基于景观指数的新疆生产建设兵团生态环境变化

2014-03-27侯秀玲卢响军周益民

中国环境监测 2014年5期

侯秀玲，卢响军，周益民

新疆生产建设兵团环境监测中心站，新疆乌鲁木齐 830011

地球表层系统最突出的景观标志就是土地利用与土地覆被[1]。土地利用或覆被变化不仅客观记录了人类改变地球表面特征的空间格局，而且再现了地球表层景观的时空动态变化过程。景观格局及其变化是自然与人为因素相互作用所产生的一定区域生态环境体系的综合反映，既是各种干扰因素相互作用的结果，又影响着该区域的生态过程和边缘效应[2]。目前，许多学者利用遥感与地理信息系统对不同区域的土地利用变化进行研究，并在土地利用变化研究中引入景观格局分析方法[3-4]。景观指数作为分析景观格局的定量化指数，在过去20年的时间里得到迅速发展[5]。景观格局在空间上表现为不同土地利用类型斑块的镶嵌，具有典型的空间异质性[6]。这些斑块在空间上的排列形式称为景观格局，它决定着自然地理环境的形成、分布和组成，制约着各种生态过程，并与干扰能力、恢复能力、系统稳定性和生物多样性有着密切的联系[7-8]。

新疆生产建设兵团(以下简称“兵团”)是一个特殊的行政单元，其景观类型以自然景观向人工景观过渡的特殊景观为主，对兵团区域景观格局的研究不单是获取该区域生态状况及空间变异特征的有效手段，更重要的是揭示兵团土地利用特点，为兵团进一步完善土地利用规划、区域生态环境管理和景观生态规划提供科学依据。近年来，在西部大开发的契机下，兵团的发展日新月异，城镇化范围不断扩大，为合理规划兵团土地利用，有必要对兵团的景观格局进行分析研究。遥感技术和地理信息系统的发展，为景观空间结构研究和动态模拟提供了可靠的信息源和有效的分析工具，使得在多尺度上景观空间格局的定量化研究成为可能。通过RS和GIS对兵团景观格局及其变化因素进行分析，以期为兵团的土地利用规划及环境管理提供技术支撑。

1 研究区概况

兵团分布在新疆维吾尔自治区境内，现有土地面积为7.4万平方公里，占新疆总面积的4.47%，人口为257.3万，约占新疆总人口的八分之一。兵团属温带大陆性气候，集中表现为降水稀少、相对湿度低、冬季漫长、春秋季短、日照长、温差大。兵团多年平均降水量仅为145 mm，而蒸发量约为2 000～2 500 mm。地表水资源量为1.05×1010m3，地下水资源量为2.01×109m3，森林覆盖率约为5%。兵团下辖14个师，175个农牧团场，农业人口为1.25×106人，占总人口数的48.6%。2010年兵团生产总值7.71×1010元，与2000年相比，平均年增长29.7%，人均生产总值29 948 元，是2000年人均生产总值的4倍。

2 研究方法

2.1 数据来源

所用数据一方面来源于2000、2005、2010年新疆地区TM影像和HJ1A-CCD1影像进行遥感解译获得的土地利用或土地覆盖数据和属性数据，另一方面来源于2000、2005、2010年兵团统计年鉴。

土地利用或覆盖类型以《全国生态环境十年变化(2000—2010年)遥感调查与评估项目指南》中的土地覆盖分类系统为参考，将土地利用景观类型分为森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇、荒漠和冰川(永久积雪)等8个类型。

2.2 景观格局分析指标

随着对景观格局研究的不断深入，近年来已提出了不少关于景观空间分析的指标和方法[9-10]，其中景观指数方法在景观结构的描述、比较和动态研究中的应用越来越广泛。景观指数能够从定量的高度概括景观格局信息，反映其结构组成和空间配置。在实际工作中，往往同时采用多种指数来描述景观格局的数量和空间特征，以减少单一指标对空间分析的片面性。根据兵团的特点和研究需要，结合已有研究[9-10]和各指标的适用范围，筛选了部分主要景观度量指标，其公式及生态意义如表1所示。景观格局指标以Arcgis10和景观格局分析软件Fragstats 3.3进行处理和计算。

表1 景观空间格局特征指数及生态学涵义

注：表中ni为i类景观类型的斑块个数；ai为i类景观类型的斑块总面积；Pi为各类景观类型在总景观中所占的比例；m为景观类型数；Li为i类景观类型的斑块周长；Hmax=ln(m)为景观最大多样性；TA为景观类型总面积；pij为斑块类型i与j相邻的概率。

