臺(tái)蘭河流域土地利用變化及其景觀格局特征

臺(tái)蘭河流域土地利用變化及其景觀格局特征

土壤利用和土壤質(zhì)量變化（lucc）及其土壤質(zhì)量、生物地球化學(xué)循環(huán)、水文過程、氣候過程和生物多樣性等生態(tài)影響已成為全球變化的熱點(diǎn)。干旱內(nèi)陸河流域土地資源豐富,但由于自然條件限制,生態(tài)環(huán)境極其脆弱,加之人口的持續(xù)增長和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類利用土地資源的強(qiáng)度不斷增大,隨之產(chǎn)生了水土流失擴(kuò)大、生物多樣性降低、災(zāi)害加劇等生態(tài)問題,成為當(dāng)前內(nèi)陸河流域土地資源開發(fā)中的主要障礙。特別是近50a來土地利用格局發(fā)生了巨大變化,絕大多數(shù)內(nèi)陸河流域出現(xiàn)了下游河道徑流量不斷減少的趨勢,并引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題。該文嘗試基于景觀格局定量分析法,研究新疆阿克蘇地區(qū)臺(tái)蘭河流域土地利用變化,闡明區(qū)域土地利用變化規(guī)律及其生態(tài)效應(yīng),為流域尺度水土資源合理開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。1數(shù)據(jù)來源和研究方法1.1洪積平原區(qū)氣候特點(diǎn)臺(tái)蘭河流域位于新疆溫宿縣境內(nèi),地理坐標(biāo)為80°21′44″-81°10′14″E,40°41′41″-42°15′13″N。該區(qū)地勢北高南低,流域分為山區(qū)和沖洪積平原區(qū),總面積3871km2。山區(qū)海拔在1200～1400m之間,植被稀少,多為礫石戈壁和少量耕地。平原區(qū)海拔在1000～1200m之間,主要為灌區(qū)和易墾荒地,適宜于糧、棉、油等種植業(yè)的發(fā)展。流域氣候?qū)儆诖箨懶詼貛Ц珊禋夂?老綠洲氣候干燥,日照充足,多風(fēng)沙,降水稀少,蒸發(fā)較大,晝夜溫差大。年降水量山區(qū)為500～700mm,而平原區(qū)僅為62mm。蒸發(fā)量丘陵區(qū)在800～1000mm,平原區(qū)在1200～1900mm。年均氣溫7.9℃,年均風(fēng)速為1.7m/s。1.2基于數(shù)據(jù)的土地利用景觀類型組成以臺(tái)蘭河流域1990年、2000年、2005年的遙感影像解譯的土地利用圖為主要信息源,參考1996年溫宿縣土地利用現(xiàn)狀圖和2005年DEM高程圖,并結(jié)合野外調(diào)查獲取的臺(tái)蘭河流域土地利用狀況和自然地理基礎(chǔ)資料,進(jìn)行景觀類型組成和變化信息分析。在Erdas8.5和ArcGIS9.2軟件支持下,依據(jù)全國土地分類體系,結(jié)合臺(tái)蘭河流域土地資源的性質(zhì)和特點(diǎn),將研究區(qū)域土地利用類型劃分為6個(gè)一級(jí)景觀類型(耕地、林地、草地、水域、居民用地、未利用地)和20個(gè)二級(jí)景觀類型,建立流域1990年、2000年、2005年土地利用空間數(shù)據(jù)庫。通過對3個(gè)時(shí)期的矢量圖進(jìn)行疊加分析,提取土地利用變化信息。1.3學(xué)習(xí)方法(1)變化的速度及變化中的類型差異單一類型土地利用動(dòng)態(tài)度表現(xiàn)了某研究區(qū)在一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況,可以定量描述區(qū)域土地利用變化的速度及變化中的類型差異,其表達(dá)式如式(1)。K=Ub?UaUa×1T×100%(1)Κ=Ub-UaUa×1Τ×100%(1)式中:K——研究時(shí)段內(nèi)某一類型土地利用動(dòng)態(tài)度;Ua、Ub——研究期初和研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量;T——研究時(shí)段長。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí),K值就是該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率。(2)不同類型轉(zhuǎn)移的幅度土地利用流向百分比矩陣,不僅能夠反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類型轉(zhuǎn)移變化的方向,還能對轉(zhuǎn)移的幅度進(jìn)行量化。