董大鵬,張成棟,徐青,馬佳明,郝彎彎,趙鵬,劉雪瑩,谷建才
(1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,河北 保定 071000;2 張家口市林業(yè)局,河北 張家口 075000; 3 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院,河北 保定 071000)
土地沙漠化是一種多發(fā)于干旱地區(qū)的由于氣候和人類(lèi)共同作用導(dǎo)致的土地肥力下降,植被不宜生長(zhǎng)的退化現(xiàn)象[1]。隨著自然環(huán)境的進(jìn)一步惡化和生態(tài)退化現(xiàn)象日益嚴(yán)峻,沙漠化作為影響生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要問(wèn)題引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注[2]。土地荒漠化對(duì)人類(lèi)的生存是有威脅的,人類(lèi)一味追求經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,導(dǎo)致了土地利用格局的不合理使用,人與自然的矛盾不斷加大。隨著科技的進(jìn)步,人類(lèi)對(duì)大自然的認(rèn)知也越來(lái)越深入,近年來(lái),許多學(xué)者將景觀生態(tài)學(xué)原理應(yīng)用到土地沙漠化研究中,并取得了許多成果。胡志斌等人利用 3 期TM數(shù)據(jù)對(duì)岷江上游地帶景觀格局進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)人為干擾是影響當(dāng)?shù)鼐坝^格局變化的主要因素[3]。蔣超亮利用景觀指數(shù)從斑塊和景觀兩個(gè)水平對(duì)古爾班通古特沙漠土地利用及景觀格局分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厣郴坝^破碎化程度加大[4]。崔巖等人對(duì)河北寬城縣葦子溝 2008 年-2018 年的景觀格局進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,該地景觀格局發(fā)生一定程度的變化[5]。阿如旱利用景觀生態(tài)學(xué)相關(guān)原理分析了內(nèi)蒙古多倫縣 6 期影像數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)整個(gè)景觀呈完整-破碎-完整-破碎的趨勢(shì)[6]。前人研究表明將景觀生態(tài)學(xué)原理運(yùn)用到沙漠化研究中是具有極大指導(dǎo)意義的,但前人多采用單一方法即景觀指數(shù)分析法對(duì)土地格局進(jìn)行分析,本研究在前人的基礎(chǔ)上結(jié)合了馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣模型,綜合考慮沙化土地時(shí)空變化的具體特征。景觀由相互作用的斑塊以一定規(guī)律組成,是大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合[3]。不同景觀要素在空間上以分散或聚集表現(xiàn)方式構(gòu)成的生態(tài)景觀,是景觀單元組成空間分布和組合的體現(xiàn),是景觀內(nèi)部自然條件限制和人為活動(dòng)影響下達(dá)到一定景觀功能要求而形成的一種景觀整體結(jié)構(gòu)[7]。通過(guò)對(duì)各項(xiàng)景觀指數(shù)的計(jì)算與分析,能夠了解景觀的各種特征,以及在一定時(shí)間范圍內(nèi)景觀的動(dòng)態(tài)變化和發(fā)展趨勢(shì)?;诤颖笔紊系貐^(qū) 2009 年和 2014 年的景觀數(shù)據(jù),對(duì)該地區(qū)土地沙漠化景觀進(jìn)行分析,研究其動(dòng)態(tài)變化,以期為壩上地區(qū)土地沙漠化的防治與生態(tài)環(huán)境的改善提供理論依據(jù)。
