基于景觀尺度的艾比湖保護區LUCC變化及其驅動力分析

王 璐，丁建麗

（1.新疆大學 資源與環境科學學院，烏魯木齊830046；2.綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊830046）

土地利用變化與景觀格局的相互作用機制是全球環境變化的研究焦點［1］，尤其在近幾年，政治經濟飛速發展，人類活動對區域土地利用及其生態環境造成了很大影響，由此而引發的地表覆被變化已經對生態水文過程產生了巨大變化。目前雖然已有眾多學者針對區域土地利用／覆被變化進行了研究［2－5］，但目前進行長時間以區域或流域尺度為主，基于景觀尺度的土地利用變化研究及其驅動力分析工作還較為薄弱。隨著景觀生態學這一綜合交叉學科的發展，為綜合的、宏觀的、深入的、系統的解決上述問題提供了重要的理論基礎和研究手段。由于針對艾比湖保護區，進行長時間尺度的景觀格局演變及其驅動力因素的定量化研究仍不多見，本文以景觀生態學原理為基礎，實測氣象水文數據與3S技術相結合，研究艾比湖保護區40a期間的景觀格局的時空演變，旨在揭示外界因素（包括自然、人文因素）與該地區景觀格局變化之間的關系，本研究的分析結果將有助于艾比湖保護區的資源開發與利用，對生態系統可持續管理與發展提供科學依據。

1 研究區概況

艾比湖保護區位于中國新疆博爾塔拉州精河縣境內（82°35′—83°10′E，44°54′—45°08′N），是新疆重要的濕地之一，2008年被國務院批準為國家級自然保護區。艾比湖是新疆面積最大的咸水湖。該湖地處準噶爾盆地西南部，是博爾塔拉河、精河、奎屯河等多條內流河的匯聚中心。艾比湖保護區位于景觀過渡帶、生態脆弱帶，湖區范圍內景觀類型多樣，同時生物類型豐富，在區域環境演變過程中具有強烈的響應特征，它不僅是中國內陸荒漠中為數不多的荒漠物種集中分布區，而且是指征準噶爾盆地生態環境變化的關鍵地區。艾比湖湖區的景觀動態變化劇烈，是全球變化影響過程在區域變化中的重要表現。從景觀生態學的角度定量分析研究艾比湖保護區的景觀格局變化特征，可以從中發現保護區內存在的主要生態環境問題，尋找問題根源所在以及問題的發展趨勢，為該區域乃至其他相類似的區域未來的生態、經濟建設提供有力的建設性意見和科學的參考依據。更重要的是艾比湖保護區具有典型的山地綠洲—荒漠生態環境特點，有非常重要的戰略地位［6］。但由研究與統計數據可知，隨著植被大面積增加，入湖水量逐年減少［7］。同時由于其特殊的地理條件，生態環境對氣候變化的響應和承受力都比較敏感與脆弱［8－9］。

2 數據與方法

2.1 數據源與數據預處理

該研究的本底資料有：（1）研究區1972年、1990年、1998年以及2011年的美國陸地衛星Landsat TM／ETM＋／MSS影像；（2）艾比湖保護區植被分布1∶250 000地圖；（3）精河縣統計年鑒（人口、土壤、社會經濟等）。（4）精河縣1953—2012年12個站點的氣象數據。

2.2 遙感圖像的處理

從影像數據庫中選取影像質量清晰完整，有代表性的1972年9月、1990年10月、1998年9月以及2011年9月的美國陸地衛星Landsat TM／ETM＋影像。將研究區域的4期遙感影像分別進行預處理。采用監督分類的SVM（支持向量機）［10］方法對上述遙感影像進行監督分類，確定7種景觀類型：水體、沼澤、鹽堿地、植被、沙地、裸地、其他類（包括戈壁、黏土、光板地等），分類結果采用最常用的Kappa系數法進行精度檢驗。

2.3 土地利用／覆被動態度分析

土地利用／覆被的動態度指研究區內一定時間范圍內某種景觀類型的數量變化［11］。分為單一土地利用／覆被的動態度、綜合土地利用／覆被的動態度［12］。動態度指定量表示了研究時間段內地物變化的相對變化速度：

