水资源约束下的民勤绿洲景观格局研究

唐嘉琪，石培基

(西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州730070)

景观动态变化是指景观结构、功能、空间格局随时间的变化情况［1－2］，景观格局是指大小和形状各异的景观要素在空间上的排列和组合［3］。景观空间格局的演变是景观动态变化的结果，它是景观异质性的具体体现，又是各种生态过程在不同时空尺度上作用的结果。景观异质性决定景观的生态功能和生态效应，尤其是对一些生态功能脆弱的景观类型，如绿洲景观等。绿洲是在荒漠背景上以天然径流为依托的，具有较高的第一性生产力的中、小尺度非地带性景观［4］。在较短的时间尺度内荒漠绿洲景观格局受人类活动影响大，尤其容易受到水资源状况的影响。然而，只有少数学者对石羊河流域水资源与景观生态做了有针对性的研究，如张勃等［5］认为石羊河中游武威绿洲水资源开发利用与下游民勤地区生态环境演变有密切关系;杨永春等［6］认为石羊河中上游截流大量地表水资源是下游民勤绿洲变化的主要外部人文影响因素。笔者尝试从景观格局角度，对民勤绿洲景观格局特点及其与水资源之间的关系进行分析。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

民勤地理位置介于 101°49'41″—104°12'10″E、38°3'45″—39°27'37″N之间，隶属甘肃省武威市。东北被腾格里沙漠包围，西北有巴丹吉林沙漠环绕，南邻凉州区，中部是石羊河冲积而成的狭长而平坦的绿洲带。民勤由沙漠、低山丘陵和平原3种基本地貌构成，属温带大陆性荒漠气候，多年平均降水量115 mm，多年平均蒸发量2664.0 mm，相对湿度为45%;是我国干旱、荒漠化最严重的地区之一，也是我国沙尘暴四大源区之一，为典型的生态脆弱地区。截至2008年，民勤县辖6个镇12个乡，总人口31.5万人，2008年全县生产总值28.8亿元。

1.2 数据来源与方法

遥感(RS)数据的可重复获取性使其成为景观生态学研究的基本数据源之一［7］。ArcGIS是有效利用遥感数据的工具，也为研究景观格局和动态变化提供了一个极为有效的工具［8］。本研究以人工目视解译2006年民勤TM影像数据获得的土地利用∕覆盖图为基础，经过ArcGIS的处理获得民勤绿洲景观分类栅格图(网格分辨率为50 m)，在Fragstats3.3软件的支持下选取恰当的景观指标，分析民勤绿洲景观格局特征。利用1987、2006年景观水平上的格局数据，结合《2009年民勤县国民经济统计资料汇编》中提供的民勤水资源数据(民勤上游来水量、红崖山水库年蓄水量)，探讨景观格局和水资源变化之间的关系。

土地类型的划分是景观格局分析的关键，直接影响结果的可靠性。本研究土地类型的划分以我国《乡(镇)土地利用总体规划数据库标准》(TD/T 1028—2010)中土地规划用途及含义为依据，结合研究区的特点将民勤绿洲土地类型归并为10类(表1)。

2 景观格局分析

2.1 斑块类型

斑块类型，该尺度水平的指标是相对景观中斑块类型水平的度量，是对同一类型的斑块形状、分布特点的描述。结合研究目的和研究区现状选取了8个指标，分别为相对面积指数(PLAND)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、形状指数(SHAPE)、周长面积分维数(FRAFRAC)、丛聚指数(CLUMPY)、内聚力指数(COHESION)。

2.1.1 斑块面积、密度分析

本研究选取的面积密度指数有:相对面积指数PLAND(某一斑块类型总面积占景观总面积的百分比)、斑块密度PD(某一斑块类型数占斑块总数的百分比)、最大斑块指数LPI(景观中最大斑块面积占整个景观面积的比例)。

表1 民勤绿洲土地类型及概述

由表2得出，2006年民勤绿洲景观中沙漠和戈壁所占的面积达49.71%，耕地、草地面积分别达20.817%和11.375%，而林地、水域、城镇居民点及工矿用地均较小，分别为0.3786%、0.1676%、0.5588%，这就说明沙漠和戈壁是该地区绿洲景观的基质。耕地、草地比例较高，说明民勤绿洲是以种植业和畜牧业为主的农业型绿洲。斑块密度最大的是草地(0.0303%)，其次是城镇居民和工矿用地(0.0109%)，说明民勤绿洲草地退化严重，城镇居民和工矿用地分布分散。人工景观斑块中LPI最大的是耕地(17.4854%)，说明民勤绿洲中以种植业为主的农业较发达、耕地连片分布。

