林 佳，宋 戈，張 瑩

（東北大學(xué)文法學(xué)院土地管理研究所，沈陽(yáng) 110169）

0 引 言

耕地植被人為干擾格局是人類(lèi)活動(dòng)與耕地自然條件相互作用下，對(duì)耕地植被變化產(chǎn)生干擾影響的空間化表現(xiàn)，是診斷人類(lèi)利用行為對(duì)農(nóng)作物生境穩(wěn)定性影響的重要依據(jù)[1]。耕地是為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能而形成的半人工景觀，其景觀空間格局的形成和發(fā)展過(guò)程，既是在不同尺度上的自然生態(tài)效應(yīng)與人類(lèi)生產(chǎn)利用、管理行為相結(jié)合的過(guò)程，也是人為干擾不斷累積的過(guò)程。在這一過(guò)程中，人類(lèi)行為的首要目標(biāo)是追求耕地植被的穩(wěn)定生長(zhǎng)，即農(nóng)作物的穩(wěn)定生產(chǎn)；而干擾會(huì)改變耕地土壤的理化性質(zhì)，也對(duì)相鄰生態(tài)群落造成影響，進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)人為干擾超過(guò)耕地“社會(huì)—生態(tài)”系統(tǒng)維持耕地植被穩(wěn)定能力（如恢復(fù)力、適應(yīng)力等）的閾值時(shí)，便以耕地植被發(fā)生顯著不規(guī)則變化的形式表現(xiàn)出來(lái)[2-4]。從這個(gè)角度來(lái)看，耕地植被人為干擾格局可以反映耕地“社會(huì)—生態(tài)”系統(tǒng)維持農(nóng)作物穩(wěn)定生產(chǎn)能力的空間組合特征。由于干擾在不同尺度下有不同的作用機(jī)理和生態(tài)過(guò)程，因而呈現(xiàn)不同的格局特征，且每個(gè)尺度的特征又受到更大或更小尺度的影響[4-5]。全面掌握不同尺度下耕地植被人為干擾格局動(dòng)態(tài)變化特征，是實(shí)現(xiàn)耕地合理保護(hù)和穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在人類(lèi)活動(dòng)對(duì)陸地資源生態(tài)系統(tǒng)的干擾的研究[6]，包括了對(duì)森林覆蓋的人為干擾[7-9]、沼澤濕地的人為干擾[10-11]、礦產(chǎn)資源的人為干擾[12-13]等，研究表明，這些人為干擾往往伴隨著土地利用的變化和景觀的破碎化[12,14-17]；但對(duì)于屬于“社會(huì)—生態(tài)”系統(tǒng)的耕地植被的人為干擾研究則較少，且缺乏多時(shí)段的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究，因此，在對(duì)其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的掌握上仍需加強(qiáng)。在研究方法上，多采用遙感手段獲取研究對(duì)象的時(shí)空變化信息，并對(duì)人為干擾進(jìn)行空間量化；但由于采用的遙感數(shù)據(jù)源的不同，存在空間和時(shí)間分辨率的差異，研究結(jié)果也各不相同[18-19]，需要根據(jù)研究對(duì)象的真實(shí)情況選取最適宜的觀測(cè)尺度。關(guān)于尺度效應(yīng)的研究在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的較多，在尺度轉(zhuǎn)換上，多采用遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的方法改變數(shù)據(jù)的空間分辨率[9,20-24]；本研究采用的滑動(dòng)格窗法可以快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)空間尺度的變化，且具有可以實(shí)現(xiàn)任意尺度變化的優(yōu)點(diǎn)，其展現(xiàn)的尺度效應(yīng)具有較好的連續(xù)性[3-4,9-10,24-25]。

大慶市作為典型的石油型資源型城市，長(zhǎng)期的石油開(kāi)采對(duì)耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量均產(chǎn)生了巨大影響；隨著石油資源的枯竭，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展更面臨著重大挑戰(zhàn)；其自20世紀(jì)90年代正式進(jìn)入經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型期，種植業(yè)作為傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，在轉(zhuǎn)型時(shí)期起到了重要的經(jīng)濟(jì)支撐作用[26-28]；如何降低對(duì)耕地植被的人為干擾，從而提高其糧食產(chǎn)量，是目前亟待解決的問(wèn)題。本文以大慶市為研究區(qū)，采用遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方法，分別定量計(jì)算和分析研究區(qū)1990－1995年、1995－2000年、2000－2005年、2005－2010年和2010－2016年5個(gè)時(shí)段的耕地植被人為干擾格局時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，并基于滑動(dòng)格窗法，分別計(jì)算研究區(qū)每個(gè)時(shí)段 10個(gè)尺度的耕地植被人為干擾值，進(jìn)而分析其尺度效應(yīng)及尺度變化類(lèi)型的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征。以期快速監(jiān)測(cè)人為干擾對(duì)耕地植被的影響和作用方向，對(duì)未來(lái)科學(xué)制定大慶市耕地利用規(guī)劃和政策提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

