朱增云，阿里木江·卡斯木，

1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054

2.新疆師范大學(xué)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城市化發(fā)展研究中心，烏魯木齊 830054

0 前言

土地利用變化是人類(lèi)與地球環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量交互作用的重要表現(xiàn)，不僅改變自然景觀的面貌，還影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能[1-2]。分析土地利用變化及景觀格局變化是多年來(lái)景觀生態(tài)學(xué)和地理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3]，已成為全球變化研究的前沿和長(zhǎng)期關(guān)注熱點(diǎn)課題[4-5]。選擇典型區(qū)域，建立各種預(yù)測(cè)模型，結(jié)合景觀格局來(lái)分析和揭示時(shí)空分布變化特征十分有必要。

近年來(lái)有許多模型用于土地利用變化過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，如元胞自動(dòng)機(jī)(CA 模型)[6-7]、Markov模型[8]、Clue模型[9]、SD 模型[10]、CLUE-S模型[11-12]和空間logistic[13]模型，可以與時(shí)空集成模型進(jìn)行結(jié)合從而對(duì)土地利用變化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析。其中結(jié)合了Markov鏈的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)與CA模型模擬復(fù)雜系統(tǒng)空間變化優(yōu)點(diǎn)的CA-Markov模型(時(shí)空—馬爾科夫鏈)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。在國(guó)外，Hana等[14]利用CA-Markov模型在伊朗南部沿海地區(qū)模擬預(yù)測(cè)紅樹(shù)林變化，分析紅樹(shù)林變化原因從而制定治理措施；Tong[15]結(jié)合CA-Markov和HSPE模型在不同氣候變化下模擬實(shí)現(xiàn)流域尺度上的土地利用變化情景對(duì)水資源的影響。在國(guó)內(nèi)，有些學(xué)者利用 CAMarkov模型結(jié)合區(qū)域景觀格局分析對(duì)其動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面都取得了良好的效果，如:李興鋼[16]在遼河三角洲對(duì)該地 3期遙感影像進(jìn)行分類(lèi)、解譯，系統(tǒng)地獲取景觀格局狀況和動(dòng)態(tài)變化特征，并運(yùn)用CA-Markov模型對(duì)未來(lái)濕地景觀格局進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，程剛等[17]運(yùn)用8個(gè)景觀格局指數(shù)和CA-Markov模型分析了山東省三川流域 1990—2010年景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)移特點(diǎn)，同時(shí)預(yù)測(cè)2020年的景觀格局動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，李小龍[18]和何寶忠[19]利用 CA-Markov模型對(duì)新疆昌吉市和吐魯番地區(qū)模擬預(yù)測(cè)土地覆被變化情況及土地利用格局變化?，F(xiàn)有大多研究注重利用土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)量預(yù)測(cè)及空間分布格局模擬，并未深入從景觀生態(tài)學(xué)角度對(duì)土地利用變化特征、景觀格局指數(shù)及CA-Markov模型三方面進(jìn)行對(duì)干旱區(qū)綠洲景觀格局演變及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行相關(guān)研究。

呼圖壁縣作為天山北坡經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)域，具有得天獨(dú)厚的農(nóng)業(yè)資源優(yōu)勢(shì)、區(qū)位優(yōu)勢(shì)。但隨著該區(qū)域的大力發(fā)展區(qū)域特色農(nóng)業(yè)及林果業(yè)，對(duì)本就生態(tài)環(huán)境脆弱的區(qū)域造成嚴(yán)重的影響，因此探究和解決該地區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題刻不容緩。以三期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究全縣土地利用現(xiàn)狀及變化情況，并結(jié)合景觀指數(shù)分析對(duì) 2002—2016年土地利用景觀格局的時(shí)空變化特征，運(yùn)用 CA-Markov模型預(yù)測(cè)2023年土地利用景觀格局的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征及發(fā)展趨勢(shì)。不僅能為西北內(nèi)陸干旱區(qū)模擬預(yù)測(cè)出景觀格局的動(dòng)態(tài)變化特征，加強(qiáng)保護(hù)該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)為生態(tài)環(huán)境保護(hù)奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

