塔里木河流域绿色生态空间与景观格局变化研究

邓晓雅，龙爱华，，高海峰，张 继，於嘉闻，任 才，马真臻

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094；3.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000）

1 研究背景

随着经济的快速发展，城镇人口不断聚集，使得城镇化成为社会发展的必然趋势。在城镇化的过程中绿色生态空间让位于经济发展，使得更多的绿色生态空间转变为建设用地和耕地，绿色空间面临着极度破碎化甚至消失的境遇[1]。从生态学角度出发，绿色生态空间可用森林、草地和湿地的面积总和来进行度量[2]。景观生态学的发展为绿色空间景观格局过程与生态环境的互馈作用机制提供了综合解决途径[3～4]。目前，利用景观生态学的相关理论去揭示绿色空间景观结构、功能和变化，研究生态过程与绿色生态空间格局在多尺度上的相互关系成为研究热点[5-8]。在我国西北干旱区的黑河、石羊河、塔里木河、玛纳斯河和艾比湖等流域的景观格局变化中，有学者指出这些流域的景观格局在人类活动和自然环境变化的综合作用下均发生了剧烈的变化，同时还带来了很多的负面生态效应[9-11]。随着全球生态环境问题的日益突出，西北干旱区的景观时空变化及其脆弱性研究也逐渐成为景观生态学的热点研究。因此，分析干旱区景观格局空间分布和时空动态机制对于干旱区生态系统稳定性和生态系统管理具有重要意义。

塔里木河流域是我国最大的内陆河流域，是保障南疆地区绿洲经济、自然生态的生命线。流域内各景观类型之间在以水资源开发利用为核心的大强度人类活动作用下发生大量转变，对于塔河流域的绿色生态空间和生态环境产生深刻影响[12-13]。如何协调塔河流域的经济发展与生态环境建设的关系，并促进两者的共同发展，已成为当前亟需解决的问题。以往的研究主要集中在塔河流域某区段景观格局变化的讨论，而基于流域尺度的研究较少。因此，本文综合运用景观生态学与空间统计学的方法，对比分析塔河流域1990—2018年期间各类型景观的时空变化特征；结合景观指数定量揭示28年来塔河流域绿色生态空间及景观空间格局的动态演化过程及特征，为实现塔河流域生态环境保护和综合治理提供决策支持和科学依据。

2 研究区概况

塔里木河流域（34.20°—43.39°N，71.39°—93.45°E）位于中国新疆南部，毗邻塔克拉玛干沙漠，总面积102万km2，其中山地、平原和沙漠分别占流域总面积的47%、22%和31%。历史上流域由环塔里木盆地的阿克苏河、叶尔羌河、和田河、克里雅河、迪那河、喀什噶尔河、开都河—孔雀河、渭干河、车尔臣河等9大水系144条河流组成，多年平均天然径流量398亿m3，主要由高山区冰雪融水和降水补给。近年来由于水土资源的过度开发，目前只有阿克苏河、和田河、叶尔羌河和开都-孔雀河四条源流汇入塔里木河（以下简称“塔河”）。塔河流域地处欧亚大陆腹地，属典型的大陆性干旱气候区。流域多年平均气温10.6～11.5℃，多年平均年降水量17.4～42.8 mm，蒸发能力为1121～1636 mm，干旱指数为28～80。

图1 研究区概况

3 数据与研究方法

3.1 数据来源及处理基础数据为1990、2000、2010和2018年塔河流域的土地利用/覆被类型栅格数据，空间分辨率为100 m，数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）。采用同期土地利用调查资料及野外调查数据进行精度验证，4期影像总体精度分别为92.34%、93.21%、93.77%和95.66%，Kappa系数分别为0.87、0.88、0.86和0.89。根据塔河流域矢量边界进行裁剪，得到研究区4个年份的土地利用类型图，以《土地利用现状分类》（GB/T 21010-2017）和研究目的，将研究区景观类型分为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地6个一级类别。

