常學(xué)禮,季樹(shù)新,喬榮榮,白雪蓮,王理想

魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,煙臺(tái) 264025

綠洲-荒漠過(guò)渡帶是由綠洲和多種相鄰生態(tài)系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)形成的與原生生態(tài)系統(tǒng)在群落外貌、物種組成以及生態(tài)功能等諸方面差異明顯的區(qū)域。其在規(guī)模上介于狹義過(guò)渡帶(交錯(cuò)群落)和廣義過(guò)渡帶(農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū))之間,是綠洲生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和區(qū)域生物多樣性保護(hù)研究中重點(diǎn)關(guān)注焦點(diǎn)之一[1-2]。近些年來(lái),隨著人類活動(dòng)加劇導(dǎo)致的綠洲擴(kuò)張,使綠洲-荒漠過(guò)渡帶在格局、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力等方面發(fā)生了明顯變化[3-5],因此以綠洲-荒漠過(guò)渡帶為研究對(duì)象從植被空間異質(zhì)性、生產(chǎn)力以及景觀格局變化等方面進(jìn)行了卓有成效的研究[6-8]。這些研究解釋了綠洲-荒漠過(guò)渡帶概念、性質(zhì)并強(qiáng)調(diào)了過(guò)渡帶在生態(tài)學(xué)研究中特有的敏感性和區(qū)域特色[3],指出了植被和地形地貌對(duì)過(guò)渡帶結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制[5]。特別是在植物多樣性尺度效應(yīng)研究中,指出了過(guò)渡帶植物多樣性隨空間尺度增加而依賴性減弱,當(dāng)樣地面積為100 m2時(shí),為種多樣性-面積曲線的拐點(diǎn)[9]。在過(guò)渡帶植被與土壤水分關(guān)系研究中,揭示了植被蓋度與0—20 cm和20—40 cm兩層土壤含水量顯著負(fù)相關(guān),與120—140 cm和140—160 cm兩層土壤濕度顯著正相關(guān)[10]。在過(guò)渡帶景觀研究中,解釋了梭梭林和耕地面積變化是影響景觀變化主導(dǎo)因素,如民勤綠洲案例研究表明,1960—2005年綠洲-荒漠過(guò)渡帶向外圍擴(kuò)張了2—3 km[8]。此外,策勒綠洲研究明確指出,從綠洲邊界到過(guò)渡帶外緣NDVI呈減少趨勢(shì),依據(jù)變化趨勢(shì)可將過(guò)渡帶可分為單向漸變型、雙向漸變型和突變型過(guò)渡帶三種類型[4]。從過(guò)渡帶寬度研究來(lái)看,其內(nèi)緣邊界以人類活動(dòng)強(qiáng)烈干擾的農(nóng)田、林地(防護(hù)林與片林)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),是研究中容易識(shí)別且爭(zhēng)議極少的界線,而外緣邊界位置(寬度)在不同尺度和地域研究中存在差異[4,8,11-12]?？偟膩?lái)看,綠洲-荒漠過(guò)渡帶研究既涉及到了過(guò)渡帶優(yōu)勢(shì)植物群落空間格局與土壤性質(zhì)演化以及土地覆蓋類型變化對(duì)蒸散的影響[13-17],也結(jié)合了植被格局分析中的灌叢“肥島”效應(yīng)和降水截留特征等生態(tài)學(xué)主要研究?jī)?nèi)容[18-19]。

