鄧曉雅，龍愛華，，高海峰，張 繼，於嘉聞，任 才，馬真臻

（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京 100094；3.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)人口不斷聚集，使得城鎮(zhèn)化成為社會發(fā)展的必然趨勢。在城鎮(zhèn)化的過程中綠色生態(tài)空間讓位于經(jīng)濟發(fā)展，使得更多的綠色生態(tài)空間轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地和耕地，綠色空間面臨著極度破碎化甚至消失的境遇[1]。從生態(tài)學角度出發(fā)，綠色生態(tài)空間可用森林、草地和濕地的面積總和來進行度量[2]。景觀生態(tài)學的發(fā)展為綠色空間景觀格局過程與生態(tài)環(huán)境的互饋作用機制提供了綜合解決途徑[3～4]。目前，利用景觀生態(tài)學的相關理論去揭示綠色空間景觀結(jié)構(gòu)、功能和變化，研究生態(tài)過程與綠色生態(tài)空間格局在多尺度上的相互關系成為研究熱點[5-8]。在我國西北干旱區(qū)的黑河、石羊河、塔里木河、瑪納斯河和艾比湖等流域的景觀格局變化中，有學者指出這些流域的景觀格局在人類活動和自然環(huán)境變化的綜合作用下均發(fā)生了劇烈的變化，同時還帶來了很多的負面生態(tài)效應[9-11]。隨著全球生態(tài)環(huán)境問題的日益突出，西北干旱區(qū)的景觀時空變化及其脆弱性研究也逐漸成為景觀生態(tài)學的熱點研究。因此，分析干旱區(qū)景觀格局空間分布和時空動態(tài)機制對于干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生態(tài)系統(tǒng)管理具有重要意義。

塔里木河流域是我國最大的內(nèi)陸河流域，是保障南疆地區(qū)綠洲經(jīng)濟、自然生態(tài)的生命線。流域內(nèi)各景觀類型之間在以水資源開發(fā)利用為核心的大強度人類活動作用下發(fā)生大量轉(zhuǎn)變，對于塔河流域的綠色生態(tài)空間和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深刻影響[12-13]。如何協(xié)調(diào)塔河流域的經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設的關系，并促進兩者的共同發(fā)展，已成為當前亟需解決的問題。以往的研究主要集中在塔河流域某區(qū)段景觀格局變化的討論，而基于流域尺度的研究較少。因此，本文綜合運用景觀生態(tài)學與空間統(tǒng)計學的方法，對比分析塔河流域1990—2018年期間各類型景觀的時空變化特征；結(jié)合景觀指數(shù)定量揭示28年來塔河流域綠色生態(tài)空間及景觀空間格局的動態(tài)演化過程及特征，為實現(xiàn)塔河流域生態(tài)環(huán)境保護和綜合治理提供決策支持和科學依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

塔里木河流域（34.20°—43.39°N，71.39°—93.45°E）位于中國新疆南部，毗鄰塔克拉瑪干沙漠，總面積102萬km2，其中山地、平原和沙漠分別占流域總面積的47%、22%和31%。歷史上流域由環(huán)塔里木盆地的阿克蘇河、葉爾羌河、和田河、克里雅河、迪那河、喀什噶爾河、開都河—孔雀河、渭干河、車爾臣河等9大水系144條河流組成，多年平均天然徑流量398億m3，主要由高山區(qū)冰雪融水和降水補給。近年來由于水土資源的過度開發(fā)，目前只有阿克蘇河、和田河、葉爾羌河和開都-孔雀河四條源流匯入塔里木河（以下簡稱“塔河”）。塔河流域地處歐亞大陸腹地，屬典型的大陸性干旱氣候區(qū)。流域多年平均氣溫10.6～11.5℃，多年平均年降水量17.4～42.8 mm，蒸發(fā)能力為1121～1636 mm，干旱指數(shù)為28～80。

