水資源約束下的民勤綠洲景觀格局研究

唐嘉琪，石培基

(西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730070)

景觀動(dòng)態(tài)變化是指景觀結(jié)構(gòu)、功能、空間格局隨時(shí)間的變化情況［1－2］，景觀格局是指大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合［3］。景觀空間格局的演變是景觀動(dòng)態(tài)變化的結(jié)果，它是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，又是各種生態(tài)過程在不同時(shí)空尺度上作用的結(jié)果。景觀異質(zhì)性決定景觀的生態(tài)功能和生態(tài)效應(yīng)，尤其是對(duì)一些生態(tài)功能脆弱的景觀類型，如綠洲景觀等。綠洲是在荒漠背景上以天然徑流為依托的，具有較高的第一性生產(chǎn)力的中、小尺度非地帶性景觀［4］。在較短的時(shí)間尺度內(nèi)荒漠綠洲景觀格局受人類活動(dòng)影響大，尤其容易受到水資源狀況的影響。然而，只有少數(shù)學(xué)者對(duì)石羊河流域水資源與景觀生態(tài)做了有針對(duì)性的研究，如張勃等［5］認(rèn)為石羊河中游武威綠洲水資源開發(fā)利用與下游民勤地區(qū)生態(tài)環(huán)境演變有密切關(guān)系;楊永春等［6］認(rèn)為石羊河中上游截流大量地表水資源是下游民勤綠洲變化的主要外部人文影響因素。筆者嘗試從景觀格局角度，對(duì)民勤綠洲景觀格局特點(diǎn)及其與水資源之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

民勤地理位置介于 101°49'41″—104°12'10″E、38°3'45″—39°27'37″N之間，隸屬甘肅省武威市。東北被騰格里沙漠包圍，西北有巴丹吉林沙漠環(huán)繞，南鄰涼州區(qū)，中部是石羊河沖積而成的狹長(zhǎng)而平坦的綠洲帶。民勤由沙漠、低山丘陵和平原3種基本地貌構(gòu)成，屬溫帶大陸性荒漠氣候，多年平均降水量115 mm，多年平均蒸發(fā)量2664.0 mm，相對(duì)濕度為45%;是我國干旱、荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是我國沙塵暴四大源區(qū)之一，為典型的生態(tài)脆弱地區(qū)。截至2008年，民勤縣轄6個(gè)鎮(zhèn)12個(gè)鄉(xiāng)，總?cè)丝?1.5萬人，2008年全縣生產(chǎn)總值28.8億元。

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

遙感(RS)數(shù)據(jù)的可重復(fù)獲取性使其成為景觀生態(tài)學(xué)研究的基本數(shù)據(jù)源之一［7］。ArcGIS是有效利用遙感數(shù)據(jù)的工具，也為研究景觀格局和動(dòng)態(tài)變化提供了一個(gè)極為有效的工具［8］。本研究以人工目視解譯2006年民勤TM影像數(shù)據(jù)獲得的土地利用∕覆蓋圖為基礎(chǔ)，經(jīng)過ArcGIS的處理獲得民勤綠洲景觀分類柵格圖(網(wǎng)格分辨率為50 m)，在Fragstats3.3軟件的支持下選取恰當(dāng)?shù)木坝^指標(biāo)，分析民勤綠洲景觀格局特征。利用1987、2006年景觀水平上的格局?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)合《2009年民勤縣國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料匯編》中提供的民勤水資源數(shù)據(jù)(民勤上游來水量、紅崖山水庫年蓄水量)，探討景觀格局和水資源變化之間的關(guān)系。

土地類型的劃分是景觀格局分析的關(guān)鍵，直接影響結(jié)果的可靠性。本研究土地類型的劃分以我國《鄉(xiāng)(鎮(zhèn))土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)》(TD/T 1028—2010)中土地規(guī)劃用途及含義為依據(jù)，結(jié)合研究區(qū)的特點(diǎn)將民勤綠洲土地類型歸并為10類(表1)。

2 景觀格局分析

2.1 斑塊類型

斑塊類型，該尺度水平的指標(biāo)是相對(duì)景觀中斑塊類型水平的度量，是對(duì)同一類型的斑塊形狀、分布特點(diǎn)的描述。結(jié)合研究目的和研究區(qū)現(xiàn)狀選取了8個(gè)指標(biāo)，分別為相對(duì)面積指數(shù)(PLAND)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、形狀指數(shù)(SHAPE)、周長(zhǎng)面積分維數(shù)(FRAFRAC)、叢聚指數(shù)(CLUMPY)、內(nèi)聚力指數(shù)(COHESION)。

