基于最小累计阻力面模型的博斯腾湖流域景观格局的分析与优化

位宏，徐丽萍*，李晓蕾

（石河子大学理学院，石河子 832003）

景观格局(Landscape pattern)是描述景观空间结构特征以及景观组成单元的类型、数目和空间分布特征，是景观异质性在空间上的综合表现[1]。景观格局通过协调景观中各组分、斑块的数量及其空间分布格局达到改善受威胁或受损的生态功能，提高景观总体生产力和稳定性，实现区域可持续发展的目的[2]。

在景观格局优化研究中，国内外学者提出诸多方法与模型[3]。郑新奇提出适宜性等级配置集约综合目标模式、格局分析等级配置集约综合目标模式和仿真模拟等级配置集约综合目标模式三种城市土地集约优化配置的综合模式[4]；龚健和刘耀林针对土地利用总体规划提出了基于系统动力学和多目标规划整合模型(SD-MOP)[5]；岳德鹏等以累积耗费距离模型为基础，通过构建源地、生态廊道和生态节点等景观组分来加强生态网络的空间联系，并以此提出了景观格局的优化方案[6]。这些模型就其构建方法而言可分为三类[7]，即数量优化方法（最优化技术法、系统动力模型）、空间优化方法（基于生态学理论的景观格局优化模型、元胞自动机）、综合优化法（CLUE-S模型、遗传算法）。作为空间优化方法的代表之一，最小累积阻力 (Minimum Cumulative Resistance，MCR)模型综合考虑了景观单元间的水平联系，较好地反映了生态安全格局之间的内在有机联系，在景观格局优化方面得到了广泛的应用[8]。

随着新疆新型工业化、农牧业现代化以及城镇化进程的不断加快，日益增长的土地需求与现有的土地资源配置之间的矛盾愈发激烈[9]。本文通过不同粒度下景观指数的计算对比分析了博斯腾湖流域景观格局的演变机制和土地利用的时空变化规律，以及各地类的变化情况及转化方向，并根据土地利用/覆被变化及土地利用的现存问题，提出博斯腾湖流域土地资源的优化配置方案，为实现该地区土地资源的优化配置及可持续发展提供决策依据。

1 研究区概况

博斯腾湖位于新疆巴音郭楞蒙古自治州北部，塔里木盆地东北部、塔克拉玛干沙漠东北缘；范围界于82°54.3′-90°47.5′E，40°18.6′-43°17.8′N，主要包括博湖、和硕、和静、焉耆县和库尔勒市共四县一市，流域面积为4.4×106hm2（图1），是中国最大的内陆淡水湖泊；该地区地势西北高、东南低，由上而下分布着冰雪、高山草甸、草原、荒漠等地物。

图1 研究区示意图Fig.1 Sketch map of the Boston Lake basin

博斯腾湖流域远离海洋，蒸发量大，降水量少，日照时数高，湖区多年平均降水量为 68.2 mm，降水季主要集中在5-9月，年平均蒸发量 1800-2000 mm，是典型的大陆干旱荒漠气候，春季气候多变，干旱少雨，夏季干燥炎热，秋季降温迅速，冬季寒冷[10]；博斯腾湖的入湖河流有十几条，开都河、黄水沟、清水河等为主要入湖河流；入湖河流的水源补给主要来自于焉耆盆地西北部及北部的中高山地带的冰雪融水[11]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

博斯腾湖流域在5-9月植被生长最为茂盛[12]，选取 1990、2000、2010、2015 年同时期 8-9 月，云量小于10%的Landsat影像为主数据源（分辨率30 m×30 m， 行 列 号 ：142/31、143/30、143/31、144/30、144/31、145/30），辅以DEM、坡度、坡向等其他数据。影像数据来源于美国地质勘察局（USGS）官方网站（http://www.usgs.gov），社会经济类数据来自同时期的《新疆统计年鉴》，DEM数据来源于地理空间数据云下载（http://www.gscloud.cn/），土壤、水文、气象等资料来自于中科院资源环境科学数据中心。