大慶市位于黑龍江省西部，松嫩平原中部，地處124°19′－125°12′E，45°46′－46°55′N(xiāo)，距省會(huì)哈爾濱市154 km，是“哈大齊”工業(yè)走廊的中心區(qū)。大慶市總面積21 192.66 km2，下轄5區(qū)4縣，擁有總?cè)丝诩s282萬(wàn)人，是典型的石油型資源型城市，城市隨著石油資源的開(kāi)采而逐漸發(fā)展。城市形態(tài)呈現(xiàn)出分散的空間特征，資源開(kāi)發(fā)帶來(lái)的區(qū)域人為活動(dòng)強(qiáng)度較高，深刻影響著包括耕地在內(nèi)的各種類(lèi)型土地的利用。同時(shí)大慶市也有豐富的耕地資源，2016年末擁有耕地面積8 983.27 km2，下轄的林甸縣和杜爾伯特蒙古自治縣是黑龍江省農(nóng)業(yè)大縣。大慶市地貌屬于松遼盆地，排水不暢，且地下水位埋深較淺，因而多湖泊，同時(shí)，因其土壤多為石灰性黑鈣土、石灰性黑土和淺育黑鈣土等堿性土壤，且受溫帶季風(fēng)性氣候影響，春季干旱、夏季多雨，致使其極易發(fā)生土壤的鹽堿化，說(shuō)明其耕地生態(tài)本底十分脆弱，耕地植被易受到人為活動(dòng)的干擾。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

1990年、1995年、2000年遙感影像采用landsat5的TM 數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，2005年和 2010年遙感影像采用landsat7的 ETM 數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，2016年遙感影像采用landsat8的OLI數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源。所有遙感數(shù)據(jù)空間分辨率均為30 m，且為了觀測(cè)的需要，均采用6-7月的遙感影像，以消除因植物生長(zhǎng)階段不同而造成的植物覆蓋量的差異，且保證影像含云量為0。利用ENVI軟件的波段計(jì)算功能獲取1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2016年NDVI值，其計(jì)算公式如下

式中NDVI為每個(gè)像元（柵格數(shù)據(jù)）的歸一化植被指數(shù)，NIR為近紅外波段數(shù)值，R為紅光波段數(shù)值，由于數(shù)據(jù)源的格式不同，NIR和R的取值范圍分別為（0.76～0.90 nm）和（0.63～0.69 nm）。同時(shí)，采用該軟件，對(duì)各時(shí)相遙感影像進(jìn)行幾何校正，校正累計(jì)誤差低于1個(gè)像素（30 m），以保障各時(shí)相影像疊加計(jì)算的精度。結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、規(guī)劃圖和 1:5萬(wàn)地形圖等圖件為輔助圖件數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)土地利用類(lèi)型進(jìn)行遙感圖像解譯，將其分為沼澤濕地、水域、建設(shè)用地（包括居民點(diǎn)、工礦和公路）、耕地（包括水田和旱田）、林地、草地和未利用地 7類(lèi)。將相鄰時(shí)相的土地利用圖進(jìn)行疊加，得到土地利用變化圖，并提取耕地利用變化圖，其中包括其他各類(lèi)用地轉(zhuǎn)換為耕地和耕地轉(zhuǎn)換為其他各類(lèi)用地，得到 5個(gè)時(shí)期的耕地利用變化圖。

2 研究方法

2.1 耕地植被干擾的識(shí)別

對(duì)人為干擾進(jìn)行的識(shí)別的目的是判斷在某一尺度下，哪些地區(qū)耕地植被的變化是受到人為干擾的影響而產(chǎn)生的空間上分散不規(guī)則的變化。人為干擾同時(shí)包括了促使植被茂盛的正向干擾，如耕地復(fù)墾等人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致植被生長(zhǎng)；也包括負(fù)向干擾，如過(guò)度開(kāi)墾造成的植被退化。但無(wú)論哪種干擾，均是在某尺度上改變了耕地植被生境的生態(tài)過(guò)程，進(jìn)而出現(xiàn)顯著變化。例如，將森林轉(zhuǎn)為耕地，改變了耕地土壤的生物物理和化學(xué)性質(zhì)以及相關(guān)的動(dòng)物和微生物群落；而諸如輪作等農(nóng)業(yè)做法，則改變了這些人為干擾的頻率[3]。

植被歸一化指數(shù)（NDVI）對(duì)植被茂盛程度較為敏感，數(shù)值越高說(shuō)明植被茂盛程度越高；反之則植被覆蓋茂盛程度越低，甚至完全是裸地[29-30]。參考相關(guān)研究[2-5]，本文基于每個(gè)像元（30 m柵格數(shù)據(jù)）NDVI值構(gòu)建耕地植被變化強(qiáng)度指數(shù)，測(cè)算每段觀測(cè)期內(nèi)覆被變化的程度，該指數(shù)表示相鄰兩個(gè)時(shí)點(diǎn)耕地植被變化的幅度，計(jì)算公式如下

式中D(x,y)是標(biāo)準(zhǔn)化后的處于x行y列的耕地植被變化的強(qiáng)度指數(shù)，fti是ti時(shí)的NDVI值，m是兩時(shí)相相元差異的平均值，是一時(shí)相 NDVI值的方差，是兩時(shí)相NDVI值的協(xié)方差。