2.1.2 斑块形状、分维数分析

本文选取的描述景观形状的指数有:景观形状指数LSI(描述斑块类型聚集的程度)、形状指数SHAPE(描述斑块形状的复杂性)、周长面积分维数FRAFRAC(描述斑块类型的破碎程度)。一般来说，受人类活动干扰小、周长简单的自然景观周长面积分维数接近1，受人类活动干扰大、周长弯曲盘绕时接近2。

表2 2006年民勤绿洲各斑块类型相对面积、密度、最大斑块指数 %

图1 2006年民勤绿洲景观形状指数、形状指数、周长面积分维数

从图1可以看出，形状指数最大的是盐碱地和戈壁，分别达 2.4383、2.2609，草地最低，为1.622，说明组成戈壁和盐碱地的斑块形状复杂，而草地形状规则简单。景观形状指数最大的是城镇居民和工矿用地(25.4634)，其次为耕地(23.7739)，说明民勤绿洲城镇和工业发展还处在初级阶段，居民点和工业分布分散，农业虽然在地方经济中地位重要，但发展仍然滞后，主要表现在耕地分布分散，集约化程度低。民勤绿洲中周长面积分维数最大的斑块类型是耕地(1.4642)，其次为城镇居民及工矿用地(1.4611)、林地(1.4313)，说明人为引入斑块受到人类活动的影响大、形状复杂，随着农业的发展人类对林地的影响也在逐渐变大。

2.1.3 斑块聚合度分析

本文选取的聚合度指数有丛聚指数CLUMPY(描述斑块类型集聚程度)和内聚力指数COHESION(描述的是相关斑块类型的自然连通度)。当CLUMPY等于－1时，说明该斑块类型最大限度地分散;等于0时，斑块随机分布;等于1时斑块集聚程度不断提高。COHESION取值范围为［0，100)，景观中斑块类型的比例降低并且不断细化、连通性降低，其值越接近0。

图2 2006年民勤绿洲丛聚指数、内聚力指数

由图2得出，丛聚指数和内聚力指数的变化有很大的相似性，大多数斑块类型的丛聚指数和内聚力指数都较高，说明民勤绿洲大多斑块分布集中，斑块内部信息物质交流较通畅。指数值最小的是林地，其值分别为0.8986和96.112，其次是城镇居民及工矿用地0.8704和96.353，说明林地、城镇居民及工矿用地在景观中所占比例小、分布分散、斑块细化程度高，斑块内物质能量交流不通畅。

2.2 景观水平

景观水平，该尺度水平的指标是对景观整体分布、形态特征的度量。结合研究目的和研究区现状，选取8个指标，分别为:周长面积分维数(FRAFRAC)、蔓延度(CONTAG)、相似邻接指数(PLADJ)、散布与并列指数(IJI)、香农多样性指数(SHDI)、辛普森多样性指数(SIDI)、香农均匀性指数(SHEI)、辛普森均匀性指数(SIEI)。见表2。

民勤绿洲景观水平周长面积分维数为1.3129，高于西北地区2000—2008年土地利用斑块分维数的平均值1.0［9］，说明民勤绿洲脱离了简单的几何形状，周长蜿蜒盘绕的程度大于西北地区的平均水平，表现出一定的复杂性。

表2 2006年民勤绿洲景观水平指标值

蔓延度(CONTAG)和相似邻接指数(PLADJ)都反映斑块的破碎和集聚程度。蔓延度指数取值范围为(0，100］，当所有斑块最大限度破碎化和间断分布时，指标值接近于0;当所有斑块最大限度聚集在一起时，指标值达到100。相似邻接指数取值范围为［0，100］，当每一斑块类型都最大限度离散化，不存在同类之间两两相邻情况时，该值等于0;当所有斑块最大限度聚集在一起，并且景观存在一个由同类斑块组成的边界时，该值为100。民勤绿洲的蔓延度指数为59.4194，相似邻接指数为98.2676，说明民勤绿洲所有斑块的聚集程度高，组成景观边界的斑块类型单一，而同类斑块聚集程度不高，斑块类型之间混杂分布现象明显。

散布与并列指数(IJI)对那些受自然条件制约严重的生态系统的分布特征反映显著。如山区的各种生态系统受到垂直地带性的作用，其分布多呈环状，IJI值一般较低;干旱区中的许多过渡植被类型受制于水的分布与多寡，彼此邻近，IJI值一般较高。民勤绿洲IJI值为77.371，说明地处干旱半干旱地区的民勤绿洲受到水资源状况的影响大。

