祁连山生物多样性保护优先区域生态景观格局动态变化分析

赵培强，陈明霞

(甘肃省环境科学设计研究院，甘肃 兰州 730030)

生态景观格局动态变化是景观生态学研究的核心问题[1]，探索景观格局动态变化及其驱动因子有助于发现景观格局变化规律，探究人类活动与生态环境演变间关系，进而对景观格局变化方向、过程和效应进行调控[2-7]。景观格局在生态系统中功能十分重要，良好的景观格局是物种生存和发展的基础，景观格局中斑块的类型、大小、形态、组合、动态变化等对生物多样性的发展影响较大[8-9]，因此研究生态景观格局对区域生物多样性的保护有重要的意义。

祁连山位于我国西北地区，区域物种资源丰富，珍稀和濒危野生动植物种类和数量繁多，是我国西北地区重要的生物资源基因库，该区域生物多样性的保护具有很高的价值。2015年原环境保护部在全国划定了35个生物多样性保护优先区域，其中包括祁连山地区。本研究选取祁连山生物多样性保护优先区域(以下简称“优先区”)甘肃区域为研究对象，采用生态遥感解译技术，分析研究优先区甘肃区域5年间生态景观格局动态变化，旨在为研究区域生物多样性保护规划和生态景观保护提供参考依据。

1 研究区域概况

祁连山生物多样性保护优先区域位于中国西北地区，甘肃省西部与青海省东北部交界处，总面积100 463 km2，涉及甘肃省和青海省的18个县(区、市)，包括5个国家级自然保护区。优先区甘肃境内总面积65 525.63 km2，涉及兰州、金昌、武威、张掖、酒泉5个市13个县(区、市)，包括了甘肃祁连山国家级自然保护区、甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区、甘肃连城国家级自然保护区和甘肃盐池湾国家级自然保护区共4个国家级自然保护区和甘肃昌马河省级自然保护区、甘肃瓜州县塘墩湖省级自然保护区2个省级自然保护区，有森林、草原、荒漠、湿地、河流、湖泊、耕地和城市等多种生态景观，构成了复杂的生态景观格局。祁连山生物多样性保护优先区域甘肃境内范围见表1。

表1 祁连山生物多样性保护优先区域甘肃境内范围

2 研究材料与方法

2.1 数据来源及处理

以2010和2015年两期Landsat TM遥感图像为主要信息源，结合研究区同期土地利用现状图、行政区划图和1∶5万地形图，在ArcGIS 10.2.1下对经校正的两期影像分别进行裁剪处理，建立遥感解译标志，进行人机交互式目视解译，生成研究区域景观类型图，并分析研究区域景观格局动态变化。参考研究区域土地利用和覆盖特点，根据研究区生态环境实际情况，结合野外调查，将研究区景观类型划分为6种Ⅰ级生态景观(森林-灌丛、草地、农田、湿地、城镇、荒漠-裸地)和19种Ⅱ级生态景观(阔叶林、针叶林、针阔混交林、阔叶灌丛、稀疏林、稀疏灌丛、草原、草甸、草地、园地、耕地、湿地、湖泊、河流、城市绿地、建设用地、裸地、荒漠、冰川)进行研究。

2.2 研究方法

2.2.1 生态景观格局变化分析方法

在GIS技术支持下，对研究区生态景观格局变化采用景观格局转移矩阵的方式进行分析研究[10-11]，分析景观格局变化形式及景观类型的转换信息。

2.2.2 景观特征分析方法

对研究区内生态系统景观格局的变化运用景观生态学中的景观指数法进行分析，选取斑块数(NP)、边界密度(ED)、平均斑块面积(MPS)、类斑块平均面积(MPST)、聚集度指数(CONT)5个景观指数，利用地理信息系统平台ArcGIS和景观结构分析软件FRAGSTAST进行分析[12-14]。

(1)斑块数(NP)。该指标用来衡量目标景观的复杂程度，斑块数量越多说明景观构成越复杂。

NP=N

(1)

式中：NP表示整个景观或单一景观类型的斑块数量；N为≥1的自然数，N=1时可认为整个景观只有一个斑块。

(2)边界密度(ED)。边界密度也称为边缘密度，包括景观总体边缘密度(或称景观边缘密度)和景观要素边缘密度(简称类斑边缘密度)，它是从边形特征描述景观破碎化程度，边界密度越高说明斑块破碎化程度越高。计算公式为

ED=E/A

(2)

式中：ED为边界密度；E为边界总长度；A为景观总面积。

(3)平均斑块面积(MPS)。该指标可以用于衡量景观总体完整性和破碎化程度，平均斑块面积大说明景观较完整，破碎化程度较低。计算公式为

MPS=A/N

(3)

