干旱区绿洲-城镇-荒漠景观演变及生态环境效应

邹 易， 蒙吉军

（北京大学城市与环境学院,地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京 100871）

地球进入人类世以来，各类自然生态过程正被人类活动深刻改变，随之引发一系列生态环境问题［1］，对全球生态系统安全带来挑战。景观格局演变是区域人类活动与自然过程综合作用的结果。在西北干旱区内陆河流域，自然生态条件特殊，生态环境极端脆弱［2］，荒漠、绿洲和城镇是其重要的景观类型：荒漠是基质景观，占据干旱区绝对优势的面积比例；绿洲因具有明显高于周围荒漠的植被覆盖度与植被生产力［3］，是干旱区独特的景观类型；城镇则是人口最为密集、经济最为发达、社会经济功能更为完善的景观类型［4］。近年来，随着干旱区经济快速发展与人类活动的加剧［5］，尤其是绿洲的扩张和城市化的快速发展，荒漠、绿洲与城镇发展之间的矛盾日益突出，危及了干旱区流域生态安全［6］。从流域尺度定量揭示干旱区景观格局变化的生态环境效应［7］，对内陆河流域生态系统的稳定与可持续发展具有重要意义。

景观格局与过程的相互关系是景观生态学研究的核心问题［8］。近年来，学者们在采用不同的方法来研究干旱区景观格局与过程之间的相互关系，揭示绿洲与荒漠扩张或消退的过程，如Zhang等［9］利用复杂网络方法与冗余分析塔里木盆地绿洲转化过程与稳定性，进而揭示绿洲变化的驱动力；Yang等［10］将绿洲划分为自然绿洲区与人工绿洲区，在此基础上，通过构建模型确定适宜的绿洲规模与灌溉面积。也有学者聚焦荒漠-绿洲交错区，研究土地利用变化对生态系统服务的影响机制［11］，揭示不同景观稳定性水平及其维持机制［12］。绿洲化和荒漠化是干旱区内陆河流域两个重要地理过程，二者反向发展但密切关联［13］，城镇化在推进我国城乡一体化发展、全面推动乡村振兴进程中起到关键性作用［14］。“绿洲-城镇-荒漠”景观之间时空格局动态变化，反映了干旱区内陆河流域土地转型的时空特点。学者们采用相关分析［15］、空间自相关分析［16］、拟合约束线［17］等方法来研究多要素之间的权衡与协同关系。多元回归树（Multivariate Regression Tree，MRT）是在单变量回归树基础上发展的拓展模型，多用于研究物种分布与环境因子之间的联系［18］。因其可根据自变量的指标梯度确定分割节点，将因变量定义的空间范围划分为基本同质的类别，无需人为确定分类结果，更加客观科学［19］。该模型可同时输入一个或多个因变量，可用来揭示多要素之间的权衡协同关系及其驱动因素。如Ndong等［20］将MRT创新性地应用在分析景观多个生态系统服务及其驱动因素之间的权衡协同效应；Lyu等［21］利用MRT 探究不同景观格局指标对生态系统服务权衡协同效应的影响阈值。可以看出，现有研究大多将绿洲、荒漠或绿洲-荒漠过渡带视为独立单元，重点关注其内部稳定性与时空变异性，将“绿洲-城镇-荒漠”作为干旱区内陆河流域的景观模式开展的研究还较鲜见。基于此，本研究采用MRT 分析“绿洲-城镇-荒漠”景观组合在转型中的权衡-协同关系，同时探讨其空间驱动机制，以期扩展MRT 的应用情境。

黑河流域农业绿洲开发历史悠久，是我国西部重要的商品粮、蔬菜与制种基地，绿洲景观总体表现为“主体稳定，局部变化”的特点［22］。近年来，随着人口增加与城镇化速度加快，中游农业绿洲与城镇面积迅速扩大，自然绿洲逐渐被人工绿洲所取代［23-24］，同时对流域带来一系列生态安全问题［5］。基于此，本研究从“格局-过程”出发，针对干旱区典型的“绿洲-城镇-荒漠”景观格局组合，利用景观转型信息熵、均衡度与优势度等指标，结合景观转型核密度分析以及多元回归树模型等方法，揭示黑河流域绿洲-城镇-荒漠景观转型模式与生态环境效应，以期为干旱区内陆河流域的生态系统管理提供理论指导。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

