半干旱半濕潤地區(qū)景觀演變與驅動力分析

姜海玲， 秦旭升， 陳智文， 杜會石

(吉林師范大學生態(tài)環(huán)境研究所，吉林四平 136000)

地表景觀演變是地理學重要的研究內容[1-2]，從方法論角度來講，是利用景觀生態(tài)學原理和方法來揭示陸地表面演變的過程與規(guī)律，為探究其發(fā)生機制與區(qū)域可持續(xù)利用服務[3-4]。地處半干旱半濕潤地區(qū)的科爾沁沙地是開展相關研究的理想靶區(qū)，有助于深入理解氣候變化與人類活動對地表景觀演化的影響[5]。學者們已在該區(qū)開展了大量研究工作，段翰晨等通過提取奈曼旗土地變化信息，揭示沙化土地景觀格局演化的規(guī)律[6]；常學禮等運用景觀格局分析方法，揭示科爾沁沙地景觀格局可通過影響斑塊邊界的長度和組合狀況，進而影響沙化過程中的生物學和生態(tài)學過程[7]；左小安等對沙化程度量化指標和景觀格局指數(shù)進行計算，并分析出景觀格局指數(shù)的變化特征[8]。但已有研究成果的時間跨度較小，景觀演變特征的現(xiàn)勢性不足。在景觀演變驅動力方面，李健英等以奈曼旗沙漠化成因為標準分析認為，人為因素是沙地景觀格局變化的主導因素[9]；李金亞提取科爾沁沙地1985—2013年的沙化信息，并分時段對各影響因素進行了定性和定量分析[10]。但已有研究成果因其研究區(qū)不同，因此選取的影響因素各異，較難在相同時空尺度上進行歸納與對比分析。位于科爾沁沙地東緣的東西遼河交匯區(qū)，景觀類型多樣并具有典型性，近年來，在氣候變化及人類活動的背景下，該區(qū)地表景觀發(fā)生了顯著的變化[11]。但有關該區(qū)景觀格局動態(tài)變化的研究還很薄弱，亟須開展相關工作，以揭示景觀格局動態(tài)演變過程及其驅動機制，以補充和驗證已有的研究成果。因此，本研究以科爾沁沙地東緣地表景觀演化為研究對象，基于3S技術與景觀生態(tài)學方法，從區(qū)域景觀格局時空變化著手，開展景觀格局變化及驅動力分析，以期為該區(qū)景觀格局優(yōu)化提供科學依據。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于42°18′～44°15′N、122°51′～125°12′E，面積為19 631.31 km2，屬溫帶半干旱半濕潤季風氣候區(qū)，夏季高溫多雨、冬季漫長寒冷。年均日照時數(shù)為2 708.3 h，年均氣溫為6.6 ℃，年降水量為535.6 mm，年均風速為3～5 m/s。河流為遼河水系，主要有東遼河、昭蘇臺河、西遼河等。該區(qū)土壤類型多樣，自東南向西北依次分布有灰棕壤、黑土、淋溶黑鈣土、黑鈣土、風沙土等。研究區(qū)自然地理范圍確定參照松遼水利委員會劃定的松遼流域四級分類系統(tǒng)，即東北界以松遼分水嶺隆起帶[12]及松花江流域與遼河流域一級流域界線劃定，西北界以烏力吉木仁河與東遼河流域三級流域界線劃定，西南界以教來河與西遼河下游四級流域界線劃定，最南端以遼寧省調兵山市的泡子沿水庫—泉眼溝村的河道劃定，南界以二龍湖水庫—南城子水庫一線及其古河道劃定。行政區(qū)劃上包括吉林省四平市、公主嶺市、雙遼市、梨樹縣，遼寧省昌圖縣、康平縣以及內蒙古自治區(qū)科爾沁左翼后旗等地區(qū)。

1.2 數(shù)據來源與處理方法

遙感數(shù)據為1975—2015年Landsat衛(wèi)星 MSS、TM、OLI傳感器的影像數(shù)據。其中，MSS傳感器的空間分辨率為80 m，TM、OLI傳感器的空間分辨率為30 m，時相選擇在7—9月。氣象數(shù)據來源于中國氣象數(shù)據網(http：//data/cma.cn/)。同時收集吉林省四平市(鐵西區(qū)、鐵東區(qū))、雙遼市、公主嶺市、梨樹縣，遼寧省昌圖縣、康平縣以及內蒙古自治區(qū)科爾沁左翼后旗等地區(qū)的社會經濟統(tǒng)計數(shù)據。