式中：MPS为平均斑块面积；A为景观总面积；N为斑块数量。

(4)类斑块平均面积(MPST)。它是景观中第i类景观要素面积的算数平均值，反映该类景观要素斑块规模的平均水平，平均面积最大的类可以说明区域景观的主要特征，每一类的平均面积则说明该类在景观中的完整性。计算公式为

(4)

(5)聚集度指数(CONT)。反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度。聚集度指数越高说明景观完整性越好，相对的破碎化程度越低，计算公式为

(5)

式中：C为聚集度指数；Cmax为最大聚集度指数；n为景观中斑块类型总数；Pij为斑块类型i与j相邻的概率。

3 结果与分析

3.1 生态景观格局动态变化分析

3.1.1 生态景观格局转移矩阵分析

在GIS支持下，将获得的研究区两个时期的Ⅰ级、Ⅱ级生态景观格局动态变化数据通过转移矩阵的方式进行统计分析。Ⅰ级生态景观格局转移矩阵见表2。

由表2可知，研究区两个监测时期6种Ⅰ级生态景观类型没有发生变化，但景观格局发生变化：草地、农田、湿地、荒漠-裸地4种Ⅰ级生态景观发生了矩阵

表2 2010—2015年优先区Ⅰ级生态景观格局转移矩阵 km2

转出，局部面积转移为其他生态景观，也有其他生态景观的转入，其中草地生态景观局部转变为农田、湿地、城镇和荒漠-裸地生态景观，农田生态景观局部转变为森林-灌丛、草地和湿地生态景观，湿地生态景观局部转变为草地、农田和荒漠-裸地生态景观，荒漠-裸地生态景观局部转变为草地、农田、湿地和城镇生态景观；森林-灌丛、城镇2种Ⅰ级生态景观相对稳定，没有发生矩阵转出，但由于其他生态景观的转入，景观格局也发生了变化，面积有所增大。

由Ⅱ级生态景观格局转移矩阵(略)可知，研究区两个监测时期19种Ⅱ级生态景观类型没有发生变化，但景观格局发生了变化。Ⅱ级生态景观中，阔叶林、针阔混交林、阔叶灌丛、稀疏林、稀疏灌丛、园地、城市绿地7种生态景观格局表现稳定，没有发生矩阵转移；其余12种生态景观格局相对不稳定，发生了矩阵转移，其中针叶林、草甸、河流、建设用地4种生态景观没有发生矩阵转出，只有其他景观面积转入，而草原、草地、耕地、湿地、湖泊、裸地、荒漠、冰川8种生态景观既发生了矩阵转出，又有其他生态景观面积转入。发生矩阵转出的8种生态景观中，草原有0.48 km2转移为耕地，0.01 km2转移为湖泊，0.36 km2转移为建设用地，极少量转移为荒漠；草地有678.70 km2转移为草甸，12.42 km2转移为耕地，0.67 km2转移为湖泊，2.26 km2转移为建设用地，0.19 km2转移为荒漠，极少量转移为裸地；耕地有2.17 km2转移为针叶林，0.15 km2转移为草原，0.06 km2转移为湖泊，极少量转移为建设用地；湿地有0.05 km2转移为荒漠；湖泊有0.08 km2转移为草原，0.15 km2转移为草甸，0.64 km2转移为草地，0.49 km2转移为耕地，2.52 km2转移为湿地，1.91 km2转移为河流，11.59 km2转移为荒漠；裸地有13.66 km2转移为冰川；荒漠有0.62 km2转移为草地，2.44 km2转移为耕地，0.09 km2转移为湿地，0.88 km2转移为湖泊，2.25 km2转移为建设用地；冰川有7.92 km2转移为裸地。

3.1.2 生态景观格局转移强度分析

在GIS支持下，对研究区两个监测时期的Ⅰ、Ⅱ级生态景观面积进行统计，分析5年间Ⅰ级、Ⅱ级生态景观格局动态变化强度，具体结果见图1、2。

图1 Ⅰ级生态景观格局变化强度

图2 Ⅱ级生态景观格局变化强度

图1表明，2010—2015年，研究区Ⅰ级生态景观中，森林-灌丛、农田、城镇、荒漠-裸地生态景观格局面积增大，草地、湿地生态景观格局面积减少；从生态景观转移强度分析，湿地、城镇、荒漠-裸地生态景观格局转移强度相对较大，森林-灌丛、草地、农田生态景观格局转移强度相对较小；从生态景观转移面积占研究区总面积比例分析，6种生态景观格局转移面积在0.53～11.28 km2之间，仅占研究区总面积的0.000 8%～0.017 2%，占比很小，说明研究区Ⅰ级生态景观格局总体表现稳定。