黑河是我国第二大内陆河，地处青藏高原和内蒙古高原的过渡地带，发源于青海省祁连山北麓，流经青海、甘肃、内蒙古3 省区的11 县（区、旗），消亡于内蒙古额济纳旗的东、西居延海，干流全长约821 km，流域面积约13×104km2（图1）。黑河流域属于典型的干旱区气候，多年平均降水量为400 mm，多年平均潜在蒸散量为1600 mm。流域自南向北可分为上游祁连山地、中游走廊平原和下游阿拉善高原3个地貌单元。莺落峡以上为上游，地势高峻，气候严寒湿润，海拔4000 m以上的山脉发育有现代冰川，出山径流主要来源于山区的大气降水，冰川融水补给约占全部水量的3.6%，上游山地是流域产流区和水源涵养区，以牧业为主，人均收入较高；莺落峡和正义峡之间为中游，地处河西走廊，地势平坦，气候干旱，生态脆弱，也是整个流域绿洲最为集中、经济最为发达的地区，黑河流域主要城镇也都分布于中游的各大绿洲之中；正义峡以下为下游，为开阔平坦的盆地，除额济纳绿洲外大部分为荒漠、沙漠和戈壁，气候极度干旱。

图1 黑河流域概况Fig.1 General situation of Heihe River Basin

1.2 数据来源与处理

本研究使用的主要数据如表1所示。由于GDP空间分布最新数据截止2015年，因此本研究首先提取2015 年研究区各栅格GDP 产值占该栅格所在行政区县总产值的比例，以此为权重，乘以2019 年该栅格所在行政区县的GDP 总值，进而获得研究区2019 年GDP 空间分布公里网格数据，并以此代替2020 年GDP 空间分布数据。处理后数据精度与前序年份统一为1 km×1 km，空间化处理后数据相对误差最小为0.04%，最大不高于4.47%，误差较小，数据处理结果良好，可以满足研究需求。

表1 数据来源与说明Tab.1 Data sources and description

对于精度较低、时间序列缺失的数据，采用图像超分辨率方法进行合成得到高精度的完整时间序列数据，处理完成后数据精度为1 km×1 km，全时段数据精度实现统一，具体模型如下：

式中：y为标准化的高精度真实数据；x为标准化且插值后的低精度参考数据；k、b为系数；δ为随机误差。利用高精度数据使用最小二乘法率定出k、b的值后，可建立模型：

式中：ŷ为模型反演建立的高精度数据参考值。

1.3 研究方法

1.3.1 绿洲-城镇-荒漠景观划分 本研究参考黑河流域1963—2013 年绿洲分布数据集与绿洲重建矢量数据（表1），自南向北将黑河流域绿洲区域分为5个片区：山丹-民乐山前冲积扇绿洲、甘-临-高绿洲、酒泉绿洲、金塔-鼎新绿洲与额济纳绿洲。在土地利用图中提取6 个片区内的耕地、林地、草地、水域和沼泽地作为绿洲景观，提取结果与绿洲重建数据对比，相对误差均在1%以内；提取中游和下游的沙地、戈壁、盐碱地、低覆盖度草地、裸土地、裸岩石质地及其他未利用地为荒漠景观；提取城镇用地、农村居民点及其他建设用地为城镇景观。绿洲-城镇-荒漠景观体系划分如表2所示。

表2 黑河流域绿洲-城镇-荒漠景观土地利用分类系统Tab.2 Oasis-urban-desert landscape classification system in the Heihe River Basin

1.3.2 绿洲-城镇-荒漠景观转型分析

（1）景观转型矩阵

转移矩阵可用于描述多组分系统的状态变化，可以直观地表现出各类用地之间相互转化的情况，其计算公式如下［25］：

式中：Transi,j表示从时间点i到时间点j的转移矩阵；transp,q表示在该过程中第p类土地转化为第q类土地的面积。矩阵每行的元素总和表示该类型土地在时间点i时的总面积，每列的元素总和表示该类型土地在时间点j时的总面积，所有元素总和表示研究区域的总面积。