2.2 影像处理

利用ENVI5.3软件对影像进行辐射定标、大气校正、拼接、裁剪等预处理。

基于实地调查获取的先验知识，选用监督分类中的支持向量机法进行分类，为了保证数据质量，最后结合谷歌地球等工具对分类结果进行目视解译修正，提高其精度。

对分类后结果建立混淆矩阵验证分类精度，最终四期遥感影像分类综合精度分别为84.63%、85.74%、83.68%、83.65%，Kappa系数分别为 0.832、0.849、0.823、0.867，符合分类精度要求。

在此基础上运用ArcGIS10.3及Fragstats4.2软件对不同类型景观面积及其转移情况进行统计，利用空间分析模块计算出不同年份景观类型转移矩阵，并由此计算景观类型转移变化率。

2.3 景观指数的选取

景观格局指数是反映景观结构组成、空间配置特征的量化指标，在选择景观指数描述景观格局时，必须充分考虑其不确定性和置信度。基于此，本研究选取了斑块数(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)和斑块形状指数(LSI)去表征博斯腾湖流域景观格局整体的演变特点[13]。

2.4 景观格局优化分析

2.4.1 源地的确定

“源”是指景观中具有比较高生态服务价值功能的斑块，是促进生态过程发展的景观类型，具有一定的空间拓展性和连续性[14]。在博斯腾湖地区，水资源作为一个重要的约束因子，在很大程度上决定了土地资源优化配置的方案。因此，本研究以该地区的水域作为源地，利用最小累计阻力面模型[13，15]进行研究。

2.4.2 阻力因子建立

从保护水源的角度来讲，阻力值是反映不同景观类型对保护水源的阻力程度。为确保该模型的精度，需要依据景观单元对景观迁移的影响，将景观单元按阻力进行分级，并为各景观单元分配相应的阻力系数，形成景观阻力表面。

阻力因子的选择对于最小阻力模型的建立至关重要，土地利用类型与地形是保护源地向外扩散的主要阻力，因此本文选取土地利用类型与海拔高度2个因子来进行研究。

（1）土地利用类型。

阻力值是根据源地中的景观组分来决定的，地表覆被类型与源地的类型越相似，其阻力值就越小；土地利用类型因子是各因子中最重要的，基于此，并结合专家打分法和相关研究成果的基础上[16-17]确定其权重为0.7，源地的主要组分为水，因此，水域对其阻力系数最小；源地的主要景观组分是林地和草地，并且二者与水的关系密切，因此其阻力适中，考虑到林地在保护水源的过程中起的作用比草地大[18]，故阻力系数林地小于草地；耕地及城建用地受人类活动的影响较大，故其阻力系数最大

景观类型阻力因子及阻力系数见表1。

表1 景观类型阻力因子及阻力系数Tab.1 Landscape type resistance factor and resistance coefficient

确定各个阻力因子的阻力系数后，通过对景观类型栅格数据重新赋值，得出景观类型单因子阻力面，根据源和阻力面，运用ArcGIS中的距离费用模型构建出基于土地利用景观覆盖类型的单因子最小阻力表面（图2）。

图2 景观类型最小累积阻力表面Fig.2 Landscape type Minimum cumulative resistance surface

（2）地形。

根据研究区实际情况，并参照他人的景观适宜性因素分级指标选取经验[19]，将地形因子的权重定为0.3。在保护水域过程中，高海拔不易受到污染，因此阻力等级为低海拔大于高海拔，据此将研究区高程阻力因子分为5个等级(表2)，确定阻力系数后得出地形因子的阻力面（图3）。

表2 高程因子阻力等级划分Tab.2 Grade classification of elevation resistance factor

图3 高程最小累积阻力表面Fig.3 Elevation Minimum cumulative resistance surface

2.4.3 阻力面的建立

确定生态用地的连通性需要对其阻力面进行分析，而最小累计阻力是对物种从源地到目的地运动过程中所需要耗费的最小代价的反映，计算公式为：

式（1）中，为第i个像元到源地的最小累积阻力；n为景观基本像元的总个数；m为源地到第i个像元所经过单元的个数；Dij袁示物种从源j到景观单元i的空间距离；Ri表示景观单元i对某物种运动的阻力系数；f表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系。