图2表明：2010—2015年，研究区Ⅱ级生态景观中有12种生态景观格局发生变化，其中针叶林、草甸、耕地、湿地、河流、建设用地、荒漠、冰川8种生态景观格局面积增大，草原、草地、湖泊、裸地4种生态景观格局面积减少；从生态景观转移强度分析，草甸、草地生态景观格局转移强度相对较大，针叶林、草原、耕地、湿地、河流、建设用地、荒漠、冰川、湖泊、裸地10种生态景观格局转移强度相对较小；从生态景观转移面积占研究区总面积比例分析，12种生态景观格局转移面积在0.34～693.6 km2之间，占优先区总面积的0.000 5%～1.06%，占比相对较大，说明研究区Ⅱ级生态景观格局稳定性相对较差。

3.2 生态景观特征变化分析

本研究利用ArcGIS 10.2.1软件，选取研究区2010和2015年两个时期6种Ⅰ级生态景观和19种Ⅱ级生态景观进行遥感解译分析，利用景观生态学中的斑块数(NP)、边界密度(ED)、平均斑块面积(MPS)、类斑块平均面积(MPST)、聚集度指数(CONT)5个景观指数对研究区生态景观特征进行分析，结果见表3、4。

根据表3数据分析， 研究区5年内Ⅰ级生态景观

表3 2010—2015年研究区Ⅰ级生态景观指数

指数总体变化不明显，除斑块数(NP)、聚集度指数(CONT)略有变化外，边界密度(ED)、平均斑块面积(MPS)、类斑块平均面积(MPST)均没有发生变化，表明5年内研究区Ⅰ级生态景观格局比较稳定。根据景观指数特性分析，研究区内斑块数(NP)较大，边界密度(ED)、平均斑块面积(MPS)、类斑块平均面积(MPST)、聚集度指数(CONT)相对较小，表明研究区Ⅰ级生态景观破碎化程度较高。

表4 2010—2015年研究区Ⅱ级生态景观指数

注：表中各景观类型以代码代替，11、12、13、14、15、16分别代表阔叶林、针叶林、针阔混交林、阔叶灌丛、稀疏林、稀疏灌丛，21、22、23分别代表草原、草甸、草地，31、32分别代表园地、耕地，41、42、43分别代表湿地、湖泊、河流，51、52分别代表城市绿地、建设用地，61、62、63分别代表裸地、荒漠、冰川。

根据表4数据分析，研究区5年内Ⅱ级生态景观指数发生了一定的变化，从2010年至2015年，斑块数(NP)增加，聚集度指数(CONT)有所降低，表明研究区5年内破碎化程度增加。通过对类斑块平均面积(MPST)分析，湖泊、冰川MPST降低，表明评价斑块面积减小，破碎化程度增加；阔叶灌丛MPST增加，表明阔叶灌丛类斑块平均面积增大，破碎化程度降低；其他景观MPST没有发生变化，表明研究区类斑块平均面积稳定。

4 结论与讨论

(1)2010—2015年，祁连山生物多样性保护优先区域甘肃区域Ⅰ级生态景观中，景观类型没有发生变化，但景观格局发生了动态变化；19种Ⅱ级生态景观中，生态景观类型没有发生变化，但其中有12种生态景观格局发生了动态变化，景观面积有所增减。

(2)2010—2015年，祁连山生物多样性保护优先区域甘肃区域Ⅰ级生态景观格局中，6种Ⅰ级生态景观格局均发生矩阵转移，但转移面积占比很小，表明研究区Ⅰ级生态景观格局总体表现稳定。19种Ⅱ级生态景观格局中12种景观格局发生矩阵转移，转移面积占比相对较大，表明研究区Ⅱ级生态景观格局总体稳定性相对较差。

(3)2010—2015年，祁连山生物多样性保护优先区域甘肃区域Ⅰ级生态景观指数变化不明显，表明研究区Ⅰ级生态景观稳定；Ⅱ级生态景观指数有所变化，但总体变化幅度不大，表明研究区Ⅱ级生态景观发生了变化，但变化不明显，生态景观总体表现稳定。

(4)祁连山生物多样性保护优先区域甘肃区域两个监测时期的景观特征中，斑块数(NP)较大，边界密度(ED)、平均斑块面积(MPS)、类斑块平均面积(MPST)、聚集度指数(CONT)等较小，表明研究区域生态景观复杂，景观破碎化程度较高，研究结果与甘肃省河西走廊复杂的生态环境相符。

(5)生态景观格局动态变化与区域生物多样性保护存在一定的关系，研究结果表明，2010—2015年优先区生态景观格局总体表现稳定、景观类型丰富多样，为各种类型的生物提供了良好的栖息地和生存环境。