臺蘭河流域土地利用變化及其景觀格局特征

臺蘭河流域土地利用變化及其景觀格局特征

土壤利用和土壤質量變化（lucc）及其土壤質量、生物地球化學循環(huán)、水文過程、氣候過程和生物多樣性等生態(tài)影響已成為全球變化的熱點。干旱內陸河流域土地資源豐富,但由于自然條件限制,生態(tài)環(huán)境極其脆弱,加之人口的持續(xù)增長和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,人類利用土地資源的強度不斷增大,隨之產(chǎn)生了水土流失擴大、生物多樣性降低、災害加劇等生態(tài)問題,成為當前內陸河流域土地資源開發(fā)中的主要障礙。特別是近50a來土地利用格局發(fā)生了巨大變化,絕大多數(shù)內陸河流域出現(xiàn)了下游河道徑流量不斷減少的趨勢,并引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題。該文嘗試基于景觀格局定量分析法,研究新疆阿克蘇地區(qū)臺蘭河流域土地利用變化,闡明區(qū)域土地利用變化規(guī)律及其生態(tài)效應,為流域尺度水土資源合理開發(fā)提供科學依據(jù)。1數(shù)據(jù)來源和研究方法1.1洪積平原區(qū)氣候特點臺蘭河流域位于新疆溫宿縣境內,地理坐標為80°21′44″-81°10′14″E,40°41′41″-42°15′13″N。該區(qū)地勢北高南低,流域分為山區(qū)和沖洪積平原區(qū),總面積3871km2。山區(qū)海拔在1200～1400m之間,植被稀少,多為礫石戈壁和少量耕地。平原區(qū)海拔在1000～1200m之間,主要為灌區(qū)和易墾荒地,適宜于糧、棉、油等種植業(yè)的發(fā)展。流域氣候屬于大陸性溫帶干旱氣候,老綠洲氣候干燥,日照充足,多風沙,降水稀少,蒸發(fā)較大,晝夜溫差大。年降水量山區(qū)為500～700mm,而平原區(qū)僅為62mm。蒸發(fā)量丘陵區(qū)在800～1000mm,平原區(qū)在1200～1900mm。年均氣溫7.9℃,年均風速為1.7m/s。1.2基于數(shù)據(jù)的土地利用景觀類型組成以臺蘭河流域1990年、2000年、2005年的遙感影像解譯的土地利用圖為主要信息源,參考1996年溫宿縣土地利用現(xiàn)狀圖和2005年DEM高程圖,并結合野外調查獲取的臺蘭河流域土地利用狀況和自然地理基礎資料,進行景觀類型組成和變化信息分析。在Erdas8.5和ArcGIS9.2軟件支持下,依據(jù)全國土地分類體系,結合臺蘭河流域土地資源的性質和特點,將研究區(qū)域土地利用類型劃分為6個一級景觀類型(耕地、林地、草地、水域、居民用地、未利用地)和20個二級景觀類型,建立流域1990年、2000年、2005年土地利用空間數(shù)據(jù)庫。通過對3個時期的矢量圖進行疊加分析,提取土地利用變化信息。1.3學習方法(1)變化的速度及變化中的類型差異單一類型土地利用動態(tài)度表現(xiàn)了某研究區(qū)在一定時間范圍內某種土地利用類型的數(shù)量變化情況,可以定量描述區(qū)域土地利用變化的速度及變化中的類型差異,其表達式如式(1)。K=Ub?UaUa×1T×100%(1)Κ=Ub-UaUa×1Τ×100%(1)式中:K——研究時段內某一類型土地利用動態(tài)度;Ua、Ub——研究期初和研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量;T——研究時段長。當T的時段設定為年時,K值就是該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率。(2)不同類型轉移的幅度土地利用流向百分比矩陣,不僅能夠反映土地利用變化的結構特征和各類型轉移變化的方向,還能對轉移的幅度進行量化。