3 结果与分析

3.1 博斯腾湖地区景观类型分布及变化特征

景观格局的变化主要表现在景观结构的差异上，不同的景观结构特征决定了景观功能的差异性。

在景观类型水平上，博斯腾湖地区景观格局演变剧烈（图 4）。1990-2015年，草地面积减少2334.88 km2，占草地总面积的 8.4%（表3），但草地仍是博斯腾湖流域的优势景观成分，草地占整个流域总面积的55%以上；在人类活动和自然环境的影响下，水域面积逐年减少，25年间，水域面积减少量为3525.62 km2，占总面积的67.85%；城建用地和耕地面积持续增加，城建用地面积增加了209.38 km2，面积增加率为104.90%，耕地面积增加了1148.13 km2，面积率为70.5%，城建用地和耕地的大幅度增加反映了城镇化过程中人为干扰对景观格局演变的影响很大；未利用地面积总体是增大趋势，但在2000-2010年间有所减少；林地面积变化幅度最小，受“退耕还林”政策及生态保护理念的影响，林地总面积增加791.12 km2，增加率为25.3%。

留学生在学习汉语时，除了已习得母语外，大多还同时学习第三种语言，如英语。在访谈时我们发现，第三语言及其文化也会对留学生的汉语语用习得产生负迁移。比如第25题“你第一次去中国同学王小明家做客，见到了他的父母。你向他父母问好，你应该怎么说”，不少非欧美国家的学生选择了A“王先生、王太太，很高兴见到你们”。这一表达方式受英语“Nice to meet you,Mr.and Mrs.Wang”的影响，不符合汉语表达习惯。中国人对同学的父母一般不会称呼为“先生、太太”，这样显得太生疏，好像不是在家里而是在一个公共的交际场所。这就英语文化对非英语国家留学生汉语语用习得的负迁移。

图4 博斯腾湖地区土地利用图Fig.4 Land use map of Boston Lake basin

表3 1990-2015年博斯腾湖流域各土地利用面积及所占比例Tab.3 The area and proportion of different types of land use in Boston Lake basin during 1990-2015

土地利用动态度度量的是土地利用的净变化速度，而实际的土地利用变化既有增加量，又有减少量，增减变化的抵消使得净变化速度在一定程度上掩盖了土地利用变化的实际情况。因此，需要借助转移矩阵对其实际的转移情况进行直观的分析，结果见表4。

表4 1990－2015年博斯腾湖地区土地利用类型转移矩阵Tab.4 Land Use Type Transfer Matrix in Boston Lake basin from 1990 to 2015

由表4可知：

（1）25年间，各景观类型间相互转化各有差异。1990-2000年，城镇用地增幅最大，主要由草地和耕地转入。2000-2010年，城镇用地继续保持增幅最大，主要由未利用地及草地转入；耕地面积依然处于增长趋势，其中林地转入量最多，为1.4×102km2；水域面积减少，主要流向草地。2010-2015年，城镇用地、耕地、未利用地等面积继续增加，未利用地是城乡建设的主要来源，而林地是耕地和未利用地面积增加的主要来源，水域面积继续减少。

（2）伴随着城镇化的加快，经济社会发展对土地的需求增加，致使城镇及居民用地迅速增加，耕地的面积也不断增加，而农业、工业及居民用水的大量供应，致使水域面积不断萎缩。

3.2 博斯腾湖地区景观格局分析

图5显示：

（1）在景观斑块水平上，25年间博斯腾湖流域景观格局演变剧烈，总体表现为景观破碎化程度减小，斑块密度减小，景观形状趋于规则化。

1990-2015 年间博斯腾湖流域斑块数量（NP）减少了6272个，减少率为50.08%，除城镇用地斑块外，其余土地利用类型斑块数量均大幅减少，流域景观破碎化程度降低，斑块趋向于整体化。城镇用地斑块数量的增加反映了城镇化进程对当地景观格局演变具有一定程度的影响，流域内各地类斑块密度（PD）均呈减小趋势，主要是因为小斑块合并成大斑块，斑块数量减少，所以斑块密度降低。