圖1 研究區(qū)概況

3 數(shù)據(jù)與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源及處理基礎數(shù)據(jù)為1990、2000、2010和2018年塔河流域的土地利用/覆被類型柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率為100 m，數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）。采用同期土地利用調(diào)查資料及野外調(diào)查數(shù)據(jù)進行精度驗證，4期影像總體精度分別為92.34%、93.21%、93.77%和95.66%，Kappa系數(shù)分別為0.87、0.88、0.86和0.89。根據(jù)塔河流域矢量邊界進行裁剪，得到研究區(qū)4個年份的土地利用類型圖，以《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2017）和研究目的，將研究區(qū)景觀類型分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地6個一級類別。

3.2 景觀特征分析方法

3.2.1 景觀格局指數(shù) 景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面的簡單定量指標[14]，可分為斑塊水平指數(shù)、斑塊類型指數(shù)和景觀水平指數(shù)。參考相關研究，并根據(jù)塔河流域的實際景觀分布情況，在斑塊類型級別上選取斑塊類型面積（CA）、斑塊所占景觀面積比例（PLAND）、斑塊個數(shù)（NP）、斑塊密度（PD）和最大斑塊指數(shù)（LPI）；在景觀水平上選取邊緣密度（ED）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、景觀分割度（DI-VISION）、蔓延度（CONTAG）、聚集度（AI）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）等12個主要的景觀度量指標[9，14-15]，對各水平年的景觀類型圖層進行分析計算。

3.2.2 景觀動態(tài)變化模型 本文借助單一景觀動態(tài)度和整個景觀動態(tài)度[7]來量化塔河流域的景觀動態(tài)演化特征。

（1）單一景觀動態(tài)度。單一景觀動態(tài)度可定量分析研究區(qū)特定時間段內(nèi)各景觀類型的變化程度。計算公式為：

式中：K為某一景觀類型動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期和末期某景觀類型的面積，km2；T為研究時段長（年）。

（2）景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣。為進一步分析塔河流域各景觀類型之間的相互轉(zhuǎn)移，并認識某種景觀類型的減少流向與增加來源以及景觀類型時空演變過程與機制。本文對1990—2000、2000—2010和2010—2018年全流域的景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣進行了分析。其計算公式為：

式中：n為研究區(qū)內(nèi)景觀類型的數(shù)目；Sij為初始時期T1到末時期T2景觀類型i轉(zhuǎn)移為j的面積統(tǒng)計量，對角線上為該時段內(nèi)保持不變部分的景觀類型面積。

4 結(jié)果與分析

4.1 塔里木河流域綠色生態(tài)空間變化根據(jù)前述綠色生態(tài)空間涵義、度量方法及塔河流域1990—2018年4期土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)，得到塔河流域28年間的綠色生態(tài)空間（林地、草地、水域、灘涂濕地面積之和）變化，見表1。由表1可知，塔河流域的綠色生態(tài)空間總體呈持續(xù)減小的趨勢，尤其是2010年后綠色生態(tài)空間急劇收縮，該時期內(nèi)的減少量約占研究時段減少量的57.9%，主要減小的綠色空間為草地面積。在過去的28年內(nèi)，塔河流域水域面積保持逐步增長趨勢，除在2000年以后有微弱的減小趨勢外，2018年相比2010年水域面積則增加了24.8%（1375.54 km2），這一變化與降雨量和冰川融水增加有關[16]；灘涂濕地綠色空間在2000年后有所下降，但2010—2018年總體呈現(xiàn)出增加趨勢；草地面積呈逐步減少趨勢，從1990年的280 972 km2下降到2018年的264 166.84 km2；但林地空間整體呈波動增加趨勢，在2000年左右為最大值13 366.87 km2，在其后的18年間逐步減少。

