近25年干旱区土地利用变化对生态安全弹性恢复的影响

邵紫阳++张永福

摘要：根据温宿县1990、2002与2015年TM影像资料，结合Fragstats软件计算出景观指数，评价景观多样性、优势度、破碎化，并进行生态安全分析。结果表明，（1）温宿县耕地面积持续上升，水体和草地面积持续下降，盐渍面积持续上升。砂地的前多后少和林地的前少后多。（2）耕地的优势度逐步上升，砂地、干涸湖底、草地和林地先降后升，盐渍地先升后降，水体持续减少。（3）耕地破碎化先是急剧降低，而后有少量上升，水体和盐渍地破碎化降低，林地持续上升、草地先减后增以及砂地先增后减。（4）耕地和林地的分离度持续降低，水体的分离度持续升高以及草地、砂地、盐渍地上下波动。（5）景观多样性虽然上下波动，但总体有上升趋势，通过景观类型多样性指数看出景观逐年丰富。（6）温宿县景观生态弹性度显“V”字型变化，先是由1990年的2.33×106下降为2002年的2.11×106，然后再增加到2015年的2.88×106。

关键词：干旱区；温宿县；景观指数；生态安全

中图分类号：TP79 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）21-5507-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.017

Nearly 25 Years of Land Use Change Effects on Arid Zone Elastic Recovery of Ecological Safety Barriers：Taking Wensu County as an Example

SHAO Zi-yang， ZHANG Yong-fu

（Resources and Environment Science， Xinjiang University， Urumqi 830046， China）

Abstract：In the paper， using the Wensu County in 1990 and 2002 and 2015 TM image with FRAGSTATS software to calculate the landscape index， evaluation of landscape diversity， dominance， fragmentation and ecological security analysis. Results show that：（1）cultivated land area of Wensu County continued to rise， the continued decline in water and grass， and saline land continued to rise. Before and after less sand forest after little more than before.（2） gradually increased the dominance of cultivated land， sand， dry lakebed， grassland and woodland rise after the first drop，saline soil decreased. Continuous reduction of water body.（3）the fragmentation of cultivated land is sharply reduced， and a small rise， reduce water and saline alkaline land fragmentation，a sustained rise in the woodland and grassland decreased first and then increased and Sandy's first increase and decrease.（4）farmland and woodland separation continued to decrease， the separation of the water continued to rise and grassland， Sandy and saline on the fluctuations.（5）landscape diversity of although fluctuations， but overall there is a rising trend， through the landscape diversity index see landscape rich year after year.（6）the change of the “V” type of landscape ecological elasticity in Wensu county. The first is from 1990 2.33×106 down to 2.11×106 in 2002， and then increased to 2.88×106 in 2015.

Key words：arid region； Wensu； landscape indices； ecological security

綠洲是干旱地区典型的景观类型，是干旱区最具生命力的生态系统的重要组成部分，也是维持当地人类生活的必要环境条件。干旱地区绿洲景观格局是基于荒漠地质，依靠水资源维持所有动植物生存的动态生态景观系统[1]。土地利用/覆被变化（Land Use/Cover Change，LUCC）是绿洲景观格局时间、空间变化的根本动因，同样是景观格局时间、空间变化的重要指标[2]。所以，本研究利用温宿县土地利用/覆被变化遥感分类结果并通过Fragstats软件分析，最终对绿洲景观格局进行评价。

景观格局是地球物质形态实际分布的表现形式，与景观中的每个生态活动都高度相关[3]。通过对研究区景观格局变化的研究，对探讨生态系统的抵抗能力、修复能力、生态系统平稳性以及物种丰富度等有着深远的影响[4]。每个生态系统的空间属性可以通过景观格局来准确反映，并且为景观生态变化的研究和发展提供理论依据[5]。针对景观格局時空变化进行生态安全评价，对研究自然因素和人为因素对景观生态安全威胁的主次方面进行比较与探讨，以及识别景观生态安全发展变化的客观后果，有助于进一步改进评价生态安全的指标体系[6-11]。

景观生态学是生态科学与环境科学等学科领域交叉综合起来的新兴学科。但是1980年前后，景观生态学才慢慢开始蓬勃发展[12]。国外学者在景观生态学的模型分析方法及应用等方面进行大量的研究。美国生态学家Costanza等[13]对全球生态系统服务及其价值的研究，被评价为当代生态学界里占主导力的研究理论。William等[14]利用景观指标与水文过程模型结合找出改变流域的潜在水质问题，评估其对城市环境和农业的影响。国内方面，近20年来景观生态学研究是在我国得以迅速发展。郭明等[15]以酒泉市多年遥感影像为研究基础，分析出各景观斑块的空间位置属性，对绿洲进行了生态安全评估；而在景观生态学理论研讨上，RS和GIS专题景观数据模型构建以及景观实验探索3个方面是我国学者的主导方向，其中以邵国凡等[16]对景观动态专题模型的探讨，占有很大的影响力。

