宁夏中部干旱带农业景观格局变化研究

2013-09-14王亚娟米文宝李建华郭占军

水土保持研究 2013年4期

王亚娟，米文宝，李建华，郭占军

（宁夏大学资源环境学院，银川750021）

农业景观是由相互作用的斑块以一定的规律组成的，具有高度空间异质性的、世界上分布最为广泛的景观类型［1－5］。由于干扰作用机制的综合性、复杂性和区域性，农业景观较自然景观更具变异性，直接影响和制约着不同尺度地理单元的生态过程［1－6］。作为我国西北干旱区重要的景观类型，由于对区域土地的集约、粗放、或混合模式的经营和管理，农业景观的破碎化在不断加剧，其空间组合及其格局也发生了变化。本文以宁夏中部干旱带为例，分析该区域近30 a来农业景观格局的变化，探讨导致景观格局变化的主要因素，为动态调整农业结构、生产方式，优化农业景观格局等提供决策参考和依据。

1 研究区概况

宁夏中部干旱带地处干旱风沙区向黄土高原的过渡带，北靠中卫市的沙坡头区和中宁县、吴忠市的利通区和银川市的灵武市；东部与内蒙古的鄂托克前旗、陕西省的定边县、甘肃省的环县为邻；南接固原市的原州区和西吉县；西与甘肃省的平川区和靖远县接壤。行政区划上包括盐池县、红寺堡区、同心县和海原县4个县（区），遥感计算面积为1.85万k m2。该区域属中温带半干旱区，为典型的大陆性气候特征，干旱少雨，年平均降水量为277.8 mm；蒸发强烈，年均蒸发量为2 168.75 mm，年均干燥度为2.95，水文环境较差，水资源短缺。沙尘天气比较频繁，且主要集中在3月。无论是浮尘还是扬沙都表现为北部和南部较多，且沙尘天气以扬沙为主。沙尘暴时有发生，其他灾害性天气，如冰雹、霜冻等亦频繁发生。

2 数据处理与研究方法

2.1 数据获取与处理

本研究以T M／ET M影像作为基本数据源，根据影像的可获得性以及研究区动态变化的连续性，共筛选出1987—2011年共4期遥感影像，每期4景T M影像资料，影像的接收时间在6—10月间，因为这个时间段是研究区一年中植被生长最旺盛、植被覆盖最好的季节，可代表植被的年度状况，所选择的遥感影像成像质量较好，基本上无云覆盖或云量＜5%，保证了数据获取的可靠性及定量研究的需要［7］。

本研究区所有T M／ET M影像在卫星地面接收站都进行过系统校正，投影系统为 WGS-84，但相对较粗略，需要进行进一步的精确校正，以满足研究需要。本研究根据盐池县、同心县、海原县、红寺堡区1∶500 00地形图，运用ENVI软件中的几何精校正模块进行校正［7－9］。因为研究区范围较大，不同时期都用到了4景遥感影像图，因此首先通过ENVI软件中的Mosaik模块进行遥感影像的镶嵌［9］。在T M4，3，2波段下打开，利用宁夏中部干旱带边界矢量文件（shape格式），在ENVI下，通过掩膜实现遥感影像的不规则剪裁。

2.2 农业景观分类系统

综合比较国家和学术研究分类系统和成果，参考遥感影像的实际情况，根据研究区域自然地理状况、农业特征及其土地利用现状，确定采用两级分类法对研究区农业景观类型进行划分［6－8，10］。其中，一级分类包括耕地、林地、草地、城乡工矿居民用地、水域以及未利用地。在一级分类的基础上，耕地又分为水浇地和旱地两类；林地又分为有林地、灌木林、疏林和未成林3类；草地分为高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地3类；未利用地分为沙地和其他未利用土地（表1）。

表1 宁夏中部干旱带农业景观分类系统

2.3 遥感图像解译分类

经过GPS定位和野外实地考察，以卫星图像反映出的大小、形状、色彩、亮度和纹理结构为主要指标，建立目视解译标志［7，9］（表2）。

表2 宁夏中部干旱带农业景观TM／ETM影像解译标志

基于以上解译标志，参照其他辅助信息，在遥感处理软件EVNI中，在人机交互式目视解译判读的基础上，利用监督分类法中的最大似然法对遥感影像进行计算机解译分类，得到1987年、1996年、2005年和2011年宁夏中部干旱带农业景观分类专题图（附图5—6）。对解译结果采用随机抽样调查的方式进行野外调查验证和GPS定位，验证的结果表明，分类精度可以满足研究需要。

2.4 景观格局指数选取与计算

根据本研究的目的和各景观指数的意义和实用性，选用生态学意义相对明确的斑块类型指数和景观水平指数，探析宁夏中部干旱带各种农业景观要素和总体景观结构的动态特征，反映研究区近30 a来农业景观动态变化的生态学规律［11－14］。

本研究中选择的斑块类型指数有斑块所占景观面积的比例（PLAND）、斑块密度（PD）、平均斑块面积（MPS）、景观形状指数（LSI）；景观水平指数有斑块数（NP）、最大斑块指数（LPI）、Shannon多样性指数（SHDI）、Shannon均匀度指数（SHEI）、景观聚集度（CONTAG）。