需要強(qiáng)調(diào)地是在涉及綠洲-荒漠過(guò)渡帶生態(tài)與環(huán)境變化研究方面[2-5,8,10],過(guò)渡帶內(nèi)的植被、土壤和微氣候特點(diǎn)等要素存在變化梯度的事實(shí)被明確指出[4-5],但過(guò)渡帶寬度與確定方法以及過(guò)渡帶類型對(duì)寬度影響等定量化研究尚未完善。從相鄰學(xué)科類似研究來(lái)看,“景觀邊界厚度”與“綠洲-荒漠過(guò)渡帶寬度”在概念上具有異曲同工之處。特別是景觀邊界概念不僅開(kāi)始關(guān)注“邊界厚度”,同時(shí)對(duì)邊界空間格局(直線、鋸齒和破碎等)做了分類[20],指出了邊界類型變化在景觀研究中的特殊意義[21-22]。從這個(gè)角度來(lái)看,對(duì)綠洲-荒漠過(guò)渡帶寬度進(jìn)行研究,在方法論上對(duì)景觀格局分析也具有借鑒意義。此外,從研究手段可行性來(lái)看,基于遙感數(shù)據(jù)研究明確指出,利用地表反射光譜特征獲取的NDVI(歸一化植被指數(shù),Normalized Difference Vegetation Index)、溫度植被干旱指數(shù)(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI)、條件植被溫度指數(shù)(Vegetation Temperature Condition Index,VTCI)等可以捕捉到不同生態(tài)系統(tǒng)之間和同一生態(tài)系統(tǒng)之內(nèi)植被生產(chǎn)力水平梯度差異[23-25],為綠洲-荒漠過(guò)渡帶寬度識(shí)別提供了條件保障。

因此,本文選擇張掖綠洲北部典型區(qū)為研究對(duì)象,該區(qū)包括了綠洲與石質(zhì)裸山、礫質(zhì)荒漠、沙質(zhì)荒漠和人工固沙區(qū)等具有代表性景觀的鑲嵌格局。擬解決的科學(xué)問(wèn)題是綠洲外緣NDVI變化趨勢(shì)特征以及由此識(shí)別出不同類型過(guò)渡帶寬度。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)

研究區(qū)選擇在河西走廊黑河流域中游的張掖市臨澤縣平川鎮(zhèn)綠洲-荒漠交錯(cuò)區(qū),該區(qū)綠洲邊緣擴(kuò)張?jiān)谖覈?guó)綠洲區(qū)具有典型性[6-7,15]。該區(qū)多年平均降水量為117 mm,其中7—9月占65%；多年平均蒸發(fā)量為2390 mm,平均氣溫為7.6℃,最高氣溫39.1℃,最低氣溫-27.3℃。研究區(qū)范圍內(nèi)綠洲生態(tài)系統(tǒng)分別與沙質(zhì)荒漠(沙漠)、人工固沙區(qū)(流沙治理區(qū))、礫質(zhì)荒漠和石質(zhì)裸山等4種類型相鄰(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 研究方法

1.2.1遙感數(shù)據(jù)與解譯

遙感數(shù)據(jù)采用2015年8月28日OLI _TIRS影像產(chǎn)品(軌道號(hào)133—33,紅和近紅波段分辨率30 m,熱紅外波段為100 m),研究區(qū)云量為0。在解譯前利用ENVI5.5軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何/正射校正,輻射定標(biāo),FLAASH大氣校正和研究區(qū)影像裁剪。然后,采用面向?qū)ο蟊O(jiān)督分類把綠洲等5種類型解譯出來(lái),隨后在ArcGIS環(huán)境中用dissolve命令對(duì)5種類型中的“噪音”斑塊進(jìn)行融合(圖2)。

1.2.2過(guò)渡帶類型劃分與樣區(qū)設(shè)置

從圖1、2可以看出,綠洲主體分別與石質(zhì)裸山等四種生態(tài)系統(tǒng)相鄰。針對(duì)這種現(xiàn)狀將過(guò)度帶劃分為4種類型(表1)。同時(shí),為了保證影響因素的一致性,在相對(duì)集中區(qū)域設(shè)置了4種過(guò)渡帶樣區(qū),取樣面積為2000 m×2500 m(圖2)。

圖2 綠洲范圍與過(guò)渡帶樣區(qū)位置(A: 石質(zhì)裸山；B: 礫質(zhì)荒漠；C: 人工固沙區(qū)；D: 沙質(zhì)荒漠)

表1 不同過(guò)渡帶類型描述

1.2.3過(guò)渡帶范圍識(shí)別

在遙感技術(shù)應(yīng)用中,用Landsat數(shù)據(jù)(30 m)獲取植物種組成、群落類型等信息不可行,只能采用相對(duì)成熟的NDVI(代表植被生產(chǎn)力)分析綠洲植被生產(chǎn)力空間梯度變化[26],因?yàn)榧词褂肕ODIS NDVI數(shù)據(jù)(250 m)研究植被生產(chǎn)力格局亦可獲得滿意的結(jié)果[27]。

