近30年瑪納斯河流域土地利用覆被變化與景觀破碎化研究

近30年瑪納斯河流域土地利用覆被變化與景觀破碎化研究

目前，土壤覆蓋變化（lucc）的研究是全球變化研究的前沿和最熱點之一。土地利用/覆被的變化直接關系到水和土壤的質量以及區(qū)域的糧食安全、生態(tài)安全。我國的干旱區(qū)位于西北內陸,長期處于干旱缺水的特殊自然環(huán)境下,形成了具有干旱區(qū)特色的“土地利用/覆被”格局。高度的依賴于水資源,流域景觀結構組成簡單,生態(tài)環(huán)境極其脆弱。任何一種土地利用類型發(fā)生變化,都將引起整個流域景觀組成和結構發(fā)生變化,結果會導致景觀發(fā)生明顯的破碎化。在一定程度上影響到干旱區(qū)的穩(wěn)定性,也將限制部分地區(qū)的農業(yè)生產和社會可持續(xù)發(fā)展。盡管有很多學者對干旱區(qū)的土地利用變化和景觀格局變化進行過研究,但是針對土地利用/覆被變化對流域不同景觀破碎化的影響的研究還比較少。此外,土地利用/覆被變化的研究大多是了解諸如沙漠化等系列環(huán)境問題,主要集中在了解土地覆被類型之間的轉化而沒有考慮到景觀的破碎化。方法上通常采用遙感影像分類后比較分析土地利用變化,不能直接揭示土地利用/覆被類型的破碎化。因此,采用遙感影像分類后比較法來進行土地利用時空變化監(jiān)測,同時通過計算景觀指數(shù)來分析土地利用/覆被類型的破碎化,則可以揭示土地利用變化與景觀破碎化間的關系。通過景觀破碎化的分析,可在一定程度上揭示出景觀穩(wěn)定性和人類干擾程度?，敿{斯河流域綠洲開發(fā)和經濟發(fā)展是新疆維吾爾自治區(qū)的典范,本文基于3S技術對瑪納斯河流域土地利用動態(tài)變化和景觀的破碎化進行分析,探討土地利用/覆被的動態(tài)變化和景觀破碎化,對于深入揭示流域土地利用變化的內部機制,促進流域水土資源的合理開發(fā),推動區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和地區(qū)生態(tài)安全具有重要的意義。1瑪納斯河流域概況瑪納斯河流域地處新疆天山北麓準噶爾盆地南緣,位于天山北坡經濟帶的中心。由南向北依次為山地、山前平原、沙漠三大地貌單元(比例約為2.08∶1∶1.07)。從東到西依次為塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、八音溝河及其相連的5片沖積洪積扇(圖1)。各河流均發(fā)源于北天山中段,順天山北坡向北流入干旱的準噶爾盆地,其中瑪納斯河全長400km,是準噶爾盆地水量最大、流程最長的內陸河流,注入準噶爾盆地西北部的瑪納斯湖(已干枯)。流域行政上屬于瑪納斯縣、沙灣縣、石河子墾區(qū)和克拉瑪依部分地區(qū)。年平均降水量100～200mm,時空分布不均。年平均蒸發(fā)量1500～2100mm,年平均氣溫4.7～5.7℃,屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候?，敿{斯河流域在古代屬于純牧區(qū),自清代以來成為新疆的重點開發(fā)區(qū)域之一,新中國成立以后,瑪納斯河流域成為新疆開墾的最大的人工綠洲和我國第四大灌溉農業(yè)區(qū),社會經濟取得巨大發(fā)展。但是近年來,由于自然環(huán)境的變化,人口的不斷增長,經濟的發(fā)展,部分地區(qū)對水土資源的不合理利用等原因,使得流域土地利用發(fā)生劇烈的變化,出現(xiàn)了諸如尾閭湖干涸、草場退化、土地沙化、鹽漬化和生物多樣性降低等問題。2學習方法2.1假彩色合成本文采用的數(shù)據(jù)源主要是1976年的MSS影像和1989年TM影像、以及2005年的CBERS影像和相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)。對于1976年的MSS采取421波段假彩色合成,1989年和2005年的影像采用的是432波段假彩色合成。