呼圖壁縣屬于新疆昌吉回族自治州，位于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶和絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶上，是“烏昌核心經(jīng)濟(jì)圈”的重要組成部分，作為全國(guó)棉花生產(chǎn)強(qiáng)縣，國(guó)家優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，是新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)縣城。地勢(shì)海拔高度差異較大，南高北低，自東南向西北傾斜。南部天山山區(qū)主要為高山和丘陵；中部是沖積平原為主要的農(nóng)作物種植區(qū)，占總面積 43.2%；北部主要分布為古爾班通古特沙漠和戈壁。

圖1 研究區(qū)地理位置Figure 1 Geographical location of the study area

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選取2002年8月、2009 年9月Landsat-7 ETM和 2016年9月Landsat-8 OLI遙感影像，空間分辨率均為30 m×30 m，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，在 ENVI軟件的支持下，對(duì)2009年遙感影像進(jìn)行條帶修復(fù)，將3期遙感影像進(jìn)行波段融合、圖像拼接、裁剪等預(yù)處理，基于監(jiān)督分類(lèi)(最大似然分類(lèi)法)與目視解譯相結(jié)合的方法，配合并借助Google earth軟件和研究區(qū)的基本土地利用狀況進(jìn)行對(duì)比輔助糾正，將土地利用變化類(lèi)型劃分為6類(lèi):耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地，獲得3期的土地利用圖(圖2)，經(jīng)精度驗(yàn)證2002年分類(lèi)的總精度為93.8(Kappa系數(shù)為89.3)，2009年分類(lèi)的總精度為94.6(Kappa系數(shù)為88.6)，2016年分類(lèi)的總精度為93.8，Kappa系數(shù)為86.3，滿(mǎn)足研究的要求。

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)選取5個(gè)空間變量:離城鎮(zhèn)點(diǎn)中心的距離、離道路距離(鐵路、公路、高速公路)、離水域距離；2 個(gè)自然屬性變量:坡度和DEM高程(1:30萬(wàn))等矢量數(shù)據(jù)；為方便研究，在ArcGIS中將以上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一投影、坐標(biāo)系和分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 CA-Markov模型

(1)Markov模型是一種隨機(jī)模型，主要用于土地利用變化空間格局預(yù)測(cè)的常用模型，在馬爾科夫過(guò)程中，根據(jù)事件的目前狀況預(yù)測(cè)其將來(lái)各個(gè)時(shí)刻變動(dòng)狀況的預(yù)測(cè)方法，其本質(zhì)是對(duì)事件發(fā)生概率的預(yù)測(cè)[20-21]。該模型主要依據(jù)初始時(shí)期到另一個(gè)不同時(shí)期的狀態(tài)間轉(zhuǎn)移概率與矩陣，以此為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)將來(lái)某時(shí)刻的土地利用變化趨勢(shì)?？捎萌缦鹿?

式中:St，St+1 為 t，t+1 時(shí)刻土地利用系統(tǒng)的狀態(tài)；Pij為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

(2)CA 具有強(qiáng)大的空間運(yùn)算能力，具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空演化過(guò)程的能力。可用下式表示為:

式中:S為元胞有限、離散的狀態(tài)集合；n為元胞的鄰域；t，t+1為不同的時(shí)刻；f為局部空間的元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則。

CA-Markov 模型綜合了CA模型模擬復(fù)雜系統(tǒng)空間變化的能力與 Markov模型定量長(zhǎng)時(shí)間序列預(yù)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，在Markov基礎(chǔ)上加入空間權(quán)重因子，既可以從數(shù)量上，還可以有效從時(shí)間上模擬土地利用格局的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，因此使用 CA-Markov 模型能更加準(zhǔn)確地從時(shí)間和空間上模擬景觀類(lèi)型的變化情況。本文以2002年、2009及2016年各景觀類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)化面積作為馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣元素；根據(jù)多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)模型選取高程、坡度、離道路距離、離水域距離作為驅(qū)動(dòng)因子，并根據(jù)不同的地類(lèi)轉(zhuǎn)換特點(diǎn)選取限制性因子，從而得到景觀類(lèi)型空間分布概率適宜性圖集。

