克里雅河中游土地利用/覆被與景觀格局變化研究

祖拜代·木依布拉,夏建新,*,普拉提·莫合塔爾,,張 潤

1 中央民族大學生命與環境科學學院,北京 100081 2 新疆大學旅游學院,烏魯木齊 830049 3 中國科學院青藏高原研究所環境變化與地表過程重點實驗室,北京 100101

土地利用變化是影響全球生態系統的決定性因素之一,同時也是全球變化最直接和最重要的表現形式[1]。土地利用變化會改變生態系統的結構與功能,從而影響生態系統服務功能的維持[2]。因此,研究土地利用/覆被變化是科學規劃生態系統結構的基礎,對維持生態系統功能和服務的穩定性具有重要意義。目前,國內外學者對區域土地利用/覆被(LULC,land use/land cover)變化進行了大量的研究,這類研究也成為了西北干旱區綠洲演變研究的主題[3-11]。學者對西北干旱區的黑河、石羊河、塔里木河和瑪納斯河流域土地利用與景觀格局變化研究中指出,在人類活動驅動下,這些流域土地利用與景觀格局發生了劇烈的變化,耕地等人工綠洲增加,而草地等天然綠洲呈退化趨勢。雖然干旱區綠洲LULC研究日趨成熟,但仍然存在一些不足。主要體現在多數研究關注LULC與景觀格局的時間變化特征,而缺乏其空間特征的分析；研究方法上,較多學者利用土地利用動態度模型,而沒有定量分析LULC轉移方向。動態度反映的僅是LULC之間的轉移,不能說明轉移后的生態狀況好或差。在克里雅河流域,以往學者也從綠洲土地利用演變方面取得了許多成果[12-15],但也同樣存在以上不足。因此,針對目前存在的問題,本研究以塔里木盆地南緣典型綠洲為研究區,以綠洲內河流為中心進行緩沖區分析,揭示LULC與景觀格局的空間分布特征。另外,為了量化LULC轉移方向及其反映的生態狀況變化,本文在邵全琴等[16]的研究思路的基礎上,提出LULC轉移方向模型。研究結果為干旱區流域土地利用與景觀格局的時空變化研究提供較好的思路,同時,也為克里雅河流域土地資源可持續利用和區域生態文明建設提供參考。

1 研究區概況

克里雅河位于昆侖山北麓,塔里木盆地南緣。該河流發源于昆侖山,向北經山前戈壁、綠洲, 進入塔克拉瑪干沙漠,全長438 km,流域總面積3.95×104 km2,南北長約466 km,東西寬30—120 km(圖1)。多年平均氣溫9.53℃, 極端最高溫43.0℃,極端最低氣溫-26.3℃[17]。流域內綠洲主要由兩大部分組成,即中游以于田縣城為中心的農業綠洲,是流域內人類活動的主要場所,下游是以牧業為主的天然綠洲。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Location of study area

2 數據與方法

2.1 數據獲取與處理

本研究主要數據源有：1)克里雅河流域1995、2005和2015年土地利用分類柵格圖(由地理國情監測云平臺提供,分辨率為30 m×30 m)。本文在已解譯的LULC分類體系的基礎上,對于面積較小的林地、建設用地等進行剔除處理,將流域主要的土地利用類型重分為4類,土地利用類型分類詳情為表1所示；2)研究區數字高程圖(DEM)(數據來源為地理空間數據云平臺,http://www.gscloud.cn/,分辨率為30 m×30 m),用于提取河道。3)研究區行政邊界矢量圖從中國科學院資源環境數據云平臺獲取(http://www.resdc.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用/覆被變化分析

參考以往研究,本文通過土地利用面積、轉入/出率、轉移矩陣分析等表現研究區的土地利用變化特征,具體計算公式見參考文獻[18]。以各土地利用類型的生態功能為依據,基于層次分析法,對重分類后的LULC賦予權重(表2),計算了不同年代,以及不同緩沖帶內LULC轉移方向指數。

表1 于田綠洲景觀分類結果

表2 土地利用/覆被類型的權重

LULC轉移方向指數用以下公式進行計算：

(1)

