2019, Vol. 39文章信息
- 李华林, 白林燕, 冯建中, 高华端, 冉启云, 于涛, 高旺旺
- LI Hualin, BAI Liyan, FENG Jianzhong, GAO Huaduan, RAN Qiyun, YU Tao, GAO Wangwang
- 新疆叶尔羌河流域胡杨林时空格局特征
- Analysis of spatio-temporal characteristics of Populus euphratica forests in the Yarkand River Basin, Xinjiang
- 生态学报. 2019, 39(14): 5080-5094
- Acta Ecologica Sinica. 2019, 39(14): 5080-5094
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201811012364
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文章历史
- 收稿日期: 2018-11-10
- 修订日期: 2019-02-19
2. 中国农业科学院农业信息研究所, 北京 100081;
3. 贵州大学林学院, 贵阳 550025
2. Agricultural Information Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
3. College of Forest, Guizhou University, Guizhou 550025, China
叶尔羌河是塔里木盆地西部最大的河流, 孕育着新疆最大的绿洲之一—叶尔羌绿洲, 是保障新疆塔里木河生态系统健康运行的重要源流之一, 对维护流域乃至整个新疆生态环境安全、促进新疆经济发展具有重要的作用[1-2]。叶尔羌河流域地处塔里木河上游地区, 属于典型极端干旱区[3], 生态系统脆弱, 极易受到气候变化和人类活动的影响。近年来, 在自然和强烈的人为干扰下, 流域内河道断流现象频繁发生[4], 以胡杨林为代表的荒漠河岸林日益衰败, 减弱了其防风固沙、调节气候、维持绿洲生态可持续发展等作用[5-6]。因此, 准确掌握叶尔羌河胡杨林时空格局变化特征, 对保护和恢复叶尔羌河流域生态环境、保障“一带一路”生态文明建设顺利实施有着十分重要的意义。
胡杨(Populus euphratica Oliv)是杨柳科杨属中最古老、最原始的木本植物, 它具有抗寒、抗热、抗干旱、抗风沙、耐盐碱等优良特性, 是新疆干旱荒漠区天然林的建群树种和珍贵的抗逆种质资源, 有着重要的生态作用[7]。研究表明, 水分条件仍然是制约胡杨林生长发育的主要因素, 决定其群落结构和功能及植物个体形态和生理特征[8]。胡杨根系是吸收土壤水分和养分的关键, 根系的分布决定着水资源的利用效率[9]；水分分布和盐分条件影响着胡杨母树和种子育苗的繁殖模式, 对胡杨林的更新产生深刻的影响[10]；生态输水能有效地改善胡杨林的局部生态环境[11-12]。目前, 对新疆胡杨林流域尺度的研究主要集中在塔里木河干流。例如：崔彦军等[13]、胡新振等[14]、金文斌等[15]、万红梅等[16]利用遥感方法提取塔里木河干流胡杨林信息特征；黄青等[17]、王亮[18]、赵虎等[19]通过遥感分析方法对塔里木河干流土地利用景观格局进行评价与分析；朱绪超等[20]、陈海燕等[21]、张绘芳等[22]利用遥感方法研究塔里木河干流植被群落结构特征及变化趋势；王家强等[23]采用高光谱技术研究塔里木河上游胡杨和灰叶胡杨叶片氮素含量。而对塔里木河上游叶尔羌河流域胡杨林研究较少, 只涉及到胡杨林的碳、氮含量特征、胡杨林演变规律以及胡杨林生态保护对策等方面, 对利用遥感方法监测叶尔羌河流域胡杨林时空格局的研究极少。如：王晶等[24]研究叶尔羌河流域荒漠河岸林胡杨碳、氮含量特征, 结果表明不同季节胡杨叶片C、N含量不同；李靖等[25]采用系统动力学和隶属度结合的方法建立了流域生态承载力模型, 确定了叶尔羌河流域的最优发展方案；陈超群[26]探讨了叶尔羌河流域胡杨林的演变规律及生态保护政策；程仲雷等[27]、胡林金等[28]、凌红波等[29]、孙本国等[30]利用水文资料对叶尔羌河径流量与降水量变化进行了分析研究。鉴于此, 本文基于1995—2015年Landsat TM/OLI长时间序列土地利用遥感监测数据, 通过土地利用程度变化来揭示区域土地利用状况和变化趋势；利用景观指数分析胡杨林时空格局动态变化特征, 旨在揭示叶尔羌河流域胡杨林时空格局动态变化规律及其对气候变化和人类活动的响应, 为保护叶尔羌绿洲和恢复叶尔羌河流域生态系统提供科学依据。
1 研究区概况叶尔羌河流域位于新疆维吾尔族自治区西南部, 塔里木盆地西部(图 1), 地理坐标为74°28′—80°54′E, 34°50′—40°31′N[5]。叶尔羌河发源于喀喇昆仑山, 全长1097 km, 多年平均径流量为66.3亿m3, 且年际和年内流量分布不均, 6—8月来水量较大, 径流主要靠冰川融雪和降雨补给, 最终汇入塔里木河。在帕米尔高原、喀喇昆仑山和南天山的阻碍作用下, 使大西洋和印度洋暖、湿气流无法入境, 导致区域常年干旱少雨, 空气干燥, 多年平均降雨量为30—60 mm, 属于典型干旱大陆性气候。流域内光热资源丰富, 日照时间长, 蒸发强烈, 年均气温为11.9—12.1℃, 最高温为39.4℃, 最低气温为-25℃[31]。土壤主要以沙壤土、板结盐碱土为主, pH值为7.5—8.5[32]。
