1可知，1963—1973年間，金塔綠洲面積變化及其變化速度較快，其面積變化量和綠洲累計(jì)動(dòng)態(tài)度高達(dá)49.53 km2和15.45%。綠洲與荒漠間相互轉(zhuǎn)化劇烈且頻繁，其綠洲化荒漠化雙向變化動(dòng)態(tài)度較高(1.56%)，綠洲處于非平衡的狀態(tài)。1973—1986年間綠洲變化速度相對(duì)較小(其綠洲累計(jì)動(dòng)態(tài)度僅為0.24%)，但總體上綠洲面積仍保持持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，綠洲與荒漠間的相互轉(zhuǎn)化也很劇烈，表現(xiàn)為綠洲面積擴(kuò)張且抵消了荒漠?dāng)U大的面積，其整體變化趨勢(shì)趨于平衡且相對(duì)穩(wěn)定(k值僅為-0.63%)。1986—1999年間，金塔綠洲面積呈現(xiàn)退縮的狀況，荒漠化過(guò)程大于綠洲化過(guò)程，但綠洲與荒漠間轉(zhuǎn)化趨向于平緩。1999—2009年綠洲面積快速增長(zhǎng)，其綠洲面積變化量及其累計(jì)變化速度均達(dá)到最大。至2009年，綠洲面積達(dá)523.17 km2，綠洲與荒漠間相互轉(zhuǎn)化過(guò)程劇烈且頻繁，綠洲擴(kuò)張速度遠(yuǎn)大于退縮速度，綠洲處于極端不平衡狀態(tài)(圖1)。整個(gè)研究期間，金塔綠洲面積總體呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，綠洲規(guī)模逐漸擴(kuò)大，綠洲化過(guò)程大于荒漠化過(guò)程，綠洲變化趨勢(shì)呈現(xiàn)表現(xiàn)出非平衡—平衡—極端不平衡的起伏波動(dòng)變化。

圖1 1963—2009年間金塔綠洲面積、動(dòng)態(tài)度及趨勢(shì)狀態(tài)指數(shù)變化Fig.1 The change of area and dynamic degree of Jinta oasis from 1963 to 2009

3.1.2 1963—2009年金塔綠洲空間變化分析

圖2 1963—2009年金塔綠洲重心遷移變化及綠洲擴(kuò)張與退縮區(qū)域空間分布圖Fig.2 The change of barycenter and oasification area, desertification area in Jinta oasis from 1963 to 2009

