趙芳芳，孫桂麗，2，吉小敏，各文婷，李 雪，盧航

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，烏魯木齊 830000；2.干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052；3.新疆林業(yè)科學(xué)院荒漠化研究所，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】天山大峽谷國(guó)家森林公園位于新疆烏魯木齊縣境內(nèi)，具有獨(dú)特的自然景觀資源，其土地資源豐富。利用景觀格局指數(shù)分析方法和描述景觀格局幾何特征，對(duì)研究區(qū)的土地景觀格局的進(jìn)行生態(tài)學(xué)意義的研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)景觀生態(tài)學(xué)提供理論和具體方法支撐和進(jìn)一步改善天山大峽谷國(guó)家森林公園生態(tài)環(huán)境和優(yōu)化土地利用布局有重要意義。【前人研究進(jìn)展】隨著信息科技的發(fā)展，RS和GIS等技術(shù)被廣泛用于景觀生態(tài)學(xué)的研究[1]，并利用FRAGSTATS軟件計(jì)算各類景觀格局指標(biāo)[2]，運(yùn)用景觀格局指數(shù)法分析東靈山地區(qū)的景觀格局動(dòng)態(tài)變化情況[3]。近幾年，研究了對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等內(nèi)容[4-7]。在進(jìn)行區(qū)域研究中，2013年孫慧慧結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)獲取甘州區(qū)景觀格局的變化信息，并從景觀角度對(duì)區(qū)域進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[8]；2015年提出了對(duì)新疆地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為不同等級(jí)[9]。【本研究切入點(diǎn)】目前對(duì)研究區(qū)土地景觀格局相關(guān)研究較少。隨著對(duì)森林公園的開發(fā)和利用，生態(tài)資源的有限性與人類需求之間的矛盾日益強(qiáng)烈[10]，如何有效合理開發(fā)利用景區(qū)內(nèi)的土地資源，實(shí)現(xiàn)景區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展，成為急待解決的問題[11]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以土地景觀變化為基礎(chǔ)，采用景觀生態(tài)學(xué)指數(shù)方法分析探究區(qū)土地景觀，從空間變化和時(shí)間尺度上，分析其景觀格局及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化，為進(jìn)一步改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化土地利用布局提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

天山大峽谷國(guó)家森林公園，其地理坐標(biāo)為87°06'～87°65'W，43°02'～43°62'N，位于板房溝鄉(xiāng)，其在天山中部的北坡和準(zhǔn)噶爾盆地的南端，山峰陡峭?？傮w南高北低，平均海拔2 000 m，地形起伏較大，一般坡度為0～25°，呈現(xiàn)中部和南部較陡，北部較平緩。年均氣溫是4～6℃，氣候呈溫帶大陸性干旱氣候，冬冷夏熱，年溫差大，降水集中，年雨量較少，有天山北坡最完整的天然云杉林。圖1

圖1 研究區(qū)地形

土地利用景觀數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.dsac.cn/)，以1990、2000、2010和2018年4期監(jiān)測(cè)遙感影像(30 m空間分辨率)，利用ENVI5.3軟件對(duì)影像圖進(jìn)行大氣校正、幾何圖形校正、裁剪等預(yù)處理，并通過采用監(jiān)督影像分類的方法進(jìn)行目視解譯得到的土地景觀利用數(shù)據(jù)。在嚴(yán)格參照《土地利用現(xiàn)狀(GB/T21010-2007)》分類標(biāo)準(zhǔn)[7]基礎(chǔ)上，將土地利用景觀類型分為：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種，進(jìn)而進(jìn)行景觀格局和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源中國(guó)資源環(huán)境科學(xué)中心(http://www.resdc.cn/)。圖2

1.2 方 法

1.2.1 景觀結(jié)構(gòu)及其變化

景觀結(jié)構(gòu)分析法是用于研究空間結(jié)構(gòu)的組合特性與空間構(gòu)成之間關(guān)系的一種方法[8-9]。通過不同景觀類型分析不僅維護(hù)物種多樣性和完整性，而且也促進(jìn)景觀結(jié)構(gòu)和演變的過程[10]。以ArcGIS10.5 軟件統(tǒng)計(jì)不同土地利用景觀類型的面積，同時(shí)利用空間分析模塊中的面積制表，得出各景觀類型的轉(zhuǎn)移矩陣，了解不同景觀類型之間的轉(zhuǎn)化情況。

