白城市鹽堿地景觀格局及其情景演化預測

杜會石，滕澤宇，陳智文，孫 宏，王梓橦

（1. 吉林師范大學生態環境研究所，吉林四平136000；2. 河北民族師范學院初等教育系，河北 承德067000）

土壤鹽堿化是土地荒漠化的主要類型之一，是不合理的人類活動在脆弱的生態地質環境上作用的結果[1]。土壤鹽堿化已成為國際學術界關注的焦點，2005年，第一屆國際鹽漬化論壇在全世界范圍內拉開了新一輪土地鹽堿化相關研究的序幕[2]。我國鹽堿地總面積約3 600萬hm2，占全國可利用土地面積的4.88%，主要分布在東北、華北、西北和沿海地區[3]。東北地區尤以吉林省西部地區最為典型，鹽堿地面積達30.95 萬hm2，土地鹽堿化嚴重影響了該區的農業生產和經濟建設，并對生態環境構成了較大威脅。

景觀格局指數是表征地表景觀特征的有效方式，而情景模擬是預測未來發展態勢，為政府提供輔助決策的有效手段。楊越等[4]報道了Markov 模型在吉林西部土地利用變化預測中的應用。湯杰等[5]利用1989年和2004年的Landsat 系列影像，基于CA-Markov 模型對吉林西部土地利用景觀進行了預測，指出未來15 a 吉林西部的鹽堿地將以1.45%/a 的速率遞增。但這類研究所用數據較為陳舊，亟需利用現勢性強的遙感數據，分析近期鹽堿地景觀變化特征及未來演變趨勢。

白城市位于吉林省西部，地處我國北方生態脆弱帶，區域環境對氣候變化敏感。近幾十年，隨著人類活動的加強，土地鹽堿化問題日趨凸顯。因此，在該區開展鹽堿地景觀格局分析及情景模擬勢在必行。筆者基于3S技術，分析近10 a 吉林省西部白城市鹽堿地景觀格局特征，并對未來演化情景進行預測，為該區土地資源可持續管理提供科學依據。

1 數據處理及研究方法

1.1 研究區概況

白城市位于吉林省西部（121°38′～124°22′E，44°13′～46°18′N），總面積25 775 km2；屬中溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季溫熱多雨，秋季涼爽干燥，冬季寒冷少雪；年均光照時數2 890.9 h，年均溫4.5 ℃，年均降水量416.2 mm。

1.2 土地利用數據獲取與處理

數據源為2000年、2010年的Landsat TM 數據和2014年的Landsat OLI 數據（空間分辨率為30 m）。同時獲得該區1∶100 000 地形圖用作影像幾何校正，收集土壤類型圖、地質地貌圖用于輔助解譯。選取TM432、OLI543 波段進行標準假彩色合成，以地形圖、實地典型地物作為控制點，對各期影像作幾何精校正，誤差控制在0.5個像元內。對同期影像作直方圖匹配和拼接處理，再按行政區劃界限裁剪[6]。

1.3 景觀格局指數分析

1.3.1 景觀分形維數 用r 為尺度去分析某種景觀要素斑塊的幾何形態[7]，則有：

式中，D 為景觀斑塊結構分維值，P 為景觀斑塊周長，A 為面積，k 為常數。D 值表示某景觀斑塊結構的穩定性，其值越大，說明該要素斑塊結構越復雜。因此，可用穩定性指數來衡量：

式中，SK 為景觀斑塊結構穩定性，D 為景觀斑塊結構分維值。

1.3.2 分離度（Isolation）指數（Fi） 該指數越大，表明景觀在地域分布上越分散[8]。分離度指數的計算公式為：

式中：Fi為景觀類型i 的分離度，n 表示景觀類型i中的元素個數，Ai 為第i 類景觀的面積，A 為研究區總面積。

1.3.3 景觀破碎度指數C 破碎度可以體現土地覆被斑塊的大小，從而揭示人、自然環境與土地覆被格局間的相互作用，它與土地覆被格局、功能和過程聯系密切。

式中，Σni為景觀中斑塊的總個數；A 為景觀的總面積。

1.3.4 景觀蔓延度指數（CONTAG） 蔓延度描述的是景觀里不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢。該指標包含空間信息，高蔓延度說明景觀中的某種優勢斑塊類型形成了良好的連接性；反之則表明景觀是具有多種要素的密集格局，景觀破碎化程度高。

式中，Pi為第i 類景觀所占的面積比例；gik為第i 和k 類景觀間相鄰格網單元數目；m 為景觀類型總數。

1.4 鹽堿地預測方法

1.4.1 Markov 模型 若隨機過程在有限的時序t1＜t2＜t3＜…＜tn中，任意時刻tn的狀態an只與其前一時刻tn-1的狀態an-1有關，稱該過程具有馬爾柯夫性，該過程為馬爾柯夫過程。在土地覆被變化預測中，將某一時刻的土地覆被類型對應于Markov 過程中的可能狀態，土地覆被類型間相互轉換的比例即為狀態轉移概率。可用下式進行預測：

