孫桂麗,王 立,李 雪,王志強,趙芳芳,白一純
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 林學與園藝學院,新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)大學 干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830052;3.吐魯番市高昌區(qū)林業(yè)局,新疆 吐魯番 838000)
景觀格局指構成景觀的生態(tài)系統(tǒng)或土地利用/覆被類型的形狀、比例和空間配置。它是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn),又是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結果[1-3]。景觀格局包括時間格局和空間格局兩個角度[3]。景觀格局指數(shù)是高度濃縮的景觀格局信息,同時也是反映景觀結構組成、空間配置特征的簡單化指標[4]。生態(tài)風險是指一個種群、生態(tài)系統(tǒng)或整個景觀的正常功能受外界脅迫,從而在目前和將來減少該系統(tǒng)內(nèi)部某些要素或其本身的健康、生產(chǎn)力、遺傳結構、經(jīng)濟價值和美學價值的一種狀況[1-2]。景觀格局是生態(tài)過程的載體,生態(tài)過程中包含眾多塑造格局的動因和驅(qū)動力[3]。景觀格局與生態(tài)過程相互作用,驅(qū)動著景觀的整體動態(tài),并呈現(xiàn)出一定的生態(tài)功能特征[4-5]。景觀是表現(xiàn)生態(tài)變化的基礎,景觀結構和功能變化引起區(qū)域相應生態(tài)變化的反應,分析區(qū)域生態(tài)變化離不開景觀格局的分析[6-8]。由于人類對自然資源和環(huán)境影響的加劇,生態(tài)系統(tǒng)面臨著嚴峻的考驗,呈現(xiàn)出結構性破壞和功能紊亂的特點,因此景觀格局及生態(tài)風險變化是現(xiàn)今生態(tài)學研究的核心內(nèi)容之一[1-3,9]。
從國外研究趨勢來看,借助GIS空間分析技術,以生態(tài)、污染源等風險因素為研究對象,對不同區(qū)域不同尺度的生態(tài)風險進行評價的居多[8,10]。20世紀90年代開始我國學者在生態(tài)風險研究領域主要以指標選取為主,將統(tǒng)計數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)結合并用數(shù)學模型進行定量模擬,得出研究區(qū)不同空間表面具體的生態(tài)風險值[11];隨著3S技術的發(fā)展,目前利用遙感(RS)和空間分析方法研究生態(tài)風險的較多,如張學斌[12]、劉琪[1]、魏偉[2]、鞏杰[13]等以不同分辨率的影像為數(shù)據(jù)源,采用空間疊置和插值方法研究生態(tài)風險空間格局。近年來針對干旱區(qū)的生態(tài)風險研究逐漸增多[12-16],本研究正是基于綠洲區(qū)是干旱地區(qū)人類活動的載體,只有準確認識并評價當前綠洲區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況,才能更好地開發(fā)、保護和利用綠洲。目前吐魯番高昌區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況如何?怎樣從景觀層面上借助空間統(tǒng)計方法分析評價研究區(qū)生態(tài)風險?本研究將基于3S技術,利用遙感數(shù)據(jù)結合Fragstats 4.2軟件從時間和空間的角度對區(qū)域的景觀格局進行分析,并評價其生態(tài)風險狀況。