SHDI、SIDI、SHEI、SIEI反映绿洲景观的多样性和均匀性，数据意义相似，但是香农指数对稀缺种类的反映比辛普森指数敏感，辛普森指数代表的是随机从景观中选取的栅格单元，意义更直观，本文侧重研究民勤绿洲景观格局特点，而非个别优势或稀缺斑块的特点。故选取辛普森多样性指标SIDI和辛普森均匀性指标SIEI做详细分析。SIDI值越接近1，景观的多样性增加、斑块类型数增加;SIEI值越接近1，景观中各斑块类型的比例越均衡。民勤绿洲辛普森多样性指数SIDI为0.7915，辛普森均匀性指数SIEI为0.8794，反映出民勤绿洲景观多样性较低、均匀性高、优势度低的特点。

3 景观格局与水资源变化的关系

干旱区荒漠绿洲系指荒漠中有水源，可供人类生存并从事各种社会经济活动的区域，其绿洲生态系统既是整个荒漠生态系统的组成部分，又是决定荒漠生态系统结构与功能的关键组分［10］。绿洲景观格局直接影响绿洲生态系统的功能，因此研究干旱区荒漠绿洲景观格局的特征有很重要的生态意义。荒漠绿洲对水源的依赖性使得河流廊道变化将直接导致整个景观结构与空间格局发生改变，水资源状况成为研究区景观过程的主要驱动力［11］。民勤绿洲位于河西走廊北部，地处大陆内部，属于典型的干旱半干旱地区荒漠型绿洲，其土地利用景观格局的变化直接依赖于水资源变化，尤其是对河川径流、水库蓄水的依赖性很强。

随着流域上中游地区人口数量与经济规模的不断扩大，近年来流入下游民勤绿洲的地表水资源日趋减少。由图3得出，1987年以来民勤上游来水和红崖山水库的蓄水量逐年减少，到2002年达到最低，上游来水 0.62亿 m3、红崖山水库蓄水0.3277亿m3。此后，上游来水量和水库蓄水又有上升趋势。据统计，总体来讲1987到2006年上游来水减少40.64%，红崖山水库蓄水量减少27.6%。

图3 民勤绿洲1987—2009年上游来水及红崖山水库蓄水量

表3 1987年民勤绿洲景观水平指标值

结合表2、3中2006和1987年两年的景观格局数据，得出民勤绿洲景观格局指标中与水资源变化同步的有周长面积分维数FRAFRAC和蔓延度CONTAG，从1987年到2006年分别减小了5.32%和0.343%，而相似邻接指数PLADJ、散布与并列指数IJI分别增加了1.64%和8.58%。原因在于:对水资源变化反映较敏感的是斑块的形状和面积指数，各个斑块面积和形状的改变导致斑块间的邻接性发生变化，进而影响到斑块类型乃至景观水平的紧实度，最后才会对景观的多样性和均匀性有影响。

4 结语与讨论

(1)以沙漠和戈壁为基质的民勤绿洲，农牧业发展快，其贡献率在整个地方经济中占有很重要的地位。随着农牧业和农业灌溉的发展，人类对草地和林地的开发强度日益增大，当地的土地利用景观格局发生了很大的变化:草地和盐碱地边缘复杂、破碎程度高，林地和城镇居民及工矿用地分布复杂、连接性低、物质信息交流不畅。说明，在人类活动的影响下民勤绿洲土地盐碱化、过度放牧导致的土地退化、土地沙漠化等生态问题突出，土地格局已经脱离了自然的分布状态。如果不适当调整土地政策，则势必影响当地社会、经济、生态的可持续发展。

(2)作为干旱半干旱地区特殊生态系统的民勤绿洲，其土地利用格局变化具有非常重要的生态意义，沙漠化的发展直接关系着河西地区乃至我国北方地区的气候和环境状况。民勤绿洲景观分维数、蔓延度、多样性指数、均匀性指数等都表现出其地方特殊性，说明整个绿洲景观的形状简单、受主要土地类型支配作用大、景观异质性低，但景观内斑块类型仍然丰富，民勤绿洲仍然保持在较为紧实有序的绿洲景观系统的水平上。

(3)干旱半干旱地区绿洲生态系统对水资源的依赖性毋庸置疑，随着上游来水和水库蓄水量的变化，民勤绿洲变化最为明显的是绿洲中斑块的聚合程度，水资源减少、聚合度减小、斑块分布分散、集中连片的斑块减少，而聚合度变化主要是由斑块面积变化决定的，最终聚合度又会影响整个土地利用景观的多样性和均匀性。因此，在兼顾社会环境用水条件下，如何合理有效地利用有限的水资源发展当地经济，是民勤谋求可持续发展的重要思考方向。

(4)结合其他人员的研究成果，从景观生态方面分析了民勤绿洲土地利用格局的特点，及其与水资源之间的相互关系。由于可获取的数据时间序列有限，以及数据处理过程中存在的由标准问题而产生的误差，加之目前土地类型划分缺乏统一的分类标准，致使本文的研究结果还有进一步探讨的空间。

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