式中，S（t）、S（t+1）分別為t、t+1 時刻土地覆被系統的狀態；Pij為狀態轉移矩陣。

1.4.2 CA 模型 CA 模型的特點是時間、空間、狀態都離散，每個變量都只有有限個狀態，而且狀態改變的規則在時間和空間上均表現為局部特征[9]。CA 模型可用下式表達：

式中，S 表示元胞有限、離散的狀態集合；t、t+1 表示不同時刻；N 表示元胞的鄰域；f 表示局部空間的元胞轉化規則。

1.4.3 CA-Markov 模型 在柵格圖中，每個像元視為一個元胞，每個元胞的土地覆被類型為元胞的狀態，元胞的當前狀態及鄰居狀況決定下一時期該元胞的狀態。具體實現過程為：（1）確定轉換規則，將研究區2000年、2010年解譯矢量數據轉換為柵格格式，通過GIS 疊置分析，得到土地類型轉移概率矩陣、轉移面積矩陣和條件概率圖像；（2）構造CA 濾波器，根據鄰居和元胞距離的遠近創建具有顯著空間意義的權重因子，使其作用于元胞，從而確定元胞的狀態改變；（3）確定起始時刻和迭代次數，以2010年土地利用數據為基礎，選擇循環次數用于預測未來鹽堿地變化。

2 結果與分析

2.1 鹽堿地景觀格局變化

在GIS 平臺支持下，采用人工目視解譯方式可提取各期鹽堿地信息（圖1）。利用GIS 的空間分析功能，可統計白城市鹽堿地面積變化情況，2000～2010年，白城市鹽堿地面積呈減少趨勢，由2000年的5 405.53 km2減少到2010年的3 925.09 km2，年均減少3.77%；而到2014年，該區鹽堿地面積減少到3 801.84 km2。鹽堿地減少區域分布于乾安縣西部及查干湖南部地區，主要是大量堿泡周圍鹽堿地縮小所致。

從表1 中可以看出，景觀分形維數呈持續減少趨勢，說明鹽堿地景觀斑塊的結構變得簡單；鹽堿地景觀分離度增加，由2000年的1.049 2 增加到2014年的1.435 1，表明原本空間上連續分布的鹽堿地斑塊，因分布面積縮減而彼此分離成獨立斑塊；而景觀破碎度和蔓延度指數減少，則進一步說明該區分散分布的鹽堿地面積銳減，且部分鹽堿地小斑塊已逆轉消失。

圖1 2000～2014年白城市鹽堿地遙感影像與解譯圖

2.2 鹽堿地情景模擬

利用CA-Markov 模型，模擬2014年土地利用格局，用于檢驗精度；再以2010年實際土地覆被格局為基礎，預測2020年土地利用情景。由圖2 可知，到2020年，白城市鹽堿地面積為3 180.05 km2。2010～2020年該市鹽堿地年均減少1.90%，較上個10 a 減少速度有所放緩。鹽堿地減少的空間位置集中于乾安縣以西的區域，并仍以堿泡周圍鹽堿地萎縮為主。

表1 2000～2014年白城市鹽堿地景觀格局變化

2.3 精度檢驗

目前，精度檢驗方法有選取綜合精度檢驗、定位精度檢驗和定性精度檢驗法等，其中定性精度檢驗又包括地面調查驗證、圖形對比驗證和抽樣統計驗證法[10]。該研究采用圖形對比法，將2014年模擬結果與該年解譯圖進行地圖代數，得出預測的精度為92.12%，模擬結果可信度較高。

3 結論

圖2 2014年白城市鹽堿地預測

以鹽堿化較為典型的吉林西部白城市為研究區，利用2000～2014年3 期遙感影像分析該區鹽堿地景觀格局變化特征，并通過CA-Markov 模型對該區鹽堿地未來的發展變化進行情景模擬，結果表明：（1）土地鹽堿化是典型的自然景觀演變過程，景觀格局分析方法能定量反演該區鹽堿地景觀的總體特征和變化趨勢，近14 a 來吉林西部白城市鹽堿地面積呈減少趨勢，凈減603.39 km2；（2）除景觀分離度指數增加外，景觀分形維數、景觀破碎度、景觀蔓延度等指數皆呈減少趨勢，鹽堿地景觀斑塊結構變得簡單，原本連續分布斑塊，因面積縮減而彼此分隔獨立，部分小斑塊已逆轉消失；（3）根據預測，未來6 a年內白城市鹽堿地面積仍呈現減少趨勢，但減少速度較目前有所放緩，減少的區域集中于乾安縣以西地區，并以堿泡周圍鹽堿地萎縮為主。

[1]杜會石.半干旱區土地利用/覆被變化及生態系統服務價值研究——以吉林省西部為例[D].長春：東北師范大學碩士學位論文，2008.

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[3]全國土壤普查辦公室.中國土壤[M].北京：中國農業出版社，1998.

[4]楊 越，杜會石，哈 斯，等.馬爾柯夫模型在預測吉林省西部土地鹽堿化發展趨勢中的應用[J].湖南農業科學，2012，（9）：60-63，64.

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[6]杜會石，南 穎，朱衛紅.圖們江流域土地利用變化對生態系統服務價值的影響[J].吉林大學學報（地球科學版），2010，40（3）：671-677.

[7]徐建華.現代地理學中的數學方法[M].北京：高等教育出版社，2002.

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