陳曉娜，趙納祺，劉湘杰，張景波，鄭松州,葛根巴圖

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，內(nèi)蒙古 磴口 015200；2.烏蘭布和沙漠綜合治理國(guó)家長(zhǎng)期科研基地，內(nèi)蒙古 磴口 015200；3.北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206)

【研究意義】景觀格局是指景觀成分空間中的形態(tài)、組合和排列，強(qiáng)調(diào)空間異質(zhì)性、生態(tài)過(guò)程和尺度之間的相互關(guān)系[1-4]，對(duì)景觀空間格局的演變開展研究，有助于了解生態(tài)系統(tǒng)間的復(fù)雜關(guān)系，也有利于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)干旱區(qū)面積廣袤，占全國(guó)陸地總面積的1/4。干旱區(qū)氣候干燥、降水少、蒸發(fā)強(qiáng)、風(fēng)大沙多、水資源匱乏，是我國(guó)生態(tài)條件最為嚴(yán)峻、脆弱的地區(qū)。在人類活動(dòng)和氣候變化的影響下，土地荒漠化、水質(zhì)惡化、生物多樣性減少等一系列生態(tài)環(huán)境日益嚴(yán)重，不僅危及當(dāng)?shù)厝说纳姘l(fā)展，而且對(duì)我國(guó)生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[5-7]。因此，深入開展干旱半干旱地區(qū)的景觀格局研究，對(duì)于改善該區(qū)域的生態(tài)與環(huán)境、保障生態(tài)系統(tǒng)安全具有重要的戰(zhàn)略意義[8]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】諸多學(xué)者借助土地利用類型、斑塊數(shù)量、斑塊面積、破碎度等景觀指數(shù)[9-12]，對(duì)干旱區(qū)耕地、綠洲、流域等的景觀格局動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究[13-16]，采用集對(duì)分析模型進(jìn)行景觀生態(tài)可持續(xù)發(fā)展定量評(píng)價(jià)[17]，然而有關(guān)干旱區(qū)綠地條件變化所導(dǎo)致的景觀破碎化梯度時(shí)空差異的研究則較少。黃河內(nèi)蒙古防凌應(yīng)急烏蘭布和分洪區(qū)(冠名為“奈倫湖”)是內(nèi)蒙古黃河應(yīng)急分洪區(qū)之一，位于烏蘭布和沙漠東北部。奈倫湖地域廣闊，沒(méi)有居民和耕地，植被稀少，高沙丘與低洼地帶交替出現(xiàn)，局部地方長(zhǎng)有旱蘆葦和耐旱灌木[18]。近年來(lái)，隨著分洪區(qū)工程的啟動(dòng)與實(shí)施，奈倫湖周邊喬木、灌木、草木等植被覆蓋度明顯增加，沙塵天氣及沙塵暴發(fā)生頻率明顯減少，水生植物、候鳥棲息動(dòng)物也明顯增多，水土資源得到有效合理的利用，生態(tài)環(huán)境日趨好轉(zhuǎn)[19]。但是，目前針對(duì)烏蘭布和分洪區(qū)建立后生態(tài)效應(yīng)的變化僅停留在定性分析階段，還缺乏具體量化。如分洪對(duì)奈倫湖周邊環(huán)境的干擾程度究竟多大？分洪后不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況和轉(zhuǎn)移速率如何？水體變化所導(dǎo)致的周邊環(huán)境景觀形態(tài)與異質(zhì)性特征如何？諸如此類的問(wèn)題有待進(jìn)一步研究，對(duì)于充分理解分洪對(duì)周邊環(huán)境變化的影響機(jī)制和制定科學(xué)合理的土地利用政策等有非常重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義[8]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】在遙感和GIS技術(shù)的支持下，對(duì)奈倫湖周邊景觀格局變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，揭示分洪后奈倫湖周邊景觀格局動(dòng)態(tài)的變化規(guī)律，從而加深對(duì)烏蘭布和沙漠蓄洪后土地利用類型和景觀變化過(guò)程的了解。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文不僅為今后奈倫湖周邊生態(tài)保護(hù)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展提供參考，還能為其他地緣鄰近地區(qū)的黃河防凌應(yīng)急分洪區(qū)植被恢復(fù)與重建以及沙漠化治理和景觀格局優(yōu)化調(diào)控提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

