羅 君, 孫振亓, 張學(xué)斌

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730070; 2.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070; 3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000; 4.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100049)

對土地利用格局與生態(tài)過程及其尺度效應(yīng)的研究是國內(nèi)景觀生態(tài)學(xué)研究的特色重點(diǎn)領(lǐng)域，是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心[1]?，F(xiàn)有的土地利用景觀格局研究主要結(jié)合土地利用情況進(jìn)行景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[2-6]和基于土地利用數(shù)據(jù)的景觀格局變化[7-13]及其驅(qū)動力分析上[14-18]，研究方法以對土地利用狀況的統(tǒng)計(jì)分析與單一尺度下各類景觀格局指數(shù)結(jié)合為主。景觀生態(tài)學(xué)迅速發(fā)展初期，人們利用景觀格局指數(shù)將復(fù)雜的自然現(xiàn)象用數(shù)值簡單化，極大增強(qiáng)了人類認(rèn)識自然的能力。然而目前絕大部分景觀指數(shù)來源于數(shù)理統(tǒng)計(jì)和幾何特征與空間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)，指數(shù)本身并沒有生態(tài)學(xué)意義。同時(shí)對于景觀格局的研究，選擇適宜的研究尺度，對景觀格局的分析和過程的研究才有意義。通過多尺度景觀格局分析，可構(gòu)建一個景觀格局隨尺度變化的特征曲線，從而將特征曲線與相應(yīng)生態(tài)過程對應(yīng)[19]。多距離空間聚類分析是一種能夠在不同空間尺度下對景觀格局進(jìn)行分析的空間點(diǎn)格局分析法。通過該方法可獲得空間特征尺度和強(qiáng)度兩個指數(shù)，可較好反映景觀類型的空間聚集程度，并具有簡單高效等優(yōu)點(diǎn)[20]。目前國內(nèi)對張掖市甘州區(qū)景觀格局進(jìn)行研究的案例較少，尚無應(yīng)用多距離空間聚類分析方法研究張掖市甘州區(qū)景觀格局的案例。本研究借助GIS技術(shù)，應(yīng)用多距離空間聚類分析方法從多個空間尺度上對張掖市甘州區(qū)人工綠洲區(qū)域的景觀格局進(jìn)行分析，結(jié)合空間自相關(guān)分析方法，研究其1987—2016年景觀格局的聚集特征及其變化，以期為張掖市甘州區(qū)的可持續(xù)發(fā)展及景觀規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

張掖市甘州區(qū)位于河西走廊中部，南依祁連山，北鄰龍首山與合黎山，地處東經(jīng)100°6′—100°52′，北緯38°32′—39°24′，屬溫帶大陸性氣候。研究區(qū)以甘州區(qū)范圍內(nèi)海拔低于1 600 m的河西走廊地勢平緩區(qū)為主，相比南北兩山區(qū)域，該區(qū)域?qū)倬G洲區(qū)域，灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，人文景觀豐富，景觀變化較為頻繁，具有典型研究意義(圖1)。

圖1 甘州區(qū)位置及DEM

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

土地利用數(shù)據(jù)通過對1987年、2000年、2011年、2016年張掖市甘州區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)解譯得到，遙感數(shù)據(jù)來源于美國USGS 網(wǎng)站(http:∥glovis.usgs/Imgviewer)，張掖市DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)，為排除甘州區(qū)南北兩山區(qū)域景觀數(shù)據(jù)對研究結(jié)果的影響，使用ArcGIS 10.2軟件對各年份土地利用數(shù)據(jù)大致沿海拔1 600 m等高線進(jìn)行裁剪，保留各年份的人工綠洲區(qū)域作為研究對象(圖2)。

圖2 甘州區(qū)土地利用數(shù)據(jù)

2 研究方法

2.1 空間自相關(guān)