2.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

能夠反映土地利用空間動(dòng)態(tài)變化強(qiáng)度與轉(zhuǎn)移類(lèi)型，在不同的空間尺度上容易識(shí)別土地利用變化的熱點(diǎn)地區(qū)，這對(duì)于比較土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測(cè)土地利用變化趨勢(shì)具有重要意義[22]。單一土地利用動(dòng)態(tài)度用來(lái)表示研究區(qū)某一景觀類(lèi)型在一定時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)量變化。公式是:

式中:Rs是指某一土地利用類(lèi)型在研究期間的變化率，Ua和Ub表示研究初期和后期某一土地利用類(lèi)型的面積，T表示研究期的長(zhǎng)度。當(dāng)T設(shè)定為年時(shí)，Rs則表示是研究區(qū)某一土地利用類(lèi)型的年變化率。如果Rs值為負(fù)值，則表明土地利用類(lèi)型呈下降趨勢(shì)。

2.2.3 景觀格局指數(shù)的選取

景觀格局指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局和景觀動(dòng)態(tài)變化過(guò)程信息，是景觀生態(tài)學(xué)最常用的定量化研究方法[23]。本研究側(cè)重于研究區(qū)不同景觀斑塊類(lèi)型與整體格局兩個(gè)角度進(jìn)行特征分析，因此選擇斑塊類(lèi)型水平與景觀水平的景觀格局指數(shù)分析探討，并利用Fragstats軟件計(jì)算與定量分析。在斑塊類(lèi)型水平上選取7個(gè)景觀格局指數(shù)，分別是斑塊數(shù)(NP)、優(yōu)勢(shì)度(PLAND)、聚合度(AI)、最大斑塊面積(LPI)、蔓延度(CONTAG)、凝聚度(COHESION)、景觀形狀指數(shù)(LSI)等指標(biāo)。在景觀水平上，選取 8個(gè)景觀格局指數(shù)，斑塊數(shù)(NP)，最大斑塊面積(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、聚合度(COHESION)、景觀分離度(DIVISION)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHD)、蔓延度(CONTAG)、香農(nóng)均勻度(SHEI)等指標(biāo)(表1)。

表1 研究中應(yīng)用的景觀指數(shù)及其生態(tài)學(xué)意義Table 1 Landscape indices used in study and their ecological significance

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)景觀構(gòu)成與變化分析

3.1.1 研究區(qū)景觀類(lèi)型面積變化特征

研究區(qū)近 21年景觀類(lèi)型面積與土地利用結(jié)構(gòu)變化較大(圖2和表2)，2002年草地與未利用地面積分別為4099.62、2771.72 km2，面積之和占景觀面積的 72.28%，在其他景觀類(lèi)型中面積比例最大，為研究區(qū)優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型。2016年草地與未利用地面積分別為 3936.74、2732.19 km2，共比 2002年減少202.44 km2，面積之和占景觀面積的70.15%。經(jīng)過(guò)CA-Markov模型的模擬預(yù)測(cè) 2023年景觀格局的分布，相比較其他年份草地與未利用地變化較為明顯，共減少了 311.71 km2，面積之和占景觀面積的69.69%，依舊為優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型，但作為景觀基質(zhì)的優(yōu)勢(shì)呈下降態(tài)勢(shì)。

