文章信息
- 井学辉, 臧润国, 曹磊, 郭仲军, 陈东立.
- Jing Xuehui, Zang Runguo, Cao Lei, Guo Zhongjun, Chen Dongli
- 新疆额尔齐斯河流域北屯段景观动态
- Landscape Dynamics in Beitun of Irtysh River Basin, Xinjiang
- 林业科学, 2009, 45(4): 7-13.
- Scientia Silvae Sinicae, 2009, 45(4): 7-13.
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文章历史
- 收稿日期:2007-03-29
- 修回日期:2008-01-22
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作者相关文章
2. 国家林业局森林生态环境重点实验室 中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所 北京 100091;
3. 新疆林业科学院 乌鲁木齐 830000;
4. 四川农业大学都江堰分校 都江堰 611830
2. Key Laboratory of Forest Ecology and Environment of State Forestry Administration Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Beijing 100091;
3. Xinjiang Academy of Forestry Urumuqi 830000;
4. Dujiangyan Branch, Sichuan Agricultural University Dujiangyan 611830
景观格局及其动态变化是景观生态学研究的核心内容。在时空尺度下,与人类相关的各种因素驱动着景观不断发生改变(Krummel et al., 1987; Turner et al., 1996; Wickham et al., 2000; Alados et al., 2004)。由人类活动引起的景观变化会造成很多生态影响,如改变营养物质的传输和转化(Hobbs, 1993),影响水质(Soranno et al., 1996; Wear et al., 1998),影响物种生存和生物多样性(Wu et al., 1993; With et al., 1995),导致生境损失和破碎化(Matlack, 1997; Turner et al., 2003)。生境破碎化是当前生物多样性面临的最大威胁(Edwards et al., 1994; Malanson et al., 1999),在干旱区,干旱土地正在转变为城镇用地或农业用地(Warren et al., 1996),这对于生态环境评价、景观生态设计及自然资源合理利用有着重要意义。
随着RS与GIS的发展,遥感技术已被广泛应用于植被动态监测。目前,基于遥感影像分类的植被类型图常用于景观结构变化的研究(Naveh et al., 1994; Fujihara et al., 2005)。国外开展了很多景观变化研究(Spies et al., 1994; Thomlinson et al., 1996; Viedma et al., 1999; Coppedge et al., 2001; Alados et al., 2004; Bender et al., 2005),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)。目前,景观格局与动态研究的方法和技术手段已经成熟,积累了很多宝贵经验。近年来国内基于遥感影像分类的景观变化研究逐步展开(包慧娟等, 2003; 宋冬梅等, 2003; 汪爱华等, 2003; 匡文慧等, 2006),但在新疆额尔齐斯河流域的研究则少有报道。