其計(jì)算方法是在轉(zhuǎn)移矩陣的基礎(chǔ)上,計(jì)算出1990-2005年各流出類型的面積占該類型面積的百分比(見表2)。(3)景觀格局度量上景觀格局指數(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前景觀定量化研究的手段之一,它可以比較不同景觀之間的空間分布和組合特征等結(jié)構(gòu)差異,也可以用來定量描述和監(jiān)測景觀空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化。本文在景觀水平上選擇景觀面積類指數(shù)總斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、景觀多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI)和聚集度指數(shù)(CONTAG)等景觀格局指數(shù)作為臺(tái)蘭河流域景觀格局度量指標(biāo)來反映景觀結(jié)構(gòu)和景觀格局異質(zhì)性。斑塊密度是表示景觀破碎度的指標(biāo)之一,單位面積內(nèi)的斑塊數(shù)越多景觀的破碎度越大;景觀多樣性指數(shù)的大小,反映景觀要素多少及景觀類型的復(fù)雜程度,土地利用越豐富,破碎化程度越高,指數(shù)值也就越高;景觀均勻度是描述景觀中不同景觀要素分布的均勻程度;聚集度指數(shù)反映景觀中不同的斑塊類型在景觀中的聚集或聚合程度。2結(jié)果與分析2.1土地利用類型的變化土地利用類型的數(shù)量變化反映在不同類型面積的變化上,通過分析土地利用類型的總量變化,可以掌握土地利用變化總趨勢及其結(jié)構(gòu)變化,近15a來臺(tái)蘭河流域土地利用表現(xiàn)了明顯的變化,結(jié)果如圖1所示。1990-2005年,臺(tái)蘭河流域土地利用變化顯著,耕地和林地增加幅度較大(圖2)。耕地面積由51237.56hm2增加到86264.67hm2,年均增加2189.19hm2,動(dòng)態(tài)度為0.68%,值得注意的是雖然耕地面積迅速擴(kuò)大,但該區(qū)2003年中低產(chǎn)田占耕地面積的65%,作物產(chǎn)量平均為1223.35kg/hm2,是高產(chǎn)田的76.29%。林地由2133.44hm2增加到35681.30hm2,年均增加2096.74hm2,動(dòng)態(tài)度為15.72%。草地面積由151208.64hm2縮減為91242.69hm2,共減少59965.95hm2,年均減少3747.87hm2,動(dòng)態(tài)度為-0.40%。未利用地由178899.60hm2減少到168183.71hm2,年均減少669.74hm2,其動(dòng)態(tài)度為-0.37%,其中沙地和裸地分別增加10443.36hm2和523.36hm2,鹽堿地減少了49272.43hm2。建設(shè)用地減少624.76hm2,動(dòng)態(tài)度為-0.21%。水域變化顯著,由659.55hm2擴(kuò)展到3391.17hm2,年均增加170.73hm2,動(dòng)態(tài)度達(dá)4.14%。土地利用類型面積的增減并不能詳細(xì)反映類型之間具體的轉(zhuǎn)換情況。通過對土地利用變化面積數(shù)據(jù)再進(jìn)行疊加運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)分析形成土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,可以發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型之間的具體轉(zhuǎn)換情況。由臺(tái)蘭河流域2個(gè)時(shí)段的土地利用流向百分比矩陣(表1)可以發(fā)現(xiàn):(1)耕地是變化較大的土地利用類型,與草地、林地和未利用地之間的轉(zhuǎn)化占了相當(dāng)比例。1990-2000年7.98%和3.58%的耕地轉(zhuǎn)為草地和林地,并有1.44%的耕地轉(zhuǎn)為未利用地(其中0.55%轉(zhuǎn)化為沙地,0.46%轉(zhuǎn)化為戈壁,0.43%轉(zhuǎn)化為鹽堿地)。同期13.50%的草地和3.26%的林地開墾為耕地。2000-2005年間13.70%的草地和4.55%的林地以及1.05%的未利用地轉(zhuǎn)為耕地。這表明:流域耕地面積不穩(wěn)定,存在棄耕和新墾耕地共存的局面。