（2）景观转型核密度

核密度分析是对点数据或线数据进行空间衰减可视化表示的方法［26］，本研究采用景观转型核密度揭示黑河流域景观转型的时空特征，计算公式为：

式中：f(x)为x处的核密度值；n为样本数；h为搜索半径；K为核密度权重值；x-xi表示估计点x与样本点xi之间的距离。

本研究以2 km×2 km格网为基本单元，计算网格内景观转移的面积，并将每个网格内的景观转移信息提取至点数据，在ArcGIS 10.2软件中处理得到研究区景观转移的核密度结果。核密度分析识别除了景观转型热点区，核密度由发生土地转移的核心区向外围衰减，反映景观转型由热点区向周围扩散的影响大小［27］，由此将其他用地类型转为荒漠、绿洲与城镇景观的景观转型核密度分别定义为荒漠化、绿洲化与城镇化强度。

（3）景观信息熵、均衡度和优势度

景观转型结构指标可有效揭示不同景观过程中土地利用的有序程度与演化方向［28］。本研究利用景观信息熵、景观均衡度和优势度等来揭示黑河流域景观转型的内部结构特征。其中，景观信息熵可反映区域土地利用的多样性与有序程度，一定程度上表征人类对土地系统的干扰程度；景观均衡度与景观优势度则反映土地利用之间面积大小的差异，表征土地利用结构的空间格局，景观均衡度侧重衡量各类用地之间的发展是否平衡，景观优势度诠释研究区是否存在占支配地位的用地类型。3个指标相互补充参考，能够更加客观全面的评价典型景观系统的演变态势。计算公式［29-30］分别为：

式中：H为景观信息熵；Pi为土地利用面积的占比，可理解为概率；Ai为第i类用地的面积；n为用地类型的数量；J为景观均衡度；D为景观优势度；Pe为景观完全均衡状态时的概率。

1.3.3 景观转型间的权衡-协同效应 本研究采用MRT 模型分析黑河流域绿洲-城镇-荒漠景观转型之间的权衡-协同关系，同时确定权衡与协同效应空间差异的环境驱动机制。MRT 的目标并非建立因变量与自变量之间的回归关系，而是将自变量作为分类节点，利用二元分割法（binary split）将因变量定义的空间区域划分为基本同质的类别，并采用交叉验证（cross-validation）确定分类结果，一般默认保留结果为交叉验证误差最小的一个标准差范围内的分类结果［18-19］。MRT的分类结果可以较好的模拟多种自然要素间的非线性关系与阈值效应［31］。

基于科学性、合理性与可获取性原则［20-21］，选择人口密度、GDP、年降水量、年均气温、海拔、坡度与坡向共7个因子作为景观转型权衡协同关系的驱动因子。以7 项驱动因子为自变量，2000—2020 年期间4 个时段的绿洲化、城镇化与荒漠化强度累加值作为因变量，进行多元回归树分析。由于干旱区内陆河流域绿洲之外的景观转型过程不强烈，为避免流域统计值中空值过多的问题，统计聚类景观转型强度时剔除大部分空值数据，最大限度反映出各聚类内部的共性及聚类间的差异性，本研究选择5 个聚类结果作为最终模拟结果，以最大限度体现类别内的共性与类别间的差异性［20］。MRT 分析过程通过R语言软件“mvpart”包实现。

1.3.4 景观转型生态环境效应分析 景观转型过程往往伴随生态环境质量变化［32］。近年来，随着遥感技术的蓬勃发展，生态环境质量评估渐趋完善［33］，尤其是遥感生态指数（RSEI）模型［34］，利用主成分分析法将绿度、湿度、热度和干度4 个指标集成起来，综合评估区域的生态环境质量得到了广泛应用［35］。本研究利用RSEI来反映景观的生态环境质量，用景观转型的生态环境贡献率（LEI）来刻画景观转型的生态环境效应［25-36］，包括负向和正向两方面的效应，计算公式为：

