基于RS的东祁连山地景观生态安全度分析

侯艳丽，刘学录，马 俊

（甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070）

目前国内外大量有关生态安全的研究主要集中在生物入侵、环境污染和城市、地区生态安全的评价等方面,主要涉及生态安全的概念及本质、生态安全评价体系的构建、生态安全度数量化指标或生态安全系数的设计[1-4]。关于山地生态安全的研究主要集中在环境脆弱性和保护策略等方面[5－6]，而从景观生态角度入手的研究较少。在人类活动改变和影响地球环境的过程中，山地系统是最敏感的区域之一。由于景观本身是人类经济活动的资源和开发利用的对象,人类的经济开发活动主要是在景观层次上进行的，因而景观成为研究人类活动对山地环境影响的适度尺[7]。近年来，祁连山地系统在自然因素和人类活动影响下，森林资源破坏严重，野生动物锐减，冰川退缩。据专家提供资料，祁连山东段冷龙岭北坡的水管河4号冰川，1956~1976年冰川平均每年退缩16m，1976年以来，冰川后退了71.2m，平均每年退缩8.9 m。目前对祁连山的研究主要集中在对祁连山冰川的研究上，关于祁连山地景观生态安全度的研究还未见报导。因此，本文通过对景观类型斑块破碎度、边界破碎度、斑块优势度、斑块联系度和斑块脆弱度等的分析，反映东祁连山地各景观类型生态安全度，为未来山地景观生态安全度的研究提供一定的理论依据。

本文用熵权表示评价指标的相对重要程度，基本思想是认为评价指标的差异程度越大越重要，则权重相应也越大。熵是系统无序程度的度量，它还可以度量数据所提供的有效信息量，因此，可以用熵来确定权重[8]。当评价对象在某项指标上的值相差较大时，熵值较小，说明该指标提供的有效信息量较大，该指标的权重也应较大；反之，若某项指标的值相差越小，熵值较大，说明该指标提供的信息量较小，该指标的权重也应较小。

1 研究区概况

祁连山位于中国青海省东北部与甘肃省西部边境，由多条西北-东南走向的平行山脉和宽谷组成。因位于河西走廊南侧，又名南山。西端在当金山口与阿尔金山脉相接，东端至黄河谷地，与秦岭、六盘山相连，长近1 000 km，属褶皱断块山。最宽处在酒泉市与柴达木盆地之间，达300 km。自北而南，包括大雪山、托来山、托来南山、野马南山、疏勒南山、党河南山、土尔根达坂山、柴达木山和宗务隆山。山峰多海拔4 000～5 000m，最高峰疏勒南山的团结峰海拔5 808m。海拔4 000m以上的山峰终年积雪，山间谷地也在海拔3 000～3 500m之间。

研究区地理位置为 93°30′~103°00′E，36°30′~39°30′N。祁连山东段山势由西向东降低，包括走廊南山-冷龙岭-乌鞘岭，大通山-达坡山，青海南山-拉背山三列平行山系。其间夹有大通河谷地、湟水谷地和青海湖盆。由于受新构造运动的强烈抬升而剧烈褶皱，同时在流水地质作用的强烈侵蚀下大幅度下切，形成陡峻的“V”型河谷。山峰海拔高度为3 000~5 500 m,平均海拔4 000 m左右，海拔2 500～3 300m分布有寒温带针叶林。海拔4 700m以上的山地终年积雪，广泛发育现代冰川，有冰川3 306条，面积2 063 km2，呈现高寒砾漠（或岩漠）景观[9]。区内自然气候条件复杂、水热条件差异大，使植被的分布具有明显的水平差异和垂直梯度变化。祁连山河流水系发育良好，分属于河西内陆河流域和黄河流域两大流域。其中，内陆河流域的石羊河水系较大的河流自西向东有西大河、东大河、西营河、金塔河、杂木河、黄羊河、古浪河、大靖河等，均发源于祁连山东段冷龙岭和毛毛山，集水面积9 057 km2，山区径流量为15.63亿m3，出山径流量为15.4亿m3[10-12]。东部森林资源破坏严重，野生动物减少。研究区域地貌见图1。

2 研究方法

2.1 材料

本研究所选用的遥感数据为美国陆地资源卫星1995年6月11日Landsat 5 TM（Thematic Mapper） 遥感影像和 2009年 6月 17日 Landsat 7 ETM+（Enhanced Thematic Mapper）遥感图像。

2.2 图像处理

首先用ERDAS9.1将TIF格式遥感图像转换为栅格格式，融合7、4、2三个波段以获得具有最大光谱多样性的多波组合图像，对这两个时相的融合图像进行非监督分类得到研究区域的分类栅格图像。利用ARCVIEW GIS中的Spatial Analyst扩展模块将ERDAS分类栅格图像转换为网格图（Grid）格式，用FRAGSTATS景观指标计算软件计算景观指数。

