景观格局是景观生态学的主要研究内容之一，它与生态功能和生态过程之间存在紧密的联系(Zhang et al., 2006), 因此，景观格局分析在生态学研究中越来越受到重视。随着人类土地利用程度增强，生境破碎化现象越来越突出，生境破碎化已成为当今世界范围内生物多样性减少的主要原因(Blanger et al., 2002)之一。国外景观格局的定量研究始于20世纪80年代(Romme, 1982; Krummel et al., 1987; O'Neill et al., 1988)，到目前产生了许多景观格局指数(Turner 1990; Olsen et al., 2007)。国外开展的研究多从大时间尺度详细研究景观格局及其动态变化(Spies et al., 1994; Alados et al., 2004)、探讨景观变化与环境因子和人类干扰之间的关系(Bresee et al., 2004; Hietel et al., 2004; Wimberly et al., 2004)，并得到一些重要结论，这对土地资源合理利用、景观规划、监测和生物多样性保护等具有重要意义。随着生境破碎化的加剧，也有学者从破碎化角度，如研究森林破碎化对鸟类种群数量变化的影响(Boulinier et al., 2001)等。随着遥感影像的可获得性与地理信息系统技术水平的提高，国内景观格局(张世熔等，2003)、景观动态及驱动机制(宋冬梅等，2003)研究逐步展开。近年来，在新疆也开展了一些景观生态学研究(刘新春等，2004)，然而基于RS与GIS的景观生态学研究不多(王兮之等，2002)，在额尔齐斯河(以下简称“额河”)流域开展研究的更少。

额尔齐斯河是发源于我国境内的一条重要的国际性河流，在中国境内全长633 km，流域面积5.273万km²。由于自然条件复杂，河流两岸孕育了丰富的天然植被。受水分条件的限制，额河地带性植被以各种荒漠灌丛为主，在水分条件充足的地方，发育形成了以杨柳科(Salicaceae)为建群种的河岸天然林。额河河谷林在经济、生态和生物多样性方面的价值早已得到许多专家学者的认可和重视。长期以来，由于人类无节制地开垦耕地、过度放牧、滥砍乱伐、毁林开荒等不合理行为，导致自然生态系统破碎化严重，物种大量减少甚至灭绝，危及区域生态资源的可持续利用和生物多样性保护。一些学者对额河流域河谷林保护对策(刘平等，2002)、河谷林资源承载力(黄锡欢等，2005)、生物多样性(藏润国等，2005)、洪水对河岸植被影响(成克武等，2006)等进行了研究。但从景观生态学角度，以RS与GIS相结合研究额河流域景观空间格局及破碎化还未见报道。本文采用多波段组合的RS数据和GIS技术，利用景观生态学理论和方法，以新疆额河流域北屯段为研究对象，分析额河流域景观空间格局总体特征和现状，及各景观类型之间的差异，期望能为今后土地资源合理经营管理、生物多样性保护、景观规划和监测提供依据。

1 研究区概况

额河流域位于阿勒泰市南部，准噶尔盆地的北缘(46°55′—49°10′ N，85°30′—90°30′ E)。呈典型干旱气候特征，年均降水量93.9 mm，最高年份174.4 mm(1969年)，最低年份48.3 mm(1974年)。年均蒸发量1 661.4 mm，是降水量的17倍左右。干燥度为5。据气象资料统计，年均温4.1 ℃，7月份均温23.4 ℃，1月份均温-18.8 ℃。极端最高气温39.1 ℃，极端最低气温-46.7 ℃，每年≥30 ℃的炎热期可达43 d。年高温多在7、8月份，偶尔出现在6或9月。无霜期140~154 d。全年≥10 ℃积温2 986.4 ℃，年均日照时数2 824.5 h，年均日照率为63%。冬季盛行东风，夏季盛行西风。全年平均风速3.1 m·s^-1，年均8级以上的大风日数为18.3 d，以春、夏两季多，冬季大风日数少。自然土壤类型主要有暗色草甸土、普通草甸土、盐化草甸土、灌耕草甸土、河滩潮湿土、草甸棕钙土、半固定风沙土等。

受气候条件影响，平原植被稀疏，植被覆盖度约30%~40%。额河河谷以杨柳科占优势，在我国乃至全世界是杨柳科植物的重要基因库。当地林业管理部门因缺乏对幼树幼苗的管理权限，多年来当地牧民打草毁掉更新树苗现象极为严重，导致河岸天然林无法正常更新，日渐衰退。此外，截流工程的修建等也对额河天然植被造成严重破坏。