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| 图 1 研究区域位置 Fig. 1 The study area |
本文数据主要包括土地利用数据、社会经济数据和气象数据。土地利用数据为北京宇世蓝图信息技术有限公司基于Landsat TM/OLI遥感影像数据, 通过人工目视解译方法生产的1995年、2005年、2015年3期栅格产品数据, 其空间分辨率为30 m, 土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、居民用地和未利用地6个一级利用类型。本研究采用叶尔羌河流域1995年、2005年Landsat5 TM(30 m)和2015年Landsat5 OLI(30 m)7、8、9月的遥感影像数据(http://www.gscloud.cn/), 基于RULEGEN决策树分类方法[33]并结合人工目视解译提取天然胡杨林, 并更新至已有的土地利用产品数据中, 最终得到包括耕地、胡杨林、草地、其他林地、水域、居民地、未利用地7个类型的土地利用数据。每期数据选择3个固定验证样区进行精度验证, 1995年使用Landsat5 TM(30 m)数据, 2005年使用Terra ASTER(15 m)数据(https://glovis.usgs.gov/), 2015年使用GF1 PMS1(8 m)数据(http://210.72.27.21:8790/SNFFWeb/WebUI/HomePage.jsp)通过人工目视解译方法得到验证样区土地利用分类数据, 样区土地利用数据与基于RULEGEN的决策树分类的土地利用数据构建混淆矩阵进行精度验证评价[34](表 1)。社会经济数据来源于《新疆统计年鉴》(1995—2016年)各地、州、市、县(市)的耕地面积、人口数、地区生产总值以及自然资源状况等数据。气象数据来自于中国气象数据网(http//cdc.cma.gov.com)“中国地面气候资料年值数据集”, 数据集包括气压、气温、水汽压、相对湿度、风向风速、降水、蒸发量和日照等8个要素的历年年值数据, 本文选取研究区内气象站点1995—2015年21期年平均气温和年降水量数据。
| 样区 Sample sites |
1995 | 2005 | 2015 | |||||
| 总体精度/% Overall accuracy |
Kappa系数 Kappa coefficient |
总体精度/% Overall accuracy |
Kappa系数 Kappa coefficient |
总体精度/% Overall accuracy |
Kappa系数 Kappa coefficient |
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| 四十八团 | 81.35 | 0.72 | 80.14 | 0.76 | 80.68 | 0.79 | ||
| 永安坝水库 | 80.20 | 0.73 | 78.42 | 0.69 | 86.19 | 0.80 | ||
| 夏河林场 | 81.14 | 0.78 | 82.25 | 0.81 | 78.31 | 0.76 | ||
本文基于1995—2015年Landsat TM/OLI长时间序列土地利用遥感监测数据, 利用土地利用程度变化指数、转移矩阵以及景观指数对新疆叶尔羌河流域胡杨林时空变化进行监测与分析。(1)野外样方调查：采用样带调查方法对叶尔羌河流域天然胡杨林进行野外调查, 在叶尔羌河中、下游天然胡杨林分布区, 选择具有代表性的6个调查地点(图 1), 在调查地点垂直河岸不同距离(250 m, 500 m, 1000 m, 1500m)设立20 m×20 m调查样方进行群落调查。(2)转移矩阵(图 2)：土地利用转移矩阵反映某一区域某一时段初期(T)和期末(T+1)各土地利用类型之间相互转化的动态过程信息[35], (3)土地利用指数(表 2)：本文利用单一土地利用动态度、单一土地利用空间动态度、单一土地利用变化状态指数评价土地利用的变化速率和现状。单一土地利用动态度表征某土地利用类型数量变化；单一土地利用空间动态度表征某类型在空间变化及其变化频率；单一土地利用变化状态指数表征某类型的趋势和状态。(4)景观指数(表 2)：以充分表征景观组成、结构和反映景观全局及各类型变化为原则, 结合研究目标和尺度选择具有相同生态学意义的景观指数, 最终选取斑块密度(Patch density)、最大斑块指数(Largest patch index)、散布与并列指数(Interspersion and juxtaposition index)、结合度指数(Patch cohesion index)共4个类型水平景观指数；选取景观形状指数(Landscape shape index)、蔓延度指数(Contagion index)、分离度指数(Splitting index)、Shannon多样性指数(Shannon′s diversity index)、Shannon均匀度指数(Shannon′s evenness index)共5个景观水平指数[36]。
