松遼分水嶺隆起帶近30年景觀格局變化及驅動力分析

張爽 楊春鵬 李蒙 陳智文

摘要：松遼分水嶺的隆起對松遼平原的環境和景觀格局變化產生了重大影響，分析其隆起帶的景觀格局變化及驅動力對松遼盆地的局地氣候和環境變化研究有重要的意義。以松遼分水嶺隆起帶為研究對象，基于研究區近30年的遙感影像解譯數據，采用景觀指數、主成分分析等理論和方法，分析了該區的景觀格局演變規律及其驅動力。結果表明，松遼分水嶺隆起帶景觀空間分布不均勻，景觀類型以耕地和建筑用地為主;1980—2015年，鹽堿地、建筑用地面積顯著增加，分別增加為29.81%、21.55%，草地和水域面積明顯減少，分別減少為57.73%、32.07%;從景觀格局變化情況來看，1980—2015年松遼分水嶺隆起帶景觀多樣性降低，景觀斑塊分布不均衡，破碎化程度加深，耕地、建筑用地和鹽堿地景觀優勢度增加，草地、水域、林地和沙地景觀優勢度降低;結合定性與定量分析研究表明，該區景觀格局變化特征受人文因素和自然因素的綜合影響，其中，人文因素對景觀格局發展變化影響較大。

關鍵詞：松遼;分水嶺隆起帶;景觀演變;景觀多樣性;驅動力分析

中圖分類號： S127? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）18-0207-08

收稿日期：2020-04-22

基金項目：吉林省四平市社會科學項目（編號：SPSK201955）。

作者簡介：張 爽（ 1987—），女，吉林四平人，碩士，助教，主要從事遙感應用相關研究。E-mail：jishizs@163.com。

通信作者：陳智文，教授，主要從事生態環境調控研究。E-mail：sdczw@126.com。

景觀格局研究是景觀生態學研究的核心之一[1]，景觀格局及其變化是自然和人文等多因素相互作用產生的區域生態環境體系及其變化的綜合反映[2-3]。隆起地形對區域氣候、水文、生態環境等具有重要的影響[4-5]，松遼分水嶺形成于晚更新世新構造運動時期[6]，是松遼平原新構造運動中最重要的地質事件[7]，松遼分水嶺隆起帶是松遼分水嶺隆起形成的獨立帶狀地貌單元[8]，研究其景觀格局變化狀況對松遼盆地生態環境和氣候變化研究有重要的意義。然而，對松遼分水嶺的研究目前主要側重于其成因、演化和區域影響方面[9-12]，而景觀格局變化研究也多以行政區域或流域為研究對象[13-17]，鮮有以地質構造形成的獨立地貌單元為對象展開的研究，亟須開展相關研究工作，揭示其景觀格局動態變化過程及驅動機制[18]，以補充有關研究領域，為松遼盆地相關研究提供基礎參考資料。

通過分析景觀指數來定量研究景觀格局變化的方法已廣泛應用于景觀生態學研究中[19-22]，遙感（RS）技術已成為景觀格局變化研究的主要數據獲取手段[23]，目前景觀格局變化研究主要采用“3S”技術與景觀指數、地統計學分析相結合的方法[24]。因此，本研究以松遼分水嶺隆起帶為研究對象，運用景觀生態學原理，基于RS與GIS技術，采用景觀指數分析[25]、主成分分析等方法，從景觀格局時空變化著手開展區域景觀格局變化及其驅動力分析[18]，以期為區域生態規劃和景觀格局優化提供借鑒，并為松遼盆地生態環境變化和氣候變化研究提供參考。

1 研究區概況

松遼分水嶺隆起帶位于43°24′～45°2′N、121°57′～125°45′E，面積為17 309.32 km2，是一個不規則隆起區[8]，屬溫帶半干旱半濕潤季風氣候區，夏季高溫多雨、冬季漫長寒冷[18]，年均日照時數為2 690.05 h，年均氣溫為4.5 ℃，年均降水量為409.28 mm，年均風速為3～4 m/s。區內無主要河流，處于霍林河、西流松花江、伊通河、東遼河和新開河包圍圈內，土壤類型主要有草甸堿土、草甸風沙土、鹽化草甸土、黑鈣土、黑土等[26]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究所選解譯基礎數據為1980—2015年松遼分水嶺隆起帶的多波段掃描影像（MSS和TM影像）數據，解譯參考圖選用1 ∶100 000地形圖和《中華人民共和國地貌圖集（1 ∶1 000 000）》[27]及研究區Google Earth影像，精度檢驗參照GPS實測點數據。

