新疆阿克苏河流域2005—2015年景观变化及驱动力分析

2018-11-23龙德江魏光辉张洛晨

浙江水利水电学院学报 2018年5期

龙德江，魏光辉，张洛晨

(1.新疆喀什地区水利水电勘测设计院，新疆喀什 844000；2.新疆塔里木河流域管理局，新疆库尔勒 841000)

全球气候变暖、生物多样性减少或消失、土地与生态系统退化等环境问题是困扰人类生存的首要矛盾，是实现持续发展的障碍[1-3].景观生态学是宏观生态研究的一个新领域，近年来，运用景观生态学方法探讨流域环境脆弱的特点及成因一直是研究热点[4-5].分析流域土地利用变化过程、变化规律以及驱动因素，是生态环境变化研究的基础，也是调控人类行为的依据[6-8].

在景观生态研究方面近10 a已取得较大的进展，主要集中在较大时空尺度的景观格局及其变化以及受水资源胁迫的景观格局与变化[9-12]，对流域尺度景观变化的人为驱动研究较为薄弱.随着遥感技术的发展，借助于高时空分辨率遥感影像可以实现流域景观格局和景观动态研究，且对人类活动对流域景观变化的细微之处可进行详细刻画.

塔里木河的来水量70%以上来自于阿克苏河.因此，阿克苏河流域景观动态变化对于塔里木河来说极其重要.本文分别从景观类型水平和景观水平出发，结合GIS和RS技术，对新疆阿克苏河流域2005—2015年的景观格局进行综合研究，探究2005—2015年间土地演变趋势和主要驱动力，揭示人类活动与景观格局演变之间的联系，以期为今后流域生态环境改善、促进流域生态文明建设和可持续发展提供参考和借鉴.

1 研究区概况

阿克苏河流域位于天山中段西部南麓，塔里木盆地北缘，地理位置介于75°35′～80°59′E，40°17′～42°27′N之间，流域面积5.3×104km2，其中境内面积为3.1×104km2.阿克苏河是塔里木河四源流之一，常年与塔里木河干流保持着输水的关系，其输水量占到四源流输水总量的70%左右.流域形状东西长而南北宽，地势西北高而东南低，自西北向东南倾斜.地形可分为山区、平原两大部分.阿克苏河流域地处欧亚大陆腹地，干燥少雨，是典型的干旱大陆性气候.流域多年平均气温为9.2 ℃～11.5 ℃，多年平均降水量64 mm，多年平均蒸发量1 890 mm，年极端最高气温40.2 ℃，年极端最低气温-27.6 ℃，多年平均日照时数2 850 h，无霜期188～207 d之间.

阿克苏河流域主要包括阿克苏市、阿瓦提县、乌什县、温宿县、柯坪县、阿合奇县及新疆生产建设兵团第一师的1团至6团.截止到2015年底，流域总人口137.1万，地方国内生产总值(GDP)约311.1亿元，全社会固定资产投资约274亿元，地方财政收入约25.9亿元，地方财政支出约121.9亿元.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

选取新疆阿克苏河流域2005年、2010年、2015年的Landsat TM遥感影像数据作为基础数据源，基于ENVI 4.8软件，将研究区土地利用类型分成耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地和其他土地7个类型，获取三期土地利用图；遥感解译结果经Kappa系数检验均值85%以上，分类精度较高.

2.2 景观格局指数计算

在选择景观指数时，景观类型水平评价选取斑块个数、斑块密度、斑块形状指数、斑块分形维度和稳定性系数等指标[13-14](见表1)，运用ArcGIS、Excel等软件对数据进行处理，研究各景观指标的演化特征、景观格局空间配置状态和景观时空变化特点.

表1 阿克苏河流域景观格局指标选取

通过ArcGIS软件，对阿克苏河流域2005—2015年的土地利用状况数据库进行处理，计算出各个斑块的周长和面积，为相关指数计算提供基础数据.

(1)斑块个数(NP)和斑块面积(PD)

对阿克苏河流域土地解译数据库进行处理，对7大地类的斑块数和斑块面积分别进行分类汇总，计算得到研究区2005年、2010年和2015年各个地类的斑块密度(见表2—4).

表2 2005年斑块个数(NP)和面积(PD)计算相关参数

地类斑块个数(NP)斑块面积(A)斑块密度(PD)耕地3 256620 990.30.005 24园地994162 0230.006 13林地254357 268.80.000 71草地6838 8560.001 75建设用地17114 2410.012 01水域194119 367.40.001 63其它用地157897 532.70.000 17

表3 2010年斑块斑块个数(NP)和面积(PD)相关参数

(2)斑块形状指数(S)

斑块形状指数等于某一斑块形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离值，其计算式如下[15]：

(1)

式中：S—斑块形状指数；m—某一类图斑总数；

Pi—i地类图斑周长；Ai—i地类的图斑面积.

