博斯腾湖小湖区湿地景观变化特征研究

张 皓，李新国*，闫 凯，刘 彬

(1 新疆师范大学 地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054；2 新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，乌鲁木齐 830054；3 新疆维吾尔自治区草原总站,乌鲁木齐 830001；4 新疆师范大学 生命科学学院, 乌鲁木齐830054)



博斯腾湖小湖区湿地景观变化特征研究

张 皓1,2，李新国1,2*，闫 凯3，刘 彬4

(1 新疆师范大学 地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054；2 新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，乌鲁木齐 830054；3 新疆维吾尔自治区草原总站,乌鲁木齐 830001；4 新疆师范大学 生命科学学院, 乌鲁木齐830054)

以博斯腾湖小湖区为研究区，采用5个不同时期的Landsat影像为主要数据源，运用景观转换系数和重心迁移模型对1996～2015年研究区湿地景观变化进行分析，以揭示博斯腾湖小湖区的景观变化类型与景观的重心变化特征。结果显示：(1)近20年有地表水的湿地与旱地的重心变化强烈，1996～2001年有地表水的湿地重心变化达到最大值，向西南迁移10.57 km，旱地重心变化也达到最大值，向东南迁移8.78 km。(2)近20年明水与旱地的重心迁移呈顺时针向心偏移。(3)稳定型景观是研究区的主要构成类型，占总类型的89.72%，非稳定型景观保持在总类型的11.28%，研究区湿地景观变化逐渐呈稳定趋势。研究表明，气候因素、湖泊水位和区域湿地保护措施是影响研究区湿地景观变化的主要驱动因素。

景观变化；景观转换系数；重心迁移模型；Landsat影像；博斯腾湖小湖区

景观变化是景观内部各种矛盾与外部作用力相互作用的结果与表现，是景观从一种状态到另一种状态的转变过程[1]。景观变化是湿地研究的一项重要内容，也是生态学研究的热点领域。目前研究湿地景观变化主要集中在两方面：一是对景观变化的研究，如利用转移矩阵分析景观面积的变化、类型的转移、景观指数的分析等[2-8]；二是对景观变化过程的模拟研究，大多数利用空间模型如马尔科夫模型、CA模型等模拟景观的变化[9-11]。重心迁移模型可以从空间上描述土地利用类型的时空演变过程[12]，通过研究各时段内的各种景观类型的分布重心，能够更好地发现湿地景观的总体变化趋势和空间变化特征，前人利用重心迁移模型分析巴音布鲁克自然遗产地各生态风险区的重心变化[13]。张玉红等对扎龙湿地采用景观转换系数，分析扎龙湿地近35a的景观动态变化特征[14]。

博斯腾湖湿地生态研究主要集中在湿地评价、景观格局变化与驱动分析、土壤分析等方面[15-20]。结合1996～2015年5个不同时期的Landsat影像，利用景观转换系数与景观重心迁移模型，分析近20年博斯腾湖小湖区湿地景观变化特征，探讨其景观变化类型与景观的重心变化，对研究区的可持续发展以及生态环境保护具有重要意义。

1 研究区概况

博斯腾湖小湖区位于博斯腾湖大湖区西南(图1)，地理坐标41°45′～41°55′N，86°20′～86°41′E，由达吾松等16个小湖和芦苇沼泽湿地组成[21]，处于开都河三角洲、孔雀河河漫滩和博斯腾湖湖滨交汇带；开都河在下游宝浪苏木分水枢纽处分为东支和西支，东支入大湖，西支入小湖[22]，进入小湖区的水量受宝浪苏木分水枢纽站控制；研究区内部镶嵌小湖

群并有河叉相连，洪水期大水漫溢、旱期地面干涸，地下水位埋深浅，小湖区平均积水深0.2～0.3 m[23]。研究区景观类型以湿地景观为主，湿地植被以芦苇为主。

2 数据来源与研究方法

2.1 基本数据的获取与处理

1996～2015年5个不同时期的研究区遥感影像数据从美国地质勘探局(USGS)网站下载(http://glovis.usgs.gov), 选取质量良好的影像数据(云量≤5%、影像质量9等)，选取5个不同时期的影像参数如表1。为减少误差避免不同季相对景观分类产生不利影响，选取研究区夏季6～8月份的影像。