具體流程：首先對(duì)圖1用buffer命令正負(fù)緩沖分析功能形成綠洲與其它景觀類型之間最小外切多邊形,用外切多邊形與各生態(tài)系統(tǒng)相鄰邊界代表綠洲邊界(過(guò)渡帶內(nèi)緣線)(圖2)。該邊界把綠洲內(nèi)部防護(hù)林、水域和綠洲內(nèi)部荒漠等都融合到綠洲主體,把綠洲邊緣防護(hù)林和游離主體綠洲的新墾農(nóng)田從綠洲主體剝離。其次以綠洲邊界為目標(biāo)進(jìn)行緩沖分析,分析梯度分別為：在0—300 m范圍內(nèi),30 m為緩沖間隔；在300—600 m范圍內(nèi),60 m為緩沖間隔；在600—1000 m,100 m為緩沖間隔；>1000 m,200 m為緩沖間隔；最大緩沖距離為1600 m。最后在綠洲與4種景觀類型相鄰處設(shè)置面積為2000 m×2500 m的樣區(qū)各一個(gè),在完全覆蓋緩沖范圍基礎(chǔ)上用Clip命令分別取樣分析(圖2)。

考慮到植被尺度依賴特點(diǎn)和分區(qū)難題[6,9],本文對(duì)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行焦點(diǎn)分析,采用30 m×30 m(原始分辨率)、90 m×90 m、210 m×210 m和330 m×330 m 4個(gè)尺度。即,每個(gè)柵格NDVI分別以原始值和以原始值為中心的3倍、7倍和11倍范圍內(nèi)所有柵格平均值表示,結(jié)果見(jiàn)圖3。這種方法導(dǎo)致過(guò)渡帶相對(duì)由“窄”變“寬”、由“零散”變“集中”的現(xiàn)象是由分析尺度變化導(dǎo)致,也是本文過(guò)渡帶寬度尺度效應(yīng)的分析基礎(chǔ)。

此外,在NDVI變化拐點(diǎn)(邊界寬度)判斷中,考慮到過(guò)渡帶植被生產(chǎn)力格局是一個(gè)多級(jí)別鑲嵌體(mosaic)且空間變化復(fù)雜是一個(gè)包容型等級(jí)結(jié)構(gòu)[28-30]。因此,采用分段線性趨勢(shì)分析法判斷過(guò)渡帶寬度。文中所有統(tǒng)計(jì)分析用SPSS22計(jì)算,線性趨勢(shì)顯著性分析(F檢查)閥值采用P=0.05和P=0.001。當(dāng),P>0.05時(shí)不顯著；0.001≤P≤0.05時(shí)為顯著；P<0.001時(shí)為極顯著。

2 結(jié)果

在綠洲-石質(zhì)裸山過(guò)渡帶,分析尺度為30 m時(shí),NDVI變化趨勢(shì)在距邊界165 m左右存在一個(gè)急劇下降區(qū)(圖4),NDVI由0.0983下降到0.0653,平均減少0.0200/100 m,線性變化趨勢(shì)顯著(P<0.05)；距離超過(guò)150m變化明顯減弱且NDVI波動(dòng)變化在0.0522—0.0629之間,平均減少0.0007/100 m,線性變化趨勢(shì)顯著(P<0.05)。從不同尺度分析結(jié)果來(lái)看(圖4),隨尺度增加,NDVI變化趨勢(shì)交點(diǎn)距離增大,在330 m尺度達(dá)到220 m。但是在小于90 m尺度時(shí),交點(diǎn)位置無(wú)變化,僅使交點(diǎn)后165—210 m間NDVI變化趨向平緩(圖4中黑點(diǎn)),而這種效果隨尺度增加保持穩(wěn)定。