3.2 景观特征分析方法

3.2.1 景观格局指数 景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面的简单定量指标[14]，可分为斑块水平指数、斑块类型指数和景观水平指数。参考相关研究，并根据塔河流域的实际景观分布情况，在斑块类型级别上选取斑块类型面积（CA）、斑块所占景观面积比例（PLAND）、斑块个数（NP）、斑块密度（PD）和最大斑块指数（LPI）；在景观水平上选取边缘密度（ED）、景观形状指数（LSI）、景观分割度（DI-VISION）、蔓延度（CONTAG）、聚集度（AI）、香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）等12个主要的景观度量指标[9，14-15]，对各水平年的景观类型图层进行分析计算。

3.2.2 景观动态变化模型 本文借助单一景观动态度和整个景观动态度[7]来量化塔河流域的景观动态演化特征。

（1）单一景观动态度。单一景观动态度可定量分析研究区特定时间段内各景观类型的变化程度。计算公式为：

式中：K为某一景观类型动态度；Ua、Ub分别为研究初期和末期某景观类型的面积，km2；T为研究时段长（年）。

（2）景观类型转移矩阵。为进一步分析塔河流域各景观类型之间的相互转移，并认识某种景观类型的减少流向与增加来源以及景观类型时空演变过程与机制。本文对1990—2000、2000—2010和2010—2018年全流域的景观类型转移矩阵进行了分析。其计算公式为：

式中：n为研究区内景观类型的数目；Sij为初始时期T1到末时期T2景观类型i转移为j的面积统计量，对角线上为该时段内保持不变部分的景观类型面积。

4 结果与分析

4.1 塔里木河流域绿色生态空间变化根据前述绿色生态空间涵义、度量方法及塔河流域1990—2018年4期土地利用遥感解译数据，得到塔河流域28年间的绿色生态空间（林地、草地、水域、滩涂湿地面积之和）变化，见表1。由表1可知，塔河流域的绿色生态空间总体呈持续减小的趋势，尤其是2010年后绿色生态空间急剧收缩，该时期内的减少量约占研究时段减少量的57.9%，主要减小的绿色空间为草地面积。在过去的28年内，塔河流域水域面积保持逐步增长趋势，除在2000年以后有微弱的减小趋势外，2018年相比2010年水域面积则增加了24.8%（1375.54 km2），这一变化与降雨量和冰川融水增加有关[16]；滩涂湿地绿色空间在2000年后有所下降，但2010—2018年总体呈现出增加趋势；草地面积呈逐步减少趋势，从1990年的280 972 km2下降到2018年的264 166.84 km2；但林地空间整体呈波动增加趋势，在2000年左右为最大值13 366.87 km2，在其后的18年间逐步减少。

表1 1990—2018年塔河流域绿色生态空间变化 （单位：km2）

4.2 景观类型动态转移

4.2.1 景观结构特征及面积变化 由表2可知，4个时期研究区各地类的面积中，未利用地占主导地位，所占比重均超过60%。由于城市化扩张、农业开发等因素的影响，耕地和建设用地的面积逐年增加，尤其是耕地面积的占比从1990年的2.43%增加到2018年的4.32%，净增长了1.89%；建设用地面积的占比由1990年的0.15%增加到2018年的0.29%。而水体的变化表现为波动减小趋势，除1990—2000年间有轻微增加外，整体上仍然呈减小趋势。林地整体变化不显著，呈现波动变化规律，所占比例仅由1990年的1.02%增加到2018年的1.11%，但在2000—2010年间呈下降趋势。草地面积总体呈减少趋势，从所占比例来分析，其占比在不断缩小，已从1990年的27.54%下降至2018年的25.9%。未利用地所占比例呈减小趋势，但减小幅度不大。

表2 1990、2000、2010和2018年塔河流域景观类型面积及占比

4.2.2 不同景观类型动态度分析 28年来，塔河流域景观变化幅度最大的是建设用地，呈加速增加趋势（表3）。其次变幅较大的景观类型为耕地，且增加幅度逐期变大；尤其是2010—2018年间，研究区耕地规模迅速扩张，总面积增加了11 992.04 km2，这是塔河流域为追求农业发展所带来的经济利益而大量种植棉花、红枣等经济作物而大量开垦农田而造成的。水体单一动态度为-0.27%，但在整个研究时段内，水体的变化存在由平缓变剧烈的过程。草地以0.06%的速度减少了16 805.16 km2，从单一动态度来看，草地的变幅并不是所有景观类型中最大，但从减少面积来看，却是减少最多的景观类型；这是由于草地是研究区内仅次于未利用地的主要景观类型之一，原有面积较大，导致其单一动态度仅为-0.06%；草地面积的减少的直接原因是农业用地面积的增加，虽然在2000—2010年间，通过生态治理，研究区的植被正向良性方向发展，但继续大量开荒，使得草地的动态变化度仍为负值。未利用地的总面积在研究时段内增加了6287.14 km2，单一动态度仅为0.01%，其原因是未利用地为研究区内的优势景观，原有面积较大，但仍然能够说明人类活动的强度显著增强。