表1 1990—2018年塔河流域綠色生態(tài)空間變化 （單位：km2）

4.2 景觀類型動態(tài)轉(zhuǎn)移

4.2.1 景觀結(jié)構(gòu)特征及面積變化 由表2可知，4個時期研究區(qū)各地類的面積中，未利用地占主導地位，所占比重均超過60%。由于城市化擴張、農(nóng)業(yè)開發(fā)等因素的影響，耕地和建設用地的面積逐年增加，尤其是耕地面積的占比從1990年的2.43%增加到2018年的4.32%，凈增長了1.89%；建設用地面積的占比由1990年的0.15%增加到2018年的0.29%。而水體的變化表現(xiàn)為波動減小趨勢，除1990—2000年間有輕微增加外，整體上仍然呈減小趨勢。林地整體變化不顯著，呈現(xiàn)波動變化規(guī)律，所占比例僅由1990年的1.02%增加到2018年的1.11%，但在2000—2010年間呈下降趨勢。草地面積總體呈減少趨勢，從所占比例來分析，其占比在不斷縮小，已從1990年的27.54%下降至2018年的25.9%。未利用地所占比例呈減小趨勢，但減小幅度不大。

表2 1990、2000、2010和2018年塔河流域景觀類型面積及占比

4.2.2 不同景觀類型動態(tài)度分析 28年來，塔河流域景觀變化幅度最大的是建設用地，呈加速增加趨勢（表3）。其次變幅較大的景觀類型為耕地，且增加幅度逐期變大；尤其是2010—2018年間，研究區(qū)耕地規(guī)模迅速擴張，總面積增加了11 992.04 km2，這是塔河流域為追求農(nóng)業(yè)發(fā)展所帶來的經(jīng)濟利益而大量種植棉花、紅棗等經(jīng)濟作物而大量開墾農(nóng)田而造成的。水體單一動態(tài)度為-0.27%，但在整個研究時段內(nèi)，水體的變化存在由平緩變劇烈的過程。草地以0.06%的速度減少了16 805.16 km2，從單一動態(tài)度來看，草地的變幅并不是所有景觀類型中最大，但從減少面積來看，卻是減少最多的景觀類型；這是由于草地是研究區(qū)內(nèi)僅次于未利用地的主要景觀類型之一，原有面積較大，導致其單一動態(tài)度僅為-0.06%；草地面積的減少的直接原因是農(nóng)業(yè)用地面積的增加，雖然在2000—2010年間，通過生態(tài)治理，研究區(qū)的植被正向良性方向發(fā)展，但繼續(xù)大量開荒，使得草地的動態(tài)變化度仍為負值。未利用地的總面積在研究時段內(nèi)增加了6287.14 km2，單一動態(tài)度僅為0.01%，其原因是未利用地為研究區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢景觀，原有面積較大，但仍然能夠說明人類活動的強度顯著增強。

表3 塔河流域景觀類型動態(tài)變化

4.2.3 土地利用類型矩陣轉(zhuǎn)移過程 表4為塔河流域1990—2018年景觀轉(zhuǎn)移矩陣，將其轉(zhuǎn)化過程分為（Ⅰ）1990—2000年、（Ⅱ）2000—2010年和（Ⅲ）2010—2018年3個時段進行對比分析。結(jié)果表明：以建設用地和耕地等人為利用為主的人工景觀顯著增多。在各局部研究時段內(nèi)，Ⅲ時段建設用地的面積增加最為突出，凈增加1199.04 km2，轉(zhuǎn)入面積主要來源于耕地和草地，分別轉(zhuǎn)入914.70 km2和67.78 km2。耕地面積在各局部變化期中均呈顯著增加趨勢，且在Ⅲ時段增量最大，從其他地類轉(zhuǎn)入面積為16 353.11 km2，而耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡惖拿娣e僅有4358.6 km2，因此研究區(qū)的耕地面積表現(xiàn)為顯著增加；耕地面積的增加以草地、未利用地和林地為主，轉(zhuǎn)入面積分別占轉(zhuǎn)入耕地總面積的60%、23%和8%，其各地類的轉(zhuǎn)變比例均是3個研究時段的最大值。耕地向其他地類的轉(zhuǎn)換中，轉(zhuǎn)向草地面積最多，為2015.20 km2，其次為林地和未利用地?？梢姡芟嚓P政策法規(guī)、退耕還林、退耕還草等生態(tài)保護工程的影響，林地的面積有所增加。