式中：K——所選用的研究時段某個景觀類型的變化率；Ua，Ub——研究時段開始與結束時，研究區景觀類型面積；T——研究時段。

2.4 景觀格局動態變化

將景觀生態學［13］中不同景觀類型數量動態變化指數模型應用到研究區不同土地利用類型的生態變化規律中。Fragstats 3.3雖然能計算超過60種的指數，但各個指數是高度相關的［14］，所以選取其中具有代表性且足以描述景觀異質性特征的選取斑塊數量（Number of patches（NP））、斑塊形狀指數（LSI）、景觀豐富度指數（landscape richness），Shannon多樣性指數（Shannon′s diversity index），Shannon均勻度指數（Shannon′s eveness index）等對研究區地物進行研究分析。

2.5 氣溫與降水的時間變化分析

以降水量為例，通過距平分析，研究近40a降水量變化趨勢與異常情況。運用回歸分析（Regression Analysis）建立因變量Y與自變量X之間關系的模型。了解兩個或多個變量間是否相關、相關方向與強度，并建立數學模型以便觀察特定變量，從而確定氣溫、降水、徑流量等變量的相互作用關系。

2.6 主成分分析

人類活動與氣候因素是影響景觀格局變化的重要驅動力。然而各個驅動因素之間關系錯綜復雜且相互干擾，只研究各個因素的相關性無法滿足研究需要。為了減小分析誤差，本研究從自然條件、經濟增長、農業生產等驅動因素入手，基于艾比湖保護區的1972—2011年統計年鑒，共選取各產業產值、人口增長數等共計12個可定量研究的因子進行主成分分析，分析過程在SPSS軟件中完成。

3 結果與分析

3.1 影像分類

通過多次調整各期影像的解譯、分類結果，直至達到解譯分類效果的有關指標要求，即總體精度＞80%同時Kappa系數＞0.8。再根據分類結果統計近40a來的不同地物類型的變化情況，同時建立轉移矩陣，分析各類地物的相互轉化情況。通過定量分析該轉移矩陣，計算出土地利用變化的動態度，通過這一過程從景觀生態學的角度，計算各個景觀指數的變化，并結合氣象站點資料進行回歸分析研究景觀格局變化與生態水文的響應。這一過程為后期的綜合分析打下了基礎（圖1）。

圖1 研究區分類影像

3.2 艾比湖保護區土地利用／覆被類型總體變化特征

由數據分析初步得出，近40a研究區景觀類型格局的空間轉移情況變化明顯，并且，各景觀類型間的面積轉換頻繁。通過ENVI 5.0軟件根據分類結果做1972—1990年，1990—1998年，1998—2001年各個地物的轉移矩陣，并根據其轉移百分比做出地類變化情況（圖2），對1972—1990年，1990—1998年，1998—2011年3個時段的土地利用／覆被的空間轉移情況分別進行分析。

（1）1972—1990年地物的轉移變化十分突出：整個研究區土壤鹽漬化的變化較為劇烈，湖面周圍各類地物明顯向沼澤轉化，位于湖區西北部區域鹽堿地轉化為沼澤地較為強烈，而位于湖泊東南部的研究區下部裸地與沙地、鹽堿地、沼澤的相互轉化較為強烈，其中鹽堿地與植被轉化面積最大。鹽堿地雖然面積有所減少，但轉化幅度較大，其來源依次是沼澤、裸地。植被向沙地的轉化比較明顯，水體向沙地、裸地、植被轉化比例非常小，除水體的總體轉化比例較小以外，其余地物轉化比例都較為強烈。

（2）1990—1998年鹽堿地面積大幅增加，其向沼澤的轉化幅度較大，在研究區下部，沙地向裸地的轉化比例較高。各類地物向水體的轉化均不顯著，沼澤面積有所減少，且向其他地物的轉化明顯，雖然鹽堿地與沼澤的互相轉化與1972—1990年相比變化幅度明顯減輕，但仍有多達26.13%的面積轉化為鹽堿地。

（3）1998—2011年研究區鹽堿地向沼澤與裸地的轉化比例十分劇烈，水體的變化相比1972—1990年，1990—1998年轉化比例加劇，植被面積大幅增加，主要來源于沙地與沼澤的轉化。除其他類與水體外的地物轉化比例都較為強烈。

3.3 景觀尺度的流域景觀格局動態變化分析

1972—2011年研究區的土地利用／覆被情況發生了較大的變化（表1），斑塊的數量先持續增長后減小。而Shannon多樣性指數與Shannon均勻度指數先持續降低，再到2011年升高。從景觀異質性的角度分析，研究區的景觀異質性程度呈現先下降再上升的趨勢，同時，景觀豐富度指數始終保持不變。可以認為均勻度指數與景觀多樣性指數先下降再上升的趨勢，是景觀利用類型的面積分布先呈現下降趨勢再呈現上升趨勢的結果。同時景觀類型也趨向多樣化發展。景觀類型越豐富，破碎化程度越高，其信息含量和信息的不定性就越大。

