河西走廊中西段綠洲景觀格局演變及其生態(tài)效應(yīng)

河西走廊中西段綠洲景觀格局演變及其生態(tài)效應(yīng)

景觀生態(tài)學(xué)是地理學(xué)和生態(tài)科學(xué)的結(jié)合產(chǎn)物。主要研究景觀結(jié)構(gòu)、景觀功能和景觀動(dòng)態(tài)。其中,結(jié)構(gòu)決定功能,功能的改變最終將從結(jié)構(gòu)的變化中反映出來(lái)。景觀格局(LandscapePattern)一詞是在景觀生態(tài)學(xué)文獻(xiàn)中使用頻率最高的術(shù)語(yǔ)之一,即景觀結(jié)構(gòu),廣義包括景觀組成單元的類(lèi)型、數(shù)目以及空間分布與配置。景觀格局變化是指組成景觀的各個(gè)景觀要素在一定時(shí)空尺度內(nèi)發(fā)生變化引起景觀空間結(jié)構(gòu)的變化。一般來(lái)說(shuō),景觀的起源受地貌、氣候、生物、土壤發(fā)育和自然干擾5個(gè)主要自然地理過(guò)程的影響,在此基礎(chǔ)上,景觀又受到人類(lèi)活動(dòng)的深刻影響。較大空間尺度上,地貌和氣候?qū)坝^過(guò)程常常起主導(dǎo)作用,中小尺度上,植被、土壤及人類(lèi)活動(dòng)等的分異作用更為明顯。因此,景觀格局及其變化既是各種干擾因素相互作用的結(jié)果,又影響著該區(qū)域的生態(tài)過(guò)程和邊緣效應(yīng),對(duì)其研究,是揭示其生態(tài)狀況及空間變異特征的有效手段。況且目前,IGBP、IHDP和WCRP等國(guó)際組織在其土地利用/覆被變化(Landuseandlandcoverchange,簡(jiǎn)稱LUCC)研究項(xiàng)目中,都紛紛結(jié)合景觀格局及變化的分析模型來(lái)研究LUCC的空間結(jié)構(gòu)并預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)。河西走廊屬典型的荒漠-綠洲景觀,走廊綠洲以廣布的戈壁沙漠為基質(zhì)的景觀要素散布在流域沖洪積平原區(qū)。長(zhǎng)期以來(lái),由于人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈干擾,加之在干旱氣候條件、水資源分布空間差異及社會(huì)因素的綜合作用下,景觀具有更大的空間異質(zhì)性和演變性,表現(xiàn)為區(qū)域景觀類(lèi)型與格局的變化,生態(tài)環(huán)境體現(xiàn)出不穩(wěn)定波動(dòng)而超出生態(tài)安全閾值的顯著退化。本文選取河西走廊中西段肅州綠洲為典型區(qū)進(jìn)行縣域尺度的景觀格局變化研究,結(jié)果將為整個(gè)河西走廊的生態(tài)環(huán)境綜合整治提供依據(jù)。1研究區(qū)域和數(shù)據(jù)處理1.1西南中低山地本文所指肅州綠洲(原酒泉市轄范圍,現(xiàn)為肅州區(qū)范圍,2002年9月設(shè)置)位于甘肅省西北部河西走廊西段,E98°12′～99°18′,N39°10′～39°59′之間,東西長(zhǎng)104km,南北寬84km,總面積3406.8km2。年平均氣溫7.9℃,年平均降水量84mm,干旱少雨,屬半沙漠干旱性氣候。位于祁連山北麓的緩坡地帶,地勢(shì)西南高,東北低,發(fā)育了北大河、洪水壩河等河流,南部沿祁連山由各山口形成若干較高的沖積扇,造成新地、紅山、金佛寺、豐樂(lè)、清水、屯升等綠洲。植被類(lèi)型以荒漠植被為主,蓋度稀疏,種類(lèi)貧乏,在戈壁灘上分布的地帶性植被有紅砂、珍珠豬毛菜、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)、膜果麻黃(Epheadraprzewalskii)和木霸王等群落;低山殘丘主要是合頭草、木本豬毛菜(Salsolaarbuscula)及戈壁短舌菊(Brachanthemumgobicum)荒漠;流動(dòng)沙丘主要是沙拐棗(Calligonummongolicum)和籽蒿(Artemisiasphaerocephala);在湖盆低地分布有鹽爪爪(Kalidiumcuspidatum)、蘆葦及香蒲;河流沖積平原上分布有柳灌叢及蘆葦、芨芨草、馬蘭等鹽生草甸。土壤類(lèi)型以灰漠鈣土和灰棕漠鈣土為主。全區(qū)轄20個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),人口35萬(wàn)(2001年),其中農(nóng)村人口20萬(wàn)。2001年,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值20億元,農(nóng)民人均純收入達(dá)到3502元1,是全國(guó)500個(gè)商品糧生產(chǎn)大縣之一和全國(guó)第二大對(duì)外制種和洋蔥生產(chǎn)基地。