土地利用变化是影响全球生态系统的决定性因素之一, 同时也是全球变化最直接和最重要的表现形式^[1]。土地利用变化会改变生态系统的结构与功能, 从而影响生态系统服务功能的维持^[2]。因此, 研究土地利用/覆被变化是科学规划生态系统结构的基础, 对维持生态系统功能和服务的稳定性具有重要意义。目前, 国内外学者对区域土地利用/覆被(LULC, land use/land cover)变化进行了大量的研究, 这类研究也成为了西北干旱区绿洲演变研究的主题^[3-11]。学者对西北干旱区的黑河、石羊河、塔里木河和玛纳斯河流域土地利用与景观格局变化研究中指出, 在人类活动驱动下, 这些流域土地利用与景观格局发生了剧烈的变化, 耕地等人工绿洲增加, 而草地等天然绿洲呈退化趋势。虽然干旱区绿洲LULC研究日趋成熟, 但仍然存在一些不足。主要体现在多数研究关注LULC与景观格局的时间变化特征, 而缺乏其空间特征的分析；研究方法上, 较多学者利用土地利用动态度模型, 而没有定量分析LULC转移方向。动态度反映的仅是LULC之间的转移, 不能说明转移后的生态状况好或差。在克里雅河流域, 以往学者也从绿洲土地利用演变方面取得了许多成果^[12-15], 但也同样存在以上不足。因此, 针对目前存在的问题, 本研究以塔里木盆地南缘典型绿洲为研究区, 以绿洲内河流为中心进行缓冲区分析, 揭示LULC与景观格局的空间分布特征。另外, 为了量化LULC转移方向及其反映的生态状况变化, 本文在邵全琴等^[16]的研究思路的基础上, 提出LULC转移方向模型。研究结果为干旱区流域土地利用与景观格局的时空变化研究提供较好的思路, 同时, 也为克里雅河流域土地资源可持续利用和区域生态文明建设提供参考。

1 研究区概况

克里雅河位于昆仑山北麓, 塔里木盆地南缘。该河流发源于昆仑山, 向北经山前戈壁、绿洲, 进入塔克拉玛干沙漠, 全长438 km, 流域总面积3.95×104 km², 南北长约466 km, 东西宽30—120 km(图 1)。多年平均气温9.53℃, 极端最高温43.0℃, 极端最低气温-26.3℃^[17]。流域内绿洲主要由两大部分组成, 即中游以于田县城为中心的农业绿洲, 是流域内人类活动的主要场所, 下游是以牧业为主的天然绿洲。

2 数据与方法 2.1 数据获取与处理

本研究主要数据源有：1)克里雅河流域1995、2005和2015年土地利用分类栅格图(由地理国情监测云平台提供, 分辨率为30 m×30 m)。本文在已解译的LULC分类体系的基础上, 对于面积较小的林地、建设用地等进行剔除处理, 将流域主要的土地利用类型重分为4类, 土地利用类型分类详情为表 1所示；2)研究区数字高程图(DEM)(数据来源为地理空间数据云平台, http://www.gscloud.cn/, 分辨率为30 m×30 m), 用于提取河道。3)研究区行政边界矢量图从中国科学院资源环境数据云平台获取(http://www.resdc.cn/)。

2.2 研究方法 2.2.1 土地利用/覆被变化分析

参考以往研究, 本文通过土地利用面积、转入/出率、转移矩阵分析等表现研究区的土地利用变化特征, 具体计算公式见参考文献[18]。以各土地利用类型的生态功能为依据, 基于层次分析法, 对重分类后的LULC赋予权重(表 2), 计算了不同年代, 以及不同缓冲带内LULC转移方向指数。

LULC转移方向指数用以下公式进行计算：

(1)

式中, LCDI:土地覆被转移指数, i∈[1, n]; A_i:第i个土地利用/覆被类型面积; D_ai:转移之前的土地利用/覆被类型权重；D_bi:转移之后的土地利用/覆被类型权重。

