半干旱半湿润地区景观演变与驱动力分析

姜海玲， 秦旭升， 陈智文， 杜会石

(吉林师范大学生态环境研究所，吉林四平 136000)

地表景观演变是地理学重要的研究内容[1-2]，从方法论角度来讲，是利用景观生态学原理和方法来揭示陆地表面演变的过程与规律，为探究其发生机制与区域可持续利用服务[3-4]。地处半干旱半湿润地区的科尔沁沙地是开展相关研究的理想靶区，有助于深入理解气候变化与人类活动对地表景观演化的影响[5]。学者们已在该区开展了大量研究工作，段翰晨等通过提取奈曼旗土地变化信息，揭示沙化土地景观格局演化的规律[6]；常学礼等运用景观格局分析方法，揭示科尔沁沙地景观格局可通过影响斑块边界的长度和组合状况，进而影响沙化过程中的生物学和生态学过程[7]；左小安等对沙化程度量化指标和景观格局指数进行计算，并分析出景观格局指数的变化特征[8]。但已有研究成果的时间跨度较小，景观演变特征的现势性不足。在景观演变驱动力方面，李健英等以奈曼旗沙漠化成因为标准分析认为，人为因素是沙地景观格局变化的主导因素[9]；李金亚提取科尔沁沙地1985—2013年的沙化信息，并分时段对各影响因素进行了定性和定量分析[10]。但已有研究成果因其研究区不同，因此选取的影响因素各异，较难在相同时空尺度上进行归纳与对比分析。位于科尔沁沙地东缘的东西辽河交汇区，景观类型多样并具有典型性，近年来，在气候变化及人类活动的背景下，该区地表景观发生了显著的变化[11]。但有关该区景观格局动态变化的研究还很薄弱，亟须开展相关工作，以揭示景观格局动态演变过程及其驱动机制，以补充和验证已有的研究成果。因此，本研究以科尔沁沙地东缘地表景观演化为研究对象，基于3S技术与景观生态学方法，从区域景观格局时空变化着手，开展景观格局变化及驱动力分析，以期为该区景观格局优化提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于42°18′～44°15′N、122°51′～125°12′E，面积为19 631.31 km2，属温带半干旱半湿润季风气候区，夏季高温多雨、冬季漫长寒冷。年均日照时数为2 708.3 h，年均气温为6.6 ℃，年降水量为535.6 mm，年均风速为3～5 m/s。河流为辽河水系，主要有东辽河、昭苏台河、西辽河等。该区土壤类型多样，自东南向西北依次分布有灰棕壤、黑土、淋溶黑钙土、黑钙土、风沙土等。研究区自然地理范围确定参照松辽水利委员会划定的松辽流域四级分类系统，即东北界以松辽分水岭隆起带[12]及松花江流域与辽河流域一级流域界线划定，西北界以乌力吉木仁河与东辽河流域三级流域界线划定，西南界以教来河与西辽河下游四级流域界线划定，最南端以辽宁省调兵山市的泡子沿水库—泉眼沟村的河道划定，南界以二龙湖水库—南城子水库一线及其古河道划定。行政区划上包括吉林省四平市、公主岭市、双辽市、梨树县，辽宁省昌图县、康平县以及内蒙古自治区科尔沁左翼后旗等地区。

1.2 数据来源与处理方法

遥感数据为1975—2015年Landsat卫星 MSS、TM、OLI传感器的影像数据。其中，MSS传感器的空间分辨率为80 m，TM、OLI传感器的空间分辨率为30 m，时相选择在7—9月。气象数据来源于中国气象数据网(http：//data/cma.cn/)。同时收集吉林省四平市(铁西区、铁东区)、双辽市、公主岭市、梨树县，辽宁省昌图县、康平县以及内蒙古自治区科尔沁左翼后旗等地区的社会经济统计数据。