2002—2016年間，耕地比例出現(xiàn)增加趨勢(shì)，耕地面積凈增加 193.43 km2，比例上升到 17.43%，其增加的大部分面積來(lái)源于林草地。受坡度、溫度的影響，灌溉區(qū)內(nèi)部開(kāi)墾條件較好的林草地被轉(zhuǎn)移為新增耕地。隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)及人口數(shù)量增長(zhǎng)等一系列因素，研究區(qū)不斷增加對(duì)建設(shè)用地的需求，最直觀的變化就是建設(shè)用地不斷向外擴(kuò)張，表現(xiàn)為一定自然景觀向人為景觀轉(zhuǎn)變。建設(shè)用地面積凈增加16.55 km2，比例上升到 0.18%，相比較于 2016 年，預(yù)測(cè)2023年建設(shè)用地比例將上升到1.47%；與此同時(shí)其他景觀類(lèi)型總體呈減少趨勢(shì)，其中水域和林地面積都有不同程度的減少，由于渠系襯砌、過(guò)度開(kāi)采地下水等導(dǎo)致人工林和天然林枯死造成林地與水域面積不斷縮小，變化率為 7.76%和 10.39%；耕地面積變化不大，只有 0.47%的變化率；未利用地有所減少，變化率為2.61%、16.32%。充分反映出呼圖壁縣隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展技術(shù)不斷更新改善，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度不斷提高，對(duì)耕地進(jìn)行大規(guī)模優(yōu)質(zhì)棉基地建設(shè)、中低產(chǎn)田改造等生態(tài)農(nóng)業(yè)管理政策的良性實(shí)施，與打造生態(tài)綠化工程建設(shè)對(duì)林草地實(shí)施生態(tài)化保護(hù)，使得研究區(qū)域內(nèi)景觀格局不斷得到優(yōu)化。

圖2 呼圖壁縣土地利用圖Figure 2 Land use maps of Hutubi County

表2 呼圖壁縣不同時(shí)期土地利用類(lèi)型面積Table 2 Land use types in different periods in Hutubi County

3.1.2 景觀類(lèi)型動(dòng)態(tài)度分析

通過(guò)3個(gè)不同時(shí)期的土地利用動(dòng)態(tài)度分析可知(圖3)，各景觀類(lèi)型動(dòng)態(tài)度變化的大小依次為建設(shè)用地＞耕地＞未利用地＞水域＞林地＞草地。在 2002—2009年期間各景觀類(lèi)型間的動(dòng)態(tài)變化率和幅度差異較為明顯，其中變化率最大的是建設(shè)用地和耕地，以1.95%和 0.96%的速率增加，未利用地次之為 0.19%，而其他景觀類(lèi)型變化率為0.035%、0.56%、0.21%的速率減少。在 2009—2016年時(shí)間段內(nèi)，雖然耕地與建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度降低，但面積幅度持續(xù)增加；其他景觀類(lèi)型的動(dòng)態(tài)變化率有所減緩，表現(xiàn)出減少趨勢(shì)，主要原因該區(qū)域全面推行綠洲外圍地區(qū)建立防風(fēng)固沙林、水土保持林、生態(tài)保育政策和保護(hù)山區(qū)天然草場(chǎng)資源及天然林保護(hù)工程等措施實(shí)施。

圖3 不同時(shí)期土地利用動(dòng)態(tài)度Figure 3 Dynamics of land use types in different periods

整體來(lái)說(shuō)，2016—2023年間，總體上區(qū)域內(nèi)耕地面積呈持續(xù)增加趨勢(shì)，是區(qū)域主要的變化特征，主要沿呼圖壁流域周?chē)鷶U(kuò)展，變化速率達(dá)2.05%。其他景觀類(lèi)型動(dòng)態(tài)變化率逐漸下降，其中未利用地大多為荒漠地帶，空間分布較為集中，整體變化小。建設(shè)用地顯著增加，在原有建設(shè)用地周?chē)鈹U(kuò)展，增長(zhǎng)的速度迅猛，土地利用變化程度最為劇烈，由于隨著城鎮(zhèn)化不斷地快速發(fā)展，建設(shè)用地不斷侵占周邊的林草地及未利用地面積。