景觀格局的最大特征就是空間自相關(guān)性。美國地理學(xué)家Tobler[21]在1969年提出：任何事物之間都存在相關(guān)性，鄰近事物之間相關(guān)性更強(qiáng)?？臻g自相關(guān)分析可檢驗(yàn)?zāi)愁惖匚锏哪骋粚傩允欠衽c相鄰空間上該類地物的該屬性相關(guān)，以及相關(guān)性強(qiáng)弱。應(yīng)用ArcGIS 10.2軟件中的數(shù)據(jù)管理工具將張掖市甘州區(qū)綠洲區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)中的面要素圖斑按用地類型提取后分別轉(zhuǎn)換為點(diǎn)要素，然后在空間統(tǒng)計(jì)工具箱中利用空間自相關(guān)(Moran′sI)分析工具進(jìn)行不同年份的空間自相關(guān)分析。

2.2 Ripley′s K函數(shù)分析

Ripley′s K函數(shù)分析把局部景觀視為空間內(nèi)的一個點(diǎn)，繪制點(diǎn)位置分布圖，以點(diǎn)圖為基礎(chǔ)分析景觀空間分布格局，是點(diǎn)格局分析的最常用方法。設(shè)n是研究區(qū)內(nèi)景觀點(diǎn)個數(shù)，A是研究區(qū)面積，Ripley′s K函數(shù)被定義為：

(1)

式中：n為景觀點(diǎn)個數(shù)；d為距離尺度；dij是景觀點(diǎn)i與j之間的距離；A為研究區(qū)面積。Besag[22]提出用L(d)取代K(d)，并對K(d)作開平方的線性變換，以保持方差穩(wěn)定。在隨機(jī)分布的假設(shè)下L(d)期望值為0，L(d)為：

(2)

在ArcGIS 10.2軟件空間統(tǒng)計(jì)工具箱中利用多距離空間聚類分析(Ripley′s K函數(shù))工具對各年份各景觀類型的點(diǎn)位置圖進(jìn)行Ripley′s K函數(shù)分析及顯著性檢驗(yàn)。設(shè)置起始距離與距離步長均取值3 km，計(jì)算30次；Ripley′s K指數(shù)偏離隨機(jī)性的顯著性檢驗(yàn)采用蒙特卡洛模擬法，置信度設(shè)置為99%；邊界校正設(shè)置為simulate outer boundary values。

將計(jì)算得到的.dbf格式計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Excel軟件，生成距離值d值、觀測值L(d)值、上包跡線、下包跡線和d值與L(d)值差值DiffK的關(guān)系圖。若L(d)值大于上包跡線，則該景觀類型顯著聚集分布；若L(d)值小于下包跡線，則該景觀類型顯著均勻分布；若L(d)值位于上下包跡線之間，則該景觀類型顯著隨機(jī)分布。當(dāng)L(d)值大于d值，且兩條曲線相距越遠(yuǎn)即DiffK值越大時(shí)，則該景觀類型空間分布聚集程度越強(qiáng)；當(dāng)L(d)值小于d值，且兩條曲線相距越遠(yuǎn)即DiffK值越小時(shí)，則該景觀類型空間分布離散程度越強(qiáng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 空間自相關(guān)

對甘州區(qū)綠洲區(qū)域景觀分布在空間上的平均關(guān)聯(lián)程度和顯著性進(jìn)行探測，結(jié)果見表1。

表1 空間自相關(guān)計(jì)算結(jié)果

在置信度99%水平下，各年份Moran′sI指數(shù)均大于0，表明1987—2016年，研究區(qū)域景觀要素之間存在空間正相關(guān)性，但其值較小，最大值不超過0.2，表明正相關(guān)性不強(qiáng)。Moran′sI指數(shù)逐年降低，其中2011—2016年降低速度較快，2016年的Moran′sI指數(shù)明顯低于其他年份，其值為0.066 681，趨近于0，表明不同景觀要素的空間異質(zhì)性增強(qiáng)，景觀格局正在向隨機(jī)化發(fā)展，2011年后景觀隨機(jī)化分布速度明顯加快。