对1975年、1980年、1990年、2000年、2010年、2015年等6期影像进行波段合成，再以1 ∶100 000地形图、全球定位系统(global positioning systems，简称GPS)实测野外验证点为地面控制点，对影像进行几何精校正，再按研究区范围进行裁剪。根据东西辽河交汇区景观类型特征及立地条件，将景观类型划分为旱田、水田、林地、草地、水域(河流与湖泊)、建筑用地、灌草丛沙丘地、缓起伏沙地、梁窝状沙地、盐碱地、湿地等。采用面向对象解译方法提取各类信息，采用抽样统计验证法，随机布设300个验证点，统计解译精度为89.01%，符合研究要求。

1.3 研究方法

选取景观破碎度、景观形状指数、景观多样性指数等，对格局变化进行分析，各主要指数公式及其意义如表1所示。

表1 各景观格局指数的公式和含义

2 结果与分析

2.1 科尔沁沙地东缘景观演变

由图1可知，科尔沁沙地东缘地区主要景观类型为旱田、缓起伏沙地、林地等，其所占面积比例达90%。其中，旱田主要集中分布于研究区中部，西辽河与丘陵之间，所占面积比最大，为67%；水田主要分布于辽河与清河交汇处及清河沿岸，研究期内，面积呈先增加后减少的趋势，总体增加了 48.45 km2，变化幅度为23.64%；林地分布相对集中，主要分布于丘陵地区；湿地分布范围较小，主要分布于西辽河原古河道、吉林省双辽市兴隆镇小山水库附近；1975—2015年建筑用地面积从254.42 km2增至596.82 km2，增幅达134.58%；灌草丛沙丘地分布于研究区西部边缘；而盐碱地、梁窝状沙丘的分布范围较小，主要分布于研究区的西部及西北部；草地面积从1975年的32.64 km2减至2015年的14.66 km2，变幅为 -55.09%；1975—2015年盐碱地面积增加了32.98 km2，增幅为176.84%；而梁窝状沙丘面积变化不明显。

2.2 景观格局指数分析

2.2.1 景观斑块数量特征 由表2可知，1975—2015年，科尔沁沙地东缘景观斑块总数呈增长趋势，而斑块平均面积和最大斑块指数呈波动减小趋势。斑块总数年均增幅为3.10%，斑块平均面积年均减少1.37%，这种变化趋势表明该区景观破碎程度加深，在外界因素干扰下，景观格局趋于复杂化。

2.2.2 景观形状指数 由图2可知，研究区斑块凝聚度指数呈波动减少趋势，说明研究时段内科尔沁沙地东缘景观斑块的物理连接性降低，外界因素对景观破坏程度增强；蔓延度指数可以反映景观斑块类型的连接程度或延展趋势，研究期内，蔓延度指数呈波动减小趋势，说明研究区内优势景观类型的连接性和延展性在降低。

表2 研究区景观破碎度指数

2.2.3 斑块分形维数 由图3可知，各景观类型斑块分形维数均小于1.12%，说明研究区各类斑块形状的复杂程度较低，易受干扰。除梁窝状沙丘外，其他各景观类型斑块分形维数均呈现波动增长趋势，斑块形状趋于复杂化。其中，水田、缓起伏沙地、林地、草地等的分形维数比其他景观类型的大，说明其斑块形状较为复杂，受干扰程度较小。而水域、盐碱地、建筑用地等的分形维数变化幅度较大，说明该类景观斑块边界趋于复杂化的速度较快。