由圖1和圖2可知，1963—1973年間金塔綠洲呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其荒漠轉(zhuǎn)為綠洲的年均面積分別為13.84 km2/a，綠洲重心偏向西北方位，其遷移距離最長(zhǎng)(2.12 km)(圖2A)；綠洲擴(kuò)張區(qū)域主要發(fā)生在西壩鄉(xiāng)、以板井灘—生地灣農(nóng)場(chǎng)—前進(jìn)村—金馬村、晨光村—西紅村—北海子鹽場(chǎng)等鄉(xiāng)村；綠洲萎縮區(qū)主要在三合鄉(xiāng)北部的冰草洼村至東壩鎮(zhèn)和大莊子鄉(xiāng)一帶。1973—1986年間金塔綠洲面積持續(xù)增長(zhǎng)，且呈現(xiàn)先慢后快的態(tài)勢(shì)，至1986年達(dá)到一個(gè)小高峰(386.40 km2)，綠洲重心方位為南偏東，遷移距離為1.19 km。此期間除了西壩鄉(xiāng)的生地灣農(nóng)場(chǎng)外，綠洲變化劇烈區(qū)域主要是沿西干渠方向的金塔鎮(zhèn)建國(guó)村—上三分村—官營(yíng)溝村—頭號(hào)村、東干渠方向上的營(yíng)泉—天生場(chǎng)和下新壩村—頭墩大隊(duì)一帶(圖2B和C)。1986—1999年間綠洲變化起伏波動(dòng)較大，表現(xiàn)為先減少后增加的峰谷狀[13]，總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其退縮面積達(dá)109.83 km2，且主要發(fā)生在下述4個(gè)區(qū)域：西壩鄉(xiāng)北部的北海子鹽場(chǎng)，生地灣農(nóng)場(chǎng)及其周邊的荒漠草灘，東北方向的東壩鎮(zhèn)和大莊子鄉(xiāng)的天然綠洲及綠洲荒漠過(guò)渡帶，中東鎮(zhèn)沙漠森林公園北面的荒草過(guò)渡帶等(圖2D)。而綠洲擴(kuò)張區(qū)域主要是羊井子灣鄉(xiāng)(主要原因是移民和土地開(kāi)墾與整理等)。對(duì)于整個(gè)金塔綠洲，移民安置區(qū)和新開(kāi)墾地塊多是對(duì)原有棄耕地的復(fù)墾和開(kāi)荒整地，且多是村落之間及其邊緣地區(qū)和條件較好的荒草地被開(kāi)墾。因而，該時(shí)段綠洲邊界不穩(wěn)定，其重心向東南方向遷移，遷移距離為1.56 km。1999—2009年間綠洲又快速擴(kuò)張， 綠洲化面積達(dá)最大(184.33 km2)，年均擴(kuò)張速度為16.76 km2/a，遠(yuǎn)大于荒漠化速度(0.91 km2/a)，但綠洲重心位置相對(duì)偏移較小，其遷移僅0.43 km，這說(shuō)明1999—2009年間綠洲在各個(gè)方向上均有變化且較均勻。從空間上看，東壩鎮(zhèn)、古城鄉(xiāng)、中東鎮(zhèn)和金塔土地開(kāi)發(fā)整理示范區(qū)(即場(chǎng)站機(jī)關(guān)轄屬的綠洲)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)轄區(qū)綠洲變化較大，綠洲新增面積以“星斗填充式”為主，多發(fā)生在綠洲內(nèi)部的荒灘或綠洲的邊緣上，或遠(yuǎn)離主體老綠洲(如沙邊子井、沙棗樹(shù)井和三個(gè)鍋莊等)，其形狀大小不一(圖2E)。整個(gè)研究期間里，綠洲重心遷移的大致方向是先朝金塔縣的西北方向，后折向東南，再迂回向北遷移，近46年來(lái)綠洲重心位置整體向南遷移，其遷移距離為1.97 km(圖2A)。

3.2 綠洲景觀特征變化

綠洲面積規(guī)模與空間格局的變化直接導(dǎo)致綠洲景觀格局變化。由表3和圖1可知，1963—2009年間綠洲規(guī)模不斷擴(kuò)大，面積比例由18.02%增至29.87%。綠洲的形狀指數(shù)(LSI)總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，總體上綠洲景觀幾何形狀趨于簡(jiǎn)單化，斑塊不規(guī)則程度逐漸下降。1963—2009年間，面積加權(quán)平均分維數(shù)(AWMPFD)數(shù)值均低于1.30，且呈現(xiàn)波動(dòng)狀，表明綠洲分形特征邊緣周長(zhǎng)較簡(jiǎn)單，綠洲面積變化對(duì)綠洲幾何形狀復(fù)雜程度影響不顯著(表3)。同時(shí)，也間接地說(shuō)明綠洲斑塊數(shù)量、規(guī)模與邊緣特征也影響著綠洲景觀分形特征變化[29- 30]。

綠洲景觀分離度(DIVISION)數(shù)值表現(xiàn)為先降后升再降的趨勢(shì)，表明近46年來(lái)綠洲總體趨向于集中，密集程度逐漸增大，斑塊個(gè)體的離散程度下降。但在1973—1986、1986—1999年間綠洲景觀分離度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，主要是由于該時(shí)期人工綠洲面積不斷擴(kuò)張與集中，同時(shí)綠洲過(guò)渡帶的天然灌叢荒草地不斷受到荒漠化和土地開(kāi)墾與整理行為的干擾，致使其破碎化和空間分布的離散程度增大。2002年以后，綠洲面積增加明顯，大斑塊綠洲不斷兼并周邊零散的小斑塊，且新開(kāi)墾與復(fù)墾綠洲多分布在綠洲內(nèi)部的荒灘和(或)綠洲邊緣區(qū)，綠洲趨向于集中化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜化；同時(shí)天然綠洲或轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぞG洲，或緊密連并到耕地或林地中，或是退化為鹽堿地或荒灘、稀疏草地(覆蓋率低于5%)[13]，大大降低綠洲景觀空間離散程度。綠洲景觀破碎度值變化在1963年時(shí)最大(1.457)，1973年時(shí)最小(0.171)，這可能是由不同分辨率的遙感數(shù)據(jù)源造成的；但綠洲景觀破碎化程度與景觀形狀指數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，總體上隨著綠洲面積的增長(zhǎng)而呈現(xiàn)下降的態(tài)勢(shì)，表明綠洲擴(kuò)張過(guò)程中面積規(guī)模的增大與綠洲景觀破碎化密切相關(guān)(表3)。

