白力軍，寶音陶格濤，蘇金華，布仁圖雅，萬(wàn)志強(qiáng)

（1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2. 內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；3. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021）

作為陸地上重要的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，草地生態(tài)系統(tǒng)在防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性保護(hù)等多方面具有重要的生態(tài)功能[1]。內(nèi)蒙古草原不但是歐亞草原的主體，同時(shí)也是中國(guó)溫帶草原的主要分布區(qū)[2]，具有豐富的草原類型和動(dòng)植物資源，是我國(guó)北部邊疆重要的生態(tài)屏障[3]。

草原文化遺址是草原民族文化的靈魂之一，刻畫和折射了草原游牧民族的發(fā)展歷程，是生態(tài)文明的烙印和載體。2012年6月29日，元上都遺址正式成為世界文化遺產(chǎn)，成為了內(nèi)蒙古第1個(gè)、全國(guó)第30個(gè)世界文化遺產(chǎn)[4]。近年來(lái)，由于農(nóng)耕開墾、過(guò)度放牧及其他工礦建設(shè)等的影響，造成了元上都遺址地區(qū)生物多樣性降低，草原退化嚴(yán)重，不斷惡化的生態(tài)環(huán)境對(duì)元上都遺址的保護(hù)造成了嚴(yán)重威脅[5]。

遙感技術(shù)在時(shí)空分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其是利用時(shí)間序列來(lái)研究草地的空間分布[6]，可以對(duì)草原實(shí)施長(zhǎng)期有效的監(jiān)管[7]，如對(duì)草地退化、土地利用及景觀格局變化的時(shí)空特征進(jìn)行分析[8-9]；Batunacun等[10]通過(guò)對(duì)錫林郭勒市土地利用/土地覆蓋變化的研究，來(lái)評(píng)估土地退化的生態(tài)和社會(huì)后果；Zhang等[11]從多時(shí)間多尺度定量分析了呼倫貝爾草原的景觀格局以及土地的生態(tài)變化過(guò)程。目前，有關(guān)元上都遺址區(qū)土地利用及景觀格局方面的研究并不多。甄江紅等[12]從生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的角度分析了元上都遺址的景觀格局變化，認(rèn)為元上都遺址景觀格局向破碎化、復(fù)雜化方向發(fā)展，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)加大；劉冠志等[13]研究表明，不同因子的綜合作用是土地利用發(fā)生變化的驅(qū)動(dòng)因素。但目前研究仍有所不足，或缺少土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況描述，對(duì)土地利用動(dòng)態(tài)分析不足；或研究空間尺度過(guò)大，針對(duì)性不足。為此，本研究以元上都遺址保護(hù)區(qū)為對(duì)象，分析其土地利用的動(dòng)態(tài)和景觀格局的變化趨勢(shì)，研究其驅(qū)動(dòng)因素，這對(duì)于元上都遺址區(qū)域保護(hù)措施的優(yōu)化，及當(dāng)?shù)刭Y源環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

元上都遺址坐落在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟正藍(lán)旗上都高勒鎮(zhèn)東北約20 km五一牧場(chǎng)境內(nèi)，地處金蓮川草原的腹地[14]，地勢(shì)南高北低，有著獨(dú)特的林地、沙地、河流、草地和濕地組成的復(fù)合自然景觀。地理位置116°9′50″-116°11′40″ E，42°20′40″-42°22′13″ N，海拔在 1 262-1 281 m，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，水熱分布不均勻，年均溫度2 ℃，年降水量 370 mm 左右，年蒸發(fā)量 1 920.5 mm，全年無(wú)霜期 90～117 d，平均風(fēng)速 4.7 m·s-1[15-16]。

本研究區(qū)域?yàn)椤对隙歼z址申報(bào)世界文化遺產(chǎn)報(bào)告書》中劃定的一類遺址保護(hù)區(qū)范圍和二類遺址保護(hù)區(qū)范圍。南北長(zhǎng)20.6 km，東西寬18.7 km，總面積約 251.16 km2(圖 1)。