式中：LEI为景观转型的生态贡献率；LE1与LE0分别表示变化前、后两期景观的遥感生态指数；ΔS表示发生变化的景观面积；TA为研究区总面积。

2 结果与分析

2.1 黑河流域绿洲-城镇-荒漠景观分布格局

从图2 可以看出，荒漠是黑河流域分布最广泛的景观类型，占流域总面积的60%以上，广泛分布于中游东北部和下游地区。绿洲主要分布在中游和下游，20 a 期间主体部分保持相对稳定，面积由7579 km2增加至8513 km2，增加了934 km2，扩张达12%。其中，中游是流域绿洲面积最大、最集中的区域，以耕地为主，是我国西部重要的粮食基地；下游绿洲则以林地和草地为主，多生长耐盐、耐旱植物，尤以胡杨林最为典型，额济纳绿洲为重要牧区。城镇面积占比最小（0.65%），其空间分布和规模与各绿洲紧密关联，大规模的城镇多分布在规模较大的绿洲或水源富集区，尤其是中游各绿洲形成了张掖、酒泉和嘉峪关等地级城市以及山丹、民乐、临泽、高台、肃南和金塔等县城，是流域内城镇化发展最为迅速的区域。

图2 2000—2020年黑河流域绿洲-城镇-荒漠分布格局Fig.2 Spatial distribution of oasis-urban-desert in the Heiihe River Basin from 2000 to 2020

2.2 黑河流域绿洲-城镇-荒漠景观转型

2.2.1 绿洲-城镇-荒漠景观转型的时空特征 从图3可以看出，20 a期间黑河流域景观转型呈现波动变化的特点，其中绿洲化过程最为强烈，城镇化次之，荒漠化程度最轻。2010—2015年期间是绿洲化、荒漠化与城镇化均较强烈的时段，土地利用冲突与竞争较为剧烈，土地转型活跃且转型方向复杂多样。20 a期间，黑河流域荒漠化过程较微弱，热点区分别位于中游高台县中部（2000—2005年）、甘州区南部（2000—2005年、2015—2020年）以及下游额济纳绿洲三角洲附近（2010—2015 年）。绿洲化过程经历了“快速发展-增速减缓-增速加剧-再度减缓”的波动过程，绿洲扩张区主要分布在中下游河道附近和绿洲外围。城镇化过程在2010年后明显加快，多表现为各大城镇向外围扩张的趋势。城镇化和绿洲化区域集中在中游地区，围绕沿连霍高速公路、312国道以及兰新铁路的东西向轴线与沿227 国道、兰新铁路二线的斜向轴线发展。其中，中游西部的酒泉市与嘉峪关市城镇持续扩张，中游东部以张掖市滨河新区、民乐县与山丹县交界处为中心的城镇扩张。此外，2010—2015年期间下游额济纳旗策克口岸为中心的城镇建设是此阶段城镇化的重点。

图3 2000—2020年黑河流域绿洲-城镇-荒漠景观转型的时空与数量特征Fig.3 Spatio-temporal and quantitative characteristics of oasis-urban-desert in the Heiihe River Basin from 2000 to 2020

2.2.2 绿洲-城镇-荒漠景观转型的内部特征 从图3和弦图可以看出，2000—2005年间，绿洲面积的增加主要来自沙地、戈壁、盐碱地、低覆盖度草地与裸地的开垦，开垦面积分别为43 km2、47 km2、94 km2、98 km2、47 km2；荒漠化主要来自耕地的零星退化与水域面积的减少；城镇发展则主要占用戈壁与盐碱地。在2005—2010年间，绿洲化与城镇化是景观转型的主要方向，均来自对荒漠的开垦和利用，耕地开垦过程较为强烈，耕地面积增加343 km2（占0.57%）。2010—2015 年间，景观转型过程最为强烈，农业绿洲扩大287 km2，荒漠化面积高达53 km2，主要是额济纳三角洲绿洲草场退化；城镇扩张及交通建设，导致戈壁、盐碱地与裸地分别减少298 km2、113 km2和120 km2。2015—2020 年间，耕地与其他建设用地有较大幅度的增长，分别增加280 km2、104 km2，均以戈壁、盐碱地与裸地的转入为主，荒漠化过程则表现为水域转为戈壁或裸地。