草地的面積在整個研究期內(nèi)呈顯著下降趨勢。在Ⅰ時段，由于人類活動的增強，耕地面積持續(xù)增加，草地面積急劇減少；到Ⅱ時段，塔河流域綜合治理工程開展后，植被得到了一定程度的恢復，但總體上草地面積仍未完全恢復，仍然減少了2583.19 km2。在Ⅲ時段內(nèi)，草地面積下降幅度遠遠大于前2個研究時段，總面積減少了7831.82 km2；有105 096.76 km2的草地主要轉(zhuǎn)換為未利用地、耕地和林地，分別占轉(zhuǎn)出面積的80%、9%和6%。其他類型用地轉(zhuǎn)為草地的面積為97 676.91 km2，其中，未利用地轉(zhuǎn)為草地的面積占其轉(zhuǎn)入總面積的84%，水體、林地和耕地也有少量面積轉(zhuǎn)換為草地。

林地面積的變化并不穩(wěn)定。在Ⅰ時段，林地面積增加了2994.44 km2，主要分布在河道兩側(cè)及上游地區(qū)農(nóng)業(yè)灌區(qū)水分條件較好的區(qū)域，均主要由草地轉(zhuǎn)化而來，占轉(zhuǎn)入總面積的76%；在Ⅱ、Ⅲ時段，林地面積分別減少了753.21 km2和1285.34km2，主要轉(zhuǎn)化為耕地和草地。水體的面積在Ⅰ時段穩(wěn)定增長，但在隨后的2個研究期內(nèi)，水體面積均有所減少，主要轉(zhuǎn)化為草地和未利用地；研究區(qū)水體面積的變化與其冰川面積的變化規(guī)律較為一致，都呈先增后減趨勢，即冰川的轉(zhuǎn)移在1990—2000和2010—2015年較劇烈，2000—2010年較緩和，且以面積的凈減少為主[16]。未利用地的面積呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，在各局部變化期中，未利用地的新增面積以Ⅲ時段最大，以草地和水體為主，轉(zhuǎn)入面積分別占其總轉(zhuǎn)入面積的83.5%和14.3%。

表4 塔河流域景觀轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

4.3 景觀指數(shù)變化特征

4.3.1 類型尺度上的特征變化 整個研究時段內(nèi)，就CA而言，除了耕地和建設用地持續(xù)大幅增加、未利用地小幅度增加外，草地、林地、水體面積均持續(xù)減少，見表5。PLAND和LPI增長顯著的斑塊類型是耕地、林地和建設用地，該變化過程顯示出人工景觀類型的快速發(fā)展，同時也說明了人類活動是主要驅(qū)動力。但草地的PLAND顯著減少，尤其是1990—2000年和2010—2018年期間，分別減少了0.62%和0.74%；LPI在2000后顯著減少，尤其是2010年以后，減少了1.1%。各景觀類型的NP和PD整體呈增加趨勢，該變化趨勢表明由于人類活動增加，許多大斑塊都被割裂開，景觀破碎程度不斷加深。其中，水體斑塊個數(shù)由4697個增加到了18 361個，28年間共增加了13 664個，凈增長了4倍；耕地斑塊個數(shù)自2000年塔里木河流域綜合治理工程實施以來，在10年間仍然增加了1046個。由于耕地優(yōu)勢度和聚集程度不斷增大，說明大型斑塊農(nóng)用地連接成片，這與農(nóng)業(yè)的集約化管理有關，但新開墾的農(nóng)用地仍然處于分散狀態(tài)，呈自由地以點或小面積開展，靠近河流兩側(cè)，從而造成對其他景觀類型的侵占，導致其他景觀類型NP和PD的增加，破碎度增加，如林地、草地等。尤其是草地的NP在研究時段內(nèi)由9717個增加到15611個，凈增長了1.6倍；PD持續(xù)增長以及LPI持續(xù)減少，這些指標變化都說明該景觀受到的人類干擾不斷增強。自2000年塔河流域綜合治理工程開展后，植被大面積恢復，原有的低覆蓋草地和荒地景觀面積縮小或者被其他的景觀類型所代替，從而導致原來較大的斑塊被改造成多個小斑塊，這也是研究區(qū)內(nèi)景觀破碎度加大的原因之一。