松遼分水嶺隆起帶主要位于吉林省西部，范圍涉及公主嶺、農安、前郭爾羅斯蒙古族自治縣、長嶺、通榆1市4縣（市）的部分鄉鎮（圖1）。研究范圍與行政區范圍并不完全吻合，因此，以研究區內鄉鎮占所在縣（市）行政區面積比例，即公主嶺（62.97%）、農安（52.51%）、長嶺（93.83%）、通榆（35.37%）、前郭爾羅斯蒙古族自治縣（45.69%），計算研究區的人口和社會經濟數據[28]。

研究用的氣象資料來源于中國氣象局氣象站點資料（http：//data/cma.cn/），人口和社會經濟資料來源于1991—2016年《吉林省統計年鑒》。

2.2 數據處理

使用ENVI、ERDAS等軟件對遙感影像進行幾何精校正、波段合成和拼接等預處理[29]，并根據劃定的研究區范圍對遙感影像進行裁剪。

根據松遼分水嶺隆起帶的地形、地貌、景觀空間分布等自然特征，參照GB/T 21010—2017《土地利用現狀分類標準》[30]，將研究區景觀劃分為耕地、建筑用地、草地、林地、沙地、水域和鹽堿地共7個類別，采用面向對象解譯方法對遙感影像進行解譯[31]，并采用抽樣統計驗證法對解譯結果進行精度驗證，隨機驗證點主要來自于野外實地采樣以及Google Earth影像，通過計算得到1980、1990、2000、2010、2015年的影像解譯結果的精度值，分別為 85.8%、88.5%、89.7%、90.5%、90.6%，滿足研究需要。

2.3 研究方法

根據研究目的及區域特點，選取景觀破碎度、景觀優勢度和蔓延度指數、景觀多樣性指數等對景觀格局變化進行分析（表1）[18]。

3 結果與分析

3.1 松遼分水嶺隆起帶景觀演變特征

由圖2和表2可知，松遼分水嶺隆起帶景觀類型以耕地、建筑用地為主，其所占面積比例達85%，1980—2015年，耕地、建筑用地、鹽堿地、沙地面積增加，草地、水域和林地面積減少。

其中，耕地多集中在東部地區，呈緩慢擴大趨勢;建筑用地主要集中在東南地區，面積呈持續增加的趨勢，共增加了179.78 km2。草地、沙地主要分布在中西部地區，草地面積共減少了586.76 km2。沙地面積呈階段性變化，2000年以前，沙地面積持續增加，1980—1990年面積增加了92.59 km2，1990—2000年沙地面積每年以0.23%的速度增長，2000—2010年沙地面積每年以1.61%的速度減少，一些固定沙丘被人工草方格及人工防護林覆蓋，但一些半固定沙丘和流動沙丘狀態不穩定，一些固定沙丘在不利的條件下又會活化[36]，2010—2015年期沙地面積又增加了3.23 km2，由此看來，研究區沙化問題依然嚴峻。鹽堿地面積不斷增加，共增加了156.33 km2;水域多與鹽堿地相伴零散分布，面積呈不斷減少的趨勢，共減少 108.16 km2;林地主要分布在研究區中部地區，多與草地和耕地相鄰，林地面積占總面積的比例始終低于0.5%。

3.2 景觀格局指數分析

3.2.1 景觀破碎度分析

從表3可知，1980—2015年松遼分水嶺隆起帶的景觀斑塊數（NP）總體呈波動性增漲趨勢;斑塊平均面積（MPS）總體呈波動性減少趨勢。1980—2015年，研究區的景觀斑塊數增加了1 365塊，斑塊平均面積從1980年的 245.58 hm2 減少到2015年的205.74 hm2，這種變化趨勢表明研究區景觀破碎程度加深，在外界因素干擾下，景觀格局復雜化[18]。