(2)林地主要向草地、未利用地和耕地轉(zhuǎn)化。部分林地開墾為耕地,中游耕地面積大量增加導(dǎo)致下游生態(tài)用水減少,流域天然胡楊林面積劇減,面積減少約30000hm2。但由圖2可以看出林地面積明顯呈增加趨勢,主要來自于草地、未利用地和耕地被改造為經(jīng)濟(jì)林。(3)草地凈減少59965.95hm2,1990-2000年草地大部分轉(zhuǎn)為耕地、林地和未利用地,分別占草地面積的13.50%、13.54%和19.49%,共計(jì)70364.33hm2,同時(shí)部分林地、未利用地和耕地轉(zhuǎn)為草地,分別為206.15hm2、21441.87hm2和4087.59hm2。2000-2005年14460.00hm2草地開墾為耕地。可見增加的草地面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于草地開墾為耕地和經(jīng)濟(jì)林的面積,導(dǎo)致草地面積迅速減小。(4)未利用地的變化也比較活躍,1990-2000年7.72%和11.99%的未利用地改造為林地和草地,而同期又有大量林地和草地(29604.44hm2)退化為未利用地,因草地和林地退化而增加的沙地和鹽堿地的面積分別為2647.24hm2和26981.86hm2。(5)水域和居民用地的增加主要占用耕地、林地和草地,也有部分水域轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫睾透?。由于人口增長和經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使,大量草地和未利用地在此期間開墾為耕地和人工經(jīng)濟(jì)林,使耕地面積迅速增加,同時(shí)為滿足耕地灌溉用水,該區(qū)大力改、擴(kuò)建引水工程,促使水域面積迅速擴(kuò)大。大水漫灌,洪水期大量引洪灌溉,導(dǎo)致部分耕地棄耕。流域中游耕地面積大量增加導(dǎo)致下游生態(tài)用水減少,天然胡楊林面積劇減,部分地區(qū)沙化。區(qū)域土地利用變化總體結(jié)果顯示:流域生態(tài)用地?cái)?shù)量逐漸減少,生產(chǎn)用地、退化土地面積不斷增加。2.2草地空間生態(tài)破碎度的變化1990年、2000年、2005年臺(tái)蘭河流域在景觀水平上的格局指數(shù)見表2。15a來研究區(qū)景觀的總斑塊數(shù)和斑塊密度減少,說明景觀斑塊的形狀復(fù)雜性在降低,景觀的穩(wěn)定性在削弱,聚集度指數(shù)由55.8226提高到64.3003,這主要是由于開荒導(dǎo)致草地、天然林地等一些生態(tài)斑塊喪失,使整個(gè)研究區(qū)景觀破碎度降低而連通性增加。耕地面積持續(xù)增加,且從整體上呈現(xiàn)集中化,自然覆被類型斑塊不斷萎縮,天然林地破碎化,分散小塊分布發(fā)展趨勢尤為突出。草地與耕地空間相鄰關(guān)系趨于密切,表明人為開墾草地的活動(dòng)一直在持續(xù)。1990-2005年多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)明顯增大后無明顯變化,多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)的增加,說明該區(qū)的景觀異質(zhì)性在增強(qiáng),同時(shí)耕地和水域(水庫)面積增大而草地和天然林地面積的減少等現(xiàn)象,反映了人類對該地區(qū)景觀空間格局的影響程度加大。2.3水資源及農(nóng)業(yè)需水量臺(tái)蘭河灌區(qū)地表水資源量為7.42×108m3,平原區(qū)地下水天然補(bǔ)給量0.10×108m3/a,轉(zhuǎn)化補(bǔ)給量5.11×108m3/a,地下可開采利用量為50×108m3/a,臺(tái)蘭河灌區(qū)水資源總量為7.52×108m3/a。此外,從昆馬力克河通過革命大渠調(diào)入水量0.6×108m3/a。圖3為1990年、2000年和2005臺(tái)蘭河流域耕地面積變化情況,從圖上可以看出,從1990-2005年耕地面積持續(xù)增加。1998年、2000年和2005年臺(tái)蘭河流域農(nóng)業(yè)用水量為5.01×108m3、5.59×108m3和6.26×108m3。2000年臺(tái)蘭河平原區(qū)維護(hù)植被生態(tài)環(huán)境需水量為0.93×108m3,2005年為0.83×108m3。農(nóng)業(yè)用水的比例不斷增大,導(dǎo)致生態(tài)用水的比例不斷縮小。