圖2 1972－1990年、1990－1998年、1998－2011年各個地物的轉移百分比

在1972—1998年間鹽堿地的斑塊數量呈現迅猛增長（表2），這是改革開放初期肆意的開荒和土壤的鹽漬化和沙漠化的結果，2006—2010年大幅度增加，到2011年又有了大幅度的減小，這一結果主要是由鹽漬化斑塊逐步連接成片造成的，說明了鹽漬化的進一步加劇。1972—1998年，鹽堿地的景觀聚集度越來越小，充分說明在此期間土壤鹽漬化的問題不斷加劇，而到2011年，鹽堿地景觀聚集度則變大，說明鹽漬化問題有了一定程度的減輕。植被的斑塊呈現出較為復雜的情況，說明政策的導向作用與人為追求經濟增長的復雜交替。

表1 1972－2011年研究區景觀特征值

表2 1972－2011年研究區景觀斑塊類型特征值變換

4 景觀格局變化驅動力

影響研究區景觀格局演變的驅動力可以分為自然因素、社會因素兩方面。自然因素中土壤、氣溫、降水等被認為是主要的驅動力類型。社會因素則包括政策導向、經濟發展能力等。而景觀的變化是社會因素與自然因素綜合作用的表現。

4.1 主成分分析

通過運用SPSS軟件，對選取的12個指標進行主成分分析研究，納入標準為：特征值大于1，其占方差百分數的累加值大于85%，共提取3個主成分，累積方差貢獻率為89.877%。由表3知，第一主成份主要是農牧業、產業投資等與經濟發展有關的因素相關性強的因子；第二主成分與氣候因素顯著相關。第三主成分與人口因素相關性較為顯著。通過對信息的歸納，將各個主成分命名為：經濟發展因素、氣候因素和人口因素并從這3方面就艾比湖保護區景觀變化原因進行探討。

4.2 自然因素

研究區在2008年被列為國家自然保護區，近年來，受人為因素干擾逐漸減小。同時，通過主成分分析可以看出，氣候因素對于保護區景觀變化的定量研究具有重要的意義。

表3 主成分載荷

4.2.1 氣溫、降水量因素 通過對研究區年均氣溫的距平氣溫分析可以看出（圖3），近40a來，氣溫的年際變化呈現升高趨勢，其中，1972—1990年年均氣溫以偏低為主，累計距平呈現下降趨勢；1990年前氣溫明顯升高，累計距平呈現上升趨勢，但趨勢較為平緩；進入1990年至今，氣溫偏高，累計距平呈現明顯上升趨勢。同時通過多項式擬合進行分析，40a間，研究區氣溫呈現增長趨勢。氣溫的上升趨勢會逐步改變人們的土地利用方式，而通過對主成分的分析，人口、經濟增長等因素是造成景觀格局變化的主要驅動力，氣溫無疑對降水量遠遠大于蒸發量的干旱區耕作或工業活動具有重要的影響，人口等因素的增長不可避免地對自然資源，尤其是水資源利用量加大，而氣溫對蒸發量的進一步影響造成對景觀格局的改變。

圖3 1972－2011年均氣溫距平隨時間的變化

4.2.2 年徑流量因素 影響徑流量的因素包括氣象因子與地形地貌因子以及人類活動的影響等。為查明LUCC對于研究區內水文效應的調節作用，首先需要剔除氣象等因子的干擾，以下對氣象與水文的響應進行分析。

采用精河氣象站水文年降水平均序列以及年平均溫度、年平均風速、蒸發量等和精河的年徑流序列進行逐步回歸分析，入選剔除因子顯著性水平取0.05，只有年降水被選入了回歸方程。對徑流量和降水量建立線性回歸方程：

式中：Y——徑流量；X——年降水量。該回歸方程R2＝0.305，再對回歸方程進行檢驗，得出F＝16.259，大于α＝0.01時F的臨界值7.35，說明回歸方程的整體顯著性。同時，徑流與年降水的相關系數為0.545，這一結果通過了α＝0.01的顯著性水平檢驗。