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| 图 2 土地利用转移过程 Fig. 2 Land use transfer process T：初期, The beginning of land use types；T+1：末期, The end of land use types；A、B、C、D、E、F：不同土地利用类型, Different land use types |
| 指数 Index |
计算公式 Calculation formula |
物理意义 Physical meaning |
生态学含义 Ecology meaning |
| 土地利用动态度 Land use dynamics |
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Ua为研究开始某一地类面积(km2)；Ub为研究末期某一地类面积(km2)；T为研究时段 | 表征土地利用类型变化速度和幅度 |
| 土地利用空间动态度 Spatial dynamics of land use |
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Uin为研究时段T内其他类型转变为该类型面积之和；Uout为研究时段T内某一类型转其他类型面积之和；Ua为研究开始某一地类面积 | 表征某一土地利用类型空间变化程度 |
| 土地利用变化状态指数 Land use change state index |
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Uin为研究时段T内其他类型转变为该类型面积之和；Uout为研究时段T内某一类型转其他类型面积之和 | 表征某一土地利用类型变化的趋势和状态 |
| 斑块密度 Patch density |
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N为景观中斑块总数；A为景观总面积 | 表征景观被分割的破碎化程度 |
| 最大斑块指数 Largest patch index |
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aij为斑块ij的面积；A为景观总面积 | 表征某一类型最大斑块在整个景观中所占比例 |
| 散布与并列指数 Interspersion and juxtaposition index |
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eik为与类型为k的斑块相邻的斑块i的边长；m为景观类型数 | 表征景观空间格局最重要的指标之一, 对受某种自然条件严重制约的生态系统分布特征反映显著 |
| 结合度指数 Patch cohesion index |
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Pij为斑块ij的周长；aij为斑块ij的面积 | 表征景观水平上度量各景观类型的物理连接度 |
| 景观形状指数 Landscape shape index |
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eik*为与类型为k的斑块相邻的斑块ij的边长；A为景观总面积 | 表征景观斑块形状的复杂或规则程度 |
| 蔓延度指数 Contagion index |
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Pi为斑块类型i所占景观面积的比例；gik类型i和类型k之间相邻的格网单元数目；m为景观斑块总数 | 表征景观里不同斑块类型的团聚程度或延展趋势 |
| 分离度指数 Splitting index |
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aij为斑块ij的面积；A为景观总面积 | 表征景观内某一景观类型中斑块之间分离程度的指数 |
| Shannon多样性指数 Shannon′s diversity index |
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Pi为斑块类型i所占景观面积的比例 | 表征景观多样性的指数 |
| Shannon均匀度指数 Shannon′s evenness index |
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Pi为斑块类型i所占景观面积的比例；m为景观类型数 | 揭示景观内是否存在明显的优势类型, 各类型分布是否均匀的指数 |