1.2 研究?jī)?nèi)容與研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本研究所使用的遙感影像信息源為美國(guó)陸地資源衛(wèi)星 Landsat TM 影像及 Landsat8 OLI影像，一景影像即可覆蓋整個(gè)元上都遺址區(qū)域。研究時(shí)間為1984-2013年，為了使研究更為細(xì)化，將研究時(shí)間段分為 6個(gè)，即 1984、1995、2000、2005、2010、2013年，前5期所用的影像為L(zhǎng)andsat TM，空間分辨率為30 m；2013年所用的影像為L(zhǎng)andsat8 OLI遙感影像，全色波段空間分辨率15 m，軌道號(hào)為p124/r31。采用最大似然法進(jìn)行影像監(jiān)督分類，判讀提取目標(biāo)地物的最小單元應(yīng)大于4 × 4個(gè)像元(120 m×120 m)；判讀精度要求所解譯圖斑要素的判讀精度為90%以上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)核查的結(jié)果來(lái)看，元上都遺址區(qū)域的遙感解譯精度較好，分類解譯精度達(dá)95%。

所選遙感為每年植物生長(zhǎng)季節(jié)(5-9月)，影像色調(diào)均勻，層次清晰，影像平均云量小于5%。利

圖 1 元上都遺址地理位置Figure 1 The geographical location of Xanadu site

用 Erdas Imagine 2013軟件對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段合并，影像合成，隨后進(jìn)行影像校色、銳化、幾何校正，并進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，投影定義為Albers110_Krasovski_1940，再利用ArcGIS 9.3，對(duì)遙感影像的解譯標(biāo)志進(jìn)行分析和判斷、歸納，得到各年度的遙感解譯數(shù)據(jù)。所得到的遙感解譯數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)拓?fù)涮幚?，提取各年度的土地利用類型?shù)據(jù)和年度間動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，利用 Microsoft Excel 2007 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。最后利用ArcGIS 9.3中的Spatial Analyst工具將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Grid格式的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Fragststs 3.3中，選取景觀層面的相關(guān)指數(shù)，得出各個(gè)年度的數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.2.2 研究方法

土地利用分類體系采用環(huán)保部制定的《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(HJ192-2015)中的土地利用/覆蓋分類體系[17]，包括耕地、草地、林地、工礦建設(shè)用地、水域濕地、未利用地6個(gè)一級(jí)類型。對(duì)研究區(qū)內(nèi)的所有土地利用類型分類，按年度分析一級(jí)類型的變化情況，并對(duì)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行分析。同時(shí)引入單一土地利用動(dòng)態(tài)度以及綜合土地利用動(dòng)態(tài)度兩個(gè)指標(biāo)來(lái)對(duì)元上都遺址區(qū)域土地利用發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的速度進(jìn)行描述[18-20]。

為了定量描述和監(jiān)測(cè)研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)特征隨著時(shí)間的變化情況，將較為復(fù)雜的景觀分為簡(jiǎn)單并且易于識(shí)別的景觀格局，選用了景觀特征指數(shù)[21-22]，利用 ArcGIS 9.3及 Fragstats 3.3等軟件，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理，得到景觀格局特征數(shù)據(jù)，著重從景觀水平指數(shù)(landscape-level index)層面進(jìn)行分析，選取總面積(TA)、斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)等8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化幅度分析

2013年，在6個(gè)一級(jí)土地利用類型中，所占面積比例從大到小依次是草地、水域濕地、農(nóng)田、林地、未利用地、建設(shè)用地(圖2)，面積分別為153.63、27.92、25.05、22.98、12.46 和9.13 km2(圖3)。1984-2013年，農(nóng)田面積變化最大，共減少了23.48 km2，其次為林地，共增加了 21.37 km2。水域濕地面積、建設(shè)用地、草地面積均有所增加(圖3)，分別增加了3.45、2.45和0.51 km2，未利用地面積減少了1.38 km2。如圖4所示，可以清晰的看到元上都遺址區(qū)域6期土地利用類型的變化。

圖 2 元上都遺址2013年一級(jí)土地利用類型面積比例Figure 2 Area ratio diagram of first-level land-use types of Xanadu sites in 2013

圖 3 元上都遺址一級(jí)土地利用類型變化Figure 3 Changes in first-level land-use types in Xanadu site