3.1.3 景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)移特征分析

為直觀了解每一種景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)化為其他景觀類(lèi)型的面積情況，本文采用 Markov模型得到 2002—2023年期間各個(gè)景觀類(lèi)型相互之間的轉(zhuǎn)移概率矩陣進(jìn)而全面分析。由表3可知，研究期間，耕地、林草地和未利用地的相互轉(zhuǎn)化情況較為明顯。各個(gè)年份耕地面積的增加主要是由未利用地和林草地的大量轉(zhuǎn)入，受設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展政策影響，適合種植特色林果業(yè)的區(qū)域被有計(jì)劃地轉(zhuǎn)換為林地，使得林地面積增加，導(dǎo)致耕地與林地之間的相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入部分大于轉(zhuǎn)出，面積呈逐年增加趨勢(shì)，使得區(qū)域內(nèi)的耕地和林地的景觀布局比例得到調(diào)整和優(yōu)化。

2009—2016年，由于南部以高山丘陵為主，受山區(qū)地形和溫度等因素影響，林草地在交界地帶呈現(xiàn)交替轉(zhuǎn)化狀態(tài)。由于該區(qū)域發(fā)展畜牧業(yè)，需大量種植優(yōu)質(zhì)飼牧草料，部分耕地轉(zhuǎn)化為草地，其次是未利用地及水域轉(zhuǎn)為草地，由此看出，該區(qū)域積極牢固樹(shù)立生態(tài)立區(qū)理念，開(kāi)展全民義務(wù)植樹(shù)活動(dòng)，不斷完善綠洲、荒漠、河谷、山區(qū)相互依存的林草地生態(tài)防護(hù)體系，使區(qū)域生態(tài)面貌和人居環(huán)境得到很大的改善，草地面積不斷增加。建設(shè)用地面積的增加主要是由耕地和草地的轉(zhuǎn)入，隨著區(qū)域人口不斷增長(zhǎng)，一定程度上需要更多的居住用地，使得周邊耕地與草地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，未利用面積呈現(xiàn)略漲趨勢(shì)，原因是開(kāi)墾新增耕地面積不斷增加，使農(nóng)業(yè)用水量逐漸加大，開(kāi)始新一輪挖井，過(guò)量開(kāi)采地下水，導(dǎo)致地下水位急劇下降，給原本缺水的灌溉農(nóng)業(yè)造成了新的壓力，景觀類(lèi)型及生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變。2016—2023年，研究區(qū)景觀類(lèi)型變化更加明顯，空間分布更為廣泛，發(fā)生轉(zhuǎn)移較強(qiáng)烈為耕地和建設(shè)用地，林草地轉(zhuǎn)入耕地、部分耕地轉(zhuǎn)入建設(shè)用地，總的來(lái)說(shuō)面積呈減少趨勢(shì)，水域則變化不明顯。伴隨國(guó)家大力倡導(dǎo)加快改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、科技化，使得部分耕地需集中成片，以便機(jī)械化操作，促使戈壁瘠薄地，產(chǎn)量效益低下的林果樹(shù)逐漸被經(jīng)濟(jì)效益較好的耕地取代，導(dǎo)致耕地的結(jié)構(gòu)和布局發(fā)生顯著變化。由于研究區(qū)特色林果業(yè)和畜牧業(yè)快速發(fā)展，使中部偏北和主城區(qū)的部分耕地與林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。

表3 2009—2016年呼圖壁縣土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣Table 3 Probability matrix of land use transfer in Hutubi County form 2009 to 2023(unit：%)