D(x,y)的變化包括了背景噪聲的影響，以及一些極值的情況，且不是全部的變化都是干擾[3-4,9-10,24-25]。干擾包括自然干擾和人為干擾，除大范圍自然災(zāi)害等自然強(qiáng)干擾外（造成變化的極值），短時(shí)期內(nèi)的自然干擾（如降水不勻、高程變化等）顯著低于人為干擾。為去除這些因素對(duì)干擾識(shí)別的影響，將D(x,y)值按照經(jīng)驗(yàn)函數(shù)分布重新排列，以經(jīng)驗(yàn)分布的10%（即去掉數(shù)列兩端各5%的數(shù)值）作為固定比率作為干擾閾值，分別計(jì)算 1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年和2010—2016年5個(gè)時(shí)期的干擾閾值。此閾值是參考了包含不同的研究對(duì)象的相關(guān)研究設(shè)定[3-4,9-10,24-25]，相關(guān)研究表明，此閾值可以降低在 40%時(shí)達(dá)到最大的背景噪聲，或者去掉1%及更低時(shí)候出現(xiàn)的極值。若D(x,y)值超過(guò)閾值，則表明該像元是“受到干擾”的像元，即被識(shí)別為“干擾”。

2.2 耕地植被干擾格局動(dòng)態(tài)變化分布特征

干擾格局是關(guān)注于干擾在空間上的組合關(guān)系，因此，將已經(jīng)識(shí)別為干擾的像元賦值為1，非干擾像元賦值為0，得到了耕地植被人為干擾格局。為觀察耕地植被干擾格局的空間分布特征，分別將1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年和 2010—2016年 5個(gè)時(shí)期的每個(gè)干擾像元轉(zhuǎn)換為以像元幾何中心為點(diǎn)位置的點(diǎn)文件，采用ArcGIS 10軟件的密度工具計(jì)算每個(gè)單元臨近點(diǎn)要素中每單位面積的數(shù)量，得到覆蓋整個(gè)耕地利用動(dòng)態(tài)變化范圍的連續(xù)表面，通過(guò)對(duì)不同時(shí)段的干擾格局進(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征。本文設(shè)置的計(jì)算單元是圓形單元，圓的直徑越小，密度曲線(xiàn)越平滑，計(jì)算速度也越慢，但不會(huì)改變空間分布特征，本文設(shè)置直徑為5 010 m，輸出柵格密度影像分辨率為30 m。

2.3 耕地植被人為干擾的多尺度變換模型

參考相關(guān)尺度效應(yīng)研究成果[20-24]，本文對(duì)耕地植被人為干擾格局的尺度效應(yīng)研究，是探究連續(xù)空間尺度變換下人為干擾格局的變化特征，以及變化的類(lèi)型；旨在考量不同尺度下，人為干擾對(duì)耕地植被產(chǎn)生影響的強(qiáng)度和空間分散/集聚特征，表征耕地植被生境的不穩(wěn)定性。

與采用連續(xù)改變空間分辨率（柵格影像）的方法進(jìn)行研究的思路有所不同，本研究中每個(gè)尺度所表現(xiàn)出來(lái)的干擾值是該尺度單元內(nèi)全部干擾像元（最小分辨率為30 m）的累積結(jié)果，而不是與該尺度相鄰尺度的干擾值的再次轉(zhuǎn)換。這樣避免了因分辨率下降造成的數(shù)據(jù)缺失，而引起干擾值的下降，更能準(zhǔn)確反映不同空間尺度的變換下人為干擾格局的特征。具體方法為：采用（0，1）化后的干擾格局進(jìn)行尺度效應(yīng)研究，目的是忽略像元數(shù)值高低變化的影響，只探究尺度變化對(duì)人為干擾格局的影響。根據(jù)金字塔多尺度表達(dá)式的思想[31]，結(jié)合滑動(dòng)格窗法[7-9,12,21-22]，利用ArcGIS10軟件的鄰域計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)尺度變換。具體方法為：分別對(duì)柵格影像的搜索半徑進(jìn)行設(shè)置，即每個(gè)滑動(dòng)格窗所包含的像元數(shù)分別設(shè)置為3×3、5×5、9×9、15×15、25×25、45×45、75×75、115×115、165×165、225×225個(gè)像元，從而實(shí)現(xiàn)這10個(gè)空間尺度的變換；分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)尺度所包含的干擾像元的總和，除以該尺度所包含的全部像元的總和，得到該尺度的干擾值Pd；將Pd值賦予該尺度的中心像元，并用該像元的數(shù)值代替格窗的數(shù)值（圖1）。

2.4 多尺度耕地植被人為干擾格局聚類(lèi)分析模型

為了研究耕地植被尺度變化的類(lèi)型和時(shí)空變化特征，采用ISODATA聚類(lèi)算法，分別對(duì)1990－1995年、1995－2000年、2000－2005年、2005－2010年和 2010－2016年5個(gè)時(shí)期的10個(gè)尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，該方法的優(yōu)點(diǎn)是在運(yùn)行過(guò)程中能夠根據(jù)各個(gè)類(lèi)別的實(shí)際情況進(jìn)行兩種操作（合并或分裂）來(lái)調(diào)整聚類(lèi)中心數(shù)K。

其目標(biāo)函數(shù)為

式中k為最后得到的類(lèi)別個(gè)數(shù)，S是分類(lèi)的類(lèi)別集合，xj是屬于Si類(lèi)的每一個(gè)樣本，Ci是Si的類(lèi)別中心。

圖1 干擾值的尺度轉(zhuǎn)換方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of scale conversion method for disturbance values