2.1.1 研究区景观分类的确定 在对研究区调研的基础上，参照前人描述湿地景观变化的湿地分类系统[14]，结合研究区的湿地植被特征，采取简化湿地内覆盖物的类别的方式，突出主要景观类型，将湿地分为有地表水的湿地、无地表水湿地，以侧重区分湿地内水分的变化；将所用陆生类型合并为旱地，湖沼坑塘划分为明水；将研究区的景观类型划分为明水、有地表水的湿地、无地表水湿地和旱地4种。

图1 博斯腾湖小湖区位置示意图Fig.1 Location of the study area

序号Number时间(年⁃月⁃日)Date(Year⁃Moth⁃Day)传感器类型Sensortype轨道号Path/Row影像质量Imagequality空间分辨率Spatialresolution/m11996⁃07⁃12TM143/3193022001⁃06⁃16ETM+143/3193032006⁃06⁃22TM143/3193042011⁃08⁃23TM143/3193052015⁃07⁃17OLI143/31930

表2 博斯腾湖小湖区景观转换系数

2.1.2 研究区景观分类提取 在ENVI 5.1支持，对研究区遥感影像进行分类。先利用非监督分类进行初分类，得到初步的地物分类，并结合现地考察的情况将非监督分类得到的类别进行人工判别、类别合并等处理，将得到的新分类作为监督分类的训练区模板进行精分类，再进行斑块去除、分类统计、分类叠加等后处理，分类影像的Kappa系数在0.90以上。

2.2 研究方法

2.2.1 景观转换系数的确定 根据前人研究结果[14]，结合研究区现状，确定适用于研究区的景观转换系数，利用ENVI 5.1对分类影像进行转移矩阵计算，并利用表2确定每一类的景观转换系数值，计算研究区不同类别的景观转换系数在时间序列上的变化情况，以此为基础得出研究区不同区域所对应的不同景观变化类型。

2.2.2 研究区景观重心迁移模型 根据段翰晨等对重心迁移模型的研究[24]，利用重心迁移模型来计算研究区景观的重心、重心迁移的方向和距离，量化分析不同景观的变化趋势和空间变化范围, 研究区景观重心坐标计算公式如下，

(1)

(2)

式中：Xi、Yi为第i年某种景观类型重心的经纬度坐标；n为第i年该景观类型的斑块数，Cti为第t年该景观类型第i个斑块的面积；Xti、Yti为第t年该植被覆盖类型土地第i个景观类型的重心坐标。

3 结果与分析

3.1 景观类型的重心转移特点

利用重心转移模型计算出不同景观的重心坐标，采用重心坐标绘制出各景观重心点的空间迁移图，揭示4种不同景观类型的重心在空间上的转移过程。从图2可知，1996～2001年有地表水的湿地重心移动幅度最大，从空间角度上看，经度方向上向西迁移7.53′，纬度上向南迁移了1.06′，重心累计迁移距离为10.57 km；2001～2006年，旱地重心移动幅度最大，经度方向上向东迁移了6.33′，纬度上向南迁移了0.49′，重心累计迁移距离为8.78 km；2006～2011年，旱地重心移动幅度最大，经度方向上向西迁移了5.21′，纬度上向南迁移了0.52′，重心累计迁移距离为7.25 km；2011～2015年，有地表水的湿地重心移动幅度最大，经度方向上向东迁移了4.70′，纬度上向北迁移了0.24′，重心累计迁移距离为6.50 km，有地表水的湿地和旱地呈现这种交替大幅度的重心变化首先是由于两者是研究区的主要景观组成，重心的大幅度变化对应该景观的大幅度转入或转出。