运用式(1)分别对研究区2005、2010和2015年的数据进行处理，结果(见表5).

表4 2015年斑块斑块个数(NP)和面积(PD)相关参数

地类斑块个数(NP)斑块面积(A)斑块密度(PD)耕地1 633617 433.20.002 64林地364288 376.00.001 26园地1 447291 393.90.004 97草地11832 512.00.003 63建设用地1 77763 729.50.027 88水域35788 718.90.004 02其它用地385825 515.50.000 47

表5 阿克苏河流域2005—2015年各地类斑块形状指数值

(3)斑块分形维度(D)及稳定性系数(S)

斑块分形维度通过周长与面积的线性拟合来求得，为保证结果的准确性和具有更大的代表意义，以一个地类作为单位，分别计算出InA(r)和InP(r)，通过趋势线求出斜率，间接得到D值，再通过公式，计算稳定性系数S.

3 结果分析

3.1 景观格局时空演变特征

根据景观格局指数计算式以及2005—2015年阿克苏河流域土地利用现状数据(见表6—8)，计算得到研究区2005、2010和2015年的景观格局指数(见表9).

表6阿克苏河流域2005年景观格局指标参数

地类ApNP2/DA0.5耕地620 990.321 515.683 2561.70788.03园地162 023.010 004.629941.37402.52林地357 268.83 695.782541.66597.72草地38 8562 543.43681.46285.23建设用地14 241.0765.381711.52119.34水域119 367.46 421.171941.31345.50其它用地897 532.77 433.351571.58947.38

表7 阿克苏河流域2010年景观格局指标参数

表8 阿克苏河流域2015年景观格局指标参数

从表9可以看出，2005—2015年阿克苏河流域7大地类都经过了较为复杂的变化过程，除了裸地的密度是单一上升、园地和建筑用地的布局在空间上呈现出持续收缩、园地的斑块形状越来越规则、水域的稳定性不断增加、裸地的稳定性持续下降之外，大多数指标都呈现出波动变化趋势，使得景观的分布变得更加复杂.

表9 2005—2015年流域景观格局指数计算结果

(1)耕地

耕地作为流域最基本的地类，在土地总面积中占有较大比重，虽然在十年间面积总量经过了一个“∧”形变化，但是占比仍在30%左右.斑块总个数在2005—2010年间，并没有发生太多的变化，而2010—2015年五年间，斑块的数量大幅度减少，整体分布呈现出破碎的状态，这与上述耕地面积的变化趋势也是相吻合的，斑块的面积减少与数量减少存在直接的联系，在这个期间，斑块密度也是呈现出剧烈减少的趋势，这表明耕地斑块的分布越来越分散.形状指数呈现出“∨”性，分维指数却是一个“∧”形的形状，表明耕地斑块的形状复杂程度经历一个从较为不规则到更规则，到最后的不规则的状态，在空间上呈现出先扩展后收缩的状态，结构稳定性在经历一段时间的下降之后，在2015年有所回升.

(2)林地

林地面积不断减少，而斑块密度却呈现出先减少后增加的趋势，说明在整体水平上林地的破碎度和斑块形状呈现出波动变化，在空间上呈现出先扩展后收缩的趋势，结构稳定性也随之波动.从总的趋势上来看，相对于2005年，林地的分布更加分散，而形状也更加规则，空间上呈现出收缩的趋势，稳定性也有所增加.

(3)园地

作为流域的主要经济来源之一，园区种植业在当地得到大范围推广，园地面积和斑块个数不断增加，而斑块密度呈现“∧”型变化，形状指数呈现出“∨”形波动之后，表现出较为平稳的状态.这与当地对园地的集中管理具有一定的联系，而形状逐渐趋不规则，结构稳定性得到缓解，在2015年时达到了一个较好的水平.

(4)草地

在流域整体生态布局中，草地面积在所有地类中处于比较薄弱的状况，从2005年的1.76%到2010年的1.54%，再到2015年的1.47%，草地占比都是非常小的.2005—2015年间，草地斑块个数不断增加，而面积却呈现出不断减少的趋势，使得斑块密度呈现出增加态势，草地的破碎化程度不断增加，分布也更加聚集，而形状指数由原本的0.213下降到2010年0.182，再回到0.201，形状复杂度在一段时间的平缓之后，较2005年更为复杂.但是草地整体在空间上呈现出先扩展后收缩的趋势，稳定性也随之得到改善.

