2013—2020年額濟納綠洲核心區景觀穩定性動態及其驅動力

李洪飛望元慶王 杰宋書愉許端陽

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所,北京100101;2.遼寧師范大學 地理科學學院,遼寧 大連116029;3.中國科學院大學,北京100049)

額濟納綠洲是中國典型干旱區綠洲之一,對維持西北地區生態環境安全具有重要意義,其核心區域是綠洲中植被分布較集中、人為經濟活動(如耕作、建筑、旅游等)較頻繁的區域,生態環境極為脆弱和敏感[1-2]。20世紀90年代以來,在氣候變化、人口增長、農業和旅游業發展、水利工程修建等多種因素的綜合影響下,黑河下游額濟納綠洲核心區景觀格局發生劇烈變化,植被退化、湖泊干涸等問題較嚴重,綠洲穩定性較低[3-6]。2000年,國務院實施黑河干流水量調度政策,在方案實施后的十幾年內有效緩解下游水資源問題,綠洲核心區景觀格局有所改善,綠洲穩定性提高[7-9],但是耕地、城鎮道路用地擴張、旅游活動干擾強度加大使林地面積減少,對額濟納綠洲核心區景觀恢復和穩定性維持提出了新挑戰[9-11]?？茖W測度額濟納綠洲核心區景觀穩定性時空特征以及驅動機制,對理解額濟納綠洲區域生態演變過程、保護區域生態安全具有現實意義。景觀穩定性源自生態系統穩定性[12-13],是景觀對抗干擾及自我修復的能力[14-15]。國內外學者均對景觀穩定性動態及其驅動機制進行相關研究,如Hermosilla等[16]和Sharma等[17]借助景觀破碎化程度對森林景觀穩定性動態進行分析;Gobattoni等[18]通過構建數學模型對景觀穩定性進行定量分析;張欣等[19]、周根苗等[20]和徐秋陽等[21]選取斑塊密度、蔓延度和總邊緣對比度指數對景觀穩定性模型進行構建;常學禮等[22]和董敬儒等[7]分別采用相關分析法和定性分析法探究了黑河綠洲景觀穩定性動態的影響因素。就額濟納綠洲而言,近年來相關研究多聚焦于黑河生態調水引起的額濟納綠洲水文和生態問題,將河流徑流量、湖泊面積和地下水埋深作為影響植被變化的主要原因[23-24],而關于綠洲景觀穩定性動態以及人為活動干擾(旅游、農業發展和社會經濟活動等)影響的研究相對較少[10]。受遙感數據限制,以往研究多選取30 m分辨率Landsat系列影像制成土地利用分類圖[10-11]來分析景觀動態,對景觀的細微變化及其對穩定性的影響刻畫不足;另外,在對于景觀動態及穩定性的驅動機制研究方面,以往研究多借助相關分析等方法來分析驅動因素的趨勢變化并在此基礎進行定性或半定量的解釋[8-9],對不同自然、人文驅動因素的相對貢獻及交互作用的定量研究較少。上述問題的存在,限制了對額濟納綠洲核心區景觀穩定性及驅動機制的科學認知?；诖?本文選取2013和2020年兩期高分一號PMS遙感影像數據繪制2m分辨率的景觀類型圖,借助景觀格局指數、景觀穩定性模型與地理探測器,探究2013—2020年額濟納綠洲核心區景觀格局演變、景觀穩定性動態以及自然環境變化和人為活動干擾等驅動因子對景觀穩定性及其動態的影響機制,旨在為黑河下游額濟納綠洲生態保護與恢復以及區域可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

額濟納綠洲位于黑河流域下游,行政隸屬于內蒙古自治區阿拉善盟額濟納旗(圖1)。目前關于額濟納綠洲核心區的范圍尚未有明確的邊界劃分,所以本文參考前人[9]的相關研究,結合額濟納綠洲中的植被分布、旅游活動、地下水埋深情況,綜合選取植被生長相對聚集、人類活動相對集中的區域作為額濟納綠洲核心區(41°52′—42°21′N,101°00′—101°20′E,面積約1495.37 km2)。額濟納綠洲核心區處于溫帶大陸性干旱氣候區,年均溫9.54℃,年均降水量38.28 mm,蒸發強且風沙大。區域內水資源以黑河下游支流(額濟納東河)、東居延海和地下水為主。植被主要分布在額濟納東河兩岸及東居延海湖積平原地區,以胡楊(Populus euphratica)為主。土壤以灰棕漠土、鹽化潮土和草甸鹽土為主,土壤肥力較低。額濟納綠洲核心區內常住人口近年來穩定增加,2020年約為1.5萬人。旅游業是額濟納旗的支柱產業,2013—2020年額濟納綠洲核心區內的旅游人數迅速增加,2020年旅游人數雖因受到新冠肺炎疫情的沖擊有所下降,但仍然突破百萬人次。在此背景下,人為活動干擾強度的加大,加重了額濟納綠洲核心區生態修護和水資源利用的壓力,為維持景觀穩定性帶來了嚴峻的挑戰。