1 研究区域概况

温宿县位于新疆西部天山中段南坡，托木尔峰南麓，塔里木盆地北缘。北与吉尔吉斯斯坦共和国、哈萨克斯坦共和国，伊犁哈萨克自治州昭苏县接壤，东与拜城、新和两县交界，南与阿克苏市比邻，西与乌什县隔河相望，位于东经79°27′50″-81°29′58″，北纬40°51′41″-42°15′13″，温宿县全县南北长167 km，东西宽154 km，县域总面积1 433 516.24 hm2。

2 研究方法

2.1 遥感影像处理

本研究通过ENVI软件采用最大似然分类方法进行分类，并对图像进行了Majority/Minority分析。然后将图像导入Arcgis 9.3软件进行转换后得出基础数据。

2.2 景观空间格局分析

Fragstats3.4软件提供的景观指数多达60种，而这些景观指数都是高度相关的[17]。本研究在景观类型上选取了9个指标。在景观水平上选取12个指标，其景观指数生态学意义见表1。

2.3 生态安全评价

生态安全是指生态系统的抗干扰程度及自我修复能力的属性。生态安全是人类生活的物质基础，对其功能的评价在全球生态系统管理和可持续发展生态学研究中占有十分重要的地位[18]。全球变化的本质就是研究人类活动造成的全球变化对陆地生态系统的影响及其响应[19]。完善的生态系统是稳定的和可演化的，随时间的周期变化能够自我完善组织结构并进行修复。反之，不完善的生态系统，是功能缺失的生态系统，其生态结构处于威胁之中，甚至产生恶化。目前，生态安全研究主要有综合指数法、模型模拟法和景观分析法等，其中景观分析法是以宏观尺度为依据的生态安全研究。景观生态安全是以生态系统多样性和区域景观尺度来分析评估人类活动与自然胁迫对景观生态安全的影响状况。本研究根据景观格局变化结果，并借助田美荣[20]所提出的生态弹性力理论分析温宿县景观生态安全变化。生态系统的生态弹性度大小可用下述模型量化地表示：

ECORES=Di∑Si×Pi （1）

式中，ECORES为生态弹性度大小，Si表为地物i的覆盖面积，Pi为地物i的弹性分值，Di为多样性指数。根据在景观生态系统中，地面覆盖表示覆盖在地球表面的各个地类，因此式中Si表示不同地类的面积比，而不是植被的面积比；Pi代表某种地物覆盖的弹性度分值，可根据覆盖度、生产力以及专家评分等方法评定；生态系统的弹性限度高低不仅取决于地物的覆盖类型及等级状况，还取决于地物类型的丰富度。

3 景观格局变化及生态安全分析

3.1 景观格局变化分析

本研究以温宿县1990、2002和2015年TM影像数据为基础，通过ENVI软件，采用最大似然分类将土地结构类型归并为耕地、草地、林地、水体、盐渍地、沙地和其他七大类型。各年份分类精度见表2。

利用Fragstats软件对分类图像进行分析并计算出景观指数表3和表4。从表3可知，从景观类型面积和斑块占景观面积看，按斑块类型面积大小排序，1990年为其他>草地>砂地>盐渍地>干涸湖底>林地>水体>耕地。2002年为其他地类>砂地>盐渍地>草地>耕地>林地>水体>干涸湖底。2015年为其他>盐渍地>砂地>耕地>林地>草地>水体>干涸湖底。由温宿县人口的增长以及他们生活与生产需要，以及开荒政策的支持造成耕地面积持续上升，再加上生活用水、灌溉用水大幅度提升，最终使得水体和草地的逐步减少，以及盐渍地的逐步升高。由于人类主观认识的影响，使人们开始有意识的保护自然，使得砂地面积先增后减和林地先减后增。

斑块平均面积大小可应用于衡量景观的完整性以及斑块的破碎化程度，MPS值越低则该类斑块越破碎。可以看出由于人类开始时在一片区域开垦耕地，而后为满足生活生产在其他区域开垦少量耕地，从而导致耕地破碎化先是急剧降低，而后少量上升。这样间接造成了零碎的水源干涸，使得水体和盐渍地破碎化降低，从而使水体和盐渍地平均面积持续增加和干涸湖底大幅度波动。林地的持续上升、草地的先减后增以及砂地的先增后减可以说明人类有意识的保护自然景观。