2 研究方法 2.1 影像及预处理

收集涵盖额河流域北屯段的Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper (ETM+)影像，轨道号是Path 143和Row 27，成像时间为2000年8月16日。基于研究区1:50 000比例尺地形图，在Erdas8.7软件的支持下，采用Date Preparation模块的Image Geometric Correction功能对影像采用3次多项式法进行精确校正。校正精度控制在1个像元以内。对配准过的影像进行了辐射校正。

2.2 分类系统的建立

依据研究目的，结合研究区特点，将额河流域景观划分为7大类10小类景观类型，其中包括5大类8小类植被类型(表 1)。

2.3 监督分类

基于对研究区的深入了解，结合2006年野外采集的GPS点(图 1)及119个植被样方和土壤调查资料，采用最大似然监督分类方法对影像进行分类(Schowengerdt, 1983; Bresee et al., 2004)。训练区尽量在各类型面积较大的中心选取，使其具有代表性。本次分类误差矩阵值均在85%以上，模板用于执行监督分类。最大似然法是监督分类中最常用的运算法则，分类的原则是求出每个像元对应于各类型的归属概率，把该像元分到归属概率最大的类型中去。目前，最大似然分类法分类精度可达到70%~80% (Jianwen et al., 2005)。

2.4 景观格局分析

本文选取的景观格局指数包括：斑块数、斑块总周长、斑块平均周长、斑块最大周长、总面积、斑块平均面积、斑块最大面积、类型边界密度(类型周长/类型面积)、各类型在整个景观中边界密度(类型周长/景观总面积)、平均斑块形状指数、平均斑块分维数、景观类型面积多样性、类型周长多样性、类型斑块数多样性指数和均匀度指数。利用Fragstats 3.3软件对所选景观格局指数进行计算。

3 结果与分析 3.1 分类精度评估

利用Erdas的Accuracy assessment功能对分类后的影像进行精度评估。在分类后的影像上随机产生了570个点，将每个随机点与地面真值进行对比。影像总分类精度达到87.2%，总Kappa系数为86%。各类型的分类评估矩阵和精度见表 2和3。除大灌木荒漠类型分类精度较低外，其他类型分类精度都在80%以上。总体来看分类结果较为满意，可进行下一步处理。对分类后的影像进行了聚类统计和去除分析2种处理。分类后的2000年额河流域北屯段景观类型图见图 2。

3.2 景观总体特征分析

研究区总面积6 188.660 km²，总斑块数187 556个，共包括10个景观类型。由图 3看出，耕地面积在整个景观中占16.506%，河漫滩林地占2.643%，草地占10.489%，荒漠占整个景观的52.272%。按照Forman和Godron的嵌块体-廊道-基质模型的表述，荒漠是额河流域的基质。耕地、草地、河漫滩林地的面积比例为6.24:3.97:1，林地面积所占比例很小。本次研究主要以植被类型为主，因此以下分析主要考虑前8个植被景观类型。

3.3 类型周长分析

整个景观总周长127 953.245 km，平均每个景观类型拥有周长12 795.325 km。各类型的周长见表 4，其中农田总周长21 791.624 km，斑块平均周长0.597 km；河漫滩林地总周长10 573.202 km，斑块平均周长0.608 km；湿地总周长4 914.870 km，斑块平均周长0.682 km；草地总周长24 936.870 km，斑块平均周长0.769 km；荒漠总周长60 889.365 km，斑块平均周长0.691 km。河漫滩林地斑块平均周长小于草地和荒漠，表明河漫滩林地类型的斑块比较小。4个荒漠类型中，以优若黎荒漠斑块平均周长最小，大灌木荒漠斑块平均周长最大，两者相差0.196 km，蒿类荒漠和假木贼荒漠斑块平均周长相差不多。8个类型的斑块最大周长顺序为2＜5＜1＜3＜8＜7＜6＜4，河漫滩林地的斑块最大周长是最小的，从侧面反映出河漫滩林地破碎化现象严重，以小斑块形式分散在景观中。草地斑块的最大周长是景观中最大的，其平均斑块周长在景观中也是最大，对景观影响很大。

3.4 类型面积分析

8个类型的总面积顺序为3＜2＜8＜7＜4＜6＜1＜5，蒿类荒漠在景观中面积最大，湿地在景观中面积最小，河漫滩林地是景观中面积第二小的，仅占景观的2.643%。各类型面积分布极不均匀，最大与最小面积相差1 390.414 km²。总的来看，河漫滩林地和湿地类型面积远小于耕地、草地和各类荒漠面积，在景观中所占比例很小，对景观面积的贡献不大。