3.2 多距離空間聚類分析

3.2.1 甘州區(qū)綠洲區(qū)域景觀格局特征 在研究區(qū)域，耕地所占面積比例最大，連通性最好，是甘州區(qū)綠洲區(qū)域的景觀基質(zhì)；林地和建設(shè)用地以斑塊形式鑲嵌其中，水域以廊道形式貫穿綠洲區(qū)域中部，草地和未利用地集中分布在綠洲南北側(cè)山區(qū)，空間上形成山前的未利用地景觀特征，綠洲區(qū)的耕地景觀特征。水域、林地所占比例最小，是綠洲農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的限制性因素。如圖3所示，1987—2016年，研究區(qū)耕地、建設(shè)用地和林地面積比例逐漸增大，水域、草地和未利用地面積比例不斷減小。草地和建設(shè)用地在較大尺度下呈現(xiàn)聚集的空間格局；林地、未利用地和耕地在小尺度下呈現(xiàn)出聚集的空間格局；水域在1987年和2000年在小尺度下呈現(xiàn)出聚集的空間格局，在2011年和2016年在較大尺度下也能夠呈現(xiàn)出聚集的空間格局。隨著空間尺度不斷增大，各用地類型的空間格局均轉(zhuǎn)為隨機(jī)性分布。水域、建設(shè)用地和草地的空間聚集程度比未利用地、林地和耕地更強(qiáng)。

3.2.2 甘州區(qū)綠洲景觀格局演變特征 隨著空間尺度d值的逐漸增加，某類景觀對應(yīng)的空間尺度L(d)值出現(xiàn)的第一個峰值相應(yīng)的d值可表示其空間聚集的特征，其L(d)值的峰值可表示該景觀類型的空間分布聚集程度[23]。

從圖4可以看出，各年份研究區(qū)林地的特征空間尺度均為3 km；1987年、2000年、2011年和2016年，林地在12，21，18，39 km內(nèi)的微分值均大于0，表明在1～12，1～21，1～18，1～39 km的空間尺度上，林地表現(xiàn)為聚集分布特征，隨著空間尺度的增加，開始呈現(xiàn)為隨機(jī)分布特征。將研究尺度統(tǒng)一在24 km范圍來看，1987—2011年均不同程度存在分散化趨勢，但2016年24 km范圍內(nèi)的微分值均大于0，表明林地的空間集聚強(qiáng)度不斷降低，聚集分布的空間尺度呈現(xiàn)出增加趨勢，說明研究區(qū)域林地分布范圍增大，空間聚集分布的特征逐漸減弱，隨機(jī)分布特征逐漸增強(qiáng)。

圖3 土地利用變化情況

圖4 林地空間分布特征

從圖5可以看出，水域的特征空間尺度在1987年、2000年和2016年均在9 km處，而2011年在12 km處，同時(shí)聚集程度明顯高于其他年份；1987年和2000年在1～27 km的空間尺度上，2011年在1～48 km，2016年在1～54 km的空間尺度上，水域表現(xiàn)為聚集分布特征，隨著空間尺度的增加，開始表現(xiàn)出隨機(jī)分布特征。水域的空間聚集程度先增強(qiáng)后減弱，聚集分布的空間尺度增大，說明水域的空間分布隨著水域面積的減小聚集性不斷增強(qiáng)。其主要原因由于水是綠洲社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制性因素，張掖市對黑河流域的開發(fā)利用，呈現(xiàn)出各縣區(qū)在黑河流域不同斷面上分水取水，流域總體用水量增加，部分小水域、水庫水量無充足水源而斷流，形成分水取水處等小范圍集中趨勢明顯。