步驟：①?gòu)臄?shù)據(jù)集中隨機(jī)選取K0個(gè)中心C1, C2…Ci作為聚類(lèi)中心，同時(shí)設(shè)定和計(jì)算以下參數(shù)：K為期望得到的聚類(lèi)數(shù)，本文設(shè)置為8個(gè)；k為初始的設(shè)定的聚類(lèi)數(shù)，本文設(shè)置為15個(gè)；θN是每一個(gè)類(lèi)別中最少的樣本數(shù)，若少于此數(shù)則去掉該類(lèi)別，本文設(shè)置為20；θs是一個(gè)類(lèi)別中，樣本特征中最大標(biāo)準(zhǔn)差。若大于這個(gè)值，則可能分裂；θc是兩個(gè)類(lèi)別中心間的最小距離，若小于此數(shù)，把兩個(gè)類(lèi)別需進(jìn)行合并；L是在一次合并操作中，可以合并的類(lèi)別的最多對(duì)數(shù)；I為迭代運(yùn)算的次數(shù)，本文設(shè)置為20。

②計(jì)算數(shù)據(jù)中每個(gè)樣本xi到K個(gè)聚類(lèi)中心的距離，將其分入到距離最小的聚類(lèi)中心的類(lèi)別中；

③判斷上式每個(gè)類(lèi)中的像元數(shù)目是否小于Nmin，如果小于則需要丟棄該類(lèi)，令K0=K=1并將其重新分配到剩下類(lèi)中距離最小的類(lèi)；

④針對(duì)每個(gè)類(lèi)別Ci重新計(jì)算聚類(lèi)中心

驟；當(dāng)K≥2K0，說(shuō)明當(dāng)前類(lèi)別太多，前往合并步驟；

⑥如果計(jì)算達(dá)到最大迭代次數(shù)，則計(jì)算終止，否則返回步驟②。

合并計(jì)算步驟為：計(jì)算當(dāng)前所有類(lèi)別聚類(lèi)中心兩兩之間的距離，用矩陣D表示，其中D(i,i)=0；對(duì)于D(i,j)＜θc的兩個(gè)類(lèi)別需要進(jìn)行合并操作，變成一個(gè)新的類(lèi)，該類(lèi)的聚類(lèi)中心位置為

式中ni和nj表示這兩個(gè)類(lèi)別中的樣本個(gè)數(shù)，新的聚類(lèi)中心可以看作是對(duì)這 2個(gè)類(lèi)別進(jìn)行加權(quán)求和。如果其中一個(gè)類(lèi)所包含的樣本個(gè)數(shù)較多，所合成的新類(lèi)就會(huì)更加偏向它。

分裂計(jì)算步驟：計(jì)算每個(gè)類(lèi)別下所有樣本在每個(gè)維度下的方差，針對(duì)每個(gè)類(lèi)別的所有方差挑選出最大的方差σmax，如果某個(gè)類(lèi)別的σmax＞θs并且該類(lèi)別所包含的樣本數(shù)量ni≥2nmin，則進(jìn)行分裂操作，滿(mǎn)足分裂條件的類(lèi)分裂成兩個(gè)子類(lèi)別并令如果不滿(mǎn)足條件，則退出分裂計(jì)算。

耕地植被干擾格局的尺度效應(yīng)也是耕地利用系統(tǒng)在不同尺度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的表現(xiàn)，將耕地植被尺度聚類(lèi)格局與耕地利用變化圖疊加，從而分析耕地系統(tǒng)內(nèi)部或外部轉(zhuǎn)換與耕地植被尺度效應(yīng)的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地植被人為干擾格局動(dòng)態(tài)變化特征

1990－2016 年，耕地植被人為干擾具有顯著不均勻的空間格局分布變化特征；且隨著時(shí)間的推移，高密度人為干擾集聚中心在空間位置和空間形態(tài)上均有顯著變化（圖2）。總體呈現(xiàn)由單一集聚中心到多集聚中心，再到單一集聚中心的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：

圖2 不同時(shí)期大慶市耕地植被人為干擾格局動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of human and distribution patterns of cultivated land vegetation in Daqing City in different periods

1990－1995 年，研究區(qū)耕地植被人為干擾像元共有751 454個(gè)，占地6 762.98 km2；人為干擾像元主要集中在研究區(qū)東南部；高密度人為干擾集聚中心較為單一，集中在肇州縣南部，包括了37%的干擾；該地區(qū)在該時(shí)期的土地利用類(lèi)型始終保持為耕地，說(shuō)明導(dǎo)致該地區(qū)耕地植被變化的主要人為干擾來(lái)源是耕地內(nèi)部的農(nóng)業(yè)種植行為。

1995－2000 年，研究區(qū)耕地植被人為干擾像元共有771 353個(gè)，占地6 942.18 km2；82%的人為干擾像元分布在研究區(qū)北部。其中，高密度人為干擾中心位于林甸縣北部和東南部，與中密度地區(qū)相連，在空間形態(tài)上呈環(huán)狀分布；該地區(qū)的土地利用類(lèi)型變化主要包括了耕地轉(zhuǎn)換為草地、耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地兩類(lèi)，說(shuō)明該時(shí)期耕地植被人為干擾來(lái)源除農(nóng)業(yè)種植行為外，部分人為干擾來(lái)自于人類(lèi)對(duì)草地和建設(shè)用地的擴(kuò)張行為。