表3 金塔綠洲景觀空間格局特征及其回歸方程Table 3 The spatial pattern eigenvalue in Jinta Oasis and its regression equation

4 討論

(1)干旱區(qū)綠洲研究是一個(gè)多學(xué)科交叉的復(fù)雜研究領(lǐng)域，要探討較長(zhǎng)時(shí)間尺度綠洲時(shí)空變化，就必須要對(duì)時(shí)間和空間跨度較大的不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)開(kāi)展處理和分析。本研究的數(shù)據(jù)源來(lái)自不同衛(wèi)星傳感器，其空間分辨率及其光譜信息不一致(如1963年的Keyhole衛(wèi)星相片分辨率2.7 m，而1973年的Landsat MSS的分辨率僅為80 m，其他Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)的分辨率為30 m)，即在綠洲提取過(guò)程中閾值的設(shè)置與不同影像中地物解譯的標(biāo)志(如形狀、顏色、紋理等)必然存在著一定的差異。本研究通過(guò)對(duì)影像進(jìn)行重采樣，并在同一比例尺下進(jìn)行影像解譯過(guò)程，且通過(guò)相關(guān)資料(如地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖及土地利用數(shù)據(jù)變更數(shù)據(jù)庫(kù)、Google Earth衛(wèi)星影像等)和多次野外實(shí)地調(diào)查以及與當(dāng)?shù)鼐用裨L談驗(yàn)證等方式來(lái)核查解譯數(shù)據(jù)，試圖盡可能地減小不同數(shù)據(jù)源影像的解譯誤差，提高影像解譯結(jié)果的準(zhǔn)確度，分析表明，解譯的數(shù)據(jù)結(jié)果能很好地滿足本研究分析需要。但由于多源遙感數(shù)據(jù)之間存在著本質(zhì)上的差異性，致使綠洲景觀特征變化上仍存在著一定的誤差[31]，這也是研究中景觀形狀指數(shù)、分離度和破碎度在1963年的值較高，1973年的值較低，而同源數(shù)據(jù)間(1986—2009年)則較好地反映了綠洲景觀結(jié)構(gòu)變化的緣故。因此，如何降低不同數(shù)據(jù)源間帶來(lái)的誤差，減少遙感圖像“同物異譜”或“同譜異物”的現(xiàn)象，以提高分類(lèi)結(jié)果的精度和研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，仍將是今后研究需要突破的一個(gè)重要內(nèi)容[23,31]。

(2)綠洲變化包含綠洲內(nèi)部屬性和時(shí)空格局變遷兩個(gè)方面，綠洲的屬性變化可以看作是綠洲的演化，即綠洲內(nèi)部組分、結(jié)構(gòu)和功能的變化過(guò)程；綠洲時(shí)空格局變遷，則可以看成是綠洲在時(shí)間尺度上的空間格局變遷，體現(xiàn)在綠洲與外圍荒漠的相互作用、相互博弈的時(shí)空變化過(guò)程，即綠洲的擴(kuò)張(綠洲化)與退縮(荒漠化)。綠洲變化過(guò)程中，其時(shí)空格局的變遷不僅是綠洲內(nèi)部屬性變化狀況的反映，而且是綠洲時(shí)空演變過(guò)程中最直觀的體現(xiàn)。因此，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)源能滿足研究的需要的前提下，從整體性和系統(tǒng)性角度出發(fā)，將綠洲視為單一的地理景觀單元[30]，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型從綠洲面積量的變化、速度、趨勢(shì)狀態(tài)和空間分布格局，是反映和分析較長(zhǎng)時(shí)間序列的綠洲時(shí)空格局變化的一種有效手段[17]。