最大斑块指数（LPI）能够描述研究区相应阶段的优势景观类型。由表3可知，前4类的景观类型：1990年是其他、盐渍地、干涸湖底和砂地。2002年是其他、盐渍地、砂地和水体。2015年是其他、盐渍地、耕地和砂地。耕地的优势度逐年上升，砂地、干涸湖底、草地和林地先降后升，盐渍地先升后降。水体持续减少。但是盐渍地、干涸湖底、砂地一直保持很大的优势，充分说明温宿县自然环境情况不容乐观。

从表3可知，在分离度方面，1990年SPLIT排序为耕地>林地>水体>草地>干涸湖底>盐渍地>砂地>其他。2002年为干涸湖底>林地>草地>耕地>水体>砂地>盐渍地>其他。2015年为林地>草地>干涸湖底>水体>砂地>耕地>盐渍地>其他。基于人类的主要影响，导致耕地和林地的分离度持续降低，间接影响水体的分離度的持续升高以及草地、砂地、盐渍地的上下波动。

从表4可知，MPS持续增加和NP值持续减少，温宿县景观破碎化持续降低，景观整体更加完整。AWMSI持续降低，由于人类持续影响，景观空间分布逐渐形象化。MNN持续升高，温宿县景观类型拼块格局越来越离散。从IJI和SPLIT值看出分离度上下波动，但是分离度有降低趋势，景观更加聚集。AI值上下波动，更加趋于稳定，景观内斑块高度连接。SHDI和SHEI指数上下波动，有上升趋势，景观类型多样性更加丰富，这是由于人类活动作用于斑块更加明显，廊道景观发生明显变化，虽本研究没有把铁路、公路等交通设施解译，但是与人类生活相关的设施日益完善，直接影响绿洲物质与能量的循环，使得绿洲的总体布局发生明显变化，促使景观多样性逐步上升。

3.2 景观生态安全分析

对温宿县生态弹性强度有影响的土地覆盖类型可分为4大类型。第Ⅰ类为重要型，该类型对研究区生态弹性度有主导意义，对该类型管理和维护得好，可提高区域生态弹性度。主要包括林地、耕地；第Ⅱ类为次要型，该类型对维持生态系统和促进区域生态弹性度有促进作用，若规划不当，则很容易造成生态系统弱化而使区域生态弹性度明显下降，主要包括水体和草地。第Ⅲ类为中间型，该类对区域生态弹性度贡献很小甚至严重退化，主要包括砂地和干涸湖底。第Ⅳ类为威胁型，因为研究区降水稀少、蒸发特别强烈，土壤下部的盐分极易随水分蒸发上升至地表，形成盐碱地。该类型对区域生态弹性度几乎没有任何贡献，急需加强该生态环境的综合治理和调整。这种类型主要包括盐碱地。由于每个生态系统的生态效益是相对区别的，其弹性分值（Pi）也不同。本研究根据日本专家通过调查各类生态系统功能，并结合温宿县景观的实际特点依次为林地、耕地、水体、草地、盐渍地、干涸湖底以及砂地建立生态弹性度分值表（表5）。

由图1可知，温宿县景观生态弹性度显“V”字型变化。先是由1990年的2.33×106下降为2002年的2.11×106，然后再增加到2015年的2.88×106，原因可能是因为温宿县位于干旱地区，其景观类型主要以生态系统脆弱，弹性分值较低的草地和砂地为主，而林地等生态系统复杂，服务功能高的景观较少，而温宿县人口的增长以及他们生活与生产需要，以及开荒政策的支持造成耕地的面积持续增长，使温宿县生态弹性分值人为上升；研究区生态弹性度整体上趋于增涨趋势，说明温宿县的生态安全呈上升趋势，也说明该流域生态系统对外界干扰和压力的缓冲调节能力大幅度增强。2002-2015年上升最为明显，弹性度的总体变化和耕地总体变化趋势有明显耦合性，可以得出研究区弹性度的增加主要是由于耕地面积的增加，而耕地这一景观类型是一种生态系统较为单一，脆弱的景观类型，所以在人为的影响下，温宿县生态环境仍较为脆弱，生态安全相对容易受到威胁，温宿县各个景观指数的相应变化也很好的验证这一点。所以，干旱区流域生态弹性力是人类活动和自然变化对土地干扰结果的综合反映。

4 小结与讨论

1）从景观指数上来看，温宿县的优势斑块1990年是其他、盐渍地、干涸湖底和砂地。2002年优势斑块的地类变化为其他、盐渍地、砂地和水体。2015年又发生一定改变，变为其他、盐渍地、耕地和砂地四种地类。耕地持续增长最终成为优势斑块。MPS从1990年的11.81到2002年22.03再到2015年的22.18。NP从1990年的97782到2002年的52 425再到2015年的52 063。MPS持续增加和NP持续减少，温宿县景观破碎化持续降低，景观整体更加完整。AWMSI从1990年的41.19到2002年的31.53，最终到2015年的29.27，指数持续降低，由于人类持续影响，景观斑块形状趋于规则。MNN从1990年128.24至2002年145.59，最后到2015年的150.46持续升高，景观类型斑块分布更加离散。IJI从61.05到60.55再到63.56，SPLIT从1990年的7.23变为2002年的5.05而后增长为2015年的5.78，从IJI和SPLIT看出分离度上下波动，但是分离度有降低趋势，景观更加聚集。AI从92.53变为94.86又下降到94.73，上下波动，更加趋于稳定，景观内斑块高度连接。SHDI和SHEI数值上下波动，但总体显上升状态，景观类型多样性随时间推移更加丰富。