對1975年、1980年、1990年、2000年、2010年、2015年等6期影像進行波段合成，再以1 ∶100 000地形圖、全球定位系統(tǒng)(global positioning systems，簡稱GPS)實測野外驗證點為地面控制點，對影像進行幾何精校正，再按研究區(qū)范圍進行裁剪。根據東西遼河交匯區(qū)景觀類型特征及立地條件，將景觀類型劃分為旱田、水田、林地、草地、水域(河流與湖泊)、建筑用地、灌草叢沙丘地、緩起伏沙地、梁窩狀沙地、鹽堿地、濕地等。采用面向對象解譯方法提取各類信息，采用抽樣統(tǒng)計驗證法，隨機布設300個驗證點，統(tǒng)計解譯精度為89.01%，符合研究要求。

1.3 研究方法

選取景觀破碎度、景觀形狀指數(shù)、景觀多樣性指數(shù)等，對格局變化進行分析，各主要指數(shù)公式及其意義如表1所示。

表1 各景觀格局指數(shù)的公式和含義

2 結果與分析

2.1 科爾沁沙地東緣景觀演變

由圖1可知，科爾沁沙地東緣地區(qū)主要景觀類型為旱田、緩起伏沙地、林地等，其所占面積比例達90%。其中，旱田主要集中分布于研究區(qū)中部，西遼河與丘陵之間，所占面積比最大，為67%；水田主要分布于遼河與清河交匯處及清河沿岸，研究期內，面積呈先增加后減少的趨勢，總體增加了 48.45 km2，變化幅度為23.64%；林地分布相對集中，主要分布于丘陵地區(qū)；濕地分布范圍較小，主要分布于西遼河原古河道、吉林省雙遼市興隆鎮(zhèn)小山水庫附近；1975—2015年建筑用地面積從254.42 km2增至596.82 km2，增幅達134.58%；灌草叢沙丘地分布于研究區(qū)西部邊緣；而鹽堿地、梁窩狀沙丘的分布范圍較小，主要分布于研究區(qū)的西部及西北部；草地面積從1975年的32.64 km2減至2015年的14.66 km2，變幅為 -55.09%；1975—2015年鹽堿地面積增加了32.98 km2，增幅為176.84%；而梁窩狀沙丘面積變化不明顯。

2.2 景觀格局指數(shù)分析

2.2.1 景觀斑塊數(shù)量特征 由表2可知，1975—2015年，科爾沁沙地東緣景觀斑塊總數(shù)呈增長趨勢，而斑塊平均面積和最大斑塊指數(shù)呈波動減小趨勢。斑塊總數(shù)年均增幅為3.10%，斑塊平均面積年均減少1.37%，這種變化趨勢表明該區(qū)景觀破碎程度加深，在外界因素干擾下，景觀格局趨于復雜化。

2.2.2 景觀形狀指數(shù) 由圖2可知，研究區(qū)斑塊凝聚度指數(shù)呈波動減少趨勢，說明研究時段內科爾沁沙地東緣景觀斑塊的物理連接性降低，外界因素對景觀破壞程度增強；蔓延度指數(shù)可以反映景觀斑塊類型的連接程度或延展趨勢，研究期內，蔓延度指數(shù)呈波動減小趨勢，說明研究區(qū)內優(yōu)勢景觀類型的連接性和延展性在降低。

表2 研究區(qū)景觀破碎度指數(shù)

2.2.3 斑塊分形維數(shù) 由圖3可知，各景觀類型斑塊分形維數(shù)均小于1.12%，說明研究區(qū)各類斑塊形狀的復雜程度較低，易受干擾。除梁窩狀沙丘外，其他各景觀類型斑塊分形維數(shù)均呈現(xiàn)波動增長趨勢，斑塊形狀趨于復雜化。其中，水田、緩起伏沙地、林地、草地等的分形維數(shù)比其他景觀類型的大，說明其斑塊形狀較為復雜，受干擾程度較小。而水域、鹽堿地、建筑用地等的分形維數(shù)變化幅度較大，說明該類景觀斑塊邊界趨于復雜化的速度較快。