3.2 景觀格局特征演變分析

3.2.1 景觀類(lèi)型水平變化特征分析

提取呼圖壁縣不同土地利用類(lèi)型的景觀格局指數(shù)，充分研究各景觀梯度的演變規(guī)律，全面分析區(qū)域內(nèi)總體的各景觀指數(shù)及景觀格局特征。由圖4可見(jiàn)，耕地在研究期間景觀構(gòu)成出現(xiàn)較大的變化，各景觀指數(shù)呈現(xiàn)不同程度的上漲趨勢(shì)，斑塊數(shù)由 2002年的242增加到2016年的330，最大斑塊指數(shù)和景觀形狀指數(shù)保持增加狀態(tài)，由 2002年的 8.16%、26.73%增加到 9.25%、30.03%，說(shuō)明斑塊結(jié)合度指數(shù)及優(yōu)勢(shì)度越來(lái)越表現(xiàn)為緊實(shí)形態(tài)，一定程度上反映斑塊內(nèi)聚度越高，散布與并列指數(shù)及聚集度下降，說(shuō)明其形狀復(fù)雜程度降低，同一類(lèi)型斑塊逐漸相離。預(yù)測(cè)2023年耕地斑塊數(shù)呈大幅度降低，最大斑塊占景觀面積指數(shù)增加，景觀形狀指數(shù)降低，表明研究區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植趨于利用大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)。散布與并列指數(shù)降低，說(shuō)明耕地之間的相互臨近性降低，與區(qū)域內(nèi)其他景觀之間的關(guān)系變得簡(jiǎn)單，連通性降低，主要是由于土地整理和農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營(yíng)使耕地分布更具規(guī)律性引起。

林地、草地的各景觀指數(shù)變化具有一定的相似性，斑塊數(shù)由2002年的216、137增加到2016年的231、317，最大斑塊指數(shù)和景觀形狀指數(shù)呈持續(xù)增加趨勢(shì)，其中斑塊結(jié)合度指數(shù)及優(yōu)勢(shì)度由前期緩慢增強(qiáng)，后期有所減弱，表明林地、草地在研究區(qū)域景觀中所占的比例有所降低，反映了在城鎮(zhèn)化過(guò)程中，受到人為干擾程度的加大，散布與并列指數(shù)上升及聚集度下降，說(shuō)明斑塊形狀復(fù)雜程度加強(qiáng)，分布情況趨于均衡分布的空間結(jié)構(gòu)。預(yù)測(cè)2023年林草地斑塊數(shù)量逐漸減少，其他景觀指數(shù)同樣也在減少，這充分說(shuō)明分布格局逐漸從高度聚集開(kāi)始到分散經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變分布，趨于發(fā)揮其穩(wěn)定的生態(tài)功能的合理布局。

水域斑塊數(shù)由2002年的98逐漸增加到2016年的 117，最大斑塊指數(shù)和景觀形狀指數(shù)緩慢增加狀態(tài)，由2002年的30.13%、19.32%增加到30.15%、19.66%，說(shuō)明斑塊結(jié)合度及優(yōu)勢(shì)度表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，一定程度上反應(yīng)受人類(lèi)生產(chǎn)生活動(dòng)影響，受干擾程度在不斷增強(qiáng)，散布與并列指數(shù)及聚集度有所下降，說(shuō)明其形狀較為規(guī)則，集中程度有所降低。預(yù)測(cè)2023年水域各景觀指數(shù)有所減少，是因?yàn)槿h范圍內(nèi)的大部分水體景觀受人類(lèi)活動(dòng)的影響較大，比如修建水庫(kù)、人造湖等，受人為控制，因此破碎化程度也偏低。

建設(shè)用地的斑塊數(shù)由2002年的196增加到2016年的 204，一定程度上反映了人類(lèi)對(duì)城市化活動(dòng)的加強(qiáng)，最大斑塊指數(shù)有所上升，景觀形狀指數(shù)保持下降狀態(tài)，說(shuō)明斑塊結(jié)合度指數(shù)及優(yōu)勢(shì)度越來(lái)越表現(xiàn)為緊實(shí)形態(tài)，一定程度上反應(yīng)建設(shè)用地在城市景觀的優(yōu)勢(shì)度增強(qiáng)；其他景觀形狀指數(shù)、聚集度和結(jié)合度等指數(shù)也在不同程度的增加，使建設(shè)用地的邊界越來(lái)越復(fù)雜，斑塊聚合度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明集中化趨勢(shì)明顯，散布與并列指數(shù)及聚集度下降，說(shuō)明其形狀復(fù)雜程度降低，分布情況變得集中，表明研究區(qū)建設(shè)用地規(guī)模向四周擴(kuò)張，建設(shè)用地斑塊逐漸開(kāi)始集中分布。從預(yù)測(cè)來(lái)看，建設(shè)用地面積擴(kuò)大到205.75 km2，但斑塊數(shù)卻減少，最大斑塊占景觀面積比例增加，斑塊所占景觀面積比例增加，其他指數(shù)分別降低，表明建設(shè)用地之間的景觀孔隙度降低，景觀破碎化及臨近性降低，與其他景觀之間的關(guān)系變得簡(jiǎn)單，連通性降低，這與建設(shè)用地的特有分布規(guī)律性有密切關(guān)系。