1995—2015年间, 叶尔羌河流域土地利用类型面积发生了显著变化(图 3), 流域内草地、水域、未利用地占主要类型, 其总面积在三期土地利用中分别占91.03%、88.90%和92.60%。耕地和居民地面积呈上升趋势, 比重由1995年的5.73%增加到2015年的9.72%, 面积增加3810.14 km2；胡杨林面积呈下降趋势, 比重由1995年的2.01%下降至2015年的1.73%, 面积减少263.90 km2。1995—2005年, 其他林地(除胡杨林外)和水域面积分别增加306.57 km2和2435.09 km2, 而2005—2015年, 其他林地和水域面积分别减少622.85 km2和4370.36 km2。1995—2005年, 草地面积减少1942.60 km2, 而2005—2015年, 草地面积增加1268.95 km2。
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| 图 3 1995—2015年叶尔羌河流域土地利用类型 Fig. 3 Land use types of the Yarkant River Basin from 1995 to 2015 |
根据野外调查和图 3可知：胡杨林沿主河道、支流以走廊式分布在叶尔羌河中、下游地区, 而上游地区分布较少。胡杨林主要分布在四十八团至三河口河道两侧、低阶地、河漫滩以及冲积平原等区域。四十八团至永安坝段受小海子、永安坝水库和叶尔羌河地下水的补给, 其土壤湿润, 养分充足, 胡杨林长势旺盛, 植物群落复杂, 具有乔、灌、草三层结构；永安坝至夏河林场段胡杨林受拦截洪水漫灌, 胡杨林长势较好, 幼成林较多, 植物群落单一；夏河林场至三河口段地下水较深, 胡杨林长势较差, 林地稀疏, 无幼成林, 呈散生状态, 且胡杨林向河道逐渐缩减, 受沙漠侵袭较严重。总体上, 随着远离河道主轴线, 植物种类逐渐减少和植被结构趋于简单, 胡杨林个体长势逐渐下降和衰败。叶尔羌河下游水资源缺乏, 胡杨林逐渐衰退, 植被生态系统活力、结构自我调节能力和恢复能力趋向退化, 加上人为干预破坏系统承载力, 导致胡杨林大面积死亡。
3.1.2 土地利用动态变化根据叶尔羌河流域1995—2015年土地利用动态变化情况(图 4)可知, 近20年耕地和居民地土地利用动态度和变化状态指数较高, 表明该土地利用类型变化幅度较大, 增速较快, 面积有持续增加的趋势。1995—2005年时段内耕地土地利用动态度和变化状态指数均高于2005—2015年时段, 表明耕地面积增幅降低和增速有减缓的趋势, 而居民地面积增速加快。其他林地土地利用动态度由从1995—2005年的2.61%降低到2005—2015年的-4.20%, 表明其他林地在1995—2005年内增速和增幅较大, 而在2005—2015年内减少, 在研究时间序列内变化剧烈。从土地利用空间动态度来看, 近20年其他林地和居民地土地利用空间动态度较大, 表明该时期其他林地和居民地转移面积较多, 空间转移频繁；而水域、未利用地及草地空间动态度较少, 表明此三种土地利用类型空间变化频率小。
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| 图 4 1995—2015年叶尔羌河流域土地利用变化 Fig. 4 The land use types change in the Yarkant River Basin from 1995 to 2015 |
胡杨林土地利用动态度从1995—2005年的1.04%降低到2005—2015年的0.38%；土地利用变化状态指数从1995—2005年的-0.10升高到2005—2015年的-0.06, 表明胡杨林在研究时段内面积持续减少, 并幅度减少和速度有减缓的趋势。从空间上来看, 胡杨林土地利用空间动态度从1995—2005年的10.35%降低到2005—2015年的6.77%, 表明胡杨林在1995—2005年内土地利用类型转换频繁, 空间变化频率较高, 而2005—2015年有减缓的趋势。1995—2005年胡杨林的减少速度较快, 而且一直呈现持续减少的趋势, 这与人口对耕地的需求逐渐增加、人们对资源的合理开发意识较低以及对胡杨林的保护意识较差有关, 最终导致胡杨林面积减少。而2005—2015年胡杨林减少的速度变缓, 减少的趋势在降低, 这与叶尔羌河流域逐步完善生态用水配套体系、强化水资源节约保护意识、新疆实施天然林保护措施以及强有力的水资源管理制度有显著的关系。但总体上叶尔羌河下游地区水资源匮乏, 胡杨林呈减少的趋势, 与王芳[37]、徐培军等[38]的研究一致。