1996～2015年5个时期，研究区明水重心迁移2.15 km(1996～2001年)、2.31 km(2001～2006年)、2.53 km(2006～2011年)与1.64 km(2011～2015年)，由于受大湖区的影响，明水相对于其他3种景观明水重心移动较为稳定，经度上移动呈现东、西、西、东的现象，纬度上呈现北、南、北、南的规律，结合图2,D与图3可知明水的重心偏移呈顺时针向心偏移，是由于小湖区周围水体减少(尤其是小湖区西北部)、内嵌坑塘变化较小引起的；无地表水的湿地于近20年期间呈现波动趋势，重心迁移幅度变化不大，结合图4可知，其重心移动幅度变大时面积呈下降趋势反之亦然。

从图2可知，明水和旱地的重心偏移呈顺时针向心偏移，有、无地表水的湿地重心偏移呈现折线型。结合图3，可知明水的重心迁移呈向心型是由于研究区周围水体减少(尤其是研究区西北部)；旱地呈向内部增加的趋势，旱地的重心迁移呈向心型。无地表水的湿地重心迁移幅度变大时面积呈下降趋势反之亦然，有地表水的湿地重心迁移与其景观在空间上的变化尚无明显特征。

A. 有地表水的湿地；B. 无地表水的湿地；C.旱地；D.明水图2 博斯腾湖小湖区各景观类型的重心变化A.Wet land with surface water；B. Wet land without surface water；C.Dry land；D. waterFig.2 Change of landscape gravity types in small lakes of Bosten Lake

图3 博斯腾湖小湖区景观的空间分布Fig.3 Map of landscape types in study area

3.2 景观变化类型分析

通过对研究区野外实地考察，根据湿地景观变化表现的类型特征，结合其转移矩阵与景观转换系数，将研究区的景观变化类型分为稳定型景观、小幅度变化型景观、中幅度变化型景观和大幅度变化型景观等4种。

(1)稳定型景观。该区域景观中的斑块在近20年几乎没有发生类型间的转换，转换系数为零。从表3与图5可知，近20年处于这种景观变化类型的景观是研究区的主要景观变化类型平均占总比例的89.72%；1996～2015年稳定型景观呈增长趋势从1996年的691.48 km2(85.13%)增长至2015年的768.85 km2(94.66%)，平均值为730.17 km2，研究区的景观变化趋于稳定。

图4 博斯腾湖小湖区各景观类型面积随时间进程的动态变化Fig.4 The areas of various landscape types in small lakes of Bosten Lake for 5 periods

(2)小幅度变化型景观。该区域的景观中的斑块随着不同年份水分波动小幅度地在自然属性相似的景观类型间转换，转换系数为±1，从图3与图5可知，小幅度变化型景观主要为小湖区内部明水与有地表水的湿地的相互转换，无地表水的湿地与有地表水的湿地、无地表水的湿地与旱地之间的相互转换。从表3可知，小幅度变化型景观是第二种主要的景观变化类型平均占总比例的6.23%，呈下降趋势，由1996年的60.95 km2(7.50%)下降至2015年的31.78 km2(3.91%)。

(3)中幅度变化型景观。该区域的景观中的斑块随着不同年份水分波动呈中幅度地在自然属性有差异的类型间转换，转换系数为±2，如有地表水的湿地转换为旱地、无地表水的湿地与明水之间的相互转换。中幅度变化型景观所占比例小仅占总比例的1.90%，1996～2015年呈现下降趋势，从1996年的26.82 km2(3.30%)下降至2015年的7.44 km2(0.92%)，研究区的景观变化强度明显下降，与总体趋势相同。

图5 博斯腾湖小湖区景观变化类型的空间分布Fig.5 The maps of landscape dynamic types in Small Lakes of Bosten Lake

项目Project1996～20012001～20062006～20112011～2015所占比例Percentage/%面积Area/km2所占比例Percentage/%面积Area/km2所占比例Percentage/%面积Area/km2所占比例Percentage/%面积Area/km2稳定型景观Stablelandscape85．13691．4887．89713．8891．19740．6994．66768．85小幅度变化型景观Landscapewithsmallvariation7．5060．956．7955．176．7254．583．9131．78中幅度变化型景观Landscapewithmoderatevariation3．3026．822．4519．910．947．630．927．44大幅度变化型景观Landscapewithlargevariation4．0632．992．8723．291．159．340．524．18