圖4 綠洲-石質(zhì)裸山邊界過(guò)渡帶NDVI緩沖分析

在綠洲-礫質(zhì)荒漠過(guò)渡帶,分析尺度為30 m時(shí),NDVI變化在距邊界330 m間也存在一個(gè)急劇下降區(qū)(圖5),NDVI由0.1351下減少到0.0758,平均減少0.0180/100 m,線性變化趨勢(shì)極顯著(P<0.001)；距離超過(guò)330 m變化減弱且NDVI波動(dòng)變化在0.0606—0.0731之間,平均減少0.0010/100 m,線性變化趨勢(shì)極顯著(P<0.001)。不同尺度分析結(jié)果表明(圖5),隨尺度增加NDVI變化趨勢(shì)交點(diǎn)位置都在330 m處且線性趨勢(shì)方程都為極顯著(P<0.001)。

圖5 綠洲-礫質(zhì)荒漠邊界過(guò)渡帶NDVI緩沖分析

在綠洲-沙質(zhì)荒漠過(guò)渡帶,30 m尺度的NDVI變化在距邊界230 m間存在一個(gè)急劇下降區(qū)(圖6),NDVI由0.1017下降到0.0730,平均減少0.0125/100 m,線性變化趨勢(shì)顯著(P<0.05)；距離超過(guò)230 m NDVI變化減弱且波動(dòng)在0.0674—0.0730之間,平均減少0.0004/100 m,線性變化趨勢(shì)顯著(P<0.05)。從不同尺度分析結(jié)果來(lái)看(圖6),隨尺度增加NDVI變化趨勢(shì)交點(diǎn)距離呈增加趨勢(shì),在尺度超過(guò)210 m后,交點(diǎn)距離穩(wěn)定在290 m,但是其線性趨勢(shì)都不顯著(P>0.05)。

圖6 綠洲-沙質(zhì)荒漠邊界過(guò)渡帶NDVI緩沖分析

在綠洲-人工固沙區(qū)過(guò)渡帶,分析尺度為30 m時(shí),NDVI變化趨勢(shì)與其它過(guò)渡帶不同,出現(xiàn)2個(gè)交點(diǎn)(圖7)。在距邊界240 m第一次出現(xiàn),在這一階段NDVI由0.1448下降到0.1085,平均變幅0.0151/100 m,線性變化趨勢(shì)極顯著(P<0.001)；在580 m處第二次出現(xiàn),其間的NDVI變化明顯減弱且轉(zhuǎn)為顯著增加趨勢(shì)(P<0.05),變化在0.1118—0.1146之間,平均變幅0.0008/100 m,；當(dāng)距離超過(guò)580 m,NDVI又呈極顯著下降趨勢(shì)(P<0.001),由0.1111下降到0.0903,平均變幅0.0021/100 m。從不同尺度分析結(jié)果來(lái)看(圖7),隨尺度增加NDVI趨勢(shì)線第一交點(diǎn)出現(xiàn)距離呈減小趨勢(shì),在小于90 m尺度時(shí)交點(diǎn)位置不變,當(dāng)大于90 m時(shí),第一交點(diǎn)距離減少到210 m。從線性變化顯著檢查來(lái)看,除210 m尺度達(dá)到顯著外(圖7),其它尺度變化不顯著(P>0.05)。第二交點(diǎn)出現(xiàn)位置變化不大,除30 m尺度外,其它尺度都為580 m,線性變化趨勢(shì)也都達(dá)到極顯著(P<0.001)。

圖7 綠洲-梭梭林固沙區(qū)邊界過(guò)渡帶NDVI緩沖分析

從不同過(guò)渡帶寬度比較來(lái)看,在綠洲-人工固沙區(qū)過(guò)渡帶最寬,這與研究區(qū)綠洲防護(hù)體系建設(shè)密切相關(guān),從梭梭林樹(shù)齡判斷已經(jīng)有40多年治理周期。綠洲-石質(zhì)裸山過(guò)渡帶寬度最窄,是因?yàn)檠芯繀^(qū)綠洲擴(kuò)展受到了合黎山余脈影響,山前洪積沖積物上發(fā)育植被稀疏,NDVI空間衰減明顯。沙質(zhì)和礫質(zhì)荒漠過(guò)渡帶介于二者之間,其中綠洲-礫質(zhì)荒漠過(guò)渡帶大于沙質(zhì)荒漠。