由表3中可知，當年降水量偏多或偏少10%時，地表徑流都會相應偏多或偏少6.9%，當年降水量出現20%（或30%）變化時，徑流量會出現13.8%（或22.6%）的響應。

由分析可知，氣象因素中，降雨量對徑流量具有最大的相關性，同時徑流對年降水量具有正響應。

表3 精河徑流量對降水變化的響應

降水量變化是徑流的直接貢獻因子，通過對研究區年均降水量的距平降水量（圖4）分析可以看出，近40a來，降水量年際變化呈增多的趨勢，其中在1972—1990年，年降水量偏少，累計距平呈現下降趨勢；降水量的減少直接影響了水體的總量，尤其這一時期，人類對流域的影響不明顯，自然因素對流域水量的增減占主導，其中降水因素是影響流域水體多少的重要因素。同時圖5中顯示，降雨量變化趨勢與徑流量變化趨勢幾乎保持一致。1990年前降水明顯增多，累計距平呈現上升趨勢，但趨勢較為平緩，但水體面積幾乎保持不變，可見仍然有其他因素干擾了水體面積的增加。

進入1990—1998年，降水偏多，累計距平呈現明顯上升趨勢。而水體的面積變化幅度依然較小，同時圖5中也可以看出，年徑流量趨于平穩，多年基本保持不變，降水量與徑流量的趨勢相關性不大，說明流域產流受到其他景觀變化調節作用的影響，此時鹽堿地面積減少了7.81%，沼澤也減少了10.12%，植被則增加了18.8%。同時由圖4降水量距平分析可知，降水量基本呈現上升趨勢，但研究區的湖面面積仍然呈現緩慢下降趨勢，這與政府在1998年的開荒政策，將許多天然林轉化成了耕地，使得人類對水量的需求更加增多，尤其在湖區周圍對植被、沼澤等景觀的改變，使得水量增加不明顯有關。而后期政府的植樹造林防止土地沙漠化等治理工程的實施，推動了植被等景觀的結構改變。可見自然條件與政策導向的雙重因素是流域水域變化的根本原因。

圖4 1972－2011年降水量距平隨時間的變化

圖5 流域的降雨量與徑流量變化

4.3 人為因素

通過主成分分析得出，與經濟發展有關的因子是影響景觀變化格局的最主要因素，流域的土地利用結構在經濟發展收益的驅動下由低產值產業向高產值產業轉移，1998—2011年隨著當地人口的增長和經濟發展的需求，天然植被以及大量荒地被開墾成為耕地，致使該時段內的植被斑塊數目呈現出增長的態勢。結合表1，1998年研究區的斑塊形狀指數略大于其他年度，說明研究區景觀整體的形狀結構比其他年度更復雜。這也與研究區經濟的發展過程中，棉花價格上漲，棉田面積相應擴大有關。政府出臺了“大力發展林果業”的政策，此期間新開墾了萬畝田地種植葡萄和枸杞［15］，耕地出面大面積的轉化。1998—2011年，斑塊形狀指數逐漸減少，而斑塊形狀的復雜性是隨著社會發展水平尤其是農業化發展水平的提高而降低的，這說明這一區域的景觀形狀、結構隨著農業化發展逐步趨向于規則，也說明研究區在人類社會經濟活動的影響下，其景觀形狀趨于簡單化和規則化。而經濟發展已經成為研究區耕地轉化的重要因素。

土地作為人類賴以生存的物質基礎，改變人類的生存環境。人口數量的增減直接影響了景觀格局變化。而艾比湖處于綠洲—荒漠交錯帶，其特殊的自然環境決定了它脆弱的生態系統。一旦遭到破壞，生態環境恢復難度很大。近幾十年來，精河、博河及奎屯河灌區不斷向湖濱地區擴展，耕地的擴大都是開發原有天然植被較好的土地，開墾過程中存在的盲目性又導致棄耕地增多。湖區近代自然環境演變及出現的湖泊急劇干縮、災害性天氣增加、沙漠化擴展，植被惡性演替以及近幾十年的人類活動對艾比湖環境產生了嚴重影響［16］。這些因素加速了艾比湖保護區的景觀格局的演變。在國家將研究區確立為保護區后，雖然湖區情況有所改善，但仍需要科學的導向作用和保護措施，抑制天然植被的減少、湖面面積的萎縮和鹽漬地面積不斷擴大的態勢。當地政府應該加大對沙漠化、鹽漬化等問題的宣傳力度，使人們對生態環境問題的危害性有更深層次的了解，同時應該根據現狀，結合國家政策法規進行進一步的規劃，合理投入人力、物力和財力，引進實用先進的生產技術和科學的管理經驗，引進人才，加大對保護區的管理力度，減少人為因素對湖區的影響。