以2000年TM影像為參考影像,輔助以20世紀70年代的1∶10萬的地形圖,利用ERDAS9.0采用多項式轉換方程進行幾何校正,在不超過0.5個像元的情況下,采用雙線形內插法對圖像進行重采樣?？紤]到1976年的MSS影像有限,一年的影像不能覆蓋整個瑪納斯河流域,所以采用研究區(qū)的行政邊界(圖1)對影像進行一定的掩模提取。2.2土地利用圖形土地利用/覆被類型的劃分是進行土地利用/覆被研究的首要步驟。本文依據(jù)的是中國土地資源分類系統(tǒng)的二級分類體系,并結合流域的實際情況,在研究中將鹽堿地和沙地從未利用土地中分離開來,單獨成為一類。主要分為:耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地、沙地、鹽堿地等八大類。在ERDAS9.0和ARCGIS9.0的支持下,按照上述的分類系統(tǒng)對三期遙感影像進行目視解譯并且數(shù)字化、建立拓撲關系,并用野外考察數(shù)據(jù)對解譯結果進行校正,獲得三期土地利用圖形數(shù)據(jù)(圖2,見圖版Ⅰ)和屬性數(shù)據(jù)。根據(jù)分類結果,采用轉移矩陣數(shù)學模型,利用ARCGIS的intersect功能和EXCEL的數(shù)理統(tǒng)計功能,將1976年、1989年和2005年的土地利用分類圖進行空間疊加分析和統(tǒng)計,獲得1976—1989年、1989—2005年的土地利用轉移矩陣數(shù)據(jù),來進行土地利用/覆被動態(tài)變化的研究。2.3各景觀類型的劃分根據(jù)土地利用/覆被的分類結果,來分析景觀的破碎化程度。選擇6種類型級別上的景觀指數(shù)來描述研究期內的景觀破碎化:①最大斑塊指數(shù)LPI。某一景觀類型中最大斑塊的面積,用值是最大斑塊面積占該類景觀類型百分比。LPI值的大小決定著景觀中的優(yōu)勢景觀類型。②斑塊數(shù)NP。某一景觀類型的斑塊總數(shù),其大小與景觀的破碎度也有很好的正相關性。③斑塊密度PD。景觀中某類景觀類型的單位面積斑塊數(shù)。PD值越大,景觀的破碎化程度愈高。④平均斑塊大小MPS。景觀中某一景觀類型平均斑塊大小。⑤景觀形狀指數(shù)LSI。某一景觀類型整體復雜性。其值與破碎化程度成正比。⑥散布并列指數(shù)IJI。表示某一類型與其他幾種其他類型相鄰接程度。利用FRAGSTATS3.3來計算景觀指數(shù),考慮到FRAGSTATS3.3需要柵格數(shù)據(jù)進行分析和研究區(qū)的具體情況,因此首先將三期土地利用/覆被解譯圖在ERDAS9.0中轉化成30m×30m的柵格后再進行計算,各種景觀格局指數(shù)計算的方法均按照軟件自定的公式計算。最終運用EXCEL對結果進行統(tǒng)計分析。3分析與討論的結果3.1不同類型土地利用/覆被類型間的轉換如圖3所示,研究區(qū)各土地利用/覆被類型變化幅度在不同時期及不同類型之間表現(xiàn)不同。主要的土地利用/覆被類型是草地、沙地和耕地。通過計算1976年的分類結果,草地(7219.18km2)、沙地(5101.87km2)、耕地(3418.71km2)分別占到了研究區(qū)總面積的38.4%、27.1%、18.2%,同時,鹽堿地、林地、未利用土地、水域和建設用地共占到了整個研究區(qū)總面積的16.3%,分別為1183.11km2、859.39km2、525.48km2、386.72km2、125.11km2(表1);1976\_1989年,土地利用/覆被類型發(fā)生了普遍的變化,耕地的增加和草地的減少最為明顯。耕地從18.2%增加到了22.5%,草地從38.4%降低到了34.9%。建設用地、沙地也有了稍微的擴張,比例分別增加0.6%、0.3%。鹽堿地下降了1.4%,此外林地、水域和未利用土地也都有所下降(表1);1989\_2005年,耕地發(fā)生明顯擴展,與此同時,草地面積也顯著下降。耕地由22.5%增加到31.4%(4235.31km2),草地由34.9%降低到27.6%,建設用地繼續(xù)增加、未利用土地稍有增加,鹽堿地、林地、沙地、水域均在減少(表1)。