额尔齐斯河(以下简称“额河”)是干旱区新疆唯一的一条国际性河流,它发源于阿尔泰山南麓的加勒格孜嘎峰,向西注入哈萨克斯坦境内的斋桑湖,最后流入北冰洋。复杂的自然地理条件,使河流两岸孕育了丰富多样的天然植被。随着人口增长,额河丰富的水资源被不断开发,大面积农田的开垦,畜牧业规模的扩大,放牧强度的增加,水库和引水工程的不断兴建,使得额河河谷丰富的森林资源不断遭受采伐、破坏,额河景观发生了显著变化。国外学者对额河流域生态环境恶化的影响因素进行了分析(Hrkal et al., 2006)。国内学者对中国境内额河河谷林资源承载力(黄锡欢等, 2005)、生物多样性(臧润国等, 2005)及洪水对河岸植被影响(成克武等, 2006)进行了研究,但基于RS与GIS的景观生态学方法,对额河流域多年景观动态变化的研究还少见报道。
本研究基于RS与GIS技术,运用景观生态学方法,以新疆额尔齐斯河流域北屯段为研究对象,分析额河流域1972—2000年的景观格局及动态变化,揭示不同景观类型之间转化的规律与趋势,为今后的生物多样性保护、资源合理利用和景观规划奠定基础,也为今后在该区进行动态监测奠定基础。
1 研究区概况额尔齐斯河流域位于新疆阿勒泰市南部的山前平原,属于准噶尔盆地的北缘(85°30′—90°30′E,46°55′—49°10′N)。地势由东向西倾斜。由于远离海洋和受周围高山环抱的影响,具有典型的干旱气候特征:气候干旱,降水少,蒸发量大。年均气温4.1 ℃,年降水量93.9 mm,年蒸发量1 661.4 mm,是降水量的17倍左右。全年无霜期140~154天。全年≥10 ℃积温2 986.4 ℃。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、草甸棕钙土及半固定风沙土等。
受气候条件影响,平原植被稀疏,植被覆盖度约30%~40%。由于额河河谷范围辽阔,自然条件复杂,植被类型丰富多样,形成了乔、灌、草混生结构。受河谷水分条件影响,林分分布于河谷、渠道的两侧。山前砾石带由于地下水位较低,植被稀疏,生长有白茎绢蒿(Seriphidium terrae-albae)、纤细绢蒿(Seriphidium gracilescens)和铃铛刺(Halimodendron halodendron)等荒漠灌木。
额河流域北屯段位于阿勒泰市的南部,南与福海县相邻,东与富蕴县相邻,向西通往布尔津县。北屯镇的交通便利,地域广阔,研究区总面积61.88万hm2。额河河谷植物资源丰富,现有杨树(Populus)8种,柳树(Salix)30余种。额河河谷林在经济、生态和生物多样性方面具有非常重要的价值。但由于多年遭受人类活动影响,额河景观已经脱离原有的自然演替轨迹,发生了很大变化。
2 研究方法 2.1 资料获得本研究信息源于MSS影像(1972年9月1日)、TM影像(1989年9月3日)、ETM+影像(2000年8月16日)、1996年新疆额尔齐斯河流域地形图(比例尺1:50 000)、1987年阿勒泰市北屯林场林相图(比例尺1:50 000)、1978年新疆植被图(比例尺1:4 000 000)、2000年中国植被图(比例尺1:1 000 000)和2006年植被外业调查资料。
基于研究区1:50 000地形图,在Erdas8.5软件支持下,采用Date Preparation模块的Image Geometric Correction功能对3期影像采用3次多项式法进行精确校正。对配准过的影像进行了辐射校正。利用Noise Reduction功能对MSS影像进行了降噪处理。MSS影像的像元大小为57 m×57 m,TM影像的像元大小为30 m×30 m。为能保证对3期影像做动态比较,利用ERDAS8.5软件的resampling功能模块(分类后)将TM和ETM+影像按57 m×57 m采样。
2.2 分类系统的建立分类系统是指从影像上最终要提取出来的景观类型。有时采用标准的Anderson土地利用、土地覆盖分类系统(Anderson et al., 1976),有时也可以根据特定的需要进行调整。在新疆以荒漠为基质这个大背景下,景观分异的主导因素是植被,而决定植被分布格局的因素是地貌类型。本研究主要采用植被作为景观要素类型划分的主要依据。在外业植被调查的基础上,结合1978和2000年的研究区植被类型图,针对卫星影像的分辨率制定了景观分类系统,将研究区划分为耕地(1)、河漫滩林地(2)、湿地(3)、草地(4)、荒漠植被、居民地(9)、水体(10)共7大类景观类型。其中,荒漠植被包括以白茎绢蒿和纤细绢蒿等为主的蒿类荒漠(5)、以盐生假木贼(Anabasis salsa)和短叶假木贼(Anabasis brevifolia)为主的假木贼荒漠(6)、以铃铛刺、白刺(Nitraria tangutorum)、柽柳(Tamarix ramosissima)为主的荒漠(简称“大灌木荒漠”)(7)和优若黎(Eurotia ceratoides)荒漠(8)。数字1~10为各景观类型的代号。