表5 1990—2018年塔河流域斑塊類型尺度上的景觀指數(shù)變化

4.3.2 景觀尺度上的特征變化 1990—2018年塔河流域景觀尺度上的景觀指數(shù)變化見表6。從表6可以看出，1990—2018年塔河流域的ED和LSI總體呈增加趨勢，表明其景觀邊緣形狀區(qū)域復雜化，斑塊不規(guī)則程度逐漸上升；AI在研究時段內(nèi)呈不斷下降趨勢，說明斑塊的聚合程度減??；CONTAG呈下降趨勢，說明景觀內(nèi)部空間的連接性下降，各類景觀的空間分布結(jié)構(gòu)趨于不穩(wěn)定，景觀由聚集狀向分散狀轉(zhuǎn)移，破碎度增加，整體景觀類型在空間上更加分散。在研究時段內(nèi)DIVISION不斷上升，由0.68上升到0.70，說明塔河流域景觀的空間聚集性減弱、離散性增強。28年內(nèi)，SHDI呈持續(xù)增加趨勢，表明研究區(qū)各斑塊類型呈多樣化趨勢分布，這是由于草地和水體減少，其他景觀增加，使得景觀格局內(nèi)的土地利用越來越豐富，景觀的破碎化程度加強；SHEI整體呈先增后減的趨勢，說明不同景觀類型的比例結(jié)構(gòu)差異先增加后趨于穩(wěn)定降低。這5種景觀指數(shù)的變幅在1990—2000年、2010—2018年最為顯著。以上分析表明，近28年來人類活動對塔河流域景觀格局的干擾在不斷增強，且1990—2000年的人類干擾強度增加最為顯著。

表6 1990—2018年研究區(qū)景觀尺度上的景觀指數(shù)變化

5 結(jié)論

本文以新疆塔里木河流域景觀為研究對象，以1990—2018年4期遙感解譯數(shù)據(jù)為基礎數(shù)據(jù)，運用景觀生態(tài)學與空間統(tǒng)計學的方法，對塔河流域的綠色生態(tài)空間與景觀格局變化從時間和空間尺度上進行研究。28年來人類活動對塔河流域景觀格局的干擾在不斷增強，且1990—2000年的人類干擾強度增加最為顯著。根據(jù)綠色生態(tài)空間涵義、度量方法，28年間塔河流域的綠色生態(tài)空間整體呈持續(xù)減小趨勢，其主要減少的綠色空間為草地面積；尤其是2010年后綠色生態(tài)空間整體急劇收縮，減少量為6085.22 km2。從景觀結(jié)構(gòu)特征來看，未利用地占主導地位，所占比重超過60%，由于人類活動不斷加強，耕地和建設用地面積逐年增加；草地的占比不斷縮小，已從1990年的27.54%下降至2018年的25.9%。從景觀變化幅度來看，變化最大的是建設用地，單一動態(tài)度為0.87%；其次是耕地為0.78%；草地的單一動態(tài)度僅為-0.06%，是由于草地原有面積較大而造成。各景觀類型均出現(xiàn)不同程度的相互轉(zhuǎn)化，建設用地的面積增加最為突出，凈增加1199.04 km2，轉(zhuǎn)入面積主要來源于耕地和草地；耕地面積的增加以草地、未利用地和林地為主，轉(zhuǎn)入面積分別占轉(zhuǎn)入耕地總面積的60%、23%和8%；草地的面積減少最為迅速，尤其是2010年后，主要轉(zhuǎn)換為未利用地和耕地，分別占轉(zhuǎn)出面積的80%和9%。從景觀的總體變化來看，整體景觀的NP、PD、ED和LSI整體都在增加，說明塔河流域內(nèi)景觀破碎程度在不斷加深，且景觀邊緣形狀區(qū)域更加復雜化。