其計算方法是在轉移矩陣的基礎上,計算出1990-2005年各流出類型的面積占該類型面積的百分比(見表2)。(3)景觀格局度量上景觀格局指數(shù)已經(jīng)成為當前景觀定量化研究的手段之一,它可以比較不同景觀之間的空間分布和組合特征等結構差異,也可以用來定量描述和監(jiān)測景觀空間結構隨時間的變化。本文在景觀水平上選擇景觀面積類指數(shù)總斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、景觀多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI)和聚集度指數(shù)(CONTAG)等景觀格局指數(shù)作為臺蘭河流域景觀格局度量指標來反映景觀結構和景觀格局異質性。斑塊密度是表示景觀破碎度的指標之一,單位面積內的斑塊數(shù)越多景觀的破碎度越大;景觀多樣性指數(shù)的大小,反映景觀要素多少及景觀類型的復雜程度,土地利用越豐富,破碎化程度越高,指數(shù)值也就越高;景觀均勻度是描述景觀中不同景觀要素分布的均勻程度;聚集度指數(shù)反映景觀中不同的斑塊類型在景觀中的聚集或聚合程度。2結果與分析2.1土地利用類型的變化土地利用類型的數(shù)量變化反映在不同類型面積的變化上,通過分析土地利用類型的總量變化,可以掌握土地利用變化總趨勢及其結構變化,近15a來臺蘭河流域土地利用表現(xiàn)了明顯的變化,結果如圖1所示。1990-2005年,臺蘭河流域土地利用變化顯著,耕地和林地增加幅度較大(圖2)。耕地面積由51237.56hm2增加到86264.67hm2,年均增加2189.19hm2,動態(tài)度為0.68%,值得注意的是雖然耕地面積迅速擴大,但該區(qū)2003年中低產(chǎn)田占耕地面積的65%,作物產(chǎn)量平均為1223.35kg/hm2,是高產(chǎn)田的76.29%。林地由2133.44hm2增加到35681.30hm2,年均增加2096.74hm2,動態(tài)度為15.72%。草地面積由151208.64hm2縮減為91242.69hm2,共減少59965.95hm2,年均減少3747.87hm2,動態(tài)度為-0.40%。未利用地由178899.60hm2減少到168183.71hm2,年均減少669.74hm2,其動態(tài)度為-0.37%,其中沙地和裸地分別增加10443.36hm2和523.36hm2,鹽堿地減少了49272.43hm2。建設用地減少624.76hm2,動態(tài)度為-0.21%。水域變化顯著,由659.55hm2擴展到3391.17hm2,年均增加170.73hm2,動態(tài)度達4.14%。土地利用類型面積的增減并不能詳細反映類型之間具體的轉換情況。通過對土地利用變化面積數(shù)據(jù)再進行疊加運算和統(tǒng)計分析形成土地利用轉移矩陣,可以發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型之間的具體轉換情況。由臺蘭河流域2個時段的土地利用流向百分比矩陣(表1)可以發(fā)現(xiàn):(1)耕地是變化較大的土地利用類型,與草地、林地和未利用地之間的轉化占了相當比例。1990-2000年7.98%和3.58%的耕地轉為草地和林地,并有1.44%的耕地轉為未利用地(其中0.55%轉化為沙地,0.46%轉化為戈壁,0.43%轉化為鹽堿地)。同期13.50%的草地和3.26%的林地開墾為耕地。2000-2005年間13.70%的草地和4.55%的林地以及1.05%的未利用地轉為耕地。這表明:流域耕地面積不穩(wěn)定,存在棄耕和新墾耕地共存的局面。(2)林地主要向草地、未利用地和耕地轉化。部分林地開墾為耕地,中游耕地面積大量增加導致下游生態(tài)用水減少,流域天然胡楊林面積劇減,面積減少約30000hm2。