综上所述，20 a 期间，绿洲的扩张主要来自沙地、戈壁、盐碱地与裸地的开垦，其次是水域面积增加；荒漠化趋势以草场退化、耕地沙化与水域面积减少为主；城镇化过程前期以占用耕地为主，2005年后更多地以占用戈壁、中低覆盖度草地、盐碱地等荒漠为主。

2.2.3 绿洲-城镇-荒漠景观转型的阶段特征 从图4 看出，20 a 期间黑河流域景观信息熵H平均值为1.794，始终位于较高水平且持续增长，景观均衡度J由2000年0.677增长至2020年0.685，景观优势度D呈现“下降-上升-下降”的波动趋势。根据景观结构指标的年际变化趋势可以将黑河流域景观转型过程分为以下三个阶段：

图4 2000—2020年黑河流域绿洲-城镇-荒漠景观转型结构演化Fig.4 Changes in the oasis-urban-desert land use structure in the Heiihe River Basin from 2000 to 2020

第一阶段为农业活动主导期（2000—2005年），流域景观信息熵H与均衡度J基本平稳略有上升，优势度则呈现先降低、后增加的波动状态，流域整体发展速度缓慢，用地多样性水平低，景观转型方向单一，表现为以耕地面积增加为主的农业绿洲扩张，扩张达343 km2。

第二阶段为产业快速发展期（2005—2015年），城镇与荒漠景观结构指标呈现明显的拐点，城镇信息熵H与均衡度J快速增加，优势度D快速下降，荒漠景观则相反。同时，流域优势度D大幅下降，耕地、草地、水域、城镇用地与建设用地面积分别增加10.45%、9.42%、6.11%、27.37%、80.01%，绿洲扩展从耕地扩张主导逐渐变为耕地、草地与水域协同扩张，绿洲内部的优势度指数明显下降，用地结构渐趋协调与多样化，流域开始进入快速发展阶段。

第三阶段为发展转型协调期（2015—2020年），流域、绿洲和城镇景观信息熵H与均衡度J均明显增加，优势度D随之下降；荒漠景观结构指数经前阶段的强烈变动后趋于平稳，城镇化进程加速使得流域内景观转型方向更加多样，城镇用地、农村居民点与建设用地面积分别增加8.55%、1.36%、28.11%。城镇化加速使得景观结构复杂性增加，同时流域荒漠化趋势得到一定控制，荒漠景观优势度增加，主要原因是耕地、林地、草地与水域多转为低覆盖度草地，也使得低覆盖度草地在荒漠景观中逐渐处于支配地位。

2.3 黑河流域绿洲-城镇-荒漠景观转型的权衡-协同与环境驱动因子分析

利用MRT 定量分析黑河流域三类景观转型之间的权衡协同关系及空间差异，并探索其环境驱动因子。最终MRT结果由3个分类层次与5个聚类组成（图5），模型的模拟精度R2=0.42，标准误差SE=0.01，对每个聚类中景观转型强度的值域范围进行定量分析，结果显示（表3），7个影响因子中，年均气温、海拔、GDP与年降水量4个因子的影响作用最为显著。聚类在流域不同区域呈现聚集的趋势，通过对比MRT结果与响应变量箱线图，对5个聚类进行分析。

表3 多元回归树结果统计Tab.3 Qualitative interpretation of the results of multivariate regression tree

图5 黑河流域景观转型空间聚类属性和环境驱动因子阈值Fig.5 The attributes and spatial distribution of landscape transformation and environmental effect bundles and their driving factors in the Heiihe River Basin

（1）聚类1：分布于流域内荒漠地区。聚类中大部分区域三类景观转型均不强烈，但仍存在部分转型强烈的区域，城镇化强度处于流域平均水平，荒漠化强度高于流域平均值，绿洲化强度低于平均值，绿洲化与荒漠化之间存在权衡关系。该聚类的主要环境驱动因子为年均气温（＜8.99 ℃）和GDP（＜963.5×104元·km-2）。

（2）聚类2：主要分布在嘉峪关市、酒泉市及零星分布于张掖市的城镇与居民点。城镇化强度高于其他聚类，绿洲化强度低于流域平均水平，而荒漠化强度中等，城镇化与绿洲化之间存在权衡关系。主要环境驱动因子为年均气温（＜8.99 ℃）和GDP（≥963.5×104元·km-2）。