3.2 胡杨林转移时-空变化为了揭示胡杨林空间格局的变化情况, 通过统计、计算和制图得到研究区胡杨林与其他土地利用类型间的占比和空间转移分布图(图 5)。1995—2005胡杨林转移较为剧烈, 其总转移面积占胡杨林总面积的70.60%。胡杨林转为其他土地利用类型面积较多, 占胡杨林总面积的38.84%, 主要向未利用地和草地转移；而由其他土地利用类型转为胡杨林的面积占胡杨林总面积的31.76%, 主要由草地和其他林地转入。2005—2015年胡杨林转为其他土地利用类型面积较多, 占胡杨林总面积的27.10%, 主要向未利用地和草地转移；而由其他土地利用类型转为胡杨林的面积占胡杨林总面积的24.23%, 主要由草地和其他林地转入。1995—2005年, 永安坝至夏河林场段受人类活动的影响剧烈, 胡杨林和耕地过渡区域有大片的胡杨林被迫转为耕地, 耕地向叶尔羌河道扩张；而夏河林场至三河口段, 在远离叶尔羌河道的区域胡杨林面积逐渐减少, 转为草地和未利用地。胡杨林增加主要分布在河道两侧和水库周边, 胡杨林更新较快, 存在天然幼龄林。2005—2015年, 随着叶尔羌河下游水资源的逐渐减少, 夏河林场至三河口段远离河道的胡杨林逐渐衰败, 向未利用地转移。在人类生态环境的重视以及产业结构转型的条件下, 胡杨林乱砍乱伐以及毁林开荒的现象减小, 胡杨林增加区域主要分布在河漫滩与冲积平原地区, 该区域土壤湿度较大, 土壤含水量较高, 土壤生物较多, 能为胡杨林提供充足的水分和养分满足胡杨生长需求。
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| 图 5 1995—2015叶尔羌河流域胡杨林变化 Fig. 5 The change of Populus euphratica forests in the Yarkant River Basin from 1995 to 2015 |
为了定量揭示胡杨林与其他土地利用类型的相互转移情况, 通过土地利用类型转移矩阵反映各土地利用类型之间相互转移动态过程信息(图 6)。1995—2015胡杨林主要向草地、其他林地、未利用地和耕地转移, 同时部分未利用地、草地和其他林地转为胡杨林。胡杨林向居民地和水域转移面积较少, 同时水域、耕地及居民地向胡杨林转移较少。1995—2005年胡杨林向草地、其他林地和耕地面积分别转移667.3 km2、252.66 km2、116.13 km2；草地、其他林地和未利用地分别向胡杨林转移547.13 km2、199.85 km2、135.09 km2。2005—2015年胡杨林主要向未利用地、草地和其他林地面积分别转移310.35 km2、221.07 km2、55.76 km2, 而草地、其他林地和未利用地分别向胡杨林转移296.46 km2、173.57 km2、67.25 km2。总体上, 近20年内叶尔羌河流域天然胡杨林与草地、未利用地和其他林地转移频繁, 而与居民地和水域相互转移较少。
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| 图 6 1995—2015年叶尔羌河流域胡杨林时空间转移 Fig. 6 Spatio-temporal transfer of Populus euphratica forests in the Yarkant River Basin from 1995 to 2015 UTP：未利用地向胡杨林转移, Unused land transfer to Populus euphratica forests；RTP：居民地向胡杨林转移, Residential area transfer to Populus euphratica forests；WTP：水域向胡杨林转移, Water area land transfer to Populus euphratica forest forests；GTP：草地向胡杨林转移, Grassland land transfer to Populus euphratica forests；OTP：其他林地向胡杨林转移, Other forestland transfer to Populus euphratica forests；FTP：耕地向胡杨林转移, Cultivated land transfer to Populus euphratica forests；PTU：胡杨林向未利用地转移, Populus euphratica forests transfer to unused land；PTR：胡杨林向居民地转移, Populus euphratica forests transfer to residential area；PTW：胡杨林向水域转移, Populus euphratica forests transfer to water area；PTG：胡杨林向草地转移, Populus euphratica forests transfer to grassland land；PTO：胡杨林向其他林地转移, Populus euphratica forests transfer to other forestland；PTF：胡杨林向耕地转移, Populus euphratica forests transfer to cultivated land |