式中,LCDI: 土地覆被轉移指數,i∈[1,n];Ai: 第i個土地利用/覆被類型面積;Dai: 轉移之前的土地利用/覆被類型權重；Dbi: 轉移之后的土地利用/覆被類型權重。

當LCDI>0時,表示LULC轉移有利于生態系統功能的提高,其值越大轉移后的生態系統功能越大；當LCDI<0時,表示該LULC轉移導致生態系統功能下降,其值越小轉移后的生態系統功能越小。

2.2.2景觀格局指數分析

景觀格局指數反映的是土地利用類型的結構特征。本研究參考以往研究[19-21],分別從類型水平和景觀水平選取景觀指數,用Fragstats 4.2軟件進行計算。另外,由于在干旱區荒漠為綠洲景觀的基質,為了排除荒漠景觀對綠洲其他景觀指數的影響,在計算景觀指數前剔除其他用地。

2.2.3緩沖區分析

參考已有的研究成果[22],結合研究區特點,距離河道兩側10 km(兩側各5 km)劃分一個緩沖帶,共劃分了5個緩沖帶。對于每個緩沖帶計算土地利用類型面積、轉入/出率、景觀格局指數。為了描述方便,在文中將0—5 km緩沖帶簡稱緩沖帶Ⅰ,5—10 km為緩沖帶Ⅱ,10—15 km為緩沖帶Ⅲ,15—20 km為緩沖帶Ⅳ。

3 結果與分析

3.1 土地利用/覆被時空變化特征

3.1.1土地利用/覆被時間變化特征

過去20年,克里雅河中游土地利用/覆被類型發生了較大的變化,耕地面積增加了6.44%,草地和濕地面積分別減少了16.69%和4.38%(圖2)。其他用地占得比例較大,并持續增加。

圖2 克里雅河中游1995、2005、2015年土地利用面積統計圖Fig.2 Area of LULC in 1995,2005 and 2015 of the middle reaches of Keriya River

1995—2005年,耕地轉入率(41.32%)遠大于轉出率(4.81%)。從耕地轉入類型看,水體轉入耕地的面積最大(99.19 km2),其次為草地(42.44 km2)。草地轉出率(15.3%)大于轉入率(2.47%),轉出為其他類型的面積最大(61.08 km2),其次是耕地(42.44 km2)。水體轉出率為58.7%,而轉入率只有3.58%,主要轉出類型為耕地。

2005—2015年,耕地轉出率和轉入率差異變小,轉出率增加到14.09%,轉入率減小到17.44%。耕地轉出為草地和水體的面積分別增加到50.19 km2和32.66 km2。從轉入類型看,其他類型轉入為耕地的面積增加了61.3 km2,使耕地總面積在持續增加。草地轉出率仍大于轉入率,與1995—2005年相比,轉入率與轉出率分別增加到34.99%和76.6%。該時期草地轉出為其他類型的面積明顯增加,是2015年草地總面積減小的主要原因。水體轉入率明顯增加(51.63%),主要轉入類型為耕地,同時,轉出率增加了8.08%。

3.1.2土地利用/覆被空間特征

耕地在1995年和2005年從緩沖帶Ⅰ到Ⅳ逐漸減少,即離河道越遠,耕地分布越少。2015年,耕地在緩沖帶Ⅰ中分布最多,Ⅳ內最少,緩沖帶Ⅲ中出現了較多的耕地,其面積大于緩沖帶Ⅱ內的面積。在過去20年,每個緩沖帶內耕地持續增加。1995—2005年,緩沖帶Ⅰ內耕地主要由水體(56.87 km2)轉入而來。而在2005—2015年,緩沖帶Ⅰ和Ⅲ內耕地主要來自其他用地,分別為41.47 km2和14.33 km2。

草地1995年和2005年在緩沖帶Ⅳ內分布最多,2015年在各緩沖帶內分布較均勻。在1995—2015年,各緩沖帶內草地持續減少,主要轉出為其他用地。其中,在緩沖帶Ⅳ和Ⅲ中轉出為其他用的面積較大,分別為165.24 km2和146.22 km2?？梢?研究時段內草地持續退化,在綠洲邊緣退化較嚴重。