數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云提供的landsatETM+與landsat OIL的2000、2005、2010、2015年4期遙感數(shù)據(jù)。根據(jù)吐魯番市土地類型圖和結合國家頒布的《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 2010─2017)及《2014年吐魯番土地利用總體規(guī)劃文本》將高昌區(qū)土地類型劃分為7類分別為林地、草地、園地、耕地、水域、建設用地、未利用土地。運用ENVI 5.3對圖像目視解譯,通過監(jiān)督分類、樣本的分離度都大于1.8,每期的kappa指數(shù)都大于0.83達到了解譯精度的要求。為提高求算生態(tài)風險指數(shù)的精度,并將其進行空間可視化表達,利用DEM對研究區(qū)綠洲地形、坡度等進行綜合對比后發(fā)現(xiàn)1 km是比較理想的研究尺度。因此,將研究區(qū)劃分10 km×10 km采樣格網(wǎng),共164個格網(wǎng),將解譯得到的景觀類型轉換成柵格,在Fragstats軟件中計算生態(tài)風險小區(qū)的生態(tài)風險值,然后進行格式轉化,并將每個格網(wǎng)的中心點值作為整個格網(wǎng)的值,計算出每個生態(tài)風險小區(qū)的生態(tài)風險值后,采用空間疊置方法計算綠洲區(qū)生態(tài)風險值,最后將所有中心點值進行空間插值。
景觀作為一個整體具有其組成部分所沒有的特性[17-18]。而景觀格局指數(shù)可以在斑塊、類型和景觀3 個層次上反映景觀結構組成和空間配置某些方面特征定量指標[19-22]。景觀格局指數(shù)眾多,但單一指數(shù)表征的景觀格局特征有一定局限性,而選擇過多,景觀格局指數(shù)之間又會存在冗余[23]。因此,本文參照前人相關研究[24-27],運用Fragstats 軟件選取了8個類型水平和6個景觀水平上的景觀格局指數(shù)來表征吐魯番市高昌區(qū)的景觀格局。
利用Fragstats 4.2分析斑塊類型水平景觀格局指數(shù)(Class level index)[28],選擇景觀類型要進行適應性檢驗,計算分析得到不同土地類型斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、斑塊面積(CA)、平均斑塊面積(MPS)、破碎度(Ci)、分離度(Si)、優(yōu)勢度(Ki)和干擾度(Ei)。分析景觀水平指數(shù)(Landscape level index)獲取最大斑塊指數(shù)LPI、蔓延度(CONTAG)、聚集度指數(shù)AI、景觀形狀指數(shù)(LSI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)等景觀格局指數(shù)[29-30]。
生態(tài)風險評價是一個預測人類活動對生態(tài)系統(tǒng)結構、過程和功能產(chǎn)生不利影響可能性的過程,是發(fā)現(xiàn)、解決生態(tài)環(huán)境問題的決策基礎,由于不同景觀格局指數(shù)在不同程度上對景觀生態(tài)風險都有一定的影響,不同的景觀對生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力也是不同的。本研究以表1的斑塊水平景觀格局指數(shù)和景觀格局指數(shù)為基礎,統(tǒng)計每個生態(tài)風險小區(qū)內(nèi)各景觀類型的面積和斑塊數(shù),計算得到研究區(qū)內(nèi)各個景觀類型的破碎度、分離度、優(yōu)勢度,通過分別賦以權重值,得到景觀干擾度指數(shù)。通過專家打分法得到各景觀類型的脆弱度指數(shù),并以此計算損失度指數(shù),最后通過統(tǒng)計每個風險小區(qū)內(nèi)各景觀類型的面積比例,構建生態(tài)風險指數(shù)模型,得到各生態(tài)風險小區(qū)的生態(tài)風險指數(shù)(Ecological Risk Index,ERI),通過各景觀格局指數(shù)和不同景觀面積疊加來綜合反映不同景觀所受到的生態(tài)系統(tǒng)的風險程度[31-33]。