圖1 額濟納綠州核心區地理位置及地下水觀測點布設

1.2 數據來源及處理

本研究使用的數據資料主要包括2013和2020年兩期高分一號PMS遙感影像,2013—2020年氣象(氣溫和降水)、歸一化植被指數(normalized difference vegetation index,NDVI)、地下水埋深、人口密度、供水總量和旅游人次等數據。其中,2 m分辨率高分一號PMS遙感影像數據來源于陸地觀測衛星數據服務平臺(http:∥36.112.130.153:7777/DSSPlatform/index.html),2013和2020年研究區影像共采用10景高分一號影像,影像的成像時間范圍為7—10月,云量在5%以下,是額濟納旗植被生長旺盛時期,也是旅游活動旺季。100 m分辨率7—10月氣象數據來源于國家地球系統科學數據中心共享服務平臺(http:∥www.geodata.cn/data/),由1 km分辨率氣象數據基于ArcGIS 10.2軟件重采樣獲得。30 m分辨率7—10月NDVI均值數據來源于Landsat_8遙感影像,在GEE(Google Earth Engine)平臺上,采

用最大值合成法計算7—10月逐月NDVI最大值,進而計算NDVI均值。100 m分辨率7—10月地下水埋深均值數據由觀測點數據基于ArcGIS 10.2軟件插值獲得,地下水埋深觀測點數據來源于額濟納旗水務局和國家青藏高原科學數據中心(http:∥data.tpdc.ac.cn/)。100 m分辨率人口密度數據來源于WorldPop(https:∥www.worldpop.org/),通過計算研究區柵格數據總和獲得年末總人口數據。旅游總人次數據來源于額濟納旗旅游統計年鑒,游客密度數據依據研究區內3個主要景區(居延海景區、胡楊林景區和大漠胡楊風景區)的游客數據進行反距離權重插值獲得。供水總量數據來源于阿拉善水資源公報和阿拉善統計年鑒,借助研究區人口密度數據和游客密度數據進行空間化,獲得供水密度數據。所有空間數據地理坐標系統一為GCS_WGS_1984。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局變化分析 借助ENVI 5.3軟件,以Google Earth高分影像及公開的土地利用數據產品為基礎建立研究區解譯樣本庫和驗證庫,依據中國科學院2020年中國土地利用遙感監測數據的土地利用分類體系,確定一級和二級景觀類型的分類標準[10],對高分一號PMS遙感影像進行人機交互解譯,獲得額濟納旗綠洲核心區2013和2020年景觀類型數據,kappa系數分別為91.59%和90.31%。借助ArcGIS 10.2軟件的空間疊加分析功能計算土地利用轉移矩陣,從景觀類型數量特征變化和景觀類型間轉化兩方面分析2013—2020年額濟納綠洲核心區景觀格局動態變化,并計算景觀類型動態度[10],計算公式為:

式中:K為景觀類型動態度;Ua為2013年某種景觀類型的總面積;Ub為2020年某種景觀類型的總面積;T為研究階段的時間差,本文中T為8。

在此基礎上,借助Fragstats 4.2軟件,分析斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、聚集度指數(AI)、蔓延度指數(CONTAG)、景觀形狀指數(LSI)、總邊緣對比度(TECI)、香濃多樣性指數(SHDI)和香濃均勻度指數(SHEI)等景觀格局指數的變化,分析尺度為100 m。

1.3.2 景觀穩定性分析 根據生態系統的等級斑塊動態范式理論,景觀斑塊的動態變化會引起景觀格局的變動,進而影響景觀穩定性[25],因此可以用景觀斑塊的穩定性變化來表示景觀整體穩定性動態。景觀斑塊的蔓延度越高,斑塊密度、總邊緣對比度越小,景觀穩定性越高[19-21]。因此,本文選取蔓延度指數(CONTAG)、斑塊密度(PD)和總邊緣對比度指數(TECI)構建景觀穩定性模型,基于Fragstats 4.2軟件的移動窗口法計算獲得,分析尺度選擇100 m,景觀穩定性計算公式為:

式中:S為景觀穩定性;C為蔓延度指數;P為斑塊密度;T為總邊緣對比度指數。采用自然斷點法,將景觀穩定性劃分為不穩定(0～0.10)、較不穩定(0.10～0.21)、較穩定(0.21～0.35)、穩定(0.35～0.56)和極穩定(0.56～0.88)共5個等級[19]。

借助ArcGIS 10.2軟件的熱點分析(Getis-Ord工具,識別景觀穩定性變化的冷熱點區域,熱點區和冷點區分別代表穩定性升高和穩定性降低的區域在空間上發生聚類的位置[26]。

1.2.3 景觀穩定性動態驅動力分析 地理探測器是揭示地理現象空間分布格局及其驅動因素的統計學模型,因其對數據良好的兼容性和強大的因子分析功能,已在景觀破碎化、景觀生態安全、景觀生態風險及景觀生態脆弱性等研究方面得到廣泛應用。本研究選取與額濟納綠洲核心區景觀穩定性動態關系較密切的7個指標作為驅動因子(表1),依據自然斷點法劃分為5類,將2013和2020年額濟納綠洲核心區景觀穩定性以及其變化量作為因變量,隨機選取200個采樣點,借助地理探測器進行地理因子探測及交互探測分析。因子探測可用于探測各驅動因素對地理現象空間分異的貢獻率大小,各因子的貢獻率計算公式為:

表1 驅動因子指標

式中:q為驅動因素對景觀穩定性的貢獻率;h=1,2,3…,L為驅動因素的分類數;N為樣本點個數;Nh表示分類為h的樣本個數;σ2為穩定性指數的方差;σ2h為分類為h的穩定性指數方差。q值大于0且小于1,值越大說明該驅動因素對景觀穩定性的影響程度越大,q=0說明不受到該因素的影響。

因子交互探測可用于識別驅動因子共同作用對景觀穩定性的解釋力呈增強、減弱或彼此獨立的作用,各因子交互作用類型參見王勁峰[27]的相關研究,本文中涉及兩種交互作用類型:當兩種驅動因子交互作用貢獻率大于兩種驅動因子單個貢獻率的最大值時,表現為雙因子增強;當兩種驅動因子交互作用貢獻率大于兩種驅動因子單個貢獻率之和時,表現為非線性增強。

2 結果與分析

2.1 額濟納綠洲核心區景觀類型變化與景觀指數分析

2.1.1 景觀類型變化分析 額濟納綠洲核心區一級景觀類型以未利用地、林地和草地為主,2020年這3類景觀比例共計90.98%。其中,未利用地比例43.46%,以沙地、鹽堿地和戈壁為主,除植被覆蓋區及東居延海以外,基本均屬于未利用地區;林地比例24.81%,以灌木林地為主,主要沿額濟納東河河渠分布;草地比例22.70%,以中、低覆蓋度草地為主,主要分布于林地及東居延海外圍。2013—2020年,額濟納綠洲核心區各一級景觀類型面積變化為:林地、水域面積減少,動態度分別為0.65%/a,0.79%/a;耕地、草地、建設用地、未利用地面積增加,動態度分別為0.15%/a,0.42%/a,6.43%/a,0.09%/a(表2)。由于達來呼布鎮西北部水庫的修建、城鎮生活用水量和耕地需水量、游客用水量的增多,導致自然水域(河渠、湖泊和灘地)面積均減少,林地和草地等自然景觀轉化為城鎮、道路及耕地等人為活動用地(圖2)。

表2 額濟納綠洲核心區2013—2020年土地利用轉移矩陣

圖2 額濟納綠洲核心區景觀類型圖

2.1.2 景觀格局指數變化分析 由表3可知,2013—2020年額濟納綠洲核心區景觀斑塊密度(PD)變化不顯著,總邊緣對比度(TECI)增加0.79%,主要原因是具有相對整齊邊界、對比度較高的人工斑塊(例如耕地、城鎮和交通用地)增加。景觀蔓延度指數(CONTAG)減少0.68%,表明景觀連通性降低,破碎化程度增加。聚集度指數(AI)增加4.17%,香濃均勻度指數(SHEI)減少0.05,最大斑塊指數(LPI)增加4.50%,表明沙地和低覆蓋度草地等優勢斑塊的優勢度增加,對整體景觀的控制作用增強。景觀形狀指數(LSI)減少0.06,這一時期景觀變化主要為林地和草地等自然景觀轉化為城鎮、道路及耕地等人為活動用地,表明由于人為活動干擾的加強,使原本比較自然的景觀形狀整體上朝著規整、簡單的方向發展。香濃多樣性指數(SHDI)增加0.01,表明景觀類型增加,景觀要素趨于多元化,使景觀多樣性增強。