1.2數(shù)據(jù)和處理1.2.1基于影像柵格的土地利用提取數(shù)據(jù)源于研究區(qū)1988、2000年兩個(gè)時(shí)期的Landsat54、3、2(RGB)波段合成影像,幾何精校正系統(tǒng)采用2次多項(xiàng)式,像元重采樣采用雙線性內(nèi)插法,校正后每個(gè)像元的分辨率為30m。在ArcGIS8.1軟件環(huán)境下,以影像柵格文件作為判讀背景(底層),通過(guò)人機(jī)交互方式,分層提取目標(biāo)地類(lèi),提取出來(lái)的土地利用數(shù)據(jù)以COVERAGE格式存儲(chǔ)。景觀斑塊分類(lèi)的人為性很強(qiáng),目前大多采用土地利用現(xiàn)狀類(lèi)型[13,14,15,13,14,15]。結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn),選取中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)中的全國(guó)1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)分類(lèi)系統(tǒng),將斑塊類(lèi)型分為20種:耕地、灌木林、疏林地、其它林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、河渠、湖泊、水庫(kù)坑塘、灘地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地、沙地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地、裸巖石礫地(彩圖Ⅰ)。1.2.2土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移矩陣根據(jù)地圖代數(shù)原理,對(duì)兩期土地利用類(lèi)型圖Ak和Ak+1,采用的地圖代數(shù)方法:Cij=Akij×10+Ak+1ijijk+1(土地利用類(lèi)型<10時(shí)適用〉,可以求得由1988年到2000年的土地利用變化圖Cij,它直觀表現(xiàn)了土地利用變化的類(lèi)型及其分布,據(jù)此可以進(jìn)一步求得反映土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)化定量關(guān)系的轉(zhuǎn)移矩陣(表1)。1.2.3數(shù)據(jù)處理和分析方法景觀格局指數(shù)處理采用ArcGIS8.1、Excel以及Fragstats軟件。Fragstats是由美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開(kāi)發(fā)的一個(gè)景觀指標(biāo)計(jì)算軟件,有矢量版本和柵格版本2種版本。本文采用Fragstats3.3柵格版本來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。關(guān)于景觀空間格局分析,已提出和運(yùn)用了許多指標(biāo)[18,19,20,22,23,24,19,20,21,22,23,24]。根據(jù)各指標(biāo)生態(tài)學(xué)涵義,本文選取斑塊面積、斑塊周長(zhǎng)、斑塊密度、邊緣密度、Shannon多樣性指數(shù)、均勻度、優(yōu)勢(shì)度、破碎度和分離度來(lái)研究肅州區(qū)景觀格局變化特征。其中,景觀面積、周長(zhǎng)、斑塊數(shù)、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)、斑塊密度、邊緣密度由Fragstats計(jì)算出,計(jì)算方法詳見(jiàn)其使用說(shuō)明書(shū)。優(yōu)勢(shì)度、破碎度、分離度則由ArcGIS和Excel計(jì)算出。部分指標(biāo)如表2。2草地及鹽堿地覆蓋肅州綠洲總面積340686hm2,2000年,戈壁和沙地占40.07%,耕地占27.47%,鹽堿地占13.05%,低覆蓋草地占11.77%,其余類(lèi)型僅占7.64%(表1)。說(shuō)明該區(qū)是以戈壁和沙地為基質(zhì)的農(nóng)牧業(yè)綠洲景觀。2.1土地使用變化分析圖12.1.1加要求下采集點(diǎn)面積,性別分布,年齡為653.42.7.32%;1988～2000年期間新增耕地4946.674hm2,減少677.897hm2,凈增加4268.777hm2,增長(zhǎng)率4.78%。新增水域890.287hm2,減少375.497hm2,凈增加514.790hm2,增長(zhǎng)率6.21%。