表1 景觀格局指數(shù)及生態(tài)風險計算公式
景觀格局變化是基于斑塊變化,所以本研究以斑塊水平研究為基礎,通過景觀格局變化,反應區(qū)域景觀生態(tài)風險變化。
由表2可知,在這15 a內(nèi)景觀類型斑塊密度(PD),除建筑用地以外,均呈現(xiàn)減少趨勢,其中草地、耕地變化最為顯著,斑塊密度分別減少了80.52%、76.34%,其次是林地,減少56.30%,園地、未利用地斑塊密度減少不明顯,建筑用地斑塊密度呈現(xiàn)先減少后增加趨勢。斑塊數(shù)(NP)只有建設用地呈增加趨勢,其他景觀類型的斑塊數(shù)均呈減少趨勢;從面積(CA)變化來看,由于城鎮(zhèn)的快速擴展,2015年與2000年相比建設用地面積增長了75.96%,建設用地大規(guī)模增長的同時,耕地這一景觀類型的比重有大幅度的降低,減少了45.19%,耕地面積呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢,總體呈減少趨勢,與此同時,林地、草地、園地、水域均有一定程度增加,而綠洲區(qū)的優(yōu)勢景觀類型仍是耕地、草地,但園地也逐漸成為優(yōu)勢景觀。各景觀類型平均斑塊面積(MPS)也均呈增加趨勢,說明高昌區(qū)綠洲各類景觀呈連片狀發(fā)展,景觀連通性在不斷加強。
在2000~2015年間,高昌區(qū)綠洲的景觀格局發(fā)生較大變化(表2),就景觀破碎度而言,2000年建設用地的破碎度最高(3.43),其次為林地、耕地、草地、園地,未利用地、水域的破碎度較低,分別為0.04、0.02。經(jīng)過15 a的變化,除水域、林地外2015年所有景觀類型的破碎度均降低,其中變化最大的是林地,破碎度降低了67%,其次是耕地,破碎度降低了57%。破碎度均降低表明:研究區(qū)斑塊間的連通性增加、整體性加強、斑塊的不穩(wěn)定性減少,這與表2分析結果相一致。
表2 2000~2015年吐魯番市高昌區(qū)斑塊水平景觀格局指數(shù)
在2000~2015年間,分離度指數(shù)的變化較破碎度指數(shù)而言較為復雜(表2),建設用地分離度指數(shù)呈現(xiàn)先急劇減少后緩慢增加的趨勢,從2000年到2005年分離度指數(shù)由10.49降低到5.90,之后緩慢增加,表明建設用地經(jīng)歷了由分散到集中再到分散的過程,與人類活動對景觀的干擾程度由增強到減弱的變化趨勢有關,人類活動的強烈干擾改變了土地自然狀態(tài),導致其原本的斑塊空間不斷分散和破碎化(表2)。林地的分離度指數(shù)呈現(xiàn)波動變化,但總體呈減少趨勢(圖1),水域的分離度變化更為劇烈(圖1),2005、2010年與2000年相比急劇增加,增加幅度高達23.24倍和18.92倍,分析其中的原因發(fā)現(xiàn)這與區(qū)域水域面積的變化高度一致,高昌區(qū)主要的水域為艾丁湖,由于人類活動的影響,艾丁湖1993年以后成為一個季節(jié)性湖泊,每年絕大多數(shù)時間都處于沒水的狀態(tài),湖面2000年有所恢復,達75 km2,但2013年5月,艾丁湖又完全干涸,湖區(qū)裸露鹽化面積達90 km2,一直到2015年才有所恢復。說明隨著綠洲區(qū)城市的進一步發(fā)展,所帶來的各景觀分離度的變化表征著生境的變化,是不容忽視的。
景觀優(yōu)勢度是衡量斑塊在景觀中重要地位的一種指標,在吐魯番高昌區(qū)綠洲內(nèi),除水域以外,不同景觀類型其優(yōu)勢度大小差別不是很大,從時間變化上來看,2000~2015年間,其變化也不大,從表1可以看出,從2000~2015年間,草地的優(yōu)勢度相對略高,林地、草地優(yōu)勢度呈減少趨勢,而水域的優(yōu)勢度一直處于最低值。通過分析對比發(fā)現(xiàn)(表1),2000~2015年間,水域的干擾度變化最大,呈現(xiàn)先急劇升高,后又急劇降低,2005、2010與2000年相比,水域干擾度分別提高10.44倍、8.91倍(圖1),這仍與艾丁湖水面面積變化有關,其他景觀類型的干擾度基本呈現(xiàn)降低趨勢。綜合分析發(fā)現(xiàn),吐魯番高昌綠洲邊緣存在大量未利用地,景觀干擾度變化較大區(qū)域主要集中在綠洲核心區(qū)域的邊緣地帶,這些區(qū)域?qū)儆谏鷳B(tài)敏感區(qū),自然和人為等綜合因素造成景觀干擾度的空間變化較為明顯,需提高警惕,加大生態(tài)恢復力度,以免退化為裸地和沙地等,造成綠洲區(qū)沙漠化的危險。