2.3 景观格局变化驱动力分析

气候因素是长期影响景观格局变化的主导因素[16-17]，控制着景观演变的趋势和过程[18-19]，而社会经济因素则在短时间尺度内影响景观格局变化。

2.3.1 气候因素 由图4-a可知，科尔沁沙地东缘地区年均气温波动升高，并呈现暖化趋势，1985年以前年均气温较低，而后年均气温逐步升高，并以0.24 ℃/10年的增长速度延续至2015年。该地区年均气温的增长速度明显高于全国气温( 0.40 ℃/100年)、全球气温(0.50 ℃/100年)的增长速度，尤其是1985—2007年期间，异常偏暖年份较多，增温幅度较大，2007年年均气温达到40年间年均气温最高值。由图4-b可知，年降水量呈波动减少趋势，1975—2015年年均降水量为 536.89 mm，且波动性较大，呈干湿交替变化趋势。2002年以前为相对多雨期，且波动变化幅度较小；2002年后，年降水量波动较大，其中2010年年降水量为41年中最大值，为734.00 mm。由图4-c可知，年均风速呈现快速减小趋势，1975—1985年，风速年际波动较小，且风速较大；1986年年均风速为41年间年均风速最大值(3.6 m/s)，而后风速呈现快速减少趋势，且年际波动较大。风速减小，风沙活动相对减弱，在某种程度上会对沙地景观格局演变产生一定影响[20]。由图4-d可知，年均日照时数呈现小幅度减少，且年际波动较大，年均日照时数最高值出现在1977年，达2 976.95 h；最低值出现在2005年，为2 336.35 h。2005—2015年年均日照时数比前30年减少91.27 h/10年，减少率为3.2%。

2.3.2 社会经济因素 由图5-a可知，1997—2015年科尔沁沙地东缘地区人口总数呈快速增长趋势，由1997年的272.31万人增长到2015年的280.52万人，增长率为3.01%。其中，2011年达到人口最大值，为293.14万人，此后人口总数略有下降。由图5-b可知，1997—2015年期间农业人口数量整体变化较平稳。其中，2002年农业人口数小幅度减少，此后逐年增加，2010年达到最大值，为174.29万人，2010年后，农业人口数量呈减少趋势。由图5-c可知，国内生产总值由1997年的137.51亿元增长到2015年的 1 301.24亿元，变化趋势可利用指数回归方程y=4.882 8x2-19 521x+2×107进行拟合(r2=0.984 9)。由图5-d可知，第一、第二、第三产业总值增长迅速，其中第二产业和第三产业总值增长最快，2008年以前，研究区主要以第一产业为主，2008年以后第二产业、第三产业迅速发展。经济的迅速发展以及产业机构的不断调整与升级，使得人类活动不断加强，造成建筑用地、耕地、沙地等景观面积发生变化。

2.3.3 气候、社会经济因素定量分析 为分析气候因素和人文因素在其演化过程中的作用和效力，整理归纳1997—2015年各指标数据，选取12个因子(年降水量、年均风速、年均气温、年均日照时数、第一产业总值、第二产业总值、第三产业总值、人均生产总值、固定资产投资、总人口、农业人口、粮食总产量等)进行主成分分析。结果表明，第一主成分、第二主成分、第三主成分的贡献率分别为63.553%、13.912%、9.388%，第一主成分与年均风速、第一产业总值、第二产业总值、第三产业总值、人均生产总值、总人口载荷关系较大，第二主成分与年降水量和年均日照时数载荷关系较大，第三主成分与农业人口的载荷关系较大。从统计学角度来看，第一主成分的贡献率高于第二主成分、第三主成分，因此，社会经济因素对科尔沁沙地东缘景观格局动态变化的影响较大。

3 结论

科尔沁沙地东缘景观类型以旱田、缓起伏沙地、林地等为主，面积占比达90%，景观结构变化较大，变化速度逐年降低。其中，建筑用地和盐碱地面积增加最为明显，涨幅分别为134.58%、176.84%，建筑用地的增加表明研究区城市化进程脚步加快；草地面积减少明显，减少了55.09%。

景观斑块数量增加，景观格局破碎化程度加强，且占有一定优势景观类型的连接性和延展性降低。

景观格局变化是气候因素和社会经济因素共同作用的结果。从数理统计角度来讲，引起景观格局变化的最主要的原因是社会经济因素。研究期内，人口数量的增加，经济的迅速发展导致人类活动的范围和强度随之扩大与增强， 加快了城市化进程；而气温逐渐升高，年均降水量、年均风速降低，暖干化趋势的加强，都将促使景观格局发生变化。