塔里木河中游耕地扩张及景观破碎化研究

张志军，伍维模，张 宏

（1.阿克苏地区中心林管站，新疆 阿克苏843000；2.塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300；3.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；4.新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔843300）

在全国耕地面积持续减少的大背景下，西北干旱地区的耕地却呈现出扩张的趋势[1,2]，尤其是塔里木河上、中游地区[3,4-7]。塔里木河是我国最大的内陆河，河流沿岸分布着南疆的主要灌溉绿洲。由于耕地扩张，农田、道路、人工渠等人为景观的出现及增多，已经对塔里木河流域原始的荒漠河岸林景观产生了重大影响[8]，突出表现为下游自然植被显著减少、大面积胡杨林衰败干死[9]及景观的破碎化[4,10-13]。

景观破碎化是指景观类型破碎成更小的斑块的过程[14,15]。景观破碎化是导致生境丧失、斑块隔离、边缘效应发生，从而引起全球范围内物种多样性下降与损失的重要原因[14]。耕地扩张是人类活动造成生态系统或景观破碎化的一个重要因子[14,16]。已有不少学者对塔里木河流域的景观破碎化进行了研究[4,10-13,17]，但这些研究主要基于2010年以前的中低分辨率的卫星遥感数据生成的土地利用/覆盖变化类型，较少有研究报道耕地扩张过程的变化轨迹[5,18]，以及耕地扩张对景观破碎化的影响。因此，本研究以2007、2009、2013年和2015年的中高分辨率遥感影像为数据源，研究塔里木河中游的耕地扩张动态、耕地变化轨迹及对景观破碎化的影响，旨在为该地区的林地、草地等自然资源、生态系统和生物多样性保护提供依据。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆维吾尔自治区塔里木河中游英巴扎与卡拉之间，长约190 km，宽约33 km，地理位置在 40°47′～41°13′N 和 81°51′～83°40′E 之间（图1）。属于塔里木盆地北缘冲积平原，北邻天山南麓洪积扇，南邻塔克拉玛干沙漠；海拔高度在928～1 005 m；年平均降水量30～50 mm；年蒸发量1 900～2 900 mm，属于极端干旱大陆性荒漠气候。研究区内包括库车县塔里木乡、沙雅县盖孜库木乡和塔里木乡，总面积4.3×105ha，总人口约2.9万。

图1 研究区地理位置示意图（图1的审图号是GS(2015)125号）

1.2 数据来源及处理

本研究采用了4个时相的中高分辨率遥感影像，分别是2007年9月美国Landsat卫星（多光谱影像，30 m）、2009年10月德国RapidEye卫星（多光谱正射影像，5 m）、2013年7～9月资源一号02C卫星和资源三号卫星（全色、多光谱影像，2.1～5.8 m）、2015年7～9月中国资源三号卫星和高分1号（全色、多光谱影像，2～5.8 m）。

表1 耕地变化轨迹类别

1.3 景观破碎化分析

遥感影像数据经过辐射校正、几何校正、假彩色合成后，将2007、2009、2013年的遥感图像与2015年的进行配准。参考以往的工作经验[19]，采用人机交互屏幕目视解译方法对4个时期的遥感图像分别进行解译分类。研究区的土地利用现状类型划分为耕地、公路用地、河流水面、村庄和其他地类5种类型。其他地类包括有林地、灌木林地、其他林地、天然牧草地、人工牧草地、其他草地、内陆滩涂、盐碱地、沼泽地、沙地和裸地等。2014-07-10，开展外业植被类型调查，采集160个点的植被类型数据，用来验证2013年遥感影像解译分类的结果，总体分类精度为96.2%，Kappa系数为0.944。参考Sun and Zhou（2016）的方法[18]，共定义了7个耕地变化轨迹类别（表 1）。

表2 景观格局指数及其计算公式[20]

采用景观格局分析软件FRAGSTATS 4.2[20]计算景观格局指数。在参考前人研究成果的基础上[21-23]，本研究选择了7个类别水平及8个景观水平的景观格局指数来分析景观破碎化程度（表2），即景观分裂指数（Landscape Division Index，DIVISION）、分离度指数(Splitting Index，SPLIT)、有效粒度尺寸（Effective Mesh Size，MESH）、散布与并列指数（Interspersion and Juxtaposition Index，IJI）、聚集度指数（Aggregation Index，AI）、景观形状指数（Landscape Shape Index，LSI）、连接度指数（Connectance Index， CONNECT）和蔓延度指数（Contagion Index，CONTAG）。景观格局指数的定义及景观生态学意义参见景观格局分析软件FRAGSTATS的帮助文档[20]。