2.3 训练区的选择训练区的选择是监督分类中很重要的一步。训练区选择的好坏直接影响到最终影像的分类效果。所以,训练区基本都选择在每个类型中较大面积斑块的中心,使其具有代表性。选取训练区的过程中,借助了2006年外业调查的植被样方数据、2006年采集的GPS点及2000年植被图等资料。
2.4 最大似然监督分类最大似然法是监督分类中较常用的分类方法(Nate, 2005),它属于硬分类方法,即如果像元包含混合信息,它通过求出各信息对应于相应类型的归属概率,把该像元分到归属概率最大的类型中去,如果其假定条件得到满足,分类结果比较准确。3期影像在各景观类型训练区选好后,对分类模板分别进行了可行性矩阵评价,各类型误差矩阵高于85%后执行监督分类。
2.5 分类精度评估对分类后的3期影像分别进行了精度评估,MSS 1972,TM 1989和ETM+2000影像总的分类精度分别达到81.97%,85.39%和87.19%,各影像的Kappa系数分别为0.80,0.84和0.86。
2.6 景观格局分析选取景观生态学中常用的景观格局指数进行景观格局分析(Forman et al., 1986; Turner et al., 1988)。所选景观格局指数包括类型面积、斑块数、平均斑块面积、平均斑块形状指数、平均斑块分维数、多样性指数和均匀度指数。采用国际上通用的FRAGSTATS软件包对所选景观格局指数进行计算(McGarigal et al., 2002)。
2.7 景观动态分析景观结构的变化是景观生态学中的主要内容之一(Forman et al., 1986),是指景观结构、功能和空间格局随时间的变化情况(Dunn et al., 1991)。通过分析不同时期的景观变化,揭示景观变化的规律,找出景观变化与人类活动影响之间的关系,从而可以预测未来景观的变化趋势(Daiyuan et al., 1999; Olsson et al., 2000)。本文利用GIS的空间分析功能,通过建立转移矩阵,得到不同时期景观结构的对应关系及各景观类型之间相互转化的数量关系,从而深入分析额河流域北屯段1972—1989年及1989—2000年的景观结构变化。
3 结果与分析 3.1 总体变化由图 1可见,1972—2000年额河流域北屯段斑块数呈上升趋势,28年间斑块数增加了2.5倍。额河流域北屯段景观平均斑块面积一直呈减少趋势。斑块数的逐年增加和平均斑块面积的逐年减少,进一步揭示出额河流域北屯段景观趋于破碎化。额河流域北屯段景观平均斑块形状指数表现为增加趋势,平均斑块分维数的变化规律与平均斑块形状指数相同,但增加的程度小于平均斑块形状指数,2个形状指数共同揭示出额河流域北屯段景观斑块形状呈复杂化趋势。额河流域北屯段景观多样性指数和均匀度指数表现为逐年增加的趋势,表明额河流域北屯段景观中不同景观类型之间的异质性程度在减弱,各类型在景观中分布趋于均匀化。
由表 1可见,1972—2000年,耕地、草地、居民地、水体等景观类型面积一直呈上升趋势,其中耕地和居民地的增加最显著。居民地在1972—2000年间面积增加了近15.7倍。河漫滩林地、湿地、蒿类荒漠、假木贼荒漠和大灌木荒漠面积表现为减少的趋势。1972—2000年额河流域北屯段各景观类型的斑块数目除居民地外均表现为增加趋势,多数景观类型的斑块数都增加了1倍以上。表明这些景观类型变得零散、破碎。
以耕地、河漫滩林地、湿地、草地、蒿类荒漠、假木贼荒漠、大灌木荒漠和优若黎荒漠8个植被景观类型分析平均斑块形状指数和平均斑块分维数的变化。由表 1可见,8个类型的平均斑块形状指数和平均斑块分维数在1972—2000年间都表现为增加的趋势,揭示出各景观类型的斑块形状趋于复杂化趋势。8个类型的平均斑块面积在1972—2000年间都表现为减少趋势,揭示各类型斑块都趋于破碎化。1972年蒿类荒漠是额河流域北屯段景观中平均斑块面积最大的,草地类型是景观中平均斑块面积最小的;到2000年,蒿类荒漠依然是额河流域北屯段景观中平均斑块面积最大的,但数值小于1972年,蒿类荒漠平均斑块面积的减少和斑块数的增加,表明蒿类荒漠斑块变的零散、破碎;河漫滩林地的变化趋势同蒿类荒漠一样,在1972—2000年间斑块逐渐变得破碎化。
