祁連山生物多樣性保護優先區域生態景觀格局動態變化分析

趙培強，陳明霞

(甘肅省環境科學設計研究院，甘肅 蘭州 730030)

生態景觀格局動態變化是景觀生態學研究的核心問題[1]，探索景觀格局動態變化及其驅動因子有助于發現景觀格局變化規律，探究人類活動與生態環境演變間關系，進而對景觀格局變化方向、過程和效應進行調控[2-7]。景觀格局在生態系統中功能十分重要，良好的景觀格局是物種生存和發展的基礎，景觀格局中斑塊的類型、大小、形態、組合、動態變化等對生物多樣性的發展影響較大[8-9]，因此研究生態景觀格局對區域生物多樣性的保護有重要的意義。

祁連山位于我國西北地區，區域物種資源豐富，珍稀和瀕危野生動植物種類和數量繁多，是我國西北地區重要的生物資源基因庫，該區域生物多樣性的保護具有很高的價值。2015年原環境保護部在全國劃定了35個生物多樣性保護優先區域，其中包括祁連山地區。本研究選取祁連山生物多樣性保護優先區域(以下簡稱“優先區”)甘肅區域為研究對象，采用生態遙感解譯技術，分析研究優先區甘肅區域5年間生態景觀格局動態變化，旨在為研究區域生物多樣性保護規劃和生態景觀保護提供參考依據。

1 研究區域概況

祁連山生物多樣性保護優先區域位于中國西北地區，甘肅省西部與青海省東北部交界處，總面積100 463 km2，涉及甘肅省和青海省的18個縣(區、市)，包括5個國家級自然保護區。優先區甘肅境內總面積65 525.63 km2，涉及蘭州、金昌、武威、張掖、酒泉5個市13個縣(區、市)，包括了甘肅祁連山國家級自然保護區、甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區、甘肅連城國家級自然保護區和甘肅鹽池灣國家級自然保護區共4個國家級自然保護區和甘肅昌馬河省級自然保護區、甘肅瓜州縣塘墩湖省級自然保護區2個省級自然保護區，有森林、草原、荒漠、濕地、河流、湖泊、耕地和城市等多種生態景觀，構成了復雜的生態景觀格局。祁連山生物多樣性保護優先區域甘肅境內范圍見表1。

表1 祁連山生物多樣性保護優先區域甘肅境內范圍

2 研究材料與方法

2.1 數據來源及處理

以2010和2015年兩期Landsat TM遙感圖像為主要信息源，結合研究區同期土地利用現狀圖、行政區劃圖和1∶5萬地形圖，在ArcGIS 10.2.1下對經校正的兩期影像分別進行裁剪處理，建立遙感解譯標志，進行人機交互式目視解譯，生成研究區域景觀類型圖，并分析研究區域景觀格局動態變化。參考研究區域土地利用和覆蓋特點，根據研究區生態環境實際情況，結合野外調查，將研究區景觀類型劃分為6種Ⅰ級生態景觀(森林-灌叢、草地、農田、濕地、城鎮、荒漠-裸地)和19種Ⅱ級生態景觀(闊葉林、針葉林、針闊混交林、闊葉灌叢、稀疏林、稀疏灌叢、草原、草甸、草地、園地、耕地、濕地、湖泊、河流、城市綠地、建設用地、裸地、荒漠、冰川)進行研究。

2.2 研究方法

2.2.1 生態景觀格局變化分析方法

在GIS技術支持下，對研究區生態景觀格局變化采用景觀格局轉移矩陣的方式進行分析研究[10-11]，分析景觀格局變化形式及景觀類型的轉換信息。

2.2.2 景觀特征分析方法

對研究區內生態系統景觀格局的變化運用景觀生態學中的景觀指數法進行分析，選取斑塊數(NP)、邊界密度(ED)、平均斑塊面積(MPS)、類斑塊平均面積(MPST)、聚集度指數(CONT)5個景觀指數，利用地理信息系統平臺ArcGIS和景觀結構分析軟件FRAGSTAST進行分析[12-14]。

(1)斑塊數(NP)。該指標用來衡量目標景觀的復雜程度，斑塊數量越多說明景觀構成越復雜。

NP=N

(1)

式中：NP表示整個景觀或單一景觀類型的斑塊數量；N為≥1的自然數，N=1時可認為整個景觀只有一個斑塊。

(2)邊界密度(ED)。邊界密度也稱為邊緣密度，包括景觀總體邊緣密度(或稱景觀邊緣密度)和景觀要素邊緣密度(簡稱類斑邊緣密度)，它是從邊形特征描述景觀破碎化程度，邊界密度越高說明斑塊破碎化程度越高。計算公式為

ED=E/A

(2)

式中：ED為邊界密度；E為邊界總長度；A為景觀總面積。

(3)平均斑塊面積(MPS)。該指標可以用于衡量景觀總體完整性和破碎化程度，平均斑塊面積大說明景觀較完整，破碎化程度較低。計算公式為

MPS=A/N

(3)