從圖6可以看出，未利用地的特征空間尺度在1987年和2016年為3 km，2000年和2011年為6 km；1987年在1～12 km，2000年在1～15 km，2011年在1～24 km，2016年在1～21 km的空間尺度上，未利用地呈聚集分布特征，聚集程度總體增加。隨著空間尺度的增加，開始表現(xiàn)出隨機(jī)分布特征。結(jié)合甘州區(qū)土地利用總體情況看，耕地和建設(shè)用地面積不斷增加，未利用地面積不斷減小，表明綠洲范圍不斷擴(kuò)張，未利用地為綠洲擴(kuò)張?zhí)峁┝吮匾耐恋刭Y源。

從圖7可以看出，草地的特征空間尺度在1987年為9 km，在2000年和2011年為6 km，2016年為15 km；1987年和2011年在1～54 km，2000年在1～51 km，2016年在1～48 km的空間尺度上，草地表現(xiàn)為聚集分布特征，隨著空間尺度的增加，開始表現(xiàn)出隨機(jī)分布特征；1987—2016年，草地聚集程度總體增加。

圖5 水域空間分布特征

圖6 未利用地空間分布特征

從圖8可以看出，耕地的特征空間尺度在1987年、2000年和2016年均為3 km，2011年為6 km；1987年在1～21 km，2000年在1～15 km，2011年在1～15 km，2016年在1～12 km的空間尺度上，耕地表現(xiàn)為聚集分布特征，隨著空間尺度的增加，開始表現(xiàn)出隨機(jī)分布特征；耕地聚集程度在1987—2000年呈現(xiàn)出減弱狀況，在2000—2011年又出現(xiàn)大幅增長情況，而在2016年，耕地聚集程度又出現(xiàn)回落趨勢。由于耕地是綠洲景觀的基質(zhì)，建設(shè)用地呈鑲嵌狀分布在綠洲中，城鄉(xiāng)建設(shè)用地的擴(kuò)張對耕地的占用使得耕地景觀在空間上呈現(xiàn)出破碎化特征，加之近年來甘州區(qū)積極推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)和土地整治工程建設(shè)，使耕地的集聚程度不斷增加，兩因素抑制抵消，呈現(xiàn)出耕地集聚特征的波動現(xiàn)象。

從圖9可以看出，建設(shè)用地的特征空間尺度各年份均在9 km處，空間尺度在1～63 km時(shí)，表現(xiàn)為聚集分布特征，隨著空間尺度的增加，建設(shè)用地開始表現(xiàn)出隨機(jī)分布特征。1987—2016年，建設(shè)用地的空間聚集程度逐漸降低，所占比例逐漸增大，這很好地體現(xiàn)了張掖市甘州區(qū)近30 a來的城鎮(zhèn)化進(jìn)程。

圖7 草地空間分布特征

圖8 耕地空間分布特征

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

張掖市地處我國西北內(nèi)陸的黑河流域中游地區(qū)，降水量低(年均降水量108.6 mm)，而且地表徑流的絕大多數(shù)水量來源于降水量(96%)，生態(tài)環(huán)境形勢嚴(yán)峻，生態(tài)較為脆弱[24]。隨著近年來河西地區(qū)人口增加和當(dāng)?shù)鼐用窕顒蛹觿?，張掖市甘州區(qū)綠洲區(qū)域的耕地和建設(shè)用地所占比例不斷增加，大量未利用地和草地被占用開發(fā)為耕地和建設(shè)用地(圖4)。林地在從原有地塊向周圍擴(kuò)展的過程中，其分布范圍擴(kuò)大，空間聚集性隨之減弱。當(dāng)?shù)鼐用癫粩嗉觿〉母鞣N活動在很大程度上增加了研究區(qū)水資源消耗量，而研究區(qū)深居歐亞大陸內(nèi)部，難以得到外界水資源補(bǔ)給，這使得區(qū)域水資源總量逐漸減少，故水域面積在研究區(qū)內(nèi)所占比例不斷下降，水域的空間聚集性增加。不斷擴(kuò)張的耕地和建設(shè)用地將會增加本區(qū)域耗水量，影響本區(qū)域景觀多樣性，進(jìn)而威脅到黑河流域內(nèi)160余萬人口的生存。控制耕地開墾規(guī)模、提高土地利用率，盡可能遏制生態(tài)環(huán)境退化勢在必行。