1.2.2 景觀格局

景觀生態(tài)指數(shù)能將復(fù)雜的景觀復(fù)雜信息濃縮為較簡(jiǎn)單、易識(shí)別的景觀信息，能反映其景觀結(jié)構(gòu)組成和空間結(jié)構(gòu)配置等方面的特征，用來(lái)描述和分析監(jiān)測(cè)景觀空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化[11]。在 Arc GIS10.5系統(tǒng)軟件支持下，利用 Fragstats4.2軟件對(duì)景觀生態(tài)格局指數(shù)進(jìn)行分析。表1

表1 景觀格局指數(shù)計(jì)算

景觀脆弱度指數(shù)LVI表示各景觀類型受外界干擾后的敏感程度，其通過賦值后進(jìn)行歸一化得到。結(jié)合相關(guān)研究[12]對(duì)各景觀類型賦值如下：建設(shè)用地為1、林地為2、草地為3、耕地為4、水域?yàn)?、未利用地為6，為方便計(jì)算歸一化值區(qū)間為[0.1-0.9]。未利用地0.90，水域0.74耕地0.58，草地0.42，林地0.26，建設(shè)用地0.10。

1.2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

基于建立統(tǒng)計(jì)景觀格局與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間聯(lián)系，基于景觀干擾度指數(shù)和脆弱性指數(shù)，構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析模型[13-14]，評(píng)價(jià)研究區(qū)不同土地類型利用方式和強(qiáng)度所導(dǎo)致的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響，綜合分析評(píng)估各種潛在影響生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的種類及其造成的累積性的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)后果。根據(jù)有關(guān)景觀生態(tài)學(xué)課題的研究[15-16]，將研究區(qū)劃分5 km×5 km的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元網(wǎng)格，共69個(gè)網(wǎng)格，采用克里金進(jìn)行空間插值，得到景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖。參考其他相關(guān)研究[17]，結(jié)合實(shí)際情況，采用自然斷點(diǎn)法將景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分為5個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：低[0.0

式中：ERIk表示景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，值越大表示該評(píng)價(jià)單元的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值越高，反之亦然；Aki是第i類景觀類型的面積；Ak是評(píng)價(jià)單元k的總面積，Ri是第i類景觀的生態(tài)損失指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地景觀類型分布及其變化

研究表明，1990～2018年，研究區(qū)土地景觀類型結(jié)構(gòu)變化顯著。土地景觀類型以耕地、草地和林地為主，1990、2000、2010、2018年其面積占比分別為81.63%、84.95%、85.71%和85.5%。建設(shè)用地和未利用地面積整體呈增加趨勢(shì)，其中未利用地的變化幅度最大，面積從7 208.82 hm2增長(zhǎng)到11 433.51 hm2，增長(zhǎng)率4.23%，而水域和林地景觀類型均呈減少趨勢(shì)，其林地面積減少幅度最大，從16 031.97 hm2減少到10 133.46 hm2，減少率為5.9%，但林地依舊是研究區(qū)域主要景觀類型。圖2，表2