式中：MPS為平均斑塊面積；A為景觀總面積；N為斑塊數量。

(4)類斑塊平均面積(MPST)。它是景觀中第i類景觀要素面積的算數平均值，反映該類景觀要素斑塊規模的平均水平，平均面積最大的類可以說明區域景觀的主要特征，每一類的平均面積則說明該類在景觀中的完整性。計算公式為

(4)

(5)聚集度指數(CONT)。反映景觀中不同斑塊類型的非隨機性或聚集程度。聚集度指數越高說明景觀完整性越好，相對的破碎化程度越低，計算公式為

(5)

式中：C為聚集度指數；Cmax為最大聚集度指數；n為景觀中斑塊類型總數；Pij為斑塊類型i與j相鄰的概率。

3 結果與分析

3.1 生態景觀格局動態變化分析

3.1.1 生態景觀格局轉移矩陣分析

在GIS支持下，將獲得的研究區兩個時期的Ⅰ級、Ⅱ級生態景觀格局動態變化數據通過轉移矩陣的方式進行統計分析。Ⅰ級生態景觀格局轉移矩陣見表2。

由表2可知，研究區兩個監測時期6種Ⅰ級生態景觀類型沒有發生變化，但景觀格局發生變化：草地、農田、濕地、荒漠-裸地4種Ⅰ級生態景觀發生了矩陣

表2 2010—2015年優先區Ⅰ級生態景觀格局轉移矩陣 km2

轉出，局部面積轉移為其他生態景觀，也有其他生態景觀的轉入，其中草地生態景觀局部轉變為農田、濕地、城鎮和荒漠-裸地生態景觀，農田生態景觀局部轉變為森林-灌叢、草地和濕地生態景觀，濕地生態景觀局部轉變為草地、農田和荒漠-裸地生態景觀，荒漠-裸地生態景觀局部轉變為草地、農田、濕地和城鎮生態景觀；森林-灌叢、城鎮2種Ⅰ級生態景觀相對穩定，沒有發生矩陣轉出，但由于其他生態景觀的轉入，景觀格局也發生了變化，面積有所增大。

由Ⅱ級生態景觀格局轉移矩陣(略)可知，研究區兩個監測時期19種Ⅱ級生態景觀類型沒有發生變化，但景觀格局發生了變化。Ⅱ級生態景觀中，闊葉林、針闊混交林、闊葉灌叢、稀疏林、稀疏灌叢、園地、城市綠地7種生態景觀格局表現穩定，沒有發生矩陣轉移；其余12種生態景觀格局相對不穩定，發生了矩陣轉移，其中針葉林、草甸、河流、建設用地4種生態景觀沒有發生矩陣轉出，只有其他景觀面積轉入，而草原、草地、耕地、濕地、湖泊、裸地、荒漠、冰川8種生態景觀既發生了矩陣轉出，又有其他生態景觀面積轉入。發生矩陣轉出的8種生態景觀中，草原有0.48 km2轉移為耕地，0.01 km2轉移為湖泊，0.36 km2轉移為建設用地，極少量轉移為荒漠；草地有678.70 km2轉移為草甸，12.42 km2轉移為耕地，0.67 km2轉移為湖泊，2.26 km2轉移為建設用地，0.19 km2轉移為荒漠，極少量轉移為裸地；耕地有2.17 km2轉移為針葉林，0.15 km2轉移為草原，0.06 km2轉移為湖泊，極少量轉移為建設用地；濕地有0.05 km2轉移為荒漠；湖泊有0.08 km2轉移為草原，0.15 km2轉移為草甸，0.64 km2轉移為草地，0.49 km2轉移為耕地，2.52 km2轉移為濕地，1.91 km2轉移為河流，11.59 km2轉移為荒漠；裸地有13.66 km2轉移為冰川；荒漠有0.62 km2轉移為草地，2.44 km2轉移為耕地，0.09 km2轉移為濕地，0.88 km2轉移為湖泊，2.25 km2轉移為建設用地；冰川有7.92 km2轉移為裸地。

3.1.2 生態景觀格局轉移強度分析

在GIS支持下，對研究區兩個監測時期的Ⅰ、Ⅱ級生態景觀面積進行統計，分析5年間Ⅰ級、Ⅱ級生態景觀格局動態變化強度，具體結果見圖1、2。

圖1 Ⅰ級生態景觀格局變化強度

圖2 Ⅱ級生態景觀格局變化強度

圖1表明，2010—2015年，研究區Ⅰ級生態景觀中，森林-灌叢、農田、城鎮、荒漠-裸地生態景觀格局面積增大，草地、濕地生態景觀格局面積減少；從生態景觀轉移強度分析，濕地、城鎮、荒漠-裸地生態景觀格局轉移強度相對較大，森林-灌叢、草地、農田生態景觀格局轉移強度相對較小；從生態景觀轉移面積占研究區總面積比例分析，6種生態景觀格局轉移面積在0.53～11.28 km2之間，僅占研究區總面積的0.000 8%～0.017 2%，占比很小，說明研究區Ⅰ級生態景觀格局總體表現穩定。