2 结果与分析

2.1 耕地扩张的时空动态

图2 塔里木河中游2007～2015年耕地面积的数量变化

由图2可知，塔里木河中游研究区内耕地呈现出持续扩张的趋势，耕地面积不断增大。2007、2009、2013年和2015年的耕地面积分别是3.65×104hm2、4.34×104ha、5.08×104ha和5.62×104ha，分别占总面积的8.3%、10.0%、11.6%和12.9%。2007～2015年耕地面积平均年增长0.25×104ha。2007～2009年、2009～2013年、2013～2015年耕地面积年增长率分别为9.8%、4.2%和5.3%，表明从2009年之后，塔里木河中游耕地扩张的速度减弱了。

耕地空间分布在塔里木河南岸的耕地要比北岸的多（图3）。2007、2009、2013年和2015年，塔河南岸的耕地面积分别是1.83×104ha、2.21×104ha、2.71×104ha和3.06×104ha，而塔河北岸耕地面积分别是1.82×104ha、2.13×104ha、2.37×104ha和2.56×104ha。总体上，耕地面积的扩张速度表现出塔里木河南岸要快于北岸，且水土资源丰富及交通条件较好的区域，开垦耕地数量最多。

图3 塔里木河中 游2007～2015年耕地等地类分布图

2.2 耕地变化轨迹

图4 塔里木河中游2007～2015年耕地变化轨迹

表3 耕地变化轨迹类别的面积及景观格局指数

从图4及表3可以看出，塔里木河中游研究区内，2007～2015年耕地变化轨迹类别中，老耕地面积最大，为2.5×104ha，占总面积的5.8%。2009年和2013年扩张耕地面积分别是1.3×104ha和0.95×104ha；扩张的耕地在塔里木河两岸均有分布，但南岸较北岸扩张得更多。2009年扩张的耕地面积，南岸为0.68×104ha，北岸为0.62×104ha；2013年扩张的耕地面积，南岸为0.58×104ha，北岸为0.37×104ha；在耕地扩张的同时，也存在着弃耕现象，2009年和2013年弃耕地分别是0.69×104ha和0.27×104ha。弃耕地主要转换为其他用途，如城乡居民及建设用地、乡村道路等[11]，还有一部分是水毁后的撂荒。

2.3 景观破碎化分析

表4 塔里木河中游2007～2015年耕地、其他地类及整个研究区景观水平的景观格局指数

在类别水平上的指数对于描述和理解景观中不同类型斑块的格局特征具有重要的作用[20,24]。从表4可以看出，2007～2015年耕地、其他地类两个景观类型随着耕地面积扩张，景观形状指数（LSI）值持续增加，散布与并列指数（IJI）持续减少，表明景观类型斑块呈现出破碎化特征。2007～2015年在研究区总体上耕地景观类型有破碎化的趋势。但是，从2013～2015年之后，由于有效粒度尺寸（MESH）和连接度指数（CONNECT）略有增加，而景观分裂指数（DIVISION）始终不变，说明与2007～2013年相比，2013～2015年耕地景观的破碎化进程已经减缓。对于其他景观类型，2007～2015年景观分裂指数、分离度指数（SPLIT）和景观形状指数的值均持续增加，而有效粒度尺寸、散布与并列指数、聚集度指数（AI）和连接度指数（CONNECT）的值持续减少。表明随着耕地的扩张，塔里木河中游研究区内其他地类景观类型破碎化呈现出持续加剧的趋势。

在景观水平上的指数反映的是整个景观镶嵌体的破碎化特征[20,24]。从表4可知，2007、2009、2013年和2015年景观分裂指数（DIVISION）值分别为0.80、0.81、0.82和0.83，分离度指数（SPLIT）值分别为4.90、5.35、5.58和5.78。2007～2015年研究区的景观形状指数值也持续增加，而有效粒度尺寸、散布与并列指数、聚集度指数、连接度指数和蔓延度指数（CONTAG）的值持续减少，表明塔里木河中游研究区景观的破碎化呈现出加重的趋势。