表3 額濟納綠洲核心區2013—2020年景觀水平指數

2.2 額濟納綠洲核心區景觀穩定性及其動態

2.2.1 景觀穩定性 由2013年、2020年額濟納綠洲核心區景觀穩定性分布圖(圖3)可知,植被(耕地、林地和草地)、水域(湖泊和灘地)與未利用地(沙地、戈壁、鹽堿地和沼澤地)等景觀類型交錯分布區的景觀類型易改變,景觀穩定性較弱,詳見圖中不穩定和較不穩定的區域;而達來呼布鎮城鎮中心、耕地、沙地、戈壁和鹽堿地等單一景觀類型集中分布區的景觀類型不易改變,景觀穩定性較強,詳見圖中穩定和極穩定區域。2013和2020年綠洲核心區景觀穩定性呈不穩定和較不穩定狀態的區域分別占75.02%和85.22%,表明綠洲核心區景觀穩定性雖局部因單一景觀類型集中分布而呈較高的狀態,但總體因多種景觀類型交錯分布呈較低的狀態。2013—2020年呈不穩定和較不穩定狀態的區域增加10.20%,表明近8 a間,額濟納綠洲核心區整體景觀穩定性下降。

圖3 額濟納綠洲核心區2013和2020年景觀穩定性分布圖

2.2.2 景觀穩定性動態及冷熱點分析 2013—2020

年額濟納綠洲核心區景觀穩定性變化的冷點區(90%以上置信度)約占14.16%,主要集中在距東河河渠較遠的湖泊、沼澤與灘地交錯分布區以及低覆蓋度草地與沙地交錯分布區(圖4)。結合景觀類型動態分析(表2,圖2),東居延海東南部湖泊退化為沼澤和灘地,研究區東南部草地退化為沙地和鹽堿地,表明湖泊和植被退化導致景觀穩定性顯著下降。景觀穩定性變化的熱點區(90%以上置信度)約占8.46%,主要集中在距東河河渠較近的鹽堿地、沙地等單一景觀集中分布區域,穩定性變化不顯著的區域約占77.38%,主要集中在沿東河河渠分布的植被覆蓋區域,表明景觀穩定性變化與距水源的遠近有關。達來呼布鎮中心景觀穩定性增加,周邊景觀穩定性降低,但穩定性變化均不顯著,表明城鎮擴張對整體景觀穩定性變化有一定的影響,但其直接影響力度較小。

圖4 額濟納綠洲核心區2013—2020年景觀穩定性變化及冷熱點分布圖

2.3 額濟納綠洲核心區景觀穩定性驅動力分析

2.3.1 景觀穩定性驅動因子變化趨勢 2013—2020

年額濟納綠洲核心區驅動因子的變化情況如圖5所示。2013—2020年,平均氣溫升高0.04℃,降水量減少0.81 cm,地下水埋深增加1.03 m,表明氣候變化趨向于干旱,地下水水位呈下降趨勢;NDVI增加0.01,但變化不顯著,其原因與農田增加,水體減少(NDVI值一般為負)而巖石裸地、建筑用地增多(NDVI值一般為0),以及河渠湖泊面積縮小后周邊生長荒漠短命植物有關;年末總人口數增加0.30萬人,旅游總人次雖然在2020年受新冠肺炎疫情影響而下降,但是相較于2013年增加了3.74×106人次,供水總量增加4.30×106m3,表明人口增長的壓力和人類活動的強度均加大。

圖5 額濟納綠洲核心區2013—2020年景觀穩定性驅動因子變化趨勢圖

2.3.2 景觀穩定性地理因子探測及交互探測分析通過對景觀穩定性及其變化量進行因子探測分析,得到各驅動因子及其變化量對景觀穩定性及其動態值的影響結果(圖6)。2013和2020年地下水埋深、供水密度、歸一化植被指數的貢獻率均高于0.4,近8 a來,3者的變化量貢獻率排在前3位,表明地下水埋深、供水密度和歸一化植被指數及其變化量對景觀穩定性及其動態值的影響相對較強;游客密度、平均氣溫和降水量及其變化量的貢獻率排在第4～6之間,雖然影響力度不及前3位,但是游客密度、平均氣溫和降水量及其變化量對景觀穩定性及其動態值也有一定影響;人口密度及其變化量的貢獻率均排在末位,影響力度相對最弱。

