基于RS與GIS的鄂托克旗景觀格局動態(tài)變化分析

春風，銀山

（內(nèi)蒙古師范大學 地理科學學院，呼和浩特010022）

景觀格局是指景觀的空間格局，即大小和形狀不一的景觀斑塊在景觀空間上的排列［1］。由于景觀格局既是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，同時又是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的最終結(jié)果，因此景觀格局研究是景觀生態(tài)學中的基礎性核心研究領域之一［2－3］。圍繞景觀格局分析，許多研究者都做了大量的工作，荒漠化嚴重的農(nóng)牧交錯區(qū)是景觀格局變化極其敏感的區(qū)域，因而也是景觀生態(tài)學研究的重點區(qū)域之一。

農(nóng)牧交錯區(qū)是荒漠化嚴重的地區(qū)，也是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，該地區(qū)是我國生態(tài)環(huán)境變化研究的重要區(qū)域，本文在RS和GIS技術的支持下，以內(nèi)蒙古中西部地區(qū)農(nóng)牧交錯帶的荒漠草原地帶的鄂爾多斯市鄂托克旗作為研究區(qū)，通過景觀格局的定量分析，探討鄂托克旗景觀格局的特點和變化趨勢，為更深入理解該地區(qū)的荒漠化過程及其機理，荒漠化防治、社會和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展與資源和環(huán)境的可持續(xù)利用服務。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

鄂托克旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西部，北緯38°18′—40°11′，東經(jīng)106°43′—108°54′，東鄰烏審旗，西連烏海市、寧夏陶樂縣，南接鄂托克前旗，北與杭錦旗交界（圖1）。2007年全旗土地總面積202 453.02km2，人口總數(shù)為95 955萬人。屬典型的中溫帶大陸性氣候，據(jù)1991—2007年的氣象資料，該區(qū)年均溫為6.95℃，一月平均氣溫為－17.0℃，七月平均氣溫為29℃。年均降水量為257.2mm，由西北向東南逐漸增加。年平均蒸發(fā)量為2 400～2 800 mm，災害性天氣頻繁，以干旱、風沙為主。由于人為破壞，全境的地帶性草原植被僅有少量保存，目前絕大多數(shù)區(qū)域是以沙生植物為主的隱域性植被為主。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)及處理

本文采用研究區(qū)2000年和2007年8月份分辨率為30m的美國陸地資源衛(wèi)星Landsat TM影像，以及1964年1∶5萬地形圖，GPS野外調(diào)查獲取的研究區(qū)土地利用／土地覆被變化材料及自然地理基礎資料。空間數(shù)據(jù)的處理過程為：在ENVI圖像處理軟件的支撐下，利用1∶5萬地形圖作為底圖，利用同名地物點法對2000年TM遙感影像進行糾正；利用已糾正的2000年TM影像，采用影像對影像的方式對2007年TM假彩色合成影像進行幾何精校正，誤差控制在半個像元之內(nèi)，坐標統(tǒng)一用Albers等面積投影和相應參數(shù)。在ArcGIS 9.2和ArcView 3.3軟件的基礎上通過人機交互判讀的方式解譯景觀類型的相關數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理采用ArcGIS 9.2，ArcView 3.3的Patch Analyst模塊、SPSS、Excel軟件以及景觀格局分析軟件Fragstats 3.3。

2 研究方法

2.1 景觀類型的選取

本文采用土地利用現(xiàn)狀類型的劃分方法結(jié)合研究區(qū)特點，選取國家環(huán)保總局2006年制定的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范（試行）》（HJ／T192—2006）的土地利用分類系統(tǒng)，進行景觀類型的劃分［4－6］，將研究區(qū)劃分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民地和未利用地6大類一級景觀。

2.2 景觀格局分析的指標

關于景觀空間格局分析的指標眾多［6－8］，本文綜合考慮研究區(qū)以及土地利用分類體系的實際情況，選擇景觀斑塊密度指數(shù)、邊緣密度指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、分離度指數(shù)和周長－面積分維度指數(shù)7個指數(shù)進行分析，計算公式如下：

（1）斑塊密度指數(shù)。

式中：f（x）——景觀斑塊總密度；m——景觀斑塊總數(shù)；A——景觀總面積；fi（x）——i類景觀斑塊密度；m——i類景觀斑塊總數(shù)；Ai——i類景觀總面積。