水體在1995年從緩沖帶Ⅰ到Ⅳ分布越來越少,2005年和2015年緩沖帶Ⅰ內水體分布仍最多,而Ⅲ內最少。1995—2015年,緩沖帶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ內水體主要轉出為耕地。其中,在緩沖帶Ⅰ內轉出面積最大。與1995—2005年相比,2005—2015年河道附近水體轉出為耕地的面積減少,說明人類活動對水體的破壞有所緩解。LULC空間分布特征為圖3所示。

圖3 克里雅河中游1995、2005、2015年土地利用類型空間分布面積(%)Fig.3 Area of LULC in different buffer zones in 1995,2005 and 2015 of the middle reaches of Keriya River

3.2 景觀格局變化特征

3.2.1類型水平

從圖4看,在1995—2015年,耕地PLAND持續增加,草地和水體的減小。草地和水體的NP和PD增加,耕地的減小。說明,草地和水體破碎化程度變大。從最大斑塊指數看,1995和2005年草地的LPI均大于耕地和水體,而到2015年耕地LPI是草地的3倍多?？梢?1995年和2005年草地是綠洲內的優勢景觀,而到2015年耕地在綠洲中占了優勢。從SPLIT指數看,耕地持續減小,草地增加,水體先增后減。說明,在過去20年,耕地具有向連片生成的趨勢,而草地破碎化程度變大。水體結構呈波動變化。

耕地最大PLAND、NP和PD在緩沖帶Ⅰ內,并在1995—2015年呈增加趨勢。說明,耕地在緩沖帶Ⅰ內破碎度大。在3個時期,緩沖帶Ⅲ內LPI最大,而SPLIT最小。可見,在此緩沖帶內耕地連接性最好、斑塊較大。

草地最大PLAND、NP、PD和LPI都出現在緩沖帶Ⅳ內,并在1995—2015年有減小趨勢。SPLIT指數在緩沖帶Ⅳ內最小,Ⅰ內最大,并在研究時段內均呈增加趨勢。說明,在克里雅河中游草地主要連片分布在綠洲邊緣,但在過去20年,其破碎化程度持續變大。

圖4 克里雅河中游類型水平景觀指數Fig.4 Landscape index at class level of the middle reaches of Keriya River

水體最大PLAND在緩沖帶Ⅰ內。2005年和2015年,緩沖帶Ⅰ內NP、PD和LPI最大,SPLIT最小。反映水體主要分布在緩沖帶Ⅰ內,并斑塊間連接性好。1995—2015年,緩沖帶Ⅰ內PLAND減小,NP、PD和SPLIT變大。說明,在過去20年,河道附近水體破碎度變大。這可能與水體受人類活動影響較大,尤其在農業開發中被農用地占用造成的。

3.2.2景觀水平

從圖5看,1995—2005年,綠洲景觀NP和PD變大,而LPI和SHDI減小,說明整個綠洲景觀有破碎化和均勻化的趨勢。這是草地和水體斑塊數量減少,破碎化程度變大,而耕地逐漸占優勢的結果。另外,SPLIT指數先減小后增加,該變化趨勢與水體分離度變化一致?？梢酝茰y,水體的分離度對整個景觀分離度的影響較大。

在緩沖帶Ⅰ內,NP、PD和SHDI最大,說明在河道附近景觀類型較多,并鑲嵌分布。在1995—2015年,該緩沖帶內NP和PD增大,而SHDI減小,反映景觀破碎度變大、多樣性降低,具有單一化趨勢。這與河道附近草地和水體退化,而耕地持續增加有關。在緩沖帶Ⅳ內,LPI最大,但在1995—2015年逐漸減小。這是綠洲邊緣原來占優勢的草地較嚴重退化的結果。

圖5 克里雅河中游景觀水平景觀格局指數Fig.5 Landscape index at landscape level of the middle reaches of Keriya River

3.3 土地覆被轉移指數

圖6 克里雅河中游土地覆被轉移指數時空變化特征 Fig.6 Spatiotemporal characteristics of LCDI in the middle reaches of Keriya River

為了量化LULC轉移方向,本研究引入了LULC轉移方向指數模型。由圖6可見,過去20年,研究區LULC總體變差,具有退化趨勢,這種變化將導致綠洲生態系統功能下降。從空間上看,LULC退化趨勢在每個緩沖帶內都發生。其中,在緩沖帶Ⅰ內,與1995—2005年相比,2005—2015年轉移指數絕對值變小,說明在河道附近土地退化有所緩解。而在其他緩沖帶內退化明顯加重。