圖1 2000~2015年吐魯番市高昌區(qū)林地、水域斑塊水平景觀格局指數(shù)
從表2、圖1可以發(fā)現(xiàn),15 a林地變化趨于穩(wěn)定發(fā)展,變化幅度依次減小,景觀完整程度增強;草地變化較大,15 a內(nèi)干擾度減少了1.04,景觀完整程增加。林地、草地、園地及耕地這些農(nóng)林用地斑塊增加數(shù)量大于減少的數(shù)量,耕地面積是減少,平均斑塊是增加。由于推行的退耕還林還草政策,農(nóng)林用地中耕地面積減少,斑塊減少的幅度大變化大,2000~2005年、2005~2010年、2010~2015年平均斑塊面積分別呈減少0.0049 km2、0.0034 km2、增加0.4916 km2的變化。通過對景觀結構分析發(fā)現(xiàn),綠洲區(qū)景觀格局演變特征主要是荒漠化景觀和綠洲化景觀逐漸分異,其根本原因是氣候這一最基本和最長久的自然因素所造成,加之降水稀少、蒸發(fā)量大,有限的水資源數(shù)量和分布狀況難以滿足綠洲區(qū)各景觀類型發(fā)展生存所需,水資源成為控制景觀荒漠化進程和綠洲化進程的主導因子,隨著社會的不斷進步,人類生產(chǎn)活動成為促進本地區(qū)景觀面貌改變的最活躍力量之一。
基于景觀水平動態(tài)變化,獲取斑塊總數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、蔓延度(CONTAG)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、聚集度指數(shù)(AI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)(表3、圖2)。
由表3及圖2可知,2000~2015年高昌區(qū)景觀格局變化很大。斑塊數(shù)是呈減少趨勢,斑塊數(shù)減少幅度2000~2005年最大,減少幅度為40.3%,2005~2010年斑塊數(shù)量減少幅度為8.36%,2010~2015年減少幅度為13.61%。2000~2015年斑塊數(shù)總共減少了144357個,斑塊數(shù)整體減少明顯,說明破碎化程度降低;斑塊密度的變化趨勢與斑塊數(shù)量基本一致,2000~2005年、2005~2010年、2010~2015年斑塊密度分別減少了8.18%、0.74%、1.79%。最大斑塊指數(shù)2000~2015年整體呈現(xiàn)先急劇增加后減少趨勢,2005年比2000年增加了1倍多,表示高昌區(qū)優(yōu)勢景觀類型未利用土地不斷擴展變化,擴展幅度大,2005~2010年、2010~2015年分別減少了7.0119、0.9746,表示高昌區(qū)優(yōu)勢景觀未利用土地類型出現(xiàn)擴展變化,2005~2010年未利用土地開始出現(xiàn)縮小變化,未利用土地面積減少,未利用土地分離度增加,所以未利用土地縮小變化,與上述結論相符。
圖2 2000~2015年吐魯番高昌區(qū)景觀水平指數(shù)變化
表3 2000~2015年吐魯番市高昌區(qū)景觀水平景觀格局指數(shù)