2000－2005 年，研究區(qū)耕地植被人為干擾像元共有482 118個(gè)，占地4 339.06 km2；仍有60%的人為干擾像元分布在研究區(qū)北部，但人為干擾的高密度集中區(qū)轉(zhuǎn)移至林甸縣的周?chē)岸艩柌孛晒抛灾慰h北部、肇源縣西部、讓胡路區(qū)中部、龍風(fēng)區(qū)北部和肇州縣西部，空間上呈現(xiàn)較為分散的格局形態(tài)；集聚中心的土地利用類(lèi)型變化為園地轉(zhuǎn)耕地和水域轉(zhuǎn)耕地，說(shuō)明該時(shí)期耕地植被人為干擾來(lái)源除農(nóng)業(yè)種植行為外，部分人為干擾來(lái)自于園地和水域用地轉(zhuǎn)為耕地，即人類(lèi)對(duì)耕地進(jìn)行擴(kuò)張的行為。

2005－2010 年，研究區(qū)耕地植被人為干擾像元共有695 910個(gè)，占地6 253.19 km2；高密度人為干擾中心轉(zhuǎn)移至林甸縣中部，有2個(gè)空間上相距20 km的高密度中心點(diǎn)，該區(qū)域包含了 30%的人為干擾像元，該地區(qū)土地利用類(lèi)型變化主要為未利用地轉(zhuǎn)換為耕地；另有中等密度人為干擾中心沿研究區(qū)西部至西南部，空間形態(tài)上呈現(xiàn)帶狀分布；該地區(qū)土地利用類(lèi)型變化也主要為未利用地轉(zhuǎn)換為耕地，說(shuō)明該時(shí)期耕地植被人為干擾來(lái)源除農(nóng)業(yè)種植行為外，部分源自于耕地的開(kāi)墾，即耕地的擴(kuò)張。

2010－2016 年，研究區(qū)耕地植被人為干擾像元共有830 275個(gè)，占地7 470.48 km2；高密度人為干擾中心仍然位于林甸縣中部，有2個(gè)空間上相距18 km的高密度中心點(diǎn)；該區(qū)域包含了 50%的人為干擾像元，該地區(qū)在該時(shí)期的土地利用類(lèi)型始終保持為耕地，說(shuō)明與 1990－1995年相同，導(dǎo)致該地區(qū)耕地植被變化的主要人為干擾來(lái)源是農(nóng)業(yè)種植行為，但干擾集聚中心已從大慶市東南部地區(qū)轉(zhuǎn)移到了大慶市北部地區(qū)。

3.2 耕地植被人為干擾格局的尺度效應(yīng)

尺度變化后，研究區(qū)的平均人為干擾值發(fā)生顯著變化，并聚類(lèi)成9種類(lèi)型，為了便于分析，以類(lèi)型A—I進(jìn)行表示（表1）。根據(jù)研究區(qū)不同時(shí)期的平均干擾值的變化特征與 9種類(lèi)型進(jìn)行對(duì)比，表明研究區(qū)不同時(shí)期的耕地植被人為干擾尺度變化分別呈現(xiàn)出 7種類(lèi)型，并用氣泡圖可以很好的表現(xiàn)不同尺度平均干擾的變化（圖3）：1990—1995年、1995—2000年和 2005—2010年均呈現(xiàn)出A、C、E、F、D、H、I這7種類(lèi)型，2000—2005年呈現(xiàn)出A、C、B、E、D、H、I這7種類(lèi)型，2010—2016年呈現(xiàn)出A、C、E、F、G、H、I這7種類(lèi)型。研究期內(nèi)，A和E類(lèi)型是尺度效應(yīng)最顯著的類(lèi)型，I類(lèi)型是尺度效應(yīng)最不顯著的類(lèi)型，這 3種類(lèi)型是每個(gè)時(shí)期均有的類(lèi)型，而B(niǎo)類(lèi)型只在2000—2005年這一時(shí)期出現(xiàn)，G類(lèi)型也只在2010—2016年這一時(shí)期出現(xiàn)?？傮w而言，所有的聚類(lèi)類(lèi)型在經(jīng)過(guò)10個(gè)尺度的變化后，均停留在相對(duì)較低的人為干擾水平，尤其是A、C、E類(lèi)型的覆蓋人為干擾值隨尺度的變化而迅速下降。

表1 多尺度大慶市耕地植被人為干擾值聚類(lèi)類(lèi)型Table 1 Multi-scale cultivated land vegetation artificial disturbance value clustering type in Daqing City

圖3 不同時(shí)期大慶市多尺度耕地植被平均人為干擾值聚類(lèi)Fig.3 Characterizing multi-scale average clustering and variation human disturbance value of cultivated land vegetation in Daqing City in different periods