草地和胡杨林斑块密度(PD)较大, 耕地、水域以及居民地斑块密度较小(表 3), 表明草地和胡杨林分布较集中, 而水域和居民地分布比较分散；胡杨林PD从1995年的0.19增加到2005年的0.56, 然后再减少到2015年的0.35, 总体呈增加趋势。草地和未利用地最大斑块指数(LPI)最大, 而其他地类值较小, 说明草地和未利用地占主要类型；胡杨林LPI从1995年的0.35增加到2015年0.58, 说明胡杨林在研究时序内空间分布上逐渐连片。居民地散布与并列指数(IJI)最低, 说明居民地分布较分散, 邻近度低, 而其他地类相对集中。1995—2015年胡杨林IJI指数一直增加, 从50.11增加到60.23, 说明胡杨林分布越来越集中, 彼此为邻, 分离度逐渐降低。其他林地和居民地斑块结合度指数(COHESION)较低, 而其他的五类土地利用类型斑块结合度指数较高接近100, 说明居民地和其他林地的连通性较差, 分布相对分散, 空间连接性较低。胡杨林斑块结合度指数变化幅度较小, 但呈增加趋势, 说明其分布逐渐集中, 空间连接性越来越高。胡杨林景观格局变化剧烈, 胡杨林斑块密度、最大斑块指数和散布与并列指数呈增加趋势, 斑块结合度指数相对较高。1995—2015年, 永安坝至夏河林场段胡杨林逐渐向叶尔羌河道缩减；而夏河林场至三河口段因水资源减少和地下水位下降, 在远离叶尔羌河区域的胡杨林逐渐趋于死亡, 导致胡杨林分布逐渐集中、景观破碎度降低、连通性呈上升趋势。
| 年份Years | 土地利用类型 Land use types |
斑块密度 Patch density |
散布与并列指数 Interspersion and juxtaposition index |
最大斑块指数 Largest patch index |
结合度指数 Patch cohesion index |
| 1995 | 耕地Cultivated land | 0.01 | 64.57 | 0.84 | 99.76 |
| 其他林地Other forestland | 0.10 | 68.02 | 0.04 | 97.78 | |
| 草地Grassland | 0.21 | 81.76 | 20.72 | 99.94 | |
| 水域Water area | 0.02 | 46.96 | 8.39 | 99.92 | |
| 居民地Residential area | 0.01 | 38.90 | 0.01 | 96.11 | |
| 未利用地Unused land | 0.04 | 59.62 | 8.31 | 99.90 | |
| 胡杨林Populus euphratica forests | 0.19 | 50.11 | 0.35 | 99.51 | |
| 2005 | 耕地Cultivated land | 0.01 | 71.37 | 1.16 | 99.86 |
| 其他林地Other forestland | 0.08 | 76.96 | 0.08 | 98.62 | |
| 草地Grassland | 0.19 | 81.05 | 20.93 | 99.93 | |
| 水域Water area | 0.02 | 45.45 | 7.98 | 99.92 | |
| 居民地Residential area | 0.01 | 29.12 | 0.02 | 95.86 | |
| 未利用地Unused land | 0.10 | 72.57 | 4.92 | 99.86 | |
| 胡杨林Populus euphratica forests | 0.56 | 54.64 | 0.54 | 99.51 | |
| 2015 | 耕地Cultivated land | 0.01 | 79.60 | 3.49 | 99.92 |
| 其他林地Other forestland | 0.07 | 82.37 | 0.04 | 96.93 | |
| 草地Grassland | 0.12 | 77.44 | 20.42 | 99.95 | |
| 水域Water area | 0.02 | 51.20 | 5.33 | 99.87 | |
| 居民地Residential area | 0.02 | 20.83 | 0.03 | 96.52 | |
| 未利用地Unused land | 0.14 | 72.99 | 6.17 | 99.92 | |
| 胡杨林Populus euphratica forests | 0.35 | 60.23 | 0.58 | 99.55 |
整体景观形状指数(LSI)呈先增后减的趋势(图 7), 分别由1995年的84.67增加到2005年的93.44, 再下降至2015年的90.56, 整体上增加5.89。说明研究区在20年内景观形状越来越不规则, 越来越复杂多样。Shannon多样性指数(SHDI)和Shannon均匀度指数(SHEI)呈现相同的变化趋势, 1995—2005年, 呈现增加的趋势, 分别由1995年的1.35和0.69增加至2005年的1.41和0.72, 表明景观内土地利用越来越丰富, 破碎化程度较高, 景观异质性、多样性及均匀度增加, 景观类型向复杂化发展。2005—2015年, 呈现减少趋势, 分别下降至2015年的1.38和0.71, 表明景观内土地利用越来越单一, 优势度明显, 景观异质性、多样性及均匀度减弱, 景观类型向单一发展。蔓延度指数(CONTAG)呈现先减后增的趋势, 分离度指数(SPLIT)呈现先增后减的趋势, 表明1995—2005年, 景观要素连接性逐渐变弱, 聚集程度降低, 离散和分离程度增加, 景观趋于复杂化；2005—2015年, 景观要素连接性逐渐变强, 聚集程度增加, 离散和分离程度减弱, 优势度斑块类型比例逐渐增加, 景观趋于稳定。总体上, 1995—2015年间叶尔羌河流域LSI、SPLIT、SHEI、SHDI指数增加, CONTAG指数减少。景观异质性、多样性及均匀度增加、破碎和分离程度较高、景观类型向复杂化发展。