3.2.2 景觀優勢度和蔓延度指數分析

由圖3可知，研究區最大斑塊指數在75%～85%之間，隨時間的延長呈階段性增加趨勢;蔓延度指數在60%～70%之間，總體上呈波動性增加趨勢，表明研究區景觀主要由少數大斑塊團聚而成[37]，景觀受1種或少數幾種優勢種支配，且景觀優勢度增加。其中，1980—1990年和2000—2010年間最大斑塊指數增加，優勢種景觀優勢度增加，1990—2000、2010—2015年最大斑塊指數減小，優勢種景觀優勢度減弱;1980—1990年和2000—2010年間，蔓延度指數增加，各景觀斑塊之間連接性增強，1990—2000年和2010—2015年蔓延度指數呈減小趨勢，景觀類型的連接性降低，斑塊之間團聚程度減弱，景觀破碎度增加。

3.2.3 景觀多樣性分析

由圖4可知，1980—2015年松遼分水嶺隆起帶的SHDI與SHEI均呈波動性減小趨勢，研究區SHEI小于0.5，說明研究區景觀多樣性較差，某一景觀類型優勢度較高，景觀主要受1種或少數幾種優勢種支配，景觀多樣性降低。其中，1980—2010年SHDI與SHEI呈逐年降低的趨勢，不同景觀斑塊分布不均衡，說明景觀多樣性降低[37]，主要是耕地、建筑用地和鹽堿地斑塊面積大量增加所致;2010—2015年SHDI與SHEI呈增加趨勢，景觀斑塊分布更均衡，景觀多樣性增加，景觀中優勢種的作用有所減弱。

3.3 松遼分水嶺隆起帶景觀格局變化驅動力分析

氣候因素是長期影響景觀變化最活躍的自然因素[38-39]，同時，人文因素在景觀格局變化中也產生了重要影響，人類活動范圍越大、強度越強，對景觀格局變化的影響越大[40-41] 。本試驗結合定性分析與定量分析方法，研究松遼分水嶺隆起帶1980—2015年景觀格局變化的自然因素和人文因素，進一步對研究區景觀格局演變過程進行分析。

3.3.1 氣候因素

由圖5-a可知，松遼分水嶺隆起帶年均氣溫呈波動性升高趨勢，氣候逐漸變暖，最高氣溫出現在2007年，年均氣溫7.5 ℃。其中，1980—2010年氣溫異常年較多，且多高于趨勢線水平，氣溫異常影響了植被景觀的生長狀況及水域和鹽堿地景觀的發育;2010—2015年氣溫較接近趨勢線水平，適宜的溫度促進了植被景觀的生長發育，使得整體景觀多樣性增加。

由圖5-b可知，松遼分水嶺隆起帶年降水量總體上表現為波動性增加，年均降水量為 409.28 mm，降水峰值出現在1990年，研究區氣候呈干濕交替的變化趨勢。1980—1990年為相對多雨期，平均年降水量為447 mm，降水增加促進了植被的生長，增加了景觀斑塊的連接性和延展性以及景觀優勢度和蔓延度指數;1990—2000年年降水量總體上呈波動性減少趨勢，部分水域轉變為鹽堿地，降低了景觀斑塊的連接性、延展性以及景觀優勢度和蔓延度指數;2000—2010年年降水量呈階段性增加，景觀優勢度和蔓延度指數增加;2010—2015年年降水量變化幅度較大，異常變化的降水量在不同程度上影響了各自然景觀類型變化。

由圖5-c可知，松遼分水嶺隆起帶風速呈明顯減小趨勢，年均風速為3.14 m/s，變化率為 0.24 m/（s·10年）。1980—2000年研究區年均風速呈波動性減小趨勢，變化率為0.32 m/（s·10年），風蝕作用減弱，延緩了沙漠化的發展速度;2010—2015年，研究區風速以0.51 m/（s·10年）的速度增加，大風天氣極易引起地表風沙活動，導致沙地面積增加。

由圖5-d可知，松遼分水嶺隆起帶年日照時數年際波動不穩定，總體上呈波動性減少，年均日照時數2 690.05 h。其中，1980—2000年年均日照時數波動性減少，日照減少在一定程度上促進了斑塊類型間的轉化，增加了景觀破碎化程度;2000—2015年年均日照時數波動性增加，在一定程度上促進了植被景觀的發育，增加了景觀斑塊的連接性和延展性，降低了景觀破碎化程度。

3.3.2 人文因素分析

由圖6-a可知，1990—2015年松遼分水嶺隆起帶總人口數量呈波動性增加趨勢，由1990年的207.76萬人增加到2015年的222.46萬人，年均增長率為0.27%。其中，2011年研究區總人口數量達到最大值，為228.48萬人。