壩上地區(qū)位于河北省北部與蒙古高原南緣相連接地帶,包括河北省的6個(gè)縣,分別是張家口的張北縣、康??h、尚義縣和沽源縣,以及承德的豐寧和圍場(chǎng)縣。位于東經(jīng) 114°35′~116°45′ ,北緯 41°00′~42°20′ ,海拔 1 100~2 200 m ,年平均氣溫 2~5 ℃,年均降水量 330~460 mm。壩上地區(qū)地理位置比較特殊,地處季風(fēng)氣候與大陸氣候、干旱與半干旱地區(qū)、農(nóng)區(qū)與牧區(qū)的過(guò)渡帶,屬于半干旱型草原生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)環(huán)境脆弱,抗干擾能力和自我修復(fù)能力差[8],壩上是京津境內(nèi)眾多河流的發(fā)源地,也是京津等地的重要沙源地[9]。
沙漠化景觀類(lèi)型的劃分是開(kāi)展沙化土地景觀格局動(dòng)態(tài)變化研究的基礎(chǔ),植被生長(zhǎng)狀況是對(duì)沙漠化景觀判定的首要依據(jù),根據(jù)聯(lián)合國(guó)制定的荒漠化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合研究區(qū)域沙漠化實(shí)際情況,利用 ArcGIS 10.2 分別對(duì) 2009 年和 2014 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行沙漠化景觀類(lèi)型的劃分,將壩上地區(qū)土地劃分為 5 種景觀類(lèi)型,分別是非沙漠化景觀,輕度沙漠化景觀,中度沙漠化景觀,重度沙漠化景觀和極重度沙漠化景觀。
本研究選取壩上地區(qū)沙化土地 2009 年與 2014 年2期 TM 數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,結(jié)合大量實(shí)地勘測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)地景觀照片和當(dāng)?shù)刂脖活?lèi)型圖等作為輔助信息,將遙感影像導(dǎo)入到 ENVI 5.1 軟件中進(jìn)行拼接處理,同時(shí)進(jìn)行大氣校正和幾何校正處理,繼而對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi),得到壩上地區(qū)沙化土地景觀格局變化矢量數(shù)據(jù)。再利用 ArcGIS 10.2 軟件對(duì)校正后矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,運(yùn)用掩膜提取的方法對(duì)矢量數(shù)據(jù)裁剪,最終得到本研究所需的遙感影像。
景觀格局指數(shù)能高度濃縮景觀發(fā)展的信息,通過(guò)對(duì)指數(shù)的計(jì)算與分析,能有效反映景觀結(jié)構(gòu)組成和動(dòng)態(tài)變化,將研究區(qū)景觀空間變化與時(shí)間過(guò)程緊密結(jié)合起來(lái)[10]。結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況,本研究從斑塊類(lèi)型和景觀兩個(gè)水平上選取多個(gè)景觀指數(shù),利用 Fragstats 4.0 進(jìn)行計(jì)算分析。選取的景觀指數(shù)主要有:
(1)斑塊數(shù)(NP):
NP=N
(1)
NP代表景觀中斑塊的總數(shù),NP≥ 1,無(wú)上限。
(2)斑塊密度(PD):
(2)
N代表景觀中斑塊的數(shù)量,A為景觀總面積,PD表示每平方千米的斑塊數(shù),值越大說(shuō)明組成景觀的斑塊越破碎。
(3)邊緣密度(ED):
(3)
E為景觀內(nèi)所有斑塊邊界總長(zhǎng)度,ED越大,表示景觀類(lèi)型被邊界割裂的程度越高。
(4)形狀指數(shù)(LSI):
(4)