2.1.1 斑塊面積、密度分析

本研究選取的面積密度指數(shù)有:相對(duì)面積指數(shù)PLAND(某一斑塊類型總面積占景觀總面積的百分比)、斑塊密度PD(某一斑塊類型數(shù)占斑塊總數(shù)的百分比)、最大斑塊指數(shù)LPI(景觀中最大斑塊面積占整個(gè)景觀面積的比例)。

表1 民勤綠洲土地類型及概述

由表2得出，2006年民勤綠洲景觀中沙漠和戈壁所占的面積達(dá)49.71%，耕地、草地面積分別達(dá)20.817%和11.375%，而林地、水域、城鎮(zhèn)居民點(diǎn)及工礦用地均較小，分別為0.3786%、0.1676%、0.5588%，這就說明沙漠和戈壁是該地區(qū)綠洲景觀的基質(zhì)。耕地、草地比例較高，說明民勤綠洲是以種植業(yè)和畜牧業(yè)為主的農(nóng)業(yè)型綠洲。斑塊密度最大的是草地(0.0303%)，其次是城鎮(zhèn)居民和工礦用地(0.0109%)，說明民勤綠洲草地退化嚴(yán)重，城鎮(zhèn)居民和工礦用地分布分散。人工景觀斑塊中LPI最大的是耕地(17.4854%)，說明民勤綠洲中以種植業(yè)為主的農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)、耕地連片分布。

2.1.2 斑塊形狀、分維數(shù)分析

本文選取的描述景觀形狀的指數(shù)有:景觀形狀指數(shù)LSI(描述斑塊類型聚集的程度)、形狀指數(shù)SHAPE(描述斑塊形狀的復(fù)雜性)、周長(zhǎng)面積分維數(shù)FRAFRAC(描述斑塊類型的破碎程度)。一般來說，受人類活動(dòng)干擾小、周長(zhǎng)簡(jiǎn)單的自然景觀周長(zhǎng)面積分維數(shù)接近1，受人類活動(dòng)干擾大、周長(zhǎng)彎曲盤繞時(shí)接近2。

表2 2006年民勤綠洲各斑塊類型相對(duì)面積、密度、最大斑塊指數(shù) %

圖1 2006年民勤綠洲景觀形狀指數(shù)、形狀指數(shù)、周長(zhǎng)面積分維數(shù)

從圖1可以看出，形狀指數(shù)最大的是鹽堿地和戈壁，分別達(dá) 2.4383、2.2609，草地最低，為1.622，說明組成戈壁和鹽堿地的斑塊形狀復(fù)雜，而草地形狀規(guī)則簡(jiǎn)單。景觀形狀指數(shù)最大的是城鎮(zhèn)居民和工礦用地(25.4634)，其次為耕地(23.7739)，說明民勤綠洲城鎮(zhèn)和工業(yè)發(fā)展還處在初級(jí)階段，居民點(diǎn)和工業(yè)分布分散，農(nóng)業(yè)雖然在地方經(jīng)濟(jì)中地位重要，但發(fā)展仍然滯后，主要表現(xiàn)在耕地分布分散，集約化程度低。民勤綠洲中周長(zhǎng)面積分維數(shù)最大的斑塊類型是耕地(1.4642)，其次為城鎮(zhèn)居民及工礦用地(1.4611)、林地(1.4313)，說明人為引入斑塊受到人類活動(dòng)的影響大、形狀復(fù)雜，隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展人類對(duì)林地的影響也在逐漸變大。

2.1.3 斑塊聚合度分析

本文選取的聚合度指數(shù)有叢聚指數(shù)CLUMPY(描述斑塊類型集聚程度)和內(nèi)聚力指數(shù)COHESION(描述的是相關(guān)斑塊類型的自然連通度)。當(dāng)CLUMPY等于－1時(shí)，說明該斑塊類型最大限度地分散;等于0時(shí)，斑塊隨機(jī)分布;等于1時(shí)斑塊集聚程度不斷提高。COHESION取值范圍為［0，100)，景觀中斑塊類型的比例降低并且不斷細(xì)化、連通性降低，其值越接近0。

圖2 2006年民勤綠洲叢聚指數(shù)、內(nèi)聚力指數(shù)

由圖2得出，叢聚指數(shù)和內(nèi)聚力指數(shù)的變化有很大的相似性，大多數(shù)斑塊類型的叢聚指數(shù)和內(nèi)聚力指數(shù)都較高，說明民勤綠洲大多斑塊分布集中，斑塊內(nèi)部信息物質(zhì)交流較通暢。指數(shù)值最小的是林地，其值分別為0.8986和96.112，其次是城鎮(zhèn)居民及工礦用地0.8704和96.353，說明林地、城鎮(zhèn)居民及工礦用地在景觀中所占比例小、分布分散、斑塊細(xì)化程度高，斑塊內(nèi)物質(zhì)能量交流不通暢。