（3）聚类3：包括中游甘-临-高绿洲西北部、下游金塔绿洲区及周边地区，在额济纳旗东部沿黑河呈条带状分布。聚类中城镇化强度略高于流域平均水平，荒漠化强度最低，绿洲化强度中等，城镇化与荒漠化呈权衡关系。主要环境驱动因子为年均气温（≥8.99 ℃）和海拔（＜1376 m）。

（4）聚类4：包括甘-临-高绿洲东部与南部，聚类中荒漠化强度高，绿洲化强度高于流域平均水平，城镇化强度略低于流域平均水平，城镇化与绿洲化、荒漠化之间呈权衡关系。主要环境驱动因子为年均气温（≥8.99 ℃）、海拔（＞1376 m）和年降水量（≥83.46 mm）。

（5）聚类5：集中分布在肃州区上坝镇、铧尖乡等部分乡镇。其中绿洲化强度最高，荒漠化与城镇化强度均较低，绿洲化与荒漠化、城镇化之间存在权衡关系。主要环境驱动因子为年均气温（≥8.99 ℃）、海拔（≥1376 m）和年降水量（＜83.46 mm）。

结果显示（图5），温度作为回归树第一层分割节点，是影响黑河流域景观转型权衡-协同效应的首要因素，≥10 ℃积温对农业生产有显著的促进作用，因此在聚类3～5（年均气温≥8.99 ℃）中绿洲化强度明显高于聚类1～2（年均气温＜8.99 ℃）。而在温度未达到阈值的区域，GDP即社会经济因子成为主要驱动因素，随着GDP 升高（≥963.5×104元·km2），城镇化强度增加，由绿洲化与荒漠化的权衡关系转为绿洲化与城镇化的权衡；在温度达到阈值（年均气温≥8.99 ℃）的区域，海拔开始对景观转型产生影响，高海拔地区往往会限制人类开发建设活动，为植被生长提供了更为适宜的生境条件，因此聚类4～5（海拔≥1376 m）均表现出较低的城镇化强度与较高的绿洲化强度，而聚类3（海拔＜1376 m）则表示出较高的城镇化强度。在海拔＞1376 m 阈值的区域，年降水量阈值83.46 mm区分了聚类4与聚类5，均表现出较高的绿洲化强度，绿洲化过程对降水最为敏感。其中，聚类4主要分布在张掖绿洲，周围被沙漠戈壁环绕，加之近年来工业化与城市化建设的加快，农田扩张与水资源的无序利用破坏了本就脆弱的生态环境，表现出较高的荒漠化强度；聚类5则因国道、高速公路等穿过，尤其兰新高铁贯穿全境，加强了区域与外界的连通性，促进农产品贸易，因此绿洲化过程更加强烈。

2.4 黑河流域绿洲-城镇-荒漠景观转型的生态环境效应

2.4.1 黑河流域生态环境质量时空变化特征 根据ArcGIS自然断点法，将黑河流域生态环境质量分为5 个等级：较差（Ⅰ：0～0.17）、差（Ⅱ：0.17～0.27）、中等（Ⅲ：0.27～0.4）、良（Ⅳ：0.4～0.5）、优（Ⅴ：0.5～1.0）。黑河流域生态环境质量以Ⅰ级与Ⅱ级用地为主，占流域总面积的70%以上，Ⅰ级生境质量分布在下游荒漠区，Ⅱ级生境质量主要分布在中下游绿洲区的外围。生态环境质量最优的Ⅴ级仅占流域总面积的7%左右，主要分布在中游绿洲区与上游祁连山区东南部。