4 討論

水資源決定著干旱區綠洲景觀空間分布格局,對土地開發利用起著決定性作用[7,18]。研究期間,隨著人口增長、社會經濟發展,人們對農用地的需求增加,從而對河流以及其周圍水體進行了大量的圍墾,導致草地退化,在以往的干旱區綠洲LULC研究中也證實了這種變化趨勢[10,23-24]。這種人類活動會極大地改變水資源的時空分配,減少綠洲內生態用水量,從而導致草地等天然植被的水量得不到滿足而嚴重退化。

在過去的研究中,多數學者以行政區為單位解釋了土地利用/覆被的空間分布,而把河流廊道作為綠洲整體景觀的研究較少。以河道為中心的緩沖區分析更好的反映綠洲景觀的空間特征,對于流域水土資源的空間優化配置具有指導作用。從本研究結果看,耕地在河道附近分布最多,并持續增加。隨著耕地斑塊數量的增加,出現了越來越大的耕地斑塊,斑塊間連接性越來越好,使耕地逐漸成為了綠洲中的優勢景觀。從而導致在河道附近景觀多樣性降低,景觀呈單一化趨勢,這不利于綠洲生態系統的穩定性。合理調整種植結構,提高農業用水效率是減緩由農業開發程度大而造成的環境壓力的有效途徑。本研究僅分析了河道兩側緩沖區內景觀變化規律,而對于河道上下段綠洲變化相關的研究在下一步工作中進行討論。

草地是干旱區綠洲-荒漠交錯帶的主體,起到防風固沙作用,草地的退化增加綠洲沙漠化,威脅綠洲的生態安全[25-26]。然而在克里雅河中游草地呈退化趨勢。綠洲-荒漠交錯帶草地退化也出現在塔里木盆地南緣其他綠洲內[27-28]。對草地進行適當的保護,使草地斑塊連接成片、減小破碎度,對改善綠洲的整體環境具有重要意義[29]。

土地覆被轉移方向指數綜合反映LULC變化方向,以及其對生態系統功能的影響。在以往的研究中,有學者對不同土地利用類型賦予生態等級,計算其轉類指數,從而解釋了LULC轉移方向[16,30]。該方法在三江源應用較多,而是否適合在干旱區使用并未被證實?？紤]到干旱區LULC單一,并在各LULC生態系統功能之間存在較大差異[31],本研究以每種LULC生態系統服大小為依據,經專家打分,通過層次分析法,確定了每種LULC的權重,計算出了克里雅河中游土地覆被轉移方向指數。研究結果較好的反映了研究區LULC變化方向,這可為干旱區綠洲土地轉移方向的量化提供較好的思路。在今后的研究中還需要對LULC進行更細的劃分。

5 結論

1)從土地利用類型時間變化看,1995—2015年,耕地增加,草地和水體減少。耕地、水體的這種變化趨勢主要發生河道附近,而草地減少在綠洲邊緣最明顯。從空間分布來看,耕地和水體較多分布在河道周圍,而草地較多分布在綠洲-荒漠交錯帶。在河道附近耕地轉入率和水體轉出率最大,草地轉出率在綠洲邊緣最大。在河道附近,土地轉移主要以耕地與水體之間的相互轉移為主,而在綠洲邊緣以草地轉出為其他用地為主。

2)從景觀指數的變化趨勢來看,研究區景觀破碎化程度變大、分離度和多樣性降低,這些變化在河道附近和綠洲邊緣最明顯。從類型水平看,耕地破碎化程度變大,分離度減小,主要發生在河道附近。草地破碎化變大,主要發生在綠洲邊緣。水體景觀指數變化與草地有相同的趨勢,但這種變化在河道附近最明顯。

3)從土地覆被轉移指數看,過去20年,克里雅河中游土地覆被總體變差。在1995—2005年和2005—2015年兩個時間段內,河道附近土地覆被經歷了變差-好轉的變化過程,而其他緩沖帶則是持續變差,尤其緩帶Ⅳ退化程度最為嚴重。