（2）邊緣密度指數(shù)（ED）。

式中：Ai——景觀類型i的總面積；Pi——斑塊周長之和。

（3）景觀多樣性指數(shù)（H）。多樣性指數(shù)表示濕地景觀類型的多樣性。計算公式：

式中：pk——k種景觀類型占總面積的比；m——研究區(qū)中景觀類型的總數(shù)。

生活在我國云南西雙版納的亞洲象葬禮極為隆重。當一頭象不幸遇難或染疾死亡，象群便會結(jié)隊而行，在首領的帶領下將死者運送到山林深處。雄象們會用象牙掘松地面的泥土挖掘墓穴，將死者放入后，大家一起用鼻子卷起土塊朝墓穴內(nèi)投去，將死者掩埋。然后首領帶著大家一起用腳踩土，將墓穴踩得嚴嚴實實。最后首領發(fā)出一聲號叫，大家便繞著墓穴慢慢行走，以示哀悼。

（4）均勻度指數(shù)（E）。表示景觀里不同景觀類型分配的均勻程度。計算公式：

（5）優(yōu)勢度指數(shù)（Do）。優(yōu)勢度指數(shù)表示景觀由少數(shù)幾個主要的景觀類型控制的程度。計算公式：

式中：Hmax——研究區(qū)內(nèi)各類景觀所占比例相等時的多樣性指數(shù)，即最大多樣性指數(shù)。

（6）分離度指數(shù)（S）。

式中：A——研究區(qū)內(nèi)景觀的總面積；N——景觀類型i中的斑塊總個數(shù)；Ai——i類型的面積；S——景觀類型的分離度。

（7）周長—面積分維度指數(shù)（D）。斑塊的分形維數(shù)表示斑塊的自相似程度，通常采用周長與面積的相關關系進行計算。計算公式：

式中：P——單個斑塊周長；A——單個斑塊面積；D——分形維數(shù)。一般D值在1～2之間，K＝4為常數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型變化過程分析

表1 研究區(qū)景觀類型動態(tài)變化

表1中數(shù)據(jù)顯示，除2000—2007年間未利用地和耕地面積有所減少之外，其他類型的面積都有不同程度的增加。其中變化幅度最大的是草地，由15 238.1km2大幅度增加到15 385.4km2，其次是未利用土地，由4 071.0km2大幅度減少到3 935.8 km2。此外，林地和水域面積分別增加了23.3km2和17.7km2，但耕地面積由234km2減少到220 km2，而且有持續(xù)減少的趨勢。耕地減少的面積主要轉(zhuǎn)移為城鄉(xiāng)、工礦居民點用地和草地，它們的比例分別為1.39%和1.35%。由于人口的迅速增長導致城市規(guī)模的不斷擴大，大量農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)為非農(nóng)業(yè)用地，使優(yōu)質(zhì)耕地所占比例持續(xù)下降，對未來食物安全和生態(tài)安全帶來嚴重威脅。耕地向草地的轉(zhuǎn)化亦是退耕還草工程的結(jié)果。未利用土地減少的面積轉(zhuǎn)移為草地、水域和耕地的比例分別為4.34%，0.74%，0.23%。這也是草地面積增加的原因之一。另外一部分未利用土地轉(zhuǎn)移為城鄉(xiāng)、工礦、居民點用地，使城鄉(xiāng)、工礦及居民地的面積增加和類型數(shù)量增多。

從景觀類型的變化速度來看，未利用土地的變化速度最快，以年均21.60%的速度減少。除耕地面積減少之外，其他土地利用面積在一定程度上都有所增加，其中增加速度最快的是林地和水域面積。雖然草地面積的變化率不明顯，但高中覆蓋度草地面積的大幅度增加表明草地覆蓋度明顯提高。綜上，2000—2007年間全區(qū)景觀結(jié)構(gòu)被重新調(diào)整，生態(tài)環(huán)境有明顯好轉(zhuǎn)趨勢。