将生态环境质量等级升高或降低一级的区域定义为提升区或下降区，变化两级及以上的区域定义为明显提升区或明显下降区。从图6 看出，黑河流域生态环境质量时空变化特征与绿洲-城镇-荒漠景观转型3 个阶段非常吻合：（1）农业发展主导期（2000—2005 年），生态环境质量优化趋势最明显，Ⅴ级生境质量土地转入高达4601 km2，由于大量荒漠景观被开垦为耕地，使得生境质量较高的用地面积增加，其中环境质量明显提升区集中分布于山丹绿洲与民乐绿洲。（2）产业快速发展期（2005—2015 年），社会经济快速发展对流域生态环境产生了负面影响，Ⅰ级生境质量用地转入高达11787 km2，而Ⅴ级生境质量土地则转出3274 km2，生境恶化区集中在额济纳绿洲周围、金塔县西南部与甘州区东北部区域。由于城镇扩张侵占部分耕地与林地，使得高质量生境用地减少，加之人类活动对生态环境干扰增大，破坏了流域整体生态平衡。（3）发展转型协调期（2015—2020年），黑河流域生态环境质量又出现好转，主要提升区分布在中游绿洲区与下游河道两侧区域。整体来看，20 a 期间黑河流域生态环境质量呈现波动中提升的趋势，绿洲化的持续扩张使其周边区域生态环境质量明显提升，而下游的城镇化过程则造成生境质量明显下降。

图6 2000—2020年黑河流域生态环境质量时空变化Fig.6 Spatial and temporal variation of RSEI in the Heiihe River Basin from 2000 to 2020

2.4.2 绿洲-城镇-荒漠景观转型的生态环境效应 图7 显示，2000—2020 年间，黑河流域景观转型的生态环境效应以正效应为主，整体来看正效应主要来自荒漠景观转为绿洲和城镇景观，负效应主要来自绿洲转型为荒漠与建设用地，其中正效应明显强于负效应。沙地、戈壁、盐碱地等荒漠景观向耕地的转型是黑河流域生态环境质量改善的主要原因，占正效应总贡献率的79.8%；戈壁向建设用地的转型也在一定程度上对生态环境质量改善起到作用，占正效应总贡献率的6.5%。耕地退化为戈壁、低覆盖度草地与裸地等荒漠景观是生态环境恶化的主要原因，占负效应总贡献率的41.4%；水域减少造成的环境恶化贡献率占总贡献率的20.0%。此外，草地的退化也是生态环境质量恶化的重要因素，占总负效应的12.2%；城镇扩张对耕地的占用造成的生态环境负效应占贡献总值的9.1%。

图7 黑河流域2000—2020年绿洲-城镇-荒漠景观转型及生态环境贡献率Fig.7 Transformation and contribution rate of oasis-urban-desert in the Heiihe River Basin from 2000 to 2020

3 讨论

3.1 景观转型的环境响应机制

区域生态环境效应是景观过程与格局的直接反映。快速城镇化与工业化带来了区域经济发展，若不能正确协调经济发展与生态环境保护的关系，必将对区域生态安全造成负面影响［37］。区域景观格局的变化与人类活动密切相关，景观格局的演变过程深入反映了人类活动、自然环境在不同时空对地表的改造［38］。权衡区域经济发展与生态保护之间的关系成为诸多决策部门面临的两难课题［39］。

由于恶劣的自然环境条件，我国西北干旱区生态环境质量总体偏差。在干旱区内陆河流域，绿洲是人类活动最为活跃的区域，也是景观转型最强烈的区域，而其他区域景观格局变化相对很小［40］，在本研究中黑河流域的绿洲-城镇-荒漠景观转型的热点区域也同样分布在各绿洲外围。黑河流域绿洲化过程主要受自然因子如降水、气温与海拔的驱动（聚类4与聚类5），城镇化过程主要由海拔与GDP驱动（聚类2与聚类3），而荒漠化过程受复杂人为因素影响较大。绿洲化过程对降水因子最为敏感，降水量增加有助于作物生长，加速绿洲扩张，而温度对绿洲化的影响比较复杂，Song 等［41］发现，温度升高对黑河流域玉米生长具有积极影响，从而诱导了农业绿洲的扩张。研究区在年均气温8.99 ℃处存在阈值效应，绿洲化与城镇化之间的权衡关系发生逆转，气温适宜发展种植业的区域优先扩张绿洲（聚类4），而气温较低的区域则城镇化发展占据优势（聚类2），城镇化带动经济发展，经济发展过程必然加速水资源消耗，有限的水资源无法同时承载绿洲化过程，此时绿洲化与城镇化过程必然表现权衡关系（聚类2），水资源依旧是制约流域发展的关键因素，这与Shao等［42］在黑河流域的研究结论相一致。