未利用地的斑塊數(shù)由2002年的48增加到2016年的107，最大斑塊指數(shù)緩慢下降，景觀形狀指數(shù)保持增加狀態(tài)，說(shuō)明一定程度上受到其他景觀類(lèi)型的侵占，破碎化程度不斷減弱，斑塊結(jié)合度及優(yōu)勢(shì)度表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，表明受干擾程度在不斷增強(qiáng)，散布與并列指數(shù)及聚集度有所下降，說(shuō)明其形狀較為規(guī)則，集中程度有所降低。預(yù)測(cè)未利用地各景觀指數(shù)的下降，直接反應(yīng)該區(qū)域?qū)ν恋亻_(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度的加強(qiáng)與城鎮(zhèn)發(fā)展加快的結(jié)果，散布與并列指數(shù)降低，反映了未利用地之間的臨近性降低。

圖4 2002—2023年呼圖壁縣各景觀類(lèi)型景觀格局指數(shù)變化比較Figure 4 Comparison of landscape pattern indices change of each landscape type in Hutubi County form 2002 to 2023

3.2.2 景觀水平上的變化特征分析

由表4可知，呼圖壁縣的斑塊數(shù)、景觀形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)逐年增大，景觀分裂指數(shù)也不斷提高，表明2002—2016年的14年間，呼圖壁縣不同土地利用類(lèi)型所占的比例有所下降，整個(gè)景觀內(nèi)斑塊的破碎度逐漸升高，形狀越不規(guī)則，復(fù)雜程度明顯增強(qiáng)，趨于離散。香農(nóng)均勻度在前 7年變化范圍很小且略有增加，后14年指數(shù)值明顯減少，主要在于研究區(qū)的各生態(tài)景觀類(lèi)型逐漸形成較好的連接性，景觀空間結(jié)構(gòu)不斷向多樣化及均勻化方向分布發(fā)展。最大斑塊指數(shù)、蔓延度指數(shù)及散布與并列指數(shù)則呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明景觀中的優(yōu)勢(shì)種、內(nèi)部中的豐富度下降，原因主要在于林草地、耕地等植被景觀受制于水域的分布，相較2016年，2023年呼圖壁縣斑塊數(shù)不斷減少，最大斑塊指數(shù)及景觀形狀指數(shù)隨之降低，反映了后期景觀中破碎度有所下降。斑塊形狀越規(guī)則，散布與并列指數(shù)、蔓延度、香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)增加，主要原因在于人類(lèi)活動(dòng)干擾下景觀斑塊形狀復(fù)雜程度略有上升。研究區(qū)各景觀格局水平指數(shù)變化集中反映了城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速導(dǎo)致建設(shè)用地不斷侵占與蠶食耕地和草地等其他景觀用地，使其景觀異質(zhì)程度增大，區(qū)域內(nèi)景觀破碎化程度增加，形狀趨于復(fù)雜，斑塊越來(lái)越趨向于離散分布，景觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性增加，自我調(diào)節(jié)能力不斷減弱，反映出呼圖壁縣作為典型干旱區(qū)景觀格局演變的復(fù)雜性和多變性。在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中應(yīng)使景觀格局趨于穩(wěn)定化和均勻化方向，需要更加合理地控制和規(guī)劃。