3.2 景觀格局動態(tài)變化分析

3.2.1 2000—2007年間鄂托克旗景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣 2000—2007年間鄂托克旗景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣如表2所示，林地景觀的轉(zhuǎn)出面積比例為0.25%，均轉(zhuǎn)為草地景觀；草地景觀的轉(zhuǎn)出面積比例為0.87%；其中0.01%轉(zhuǎn)移為水域，0.02%為轉(zhuǎn)移為城鄉(xiāng)、工礦居民點用地，0.64%轉(zhuǎn)移為未利用地，0.18%轉(zhuǎn)移為耕地；水域景觀的轉(zhuǎn)出面積為1.81%，其中0.15%轉(zhuǎn)為未利用地，0.03%轉(zhuǎn)為耕地；城鄉(xiāng)、工礦居民點用地景觀轉(zhuǎn)移面積比例為1.73%；未利用地景觀轉(zhuǎn)移面積比例為5.31%，其中0.23%轉(zhuǎn)為耕地；耕地景觀的轉(zhuǎn)出面積占該類型總面積的6.63%。

表2 2000－2007景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣 %

3.2.2 類型水平上的景觀指數(shù)分析

（1）斑塊密度及邊緣密度分析。從景觀格局指數(shù)（圖2）看，2000—2007年研究區(qū)域的斑塊密度、邊緣密度都有所增加，分別由2000年的0.046 5和4.795增至2007年的0.048 6和4.869 2，說明景觀破碎化程度加劇，景觀邊緣效應的影響有所上升。從景觀類型（圖2）看，水域和未利用土地的斑塊密度較大，林地的斑塊密度最小，表明水域和未利用土地的破碎化程度較高，景觀異質(zhì)性也高，但林地的破碎化程度最低，景觀異質(zhì)性也低；而草地和未利用土地斑塊邊緣密度較大，邊界割裂程度高，邊緣效應大，林地和城鎮(zhèn)、工礦居民地斑塊的邊緣密度較小，斑塊連通性高，邊緣效應小。

由各個指數(shù)的公式可以得到2000年和2007年研究區(qū)景觀格局指數(shù)，見圖2。從時間序列看，2000—2007年各景觀類型的斑塊密度越來越高，斑塊平均大小（MPS）減少，總斑塊數(shù)（NP）增加，反映出景觀斑塊向小型化發(fā)展，說明景觀整體破碎化程度加劇，景觀相互作用和協(xié)同共生的穩(wěn)定性減弱；2000—2007各景觀類型的邊緣密度越來越高，邊緣趨于復雜，其邊緣效應越來越大，表明氣候和人類的共同影響增加了生態(tài)環(huán)境治理的復雜性。

圖2 2000－2007年研究區(qū)景觀類型斑塊密度和邊緣密度

（2）分維數(shù)與分離度指數(shù)分析。分維數(shù)能較好地反映景觀斑塊復雜程度，其數(shù)值大小反映人類對景觀斑塊的干擾程度［3］。圖3表明，2000—2007年周長—面積分維度指數(shù)總體呈增長趨勢，說明7a間人類對景觀格局的干預程度增大，斑塊的自我相似性減小，幾何形狀趨于復雜化。其中變化較明顯的是耕地，城鄉(xiāng)、工礦居民點用地和未利用土地。耕地從2000年的1.453 6增加到2007年的1.492 2，這是由人口的迅速增長對土地和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大壓力而造成的。城鄉(xiāng)、工礦居民點用地從1.394 9增加到1.421 5，由于7a內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展及城鎮(zhèn)人口的不斷增加，使得城鄉(xiāng)工礦居民地的面積和形狀變化較大。未利用土地從1.444 2增加到1.483 5，是變化幅度最大的類型，是由當?shù)鼐用駥ξ蠢猛恋氐拇笠?guī)模開發(fā)利用，使其面積大幅度減少所導致的。

分離度描述景觀類型中不同元素或斑塊個體分布的離散程度，在一定程度上反映了人類活動強度對景觀結(jié)構(gòu)的影響［10－15］。分離度越大，景觀在地域分布上越分散，其穩(wěn)定性差。由圖3可知，2000—2007年，除草地和未利用土地的分離度較小之外其他類型的分離度均較大。分離度變化幅度最大的是城鄉(xiāng)工礦居民點用地，從2000年的0.363 9增加到2007年的0.690 6，這主要是因為經(jīng)濟快速發(fā)展和區(qū)域內(nèi)人口不斷增加，導致人們對房屋居住的需求擴大以及新的工礦用地的不斷增加，從而引起新城鄉(xiāng)工礦居民地的出現(xiàn)。其次變化較大的是水域，從2000年的0.285 6減少到2007年的0.215 2，說明水域各斑塊的離散程度減小，由于水域面積增加使得之前的某一些面積較小且距需較近的斑塊連接在一起造成了斑塊數(shù)目的減少。