LSI≥ 1,無(wú)上限,0.25 為正方形校正常數(shù),LSI越大,表示斑塊的形狀越復(fù)雜,曲折程度越高。
(5)分維數(shù)(Fd):
(5)
P是斑塊的周長(zhǎng),A是斑塊的面積,k為常數(shù)。Fd反映斑塊邊界構(gòu)圖的復(fù)雜程度。
(6)Shannon 多樣性指數(shù)(SHDI):
(6)
Pk為斑塊類(lèi)型k在景觀中出現(xiàn)的概率,n為景觀中斑塊類(lèi)型的總數(shù),當(dāng)景觀中不同斑塊類(lèi)型數(shù)目增加時(shí),景觀多樣性隨之增高。
(7)Shannon 均勻度指數(shù)(SHEI):
(7)
式中各項(xiàng)定義與SHDI相同。滿(mǎn)足景觀由一個(gè)斑塊組成時(shí),SHEI= 0,當(dāng)所有的斑塊類(lèi)型在景觀中的面積分布完全均勻時(shí),滿(mǎn)足SHEI= 1。
轉(zhuǎn)移矩陣方法能夠?qū)⑼恋刈兓母鞣N細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征展示出來(lái),在土地利用研究方面經(jīng)常使用[11]。馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣可以描述各種土地類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換情況,它不但能夠反映研究期初、研究期末的土地類(lèi)型結(jié)構(gòu),同時(shí)還能夠反映研究時(shí)段內(nèi)各土地類(lèi)型的轉(zhuǎn)移變化情況,用來(lái)刻畫(huà)區(qū)域土地利用變化方向以及研究期末各土地類(lèi)型的來(lái)源與構(gòu)成[12]。模型如下:
(8)
式中:A為轉(zhuǎn)移矩陣。Aij表示i土地類(lèi)型轉(zhuǎn)移到下一時(shí)期同區(qū)域j土地類(lèi)型中的面積。i土地類(lèi)型轉(zhuǎn)移到下一時(shí)期同區(qū)域j土地類(lèi)型中的比例Bij可以通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)計(jì)算得出,公式表示為:
(9)
不同時(shí)期壩上地區(qū)土地景觀類(lèi)型的分布如圖1和圖2所示。
圖1 2009 年壩上地區(qū)土地景觀格局 圖2 2014 年壩上地區(qū)土地景觀格局
Figure 1 Land landscape pattern in Bashang area in 2009 Figure 2 Land landscape pattern in Bashang area in 2014
根據(jù)圖1 和圖2,可以看出 2009 年和 2014 年壩上地區(qū)沙化土地的景觀類(lèi)型分布狀況及增減趨勢(shì)。壩上地區(qū)中部往西是沙漠化土地分布較廣的地帶,且以輕度沙漠化景觀為主;中度和重度沙漠化景觀集中分布在壩上地區(qū)的中心地帶,且二者均呈現(xiàn)縮減的趨勢(shì);極重度沙漠化景觀分布范圍極小。
利用 ArcGIS 10.2 空間分析功能獲取不同時(shí)期各景觀類(lèi)型的數(shù)據(jù)信息,進(jìn)行匯總制得表1。
表1 壩上地區(qū)沙化土地景觀結(jié)構(gòu)及變化
由表 1 可以了解到 2009 年和 2014 年壩上地區(qū)沙化土地的景觀結(jié)構(gòu)及其變化。2009年壩上地區(qū)沙化土地占主要成分的景觀類(lèi)型是非沙漠化景觀和輕度沙漠化景觀,二者占土地總面積的比例高達(dá) 93.62%,其中占比最高的景觀類(lèi)型為輕度沙漠化景觀,比例為 47.54%,非沙漠化景觀的面積有 1 090 301.33 hm2,占土地總面積 46.08%,中度沙漠化景觀占比為 5.79%,重度和極重度沙漠化景觀的面積相對(duì)較小,占地比例分別為 0.58% 和 0.01%。2014 年壩上地區(qū)沙化土地的景觀類(lèi)型同樣以非沙漠化和輕度沙漠化景觀為主,面積最大的仍然是輕度沙漠化景觀,占土地總面積 47.42%,非沙漠化景觀次之,為 46.34%,中度和重度沙漠化景觀所占比例分別是 5.76% 和 0.47%,占比最小的景觀類(lèi)型是極重度沙漠化景觀,僅為 0.006%。