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)分析

元上都遺址區(qū)域1984-2013年之間的土地利用動(dòng)態(tài)率表1)表明，單一土地利用動(dòng)態(tài)度方面，林地、水域濕地、建設(shè)用地變化速率呈遞增趨勢(shì)，其中林地遞增速率最高，為14.00%，尤其是2000-2005年期間，遞增速率極快；建設(shè)用地變化呈遞增趨勢(shì)，并在2010-2013年達(dá)到最大值；水域濕地年動(dòng)態(tài)率為0.49%，年度間動(dòng)態(tài)幅度變化較為劇烈；草地整體上的動(dòng)態(tài)變化不大，但是年度間呈現(xiàn)明顯的波浪形波動(dòng)變化趨勢(shì)；農(nóng)田年遞減速率為1.67%，2000-2005年遞減速率最高，為-8.95%；未利用地年動(dòng)態(tài)也呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。綜合土地利用動(dòng)態(tài)度在1984-2013年間遞增，在2000-2005年達(dá)到最大值。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

1984-2013年元上都遺址區(qū)域土地利用類型變化轉(zhuǎn)移矩陣(表2)分析表明，1984-2013年，農(nóng)田轉(zhuǎn)出較為明顯，分別有18.04 和12.97 km2轉(zhuǎn)化為林地和草地，而2.33和5.14 km2的林地、草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田；林地總體上以轉(zhuǎn)入為主，主要為農(nóng)田、草地轉(zhuǎn)化為林地，分別為18.04和5.67 km2；草地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積大致相當(dāng)，轉(zhuǎn)入主要為農(nóng)田、未利用地轉(zhuǎn)化為草地，轉(zhuǎn)出主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)田、林地以及未利用地；水域濕地以轉(zhuǎn)入為主，主要為草地、林地轉(zhuǎn)化而來(lái)；建設(shè)用地以轉(zhuǎn)入為主，以草地、林地、農(nóng)田為主；未利用地轉(zhuǎn)化與草地之間也相互轉(zhuǎn)化，由于未利用地主要為沙地類型，因此轉(zhuǎn)移過(guò)程主要為草地沙化及固沙治理等原因，同時(shí)也有少量林地轉(zhuǎn)化為未利用地。

表2 元上都遺址區(qū)域一級(jí)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Transfer matrix of first-level land-use types in Xanadu site

2.4 景觀格局變化分析

通過(guò)6期遙感解譯數(shù)據(jù)計(jì)算獲得一級(jí)土地利用類型的各個(gè)景觀格局指數(shù)。一級(jí)土地利用類型景觀水平特征變化(表3)顯示，1984-2013年，元上都遺址區(qū)域斑塊密度變化無(wú)明顯的規(guī)律性，2005年時(shí)斑塊密度達(dá)到最大，說(shuō)明2005年景觀最為破碎化，隨后斑塊數(shù)量有所降低；最大斑塊所占景觀面積的比例均保持著較高比例，說(shuō)明景觀中一直保持著一個(gè)優(yōu)勢(shì)斑塊；景觀在2000年具有最高的聚集度，而2005年景觀分割指數(shù)達(dá)到最高，但變化幅度均不大。6個(gè)時(shí)期的Shannon多樣性指數(shù)值介于1.18～1.30，說(shuō)明整個(gè)景觀存在一定的異質(zhì)性，景觀破碎化；2005年景觀多樣性最高，破碎化程度最高，1984年景觀多樣性最低，破碎化程度也最低；Shannon均勻度指數(shù)位于0.66～0.73，說(shuō)明景觀整體上均勻度較高，2005年達(dá)到最大值，景觀最為均勻，1984年和1995年景觀均勻度最低。

表3 1984-2013年一級(jí)土地利用類型景觀水平特征變化Table 3 Changes in landscape characteristics of first-level land-use types from 1984 to 2013

3 討論

元上都遺址區(qū)的本底景觀是草原景觀，這與許多其他的文化遺址所處環(huán)境形成了鮮明的對(duì)比，具有草原游牧文化遺址獨(dú)特的風(fēng)格[23]。草地是整個(gè)研究區(qū)域中最主要的土地利用類型，草地在研究時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)出面積先減少后增加的趨勢(shì)。研究區(qū)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度最高的時(shí)間段是2000-2005年，這與劉冠志等[13]認(rèn)為草地和耕地是主要的土地利用類型并且土地利用動(dòng)態(tài)主要發(fā)生在1990-2000年的結(jié)論不同，這可能是研究的空間尺度和時(shí)間尺度不同所導(dǎo)致。2000年之前，研究區(qū)各土地利用類型面積變化不大；2000年之后，研究區(qū)陸續(xù)開始開展了京津風(fēng)沙源治理工程、退耕還林還草工程等生態(tài)建設(shè)工程[24]，使得土地利用類型間發(fā)生了較大變化。同時(shí)元上都遺址區(qū)景觀格局向多樣化和破碎化方向發(fā)展，這與甄江紅等[12]的研究結(jié)果一致，但是本研究結(jié)果也表明，斑塊在向某些主要的景觀類型聚集，局部地區(qū)并沒(méi)有持續(xù)破碎化。