(3)綠洲景觀特征是綠洲結(jié)構(gòu)變化的外在形式體現(xiàn)，綠洲時(shí)空變化又必然會(huì)影響綠洲結(jié)構(gòu)的變化。綠洲變化是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，其時(shí)空分布格局受到多方面因素的影響。金塔綠洲是河西走廊的典型農(nóng)業(yè)綠洲，近幾十年來(lái)綠洲景觀格局變化的主要受人文社會(huì)因素的影響，即人口變化、政策、可利用水資源的開(kāi)發(fā)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技科學(xué)技術(shù)以及人們文化修養(yǎng)、思想觀念、受教育程度等其他因素的影響，且在各個(gè)不同時(shí)期內(nèi)其作用大小也不同[13]。本研究主要考慮金塔綠洲整體的擴(kuò)張與退縮的變化過(guò)程及其與綠洲景觀格局的關(guān)系，結(jié)果表明1963—2009年間綠洲面積波動(dòng)起伏變化較大，總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)[13]，對(duì)綠洲景觀的影響深刻，表現(xiàn)為綠洲斑塊幾何形狀趨向于規(guī)則與簡(jiǎn)單化、破碎化程度下降的態(tài)勢(shì)，其綠洲面積比重變化狀況與景觀形狀指數(shù)和破碎度相關(guān)性較大，但對(duì)綠洲斑塊面積加權(quán)分維數(shù)和景觀分維數(shù)不顯著。這可能是由于綠洲內(nèi)部組分、結(jié)構(gòu)等變化(如耕地、林地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、天然綠洲(灌叢草灘)、道路與渠系的建設(shè)、土地利用方式(如耕種方式))對(duì)綠洲景觀斑塊特征變化有著重要的影響[17]。同時(shí)，可用水資源量是影響干旱區(qū)綠洲時(shí)空分布及其景觀特征變化的首要制約因素，其可開(kāi)采利用的數(shù)量與分布狀況直接影響著地表覆被類(lèi)型與變化趨勢(shì)，進(jìn)而影響著綠洲景觀格局的變化。金塔綠洲是以灌溉渠系和地下水抽取灌溉形成的農(nóng)業(yè)綠洲，目前已經(jīng)逐漸形成了以鴛鴦池水庫(kù)及灌渠為主的，實(shí)行引蓄結(jié)合、渠庫(kù)相連、調(diào)劑余缺等的灌溉網(wǎng)絡(luò)體系，很大程度上影響著綠洲生產(chǎn)活動(dòng)和景觀格局變化。因此，水資源及灌溉渠系分布格局也是決定綠洲景觀結(jié)構(gòu)的變化主要影響因子[17,28]，在后期的研究中應(yīng)注意加強(qiáng)該方面的研究分析。另外，也可能是由于研究時(shí)段間隔較大，數(shù)據(jù)樣本量較少，且部分景觀指數(shù)對(duì)二元景觀反映存在不規(guī)律現(xiàn)象[32]，各不同綠洲景觀格局指標(biāo)之間的相關(guān)性及其對(duì)不同格局系列在不同水平上反應(yīng)及其效應(yīng)有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1963—2009年金塔綠洲以擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)為主，并在2009年綠洲達(dá)到最大(523.17 km2)。研究期間，綠洲擴(kuò)張速度遠(yuǎn)大于退縮速度，綠洲與荒漠間的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程劇烈且頻繁，且以1963—1973年間綠洲與荒漠的轉(zhuǎn)化最劇烈。綠洲變化趨勢(shì)主要呈現(xiàn)為非平衡—平衡—極端不平衡的起伏波動(dòng)狀態(tài)，綠洲重心位置發(fā)生較大變化。

近46年來(lái)金塔綠洲變化直接影響著綠洲景觀結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)為綠洲形狀分維特征趨于簡(jiǎn)單化和規(guī)則化，綠洲分散程度和破碎化程度總體呈現(xiàn)減少的態(tài)勢(shì)，致使綠洲斑塊鑲嵌體的呈現(xiàn)出散布—擴(kuò)張—破碎—融合擴(kuò)展的復(fù)雜過(guò)程，綠洲趨于集中和密集化。