圖2表明：2010—2015年，研究區Ⅱ級生態景觀中有12種生態景觀格局發生變化，其中針葉林、草甸、耕地、濕地、河流、建設用地、荒漠、冰川8種生態景觀格局面積增大，草原、草地、湖泊、裸地4種生態景觀格局面積減少；從生態景觀轉移強度分析，草甸、草地生態景觀格局轉移強度相對較大，針葉林、草原、耕地、濕地、河流、建設用地、荒漠、冰川、湖泊、裸地10種生態景觀格局轉移強度相對較小；從生態景觀轉移面積占研究區總面積比例分析，12種生態景觀格局轉移面積在0.34～693.6 km2之間，占優先區總面積的0.000 5%～1.06%，占比相對較大，說明研究區Ⅱ級生態景觀格局穩定性相對較差。

3.2 生態景觀特征變化分析

本研究利用ArcGIS 10.2.1軟件，選取研究區2010和2015年兩個時期6種Ⅰ級生態景觀和19種Ⅱ級生態景觀進行遙感解譯分析，利用景觀生態學中的斑塊數(NP)、邊界密度(ED)、平均斑塊面積(MPS)、類斑塊平均面積(MPST)、聚集度指數(CONT)5個景觀指數對研究區生態景觀特征進行分析，結果見表3、4。

根據表3數據分析， 研究區5年內Ⅰ級生態景觀

表3 2010—2015年研究區Ⅰ級生態景觀指數

指數總體變化不明顯，除斑塊數(NP)、聚集度指數(CONT)略有變化外，邊界密度(ED)、平均斑塊面積(MPS)、類斑塊平均面積(MPST)均沒有發生變化，表明5年內研究區Ⅰ級生態景觀格局比較穩定。根據景觀指數特性分析，研究區內斑塊數(NP)較大，邊界密度(ED)、平均斑塊面積(MPS)、類斑塊平均面積(MPST)、聚集度指數(CONT)相對較小，表明研究區Ⅰ級生態景觀破碎化程度較高。

表4 2010—2015年研究區Ⅱ級生態景觀指數

注：表中各景觀類型以代碼代替，11、12、13、14、15、16分別代表闊葉林、針葉林、針闊混交林、闊葉灌叢、稀疏林、稀疏灌叢，21、22、23分別代表草原、草甸、草地，31、32分別代表園地、耕地，41、42、43分別代表濕地、湖泊、河流，51、52分別代表城市綠地、建設用地，61、62、63分別代表裸地、荒漠、冰川。

根據表4數據分析，研究區5年內Ⅱ級生態景觀指數發生了一定的變化，從2010年至2015年，斑塊數(NP)增加，聚集度指數(CONT)有所降低，表明研究區5年內破碎化程度增加。通過對類斑塊平均面積(MPST)分析，湖泊、冰川MPST降低，表明評價斑塊面積減小，破碎化程度增加；闊葉灌叢MPST增加，表明闊葉灌叢類斑塊平均面積增大，破碎化程度降低；其他景觀MPST沒有發生變化，表明研究區類斑塊平均面積穩定。

4 結論與討論

(1)2010—2015年，祁連山生物多樣性保護優先區域甘肅區域Ⅰ級生態景觀中，景觀類型沒有發生變化，但景觀格局發生了動態變化；19種Ⅱ級生態景觀中，生態景觀類型沒有發生變化，但其中有12種生態景觀格局發生了動態變化，景觀面積有所增減。

(2)2010—2015年，祁連山生物多樣性保護優先區域甘肅區域Ⅰ級生態景觀格局中，6種Ⅰ級生態景觀格局均發生矩陣轉移，但轉移面積占比很小，表明研究區Ⅰ級生態景觀格局總體表現穩定。19種Ⅱ級生態景觀格局中12種景觀格局發生矩陣轉移，轉移面積占比相對較大，表明研究區Ⅱ級生態景觀格局總體穩定性相對較差。

(3)2010—2015年，祁連山生物多樣性保護優先區域甘肅區域Ⅰ級生態景觀指數變化不明顯，表明研究區Ⅰ級生態景觀穩定；Ⅱ級生態景觀指數有所變化，但總體變化幅度不大，表明研究區Ⅱ級生態景觀發生了變化，但變化不明顯，生態景觀總體表現穩定。

(4)祁連山生物多樣性保護優先區域甘肅區域兩個監測時期的景觀特征中，斑塊數(NP)較大，邊界密度(ED)、平均斑塊面積(MPS)、類斑塊平均面積(MPST)、聚集度指數(CONT)等較小，表明研究區域生態景觀復雜，景觀破碎化程度較高，研究結果與甘肅省河西走廊復雜的生態環境相符。

(5)生態景觀格局動態變化與區域生物多樣性保護存在一定的關系，研究結果表明，2010—2015年優先區生態景觀格局總體表現穩定、景觀類型豐富多樣，為各種類型的生物提供了良好的棲息地和生存環境。