耕地和草地是研究區(qū)變化最大的兩種土地利用/覆被類型,而且,在整個研究時期內呈現(xiàn)出相反的幅度變化方向。此外,林地、鹽堿地、水域也在持續(xù)減少,這在一定程度上說明了這些土地利用/覆被類型間密切的相互轉換關系。這一點也可以從土地利用轉移矩陣表(表2)上看出,1976\_1989年間,草地轉為耕地(1174.13km2)、耕地轉為草地(421.90km2)、鹽堿地轉為草地(208.93km2)、林地轉為草地(182.53km2),是最主要的轉換方式。耕地獲得了最大的轉入,主要是從草地、鹽堿地和林地轉入,盡管也有670.82km2的耕地轉為其他地類;草地的轉出面積最大(1626.22km2),主要轉為耕地,其次轉為鹽堿地和林地。草地轉為耕地、林地轉為草地、農田、水域轉為草地,反映了該地區(qū)耕地的擴展主要是開墾草地、林地,揭示了高度的草地、林地的退化、水域的減少。同樣,耕地轉為草地、鹽堿地則暗示了該地區(qū)耕地的棄耕。1989\_2005年間,草地轉為耕地(1367.56km2)、鹽堿地轉為耕地(243.99km2)、林地轉為耕地(182.98km2)則成為主要的轉移方式。耕地在此期間轉入2065.99km2,比1976\_1989年轉入的1487.43km2還要多,主要是從草地、鹽堿地、林地轉入,耕地的增加依然是靠開墾草地、林地為主。草地的轉出仍然是最大的,為1886.87km2,轉出面積比1976\_1989年的還要多;耕地轉出393.68km2、鹽堿地轉出380.75km2、林地轉出363.31km2,草地、林地、水域、沙地、鹽堿地的轉出大于轉入。這依然說明了,耕地的高度擴展、草地、林地的退化和水域面積的減少,但是耕地轉為建設用地(142.92km2),則在一定程度上說明了隨著人口增長,建設用地的擴張主要靠占用耕地。隨著農業(yè)技術條件的提高,部分的鹽堿地、沙地也被開墾為耕地,促使部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境有所改善。3.2土地景觀類型的退化隨著人類活動強度增加,流域的土地利用/覆被類型發(fā)生了普遍的變化。人類定向選擇造成了一些土地景觀類型退化或消失(如草地、林地),一些景觀類型范圍擴大,分布趨于連片(如耕地),使得破碎化程度降低,景觀類型在局部范圍內更加聚集;同時人類活動又不斷分割景觀,使原來成為整體的自然景觀分化成不同類型景觀斑塊,呈鑲嵌分布,破碎化程度增加。3.2.1mps的變化耕地面積在研究時期內變化顯著,從1976年的3418.71km2增加到2005年的5907.62km2,增加了2488.91km2。1976—1989年間,LPI由6.3883%增加到9.922%,說明耕地是研究區(qū)的主要景觀。NP由1976年254個增加到348個,MPS是卻明顯的從1976年的13.46km2下降到1989年的12.17km2(圖4)。斑塊數(shù)目增加,但是其斑塊的平均大小卻在降低,則揭示了這期間耕地的破碎化在增強。這可更進一步可以由LSI的增加來說明,1976—1989年間LSI由40.9351增加到47.1014,揭示了耕地的形狀不規(guī)則性增加,復雜性增大。主要是開墾草地和鹽堿地、林地、以及邊緣耕地的棄耕所造成的局部破碎性增加。1989—2005年間,NP、LSI下降,同時,LPI(9.922%～23.0898%)、MPS(12.17km2～19.24km2)、LJI增加,則揭示由于草地、鹽堿地、林地的流入,綠洲內部的耕地在空間上呈集中連片分布,達到歷史最大規(guī)模,形狀趨于規(guī)則,復雜性較小,破碎性較1989年降低。3.2.2洲間濕地公園草地的空間分布變化顯著。對于草地來說,在1976—2005年間,低山帶河流兩岸低洼地帶的荒漠草原、綠洲間大片的荒漠草場都被開墾為耕地,所以NP、PD增加,而LPI、MPS、IJI一直降低(圖4)。草地轉為耕地、林地、鹽堿地、耕地轉為草地、林地轉為草地等使得大塊的草地變得破碎、退化,斑塊數(shù)目不斷增加,平均斑塊大小減小,而且斑塊分布趨于不均勻。