根据宁夏中部干旱带1987年、1996年、2005年和2011年解译分类图，采用Fragstats软件栅格版，进行景观格局指数的计算，基于此，分析区域生态状况及空间变异特征。

3 结果与分析

3.1 斑块类型指数

对FRAGSTATS软件的计算结果进行统计，得到研究区斑块类型指数PLAND、PD、MPS、LSI的值（图1—4）。

图2 不同时期各农业景观PD变化

图1 不同时期各农业景观PLAND变化

图4 不同时期各农业景观LSI变化

图3 不同时期各农业景观MPS变化

上述各斑块类型指数中，PLAND、MPS反映了斑块的大小特征及变化情况，PD反映了景观的破碎化程度，LSI反映了不同斑块的形状特征及其变化情况。总体而言，1987—1996年，研究区各景观类型斑块数增加，平均斑块面积减小，斑块密度大，破碎化明显，反映出研究区受人为干扰明显，而在2005年之后，朝着改善的方向发展。研究区的草地面积虽然较大，但斑块数却不多，因为在整个研究区草地面积占有绝对性优势，呈现集中连片的分布，虽然面积较大，但斑块数反而相对较少；水浇地整体比旱耕地的斑块面积大，MPS早期较小，后期逐渐增大并且较稳定，变化幅度较小，斑块大小也比较均匀；城乡工矿居民用地的斑块密度非常高，说明1 k m2的斑块数很多，城乡工矿居民用地虽然总面积不大，但是相比之下斑块数很多，反映出建设用地的扩张。其次是旱耕地的斑块密度较大，再次表明旱耕地的斑块数较多；水域的斑块密度也较大，说明水域一方面本身面积比较小，另一方面数量较多，单个斑块的面积较小。未利用地的斑块密度呈明显下降趋势。斑块密度和大，受人为干扰程度大，草地斑块的形状最复杂，人类活动的干扰程度相对较低，而城乡工矿居民用地、水域、耕地的较小，变化也不太明显，也反映出人为景观和自然景观相比，更趋于规则，差异不显著。

3.2 景观水平指数

研究区景观水平指数见表3，反映出研究区的整体景观格局变化特征，斑块数呈现先增后减的趋势，而最大斑块指数却下降，说明研究区景观的破碎化程度加剧，人类干扰力度在增加。SHDI从1987到1996年增加较多，增加了13.58%，之后呈微小增加，表明在研究初期斑块类型为非均衡分布，即各斑块所占面积比例差别较大，之后逐渐趋于均衡分布，各类型斑块所占面积比例分配相对均匀。SHEI呈持续增加趋势，说明研究区的优势斑块面积逐渐减少，所以各斑块类型在景观中趋于均匀分布。CONTAG值明显降低，而且在研究时段内，聚集度逐步下降，反映出斑块类型增加，各种类型斑块的优势度降低且连通性变差，也进一步说明了研究区各类型斑块在空间分布上的均衡化趋势。

表3 景观水平的景观指数

4 结论

（1）从整体来看，研究区农业景观类型中草地占绝对优势，其次为林地、旱地先增加后减少，水浇地逐渐增加；草地整体逐渐减少，其中高草在增加，而中、低草逐渐减少；林地整体先减少后增加，其中有林地、灌木林先减少后增加，疏林及未成林持续增加；水域整体变化不显著，呈微弱起伏；城乡工矿居民用地大幅增加；未利用地逐渐减少。

（2）从景观指数来看，研究区1987—1996年间，各景观类型斑块数增加，平均斑块面积减小，斑块密度大，破碎化明显，反映出研究区受人为干扰明显，而在2005年之后，朝着改善的方向发展。CONTAG指数整体持续下降，表明景观中各种类型的斑块在空间分布出现了均衡化，SHDI指数和SHEI指数表现出波动性变化，整体平稳增加，反映出研究区不同类型的农业景观分配相对均匀，景观的异质性增加。

（3）研究区农业景观格局变化的首要原因在于人口的持续增加，受当地经济发展水平的限制，对耕地需求增加，而草地、林地、滩涂成为开垦的首选对象，以及为了从土地获取更多的产出，大量修建水利设施等［15］。其次，国家政策也起着十分重要的作用，上世纪80年代初通过实施家庭联产承包制度后，由原来国家统一安排转向农民自发的多元经营模式转变。一方面农民急功近利，过度开发，扩大种植面积；另一方面，种植的多元化加剧了景观的破碎化［16］。后来由于国家退耕还林还草政策影响和西部大开发战略的实施，宁夏中部干旱带进行了大规模的退耕还林还草工程，天然林资源保护工程，绿化荒山荒地等，对坡耕地有计划有步骤地退耕还林还草等，林草地面积大幅度增加，耕地面积大幅度减少，未利用地面积减少。基础设施建设加快，水利基础设施建设加强，促使建设用地规模急剧扩大，水浇地面积持续增长。

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