表3 塔河流域景观类型动态变化

4.2.3 土地利用类型矩阵转移过程 表4为塔河流域1990—2018年景观转移矩阵，将其转化过程分为（Ⅰ）1990—2000年、（Ⅱ）2000—2010年和（Ⅲ）2010—2018年3个时段进行对比分析。结果表明：以建设用地和耕地等人为利用为主的人工景观显著增多。在各局部研究时段内，Ⅲ时段建设用地的面积增加最为突出，净增加1199.04 km2，转入面积主要来源于耕地和草地，分别转入914.70 km2和67.78 km2。耕地面积在各局部变化期中均呈显著增加趋势，且在Ⅲ时段增量最大，从其他地类转入面积为16 353.11 km2，而耕地转变为其他地类的面积仅有4358.6 km2，因此研究区的耕地面积表现为显著增加；耕地面积的增加以草地、未利用地和林地为主，转入面积分别占转入耕地总面积的60%、23%和8%，其各地类的转变比例均是3个研究时段的最大值。耕地向其他地类的转换中，转向草地面积最多，为2015.20 km2，其次为林地和未利用地。可见，受相关政策法规、退耕还林、退耕还草等生态保护工程的影响，林地的面积有所增加。

草地的面积在整个研究期内呈显著下降趋势。在Ⅰ时段，由于人类活动的增强，耕地面积持续增加，草地面积急剧减少；到Ⅱ时段，塔河流域综合治理工程开展后，植被得到了一定程度的恢复，但总体上草地面积仍未完全恢复，仍然减少了2583.19 km2。在Ⅲ时段内，草地面积下降幅度远远大于前2个研究时段，总面积减少了7831.82 km2；有105 096.76 km2的草地主要转换为未利用地、耕地和林地，分别占转出面积的80%、9%和6%。其他类型用地转为草地的面积为97 676.91 km2，其中，未利用地转为草地的面积占其转入总面积的84%，水体、林地和耕地也有少量面积转换为草地。

林地面积的变化并不稳定。在Ⅰ时段，林地面积增加了2994.44 km2，主要分布在河道两侧及上游地区农业灌区水分条件较好的区域，均主要由草地转化而来，占转入总面积的76%；在Ⅱ、Ⅲ时段，林地面积分别减少了753.21 km2和1285.34km2，主要转化为耕地和草地。水体的面积在Ⅰ时段稳定增长，但在随后的2个研究期内，水体面积均有所减少，主要转化为草地和未利用地；研究区水体面积的变化与其冰川面积的变化规律较为一致，都呈先增后减趋势，即冰川的转移在1990—2000和2010—2015年较剧烈，2000—2010年较缓和，且以面积的净减少为主[16]。未利用地的面积呈现出先减后增的趋势，在各局部变化期中，未利用地的新增面积以Ⅲ时段最大，以草地和水体为主，转入面积分别占其总转入面积的83.5%和14.3%。