金塔綠洲變化影響著綠洲景觀特征變化，但綠洲化與各個(gè)景觀指數(shù)之間并不存在顯著的相關(guān)性，這可能是綠洲內(nèi)部組分、結(jié)構(gòu)、人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域水土資源利用程度以及文章數(shù)據(jù)樣本量有關(guān)。本研究對(duì)綠洲內(nèi)部組分與結(jié)構(gòu)變化對(duì)綠洲景觀格局的影響探討涉及較少，在下一步研究中，建議加強(qiáng)并深入探討綠洲土地利用/覆被變化與綠洲景觀結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)研究，這也是綠洲學(xué)及干旱區(qū)土地變化科學(xué)研究的一個(gè)重要方向。

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Spatio-temporal change and its effects on landscape pattern of Jinta Oasis in Arid China from 1963 to 2009

GONG Jie, XIE Yuchu*, GAO Yanjing, SUN Peng, QIAN Dawen

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

Oasis was a small and medium scale zonal ecological landscape, and the basic places to sustain human activities and developments in the arid area. Under the influence of the increasing human activities and the change of global climate, oasis change (Oasification and desertification) was not only the most direct reflect of environmental change in the arid area, but also was one of the most active research fields of land degradation and regional sustainable development. Recently, the interaction mechanism between oasis change and landscape pattern had been regarded as an important content of regional environmental change research in arid areas. In China, oases were mainly distributed in temperate and warm temperate desert areas, but only took up 4%—5% of the total area of the northwestern China. However, more than 90% of the population and 95% of social wealth were concentrated within these oases. Jinta oasis located in the Hexi Corridor in arid northwestern China, was not only a typical oasis with long agricultural history, but also was an agro-pastoral transitional zone and ecologically fragile area. Due to the rapid growth of population, economic pressure and excess exploitation using the resources, the ecological environment and sustainable development of Jinta oasis were greatly affected. Therefore, we took Jinta oasis as a case to study oasis spatio-temporal change from 1963 to 2009 and its influence on the landscape pattern. Based on Keyhole satellite photograph in the 1963, Landsat MSS images in the 1973, TM and ETM images from 1986 to 2009, the land cover were divided into two categories: oasis and desert. Oasis included farmland, grassland, woodland, water and residential area which based on classification criteria of Chinese National Technical Standard for Land-Use Survey; desert included salinized land, bare land, desert, Gobi and low coverage grassland which the vegetation cover degree ≤ 15%.The results were tested by the field investigation, the GPS sampling and interview with local people. After then, the process, trend and spatial pattern change in Jinta oasis and the characteristic of landscape pattern changes were analyzed by a set of mathematical statistical models and indice of landscape ecology. The results showed that: Jinta oasis was being in an unbalanced state, oasis scale and area expanded gradually with an increase of 167.37km2during the period of 1963—2009. Simultaneously, the area of Jinta oasis achieved its maximum with 523.17km2in 2009. The conversion between oasis and non-oasis was frequent and violent and showed a state of imbalance-balance-extreme imbalance condition, although the degree of conversion was different in different periods. And then, most change of the oasis happened as the reclamation of abandoned land and desert area, especially in the inner and outer marginal area of oasis, such as Yangjingziwan township, Xiba township, Sanhe-Dongba -Dazhuangzi township zone, Jinta-Zhongdong township zone. The area, size and spatial distribution of oasis influenced by human activity had resulted in fundamental changes of oasis landscape pattern. The fractal characteristics, dispersion degree and fragmentation of Jinta oasis were decreased, and the oasis landscape tended to be simple and uniform. All in all, in the latest 46 years, the spatio-temporal change of Jinta oasis drove the change of local landscape pattern to the decrease of the diversity, complex structure and landscape heterogeneity.

arid area of China; oasification; spatio-temporal processes; landscape pattern; jinta oasis; multiple-resource satellite images

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

2013- 04- 08;

日期:2014- 04- 03

10.5846/stxb201304080639

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xieych09@lzu.edu.cn

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