2.2 景觀水平

景觀水平，該尺度水平的指標(biāo)是對(duì)景觀整體分布、形態(tài)特征的度量。結(jié)合研究目的和研究區(qū)現(xiàn)狀，選取8個(gè)指標(biāo)，分別為:周長(zhǎng)面積分維數(shù)(FRAFRAC)、蔓延度(CONTAG)、相似鄰接指數(shù)(PLADJ)、散布與并列指數(shù)(IJI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、辛普森多樣性指數(shù)(SIDI)、香農(nóng)均勻性指數(shù)(SHEI)、辛普森均勻性指數(shù)(SIEI)。見表2。

民勤綠洲景觀水平周長(zhǎng)面積分維數(shù)為1.3129，高于西北地區(qū)2000—2008年土地利用斑塊分維數(shù)的平均值1.0［9］，說明民勤綠洲脫離了簡(jiǎn)單的幾何形狀，周長(zhǎng)蜿蜒盤繞的程度大于西北地區(qū)的平均水平，表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性。

表2 2006年民勤綠洲景觀水平指標(biāo)值

蔓延度(CONTAG)和相似鄰接指數(shù)(PLADJ)都反映斑塊的破碎和集聚程度。蔓延度指數(shù)取值范圍為(0，100］，當(dāng)所有斑塊最大限度破碎化和間斷分布時(shí)，指標(biāo)值接近于0;當(dāng)所有斑塊最大限度聚集在一起時(shí)，指標(biāo)值達(dá)到100。相似鄰接指數(shù)取值范圍為［0，100］，當(dāng)每一斑塊類型都最大限度離散化，不存在同類之間兩兩相鄰情況時(shí)，該值等于0;當(dāng)所有斑塊最大限度聚集在一起，并且景觀存在一個(gè)由同類斑塊組成的邊界時(shí)，該值為100。民勤綠洲的蔓延度指數(shù)為59.4194，相似鄰接指數(shù)為98.2676，說明民勤綠洲所有斑塊的聚集程度高，組成景觀邊界的斑塊類型單一，而同類斑塊聚集程度不高，斑塊類型之間混雜分布現(xiàn)象明顯。

散布與并列指數(shù)(IJI)對(duì)那些受自然條件制約嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)的分布特征反映顯著。如山區(qū)的各種生態(tài)系統(tǒng)受到垂直地帶性的作用，其分布多呈環(huán)狀，IJI值一般較低;干旱區(qū)中的許多過渡植被類型受制于水的分布與多寡，彼此鄰近，IJI值一般較高。民勤綠洲IJI值為77.371，說明地處干旱半干旱地區(qū)的民勤綠洲受到水資源狀況的影響大。

SHDI、SIDI、SHEI、SIEI反映綠洲景觀的多樣性和均勻性，數(shù)據(jù)意義相似，但是香農(nóng)指數(shù)對(duì)稀缺種類的反映比辛普森指數(shù)敏感，辛普森指數(shù)代表的是隨機(jī)從景觀中選取的柵格單元，意義更直觀，本文側(cè)重研究民勤綠洲景觀格局特點(diǎn)，而非個(gè)別優(yōu)勢(shì)或稀缺斑塊的特點(diǎn)。故選取辛普森多樣性指標(biāo)SIDI和辛普森均勻性指標(biāo)SIEI做詳細(xì)分析。SIDI值越接近1，景觀的多樣性增加、斑塊類型數(shù)增加;SIEI值越接近1，景觀中各斑塊類型的比例越均衡。民勤綠洲辛普森多樣性指數(shù)SIDI為0.7915，辛普森均勻性指數(shù)SIEI為0.8794，反映出民勤綠洲景觀多樣性較低、均勻性高、優(yōu)勢(shì)度低的特點(diǎn)。

3 景觀格局與水資源變化的關(guān)系

干旱區(qū)荒漠綠洲系指荒漠中有水源，可供人類生存并從事各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的區(qū)域，其綠洲生態(tài)系統(tǒng)既是整個(gè)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，又是決定荒漠生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵組分［10］。綠洲景觀格局直接影響綠洲生態(tài)系統(tǒng)的功能，因此研究干旱區(qū)荒漠綠洲景觀格局的特征有很重要的生態(tài)意義?；哪G洲對(duì)水源的依賴性使得河流廊道變化將直接導(dǎo)致整個(gè)景觀結(jié)構(gòu)與空間格局發(fā)生改變，水資源狀況成為研究區(qū)景觀過程的主要驅(qū)動(dòng)力［11］。民勤綠洲位于河西走廊北部，地處大陸內(nèi)部，屬于典型的干旱半干旱地區(qū)荒漠型綠洲，其土地利用景觀格局的變化直接依賴于水資源變化，尤其是對(duì)河川徑流、水庫蓄水的依賴性很強(qiáng)。