圖2 研究區(qū)土地利用景觀格局

表2 1990～2018年景觀類型面積變化

土地利用景觀變化研究不僅體現(xiàn)土地利用景觀變化的數(shù)量，還體現(xiàn)在景觀面積的轉(zhuǎn)化上，通過1990～2018年間各景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣知，1990～2000 年，耕地面積呈下降趨勢(shì)，主要流出方向?yàn)榻ㄔO(shè)用地和草地，流出面積分別為61.7和81.50 hm2；水域面積下降，其轉(zhuǎn)出為草地面積2.50 hm2；其他土地類型面積增加，但其增加幅度不明顯。2000～2010年，耕地面積繼續(xù)呈下降趨勢(shì)，主要流出為建筑用地、草地和水域，流出面積分別為335.10、2 037.69和162.60 hm2。水域面積大幅度下降，主要流出方向?yàn)椴莸睾臀蠢玫?，面積分別為1 241.50和5 843 hm2。林地面積有所下降，除建設(shè)用地以外的其他用地類型均有林地面積的轉(zhuǎn)入，其主要輸出重點(diǎn)為草地，面積為7 799.76 hm2。草地、建設(shè)用地和未利用地主要轉(zhuǎn)出量小于其轉(zhuǎn)入量，總體的面積呈上升趨勢(shì)。2010～2018 年，耕地面積再次下降，流出主向?yàn)椴莸?，面積為242.7 hm2；草地面積下降，主要流出為建設(shè)用地和耕地，分別為228.4和 184.00 hm2；建設(shè)用地面積增長(zhǎng)，主要轉(zhuǎn)入源為草地和耕地。研究區(qū)土地利用景觀類型的變化主要體現(xiàn)為耕地、林地和水域轉(zhuǎn)化為草地、未利用地和建設(shè)用地，面積在逐年增加。表3

表3 1990～2018景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 景觀格局變化特征

2.2.1 斑塊類型水平格局變化

研究表明，1990～2018年，耕地、林地和水域面積減少(1 556、5 898.54和6 240.73 hm2)，草地、建設(shè)用地和未利用地面積上升(7 894.7、1 116.39和4 684.12 hm2)；耕地、林地、水域和未利用地的斑塊數(shù)量NP、破碎度Ci、干擾度Ei、分離度Si和脆弱度Ri呈增加趨勢(shì)，其較顯著的是林地和未利用地(NP：271和18；Ci：0.453和0.251；Ei：6.716和4.231；Si：19.688和14.849；Ri：1.746和3.808)，建設(shè)用地Ci、Si、Ei和Ri下降趨勢(shì)，其Si下降的顯著為0.784，分維度Fi上升0.907。在2000～2010年變化較為顯著，其10年間林地和未利用地的脆弱度分別增長(zhǎng)了1.746 3和3.955 2；分離度指數(shù)Si，林地和未利用地增長(zhǎng)速度較快(19.505 7和15.329 7)，分維度Fi和破碎度Ci指數(shù)也在逐步呈上升趨勢(shì)。表4

表4 研究區(qū)各景觀要素斑塊特征指數(shù)(1990～2018)

2.2.2 景觀水平上的格局指數(shù)

研究表明，1990～2018年研究區(qū)域的水平景觀指數(shù)特征知，斑塊數(shù)量、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、蔓延度及聚集度指數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，斑塊數(shù)量由161增加到545個(gè)，增加了384個(gè)；斑塊密度由0.034 9增加到0.118 2，增加了0.083 3；最大斑塊指數(shù)由10.670 0增加到11.726 1，增加1.056 1；香濃多樣性指數(shù)和香濃均勻度分別下降0.056 8和0.065 9，蔓延度指數(shù)由63.869 4增加到66.565 5，增加了2.696 1；聚集度指數(shù)由97.831 1下降到96.780 3，下降1.050 8。

蔓延度指數(shù)增加，但其變化緩慢，說明土地利用景觀向一個(gè)方向逐漸發(fā)展，景觀多樣性保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；總體聚集指數(shù)較高，景觀分布較為集中；香濃均勻度指數(shù)、香濃多樣性指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明其存在優(yōu)勢(shì)斑塊多樣性低，結(jié)構(gòu)比較單一。其中人類活動(dòng)對(duì)景觀格局產(chǎn)生一定的影響，人為干擾度不斷增加，使其景觀變的復(fù)雜化和分散性加大。表5

表5 研究區(qū)研究區(qū)景觀水平指數(shù)