2000~2015年吐魯番高昌區(qū)景觀蔓延度變化不明顯。與最大斑塊指數(shù)變化相同,蔓延度變化最大的是2000~2005年呈現(xiàn)增加變化趨勢,增加了3.2512。2005~2015年緩慢減少,減少了1.5512。蔓延度變化,前5 a蔓延度呈增加趨勢,在此期間小斑塊數(shù)多,表明研究區(qū)內(nèi)各景觀類型聚集程度有所降低,主要原因可能是耕地景觀轉化為未利用土地;后10 a蔓延度緩慢減少主要原因可能是景觀類型趨于穩(wěn)定發(fā)展。2000~2015年吐魯番高昌區(qū)聚集度指數(shù)呈現(xiàn)緩慢增加趨勢,前5 a的變化,主要是人為對景觀類型影響,高昌區(qū)全面退耕還林還草,耕地面積減少,大量種植樹草、種草。高昌區(qū)香農(nóng)多樣性指數(shù)總體呈現(xiàn)先降低后增加趨勢,2000~2005年香農(nóng)多樣性呈現(xiàn)減少的變化,2005~2015年香農(nóng)多樣性增加變化,減少的程度小于增加的,說明優(yōu)勢景觀類型所占份額減少,單一組分對景觀的控制作用減弱,反映出研究區(qū)景觀異質(zhì)性增加。香農(nóng)均勻度指數(shù)呈波動變化,2000~2005、2010~2015年香濃均勻度指數(shù)分別減少0.1271、0.1147,主要由于未利用土地及農(nóng)林用地類型變化所引起,2005~2010年增加了0.1194,主要是由于未利用土地減少導致。
斑塊和景觀類型面積呈現(xiàn)均衡的發(fā)展,這些可能原因是優(yōu)勢景觀未利用土地所占比例減少,景觀豐富度增加的同時區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定發(fā)展。
生態(tài)風險評價是基于一種或者多種外界因素導致的可能會發(fā)生的或者正在發(fā)生的對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響的評價方法,其重點為評價人類活動在生態(tài)環(huán)境中產(chǎn)生的不良影響[1],土地資源開發(fā)利用,建設用地的快速擴張都對吐魯番市的生態(tài)安全帶來影響。
為了分析吐魯番市高昌區(qū)景觀生態(tài)風險的空間分布特征,利用表1中的公式計算出每個風險小區(qū)的景觀生態(tài)風險值,將每個生態(tài)風險評價單元的ERI作為其中心點的屬性值,利用ArcGIS地統(tǒng)計模塊中的普通克里金插值得到其景觀生態(tài)風險的空間分布。并結合區(qū)域?qū)嶋H情況和4個時相的ERI指數(shù),利用自然斷點法將吐魯番市高昌區(qū)的ERI劃分為5個生態(tài)風險等級,并計算了各生態(tài)風險級別所占的面積,以便直觀描述研究區(qū)內(nèi)生態(tài)風險的時間、空間分布情況。
2.3.1 景觀生態(tài)風險時間變化 由表4可知,綜合風險呈減少趨勢,從單一土地利用類型來看,風險值最小的是水域,其次是園地和建設用地,風險值最大的是未利用地,多為流動沙丘或沙化土地,表明其景觀格局計算的合理性,與實際相符。
2010~2015年林地風險值先增加后減少,但變化幅度不大;2010~2015年草地風險值減少13.36×10-4,減少幅度較大;分析林地和草地風險值減少原因,據(jù)表4和研究區(qū)實際情況推測可能主要是由于2003年退耕還林還草政策的實施,耕地面積減少,林地草地面積增加,分離度、斑塊個數(shù)、干擾度減少。園地風險值呈U形變化,耕地風險呈現(xiàn)先急劇減少后緩慢增加,結合表2、表4發(fā)現(xiàn)2000~2015年耕地和園地的干擾度、破碎度和損失度減小,風險降低;水域的風險值呈現(xiàn)倒V形變化,建設用地風險呈輕微波動變化;未利用地風險呈現(xiàn)波動變化。從表5可以看出:斑塊數(shù)、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)和聚集度指數(shù)對景觀生態(tài)風險影響較大。
表4 吐魯番市高昌區(qū)不同景觀類型風險值
表5 景觀生態(tài)風險與景觀格局指數(shù)相關性分析