從面積上看，I類(lèi)型面積在各時(shí)期均占50%以上，為其最主要的類(lèi)型；所占面積比例呈現(xiàn)先上升再迅速下降，再迅速上升的動(dòng)態(tài)變化特征；2005－2010年達(dá)到最低，占54.55%，2010－2016年達(dá)到最高，占總面積的59.25%；說(shuō)明一半以上耕地植被人為干擾的尺度效應(yīng)并不明顯，這是由于耕地以種植固定農(nóng)作物為主，其覆蓋在空間上分布較為均勻。但同時(shí)也說(shuō)明，對(duì)尺度效應(yīng)敏感地區(qū)的比重也占有40%～45%的高比例。每個(gè)時(shí)期的A、C、E、F類(lèi)聚類(lèi)類(lèi)型均是耕地植被人為干擾的尺度效應(yīng)較為顯著的類(lèi)型，且人為干擾值的均值相對(duì)較高，這 4類(lèi)的面積總和分別占總面積的 13.23%、11.81%、12.29%、13.42%、18.33%；其中，A和E類(lèi)型在各時(shí)期均占4.5%以下，是占地面積最少的類(lèi)型；A類(lèi)型在1995—2000年僅占0.89%，E類(lèi)型除1995－2000年占4.32%外，其他時(shí)期均占2.5%左右，這些地區(qū)是人為干擾分布最集中的地區(qū)，說(shuō)明這些地區(qū)存在著農(nóng)作物豐茂程度的較大變化或土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)變（表2）。

從空間分布特征上看，除1995－2000年時(shí)段外，其余時(shí)段A、C、E、F類(lèi)尺度聚類(lèi)類(lèi)型在空間分布的位置與人為干擾密度空間分布特征相似（圖4）。其中，1990－1995年主要表現(xiàn)為A和C類(lèi)尺度聚類(lèi)類(lèi)型集中在肇州縣南部，以及散布在杜爾伯特蒙古自治區(qū)；1995－2000年A、C、E尺度聚類(lèi)類(lèi)型散布在研究區(qū)的各個(gè)縣，與其他時(shí)期相比，其集中特征并不明顯；2000－2005年 A、C、B、E尺度聚類(lèi)類(lèi)型主要分布在大同區(qū)、肇州縣和肇源縣中間地區(qū)，與其他時(shí)期相比，1和2類(lèi)所占面積最??；2005－2010年A和C尺度聚類(lèi)類(lèi)型主要分布于林甸縣中部和東北部地區(qū)，以及散布在其他縣區(qū)；2010－2016年A、C、E類(lèi)尺度聚類(lèi)類(lèi)型主要分布在林甸縣中部，另外肇州縣北部也有部分分布。

表2 不同時(shí)期多尺度大慶市耕地植被人為干擾值聚類(lèi)類(lèi)型占研究區(qū)總面積比Table 2 Multi-scale cultivated land cover human disturbance classified area ratios of Daqing City in different periods%

圖4 不同時(shí)期大慶市多尺度耕地植被干擾聚類(lèi)格局Fig.4 Multi-scale cluster patterns of cultivated land vegetation in Daqing City in different periods

從耕地與其他土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)換來(lái)看，1990—1995年間前4類(lèi)耕地植被人為干擾尺度聚類(lèi)類(lèi)型中，耕地與其他土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換的面積，分別占研究區(qū)總面積的33.55%、39.54%、30.77%、31.51%，在第I類(lèi)中占32.96%；1995－2000年間A、C、E、F類(lèi)耕地植被人為干擾尺度聚類(lèi)類(lèi)型中，耕地與其他土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換的面積，分別占研究區(qū)總面積的45.39%、41.31%、37.08%、36.6%，在第 I類(lèi)中占 29.63%；2000－2005年間 A、C、E、F類(lèi)耕地植被人為干擾尺度聚類(lèi)類(lèi)型中，耕地與其他土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換的面積，分別占研究區(qū)總面積的17.63%、4.95%、6.59%、4.84%，在第I類(lèi)中占3.36%；2005－2010年間，A、C、E、F類(lèi)耕地植被人為干擾尺度聚類(lèi)類(lèi)型中，耕地與其他土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換的面積，分別占研究區(qū)總面積的23.84%、23.28%、19.33%、18.25%，在第I類(lèi)中占15.48%；2010—2016年間 A、C、E、F類(lèi)耕地植被人為干擾尺度聚類(lèi)類(lèi)型中，耕地與其他土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換的面積，分別占研究區(qū)總面積的7.72%、4.36%、6.88%、4.25%，在第I類(lèi)中占7.47%。