4.4 流域MODS耦合系統對LUCC作用

艾比湖保護區屬于典型山盆—綠洲—荒漠（MODS）耦合系統，其作為一個復合系統，探討干旱區MODS耦合關系，同時研究系統之間過渡帶的特征，對認識系統界面上對區域資源承載力的界定、界面所發生的生態過程，生態環境的閾值與容量具有重要作用［17］。

山地特征：近40a溫度和降水的變化會導致冰川和冬季積雪、春季融雪的變化，對年徑流過程影響來看，使得徑流的汛期提前，同時，流域內一些山地已經作為放牧、旅游等被開發，生態系統較為復雜。

綠洲：綠洲作為人類活動的中心，受到自然和人為因素的影響與制約，同時，綠洲類型由于人類的改造已經有了很大的差異性，生態環境的脆弱性程度也有所不同。由產流區季節性水文變化導致的人工和天然綠洲植被變化，溫度變化引起蒸發量變化，灌溉模式、生產生活方式的變化導致綠洲變化。

荒漠：屬于徑流耗散區，水文變化和引水灌溉導致的荒漠植被和鹽漬化動態變化，周圍綠洲的調節引起的溫度變化導致蒸散發量變化從而引起鹽漬化和其他問題。荒漠地區受人類的干預也變得越來越多，考察、探險、放牧等人類活動使得荒漠地區的生態環境變得十分敏感脆弱。在MODS中，水是聯系及溝通各子系統之間最有生態價值的要素。各種水分的賦存形式及其相互轉化過程中，存在著極其復雜的關系［18－20］。尤其在干旱區，水資源水質的演變狀態及水資源的消長變化，直接影響著MODS系統生態過程的正常進行和系統的穩定性［17］。在這種背景下，LUCC直接受到人為活動的干預，制約了一系列生態過程的正常進行，加重了干旱環境的嚴酷性與脆弱性。

5 結 論

（1）近40a研究區景觀類型格局的空間轉移情況變化明顯，各景觀類型間的面積轉換頻繁，景觀利用類型的面積分布呈現先下降再上升的結果。同時景觀類型也趨向多樣化發展。景觀類型越來越豐富，破碎化程度越來越高。

（2）通過對研究區年均氣溫、年均降水量以及徑流量的分析，可見自然因素并不是影響艾比湖保護區生態格局的決定性因素。經濟發展是驅動艾比湖保護區LUCC變化的最主要驅動因素。為了能夠維持保護區的可持續發展，同時更好地體現出景觀生態的功能，必須逐步優化景觀格局，維護景觀格局的連續性，同時政府的決策對LUCC起到了很大的作用。

本文運用的景觀生態的動態研究方法是相對適應長時間，大范圍的研究的，同時從多因素多角度考慮到了影響艾比湖保護區湖面面積變化與土地利用變化因素。另一方面，本文將景觀生態學中景觀格局動態變化分析方法引入到作物格局動態變化分析中，借助前人提出的數理統計方法可以很好地描述土地利用的結構變化情況。

本研究的思路和方法是對前人研究的一個有益補充和完善。通過研究土地利用／覆被變化的特征，揭示該綠洲的LUCC變化特點，可以為后期對流域景觀格局變化進行情景模擬提供數據支撐，為未來艾比湖保護區土地利用規劃及其流域水資源管理提供一定的科學依據。本文雖然初步研究了艾比湖保護區的LUCC變化及其驅動力，但新疆地域類型復雜，農業生產覆蓋較集中、季節性強、南北疆區域差異大、農業種植結構極其復雜，TM遙感數據分類精度與氣象水文數據的測量存在一定的誤差，怎樣最大程度上減小誤差，在眾多影響土地利用變化因素中提取最關鍵因素，確定保護區抑制生態環境惡化的對策亟待解決；另一方面，艾比湖保護區具有典型的山地綠洲—荒漠生態環境特點。同時也是自治區重點發展的天山北坡經濟帶的重要組成部分，隨著自然因素與人為因素對其的雙重干擾，這一區域的水資源短缺等與流域生態水文變化有關的一系列問題都是亟待解決的，當自然因素無法改變時，注重土地利用的管理與規劃是十分重要的。

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