3.2 基于景观转型的流域高质量发展策略

本研究利用MRT 分析绿洲-城镇-荒漠景观组合的转型过程中的复杂非线性关系及阈值效应，根据聚类结果，结合生态环境质量效应，提出如下促进流域生态保护和高质量发展的策略：

（1）荒漠生态区：包括中下游荒漠区（聚类1），区域内沙漠戈壁广布，为控制荒漠蔓延，有必要重点加强防护林建设、天然草原退牧还草、防沙治沙等生态工程，同时保护东、西河岸绿洲生态，全力保障生态用水，完善水资源配置格局，牢筑居延绿洲生态安全屏障。

（2）城镇绿洲权衡区：包括聚类2 与聚类4，应重点解决水资源承载力限制人口与经济增长问题，有效保护河西走廊农业灌溉用水，提高农业用水效率，发展新型节水灌溉设施；注重发展特色农副产品加工业与第三产业，有针对性的扩大特色种植业与养殖业规模，打造兼具现代绿色农业商贸与历史文化特色旅游功能的绿洲生态城市。

（3）荒漠绿洲权衡区：主要为聚类3，作为荒漠绿洲的过渡区，应提高植被覆盖率，重点保护绿洲外围过渡带，加大荒漠化治理力度，防止荒漠蔓延，科学合理开发利用荒地，提高区域整体生态环境质量。

（4）农业绿洲发展区：主要为聚类5所在区，作为绿洲农田发展区，应聚焦耕地高质量发展与保护，提高农业科技发展水平，注重耕地质量而非数量，在减少耕地面积投入的基础上增加耕地产量。

3.3 研究局限性

本研究也存在部分局限。利用景观转型核密度表征流域内各类景观转型的强度，进而反映流域城镇化、绿洲化与荒漠化强度，这一评价方法仅在空间上量化三类景观转型的强度，而实际上城镇化、绿洲化过程评价机制较为复杂，有时还需考量地区的人口城镇化、经济城镇化、空间城镇化和社会城镇化等一系列相关指标［43-44］；此外，由于干旱内陆河流域在绿洲以外的区域景观转型不明显，核密度统计数据可能存在较多空值，数据在空间上的不连续可能会对模型结果造成影响。

4 结论

本文研究了黑河流域典型景观“绿洲-城镇-荒漠”的“格局-过程”，基于景观转型的时空特征、内部特征与阶段特征分析景观时空动态变化，基于MRT 模型分析三类景观转型之间的权衡协同关系及空间响应机制，基于遥感生态指数评估景观转型的生态环境效应，主要结论如下：

（1）荒漠是黑河流域分布最广泛的景观类型，主要分布于中游东北部和下游地区；绿洲集中分布在中游和下游地区，其中，中游绿洲是流域绿洲面积最大、最集中的绿洲；城镇所占面积最小，其空间分布和规模与绿洲紧密关联，中游绿洲孕育了张掖、酒泉和嘉峪关市等重要城市。

（2）黑河流域绿洲-城镇-荒漠景观转型可分为三个时期：2000—2005 年为农业活动主导期，耕地开垦为主要的转型方向；2005—2015年为产业快速发展期，转型方向复杂多样，城镇绿洲快速发展，土地利用结构趋于协调与多样；2015—2020年为发展转型调整期，城镇发展加速的同时，逐渐重视生态经济功能区的建设。

（3）气温、GDP、海拔、降水量共同影响绿洲-城镇-荒漠景观转型之间的权衡-协同关系，其中气温主要影响绿洲化过程，海拔影响城镇化过程，气温、降水量与海拔之间的复杂相互作用则会影响区域农业发展（绿洲化）与生态退化（荒漠化）过程。

（4）2000—2020年间黑河流域景观转型的生态环境效应以正效应为主，正效应主要是来自荒漠景观转为绿洲和城镇景观，负效应主要来自绿洲转型为荒漠与建设用地；其中耕地扩张是正效应的主要原因，耕地退化、水域减少与草地退化则是负效应的主要原因。