(4)大幅度变化型景观。该区域的景观转换系数常常在短时间内频繁的在-3与3之间交替。这种景观变化类型主要受开都河径流量的影响，在洪水期研究区大水漫溢，研究区西北部及研究区外缘的旱地就会充满积水；而旱期这些由旱地转换而来的明水在缺少水源补给的情况下又会很快干涸，这种类型主要受到开都河径流量和气候的影响。从表3、图5(A)与图5(B)可知大幅度变化型景观在1996～2001期间面积为32.99 km2、2006年面积为23.29 km2，主要受开都河水量和降水的影响，2001年的明水面积激增，小湖区北部、西北部大量旱地转换为明水，而2001年以后降水量减少，转换而来明水由于缺少补给逐渐干涸，最终又转换为旱地；从表3、图5(C)与图5(D)可知，2006～2011年面积为9.34 km2、2011～2015年面积为4.18 km2，大幅度变化型景观面积减小，且其主要发生区域集中在研究区西北部。

3.3 景观类型变化的驱动因素分析

湿地景观的变化是对一定时期外界干扰因素的反映，通过归纳和总结众多关于研究区的研究与实践的结果表明[17-18,21,25-27]，自然因素和人文因素是驱动博斯腾湖小湖区湿地变化的动因，其中气候因素、湖区水位和人文因素对研究区湿地景观变化产生重要影响。

图6 1960～2013年研究区年平均降水量和气温Fig.6 Average annual precipitation and air temperature in study area during the period of 1960～2013

3.3.1 自然因素 (1)气候因素。从图6可知，1960～2013年研究区的气温、降水量呈现波动上升的趋势，近54年研究区年平均气温升高了0.63 ℃、年平均降水量增长了12.87 mm，增长的气温不但加快了明水的蒸发，还导致了农业灌溉需水量的增加[18]；由于受到人类活动的强烈干扰，即使在降水量和温度的增加使得汇入研究区的径流丰沛的情况下，人类活动能使研究区明水减少[25]。气候因素影响研究区水分分布的同时也影响湿地植被的生长，温湿的气候环境为植被生长提供了良好的条件，气候因素是影响研究区景观变化的重要因素之一。

(2)水位因素。由于芦苇是构成研究区湿地的主要植被类型，芦苇生活在浅水区，过低、过高的水位均不利于其生长，水位急剧升高的情况下会影响芦苇生长，造成芦苇涨势衰退、湿地面积减小，在芦苇被淹没的区域严重时会导致芦苇死亡，湿地面积出现最小值[26]，如2001年研究区高水位湿地面积出现最小值为288.63 km2。根据图7可知，1996～2001年期间在湖水水位上涨呈上涨趋势时，湿地的面积呈现下降趋势，在这一期间研究区湿地面积急剧减少；2001～2015年期间，湖水水位呈下降趋势，而湿地面积呈增长趋势，该阶段内研究区明水从450.94 km2减至63.35 km2、湿地面积从288.63 km2增至341.83 km2，研究区西北部变化尤为明显。

图7 博斯腾湖大湖水位与湿地面积的动态变化Fig.7 Variation trends of water level in main area of Bosten Lake and area of wetland

3.3.2 人文因素 在影响研究区湿地景观变化的众多人文因素中，政策调控是影响研究区景观变化的重要因素。1988年竣工的宝浪苏木分水枢纽，开始人工调控进入小湖区的开都河西支水量；2000～2004年塔里木河管理局向塔里木河下游应急生态输水6次，博斯腾湖大湖和小湖是此项工程的引用水源之一，区域性的政策措施快速有效的影响研究区的明水面积[27]。近10年来黄水沟流域的人工育苇，直接导致黄水沟原入湖水量无法进入博斯腾湖小湖，加快了研究区的干涸。小湖区西南部的人工育苇、博斯腾湖湿地恢复及生物多样性保护工程等为小湖区的湿地增加创造了良好基础。人文因素在研究区湿地景观变化方面起着强大的推动作用，是影响景观变化的主要因素，随着博湖县经济发展方