由圖6-b可知，1990—2015年間農業人口數量減少，年均減少約0.54萬人。其中，1990—2011年間，農業人口數量波動性增加;2011年以后，農業人口數量明顯下降，由2011年的174.10萬人下降到2015年的154.33萬人?？側丝跀盗吭黾?，糧食需求增加，導致耕地面積增加;城市人口增加，農業人口減少，人類活動范圍擴大，活動強度增強，對住房和公共基礎設施建設需求增加，使得建筑用地面積增加;不規范的耕地開墾和建筑用地的不斷開發加深了研究區的景觀破碎化程度。

根據圖6-c可見，研究區GDP在1990—2015年間由24.45億元快速增長到970.46億元，擬合指數回歸方程為y=23.01e0.150 8x（r2=0.984 1）。由圖6-d可知，25年間三產不同程度的增長，其中第三產業增長最快，產值增加了382.02億元，占總GDP增加值的40.38%。2007年以前，該區主要經濟來源于第一產業;2007年開始，第二、第三產業發展迅速;至2015年，第三產業產值和第二產業產值分別占GDP總產值的39.71%和36.23%。經濟的飛速發展和產業結構的調整[25]，促使人類活動強度加強和活動范圍擴大，導致建筑用地、耕地面積增加，草地、林地等自然資源面積減少，增加了研究區的景觀破碎化程度，降低了整體景觀多樣性。

為保證所有人文統計數據的一致性，經查詢，研究區范圍內只有1990年以后具有公共指標數據，故本研究只分析了1990—2015年的人文數據。

由圖6-e可知，研究區糧食產量由1990年的309.81萬t波動增長到2015年的625.17萬t，年均增長率為2.85%。人口增漲導致糧食需求的增加，研究區內提高糧食產量的方式主要是擴大生產規模，增加耕地面積。實地調研發現，區內開墾的耕地主要為草地、干涸水域，開墾后地表天然植被、水域消失，地表抗風蝕能力減弱，導致區內風沙活動急劇增強，地表鹽漬化程度加強，不同程度地增加了區內沙地、鹽堿地的面積。由圖6-f可知，牲畜年末存欄量呈現波動性增加的趨勢，年均增長率為3.68%，牲畜增加使放牧量增加，草地承載力增加，從而使草地面積減少。

3.3.3 自然因素與人文因素定量分析 本研究選取了年日照時數、年均風速、年降水量、年均氣溫、總人口數量、第二產業比例（占GDP總值）、糧食產量、年末牲畜存欄量共8個因子進行主成分分析，定量分析自然因素和人文因素對景觀格局變化的影響[42]。由表4可知，第1主成分貢獻率46.493 9%，糧食產量、第二產業比例和人口數量在第2主成分中載荷值較高，主要反映了研究區第一、第二產業和人口的發展狀況;第2主成分貢獻率為 21.343 6%，人口數和牲畜年末存欄頭數載荷量較高，主要反映了研究區人口和畜牧業發展狀況;第3主成分貢獻率為13.512 5%，年均氣溫載荷值最高，主要反映了氣候變化情況。通過主成分分析可以看出，影響研究區景觀格局變化的主要因素為人文因素，氣候因素的作用相對較弱。

4 結論

松遼分水嶺隆起帶景觀類型以耕地和建筑用地為主，景觀空間分布不均勻，近30年來該區景觀面積變化顯著，變化速度逐漸減小，耕地、建筑用地、沙地和鹽堿地面積增加，與草地、林地、水域面積減少產生強烈對比。其中，草地和水域減少趨勢最明顯，減少率分別為57.73%、32.07%，耕地面積增加最顯著，面積增加了353.29 km2，鹽堿地面積增長率最高，2015年比1980年增加了29.81%。

研究區景觀斑塊數量增加，景觀多樣性降低，景觀破碎程度增加。其中鹽堿地、沙地擴張，草地退化，水域萎縮是研究區的主要生態環境問題。

松遼分水嶺隆起帶景觀格局變化是自然因素和人文因素共同作用的結果。其中，人文因素起主導作用，人口數量、第二產業比例、糧食產量和年末牲畜存欄量對研究區景觀格局變化的影響作用較強;自然因素的作用相對較弱，且年均氣溫、年降水量的影響大于年日照時數和年均風速。經濟的發展、人民日益增長的物質文化需求導致人類活動范圍擴大是該區生態用地減少，土地沙漠化、鹽漬化的主要原因。

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