表4 2002—2023呼圖壁縣景觀水平上景觀格局指數(shù)Table 4 Landscape pattern indices based on class level in Hutubi County form 2002 to 2023

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文以呼圖壁縣為研究區(qū)，結(jié)合 GIS空間分析方法及景觀生態(tài)學(xué)相關(guān)理論對(duì) 2002—2023年研究區(qū)景觀格局進(jìn)行了定量的分析，在斑塊水平和景觀水平上揭示了呼圖壁景觀格局的特征與演變規(guī)律，定量刻畫(huà)各景觀類(lèi)型空間上轉(zhuǎn)化的特征及其變化進(jìn)行研究。結(jié)論如下:

(1)從 2002—2023年各景觀類(lèi)型的結(jié)構(gòu)變化來(lái)看，盡管呼圖壁縣的草地與未利用地面積不斷縮減，但二者一直是優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型。各景觀類(lèi)型面積比例的變化較明顯，耕地比例出現(xiàn)增加趨勢(shì)，隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)及人口數(shù)量增長(zhǎng)等因素的影響，建設(shè)用地呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，表現(xiàn)出自然景觀向人為景觀轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

(2)從動(dòng)態(tài)變化度和轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)看，各景觀類(lèi)型動(dòng)態(tài)度變化的大小依次為建設(shè)用地＞ 耕地＞未利用地＞水域＞林地＞草地，變化率最大的是建設(shè)用地和耕地，以1.95%和0.96%的速率增加。其他景觀類(lèi)型以持續(xù)減少為特點(diǎn)，耕地面積的增加主要因?yàn)槲蠢玫睾土植莸氐拇罅哭D(zhuǎn)入，隨著研究區(qū)不斷快速發(fā)展，建設(shè)用地不斷侵占周邊的林草地及未利用地面積。

(3)從景觀類(lèi)型水平上看，耕地斑塊結(jié)合度及優(yōu)勢(shì)度表現(xiàn)為緊實(shí)形態(tài)，一定程度上反應(yīng)聚集度高，未利用地則相反；建設(shè)用地其景觀的優(yōu)勢(shì)度增強(qiáng)，邊界越來(lái)越復(fù)雜、聚集度和結(jié)合度等指數(shù)在增加；林草地及水域具有一定的相似性，其所占比列降低，對(duì)應(yīng)在城鎮(zhèn)化過(guò)程中，表現(xiàn)為受人為干擾程度的加大。從景觀水平上看，景觀破碎度逐漸升高，復(fù)雜程度明顯增強(qiáng)，斑塊越來(lái)越趨向于離散分布，景觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性增加，自我調(diào)節(jié)能力不斷減弱，反映出呼圖壁縣作為典型干旱區(qū)景觀格局演變的復(fù)雜性和多變性。

4.2 討論

本文通過(guò)CA-Markov模型與景觀指數(shù)的結(jié)合可更好推進(jìn)呼圖壁縣實(shí)施打造綠色生態(tài)城，為該區(qū)合理配置土地資源，提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。對(duì)干旱區(qū)綠洲區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展研究具有借鑒意義，但本研究仍存在問(wèn)題，山地與沙漠綠洲組合地帶的景觀組分、景觀多樣性豐富，景觀格局特征用香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)指數(shù)更好地衡量，但選擇某些景觀指標(biāo)更加有效表示景觀格局特征，還需要在未來(lái)探究中進(jìn)一步深化與努力。由于CA模型轉(zhuǎn)換規(guī)則復(fù)雜程度高，應(yīng)綜合考量自然和人為因素對(duì)于土地利用變化模擬產(chǎn)生的影響，但本文在研究過(guò)程中僅利用基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和高程、坡度、交通道路信息，對(duì)人文因素并未涉及，由于人文因素具有不確定性和可變性，且不容易被定量化和進(jìn)行空間分配。接下來(lái)將自然和人文因素綜合考量進(jìn)行系統(tǒng)分析和探討，是今后要考慮的方向之一。