2.3 驱动力分析指标

人口城市化，即城市户籍人口占总人口的百分比，%；土地城市化，即城市面积占国土总面积的百分比，%；农业产值，即农业总产值与农田面积的比值，元/亩；牧业产值，即牧业总产值与草地面积的比值，元/亩；农牧产值比，即农业产值与牧业产值的比例，%；农田机械化，即农田机耕、播种、化学除草、施肥、病虫防治、灌溉、收割、秸杆还田和飞机作业面积之和与农田面积之比除以8种作业方式，%；草地机械化，即机械收割牧草的数量占收获牧草数量的百分比，%。

3 结果与分析

3.1 景观总体特征

表2是经计算得到的兵团2000—2010年土地利用景观格局指数的总体特征。

表2 兵团总体景观格局指数

由表2可见，兵团AI指数各年份均超过90%，表明兵团景观类型主要由少数团聚的大斑块组成，其值稍微上升说明斑块类型相对变得集中，空间连通性升高。H指数和E指数都有所增加，表明兵团各种景观类型的比例差异在逐步减小，而兵团的D指数减少，则进一步说明景观的异质性程度在逐渐提高，土地利用向着多样化和均匀化方向发展。S、F、C指数均表现为先增加后减少，总体下降的趋势，说明兵团总体景观格局变化不大，但景观要素斑块形状趋向于简单化。

3.2 景观类型特征

表3为兵团2000—2010年土地利用景观格局指数。

表3 景观类型格局指数

由表3可以看出，草地、农田在兵团景观格局构成中占据主导地位，其中以草地占绝对优势，2000—2010年农田和城镇用地呈现不断增加趋势，草地、灌丛和冰川(永久积雪)呈现不断减少的趋势；森林、湿地、沙漠面积在2000—2010年有增有减，但是除湿地明显减少外，森林和沙漠总体呈现略微增加趋势；S指数和C指数均以城镇最大，说明城镇景观受人为活动干扰强度大；F在各景观间变化不大，但以城镇值最大，说明城镇的形状规律性最差。

3.2.1 森林景观变化

通过森林景观类型指标变化可知，兵团森林景观受退耕还林及防风固沙防护林建设的政策指导，总体变化不大。

3.2.2 灌丛景观变化

兵团灌丛景观的Pi、NP、MPA值和AI指数下降，S、F和C指数上升。说明由于受人类活动行为的影响，灌丛景观的变化较大；NP的多少与景观的破碎度有很好的相关性，而MPA反映景观的完整性和破碎化程度。由此可知，兵团灌丛景观的破碎化程度增加，灌丛景观的形状趋于复杂，分布更分散，聚集程度下降。但AI指数各年份都较高，说明灌丛景观主要还是由少数团聚的大斑块组成。

3.2.3 草地景观变化

兵团草地景观的Pi、NP值和F、C指数减少，AI、S指数增加。说明由于人类活动的影响，草地景观的变化相对较大。MPA变化不大，但Pi、NP、F明显减少，说明草地生态系统的破碎化程度降低。草地景观C指数降低，则说明受人类活动的影响程度在逐渐减弱。AI升高，表明草地景观类型主要由少数团聚的大斑块组成，其值稍微升高，说明斑块空间连通性增加，而S的逐渐增加则表明团聚斑块呈现出分散的趋势。

2000—2005年草地的Pi、NP、F和C指数减少了5.54%、3.62%、0.02%和1.65%，而2005—2010年则分别减少了4.74%、6.81%、0.15%、8.85%，通过2组数据的对比可知，草地在“十五”时期的变化幅度明显弱于“十一五”时期，“十一五”时期的破碎化程度明显好于“十五”时期，说明在退耕还林还草政策的支持下以及“十一五”兵团环保事业的逐步开展下，人们对自然生态环境的保护意识逐渐增强。

3.2.4 湿地景观变化

兵团湿地景观的Pi、MPA值和AI指数减少，NP值和C指数增加。说明湿地景观形状愈来愈复杂，斑块的完整性下降，景观类型总体上变得相对分散，空间连通性变差。其C指数的持续增加，说明其受到的人为活动影响在逐步增强，特别是“十一五”时期明显大于“十五”时期，说明“十一五”期间的水利工程建设强度对兵团湿地景观影响较大。

3.2.5 农田景观变化

兵团农田景观的Pi、MPA值和AI指数增加，NP、S、F和C指数减少。说明这一时期由于人类大量开垦，以及兵团的高度农业机械化导致农田面积不断增加，MPA值大幅度提高。农田景观斑块的团聚性和连通性增大，愈来愈趋向于集中和成片发展。