通過(guò)2期數(shù)據(jù)比對(duì)來(lái)看,輕度、中度、重度和極重度沙漠化景觀面積都有不同程度的減少,其中減幅最為明顯的是極重度沙漠化景觀,為 39.23%,非沙漠化景觀面積增加了 6 048.15 hm2,增幅為 0.55%。綜合來(lái)看,研究區(qū)域內(nèi)的景觀類(lèi)型以非沙漠化與輕度沙漠化景觀為主,面積增加的景觀類(lèi)型只有非沙漠化景觀,其余4種景觀類(lèi)型面積減少,表明 5 a時(shí)間內(nèi)研究區(qū)域沙化程度明顯減輕,土地沙漠化狀況得到很大改善。
3.2.1 景觀多樣性變化分析 2009-2014 年壩上地區(qū)沙化土地景觀水平指數(shù)見(jiàn)表 2。
表2 壩上地區(qū)沙化土地景觀水平指數(shù)變化
多樣性和均勻度從兩個(gè)方面反映研究區(qū)域空間結(jié)構(gòu)的豐富度和受一種或幾種土地利用要素支配的程度,反映不同景觀要素分布的均勻性和復(fù)雜程度[13]。研究區(qū)域的多樣性指數(shù)與區(qū)域內(nèi)各組分所占的比例密切相關(guān),多樣性指數(shù)越大,各組分的比例越均勻。景觀均勻度指數(shù)表示景觀鑲嵌體中不同景觀類(lèi)型在其數(shù)目或面積方面的均勻程度,該值越接近 1,表明景觀類(lèi)型間的面積比例越接近[14]。根據(jù)表 2 可以了解到研究區(qū)域 2009 年的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)分別是 0.906 2 和 0.563 0,而 2014 年該區(qū)域的2種相關(guān)指數(shù)分別為 0.900 5 和 0.559 5,在 5 a 時(shí)間內(nèi),多樣性指數(shù)減少了 0.005 7,均勻度指數(shù)減少了 0.003 5。多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)的同時(shí)減少說(shuō)明研究區(qū)域內(nèi)各組分所占的比例向著非均勻的方向轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致景觀異質(zhì)性在不斷降低。
3.2.2 斑塊形狀特征分析 2009-2014 年壩上地區(qū)沙化土地斑塊水平指數(shù)見(jiàn)表 3。
表3 壩上地區(qū)沙化土地斑塊水平指數(shù)變化
景觀類(lèi)型的邊緣密度是指景觀類(lèi)型的周長(zhǎng)與面積的比例,是一個(gè)景觀類(lèi)型單位面積所擁有周長(zhǎng)的度量,單位面積周長(zhǎng)值越大,則代表景觀類(lèi)型被邊界割裂的程度越高,人類(lèi)干擾影響越大,反之則代表景觀類(lèi)型保存完好,人類(lèi)干擾影響較小[15]。景觀組分的斑塊數(shù)量和斑塊密度能反映各景觀組分的破碎化程度,一般規(guī)律是斑塊個(gè)數(shù)越多,斑塊密度越大,則破碎度越高;斑塊個(gè)數(shù)越少,斑塊密度越小,則破碎度越低[6]。結(jié)合表 3 和表 2 來(lái)看,我們不難發(fā)現(xiàn),無(wú)論是景觀水平還是斑塊水平,二者邊緣密度和斑塊密度都發(fā)生了一定的變化。從景觀水平(表 2 )來(lái)看,研究區(qū)斑塊密度僅增加了 0.099 3個(gè)/km2,而邊緣密度由 14.876 0 m/km2增長(zhǎng)到 17.334 4 m/km2, 5 a 時(shí)間增加了 2.458 4 m/km2,說(shuō)明研究區(qū)整體被邊界割裂的程度加深,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其影響加劇,同時(shí)也說(shuō)明該區(qū)域沙漠化防治工作難度的加大。
各景觀類(lèi)型的斑塊密度和邊緣密度變化詳見(jiàn)圖3。