從各等級變化來看,由圖3可以看出,生態(tài)風險區(qū)以高風險為主,除2010年外,占比均在50%以上;低風險比例較低,面積較少,但2015年低風險區(qū)面積、比例增加明顯,由2000年的0.28 km2增加到2015年的310.76 km2;較低風險2000~2015年面積、比例增加也較顯著,由2000年的2.34%增加到2015年的13.44%;中等風險和高風險區(qū)面積、比例下降,分別由2000年的21.82%、17.87%下降到2015年的14.83%、13.40%;研究期間總的變化趨勢是低風險區(qū)、較低生態(tài)風險面積增多,而高風險面積呈減少趨勢,研究期間中等生態(tài)風險和較高生態(tài)風險等級的面積減少,總體生態(tài)風險呈下降趨勢,說明綠洲區(qū)部分區(qū)域生態(tài)風險降低的同時,其他區(qū)域生態(tài)風險有所提高。
圖3 2000~2015年吐魯番市高昌區(qū)各類風險面積百分比變化
2.3.2 生態(tài)風險空間變化 通過景觀格局變化,利用表1中的公式,統(tǒng)計并計算獲取區(qū)域內(nèi)各景觀類型相對應的風險值,根據(jù)風險值變化,在ArcGIS 10.0中將生態(tài)風險值從小到大按照自然斷點法重分類把研究區(qū)的生態(tài)風險分為低風險區(qū)、較低風險區(qū)、中等風險區(qū)、較高風險區(qū)和高風險區(qū)5個風險等級,其空間分布情況如圖4所示。
圖4 2000~2015年吐魯番市高昌區(qū)景觀生態(tài)風險
從分布上來看,4個時期的生態(tài)風險,研究區(qū)南部生態(tài)風險狀態(tài)較為穩(wěn)定,風險等級基本沒有明顯變化,且風險等級較高,比較敏感且變化區(qū)域主要分布北部,生態(tài)風險變化較為明顯,且相對南部來看,風險等級較為復雜多樣,但大部分生態(tài)風險等級較低,且分布情況也在不斷變化,邊緣地區(qū)生態(tài)風險由高/較高變化為中/較低轉化,原因可能與整個區(qū)域大體是北高南低,艾丁湖水域位于南部,北部為博格達峰山區(qū),是區(qū)域的主要水源。2000~2015年期間,吐魯番市高昌區(qū)生態(tài)風險變化顯著。生態(tài)風險經(jīng)歷了從高到低的轉變,生態(tài)整體趨于好轉。結合4期的土地利用類型分布情況發(fā)現(xiàn)低風險區(qū)的土地利用類型以草地和園地為主,這是因為草地和園地生態(tài)系統(tǒng)結構較為穩(wěn)定,抵抗外界干擾能力較強,受人類活動影響較??;風險高的區(qū)域集中分布于未利用地,主要為荒漠,荒漠生態(tài)風險較高主要是與其自身生態(tài)脆弱性有關。研究期初,北部高風險區(qū)和較高風險區(qū)分布較為廣泛,后集中分布于北部的東南和西南部。較低生態(tài)風險區(qū)在研究期初分布也較為分散,期末主要分布于北部邊緣和中部地區(qū)。
本研究以吐魯番市高昌區(qū)2000~2015年4期30 m分辨率的遙感圖像為基礎,通過一系列的圖像預處理,解譯所運用Fragstats 4.2景觀格局指數(shù)計算景觀格局指數(shù)。
(1)2000~2015的15 a內(nèi)7種景觀類型斑塊數(shù)量呈現(xiàn)減少趨勢,平均斑塊面積增加,斑塊密度呈減少趨勢,研究區(qū)景觀完整程度增加。景觀聚集度呈現(xiàn)先減少后增加;香農(nóng)多樣性指數(shù)總體呈增加趨勢;香農(nóng)均勻度指數(shù)整體呈現(xiàn)減少;斑塊和景觀類型面積呈現(xiàn)均衡的發(fā)展,景觀豐富度增加,區(qū)域生態(tài)環(huán)境向良好穩(wěn)定方向發(fā)展。
(2)2000~2015年4個時期的生態(tài)風險,研究區(qū)南部生態(tài)風險狀態(tài)較為穩(wěn)定,風險等級基本沒有明顯變化,且風險等級較高,主要為未利用地,大多為荒漠,其生態(tài)風險較高主要是與其自身生態(tài)脆弱性有關。北部生態(tài)風險變化較為明顯,風險等級也較為復雜多樣,但大部分生態(tài)風險等級較低;總體來看,高、較高生態(tài)風險區(qū)面積減少,低、較低生態(tài)風險區(qū)面積增加,區(qū)域整體生態(tài)風險呈降低趨勢。