式的转变、人工育苇工程、博斯腾湖湿地恢复及生物多样性保护工程的实施，为研究区的湿地景观稳定性提供了有效的保护。

4 结 论

(1)近20年有地表水的湿地、旱地的重心变化强烈，1996～2001年有地表水的湿地重心变化达到最大值，向西南迁移10.57 km；旱地重心变化最大值出现在2001～2006年，向东南迁移了8.78 km。近20年研究区湿地周围的明水逐年减少，内嵌坑塘数量下降小于周围明水的减小量，导致明水的重心迁移呈顺时针向心偏移；旱地逐年向内扩展，旱地的重心迁移呈顺时针向心偏移。

(2)稳定型景观是研究区的主要构成类型占总类型的89.72%，从1996～2001年的691.48 km2增长至2011～2015年的768.85 km2；小幅度变化型景观、大幅度变化型景观、中幅度变化型景观呈逐年下降趋势，大幅度变化型景观、中幅度变化型景观从1996～2001年的32.99 km2、26.82 km2减少至2011～2015年的4.18 km2、7.44 km2，二者面积只占总类型的1.44%，综上说明研究区湿地景观变化逐渐稳定。

(3)气候因素、湖泊水位与区域湿地保护措施是研究区湿地景观变化的主要驱动因素。博斯腾湖湿地恢复及生物多样性保护工程、人工育苇工程为研究区湿地景观稳定性与可持续利用、区域生态安全都具有重要的实践价值。

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(编辑:潘新社)

Wetland Landscape Change in Small Lakes of Bosten Lake

ZHANG Hao1,2,LI Xinguo1,2*,YAN Kai3,LIU Bin4

(1 College of Geographic Sciences and Tourism,Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China; 2 Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone,Urumqi 830054,China;3 General Grassland Station of Xinjiang,Urumqi 830001,China; 4 College of Life Sciences, Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China)

The wetland landscape changes of small lakes of Bosten Lake were analyzed from 1996 to 2015 with adoption of landscape conversion coefficient and the model of center of gravity migration, with small lakes of Bosten Lake as research area and adopting the Landsat images in five different periods as main data source. Research results show that: (1) the center of gravity of wetland with surface water and dry land changes dramatically in nearly 20 years, and between 1996 and 2001. The change of center of gravity of wetland with surface water reached the highest value and moved by 10.57 km to the southwest. The maximum change value of center of gravity for dry land appeared between 2001 and 2006 and moved by 8.78 km to the southwest. (2) In nearly 20 years, the water around wetland of small lake area was decreasing gradually, dry land expanded to inside annually and the center of gravity migration of water and dry land moved in a clockwise direction. (3) Stable landscape was the main composition type of study area. In nearly 20 years, accounting for 89.72% of the total types and nonstable landscape in 11.28% of the total type. The wetland landscape change of small lakes of Bosten Lake presented a stable trend gradually. Climatic factors, lake level and human factors were main factors that influence of wetland landscape change in the study area.

landscape change;landscape conversion coefficient;the model of center of gravity migration; Landsat images;Small lakes of Bosten Lake

1000-4025(2016)12-2533-08

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.12.2533

2016-08-07;修改稿收到日期:2016-11-01

国家自然科学基金(31360039，41661047)；新疆师范大学地理学博士点支撑学科开放课题(XJNU-DL-201514)；新疆维吾尔自治区草原总站专项资金

张 皓(1991-)，男，在读硕士研究生，主要从事干旱区资源变化及其遥感应用研究。E-mail:zhgeos@sina.com

*通信作者:李新国，教授，主要从事干旱区资源变化及其遥感应用研究。E-mail: onlinelxg@sina.com

Q151;P901;P941.78

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