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| 图 7 叶尔羌河流域胡杨林景观指数变化 Fig. 7 Changes of landscape indices of Populus euphratica forests in the Yarkant River Basin SHDI：Shannon多样性指数, Shannon′s diversity index；SHEI：Shannon均匀度指数, Shannon′s evenness index；CONTAG：蔓延度指数, Contagion index；SPLIT：分离度指数, Splitting index；LSI：景观形状指数, Landscape shape index |
气候变化是影响土地利用和景观格局变化的主要因素, 降水和气温变化又是气候要素中相对活跃的影响因子；叶尔羌河流域是典型的冰雪融水补给河流[39], 其出山口卡群水文站水文资料对研究叶尔羌河流域水资源具有重要的价值。因此, 本文以降水、气温和卡群站径流量三个气象因子分析气候变化对叶尔羌河流域胡杨林时空格局的影响。由图 8可见, 1995—2005年, 平均年降水量为67.29 mm, 其中1996年与2002年降水量较大, 分别为153.70 mm和152.70 mm, 年际降水波动较大, 平均降水量低；年平均气温为12.54℃, 其中, 1996年平均气温最低11.30℃, 而2004年平均气温最高13.30℃, 气温趋于平稳, 径流量变化较小。2005—2015年, 平均降水量为60.84 mm, 降水量趋于平稳, 年际降水波动较小；年平均气温为12.61℃, 其中, 2012年平均气温最低为11.60℃, 气温波动幅度较大, 平均气温有所升高, 径流量变化较大。整体上, 降水年际变化明显, 降水量呈减少趋势；年际平均气温年际变化明显, 平均气温呈上升趋势；径流量呈增加趋势；总体呈现出“冷湿-暖干”变化的趋势。温度升高加快冰雪融化, 径流量有增加的趋势, 而降水直接对冰川和径流进行补给, 降水增加使冰川区积累量增加, 调节河道径流量[40]。
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| 图 8 1995—2015年叶尔羌河流域气象因子统计 Fig. 8 Statistical chart of meteorological factors in the Yarkant River Basin from 1995 to 2015 |
叶尔羌河流域属于典型的干旱地区, 降水量、温度和径流量是影响胡杨林生长的主要因素。四十八团至永安坝段水资源丰富, 胡杨林受气候变化的影响较少, 胡杨林有增加的趋势。而永安坝至夏河林场段, 胡杨林受气候变化较为明显, 温度升高使蒸发加快, 而降水减少使该区域更加干旱, 使胡杨林逐渐衰败。夏河林场至三河口段自然条件更为恶劣, 在气候向“暖干”变化的趋势下, 胡杨林向河道逐渐缩减, 逐渐转为未利用地。总体上：温度、径流量、降水三者相互影响, 气温升高, 降水减少使胡杨林逐渐衰败；径流量有增加的趋势, 但在上游新修水利工程和人类活动的影响下, 使中、下游地区径流量减少, 地下水位逐渐变深[41], 导致下游胡杨林逐渐转化为未利用地, 夏河林场至三河口段尤为明显。可见气候变化对土地利用变化、胡杨林生长情况、草地等景观格局影响较大。
3.4.2 人类活动人类活动是人类为了生存发展和提升生活水平而进行的活动, 而这些活动是通过人口、地区生产总值等经济社会指标表征。人口是人类社会经济中最主要的因素；国内生产总值(GDP)是地区农业、工业和服务业等发展状况的综合反映, 也反映了一个地区的经济发展水平；第一产业对胡杨林、林地、耕地等景观结构变化影响极大。因此, 本文以人口、第一生产比重、GDP三个社会因子分析人类活动对叶尔羌河流域胡杨林时空格局的影响。从图 9可知：1995—2005年, 人口增长速率较快, 增加21.29%；GDP增长平稳, 增长幅度小；第一产业比重先升高后降低。2005—2015年, 人口增长较前10年较缓, 增加18.02%；GDP增长迅速, 增长幅度巨大, 是2005年的4倍；第一产业比重持续下降。总体上, 人口持续增加, 从1995年的175.45万人增加到20015年的251.12万人, 增加43.13%。人口增长使城镇快速扩张, 增加居民地面积, 而为保障农民生活需发展农业经济, 因此破坏草地、其他林地以及胡杨林地, 共使140.59 km2胡杨林转移到耕地。GDP持续增长, 呈现先缓后迅速的增长趋势；第一产业比重呈现先增加后持续降低的趋势, 表明随着经济的发展, 产业越来越多样化, 经济发展迅速, 第一产业比重先增加后持续下降, 而使耕地面积增加, 随着第一产业比重的下降, 草地和未利用地面积增加。