当LCDI > 0时, 表示LULC转移有利于生态系统功能的提高, 其值越大转移后的生态系统功能越大；当LCDI < 0时, 表示该LULC转移导致生态系统功能下降, 其值越小转移后的生态系统功能越小。

2.2.2 景观格局指数分析

景观格局指数反映的是土地利用类型的结构特征。本研究参考以往研究^[19-21], 分别从类型水平和景观水平选取景观指数, 用Fragstats 4.2软件进行计算。另外, 由于在干旱区荒漠为绿洲景观的基质, 为了排除荒漠景观对绿洲其他景观指数的影响, 在计算景观指数前剔除其他用地。

2.2.3 缓冲区分析

参考已有的研究成果^[22], 结合研究区特点, 距离河道两侧10 km(两侧各5 km)划分一个缓冲带, 共划分了5个缓冲带。对于每个缓冲带计算土地利用类型面积、转入/出率、景观格局指数。为了描述方便, 在文中将0—5 km缓冲带简称缓冲带Ⅰ, 5—10 km为缓冲带Ⅱ, 10—15 km为缓冲带Ⅲ, 15—20 km为缓冲带Ⅳ。

3 结果与分析 3.1 土地利用/覆被时空变化特征 3.1.1 土地利用/覆被时间变化特征

过去20年, 克里雅河中游土地利用/覆被类型发生了较大的变化, 耕地面积增加了6.44%, 草地和湿地面积分别减少了16.69%和4.38%(图 2)。其他用地占得比例较大, 并持续增加。

1995—2005年, 耕地转入率(41.32%)远大于转出率(4.81%)。从耕地转入类型看, 水体转入耕地的面积最大(99.19 km²), 其次为草地(42.44 km²)。草地转出率(15.3%)大于转入率(2.47%), 转出为其他类型的面积最大(61.08 km²), 其次是耕地(42.44 km²)。水体转出率为58.7%, 而转入率只有3.58%, 主要转出类型为耕地。

2005—2015年, 耕地转出率和转入率差异变小, 转出率增加到14.09%, 转入率减小到17.44%。耕地转出为草地和水体的面积分别增加到50.19 km²和32.66 km²。从转入类型看, 其他类型转入为耕地的面积增加了61.3 km², 使耕地总面积在持续增加。草地转出率仍大于转入率, 与1995—2005年相比, 转入率与转出率分别增加到34.99%和76.6%。该时期草地转出为其他类型的面积明显增加, 是2015年草地总面积减小的主要原因。水体转入率明显增加(51.63%), 主要转入类型为耕地, 同时, 转出率增加了8.08%。

3.1.2 土地利用/覆被空间特征

耕地在1995年和2005年从缓冲带Ⅰ到Ⅳ逐渐减少, 即离河道越远, 耕地分布越少。2015年, 耕地在缓冲带Ⅰ中分布最多, Ⅳ内最少, 缓冲带Ⅲ中出现了较多的耕地, 其面积大于缓冲带Ⅱ内的面积。在过去20年, 每个缓冲带内耕地持续增加。1995—2005年, 缓冲带Ⅰ内耕地主要由水体(56.87 km²)转入而来。而在2005—2015年, 缓冲带Ⅰ和Ⅲ内耕地主要来自其他用地, 分别为41.47 km²和14.33 km²。

草地1995年和2005年在缓冲带Ⅳ内分布最多, 2015年在各缓冲带内分布较均匀。在1995—2015年, 各缓冲带内草地持续减少, 主要转出为其他用地。其中, 在缓冲带Ⅳ和Ⅲ中转出为其他用的面积较大, 分别为165.24 km²和146.22 km²。可见, 研究时段内草地持续退化, 在绿洲边缘退化较严重。