圖3 壩上地區(qū)沙化土地景觀要素斑塊密度和邊緣密度 圖4 壩上地區(qū)沙化土地景觀要素形狀指數(shù)和分維數(shù)
Figure 3 Plaque density and edge density of landscape elements in desertification land in the Bashang area Figure 4 Shape index and fractal dimension of landscape elements of desertification land in Bashang area
由圖3可知,5種景觀類(lèi)型中,只有中度沙漠化景觀的邊緣密度減少了,其余 4 種景觀類(lèi)型的邊緣密度都有不同程度的增長(zhǎng)。表明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)中度沙漠化土地的影響不大,非沙漠化、輕度、重度、極重度沙漠化景觀的邊緣效應(yīng)都相應(yīng)變大、其中邊緣效應(yīng)最大,邊緣最復(fù)雜的景觀類(lèi)型是輕度沙漠化景觀。結(jié)合表 3 和圖3 可知,研究區(qū)域內(nèi)各景觀類(lèi)型的斑塊數(shù)量與斑塊密度增減情況是一致的,僅有中度沙漠化景觀的斑塊數(shù)量與斑塊密度減少,其余景觀類(lèi)型均為增加。斑塊密度最大的為非沙漠化景觀,其次為重度沙漠化景觀,說(shuō)明二者景觀破碎化程度加劇比較明顯,景觀異質(zhì)性較高。
3.2.3 景觀形狀指數(shù)及分維數(shù)分析 各景觀類(lèi)型的形狀指數(shù)和分維數(shù)變化詳見(jiàn)圖4。
景觀形狀指數(shù)能夠反映景觀內(nèi)各組分斑塊的復(fù)雜程度,形狀指數(shù)越大,則代表斑塊的形狀越復(fù)雜,曲折程度越高[13]。分維數(shù)可以反映空間客體形狀的復(fù)雜程度和自我相似程度,能夠反映斑塊邊界構(gòu)圖的復(fù)雜性[16]。由表 2 得出,研究區(qū)域 2009-2014 年景觀形狀指數(shù)增加了 9.517 4,分維數(shù)減少了 0.012 9,這說(shuō)明研究區(qū)整體水平曲折程度加深,景觀整體形狀趨向復(fù)雜化。從斑塊水平來(lái)看,結(jié)合圖4, 2014 年研究區(qū)域中形狀指數(shù)比較高的景觀類(lèi)型是非沙漠化景觀、輕度和重度沙漠化景觀,說(shuō)明三者的形狀更加復(fù)雜化,邊界曲折程度升高,其中形狀指數(shù)最大的是輕度沙漠化景觀,該景觀類(lèi)型最容易受人類(lèi)活動(dòng)和其他景觀類(lèi)型的影響。中度和極重度沙漠化景觀形狀指數(shù)較小,說(shuō)明二者斑塊形狀趨于簡(jiǎn)單化,邊界曲折程度降低,形狀指數(shù)最小的是極重度沙漠化景觀,說(shuō)明該景觀類(lèi)型最不易受其他干擾因子的影響,治理難度最大。由圖4 可知,極重度沙漠化景觀分維數(shù)變化最明顯,說(shuō)明 5 a 內(nèi)該景觀類(lèi)型邊界變化趨勢(shì)是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,并且其穩(wěn)定性最差,其余 4 種景觀類(lèi)型的分維數(shù)較小,最小的是中度沙漠化景觀,說(shuō)明其形狀分布最規(guī)則,穩(wěn)定性最高。
3.2.4 景觀類(lèi)型之間轉(zhuǎn)化分析 選取 5 種不同的景觀類(lèi)型,借助馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣模型,得出研究區(qū)域 2009-2014 年的景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)移概率矩陣,詳見(jiàn)表 4。
表4 壩上地區(qū)沙化土地景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣
由表 4 可知,研究區(qū)域景觀類(lèi)型總體轉(zhuǎn)移趨勢(shì)是中度、重度和極重度沙漠化景觀向輕度沙漠化景觀的轉(zhuǎn)移,重度沙漠化景觀向中度沙漠化景觀的轉(zhuǎn)移,以及極重度沙漠化景觀向非沙漠化和重度沙漠化景觀的轉(zhuǎn)移,其中轉(zhuǎn)移現(xiàn)象最為顯著的是中度沙漠化景觀轉(zhuǎn)為輕度沙漠化景觀,轉(zhuǎn)移面積占 2009 年中度沙漠化景觀的 0.421,其次是極重度向中度沙漠化景觀的轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移概率是 0.404。此外,轉(zhuǎn)移概率較大的還有重度向輕度沙漠化景觀的轉(zhuǎn)變,極重度向重度沙漠化景觀的轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)移概率分別是 0.379 和 0.316,其余景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)移概率則較小。
通過(guò)對(duì)壩上地區(qū)沙化土地景觀格局及變化進(jìn)行研究,結(jié)果表明,壩上地區(qū)沙化土地的主要景觀類(lèi)型為非沙漠化景觀和輕度沙漠化景觀,面積增加的景觀類(lèi)型只有非沙漠化景觀,其余 4 種景觀類(lèi)型面積減少,其中減幅最為明顯的是極重度沙漠化景觀,表明 5 a 時(shí)間內(nèi)研究區(qū)域沙化程度明顯減輕,土地沙漠化狀況得到很大改善;研究區(qū)景觀多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和分維數(shù)減少,邊緣密度和形狀指數(shù)增加,這表明景觀異質(zhì)性在不斷降低,景觀內(nèi)各類(lèi)斑塊越來(lái)越不均衡,且被邊界割裂的程度加深,曲折程度加大,景觀整體形狀趨向復(fù)雜化,造成景觀格局變化的主要原因是 5 a 來(lái)人類(lèi)活動(dòng)的干擾。
研究還發(fā)現(xiàn),人類(lèi)活動(dòng)對(duì)中度沙漠化景觀的影響不大,對(duì)輕度沙漠化景觀的干擾程度最大,這也是導(dǎo)致其邊緣最復(fù)雜的原因;非沙漠化和重度沙漠化景觀破碎化程度加劇比較明顯,景觀異質(zhì)性較高;非沙漠化、輕度沙漠化和重度沙漠化景觀的形狀更加復(fù)雜化,極重度沙漠化景觀邊界變化趨勢(shì)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,穩(wěn)定性最差,中度沙漠化景觀形狀最規(guī)則,穩(wěn)定性最高。
同時(shí),研究也發(fā)現(xiàn) 2009 年到 2014 年壩上地區(qū)沙化土地景觀類(lèi)型的轉(zhuǎn)移趨勢(shì)為中度,重度和極重度沙漠化景觀向輕度沙漠化景觀的轉(zhuǎn)移,重度向中度沙漠化景觀的轉(zhuǎn)移,以及極重度向非沙漠化和重度沙漠化景觀的轉(zhuǎn)移,其中轉(zhuǎn)移現(xiàn)象最顯著的是中度向輕度沙漠化景觀的轉(zhuǎn)移,造成這種轉(zhuǎn)移趨勢(shì)是 5 a 來(lái)當(dāng)?shù)卣蜕鐣?huì)采取的一系列防沙治沙等工作的結(jié)果,使當(dāng)?shù)卣w沙化情況得到改善,生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)。總體來(lái)看,壩上地區(qū)沙化土地景觀格局在 5 a 時(shí)間里發(fā)生了一定的改變,且這種改變是朝著有利于人類(lèi)生存的方向發(fā)展,今后壩上地區(qū)的沙漠化防治工作要注重自然規(guī)律,考慮人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地的干擾程度,同時(shí)也要繼續(xù)積極響應(yīng)國(guó)家的一系列政策,繼續(xù)推動(dòng)退耕還林還草工程,為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的改善做出更大貢獻(xiàn)。