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| 图 9 1995—2015年叶尔羌河流域人口、GDP及第一产业比重变化趋势 Fig. 9 Change trends of population, GDP, and proportion of primary industry in Yarkant River Basin from 1995 to 2015 |
叶尔羌河流域是塔里木河流域重要的生态系统, 同时处于塔克拉玛干沙漠北部, 是叶尔羌绿洲的屏障, 其地理位置极其特殊与重要。本文基于长时间序列遥感数据, 通过土地利用指数、转移矩阵以及景观指数对叶尔羌河流域胡杨林时空格局变化进行动态监测与分析, 为叶尔羌河流域生态系统恢复及胡杨林保护提供参考。本次研究时间序列适中, 但研究时间间隔较长, 由于胡杨林在沙漠化地区植被覆盖度较低, 同时与其他地类差异较小, 通过遥感影像准确提取胡杨林难度较大。因此, 后续研究可以根据遥感影像其颜色特征、纹理特征、光谱特征, 结合计算机深度学习建立胡杨林特征数据库, 实现全自动提取胡杨林面积分布, 更高效, 更准确, 更快速地完成分类, 增加本研究时间序列和减少研究间隔。
本研究表明, 耕地、居民地增加, 而水域、草地、胡杨林减少, 与前人研究一致。例如：张广朋等[42]探讨综合治理项目实施前后叶尔羌河流域生态与环境结果表明：流域土地利用变化强烈, 且2000—2010年比1990—2000年土地利用变化速度比慢, 草地面积呈减少趋势；许艾文等[43]通过遥感数据研究了1978—2015年喀喇昆仑山克勒青河流域(叶尔羌河支流)冰川变化情况, 结果表明：近二十年来水域面积呈减少的趋势, 流域冰川近40年面积减少145.78 km2；王芳[37]研究表明耕地和居民地面积一直增加, 区域土地利用变化是自然和人类活动共同作用的结果, 而人口快速增长占主要因素。对叶尔羌河流域胡杨林研究表明[44-46]：叶尔羌河流域气候变化和人类活动共同影响胡杨林生境, 而不同区域影响胡杨林景观格局的主导因子不同。四十八团至夏河林场段, 水资源相对丰富, 盲目开荒、过度樵采、不合理采伐等人类活动是胡杨林减少的主要因素, 胡杨林主要转为耕地；而在夏河林场至三和口段, 远离城市, 胡杨林主要受气候变化影响, 同时受叶尔羌河上、中游河道拦河筑坝、拦截洪水的影响, 导致下游径流量减少, 地下水位下降, 使胡杨向河道缩减逐渐变为沙漠。干旱区域水资源是影响区域景观格局的关键因子, 应如何恢复胡杨林生态系统, 保障流域生态安全？李靖等[25]研究表明通过节流、治污、开源、合理调控水资源、提高水资源利用率和加强流域生态建设是提高该流域生态承载力和恢复植被生态系统的具体措施[25]。综上所述, 在气候变化和人类活动的干预下, 叶尔羌河流域胡杨林景观格局发生了显著变化, 胡杨林逐渐衰败。因此, 构建生态用水法律保障, 严格执行流域限额用水制度, 统筹协调生活、生产和生态用水, 调整生产结构, 控制人口增长速度以及实施胡杨林保护措施, 有望实现叶尔羌河流域水资源可持续利用和生态系统恢复的目标。
5 结论(1) 胡杨林面积持续减少, 从1995年的1916.15 km2减少到2015年的1652.25 km2, 面积减少了263.90 km2。胡杨林土地利用动态度和空间动态度分别从2005年之前的1.04%和10.35%降低到2005年之后的0.38%和6.77%；而变化状态指数却从1995—2005年的-0.10升高到2005—2015年的-0.06, 表明胡杨林面积持续减少, 减少速度渐缓, 空间转移剧烈。胡杨林主要分布在叶尔羌河下游四十八团至三河口河道两侧, 且随着远离河道主轴线, 植物种类逐渐减少, 结构趋于简单, 胡杨林逐渐衰退。
(2) 1995—2015年胡杨林地转移较剧烈, 主要向草地、耕地以及未利用地转移。永安坝至夏河林场段, 胡杨林主要向耕地转移；在远离叶尔羌河道的腹地(夏河林场至三河口段), 胡杨林逐渐趋于死亡, 转为未利用地, 而胡杨林主要增加在河漫滩、冲积平原地区、河道两岸以及水库周边。
(3) 草地和未利用地占主要的景观类型, 居民地分布比较分散；胡杨林斑块密度、最大斑块指数和散布与并列指数分别从1995年的0.19、0.35、50.11增加到2015年的0.35、0.58、60.23, 胡杨林分布逐渐集中、景观破碎度降低、连通性呈上升趋势。整体上, 景观异质性、多样性及均匀度增加, 破碎化程度较高, 聚集程度和优势度斑块类型比例降低, 景观类型向复杂化发展。
(4) 气候总体表现出“冷湿-暖干”的变化趋势。1995—2005年在气候变化和人类活动的强烈干预下, 胡杨林面积减少较快, 而2005—2015年随着水资源节约保护意识的增强、胡杨林保护措施的实施、水资源管理制度的执行、第一产业比重的下降以及生态输水等举措的实施, 胡杨林衰退减缓, 但对胡杨林仍有巨大的威胁。
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