各类型斑块平均面积之间的差别比各类型总面积之间的差别小，8个类型的斑块平均面积均较小，都在0.1 km²以下，除了蒿类荒漠斑块平均面积达到0.067 km²，其他类型斑块平均面积均小于0.050 km²。和类型总面积顺序一致，河漫滩林地斑块平均面积在8类型中是较小的，揭示了河漫滩林地在景观中呈小斑块分布，蒿类荒漠是景观中斑块平均面积最大的，揭示了荒漠在整个景观中的基质地位。

类型斑块最大面积顺序为2＜3＜7＜4＜1＜6＜8＜5，除了河漫滩林地斑块最大面积小于5 km²外，其他类型斑块最大面积均在30~270 km²之间，河漫滩林地斑块最大面积和斑块最大周长规律一样，与其他类型之间相差甚远。总趋势是河漫滩林地斑块最大面积小于耕地、草地和荒漠，揭示河漫滩林地类型在景观中分布比较零散、破碎。

3.5 边界密度分析

景观边界密度反映景观单位面积所拥有的周长大小。单位面积上的周长数值越大，表明景观类型被边界割裂的程度越高，此指标在一定程度上反映了景观类型的破碎化程度。额河整个景观总边界密度为20.675 km·km^-2。各类型边界密度是指各类型景观周长与其面积的比值，它反映各类型景观所拥有的边界长度。由表 5可见，各类型景观边界密度顺序为5＜8＜1＜6＜7＜4＜3＜2，总趋势是河漫滩林地的边界密度远高于耕地、草地、湿地和荒漠类型。河漫滩林地边界密度在8个类型中最高，为64.630 km·km^-2，表明其破碎化程度高；相反，荒漠类型边界密度最低，表明荒漠在景观中破碎化程度低，其中破碎化程度最低的荒漠类型是蒿类荒漠。

各类型在整个景观中的边界密度指各景观类型的周长与景观总面积的比值，该指标反映每类景观周长在整个景观中分布的均匀程度，揭示各景观类型边界对整个景观影响程度的大小(马克明等，2000)。8类景观类型周长占景观总面积的比值顺序为3＜8＜2＜5＜7＜1＜6＜4，数值最大的是草地类型，达到4.029 km·km^-2，数值最小的景观类型是湿地，仅为0.794 km·km^-2。不同类型的边界密度在景观中分布极其不均匀。从耕地、河漫滩林地、草地、荒漠4大类型看，河漫滩林地边界密度最小，仅为1.708 km·km^-2，对景观的影响最小；荒漠是4个类型中边界密度最高的，达到9.839 km·km^-2，对景观的影响最大，在景观中具有重要地位。4个荒漠类型中，以假木贼荒漠在景观中的边界密度最高，达到3.733 km·km^-2，优若黎荒漠在景观中的边界密度最低，达到0.903 km·km^-2，其他2类荒漠类型边界密度相差不很明显。

3.6 平均斑块形状指数和平均斑块分维数分析

研究区整个景观平均斑块形状指数为1.701。景观类型的平均斑块形状指数大小顺序为8＜5＜1＜7＜6＜4＜3＜2。各类型中以河漫滩林地的平均斑块形状指数最高，为1.743，是景观中斑块形状最复杂的。总的来看，平均斑块形状指数总趋势是河漫滩林地高于耕地、草地和荒漠，这与多年来人类对河漫滩林地的破坏是分不开的。

额河景观总的平均斑块分维数为1.443，由表 5可以看出，各类型的平均斑块分维数的顺序为7＜4＜3＜5＜6＜1＜8＜2，数值都介于1.45左右，表明各景观类型斑块形状都比较复杂。其中河漫滩林地的平均斑块分维数要高于耕地、湿地、草地和荒漠类型，是景观中斑块形状相对较复杂的。4个荒漠类型中以优若黎荒漠的平均斑块分维数最高，大灌木荒漠类型的平均斑块分维数最低，表明优若黎荒漠的斑块形状要比其他3类荒漠斑块形状复杂。

3.7 景观类型多样性分析

景观类型多样性指数反映景观类型的多少及各类型景观所占比例的变化。景观类型多样性包括类型面积多样性、类型周长多样性和类型斑块数多样性(马克明等，2000)。额河流域景观类型面积多样性指数为1.983，类型周长多样性指数为2.044，类型斑块数多样性指数为2.051，按等概率计算(P_i＝1/10)，小于等概率情形(2.303)。额河流域景观类型多样性总规律是，类型面积＜类型周长＜类型斑块数，表明额河流域景观类型面积分布最不均匀，相反，景观类型斑块数分布相对较均匀。额河流域景观均匀度指数为0.86。