奈倫湖位于烏蘭布和沙漠東北緣，隸屬于內(nèi)蒙古磴口縣，地理坐標(biāo)為106°09′～106°57′E，39°16′～40°57′N。奈倫湖屬中溫帶大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季短暫炎熱而少雨，冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒而少雪。日照時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)霜期短，溫差大，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈。年均降水量146.7 mm，汛期(7—9月)降水量達(dá)全年的69.10%；多年平均蒸發(fā)量2257 mm；年均氣溫8.0 ℃，年極端最低氣溫-34.2 ℃，年極端最高氣溫38.5 ℃。年最大凍土深度108 cm，多年最大風(fēng)速19.0 m/s[20]。

分洪工程于2011年初開始試運(yùn)行，主要目的是黃河下游堤防出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，通過(guò)奈倫湖應(yīng)急分洪，減輕防凌壓力，防止洪水漫堤決口，預(yù)防和減輕凌汛災(zāi)害，保護(hù)沿黃河兩岸人民生命財(cái)產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施安全[19]。目前，該分洪區(qū)已建成多年，不僅有效緩解了黃河河套段洪水和凌汛壓力，還向?yàn)跆m布和沙漠生態(tài)補(bǔ)水，對(duì)烏蘭布和沙漠東北緣地下水及生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生明顯影響[21-23]，形成的濕地和水域面積對(duì)改變?yōu)跆m布和沙漠生態(tài)環(huán)境，開發(fā)烏蘭布和分洪區(qū)周邊的沙產(chǎn)業(yè)、旅游業(yè)創(chuàng)造了良好的條件。目前已建成奈倫湖旅游區(qū)，吸引了周邊大量旅游者前來(lái)觀光[24]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

選擇2010—2017年8期Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)，利用ENVI 5.5軟件進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正，影像鑲嵌與研究區(qū)裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理。根據(jù)奈倫湖土地利用/覆被特征和土地資源實(shí)際狀況，將研究區(qū)景觀類型劃分為水域、耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地(簡(jiǎn)稱“城建地”)、其他用地(該區(qū)域主要為戈壁、裸巖和鹽堿地)和沙地等7種(一級(jí)類型：6種；二級(jí)類型：1種)。在參照相關(guān)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究區(qū)遙感影像特征和土地利用/覆被特征，選取原始影像、4個(gè)光譜指數(shù)(NDVI、NDBI、MNDWI和MSAVI 2)與3個(gè)地形特征(海拔、高程和坡向)作為特征變量，采用R語(yǔ)言的Raster程序包生成多元數(shù)據(jù)集。通過(guò)R語(yǔ)言的randomForest程序包構(gòu)建隨機(jī)森林分類模型，獲取2010—2017年該區(qū)域的土地利用/覆被數(shù)據(jù)，總體分類精度≥90%，可以滿足研究需求。

2.2 景觀指數(shù)選取和緩沖帶劃分

選擇斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、香濃多樣性指數(shù)(SHDI)等3個(gè)景觀指數(shù)分析研究區(qū)景觀格局動(dòng)態(tài)變化。在ArcGIS 10.2軟件的支持下，以2010年奈倫湖湖邊為界線，向外圍以0.3 km為間隔做緩沖帶，共劃分10個(gè)緩沖帶(圖2)。采用Fragstas 4.2計(jì)算了各個(gè)時(shí)期10條緩沖帶的景觀格局指數(shù)，監(jiān)測(cè)奈倫湖周邊不同土地類型的破碎化動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而識(shí)別奈倫湖周邊不同土地類型受分洪干擾強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