但由圖2可以看出林地面積明顯呈增加趨勢,主要來自于草地、未利用地和耕地被改造為經(jīng)濟林。(3)草地凈減少59965.95hm2,1990-2000年草地大部分轉為耕地、林地和未利用地,分別占草地面積的13.50%、13.54%和19.49%,共計70364.33hm2,同時部分林地、未利用地和耕地轉為草地,分別為206.15hm2、21441.87hm2和4087.59hm2。2000-2005年14460.00hm2草地開墾為耕地?？梢娫黾拥牟莸孛娣e遠遠小于草地開墾為耕地和經(jīng)濟林的面積,導致草地面積迅速減小。(4)未利用地的變化也比較活躍,1990-2000年7.72%和11.99%的未利用地改造為林地和草地,而同期又有大量林地和草地(29604.44hm2)退化為未利用地,因草地和林地退化而增加的沙地和鹽堿地的面積分別為2647.24hm2和26981.86hm2。(5)水域和居民用地的增加主要占用耕地、林地和草地,也有部分水域轉變?yōu)槲蠢玫睾透?。由于人口增長和經(jīng)濟利益的驅使,大量草地和未利用地在此期間開墾為耕地和人工經(jīng)濟林,使耕地面積迅速增加,同時為滿足耕地灌溉用水,該區(qū)大力改、擴建引水工程,促使水域面積迅速擴大。大水漫灌,洪水期大量引洪灌溉,導致部分耕地棄耕。流域中游耕地面積大量增加導致下游生態(tài)用水減少,天然胡楊林面積劇減,部分地區(qū)沙化。區(qū)域土地利用變化總體結果顯示:流域生態(tài)用地數(shù)量逐漸減少,生產(chǎn)用地、退化土地面積不斷增加。2.2草地空間生態(tài)破碎度的變化1990年、2000年、2005年臺蘭河流域在景觀水平上的格局指數(shù)見表2。15a來研究區(qū)景觀的總斑塊數(shù)和斑塊密度減少,說明景觀斑塊的形狀復雜性在降低,景觀的穩(wěn)定性在削弱,聚集度指數(shù)由55.8226提高到64.3003,這主要是由于開荒導致草地、天然林地等一些生態(tài)斑塊喪失,使整個研究區(qū)景觀破碎度降低而連通性增加。耕地面積持續(xù)增加,且從整體上呈現(xiàn)集中化,自然覆被類型斑塊不斷萎縮,天然林地破碎化,分散小塊分布發(fā)展趨勢尤為突出。草地與耕地空間相鄰關系趨于密切,表明人為開墾草地的活動一直在持續(xù)。1990-2005年多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)明顯增大后無明顯變化,多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)的增加,說明該區(qū)的景觀異質性在增強,同時耕地和水域(水庫)面積增大而草地和天然林地面積的減少等現(xiàn)象,反映了人類對該地區(qū)景觀空間格局的影響程度加大。2.3水資源及農(nóng)業(yè)需水量臺蘭河灌區(qū)地表水資源量為7.42×108m3,平原區(qū)地下水天然補給量0.10×108m3/a,轉化補給量5.11×108m3/a,地下可開采利用量為50×108m3/a,臺蘭河灌區(qū)水資源總量為7.52×108m3/a。此外,從昆馬力克河通過革命大渠調入水量0.6×108m3/a。圖3為1990年、2000年和2005臺蘭河流域耕地面積變化情況,從圖上可以看出,從1990-2005年耕地面積持續(xù)增加。1998年、2000年和2005年臺蘭河流域農(nóng)業(yè)用水量為5.01×108m3、5.59×108m3和6.26×108m3。2000年臺蘭河平原區(qū)維護植被生態(tài)環(huán)境需水量為0.93×108m3,2005年為0.83×108m3。農(nóng)業(yè)用水的比例不斷增大,導致生態(tài)用水的比例不斷縮小。