2.3 景觀格局變化驅動力分析

氣候因素是長期影響景觀格局變化的主導因素[16-17]，控制著景觀演變的趨勢和過程[18-19]，而社會經濟因素則在短時間尺度內影響景觀格局變化。

2.3.1 氣候因素 由圖4-a可知，科爾沁沙地東緣地區(qū)年均氣溫波動升高，并呈現(xiàn)暖化趨勢，1985年以前年均氣溫較低，而后年均氣溫逐步升高，并以0.24 ℃/10年的增長速度延續(xù)至2015年。該地區(qū)年均氣溫的增長速度明顯高于全國氣溫( 0.40 ℃/100年)、全球氣溫(0.50 ℃/100年)的增長速度，尤其是1985—2007年期間，異常偏暖年份較多，增溫幅度較大，2007年年均氣溫達到40年間年均氣溫最高值。由圖4-b可知，年降水量呈波動減少趨勢，1975—2015年年均降水量為 536.89 mm，且波動性較大，呈干濕交替變化趨勢。2002年以前為相對多雨期，且波動變化幅度較?。?002年后，年降水量波動較大，其中2010年年降水量為41年中最大值，為734.00 mm。由圖4-c可知，年均風速呈現(xiàn)快速減小趨勢，1975—1985年，風速年際波動較小，且風速較大；1986年年均風速為41年間年均風速最大值(3.6 m/s)，而后風速呈現(xiàn)快速減少趨勢，且年際波動較大。風速減小，風沙活動相對減弱，在某種程度上會對沙地景觀格局演變產生一定影響[20]。由圖4-d可知，年均日照時數(shù)呈現(xiàn)小幅度減少，且年際波動較大，年均日照時數(shù)最高值出現(xiàn)在1977年，達2 976.95 h；最低值出現(xiàn)在2005年，為2 336.35 h。2005—2015年年均日照時數(shù)比前30年減少91.27 h/10年，減少率為3.2%。

2.3.2 社會經濟因素 由圖5-a可知，1997—2015年科爾沁沙地東緣地區(qū)人口總數(shù)呈快速增長趨勢，由1997年的272.31萬人增長到2015年的280.52萬人，增長率為3.01%。其中，2011年達到人口最大值，為293.14萬人，此后人口總數(shù)略有下降。由圖5-b可知，1997—2015年期間農業(yè)人口數(shù)量整體變化較平穩(wěn)。其中，2002年農業(yè)人口數(shù)小幅度減少，此后逐年增加，2010年達到最大值，為174.29萬人，2010年后，農業(yè)人口數(shù)量呈減少趨勢。由圖5-c可知，國內生產總值由1997年的137.51億元增長到2015年的 1 301.24億元，變化趨勢可利用指數(shù)回歸方程y=4.882 8x2-19 521x+2×107進行擬合(r2=0.984 9)。由圖5-d可知，第一、第二、第三產業(yè)總值增長迅速，其中第二產業(yè)和第三產業(yè)總值增長最快，2008年以前，研究區(qū)主要以第一產業(yè)為主，2008年以后第二產業(yè)、第三產業(yè)迅速發(fā)展。經濟的迅速發(fā)展以及產業(yè)機構的不斷調整與升級，使得人類活動不斷加強，造成建筑用地、耕地、沙地等景觀面積發(fā)生變化。

2.3.3 氣候、社會經濟因素定量分析 為分析氣候因素和人文因素在其演化過程中的作用和效力，整理歸納1997—2015年各指標數(shù)據，選取12個因子(年降水量、年均風速、年均氣溫、年均日照時數(shù)、第一產業(yè)總值、第二產業(yè)總值、第三產業(yè)總值、人均生產總值、固定資產投資、總人口、農業(yè)人口、糧食總產量等)進行主成分分析。結果表明，第一主成分、第二主成分、第三主成分的貢獻率分別為63.553%、13.912%、9.388%，第一主成分與年均風速、第一產業(yè)總值、第二產業(yè)總值、第三產業(yè)總值、人均生產總值、總人口載荷關系較大，第二主成分與年降水量和年均日照時數(shù)載荷關系較大，第三主成分與農業(yè)人口的載荷關系較大。從統(tǒng)計學角度來看，第一主成分的貢獻率高于第二主成分、第三主成分，因此，社會經濟因素對科爾沁沙地東緣景觀格局動態(tài)變化的影響較大。

3 結論

科爾沁沙地東緣景觀類型以旱田、緩起伏沙地、林地等為主，面積占比達90%，景觀結構變化較大，變化速度逐年降低。其中，建筑用地和鹽堿地面積增加最為明顯，漲幅分別為134.58%、176.84%，建筑用地的增加表明研究區(qū)城市化進程腳步加快；草地面積減少明顯，減少了55.09%。

景觀斑塊數(shù)量增加，景觀格局破碎化程度加強，且占有一定優(yōu)勢景觀類型的連接性和延展性降低。

景觀格局變化是氣候因素和社會經濟因素共同作用的結果。從數(shù)理統(tǒng)計角度來講，引起景觀格局變化的最主要的原因是社會經濟因素。研究期內，人口數(shù)量的增加，經濟的迅速發(fā)展導致人類活動的范圍和強度隨之擴大與增強， 加快了城市化進程；而氣溫逐漸升高，年均降水量、年均風速降低，暖干化趨勢的加強，都將促使景觀格局發(fā)生變化。