耕地增加的主要來(lái)源是未利用地和草地,反映出肅州區(qū)近年來(lái)擴(kuò)大耕地面積的直接結(jié)果,水域增加的主要來(lái)源是草地、未利用地和耕地。2.1.2農(nóng)村居民點(diǎn)凈加速度較快1988～2000年,城鎮(zhèn)用地凈增加173.261hm2,增長(zhǎng)率49.25%。反映了研究區(qū)近年來(lái)城市化速度較快的特點(diǎn)。農(nóng)村居民點(diǎn)凈增加99.801hm2,增長(zhǎng)率3.18%。城鎮(zhèn)用地增加的主要來(lái)源是耕地,農(nóng)村居民點(diǎn)增加的主要來(lái)源是耕地和未利用地。2.1.3林地減少量hm1988～2000年,草地減少了4761.859hm2,增加705.592hm2,凈減少4056.267hm2。林地減少了140.412hm2,增加了10.155hm2,凈減少130.257hm2。草地減少的主要去向是未利用地、耕地和水體,林地減少的主要去向是未利用地、草地和耕地。2.1.4兩種立地條件下對(duì)比1988～2000年,未利用地減少了4299.704hm2,增加了3429.599hm2,凈減少870.106hm2,減少的主要去向是耕地、草地和水體。2.2景觀特征指數(shù)的分析2.2.1斑塊的平均長(zhǎng)度1988～2000年,景觀豐富度在減小,斑塊類(lèi)型由20個(gè)減少為19個(gè),176.22hm2高覆蓋度草地全部消失,斑塊總數(shù)由1153減為1144個(gè),具體表現(xiàn)為草地斑塊在減少(17個(gè)),農(nóng)村居民地、水體卻在增加(9個(gè))。斑塊周長(zhǎng)減小了148440m,其中,耕地、水體、建設(shè)用地、鹽堿地和裸土地的斑塊周長(zhǎng)明顯增加,草地、灘地、戈壁斑塊周長(zhǎng)明顯減小。而斑塊平均周長(zhǎng)增加了263m,其中,城鎮(zhèn)用地、灘地、耕地、鹽堿地平均周長(zhǎng)在增加,戈壁、各種覆蓋草地平均周長(zhǎng)在減小;斑塊平均面積增加了11hm2,其中,城鎮(zhèn)用地(174hm2)、耕地(26.69hm2)、水庫(kù)坑塘(27.1hm2)增加較多,而草地、戈壁、林地卻在減少,與斑塊平均周長(zhǎng)所反映的特征是基本一致的(表1)。說(shuō)明綠洲城市化進(jìn)程的加快和生態(tài)環(huán)境的惡化。2.2.2點(diǎn)、裸土地斑塊密度的變化斑塊密度反映景觀破碎化程度,同時(shí)也反映景觀空間異質(zhì)性程度。12a內(nèi)肅州綠洲景觀的斑塊密度減少0.0026個(gè)/100hm2。其中,水體、農(nóng)村居民點(diǎn)和裸土地斑塊密度有所增加,草地、灘地和鹽堿地則在減少。表明肅州區(qū)的景觀異質(zhì)性在降低,農(nóng)村居民點(diǎn)、水體出現(xiàn)的頻率增加,而草地出現(xiàn)的頻率則呈減少趨勢(shì)(圖2)。邊緣密度反映景觀破碎程度,其大小直接影響邊緣效應(yīng)及物種組成。景觀總的邊緣密度減少了0.2030m/hm2。其中,各類(lèi)草地、戈壁和灘地邊緣密度減少較多,耕地、水體和城鎮(zhèn)用地的邊緣密度在增加,說(shuō)明草地、戈壁和灘地斑塊邊緣在簡(jiǎn)單化,而耕地、水體、城鎮(zhèn)用地斑塊邊緣在復(fù)雜化(圖2)。2.3景觀多樣性指數(shù)的分析2.3.1景觀組成成分分配多樣性指數(shù)反映景觀類(lèi)型的多少和景觀中斑塊的多度和異質(zhì)性。均勻度指數(shù)描述景觀各組分分配均勻程度。其值越大,表明景觀各組成成分分配越均勻。肅州綠洲的Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)由1988年的1.729減為2000年的1.7235,說(shuō)明景觀異質(zhì)性在減小。Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)由1988年的0.5772增加為2000年的0.5853,說(shuō)明景觀中斑塊優(yōu)勢(shì)度在減小,斑塊類(lèi)型在景觀中趨于均勻分布。2.3.2各景觀類(lèi)型所占比例比例優(yōu)勢(shì)度指數(shù)反映了一種或幾種景觀斑塊支配景觀格局的程度,表示景觀多樣性對(duì)最大多樣性之間的偏差。優(yōu)勢(shì)度大,表明各景觀類(lèi)型所占比例差別大,其中某一種或某幾種景觀類(lèi)型占優(yōu)勢(shì);優(yōu)勢(shì)度小,表明各類(lèi)型所占比例相當(dāng)。優(yōu)勢(shì)度為0時(shí),表明各景觀類(lèi)型所占比例相等,沒(méi)有一種景觀占據(jù)優(yōu)勢(shì)。