圖3 2000－2007年研究區(qū)景觀類型的周長－面積分維數(shù)和分離度

3.2.3 景觀水平上的景觀格局指數(shù)分析 景觀水平上的景觀指數(shù)能夠定量地反映研究區(qū)總體景觀空間格局及變化特征。其中多樣性指數(shù)是景觀類型的多樣性和復雜性的度量，多樣性指數(shù)的高低反映了景觀類型的多少以及各類型所占比例的變化［16－19］。當斑塊類型相同時，斑塊類型間所占比例差異越大，景觀多樣性指數(shù)越小；當斑塊類型所占比例相等時，斑塊類型數(shù)越多，景觀多樣化指數(shù)越小。由表1看出，鄂托克旗2000年的景觀多樣性指數(shù)為0.71，2007年的景觀多樣性指數(shù)為0.72，在研究期內(nèi)鄂托克旗的景觀多樣性指數(shù)呈增加趨勢，說明各景觀類型間所占比例差異在減小。

優(yōu)勢度指數(shù)用于測量景觀類型中一種或幾種類型支配整個景觀的程度，它與多樣性指數(shù)近似成反比，對于景觀類型數(shù)目相同的地區(qū)多樣性指數(shù)值越大，其優(yōu)勢度指數(shù)越小。由表1看出，2000—2007年研究區(qū)景觀優(yōu)勢度指數(shù)以0.012 5的幅度減少。說明具優(yōu)勢的景觀類型的主導地位在逐漸下降，也即鄂托克旗的草地、未利用地景觀的主導地位在下降。

均勻度指數(shù)描述不同的景觀類型分配的均勻程度。均勻度越大，表示景觀中各組成要素的差異越小，分布的均勻程度越大［20－24］。從表1看出，研究期間景觀均勻度指數(shù)從0.379加到0.401，表明鄂托克旗的各景觀類型之間的差異性在減小。

4 結(jié)論

（1）草地景觀是鄂托克旗的唯一基質(zhì)，草地和未利用土地景觀始終占研究區(qū)總面積的95%以上。2000—2007年間變化幅度較大的是草地和未利用土地，變化速度最快的是未利用土地，以年平均21.60%的速度減少。大部分未利用土地被草地、耕地和城鄉(xiāng)工礦居民地替代，從而使草地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積增加。但耕地轉(zhuǎn)為林地和城鄉(xiāng)工礦居民地的比率大于未利用地轉(zhuǎn)為耕地的面積，所以耕地的面積減少，并且有持續(xù)減少的趨勢。

（2）研究區(qū)的斑塊密度、邊緣密度都有所增加，景觀破碎化程度加劇，景觀邊緣效應的影響有所上升；景觀類型的周長面積分維度指數(shù)總體呈增加趨勢，類型內(nèi)部斑塊的自我相似性減小，幾何形狀趨于復雜化。說明人類活動破壞了鄂托克旗整個景觀的整體性和完整性。

（3）從各景觀類型的分離度變化趨勢看，城鄉(xiāng)工礦居民地的分離度明顯增加，而水域的分離度明顯減少，這種趨勢與半自然景觀類型的分離度較小，而人工景觀類型的分離度較大的結(jié)論相符。

（4）景觀多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)呈增加趨勢，而優(yōu)勢度指數(shù)呈減小趨勢表明，隨著人類開發(fā)強度的增加，部分未利用土地被開發(fā)為耕地和城鄉(xiāng)工礦居民點用地，使未利用土地內(nèi)部出現(xiàn)了大量其他景觀類型的斑塊，破壞了未利用土地景觀原來的整體性，斑塊數(shù)量增多，區(qū)域景觀異質(zhì)性增大，景觀格局愈來愈受多數(shù)斑塊所控制，說明人類活動對其的影響越來越大。

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