水体在1995年从缓冲带Ⅰ到Ⅳ分布越来越少, 2005年和2015年缓冲带Ⅰ内水体分布仍最多, 而Ⅲ内最少。1995—2015年, 缓冲带Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ内水体主要转出为耕地。其中, 在缓冲带Ⅰ内转出面积最大。与1995—2005年相比, 2005—2015年河道附近水体转出为耕地的面积减少, 说明人类活动对水体的破坏有所缓解。LULC空间分布特征为图 3所示。

3.2 景观格局变化特征 3.2.1 类型水平

从图 4看, 在1995—2015年, 耕地PLAND持续增加, 草地和水体的减小。草地和水体的NP和PD增加, 耕地的减小。说明, 草地和水体破碎化程度变大。从最大斑块指数看, 1995和2005年草地的LPI均大于耕地和水体, 而到2015年耕地LPI是草地的3倍多。可见, 1995年和2005年草地是绿洲内的优势景观, 而到2015年耕地在绿洲中占了优势。从SPLIT指数看, 耕地持续减小, 草地增加, 水体先增后减。说明, 在过去20年, 耕地具有向连片生成的趋势, 而草地破碎化程度变大。水体结构呈波动变化。

耕地最大PLAND、NP和PD在缓冲带Ⅰ内, 并在1995—2015年呈增加趋势。说明, 耕地在缓冲带Ⅰ内破碎度大。在3个时期, 缓冲带Ⅲ内LPI最大, 而SPLIT最小。可见, 在此缓冲带内耕地连接性最好、斑块较大。

草地最大PLAND、NP、PD和LPI都出现在缓冲带Ⅳ内, 并在1995—2015年有减小趋势。SPLIT指数在缓冲带Ⅳ内最小, Ⅰ内最大, 并在研究时段内均呈增加趋势。说明, 在克里雅河中游草地主要连片分布在绿洲边缘, 但在过去20年, 其破碎化程度持续变大。

水体最大PLAND在缓冲带Ⅰ内。2005年和2015年, 缓冲带Ⅰ内NP、PD和LPI最大, SPLIT最小。反映水体主要分布在缓冲带Ⅰ内, 并斑块间连接性好。1995—2015年, 缓冲带Ⅰ内PLAND减小, NP、PD和SPLIT变大。说明, 在过去20年, 河道附近水体破碎度变大。这可能与水体受人类活动影响较大, 尤其在农业开发中被农用地占用造成的。

3.2.2 景观水平

从图 5看, 1995—2005年, 绿洲景观NP和PD变大, 而LPI和SHDI减小, 说明整个绿洲景观有破碎化和均匀化的趋势。这是草地和水体斑块数量减少, 破碎化程度变大, 而耕地逐渐占优势的结果。另外, SPLIT指数先减小后增加, 该变化趋势与水体分离度变化一致。可以推测, 水体的分离度对整个景观分离度的影响较大。

在缓冲带Ⅰ内, NP、PD和SHDI最大, 说明在河道附近景观类型较多, 并镶嵌分布。在1995—2015年, 该缓冲带内NP和PD增大, 而SHDI减小, 反映景观破碎度变大、多样性降低, 具有单一化趋势。这与河道附近草地和水体退化, 而耕地持续增加有关。在缓冲带Ⅳ内, LPI最大, 但在1995—2015年逐渐减小。这是绿洲边缘原来占优势的草地较严重退化的结果。

3.3 土地覆被转移指数

为了量化LULC转移方向, 本研究引入了LULC转移方向指数模型。由图 6可见, 过去20年, 研究区LULC总体变差, 具有退化趋势, 这种变化将导致绿洲生态系统功能下降。从空间上看, LULC退化趋势在每个缓冲带内都发生。其中, 在缓冲带Ⅰ内, 与1995—2005年相比, 2005—2015年转移指数绝对值变小, 说明在河道附近土地退化有所缓解。而在其他缓冲带内退化明显加重。