肅州綠洲優(yōu)勢(shì)度指數(shù)由1988年的1.2667減小為2000年的1.2209,說(shuō)明表明景觀類(lèi)型比例差別在縮小。2.4景觀空間形態(tài)指數(shù)分析2.4.1肅州土理解空間fn破碎度表征景觀被分割的破碎程度,反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。在一定程度上反映了人類(lèi)對(duì)景觀的干擾程度。FN1為整個(gè)區(qū)域景觀破碎度,FN2為區(qū)域內(nèi)某一類(lèi)景觀的破碎度。FN1、FN2∈(0,1),0是表示景觀完全未被破壞,1表示被完全破壞。肅州綠洲破碎度(FN1)為由1988年的0.000304減小為2000年的0.000302,說(shuō)明肅州綠洲景觀類(lèi)型在自然和人類(lèi)的干擾下總體上呈更為簡(jiǎn)單并集中連片的分布趨勢(shì)。另外,部分景觀類(lèi)型的破碎度(FN2)也在增大,說(shuō)明在景觀整體破碎度降低的同時(shí),又有一些景觀類(lèi)型在干擾下進(jìn)一步破碎化(圖3a)。2.4.2肅州市耕地、耕地、植被等分離度的變化分離度反映了景觀中不同元素個(gè)體分布的分離程度。分離度越大,景觀分布越復(fù)雜、破碎化程度也較高。肅州綠洲1988年到2000年期間,分離度由0.291減小為0.29,其中,疏林地、中低覆蓋度草地、灘地、沙地、戈壁等分離度在增加,耕地、高覆蓋度草地、水體、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民地和裸土地等分離度在減小(圖3b)。這與前面通過(guò)破碎化程度變化得到的結(jié)論一致。3耕地、土地、鹽堿地和裸地的景觀破碎化受自然地理要素的影響,景觀類(lèi)型空間分布表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異。耕地主要分布于黑河水系兩岸和河流沖積扇;草地主要分布于祁連山地及綠洲邊緣;林地主要分布于河流兩岸、祁連山北坡一帶;戈壁、沙漠廣泛分布于綠洲之間,景觀格局呈現(xiàn)出以戈壁為基質(zhì)的戈壁、綠洲、沙漠相間分布的態(tài)勢(shì)。12a間,肅州綠洲土地利用變化表現(xiàn)出耕地、水域明顯增加,城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)也有增加,草地、林地和未利用地呈減少趨勢(shì),反映出區(qū)域城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢(shì)。同1988年相比,2000年斑塊類(lèi)型由20個(gè)減少到11個(gè),斑塊數(shù)量減少了9塊,斑塊平均面積在增加,表明了斑塊破碎化程度降低的趨勢(shì),這主要是由于草地和未利用地開(kāi)墾為耕地而使耕地連接度升高,及草地退化使灘地和鹽堿地連接度升高所致。一方面,耕地斑塊同化使得生境斑塊之間的隔離程度減小,有利于物種的擴(kuò)散,加大了農(nóng)作物遭受病蟲(chóng)害的風(fēng)險(xiǎn);另一方面,灘地和鹽堿地平均面積增加,擴(kuò)大了其內(nèi)部生境面積,使之不容易受到外界的干擾,從而增加物種抵抗外界干擾的能力,而該類(lèi)用地的生態(tài)功能極低,斑塊破碎度的減少不僅沒(méi)有使其環(huán)境質(zhì)量得到改善,反而加大了恢復(fù)和治理的難度。因此,這種形式的景觀破碎化程度變化降低了綠洲維護(hù)生態(tài)平衡及抵抗風(fēng)險(xiǎn)的能力;增大的耕地及建筑用地加深了干旱綠洲業(yè)已水資源的超負(fù)載。1988～2000年期間,Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)由1.729減為1.724,說(shuō)明景觀異質(zhì)性在減小;Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)由0.5772增加為0.5853,說(shuō)明景觀中斑塊優(yōu)勢(shì)度在減小,斑塊類(lèi)型在景觀中趨于均勻分布。優(yōu)勢(shì)度指數(shù)由1.2667減小為1.2209,表明景觀類(lèi)型比例差別在縮小。異質(zhì)性的減小和均質(zhì)化發(fā)展必然導(dǎo)致景觀穩(wěn)定性的降低。斑塊同化將引起相鄰生態(tài)系統(tǒng)被邊緣隔離、暴露在其他生態(tài)系統(tǒng)中的邊緣比例減小。與1988年相比,2000年斑塊總周長(zhǎng)減小了148440m,僅高、中、低覆蓋度草地就減小215100m,林地減小了5220m;林地和草地邊緣效應(yīng)的降低,使其對(duì)周?chē)邏K類(lèi)型的影響相應(yīng)減小,景觀生態(tài)功能減弱。相反,耕地、各類(lèi)建筑用地、水體、鹽堿