2000—2005年农田景观中Pi、MPA和AI指数分别增加16.99%、18.26%和0.62%，而NP、S、F和C指数则分别减少1.10%、14.97%、0.25%和16.39%；2005—2010年农田景观中Pi、MPA和AI指数分别增加11.02%、18.26%和0.90%，NP、S、F和C指数则分别减少23.88%、21.46%、0.36%和47.79%；通过对比可知，人类活动强度“十一五”时期明显强于“十五”时期，特别是兵团农业机械化的快速发展，极大影响着兵团农田景观的MPA值。

3.2.6 城镇景观变化

兵团城镇景观的Pi、NP、MPA值及AI、C指数增加，而S和F指数减少。说明这一时期城市化进程加快，对城镇景观影响很大。随着人口增长，新的城镇不断增加，城镇面积不断扩展，城镇的复杂性及破碎化程度也有所增加。斑块的团聚性和连通性虽有增大，但与其他景观相比仍然较差。

2000—2005年城镇景观的Pi、NP、MPA值和AI指数分别增加15.52%、10.50%、3.70%和0.73%，2005—2010年则分别增加9.95%、4.56%、3.57%和0.53%；而S、F则分别由8.72%和0.17%减少为7.13%和0.12%；C指数则前5年增加6.03%，后5年减少0.72%。通过以上数据的对比可知， “十五”期间城镇景观的变化幅度明显强于“十一五”，“十五”期间人类活动主要是随着人口数量的增加建立新的居民点，因此NP值明显大于“十一五”时期的增长；而“十一五”时期则主要以建立大型的城镇，进行连片发展为城市化的发展方向，因此，MPA显著大于“十五”期间。

3.2.7 荒漠景观变化

由表3可知兵团荒漠景观的Pi值各年份间变化不大，但荒漠景观变得愈来愈复杂，斑块的完整性下降，景观类型总体上变得相对分散，空间连通性相对变差，但仍以少数的大斑块组成为主。

3.2.8 冰川(永久积雪)景观变化

兵团冰川(永久积雪)景观受气候及人类活动影响，变得愈来愈复杂，斑块的完整性下降，景观类型总体上变得分散，空间连通性变差。

3.3 兵团生态环境变化驱动因素分析

驱动因素一般分为2类，自然驱动因素和人为驱动因素。自然驱动因素常在较大的时空尺度上作用于景观，它引起大面积的景观变化，而人为驱动因素包括人口、技术、政治体制和文化等因素，它们对景观的影响在较小尺度上十分重要。由于解译数据时间尺度较小，因此，仅对兵团变化较剧烈的农田、草地和城镇土地利用类型中人为因素进行分析(表4)。

表4 兵团人为驱动因子与土地利用指标变化[11]

由表4可知，引起兵团景观格局变化的人为驱动因素有：①人口增加和机械化程度的提高是农田面积增加的内在动力。人口作为影响土地利用变化的主要因素是客观存在的。如表4所示，兵团人口2005年比2000年增加了14.19万人，而2010年比2005年仅增加0.34万人，人口增加在一定程度上决定着土地利用类型向农田转变。而人口城市化的速度大于人口增加的速度，这在一定程度上限制了农田面积的增加。兵团结合自身农业发展的优势及特点，不断提高机械化水平，农业机械化面积年均增长率4.66%。由机械耕地、播种发展到机械收割，由机收小麦、水稻、玉米等发展到机收棉花和甜菜等作物，释放了大量的农业人口。②经济发展是兵团农田和城镇面积增加，草地面积减少的主要因素。尽管兵团一直实施退耕还林还草政策，兵团职工为增加个体收入仍然进行农田开发，其生产总值以每年15.9%的速率递增，并逐渐由2000年一、二、三产业的比例40.6∶27.5∶31.9转向2010年的31.6∶35.5∶33.2。这在一定程度上促进了兵团经济结构由以农业生产为主逐渐向一、二、三产业并重的方向发展。追求经济利益的提高是农田和城镇面积增加、草地面积减少的主要原因。③兵团小城镇建设的推进是城镇面积不断增加的动力。根据安瓦尔·买买提明等[12]的统计，在2000年前没有文献涉及到兵团小城镇，而在2004年公开发表的相关文献达到高峰，说明兵团的小城镇建设在这一时期不断受到专家和领导的高度重视，在政策上不断给予扶持，这无疑推动了兵团城镇面积及人口的迅速增长。④政策导向是调节兵团景观格局变化的有效途径。由表4中草地面积与农牧业产值比可以看出，2000—2005年草地减少5.56%，而农牧产值比减少23.75%；2005—2010年草地面积减少4.73%，而农牧产值比则减少40.08%。兵团的退耕还草和畜牧业补贴等政策在草地景观格局的变化上起到了至关重要的作用。