4 讨论

水资源决定着干旱区绿洲景观空间分布格局, 对土地开发利用起着决定性作用^{[7, 18]}。研究期间, 随着人口增长、社会经济发展, 人们对农用地的需求增加, 从而对河流以及其周围水体进行了大量的围垦, 导致草地退化, 在以往的干旱区绿洲LULC研究中也证实了这种变化趋势^{[10, 23-24]}。这种人类活动会极大地改变水资源的时空分配, 减少绿洲内生态用水量, 从而导致草地等天然植被的水量得不到满足而严重退化。

在过去的研究中, 多数学者以行政区为单位解释了土地利用/覆被的空间分布, 而把河流廊道作为绿洲整体景观的研究较少。以河道为中心的缓冲区分析更好的反映绿洲景观的空间特征, 对于流域水土资源的空间优化配置具有指导作用。从本研究结果看, 耕地在河道附近分布最多, 并持续增加。随着耕地斑块数量的增加, 出现了越来越大的耕地斑块, 斑块间连接性越来越好, 使耕地逐渐成为了绿洲中的优势景观。从而导致在河道附近景观多样性降低, 景观呈单一化趋势, 这不利于绿洲生态系统的稳定性。合理调整种植结构, 提高农业用水效率是减缓由农业开发程度大而造成的环境压力的有效途径。本研究仅分析了河道两侧缓冲区内景观变化规律, 而对于河道上下段绿洲变化相关的研究在下一步工作中进行讨论。

草地是干旱区绿洲-荒漠交错带的主体, 起到防风固沙作用, 草地的退化增加绿洲沙漠化, 威胁绿洲的生态安全^[25-26]。然而在克里雅河中游草地呈退化趋势。绿洲-荒漠交错带草地退化也出现在塔里木盆地南缘其他绿洲内^[27-28]。对草地进行适当的保护, 使草地斑块连接成片、减小破碎度, 对改善绿洲的整体环境具有重要意义^[29]。

土地覆被转移方向指数综合反映LULC变化方向, 以及其对生态系统功能的影响。在以往的研究中, 有学者对不同土地利用类型赋予生态等级, 计算其转类指数, 从而解释了LULC转移方向^{[16, 30]}。该方法在三江源应用较多, 而是否适合在干旱区使用并未被证实。考虑到干旱区LULC单一, 并在各LULC生态系统功能之间存在较大差异^[31], 本研究以每种LULC生态系统服大小为依据, 经专家打分, 通过层次分析法, 确定了每种LULC的权重, 计算出了克里雅河中游土地覆被转移方向指数。研究结果较好的反映了研究区LULC变化方向, 这可为干旱区绿洲土地转移方向的量化提供较好的思路。在今后的研究中还需要对LULC进行更细的划分。

5 结论

1) 从土地利用类型时间变化看, 1995—2015年, 耕地增加, 草地和水体减少。耕地、水体的这种变化趋势主要发生河道附近, 而草地减少在绿洲边缘最明显。从空间分布来看, 耕地和水体较多分布在河道周围, 而草地较多分布在绿洲-荒漠交错带。在河道附近耕地转入率和水体转出率最大, 草地转出率在绿洲边缘最大。在河道附近, 土地转移主要以耕地与水体之间的相互转移为主, 而在绿洲边缘以草地转出为其他用地为主。

2) 从景观指数的变化趋势来看, 研究区景观破碎化程度变大、分离度和多样性降低, 这些变化在河道附近和绿洲边缘最明显。从类型水平看, 耕地破碎化程度变大, 分离度减小, 主要发生在河道附近。草地破碎化变大, 主要发生在绿洲边缘。水体景观指数变化与草地有相同的趋势, 但这种变化在河道附近最明显。

3) 从土地覆被转移指数看, 过去20年, 克里雅河中游土地覆被总体变差。在1995—2005年和2005—2015年两个时间段内, 河道附近土地覆被经历了变差-好转的变化过程, 而其他缓冲带则是持续变差, 尤其缓带Ⅳ退化程度最为严重。