3.3 各景观类型相互转化1972—1989及1989—2000年额河流域北屯段各景观类型之间相互转化的数量关系见表 2。1972—1989年,耕地、湿地、草地、蒿类荒漠、假木贼荒漠、大灌木荒漠、优若黎荒漠、居民地和水体都是比较稳定的景观类型,保持率都在50%以上。其中,蒿类荒漠、假木贼荒漠、优若黎荒漠、居民地和水体这5类景观类型的保持率在80%以上。河漫滩林地是景观类型中转化概率最高的,其主要转化方向是草地(概率为47.5%),其次是大灌木荒漠和耕地,概率分别为12.22%和9.12%。草地和湿地类型转化概率仅次于河漫滩林地,转化概率分别为47.03%和41.35%。草地的主要转化方向是耕地、蒿类荒漠和大灌木荒漠,也有部分转化成了河漫滩林地。湿地主要转化成草地,其次是耕地和河漫滩林地。
从1989—2000年的转移矩阵来看,耕地、湿地、蒿类荒漠、假木贼荒漠、优若黎荒漠、居民地和水体的保持率都在60%以上。转化概率最高的景观类型仍然是河漫滩林地(保持率仅为27.44%),转化概率为72.56%,转化成草地的概率为32.52%,转化成耕地的概率为21.09%,转化成大灌木荒漠的概率为12.99%。大灌木荒漠类型的转化概率仅次于河漫滩林地,转化概率达到48.04%,主要转化方向是耕地和草地,转化概率分别为16.93%和14.13%。草地类型转化概率仅次于大灌木荒漠,主要转化方向是耕地,转化概率为20.18%,转化成河漫滩林地、蒿类荒漠、假木贼荒漠和大灌木荒漠的概率都介于5%~6%之间。
4 结论与讨论河漫滩林地是28年间额河流域北屯段景观中保持率最低的景观类型,其主要转化方向是耕地和草地,这与人类活动是密切相关的。根据中国自然资源数据库资料显示,额河流域北屯镇1990年总人口14 425人,1999年增长到23 553人,呈逐年增加趋势。人口增加,为满足生活需求,农民一般开垦在河岸附近地势平坦、灌溉方便的地方农田,当现有耕地不能满足需求时,农民会通过毁林来扩大耕地面积,使得林地面积明显减少,严重破坏了河岸林的正常繁殖和更新。
林牧政策矛盾冲突是河漫滩林地向草地转化的最主要原因。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。牧民每年8—9月在林地内打草,将林地内的更新幼苗全部打掉;每年10月到次年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。林业部门对河岸林的管理只限于大树,对幼苗幼树缺乏管理权限。由于牲畜过度啃食,额河两岸的灌木和草本被完全破坏。植被的破坏使洪水对河岸的冲刷作用加剧,河面变宽,水位下降,侧渗给河岸植被的水分减少,最终导致河岸天然林更新能力衰退。
本研究表明,在景观尺度上,通过遥感影像获得不同时期土地利用类型图是可行的。在分类的过程中借助了一些辅助资料(林相图、植被图、外业调查资料等),否则有些近似的类型仅仅通过遥感影像是根本无法区分。尽管过去一段时间产生了很多景观格局指数(O'Neill et al., 1988; Turner et al., 1991),本研究仅选择了景观生态学中较常用的几个指数。所选的景观格局指数较好地反映了不同时期额河流域北屯段景观格局的变化和破碎化过程。但由于软件FRAGSTATS计算出来的景观格局指数数值随研究尺度和分辨率的不同而发生改变,还应继续努力产生一些对尺度和分辨率变化更为敏感的景观指数(Frohn, 1998)。受所能收集到的资料限制,本研究未能对额河流域北屯段28年间景观变化原因做深入分析,详细探讨景观变化与自然、人为因素之间的关系,今后应加强这方面的研究。本研究为今后在额河流域开展进一步的研究奠定了基础,所揭示的景观类型变化规律可为今后的生物多样性保护、景观合理规划提供一定依据。
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