4 討 論

1990—2016 年大慶市耕地植被人為干擾時(shí)空格局變化特征形成的原因主要有兩方面：一是由農(nóng)業(yè)種植行為導(dǎo)致耕地土壤理化性質(zhì)的波動(dòng)性變化，進(jìn)而產(chǎn)生農(nóng)作物豐茂程度的變化；二是由耕地與其他土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換，而使耕地植被發(fā)生根本性變化。第一方面的實(shí)質(zhì)是反映農(nóng)業(yè)種植行為作用下，耕地“社會(huì)-生態(tài)”系統(tǒng)維持土壤理化性質(zhì)穩(wěn)定能力的時(shí)空差異；具體表現(xiàn)為，研究期內(nèi)耕地植被人為干擾高密度區(qū)集中分布在肇州縣和林甸縣境內(nèi)；該地區(qū)土壤均是以碳酸鹽草甸土和碳酸鹽黑鈣土為主[32]，土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量較低；維持其土壤理化性質(zhì)，需要大量的人工投入，因此對(duì)人為干擾的敏感性較高。但人為干擾作用結(jié)果難以進(jìn)行全面控制和預(yù)測(cè)，例如，通過(guò)施用化肥和農(nóng)藥可以迅速提升耕地植被茂盛度，同時(shí)也會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)；長(zhǎng)期使用化肥和農(nóng)藥可能會(huì)導(dǎo)致土壤污染或退化等問(wèn)題，從而導(dǎo)致耕地植被豐茂度的下降；并且一旦人為投入下降，則短期內(nèi)的植被豐茂程度也隨之下降；即提升耕地植被豐茂程度的正向人為干擾，對(duì)于該區(qū)域的微生境仍起到破壞作用；而已經(jīng)表現(xiàn)為對(duì)耕地植被的負(fù)向干擾的地區(qū)，則說(shuō)明該地區(qū)的微生境已經(jīng)處于不利于耕地植被生長(zhǎng)的狀態(tài)，但適度的植被豐茂度下降可以為周?chē)闹脖惶峁└鼮閮?yōu)越的生長(zhǎng)環(huán)境，從而產(chǎn)生更大尺度上耕地植被的豐茂度上升。這也說(shuō)明，無(wú)論是對(duì)耕地植被的正向干擾，還是負(fù)向干擾，只能表現(xiàn)耕地植被豐茂度的變化情況（上升/下降），而二者均會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域原有的微生境失去穩(wěn)定性，進(jìn)而產(chǎn)生不利于耕地植被長(zhǎng)期穩(wěn)定生長(zhǎng)的影響。但需要區(qū)別的是，不是全部的人為措施均會(huì)表現(xiàn)為對(duì)植被的干擾；應(yīng)盡量減少對(duì)耕地的干擾（包括正向和負(fù)向），但同時(shí)也要采取可以保護(hù)耕地植被生長(zhǎng)微生境穩(wěn)定性的措施，這才是維持耕地植被長(zhǎng)期穩(wěn)定生長(zhǎng)的最優(yōu)方案。第二方面主要表現(xiàn)為，研究期內(nèi)耕地植被人為干擾集中區(qū)的土地利用類(lèi)型，經(jīng)歷了從以保持耕地不變?yōu)橹?，到與其他土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，再到以保持耕地不變?yōu)橹鞯淖兓^(guò)程；這實(shí)質(zhì)是表現(xiàn)由土地利用規(guī)劃政策所主導(dǎo)的人為干擾行為，也是耕地植被適應(yīng)新生境的過(guò)程（如草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)為耕地）；而耕地與其他地類(lèi)轉(zhuǎn)換面積的減少，說(shuō)明耕地保護(hù)政策具有很好的效果。

研究期內(nèi)研究區(qū)大部分耕地植被人為干擾的尺度效應(yīng)并不明顯，但仍有11.81%～18.33%人為干擾的尺度效應(yīng)十分顯著，并表現(xiàn)出不同的尺度效應(yīng)類(lèi)型；其值的高低變化表現(xiàn)了不同尺度上的干擾強(qiáng)度，實(shí)質(zhì)是表現(xiàn)了耕地植被群落生境的不穩(wěn)定程度。而不同尺度效應(yīng)類(lèi)型的差異，則是由耕地植被人為干擾像元為中心，與其周?chē)?00 m2（3×3尺度）－45 562 500 m2（225×225尺度）范圍內(nèi)人為干擾像元之間的集聚性或分散性所導(dǎo)致，實(shí)質(zhì)是表現(xiàn)干擾像元之間的影響關(guān)系。在尺度效應(yīng)顯著類(lèi)型（A、C、E、F類(lèi)）中，發(fā)生土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換地區(qū)的面積遠(yuǎn)大于不顯著類(lèi)型（I類(lèi)）；說(shuō)明土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的人為干擾在空間上多呈現(xiàn)集聚性，即尺度效應(yīng)顯著的地區(qū)多處于耕地與其他土地利用類(lèi)型相毗鄰的地區(qū)，而其他類(lèi)型的人為干擾在空間上呈現(xiàn)分散性。集聚的人為干擾改變了植被的微環(huán)境，并影響與之毗鄰植被之間的依存關(guān)系，造成耕地植被生境的不穩(wěn)定；因此，人為干擾尺度效應(yīng)顯著地區(qū)對(duì)植被群落生境造成的影響大于不顯著的地區(qū)。