圖1 烏蘭布和分洪區(qū)概況

圖2 奈倫湖周邊緩沖帶劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型變化分析

以2010年10個(gè)緩沖帶的各土地利用類型占比為基底值，分析2010—2017年距離奈倫湖0.3 km范圍內(nèi)各土地利用類型的變化發(fā)現(xiàn)，水體和沙地隨時(shí)間推移變化趨勢(shì)相對(duì)較規(guī)律，水體面積呈增加趨勢(shì)，由4.14 hm2增加至187.47～341.37 hm2(表1)；沙地面積呈減小的趨勢(shì)，由177.21 hm2降至18.0～42.03 hm2；2010—2017年林地面積幾乎為零。土地轉(zhuǎn)移矩陣分析顯示，隨時(shí)間推移，距奈倫湖0.3 km范圍內(nèi)的大部分耕地、草地、沙地和未利用地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，僅有小部分互相轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)為城建地。距湖體0.3～3.0 km范圍內(nèi)，分洪后耕地、草地、林地、沙地和其他用地轉(zhuǎn)化為水域、耕地、草地、沙地和未利用地，其中林地、沙地和其他用地面積降低，水域和草地面積均高于2010年。說(shuō)明，林地、沙地和未利用地在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，僅保留自身的部分面積，其余則變?yōu)樗蚝筒莸孛娣e。其中，隨緩沖帶的增加，沙地面積減小的幅度逐漸減小，距湖體2.4～3.0 km范圍內(nèi)，沙地面積基本保持平衡，不再降低，甚至在2016—2017年間略微增加。隨時(shí)間推移，各緩沖帶中不同年份的耕地面積波動(dòng)較大，2013年和2016年耕地面積較多，其他年份基本低于2010年；2015年的草地、林地和未利用土地波動(dòng)幅度較亂，其中草地和林地面積大幅度提高，其他用地大幅度降低；2016年水域面積較2010年增加的幅度相對(duì)其他年份較小。10個(gè)緩沖帶的城建地在2016年和2017年明顯增加。

表1 土地利用類型的緩沖帶梯度變化特征

續(xù)表1 Continued table 1

續(xù)表1 Continued table 1

3.2 景觀破碎化的緩沖帶格局分析

從圖 3可知，2011年，PD指數(shù)在距奈倫湖0.9 km以內(nèi)變化較穩(wěn)定，距湖體0.9～1.5 km范圍內(nèi)快速降低，距湖體1.5～2.7 km范圍內(nèi)又緩慢增加；其它7個(gè)年份，PD指數(shù)則基本表現(xiàn)出相似的梯度變化特征，即PD隨緩沖帶的增加基本呈逐漸降低的趨勢(shì)。2011年各緩沖帶的PD指數(shù)完全低于2010年；2013年P(guān)D指數(shù)與其相近年的PD指數(shù)相差較大，其各緩沖帶的PD指數(shù)基本介于2016年和2017年之間，始終高于其他5個(gè)年份的PD指數(shù)；2010年、2012年、2014年和2015年各緩沖帶的PD指數(shù)相差不大，均處于2011年與2013年、2016年、2017年之間。在1緩沖帶中，2010年的PD僅低于2016年，高于其他6個(gè)年份；在距湖體0.3～1.2 km范圍內(nèi)，2010年P(guān)D指數(shù)基本高于2011年，低于其他6個(gè)年份；距湖體1.2～1.8 km范圍內(nèi)，2010年P(guān)D指數(shù)高于2011年和2012年，低于其他5個(gè)年份；距湖體1.8～3.0 km范圍內(nèi)，2010年P(guān)D指數(shù)高于2011年、2012年和2014年，低于其他4個(gè)年份。

圖3 斑塊密度(PD)的緩沖帶梯度變化特征

從圖4可知，在距奈倫湖體0.3 km范圍內(nèi)，2010年的LPI低于其他所有年份；但距湖體0.3～3.0 km范圍內(nèi)，2010年LPI高于其他所有年份。2010年，LPI隨緩沖帶的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)；2011年LPI隨距湖體距離的增加均增加，但增加量呈先大后小的趨勢(shì)，即在距湖體1.8 km時(shí)增加量達(dá)到最大值，之后逐漸減?。?012年、2013年、2015年和2017年的LPI均隨緩沖帶的增加呈降低趨勢(shì)，距湖體0.3～0.6 km范圍內(nèi)，LPI均快速下降，之后相對(duì)穩(wěn)定；2014年和2016年LPI隨緩沖帶的增加呈先下降后增加的趨勢(shì)，其值均在距湖體0.6～0.9 km帶間達(dá)到最低。從以上對(duì)LPI的分析可以看出，2010年隨緩沖帶的增加景觀破碎化程度不斷加強(qiáng)，2011年在距湖體0.9～2.7 km范圍內(nèi)景觀破碎化也較嚴(yán)重。在距湖體0.3 km范圍內(nèi)，2012年、2013年、2014年、2015年和2017年的景觀破碎化嚴(yán)重度高于2010年，但在距湖體0.3 km外，僅2010年和2011年的景觀破碎化比較嚴(yán)重，其他年份的破碎化程度趨于緩和。