人為影響和自然條件變化是引起土地利用和景觀發(fā)生變化的主要原因[25]，本研究也體現(xiàn)在這兩個(gè)方面。首先，人為的開墾、退耕還林、放牧等活動(dòng)直接影響了土地利用類型的轉(zhuǎn)移和變化。Ranjeet等[26]的研究表明，土地覆蓋/利用的大規(guī)模變化會(huì)使草原的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生退化；而土地利用的變化會(huì)直接影響景觀的斑塊數(shù)、破碎化指數(shù)、聚集指數(shù)等指標(biāo)，與景觀格局的變化密切相關(guān)[27]。元上都遺址區(qū)各個(gè)土地利用類型面積的不斷變化伴隨著景觀格局中斑塊密度、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和聚集指數(shù)等指標(biāo)的變化，生態(tài)建設(shè)工程的開展和農(nóng)牧民對(duì)草地、耕地之間的選擇是引起這些變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。其次，氣候、降水等自然條件的變化，也是引起變化的驅(qū)動(dòng)力之一。武錄義等[16]研究得出，氣溫升高、降水減少是元上都遺址區(qū)氣候的變化趨勢(shì)，但從小尺度上來(lái)說(shuō)，閃電河下游人工水壩對(duì)河流的攔截作用更為明顯，使研究區(qū)水域濕地面積增加，反過(guò)來(lái)又對(duì)其他土地利用類型產(chǎn)生了影響。本研究未對(duì)氣候因素產(chǎn)生的影響進(jìn)行更多的討論，這也是下一步的研究方向之一。

草地景觀作為元上都遺址區(qū)域的本底景觀類型，要保持和加大草地景觀的面積，嚴(yán)格限制人類對(duì)草地資源的開發(fā)和利用，同時(shí)要加強(qiáng)已有生態(tài)建設(shè)工程的監(jiān)管工作。2010-2013年，農(nóng)田面積略有增加，主要是元上都遺址東部退耕還林區(qū)所種植灌木大量死亡，又人為開墾為農(nóng)田，不但破壞了原有景觀，還導(dǎo)致了開墾區(qū)的沙化。今后還需進(jìn)一步采取有效的措施，提高草原區(qū)整體的景觀功能[28]，結(jié)合日趨成熟的草原生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制[29]，加強(qiáng)對(duì)元上都遺址的保護(hù)。

4 結(jié)論

本研究運(yùn)用 6 期 Landsat TM/OLI 遙感影像，選取單一土地利用動(dòng)態(tài)度、綜合土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣及景觀格局指數(shù)等指標(biāo)，分析了元上都遺址區(qū)域 1984-2013 年土地利用、景觀格局變化，結(jié)果表明：1) 草地是元上都遺址區(qū)域的主要一級(jí)土地利用類型，面積占到研究區(qū)域的一半以上，其次為水域濕地、農(nóng)田；草地景觀是研究區(qū)域的本底景觀，但在研究時(shí)間段內(nèi)草地面積呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)變化趨勢(shì)，與林地、農(nóng)田、未利用地之間頻繁的進(jìn)行著轉(zhuǎn)移。2)1984-2013年，林地、草地、水域濕地、建設(shè)用地變化速率呈遞增趨勢(shì)，其中林地遞增速率最高；綜合土地利用動(dòng)態(tài) 2000-2005 年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度最高，年變化率為 2.09%，是土地利用變化最為劇烈的時(shí)間段，與這個(gè)時(shí)間段內(nèi)所開展的生態(tài)建設(shè)工程密切相關(guān)。3)2000 年景觀完整性最高，2005 年景觀構(gòu)成最為復(fù)雜，景觀變化主要發(fā)生在2000-2005 年之間，多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)最高，景觀越來(lái)越多樣化、破碎化，至 2013 年，景觀已逐漸趨于穩(wěn)定。