表4 塔河流域景观转移矩阵 （单位：km2）

4.3 景观指数变化特征

4.3.1 类型尺度上的特征变化 整个研究时段内，就CA而言，除了耕地和建设用地持续大幅增加、未利用地小幅度增加外，草地、林地、水体面积均持续减少，见表5。PLAND和LPI增长显著的斑块类型是耕地、林地和建设用地，该变化过程显示出人工景观类型的快速发展，同时也说明了人类活动是主要驱动力。但草地的PLAND显著减少，尤其是1990—2000年和2010—2018年期间，分别减少了0.62%和0.74%；LPI在2000后显著减少，尤其是2010年以后，减少了1.1%。各景观类型的NP和PD整体呈增加趋势，该变化趋势表明由于人类活动增加，许多大斑块都被割裂开，景观破碎程度不断加深。其中，水体斑块个数由4697个增加到了18 361个，28年间共增加了13 664个，净增长了4倍；耕地斑块个数自2000年塔里木河流域综合治理工程实施以来，在10年间仍然增加了1046个。由于耕地优势度和聚集程度不断增大，说明大型斑块农用地连接成片，这与农业的集约化管理有关，但新开垦的农用地仍然处于分散状态，呈自由地以点或小面积开展，靠近河流两侧，从而造成对其他景观类型的侵占，导致其他景观类型NP和PD的增加，破碎度增加，如林地、草地等。尤其是草地的NP在研究时段内由9717个增加到15611个，净增长了1.6倍；PD持续增长以及LPI持续减少，这些指标变化都说明该景观受到的人类干扰不断增强。自2000年塔河流域综合治理工程开展后，植被大面积恢复，原有的低覆盖草地和荒地景观面积缩小或者被其他的景观类型所代替，从而导致原来较大的斑块被改造成多个小斑块，这也是研究区内景观破碎度加大的原因之一。

表5 1990—2018年塔河流域斑块类型尺度上的景观指数变化

4.3.2 景观尺度上的特征变化 1990—2018年塔河流域景观尺度上的景观指数变化见表6。从表6可以看出，1990—2018年塔河流域的ED和LSI总体呈增加趋势，表明其景观边缘形状区域复杂化，斑块不规则程度逐渐上升；AI在研究时段内呈不断下降趋势，说明斑块的聚合程度减小；CONTAG呈下降趋势，说明景观内部空间的连接性下降，各类景观的空间分布结构趋于不稳定，景观由聚集状向分散状转移，破碎度增加，整体景观类型在空间上更加分散。在研究时段内DIVISION不断上升，由0.68上升到0.70，说明塔河流域景观的空间聚集性减弱、离散性增强。28年内，SHDI呈持续增加趋势，表明研究区各斑块类型呈多样化趋势分布，这是由于草地和水体减少，其他景观增加，使得景观格局内的土地利用越来越丰富，景观的破碎化程度加强；SHEI整体呈先增后减的趋势，说明不同景观类型的比例结构差异先增加后趋于稳定降低。这5种景观指数的变幅在1990—2000年、2010—2018年最为显著。以上分析表明，近28年来人类活动对塔河流域景观格局的干扰在不断增强，且1990—2000年的人类干扰强度增加最为显著。

表6 1990—2018年研究区景观尺度上的景观指数变化

5 结论

本文以新疆塔里木河流域景观为研究对象，以1990—2018年4期遥感解译数据为基础数据，运用景观生态学与空间统计学的方法，对塔河流域的绿色生态空间与景观格局变化从时间和空间尺度上进行研究。28年来人类活动对塔河流域景观格局的干扰在不断增强，且1990—2000年的人类干扰强度增加最为显著。根据绿色生态空间涵义、度量方法，28年间塔河流域的绿色生态空间整体呈持续减小趋势，其主要减少的绿色空间为草地面积；尤其是2010年后绿色生态空间整体急剧收缩，减少量为6085.22 km2。从景观结构特征来看，未利用地占主导地位，所占比重超过60%，由于人类活动不断加强，耕地和建设用地面积逐年增加；草地的占比不断缩小，已从1990年的27.54%下降至2018年的25.9%。从景观变化幅度来看，变化最大的是建设用地，单一动态度为0.87%；其次是耕地为0.78%；草地的单一动态度仅为-0.06%，是由于草地原有面积较大而造成。各景观类型均出现不同程度的相互转化，建设用地的面积增加最为突出，净增加1199.04 km2，转入面积主要来源于耕地和草地；耕地面积的增加以草地、未利用地和林地为主，转入面积分别占转入耕地总面积的60%、23%和8%；草地的面积减少最为迅速，尤其是2010年后，主要转换为未利用地和耕地，分别占转出面积的80%和9%。从景观的总体变化来看，整体景观的NP、PD、ED和LSI整体都在增加，说明塔河流域内景观破碎程度在不断加深，且景观边缘形状区域更加复杂化。