3 討論

在干旱區(qū)研究中,綠洲-荒漠過(guò)渡帶具有重要生態(tài)緩沖功能,是綠洲生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展的重要保障,過(guò)渡帶寬度是影響其緩沖功能的重要指標(biāo)[3,31]。

從本文過(guò)渡帶寬度確定方法來(lái)看,在其既有明確內(nèi)涵定義,又缺乏空間范圍條件約束的情況下[3-5],以NDVI為度量指標(biāo),采用綠洲邊界確定→判定要素尺度特征分析→始于邊界的要素趨勢(shì)分析流程可對(duì)綠洲-荒漠過(guò)渡帶寬度進(jìn)行確定(圖2—7)。張掖綠洲典型案例分析表明,綠洲邊界外緣NDVI存在二種差異明顯的變化速率(圖4—7),二種變化趨勢(shì)的交點(diǎn)位置距綠洲邊界距離可判定為邊界寬度。

不同類型過(guò)渡帶寬度存在差異,其中綠洲-石質(zhì)裸山過(guò)渡帶寬度在165—220 m之間(圖4)。當(dāng)分析尺度大于90 m時(shí),趨勢(shì)線交點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離綠洲邊界,出現(xiàn)明顯的尺度依賴現(xiàn)象,過(guò)渡帶寬度逐漸增加到220 m；當(dāng)分析尺度小于90 m時(shí),無(wú)尺度依賴特征,過(guò)渡帶厚度穩(wěn)定在165 m。綠洲-礫質(zhì)荒漠過(guò)渡帶寬度穩(wěn)定在330 m,無(wú)尺度依賴特征。綠洲外緣NDVI存在二種差異明顯的線性趨勢(shì)(P<0.001,圖5),表明在該類型過(guò)渡帶植被生產(chǎn)力空間格局與石質(zhì)裸山區(qū)別明顯。綠洲-沙質(zhì)荒漠過(guò)渡帶寬度變化在230—290 m間,當(dāng)分析尺度小于210 m,過(guò)渡帶寬度存在尺度依賴特征,即隨分析尺度增加寬度逐漸增加,在210 m尺度時(shí)過(guò)渡帶寬度達(dá)到最大；大于210 m,尺度依賴特征消失(圖6)。過(guò)渡帶內(nèi)NDVI線性趨勢(shì)極顯著,過(guò)渡帶外NDVI變化趨勢(shì)不顯著(最小P=0.025),表明進(jìn)入流沙生境后,植被斑塊呈隨機(jī)出現(xiàn)。綠洲-人工固沙區(qū)過(guò)渡帶寬度變化存在異質(zhì)性,變化趨勢(shì)有2個(gè)交點(diǎn),總體上過(guò)渡帶厚度變化在570—580m之間。其中第一個(gè)交點(diǎn)位置在210—240 m間,將過(guò)渡帶NDVI變化分為二個(gè)部分(圖7)。在靠近綠洲部分,隨分析尺度增加NDVI迅速減少,在210 m尺度時(shí)過(guò)渡帶寬度穩(wěn)定在210 m；外側(cè)部分NDVI變化較小,在90 m尺度時(shí)過(guò)渡帶厚度就穩(wěn)定在570 m。從變化特點(diǎn)來(lái)看,靠近綠洲部分不同尺度NDVI變化都達(dá)到了極顯著水平；外側(cè)部分只有210 m尺度達(dá)到顯著(圖7),其它尺度不顯著。在過(guò)渡帶之外區(qū)域,不同尺度NDVI變化都達(dá)到了極顯著,說(shuō)明在距離邊界570—580 m之外區(qū)域的NDVI變化與過(guò)渡帶內(nèi)NDVI變化存在差異。從綠洲-人工固沙區(qū)過(guò)渡帶存在第二交點(diǎn)的事實(shí)可以推斷,在靠近綠洲區(qū)植被生長(zhǎng)狀況較好,這一現(xiàn)象隨距邊界距離增加而減弱,大約在240 m處這種現(xiàn)象消失并進(jìn)入平緩變化區(qū),隨距離再延深至距綠洲邊界約570—580 m處時(shí),NDVI變化趨勢(shì)又發(fā)生了變化(趨勢(shì)線斜率由正變?yōu)樨?fù)),達(dá)到人工植被與天然植被交匯點(diǎn)(圖7)。因此,在該類過(guò)渡帶進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)活動(dòng)時(shí)要考其內(nèi)NDVI變化存在二種規(guī)律的現(xiàn)象。