2.4生態(tài)恢復及生物多樣性增加從圖4可以看出,研究區(qū)草地面積顯著減少,而林地面積明顯增加。經(jīng)濟利益驅使及人口增長的壓力,大量草地及部分林地被開墾為耕地,使耕地連接度升高,耕地斑塊同化使得生境斑塊之間的隔離程度減小,有利于物種的擴散,加大了農(nóng)作物遭受病蟲害的風險;因此,該景觀破碎化程度變化降低了綠洲維護生態(tài)平衡及抵抗風險的能力。農(nóng)業(yè)結構調整,林地面積迅速增加,導致下游生態(tài)用水減少,引起流域土地沙化,沙地面積增加10443.36hm2。同時天然植被受到破環(huán),生物多樣性減少。綠洲面積的不斷擴大,盲目毀林毀草進行墾荒,自然植被被農(nóng)作物取代,使區(qū)域內水分、土壤條件都發(fā)生了較大變化,未被開墾的自然植被演替規(guī)律受到干擾,導致區(qū)域內生物種類減少、生物多樣性降低。臺蘭河流域分布著大面積的天然植被,主要以胡楊、紅柳和旱生荒漠草本植物為主。而目前流域內天然胡楊林北部邊緣已向南后退約20km,面積減少約30000hm2。2.5灌溉對土壤鹽堿化的影響由圖5可知,1990-2005年研究區(qū)鹽堿地面積顯著減少。1990年、2000年和2005年臺蘭河流域鹽堿地面積分別為105599.70hm2、86239.89hm2和85054.80hm2,老綠洲土壤鹽漬化面積總體呈減小趨勢,由轉移矩陣可知,大量鹽堿地開墾為耕地。臺蘭河流域灌區(qū)規(guī)劃報告統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,該流域共有棄耕地13660.00hm2,其中因缺水和工程不配套而形成的棄耕地面積約有5453.33hm2,因鹽堿化程度嚴重而形成的棄耕地面積約有8206.66hm2。新綠洲及綠洲外圍局部地區(qū)土壤鹽漬化呈惡化趨勢。人類活動對植被的破壞、農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)上整地方式的粗放、種植品種的單一化都是鹽堿地形成的原因。不合理的灌溉是流域灌區(qū)內土壤鹽堿化形成的主要因素。采用大水漫灌,洪水期大量引洪灌溉,加之排水系統(tǒng)不完善,各鄉(xiāng)場干、支、斗排渠存在著嚴重淤積,大量的渠系輸水損失掉,補給地下水,導致地下水位升高,在強烈的蒸發(fā)作用下鹽分聚積于地表,造成耕地次生鹽堿化程度加重,導致農(nóng)業(yè)減產(chǎn),甚至棄耕。3土地利用變化與近生態(tài)環(huán)境惡化的關系根據(jù)以上分析初步得到如下結論:研究區(qū)土地利用類型以耕地和草地為主,未利用地面積較大。1990-2005年臺蘭河流域草地、天然林地面積銳減,耕地、經(jīng)濟林地和沙地面積不斷增加,表明生態(tài)用地數(shù)量逐漸減少,生產(chǎn)用地、退化土地面積不斷增加,反映出流域有大面積拓荒的趨勢。研究區(qū)土地利用類型變化的主要方向是草地、林地和未利用地轉化為耕地,部分林地、未利用地和耕地轉為草地,以及林地和草地退化為未利用地。各種景觀指數(shù)的分析驗證了土地利用變化與近幾年生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢,研究區(qū)景觀的破碎化程度降低而連通性增加,景觀斑塊的形狀復雜性降低,景觀的穩(wěn)定性削弱,景觀異質性增強,表明人類對該地區(qū)景觀空間格局的影響程度加大。隨著耕地面積的不斷增大,農(nóng)業(yè)需水在不斷增加,相應的生態(tài)用水在不斷減少,引發(fā)農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水之間的矛盾,天然植被受到破環(huán),生物多樣性減少。土壤鹽漬化面積總體呈減小趨勢,但局部地區(qū)土壤鹽漬化則持續(xù)惡化。區(qū)