（2）从景观的结构复杂性来看，耕地和城镇用地的最大斑块指数（LPI）和斑块形状指数（LSI）都呈增加趋势。这是由于近些年城镇人口不断增加，建设用地不断扩大以满足人类的生产生活要求，耕地面积也不断扩大。

水域的最大斑块指数和形状指数逐年减小，说明水域面积缩减严重，水域斑块有减无增，人口增长、经济发展，城市扩张等造成的生产、生活用水量大幅增加，导致水消耗加剧，流域水资源骤减。

图5 博斯腾湖地区景观格局指数变化Fig.5 Change of landscape pattern index in Boston Lake basin

3.3 博斯腾湖地区景观安全水平分布分析

对景观生态阻力面分析图进行等级划分时，参考有关文献[20]的统计和经验标准，并结合研究区实际情况确定各生态安全等级划分标准，并将结果在ArcGIS中可视化表达，确定不同安全水平等级景观生态区的空间分布图。

图6 景观安全水平等级空间分布图Fig.6 Spatial distribution map of landscape safety level

景观安全水平划分结果（图6）显示：

（1）围绕博斯腾湖源地，阻力逐渐增大，并形成一定的缓冲区。低安全水平区主要分布在博斯腾湖的几条入湖河流周围，如开都河、木呼尔查干河等，该区域是博斯腾湖的上游来水区，对流域内水域保护、水源涵养、生物多样性等方面起至关重要的作用。

（2）较低安全水平区域主要分布在流域的西北部，面积所占比重最大，土地利用类型以草地和林地为主，该区是对源地进行保护的缓冲区域，是保护源地免受侵害的最后一道屏障，地位举足轻重。

（3）中等安全水平区处于缓冲带与人类活动之间，空间分布比较零散，土地利用类型以草地为主。该区对人类开发建设和干扰敏感度相对较低，对源地水域的影响也较小。

（4）较高安全水平区位于山前低缓平原地带，城镇边缘地带，环博斯腾湖区分布，土地利用以耕地和未利用地为主，受人类活动影响但强度适中。

（5）高安全水平区面积比重较小，主要分布在人类活动比较频繁的区域，如城镇用地和耕地周围，该区域对保护源地的阻力较高，抗干扰能力强。

4 结论

（1）博斯腾湖流域25年间景观格局演变剧烈，草地和未利用地始终是流域内主要景观类型，总面积占研究区的75%以上；耕地和城镇用地变化幅度最大，城镇用地面积增加了一倍，耕地面积增加了70%；水域面积大幅减少。

（2）博斯腾湖流域景观研究区内小斑块合并为大斑块，斑块形状整体趋于简单化。

（3）流域整体景观安全水平以较低安全等级为主。低安全等级和较低安全等级占据流域面积的50%以上，土地利用类型以草地和林地为主；中等安全等级零散分布在研究区内；较高安全等级主要分布在环博斯腾湖附近，土地利用以未利用地和耕地为主；高安全等级主要分布在流域西南部和博斯腾湖附近，面积较少，主要以城镇用地为主。

5 讨论

（1）景观优化是一个非常复杂的问题，与景观风险评价不同，景观优化不仅要考虑不同景观类型的空间分布，还要考虑不同景观类型的空间分布和数量配置对整个区域的生态、经济和社会价值的影响。

在对博斯腾湖流域进行景观格局优化时，首先应保护流域内现存的核心生态源地—水域，构建适当距离的水源地缓冲区，保护源地扩张和自然演替生态过程的发生，维护源地景观连接性，并控制人类活动的干扰。在此基础上，建立斑块之间的生态廊道，促进生态流有序流通；构建适当距离的生态节点，促进更多生态廊道的形成。在政策措施上，应合理布局土地利用方式，有效调控人类生产活动，大力发展节水的滴灌技术，同时加大对当地污染型企业的监管整改力度，鼓励产业转型，实现生态优化和经济发展的均衡发展。

（2）今后可以进一步通过对景观格局变化驱动力的定量化分析，更准确全面地确定阻力面。此外，文中的指标权重的划分引自他人的研究结论，容易受主观因素的影响，在以后的研究中仍需要进一步完善。