(5)建筑用地

建筑用地的分布较少，且主要集中在水域边缘地区.在2005—2015年间，建筑用地的斑块数量变化则呈现出“∨”形变化，2010—2015年的变化更为明显，斑块密度也印证了这个规律.建筑用地的景观经过一段时间的平稳改善期后，斑块分布越加分散，但是斑块形状越来越规则，稳定性呈现出一个不断增加的趋势.

(6)水域

从2005年起，由于流域建筑用地的增加和经济社会的发展导致用水需求的增大，水域在经历了形状不规则化、破碎化加重的过程后，整体结构恢复到比较平稳的状态.

(7)其他土地

其他土地主要是裸地，经济的发展和农业的需求使得原本的裸地转化为其他土地类型，其面积的增加和斑块个数的增加使得裸地在空间上呈现出收缩状态，形状逐渐变得更加规则，结构也趋于稳定.

3.2 土地利用变化驱动力分析

3.2.1 基于主成分分析的驱动因子研究

阿克苏河流域近10 a(2005—2015年)来的土地利用格局变化中，建设用地变化最为显著，故选择该时段建设用地面积变化作为驱动力分析的初步研究对象.根据流域实际情况，选取16个与建设用地面积变化相关的指标：X1为年末总人口(×104人)、X2为非农业人口(×104人)、X3为地方生产总值(×108元)、X4为第二、三产业产值比重(%)、X5为农民人均纯收入(元/人)、X6为城镇居民人均可支配收入(元/人)、X7为人均粮食产量(t/人)、X8为经济作物播种面积(×104ha)、X9为种植结构比(%)、X10为畜牧业产值(×104元)、X11为林业产值(×104元)、X12为固定资产投资额(×108元)、X13为社会消费品零售额(×108元)、X14为公路里程(×104km)、X15为货运周转量(×104t·km)、X16为客运周转量(×104人km).采取主成分分析方法对流域建设用地面积变化的驱动因素进行分析[16].

运用SPSS软件，首先对选取的16个因子进行典型相关分析，剔除了3个与建设用地面积变化相关性小的因子：经济作物播种面积、畜牧业产值和林业产值.进一步进行主成分分析，计算特征值、累计贡献率、主成分载荷矩阵等(见表10).第一、二、三主成分累计贡献率达>85%，符合主成分分析要求.第一主成分与X3、X4、X5、X6、X12、X13的载荷系数较大，反映研究区的经济发展状况，归为经济因素；第二主成分与X14、X15、X16的载荷系数较大，反映研究区道路设施建设情况，归为交通因素.第三主成分与X1、X2的载荷系数较大，反映该地区的人口发展状况，归为人口因素.因此，可从经济、交通以及人口三个方面分析其对阿克苏河流域建设用地面积变化的影响.

表10 驱动力指标的旋转因子载荷矩阵

3.2.2 驱动机制分析

(1)经济因素

2005—2015年，阿克苏河流域地区生产总值从150.10×108元增加到569.64×108元，年均增长27.95%，人均地方生产总值由6461.07元增加到22 435.61元.同期建设用地面积从14 241.00 hm2增加到63 729.51 hm2，年均增加34.75%.经过相关性检验，两者的相关系数高达0.942，可知经济的发展对建设用地扩张产生重要影响，主要表现为：伴随经济的快速发展，阿克苏河流域三大产业结构从2005年的33.10 ∶27.4 ∶39.5转变为2015年的22.73 ∶35.14 ∶42.13，第一产业比例下降超过10个百分点，第二产业比例上升近8个百分点，第三产业比例变化幅度不大，随着第二产业投资的加大，工业增加值年均上升43个百分点，工业、建筑业用地面积随之迅速增加；经济发展进一步促进固定资产投资的增加，10年间，阿克苏河流域固定资产投资增长687.29%.

(2)交通因素

经济的快速发展能够加快农村道路、境内公路、铁路等建设用地的开发.2005—2015年，阿克苏河流域公路里程较2005年增幅74.46%.其中，阿克苏市交通建设用地增加最为明显，南疆铁路和高速公路穿境而过，交通沿线可达性进一步增强.对公路里程和建设用地面积进行相关性分析，两者的相关系数达0.953，说明道路交通的扩展在很大程度上促进了建设用地规模的扩张.

(3)人口因素

人口作为社会活动的主体，对建设用地变化起着不可忽视的作用.2005—2015年，阿克苏河流域总人口和非农业人口分别增加了27.42万与18.59万，与建设用地面积呈正向变化趋势.从土地资源来看，新增人口、尤其是非农业人口的增加必然会产生对建设用地的旺盛需求，城镇住房、大型商场、绿地、娱乐设施等建设用地逐步向城郊扩展，大量耕地被转变为城镇建设用地，从而推动了建设用地面积的急速增加.