總的來(lái)看,在30—330 m分析尺度范圍內(nèi),綠洲-荒漠過(guò)渡帶NDVI變化呈現(xiàn)由綠洲邊界向過(guò)渡帶外緣衰減趨勢(shì),這種現(xiàn)象與策勒綠洲-沙漠過(guò)渡帶研究結(jié)果一致[4-5]。NDVI衰減現(xiàn)象與過(guò)渡帶類型無(wú)關(guān),但變化趨勢(shì)在不同過(guò)渡帶存在差別。從共性來(lái)看,綠洲外緣區(qū)NDVI變化存在二種(或二種以上)趨勢(shì),其交點(diǎn)距綠洲邊界距離可認(rèn)定為過(guò)渡帶寬度。從差異性來(lái)看,過(guò)渡帶寬度尺度依賴特征各不相同,在綠洲與礫質(zhì)荒漠和人工固沙區(qū)過(guò)渡帶表現(xiàn)很弱(最大相差10 m)；在綠洲-石質(zhì)裸山過(guò)渡帶其影響較強(qiáng),呈現(xiàn)出隨分析尺度增加過(guò)渡帶邊界寬度增加趨勢(shì)。在綠洲-沙質(zhì)荒漠過(guò)渡帶,尺度效應(yīng)對(duì)過(guò)渡帶寬度影響超過(guò)210 m后消失。此外,從采用遙感數(shù)據(jù)識(shí)別綠洲-荒漠過(guò)渡帶寬度的準(zhǔn)確性來(lái)看,僅用NDVI指數(shù)尚不能保證識(shí)別精度,在后續(xù)工作中將引入溫度條件指數(shù)(Temperature Condition Index,TCI)與NDVI相互印證可提高識(shí)別精度,因?yàn)橐延醒芯勘砻鱐CI可捕捉到地表亮度量化特征并成功反演溫度變化[32-33],這將為提高綠洲-荒漠過(guò)渡帶厚度識(shí)別精度提供方法保障。

4 結(jié)論

在綠洲-荒漠過(guò)渡帶寬度識(shí)別中NDVI是一個(gè)有效度量指標(biāo),因?yàn)槠湓诰G洲邊界向外梯度上呈明顯衰減趨勢(shì),這種趨勢(shì)與邊界類型有關(guān)。過(guò)渡帶內(nèi)、外存在的NDVI變化趨勢(shì)差異可用分段線性趨勢(shì)分析捕捉到交點(diǎn)(即過(guò)渡帶寬度閾值)。不同類型過(guò)渡帶寬度有差別,其中綠洲-人工固沙區(qū)過(guò)渡帶寬度最大為570—580 m,其內(nèi)NDVI存在二種變化趨勢(shì),在距離綠洲邊界240 m范圍內(nèi)變化趨勢(shì)極顯著(P<0.001),超出此閾值變化趨勢(shì)不顯著(P>0.05)。再其它類型過(guò)渡帶內(nèi)NDVI僅有一種變化趨勢(shì),其中綠洲-礫質(zhì)荒漠過(guò)渡帶寬度為330 m,隨后依次為綠洲-沙質(zhì)荒漠過(guò)渡帶和石質(zhì)裸山過(guò)渡帶,寬度分別變化在230—290 m和165—220 m。在分析尺度30—330 m范圍內(nèi),人工固沙區(qū)和礫質(zhì)荒漠過(guò)渡帶寬度的尺度效應(yīng)不明顯,隨分析尺度增加寬度增加10 m；石質(zhì)裸山和沙質(zhì)荒漠過(guò)渡帶寬度尺度效應(yīng)相對(duì)明顯,隨分析尺度增加過(guò)渡帶寬度分別增加55 m和60 m。