揭示了草地高度的損失率,在研究時期內其破碎化一直是增強的。3.2.3lpi變化不瑪納斯綠洲的北部緊接我國的第二大沙漠,沙漠的進退,同綠洲的發(fā)展息息相關。1976\_2005年間,沙地一直是研究區(qū)的主要景觀之一,LPI變化不大。NP、PD增加,而平均斑塊大小MPS明顯降低(圖4),1976年110.91km2、1989年97.30km2、2005年53.89km2,則揭示了沙地的破碎化增強,LSI的增加則表明了沙地間的復雜性提高。主要是由于沙漠的南緣,靠近綠洲的地方,丘間盆地被開墾為耕地、以及沙地植被的破壞等原因。3.2.4土地破碎性增加在研究期內,林地、鹽堿地、水域都是不斷減少的,建設用地增加明顯。1976—2005年間,鹽堿地、水域破碎性不斷增強。建設用地,NP增加劇烈,從81個增加到386個。IJI斑塊增加,連接度很高。林地雖然不是研究區(qū)的主導景觀,但是其面積的增減卻關系到整個流域的生態(tài)的穩(wěn)定性。1989年,林地、未利用土地破碎化較嚴重,林地的斑塊分布不均勻。2005年,破碎化有所降低。3.3土地關系的變化通過對近30a的土地利用/覆被變化和景觀指數(shù)分析,可以看出土地利用/覆被和流域景觀結構都發(fā)生了很大的變化。耕地的不斷擴展,加劇草地、林地、沙地、水域的破碎化。結果表明,土地利用變化是自然環(huán)境變化和人類活動共同作用的結果。根據(jù)資料和統(tǒng)計結果顯示,1949年解放初期,整個流域人口只有5.9051萬人,1975年89.73萬人,2004年人口增加至110.69萬人,人口的不斷增長(圖5)及隨之而來的耕地大面積開墾,是這一流域土地利用/覆被變化和景觀破碎化最主要的驅動力。耕地的開墾使得流域內八音溝河、金溝河、瑪納斯河等洪沖積扇扇緣帶間草地以及金溝河、寧家河上游等緩坡草場開辟為農田,盲目開墾后由于土壤肥力低無法耕地導致撂荒。20世紀70年代以來,瑪納斯流域在洪積扇扇緣帶修建了水庫群,截留大量水源,使得下游河道斷流,鹽分積聚在中游,導致中游地區(qū)的次生鹽漬化加劇,許多的農田棄耕,使得流域內的耕地破碎化程度提高。由于草地開墾為耕地,而且隨著牲畜存欄頭數(shù)的增加(圖5),草場破壞嚴重,山區(qū)草場超載、造成草地的破碎化、退化加劇。近30a,在沙漠南緣綠洲定居的人口凈增14萬左右(僅瑪納斯縣),大量的砍伐梭梭林等作為薪柴,林地退縮20～30km,加劇了沙漠的退化、破碎化。政策環(huán)境的改變也是流域土地利用/覆被變化一個驅動因素。1976年“文化大革命”的結束以及1978年改革開放政策、1984年流域實行家庭聯(lián)產承包土地制度、以及20世紀90年代以后市場經濟的逐步發(fā)展,尤其是西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施,帶來政策和社會經濟環(huán)境的變化,深刻影響著土地利用/覆被的變化。對于流域農民來說,土地是惟一的生存依靠和利益來源,所以農民必然依靠擴大綠洲面積獲取最大利潤,種植作物如棉花、養(yǎng)殖牲畜等來擴大市場,過度的開墾耕地、牲畜急劇增加提升了耕地、草地的退化、破碎化,尤其是在生態(tài)較敏感和脆弱的地區(qū),如綠洲邊緣、林地、低山地區(qū)和沙漠的邊緣。除此之外,流域個別年份自然環(huán)境的變化,如1989年石河子出現(xiàn)了30a少見嚴重干旱,瑪納斯河、八音溝河、金溝河等各大河流較長時間枯水嚴重,7月流域各水庫全部泄空,西岸大渠斷流。伴隨著低產出農業(yè)生產和開荒熱,造成了景觀的普遍的退化、破碎化。4土地景觀破碎化的空間變化1)通過1976年、1989年和2005年的遙感影像解譯出來的土地利用/覆被變化分析,我們發(fā)現(xiàn),近30a來瑪納斯河流域的土地利用/覆被發(fā)生了普遍的變化。主要發(fā)生在草地、耕地、林地、鹽堿地上。草地從1976年的7219.18km2降低到2005年的5197.61km2;耕地從1976年的341