隨著流域上中游地區(qū)人口數(shù)量與經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，近年來流入下游民勤綠洲的地表水資源日趨減少。由圖3得出，1987年以來民勤上游來水和紅崖山水庫的蓄水量逐年減少，到2002年達(dá)到最低，上游來水 0.62億 m3、紅崖山水庫蓄水0.3277億m3。此后，上游來水量和水庫蓄水又有上升趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，總體來講1987到2006年上游來水減少40.64%，紅崖山水庫蓄水量減少27.6%。

圖3 民勤綠洲1987—2009年上游來水及紅崖山水庫蓄水量

表3 1987年民勤綠洲景觀水平指標(biāo)值

結(jié)合表2、3中2006和1987年兩年的景觀格局?jǐn)?shù)據(jù)，得出民勤綠洲景觀格局指標(biāo)中與水資源變化同步的有周長(zhǎng)面積分維數(shù)FRAFRAC和蔓延度CONTAG，從1987年到2006年分別減小了5.32%和0.343%，而相似鄰接指數(shù)PLADJ、散布與并列指數(shù)IJI分別增加了1.64%和8.58%。原因在于:對(duì)水資源變化反映較敏感的是斑塊的形狀和面積指數(shù)，各個(gè)斑塊面積和形狀的改變導(dǎo)致斑塊間的鄰接性發(fā)生變化，進(jìn)而影響到斑塊類型乃至景觀水平的緊實(shí)度，最后才會(huì)對(duì)景觀的多樣性和均勻性有影響。

4 結(jié)語與討論

(1)以沙漠和戈壁為基質(zhì)的民勤綠洲，農(nóng)牧業(yè)發(fā)展快，其貢獻(xiàn)率在整個(gè)地方經(jīng)濟(jì)中占有很重要的地位。隨著農(nóng)牧業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展，人類對(duì)草地和林地的開發(fā)強(qiáng)度日益增大，當(dāng)?shù)氐耐恋乩镁坝^格局發(fā)生了很大的變化:草地和鹽堿地邊緣復(fù)雜、破碎程度高，林地和城鎮(zhèn)居民及工礦用地分布復(fù)雜、連接性低、物質(zhì)信息交流不暢。說明，在人類活動(dòng)的影響下民勤綠洲土地鹽堿化、過度放牧導(dǎo)致的土地退化、土地沙漠化等生態(tài)問題突出，土地格局已經(jīng)脫離了自然的分布狀態(tài)。如果不適當(dāng)調(diào)整土地政策，則勢(shì)必影響當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

(2)作為干旱半干旱地區(qū)特殊生態(tài)系統(tǒng)的民勤綠洲，其土地利用格局變化具有非常重要的生態(tài)意義，沙漠化的發(fā)展直接關(guān)系著河西地區(qū)乃至我國北方地區(qū)的氣候和環(huán)境狀況。民勤綠洲景觀分維數(shù)、蔓延度、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)等都表現(xiàn)出其地方特殊性，說明整個(gè)綠洲景觀的形狀簡(jiǎn)單、受主要土地類型支配作用大、景觀異質(zhì)性低，但景觀內(nèi)斑塊類型仍然豐富，民勤綠洲仍然保持在較為緊實(shí)有序的綠洲景觀系統(tǒng)的水平上。

(3)干旱半干旱地區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水資源的依賴性毋庸置疑，隨著上游來水和水庫蓄水量的變化，民勤綠洲變化最為明顯的是綠洲中斑塊的聚合程度，水資源減少、聚合度減小、斑塊分布分散、集中連片的斑塊減少，而聚合度變化主要是由斑塊面積變化決定的，最終聚合度又會(huì)影響整個(gè)土地利用景觀的多樣性和均勻性。因此，在兼顧社會(huì)環(huán)境用水條件下，如何合理有效地利用有限的水資源發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)，是民勤謀求可持續(xù)發(fā)展的重要思考方向。

(4)結(jié)合其他人員的研究成果，從景觀生態(tài)方面分析了民勤綠洲土地利用格局的特點(diǎn)，及其與水資源之間的相互關(guān)系。由于可獲取的數(shù)據(jù)時(shí)間序列有限，以及數(shù)據(jù)處理過程中存在的由標(biāo)準(zhǔn)問題而產(chǎn)生的誤差，加之目前土地類型劃分缺乏統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，致使本文的研究結(jié)果還有進(jìn)一步探討的空間。

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