4 结论与讨论

实践证明，利用卫星遥感影像获取较大尺度范围景观空间格局及变化信息是可行的(Jobin et al., 2003)。由于景观改变会直接影响生境分布及生境内野生动植物种群数量的变化(Donald et al., 2001)，研究当前景观格局及景观动态变得尤为重要，可为今后生物多样性保护和预测潜在物种数量变化提供一定依据。

4.1 分类精度

最大似然监督分类方法是影像分类中较常用的方法(Jobin et al., 2003; Nate, 2005; Saha et al., 2005)。通过遥感影像分类制出的图不可能是完全准确的，分类错误可能源于近似的植被连续体被分成不同的类型、不同植被类型的光谱重叠、从现实到制图时比例尺的缩小等等原因(Steele et al., 1998)。精度评估是一个很重要的信息交流工具，它把分类的错误量化，从而将揭示的景观类型信息传达给分类者。本次分类总精度为87.2%，超过了Anderson在土地利用和土地覆盖分类系统中提到的总分类精度的最低值85%(Anderson et al., 1976)。有资料显示，仅仅依据遥感影像光谱特性进行分类获取地面植被信息是不充分的(Saha et al., 2005)，最好要借助一些辅助材料，如结合DEM、NDVI等进行分类等，提高分类精度。本次分类精度评估方法为通过在分类图像上产生随机点，再由用户给出随机点的实际类别，然后随机点实际类别与分类图像类别进行比较。由于产生的点是随机的，导致每个景观类型拥有的随机点数相差较大。拥有随机点数较多的类型可以很好地反映该类型的分布，使精度评估相对较准确。也有人将各类型的随机点设为同等的数目(Nate, 2005; Olsen et al., 2007)，避免了小类别没有足够的分析点。

4.2 景观格局的形成因素分析

新疆地处我国西北边陲，总面积166万km²，地形呈“三山夹两盆”的格局，两大盆地中荒漠占全区面积的62%。新疆以荒漠为主的大背景，决定了额河流域平原也以荒漠为基质，这与本文通过影像分类得出的荒漠类型是额河流域基质的结论一致。

多种因素共同作用造成了额河流域景观破碎化和生态环境恶化，包括土地利用方式改变、过度放牧和乱砍滥伐(臧润国等，2005)。据了解，额河河谷两岸是阿勒泰地区牧民最主要的打草场和冬季放牧场所，额河的北屯段也不例外。长期以来，为促进畜牧业发展，当地牧业管理部门将额河两岸的林地划分给牧民，允许其打草放牧并颁发了长期使用的草场证，而林业部门对河岸林的管理只限于大树，对更新幼苗幼树缺乏管理权限，导致牧民8—9月份打草时将林地内的更新幼苗全部打掉，冬季牲畜又进入林地越冬，从每年的10月到次年的4、5月，牲畜在林地内啃食，使少量打草幸存的更新苗也被破坏殆尽。由于牲畜过度啃食，额河两岸的灌木和草本被完全破坏，甚至大树死亡，两岸植被的破坏使洪水对河岸的冲刷越加厉害，河面变宽，地下水位下降，侧渗给河岸植被的水分减少，导致河岸天然林更新能力衰退，林地退化、沙化现象严重。

此外，引水截流工程的修建减少了额河洪水期的洪峰，洪水持续时间缩短，洪水漫灌的范围缩小，供给河流两岸植被生长需要的水分减少，导致河岸林生长衰退，植被盖度降低，最终导致原有植被类型向荒漠类型转变。

过去几十年，河岸天然林乱砍滥伐现象相当严重，使天然林郁闭度明显降低，有的疏林变成空旷地。自1998年实施额河流域天然林保护工程以来，当地林业部门采取了积极的保护措施，但由于人口增长，牧民出于建房、烧柴的需要，偷伐木材现象仍存在。近年来，为满足生活需求，牧民在林中空地开垦耕地现象屡禁不止，也使林地原有的斑块变得不连续、分离，最终破碎，严重破坏了河岸林的正常繁殖和更新。

本研究从景观生态学角度，利用RS与GIS技术分析额河流域北屯段景观空间格局，为以后在该区域进行景观动态研究及监测奠定了基础。