圖4 最大斑塊指數(shù)(LPI)的緩沖帶梯度變化特征

2010年各緩沖帶的SHDI指數(shù)與其他年份SHDI指數(shù)變化趨勢(shì)不同，其呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)；而2012年和2013年SHDI指數(shù)隨緩沖帶的增加呈拋物線結(jié)構(gòu)(即增加幅度由大到小)；2011年、2014年、2016年和2017年呈先增加后減小的趨勢(shì)；2015年SHDI指數(shù)相對(duì)較穩(wěn)定。距湖體0.3 km范圍內(nèi)，2010年SHDI指數(shù)高于2011年、2012年、2015年和2017年，低于2013年、2014年和2016年；距湖體0.6～1.2 km范圍內(nèi)，2010年SHDI指數(shù)始終低于其他年份；距湖體1.2～1.5 km范圍內(nèi)，2010年SHDI指數(shù)僅高于2011年；距湖體1.8～2.7 km，各年份間SHDI指數(shù)規(guī)律相對(duì)復(fù)雜；距湖體2.7～3.0 km，2010年SHDI指數(shù)僅低于2013年，高于其他年份。

圖5 香濃多樣性(SHDI)的緩沖帶梯度變化特征

3.3 土地類型和景觀指數(shù)整體變化

分析黃河內(nèi)蒙古防凌應(yīng)急烏蘭布和分洪區(qū)分洪前后湖區(qū)3 km范圍內(nèi)土地類型和景觀指數(shù)整體的變化發(fā)現(xiàn)，分洪后水體和草地面積大幅度增加(表2)，分洪7年時(shí)水體面積由9.90 hm2擴(kuò)展到1007.73 hm2；2015年草地面積增長(zhǎng)幅度最大，達(dá)3241.62 hm2。分洪降低了沙地面積和其他用地面積，2013年和2015年沙地面積的減少尤為明顯，僅為2010年的46.36%和46.49%。城建地在分洪6～7 年時(shí)，面積突增，由0增長(zhǎng)至161.37 hm2。分洪區(qū)3 km范圍內(nèi)，PD和SHDI指數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，高于2010年，分洪后LPI呈降低的趨勢(shì)，2017年的LPI較2010年下降118.90。

表2 分洪區(qū)3 km范圍內(nèi)土地利用類型和景觀指數(shù)整體變化特征

4 討 論

分洪區(qū)蓄水運(yùn)行后，淹沒(méi)區(qū)域起伏不平的陸地及河流被平滑的水面替代，水體面積逐年增加，但由于黃河分洪量有限，導(dǎo)致奈倫湖外圍較遠(yuǎn)地區(qū)水體增加幅度逐漸減小。分洪區(qū)建成后給奈倫湖及其周邊環(huán)境提供了相對(duì)充足的水源，分洪區(qū)周邊植被覆蓋率明顯增加[11]。距離奈倫湖0.3 km范圍內(nèi)，分洪量較大，水位抬高，淹沒(méi)大量水草，使草地面積逐年降低；距湖體0.3～3.0 km范圍內(nèi)，隨時(shí)間推移草地面積呈增加的趨勢(shì)，水體、草地等逐漸取代荒漠，水土資源逐漸恢復(fù)，周邊生態(tài)環(huán)境得到改善，嚴(yán)重的荒漠化得到局部控制[13]，尤其2.4 km范圍內(nèi)的沙地面積大量減少，隨距奈倫湖湖體距離的增加，沙地面積縮減的幅度逐漸變小，至距湖體2.4～3.0 km范圍內(nèi)，沙地面積基本保持平衡，甚至在2016—2017年時(shí)最外側(cè)2帶的沙地面積略微偏高。2010年奈倫湖周邊3.0 km范圍內(nèi)，以沙地類型為主；2017年奈倫湖周邊3.0 km范圍內(nèi)，雖仍以沙地為主，但此時(shí)沙地面積較2010年降低718.29 hm2，水體面積較2010年增加997.83 hm2。形成的濕地和水域面積對(duì)改變?yōu)跆m布和沙漠生態(tài)環(huán)境，開發(fā)烏蘭布和分洪區(qū)周邊的沙產(chǎn)業(yè)、旅游業(yè)創(chuàng)造了良好的條件，水體面積與草地面積可產(chǎn)生正循環(huán)效應(yīng)，水體面積的增加可為植物的生長(zhǎng)提供良好的水分條件，進(jìn)一步降低風(fēng)沙侵害。越來(lái)越多的其他用地得到有效利用，促使2016年和2017年城建地明顯增加。土地利用類型趨于均衡，各斑塊面積相差減小，對(duì)該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境治理與經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈有利趨勢(shì)。