2.4生態(tài)恢復(fù)及生物多樣性增加從圖4可以看出,研究區(qū)草地面積顯著減少,而林地面積明顯增加。經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使及人口增長的壓力,大量草地及部分林地被開墾為耕地,使耕地連接度升高,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)作物遭受病蟲害的風(fēng)險(xiǎn);因此,該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。農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,林地面積迅速增加,導(dǎo)致下游生態(tài)用水減少,引起流域土地沙化,沙地面積增加10443.36hm2。同時(shí)天然植被受到破環(huán),生物多樣性減少。綠洲面積的不斷擴(kuò)大,盲目毀林毀草進(jìn)行墾荒,自然植被被農(nóng)作物取代,使區(qū)域內(nèi)水分、土壤條件都發(fā)生了較大變化,未被開墾的自然植被演替規(guī)律受到干擾,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)生物種類減少、生物多樣性降低。臺(tái)蘭河流域分布著大面積的天然植被,主要以胡楊、紅柳和旱生荒漠草本植物為主。而目前流域內(nèi)天然胡楊林北部邊緣已向南后退約20km,面積減少約30000hm2。2.5灌溉對土壤鹽堿化的影響由圖5可知,1990-2005年研究區(qū)鹽堿地面積顯著減少。1990年、2000年和2005年臺(tái)蘭河流域鹽堿地面積分別為105599.70hm2、86239.89hm2和85054.80hm2,老綠洲土壤鹽漬化面積總體呈減小趨勢,由轉(zhuǎn)移矩陣可知,大量鹽堿地開墾為耕地。臺(tái)蘭河流域灌區(qū)規(guī)劃報(bào)告統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,該流域共有棄耕地13660.00hm2,其中因缺水和工程不配套而形成的棄耕地面積約有5453.33hm2,因鹽堿化程度嚴(yán)重而形成的棄耕地面積約有8206.66hm2。新綠洲及綠洲外圍局部地區(qū)土壤鹽漬化呈惡化趨勢。人類活動(dòng)對植被的破壞、農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)上整地方式的粗放、種植品種的單一化都是鹽堿地形成的原因。不合理的灌溉是流域灌區(qū)內(nèi)土壤鹽堿化形成的主要因素。采用大水漫灌,洪水期大量引洪灌溉,加之排水系統(tǒng)不完善,各鄉(xiāng)場干、支、斗排渠存在著嚴(yán)重淤積,大量的渠系輸水損失掉,補(bǔ)給地下水,導(dǎo)致地下水位升高,在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下鹽分聚積于地表,造成耕地次生鹽堿化程度加重,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn),甚至棄耕。3土地利用變化與近生態(tài)環(huán)境惡化的關(guān)系根據(jù)以上分析初步得到如下結(jié)論:研究區(qū)土地利用類型以耕地和草地為主,未利用地面積較大。1990-2005年臺(tái)蘭河流域草地、天然林地面積銳減,耕地、經(jīng)濟(jì)林地和沙地面積不斷增加,表明生態(tài)用地?cái)?shù)量逐漸減少,生產(chǎn)用地、退化土地面積不斷增加,反映出流域有大面積拓荒的趨勢。研究區(qū)土地利用類型變化的主要方向是草地、林地和未利用地轉(zhuǎn)化為耕地,部分林地、未利用地和耕地轉(zhuǎn)為草地,以及林地和草地退化為未利用地。各種景觀指數(shù)的分析驗(yàn)證了土地利用變化與近幾年生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢,研究區(qū)景觀的破碎化程度降低而連通性增加,景觀斑塊的形狀復(fù)雜性降低,景觀的穩(wěn)定性削弱,景觀異質(zhì)性增強(qiáng),表明人類對該地區(qū)景觀空間格局的影響程度加大。隨著耕地面積的不斷增大,農(nóng)業(yè)需水在不斷增加,相應(yīng)的生態(tài)用水在不斷減少,引發(fā)農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水之間的矛盾,天然植被受到破環(huán),生物多樣性減少。土壤鹽漬化面積總體呈減小趨勢,但局部地區(qū)土壤鹽漬化則持續(xù)惡化。區(qū)