圖9 建設(shè)用地空間分布特征

原本連通的大片未利用地被擴(kuò)張的耕地切割為數(shù)個團(tuán)塊，使其分布范圍縮小，故未利用地的空間聚集性在上下波動中呈現(xiàn)出逐漸增強(qiáng)的趨勢。被占用的草地多被開發(fā)為耕地，同時(shí)靠近北山的草地也在逐步向北延伸，但其延伸速度遠(yuǎn)低于被開發(fā)為耕地速度，因此草地聚集程度總體增加。耕地在研究區(qū)域內(nèi)所占比例最高，連通性最好，1987—2000年，城鎮(zhèn)擴(kuò)展具有沿其邊界向外依次推進(jìn)擴(kuò)展的特點(diǎn)，一些處于連片耕地周圍的零散耕地塊被直接吞噬，這使其分布趨于均勻；2000年后，在一些遠(yuǎn)離原連片耕地的未利用地腹地區(qū)域開始出現(xiàn)一些小面積的、相距較近的耕地小斑塊分布，同時(shí)甘州城區(qū)開始加速外擴(kuò)、城區(qū)周圍一些破碎建設(shè)用地也有一定擴(kuò)張，占用了一些耕地，這使得耕地的空間聚集性轉(zhuǎn)而增強(qiáng)；2011年后，隨著原連片耕地的進(jìn)一步外擴(kuò)，2000年后開發(fā)的耕地小斑塊被中部連片耕地吞噬，形成整片耕地，因此耕地的空間聚集性又開始減小。隨著城鎮(zhèn)化的進(jìn)行，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積和斑塊數(shù)不斷增加，空間分布變得更為隨機(jī)，這使得建設(shè)用地的集聚程度逐步降低。

4.2 結(jié) 論

(1) 1987—2016年，張掖市甘州區(qū)綠洲區(qū)域耕地、建設(shè)用地和林地面積呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，水域、草地和未利用地面積呈現(xiàn)逐漸減少趨勢，水域和建設(shè)用地的空間集聚性比草地、未利用地、林地和耕地更強(qiáng)。

(2) 張掖市甘州區(qū)綠洲區(qū)域景觀要素在1987—2016年，均表現(xiàn)出一定的聚集特征，具有較低程度的空間正相關(guān)，且相關(guān)性逐年減弱，這說明研究區(qū)域景觀格局正在向隨機(jī)化發(fā)展，在2011年后景觀隨機(jī)化分布速度明顯加快，景觀空間異質(zhì)性增強(qiáng)。

(3) 張掖市甘州區(qū)綠洲區(qū)域草地和建設(shè)用地在較大尺度下呈現(xiàn)聚集的空間格局；林地、未利用地和耕地在小尺度下呈現(xiàn)出聚集的空間格局；水域在1987年和2000年在小尺度下呈現(xiàn)出聚集的空間格局，在2011年和2016年在較大尺度下也能夠呈現(xiàn)出聚集的空間格局。隨著研究尺度的增大，各用地類型的空間格局均轉(zhuǎn)為隨機(jī)分布。

(4) 張掖市甘州區(qū)綠洲區(qū)域大部分自然景觀(草地、水域、未利用地)的空間聚集性在1987—2016年均有不同程度的增強(qiáng)，其面積在研究區(qū)域內(nèi)所占比例不斷下降，而人工景觀(耕地、建設(shè)用地)的面積所占比例不斷上升，尤其是2000年之后人工景觀面積擴(kuò)張速度大大加快，這表明研究區(qū)域景觀類型趨向單一，人為活動對景觀格局變化造成了顯著影響。