老耕地的分离指数及景观形状指数值是所有变化轨迹类别中最小的，而有效粒度尺寸值，散布与并列指数，聚集度指数值是最大的（表3），表明耕地扩张过程中，耕地变化轨迹类别中除了一直不发生变化的老耕地之外，其他变化轨迹类别的破碎化程度要高于老耕地。

3 讨 论

塔里木河流域两岸天然植被是横亘在人工绿洲经济带和塔克拉玛干沙漠之间的唯一屏障，生态区位十分重要。从上世纪50年代以后，塔里木河源流及干流地区大规模发展灌溉农业、毁林开荒（主要是平原天然林），扩大棉花的种植面积，造成了严重的生态环境问题[9]。为了保护新疆的平原天然林，尤其是南疆塔里木盆地的胡杨林和荒漠灌生林，2009-02-01起施行《新疆维吾尔自治区平原天然林保护条例》，并以此为执法时间界线，对不在建成乡范围的新垦耕地全部退出，采取人工和自然相结合的技术措施，恢复新垦耕地森林资源。基于2007～2015年的中高分辨率的卫星遥感影像，本研究发现塔里木河中游研究区内耕地仍然呈扩张趋势。因此，应该加大法律法规宣传，使当地居民知法懂法，共同维护脆弱的生态系统。

景观格局指数可以用来定量描述和监测景观结构特征随时间的变化[24]。景观分裂指数、分离度指数和有效粒度尺寸能有效地度量人类活动引起的景观破碎化[23]。前人的研究结果表明，当景观分裂指数和分离度指数值增大，有效粒度尺寸减小，就表明景观破碎化程度加大[20,25]。本研究发现，2007～2015年，在类别水平上的景观类型（其他地类）与景观水平上的整个景观镶嵌体的景观分裂指数和分离度指数值均增大，而有效粒度尺寸均减小，表明塔里木河中游其他地类（如林地、草地等）及整个研究区景观因耕地扩张表现出明显的破碎化现象，斑块隔离程度增大。该结果与多数研究者对塔里木河流域2010年以前的景观格局分析的结果是一致的[10-12,26]。

尺度，如空间分辨率、范围对景观格局指数有重要影响[24,27-29]。在本研究中，2007年的土地利用类型来源于中等空间分辨率（30 m）Landsat陆地卫星的遥感数据，2009、2013和2015年的土地利用类型来源于高空间分辨率的卫星数据（2～5 m）。高空间分辨率的卫星数据用于塔里木河中游的耕地解译及景观格局特征的分析还不多见。由于数据源的空间分辨率不同，直接用不同空间分辨率的土地利用现状类型的栅格文件来进行景观格局指数的计算，会因为栅格像元大小不同，产生景观指数的粒度效应[27-31]。也就是说，同一研究区同一时期的景观格局指数会随着粒度大小变化而变化。为此，本研究在解译4个时期不同空间分辨率的遥感影像时，先生成矢量型数据文件，再重采样为相同像元大小的土地利用现状类型的栅格文件，据此来进行不同年份的景观格局指数的计算与比较，可以减少因不同年份的遥感数据空间分辨率不同带来的景观格局指数的粒度效应。

耕地扩张及景观破碎化的驱动力除了环境因素之外，人类活动，尤其是人口、社会经济活动的压力也是重要的因素[15]。本研究虽然揭示了自2009-02-01施行《新疆维吾尔自治区平原天然林保护条例》之后，塔里木河中游的耕地扩张及景观格局变化的特征，但对于耕地扩张的驱动力还需要进一步研究。

4 结 语

1）2007～2015年塔里木河中游研究区耕地面积呈持续扩张的态势；2007～2015年耕地面积平均年增长0.25×104ha；2009年之后，塔里木河中游耕地扩张的速度减弱。塔里木河南岸的耕地面积、2009年扩张耕地和2013年扩张耕地面积均大于北岸。

2）2007～2015年塔里木河中游耕地变化轨迹类别中，老耕地的景观破碎化程度低于2009、2013年扩张耕地，2009年弃耕地和2013年弃耕地等类别。

3）随着耕地扩张，塔里木河中游耕地以外的其他地类景观及整个研究区的景观破碎化程度加大，这对于保护生态系统和生物多样性带来了更大的压力。

致谢：作者感谢美国Landsat项目、德国RapidEye和中国资源卫星应用中心提供本研究所用的卫星遥感数据。