分洪后，景觀水平指數(shù)上的PD指數(shù)和SHDI指數(shù)隨緩沖帶增加的變化趨勢(shì)基本一致，隨緩沖帶的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)；LPI指數(shù)則呈先迅速降低后緩慢回升的趨勢(shì)。在距離奈倫湖0.3 km范圍內(nèi)，分洪后各緩沖帶的LPI基本高于分洪當(dāng)年，說(shuō)明分洪使奈倫湖0.3 km范圍內(nèi)的景觀優(yōu)勢(shì)度增加；分洪當(dāng)年P(guān)D和SHDI在距離奈倫湖0.3～1.2 km范圍內(nèi)基本低于分洪后其他年份，說(shuō)明破碎化程度逐漸加重，斑塊類型逐漸豐富，景觀多樣性及斑塊分布均勻度升高；而距湖體1.2～3.0 km范圍內(nèi)則處于各年份中間。一方面，分洪前奈倫湖周邊3.0 km范圍內(nèi)以沙地為主，2010年沙地面積占整體面積的54.99%。但由于距離湖體0.3 km范圍內(nèi)，分洪后大量水體淹沒(méi)周圍土地及植被等，土地類型逐漸以水體為主，破碎化程度低，優(yōu)勢(shì)景觀度較高；距湖體0.3～1.2 km范圍內(nèi)，由于分洪水量有限，加之水體增多導(dǎo)致周邊生態(tài)環(huán)境的好轉(zhuǎn)，對(duì)區(qū)域景觀斑塊也進(jìn)行了切割，導(dǎo)致景觀類型趨于零散，而水體和草地面積大量增多，沙地面積急劇降低，從而使景觀類型趨于均勻化；而距湖體1.2 km范圍內(nèi)以外，分洪量逐漸減小，沙地面積得不到有效控制，整體景觀類型受分洪的影響也逐漸降低。另一方面，生態(tài)環(huán)境的整體好轉(zhuǎn)，分洪區(qū)周邊逐年開展旅游觀光活動(dòng)，周邊建筑物不斷增多，人為活動(dòng)對(duì)奈倫湖周邊資源的大規(guī)模開采利用和交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，也會(huì)導(dǎo)致景觀類型支離破碎，形狀越來(lái)越復(fù)雜。本結(jié)果驗(yàn)證了于強(qiáng)等[25]關(guān)于烏蘭布和沙漠磴口縣荒漠景觀逐漸向西北遷移，綠洲景觀逐步擴(kuò)張的觀點(diǎn)。2013年P(guān)D指數(shù)、LPI指數(shù)和SHDI指數(shù)變化趨勢(shì)雖與其他年份一致，但變化幅度卻相差較大，2013年P(guān)D指數(shù)和SHDI指數(shù)高于其他所有年份，而LPI指數(shù)卻低于所有年份。原因可能是2013年其他5種類型土地變化趨于穩(wěn)定時(shí)，大面積沙地被開發(fā)成耕地，原本的主要土地類型——沙地面積突減，耕地面積占比突增，沙地、水體、草地、耕地等4種土地類型構(gòu)成奈倫湖周邊的主要土地類型，景觀優(yōu)勢(shì)度明顯降低，景觀均勻度增加。

5 結(jié) 論

2010—2017年間，分洪后奈倫湖周邊3.0 km范圍內(nèi)水體、草地和城建地面積增加，沙地和其他用地面積降低，隨著與湖體距離的增加，沙地面積減小幅度逐漸減輕，距離湖體2.4～3.0 km范圍內(nèi)，沙地面積基本保持平衡，甚至在2016—2017年略微增加。隨時(shí)間的推移，水體和草地等逐漸取代荒漠，周邊生態(tài)環(huán)境得到改善，其他用地逐漸被開發(fā)利用，城建地不斷增多。湖區(qū)3.0 km范圍內(nèi)土地利用類型趨于均衡，各斑塊面積相差減小。分洪使奈倫湖周邊景觀格局向均衡化方向發(fā)展，破碎化程度雖增加，但景觀優(yōu)勢(shì)度逐漸降低，斑塊類型逐漸豐富，景觀多樣性及斑塊分布均勻度升高?？偟膩?lái)說(shuō)，分洪對(duì)奈倫湖周邊1.2 km范圍內(nèi)的景觀格局影響更為明顯。