2.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化

研究表明，1990年低風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的面積分別為452.565和168.360 hm2，各占總面積的45.3%和16.8%，以草地及林地為主的景觀結(jié)構(gòu)，其主要分布于中部和北部、南部小部分地區(qū)，該地區(qū)海拔較高，人類活動(dòng)對(duì)該區(qū)景觀干擾度較小，故生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低；中級(jí)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積140.153 hm2，約占總面積的14%，主要分布于上北部和南部，斑塊數(shù)量、破碎度和分離度較高，人類活動(dòng)對(duì)該區(qū)域有較大影響；處于較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的面積分別為138.598和99.830 hm2，占總面積的13.9%和10%，主要分布在南部和北部地區(qū)，由于地勢(shì)較低，人類在長(zhǎng)期土地利用過程中，對(duì)土地景觀的改造性較強(qiáng)，主要以建設(shè)用地和未利用地為主的景觀類型，景觀破碎化加劇，此外建設(shè)用地屬于人口密集區(qū)，人類活動(dòng)使其風(fēng)險(xiǎn)升高，而未利用地植被覆蓋面積較小，景觀敏感脆弱，從而導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。

與1990年相比，2000年低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積增加了68.327 hm2，主要分布在東南部，草地和林地是主要的景觀類型。因海拔較高，人為干擾較小，其降低了景觀類型的風(fēng)險(xiǎn)。較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積均減少，分別減少24.308和52.299 hm2，其坡度越大，地勢(shì)較陡，其受人為干擾因素較小，景觀破碎化嚴(yán)重程度小，因此，導(dǎo)致該區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)逐漸在降低。與2000年相比，2010年低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積增加了46.476 hm2，其景觀以草地和林地為主，主要分布在中部和北部地區(qū)。而較低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)和較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積下降。與2010年相比，2018年低風(fēng)險(xiǎn)增加19.383 hm2，較低、中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積減少，分別減少12.329和15.961 hm2。而較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積增加8.201和0.705 hm2。

從1990年到2018年，中、高和較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積減少，低和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積增加；在空間分布方面，研究區(qū)域低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域正在向南部發(fā)展，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的重心逐漸向東南方向轉(zhuǎn)移。表6，圖2，圖3

表6 1990～2018生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積

圖3 景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間格局

3 討 論

研究借助土地景觀格局變化數(shù)據(jù)構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，參考前人有關(guān)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)涉及的風(fēng)險(xiǎn)因子存在相互作用和疊加效應(yīng)的相關(guān)研究[24-25]，研究在借助克里金插值法劃分景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方式上多以自然斷點(diǎn)法為主，且大多遵循“低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)值小且范圍小，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)值大且范圍大”的原則，其次用的較多的方法是等間隔法[26-28]，地形地貌是影響景觀結(jié)構(gòu)和布局的重要因素，通過對(duì)研究區(qū)不同地形的景觀生態(tài)格局及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征進(jìn)行分析，地勢(shì)平緩適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活，以耕地和建設(shè)用地景觀類型分布區(qū)；地勢(shì)陡峭不利于開發(fā)利用，以林地和草地集中分布區(qū)；地勢(shì)陡峭的草地占比較高，其破碎度較低，這與肖歡等[29]、王成等[30]的研究結(jié)果較為一致?；陧n曉佳[31]的研究，分別從斑塊水平和景觀結(jié)構(gòu)2個(gè)方面，使用Fragstats軟件分析以獲得不同的土地利用類型景觀指數(shù)，從而描述景觀變化的類型和趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

4.11990～2018年，林地和草地是天山大峽谷國(guó)家森林公園的主要景觀類型，約占總面積的76.36%，其中草地為優(yōu)勢(shì)景觀類型，建設(shè)用地和未利用地面積整體呈增加趨勢(shì)，其他類型土地面積在下降。

4.2整體景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈減小趨勢(shì)，主要以低、較低和中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主，較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)次之；低、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增加，而較低、較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積呈減小趨勢(shì)。

4.31990～2000年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈“中部低、南北高”的分布格局；2000～2010年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移等明顯變化，具體表現(xiàn)為中、較高和高風(fēng)險(xiǎn)向東南部轉(zhuǎn)移，低風(fēng)險(xiǎn)向南部轉(zhuǎn)移，且分布變化較為集中；2010～2018年景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布格局變化較大，較高、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積有所上升。