2）从生态弹性度来看，温宿县景观生态弹性度从1990年的2.33×106下降为2002年的2.11×106，然后再增加到2015年的2.88×106。研究区生态弹性度整体上趋于增涨趋势，说明研究区的生态安全呈整体上升趋势，也说明该流域生态系统对外界干扰和压力的缓冲调节能力大幅度增强。2002-2015年上升最为明显，弹性度的总体变化和耕地总体变化趋势有明显耦合性，因为在短短的20年间，自然因素的变化比较小，可以推测出温宿县地区景观综合特征的变化主要是由人类的持续活动对景观干扰不断加强的结果，可以得出研究区弹性度的上升主要是由于耕地面积向上浮动。而耕地的景观类型是一种生态系统较为单一、脆弱的景观类型，所以温宿县生态环境仍较为脆弱。

参考文献：

[1] 张 飞，塔西甫拉提·特依拜，丁建丽.干旱区绿洲土地利用/覆被及景观格局变化特征——以新疆温宿县为例[J].生态学报，2009，29（3）：1251-1263.

[2] 尹昌应，罗格平，鲁 蕾.内陆干旱区土地利用变化的景观格局特征分析——以新疆白杨河流域为例[J].干旱区地理，2008， 31（1）：67-74.

[3] O'NEILL R V，KRUMMEL J R，GARDNER R H. Indices of landscape pattern[J]. Landscape Ecology，2002，1：153-162.

[4] TURNER M G，ROMME W H，GARDNER R H.A revised concept of landscape equilib-rium：Disturbance and stability on scaled landscapes[J].Landscape Ecology，1993，8：213-227.

[5] 張金屯，邱 扬，郑凤英.景观格局的数量研究方法[J].山地学报，2000（8）：352-364.

[6] 肖笃宁，陈文波，郭福良.论生态安全的基本概念和研究内容[J].应用生态学报，2002，13（3）：354-358.

[7] 王 娟，卢 远.松嫩平原西南部生态安全研究[J].中国人口、资源与环境，2006，16（3）：308-311.

[8] 任志远，黄青，李 晶.陕西省生态安全及空间差异定量分析[J].地理学报，2002，60（4）：597-606.

[9] 张艳芳，任志远.区域生态安全定量评价与阈值确定的方法探讨[J].干旱区资源与环境，2006，20（2）：11-16.

[10] 方淑波，肖笃宁，安树青.基于土地利用分析的兰州市城市区域生态安全格局研究[J].应用生态学报，2002，16（12）：2284-2290.

[11] 左 伟，周慧珍，王 桥.区域生态安全评价指标体系选取的概念框架研究[J].土壤，2003（1）：2-7.

[12] 王雪梅，柴中平，塔西甫拉提·特依拜.渭干河-库车河三角洲绿洲景观格局动态变化及其对生态系统服务功能的影响[J].干旱区资源与环境，2010，24（6）：10-15.

[13] COSTANZA R，D'ARGE R，DE GROOT R.The value of the world's ecosystem services and natural capital[J].Ecological Economics，2002，25（1）：3-15.

[14] WILLIAM G，KEPNER，MARIANO HERNANDEZ，et al.Use of Landscape Sciences for the Assessment of Environmental Security[M].Germany：Springer，2008：237-261.

[15] 郭 明，肖笃宁，李 新.黑河流域酒泉绿洲景观生态安全格局分析[J].生态学报，2006，26（2）：457-466.

[16] 邵国凡.遥感主体图的准确度对景观生态学研究的影响[J].生态学报，2004，24（9）：1857-1862.

[17] 吴 波，慈龙骏.毛乌素沙地景观格局变化研究[J].生态学报，2001，21（2）：191-196.

[18] 白泽龙，包安明，常 存，等.土地利用变化对温宿县生态系统服务价值的影响[J].水土保持通报，2013，33（1）：167-173，177.

[19] 姜红涛，塔西甫拉提·特依拜，阿尔达克·克里木，等.温宿县NDVI变化及其与降水、温度的关系[J].中国沙漠，2014，34（6）：1678-1684.

[20] 田美荣，高吉喜，张 彪.生态社区评价指标体系构建研究[J].环境科学研究，2007，20（3）：87-92.