2.3 景观生态安全度指标选取及其方法

2.3.1 景观类型斑块破碎度 景观类型斑块破碎度，也即类型密度，计算公式如式（1）。

式中，N（i）为类型斑块数，A（i）为类型面积。

2.3.2 景观类型边界破碎度 景观类型边界破碎度，也即类边界密度，边界密度揭示了景观或类型被边界的分割程度，是景观破碎化程度的直接反映，计算公式如式（2）。

式中，C（i）为类型周长，A（i）为类型面积。

2.3.3 斑块优势度 优势度描述景观由少数几个生态系统控制的程度。计算公式如式（3）。

式中，RD是相对优势度指数（百分比）；D是Shannon-Wienner多样性指数；Dmax是D的最大可能取值。D与Dmax的计算公式分别为式（4）、式（5）：

式中，log是以 2为底的对数；P（i）是生态系统类型i在景观中的面积比例；T是景观中生态系统的类型总数。

2.3.4 斑块联系度 联系度指数可用来描述景观中同类斑块联系程度。联系度指数是最近相邻斑块距离的反函数，它使用斑块面积做加权数，见式（6）。

式中，PX是联系度指数；A（i）是斑块i的面积；NND（i）是斑块i到其相邻斑块的最小距离。PX取值从0到1；PX取值大时，则表明景观中给定斑块类型是群聚的。

2.3.5 斑块脆弱度 斑块脆弱度很难确定，原因如下。①脆弱度与景观类型自然演替过程中所处的阶段有关,相当复杂;②与景观类型本身的结构和功能完整性有关;③与景观类型对外界干扰的抵抗能力有关;④与干扰的种类、性质、强度、方式等特性有关。本研究将斑块脆弱度与景观类型特性相关联，将斑块脆弱度从小到大顺序排列并赋值如下：林地（0.111）<草地（0.138 9）<灌丛（0.166 7）<冰雪（0.199 4）<水体（0.199 4）<裸地（0.222 2）[13]。

2.3.6 生态安全度 本研究采用各景观类型受干扰程度和斑块脆弱度来表征景观类型生态安全程度[13]，计算过程与步骤如下。

景观类型受干扰程度用Ii来表示,公式中四项景观指数采用熵权法计算权重，计算步骤如下。（1）定义熵。在有m个评价指标，n个评价对象的评价问题中，第i个指标的熵定义见式（7）。（2）定义熵权。定义了第i个指标的熵之后，第i个指标的熵权定义见式（8）。（3）干扰度公式见式（9）。

式中：Ii为干扰度；PDi为景观类型斑块破碎度，也即类型密度；EDi为景观类型边界破碎度，也即类边界密度；RD为景观类型斑块优势度，也即类斑优势度；PX为景观类型斑块联系度，也即类斑分离度。

景观类型生态安全度用ESi，其计算方法见式（10）：

式中，Qi为景观类型斑块脆弱度；2.5为换算系数；总体景观的生态安全度用ES表示，计算方法见式（11）。

式中，PRi为景观类型斑块面积百分比,即类斑盖度,n为景观类型数。

3 结果分析

从表1中可以看出，东祁连山地景观由林地、草地、灌丛、冰雪、水体和裸地等6种组分构成。其中，草地面积最大，为山地景观的基质，水系为山地景观的廊道，林地、灌丛和冰雪为斑块。

表1 东祁连山地景观结构组分类型

1995年和2009年各景观类型的斑块破碎度、边界破碎度、斑块优势度、斑块联系度和斑块脆弱度的值见表2。从1995年和2009年景观类型干扰度动态变化来看（表3），1995年各类景观类型干扰度范围在0.210 2~0.937 8之间，按大小顺序排列为水体>灌丛>裸地>草地>林地>冰雪。2009年年各类景观类型干扰度范围在0.173 6~1.037 8之间，按大小顺序排列为水体>灌丛>草地>林地>裸地>冰雪。干扰变化率降低的景观依次为灌丛（-29.79%）、冰雪（-17.37）、裸地（-33.22），而林地、草地和水体的干扰度均有不同程度的增加。

表2 东祁连山地景观生态安全指数（1995、2009）

表3 东祁连山地景观类型干扰度和生态安全度变化

2009年景观类型生态安全度相比于1995年各景观类型生态安全度，林地、草地和水体的生态安全度变化率降低，分别为-0.30、-0.37和-5.85，其他景观类型的生态安全度均有不同程度的增加。2009年各景观类型生态安全度范围在0.608 0~0.936 7之间，生态安全度分布在安全度等级0.6～0.9级范围内。生态安全度为0.9级的有林地、草地和冰雪；0.8级为有裸地；0.7级的为灌丛；0.6级的为水体。这可以看出，生态安全度随着干扰度的增加而降低。

4 结论与讨论

东祁连山地各景观类型生态安全度变化率分析：灌丛、冰雪和裸地的生态安全度变化率均不同程度增加，分别为灌丛（16.98%）、冰雪（2.03%）、裸地（7.22%）；林地、草地和水体的生态安全度变化率降低，分别为林地（-0.30%）、草地（-0.37%）、水体（-5.85%）。这说明从1995年到2009年，灌丛、冰雪和裸地的生态安全度提高，其中，灌丛从0.6级提高到0.7级，冰雪从0.8级提高到0.9级。而林地、草地和水体的生态安全度有所降低，但幅度不大。东祁连山地景观的生态安全度整体呈上升趋势，14年来提高0.015，提高率为1.76%。

通过各景观类型的生态安全度计算，林地和草地的安全程度有所降低是由于人为活动的干预和破坏而导致，水体的安全程度降低可能是由环境污染、全球温度变化等引起的，未来还要在这一方面加大保护力度。此外，本文所涉及的熵权法确定景观类型权重的方法以及脆弱度的确定方法也有待完善和改善。

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