本研究選取的研究期正是大慶市全面進(jìn)入經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的時(shí)期，伴隨而來(lái)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整使種植業(yè)經(jīng)濟(jì)的地位變得更加重要，如何保護(hù)耕地、提高農(nóng)作物產(chǎn)量則是當(dāng)務(wù)之急。與關(guān)注自然景觀植被人為干擾的研究相比[9-13]，耕地植被人為干擾格局動(dòng)態(tài)變化特征的結(jié)果，對(duì)耕地植被人為干擾的關(guān)注則具有更深遠(yuǎn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。研究結(jié)果表明，耕地植被人為干擾強(qiáng)度較高的地區(qū)，也是恢復(fù)性最低的地區(qū)，應(yīng)作為保護(hù)和治理的重點(diǎn)地區(qū)，采取以下三個(gè)方面的具體措施：一是，大慶市處于鹽堿帶上，自然本底條件十分脆弱，耕作方式對(duì)農(nóng)作物豐茂程度有顯著影響；若采取粗放的耕作方式，如大水漫灌、化肥農(nóng)藥的隨意使用、不采取輪作休耕措施等，在短期內(nèi)便能引起土壤的退化；因此，未來(lái)需要在耕地植被人為干擾集中的地區(qū)采取集約的耕作方式，注重對(duì)其土壤理化性質(zhì)的監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)耕地植被的穩(wěn)定生長(zhǎng)，即糧食的穩(wěn)定生產(chǎn)；并充分利用人為干擾的敏感性，對(duì)土壤進(jìn)行改良，從而提高其恢復(fù)能力；這種在空間上有針對(duì)性的投入，將有效的降低經(jīng)濟(jì)成本。二是，應(yīng)在高人為干擾地區(qū)繼續(xù)加強(qiáng)耕地資源的政策保護(hù)，要嚴(yán)格控制耕地與其他土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，尤其是嚴(yán)格限制將耕地轉(zhuǎn)為其他類(lèi)型用地，從而保障作物生長(zhǎng)環(huán)境的穩(wěn)定；這與2014年以來(lái)的大慶市基本農(nóng)田劃定政策思路一致，起到了對(duì)耕地可持續(xù)利用的保障性作用；耕地人為干擾格局可以作為土地總體規(guī)劃和專(zhuān)項(xiàng)治理規(guī)劃的依據(jù)，并根據(jù)其尺度效應(yīng)進(jìn)行分區(qū)防治，有利于提高規(guī)劃的科學(xué)性和針對(duì)性。三是，耕地植被人為干擾格局尺度效應(yīng)研究結(jié)果表明，尺度越小耕地植被人為干擾越大的現(xiàn)象，說(shuō)明尺度越小耕地植被面對(duì)干擾時(shí)候越缺乏抵抗和恢復(fù)能力；這種抵抗和恢復(fù)能力是源于耕地“社會(huì)—生態(tài)”復(fù)合系統(tǒng)維持自身穩(wěn)定的能力，即人為干擾尺度越小，耕地植被的“社會(huì)—生態(tài)”系統(tǒng)恢復(fù)力越低；因此，發(fā)展適度的規(guī)模農(nóng)業(yè)能有效的降低干擾，穩(wěn)定植被微生境，從而穩(wěn)定和提高糧食產(chǎn)量。

本研究提出的理論和方法，可以體現(xiàn)耕地植被在人為干擾下所表現(xiàn)的時(shí)空格局動(dòng)態(tài)變化特征，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其尺度效應(yīng)的快速監(jiān)測(cè)；但它是耕地復(fù)雜“社會(huì)—生態(tài)”系統(tǒng)在不同尺度綜合作用結(jié)果的空間化表現(xiàn)，并不能體現(xiàn)某種干擾的直接作用過(guò)程和結(jié)果。因此，今后的研究應(yīng)與人為干擾的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素相結(jié)合，進(jìn)一步分析其干擾格局和尺度效應(yīng)的形成機(jī)理，掌握其作用的正負(fù)性，從而為保護(hù)耕地和提高糧食產(chǎn)量提供更加深入的科學(xué)指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

本文以大慶市為研究區(qū)，基于遙感影像分析了該地區(qū)1990—2016年耕地植被人為干擾的空間分布格局，并分析了其隨空間尺度變化而產(chǎn)生的人為干擾值時(shí)空變化特征，以揭示耕地植被人為干擾時(shí)空變化規(guī)律及其尺度效應(yīng)。主要得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)耕地植被受到的人為干擾增多時(shí)，研究區(qū)耕地植被人為干擾的分布趨向于集中；反之則趨向于分散；此過(guò)程中，農(nóng)作物豐茂程度的變化是耕地植被人為干擾的主要表現(xiàn)，干擾來(lái)源主要分為土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換和農(nóng)業(yè)耕種行為兩種。

2）研究期內(nèi)占研究區(qū)耕地植被人為干擾面積50%以上地區(qū)的尺度效應(yīng)并不明顯，說(shuō)明這些地區(qū)的人為干擾分布較分散或較為均勻；但仍有占地面積11.81%～18.33%的地區(qū)人為干擾的尺度效應(yīng)十分顯著，這些地區(qū)是人為干擾分布最集中或最不均勻的地區(qū)，也是未來(lái)制定耕地保護(hù)規(guī)劃和實(shí)施糧食穩(wěn)產(chǎn)措施的重點(diǎn)地區(qū)。

3）在耕地植被人為干擾尺度效應(yīng)顯著地區(qū)，土地利用類(lèi)型未發(fā)生變化地區(qū)所占的面積比例呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明對(duì)耕地的保護(hù)政策有效降低了人為干擾對(duì)耕地植被的影響；但干擾像元數(shù)量在2000年后呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此，除繼續(xù)加強(qiáng)保護(hù)耕地政策外，維持耕地內(nèi)部土壤理化性質(zhì)的穩(wěn)定是未來(lái)耕地植被保護(hù)的重點(diǎn)。

4）大部分尺度效應(yīng)顯著地區(qū)中，尺度越小耕地植被人為干擾越顯著，說(shuō)明在一定尺度范圍內(nèi)，尺度越大耕地“社會(huì)—生態(tài)”系統(tǒng)的穩(wěn)定性越強(qiáng)；因此，發(fā)展適度規(guī)模農(nóng)業(yè)是降低人為干擾、提高糧食產(chǎn)量的有效途徑。