圖6 額濟納綠洲核心區2013—2020年驅動因子貢獻率

地理因子交互探測結果表明,交互作用使驅動因子及其變化量對景觀穩定性變化的解釋力增強(表4)。其中,2013和2020年,各因子間的交互作用均表現為雙因子增強。2013—2020年,非線性增強主要發生在地下水埋深變化量與其他因子變化量之間、歸一化植被指數變化量與其他因子變化量之間的交互作用中,其他因子變化量間的交互作用表現為雙因子增強。

表4 額濟納綠洲核心區2013—2020年驅動因子交互作用結果

3 討論與結論

3.1 討論

額濟納綠洲核心區生態環境本底十分脆弱,在自然和人為因素的雙重影響下,其景觀格局和景觀穩定性均發生變化。黑河流域調水政策實施13 a后,由于耕地、城鎮道路用地擴張和旅游等人類活動干擾強度加大,對黑河下游生態環境恢復產生負面影響,自然水域和部分區域植被面積減少,黑河下游生態環境的恢復力度不足,額濟納綠洲核心區景觀穩定性整體較低[7]且仍在不斷下降,這與前人研究結果相一致[10]。

作為典型的干旱區綠洲,額濟納綠洲景觀格局及穩定性動態易受自然條件變化(氣溫、降水、蒸散發、植被等)、人類活動干擾(人口增長、人類活動用地擴張、社會經濟發展、旅游活動等)[9-11]以及黑河流域水利工程建設和調水政策的影響[3-4,7]。已有研究[9-11]表明,近年來人類活動干擾對額濟納綠洲景觀穩定性動態的影響力度不斷增強,這也與本研究對驅動因子趨勢分析的結果一致。對驅動因子的貢獻率與交互作用的研究發現,近8a來,地下水埋深、供水密度、歸一化植被指數對景觀穩定性的影響相對較強,這是因為額濟納綠洲處于西北干旱荒漠區,其上植被發育、人類生產生活等均依賴于地下水及黑河下游的東河河水。游客密度、平均氣溫和降水量對景觀穩定性也有一定影響,在干旱的氣候條件下,旅游活動干擾植被生長、增加水資源需求量,三者均引起地表水資源減少,部分區域植被退化,加重人們對地下水的開采,加劇景觀穩定性的降低。由于在綠洲核心區中,人口集中分布于達來呼布鎮[10],所以人口數量變化對整體景觀穩定性變化的影響較小,但人為活動(生產生活用水和旅游活動)會影響地下水埋深的變化[22],進而影響整體景觀穩定性。綜合而言,對于以旅游業為支柱產業的干旱綠洲區域——額濟納綠洲核心區,在干旱的氣候背景下,正確處理好植被保護、水資源利用和人為活動干擾(旅游活動、人口增長等)3者之間的關系,是維持綠洲核心區景觀穩定性、促進區域生態恢復與可持續發展的現實基礎。

本研究仍存在一定局限性:①高分一號衛星可提供數據的最早年份為2013年,導致無法基于這一單一影像數據源開展長時間序列的研究,后續將繼續收集其他高分辨率遙感影像數據,對黑河流域分水前后的區域景觀格局及穩定性動態進行長時間序列分析。②由于驅動因子數據來源多樣,數據分辨率不完全一致,這會對分析結果產生一定影響,但是對文中主要結論的影響很小,后續會繼續尋找分辨率更一致的數據源,豐富指標體系,對額濟納綠洲核心區進行更為細致和全面的研究。

3.2 結論

(1)2013—2020年,額濟納綠洲核心區景觀類型變化表現為林地、草地等自然景觀類型轉化為建設用地、耕地等人為景觀類型。綠洲核心區景觀連通性和均勻度降低,聚集度和優勢度增加,多樣性和異質性增強,景觀形狀趨于簡單和規整。

(2)2013—2020年,額濟納綠洲核心區景觀穩定性整體較低且呈下降趨勢。2013和2020年綠洲核心區景觀穩定性呈“總體不穩、局部較穩”狀態,單一景觀類型集中分布區穩定性高于多種景觀類型交錯分布區;2013—2020年綠洲核心區景觀穩定性變化呈“大部分不顯著、局部有變動、冷點多于熱點”趨勢,穩定性變化冷點區多為景觀類型交錯分布區中湖泊和植被顯著退化的區域。

(3)2013—2020年,額濟納綠洲核心區景觀穩定性及其動態的驅動因子中,地下水埋深、供水密度和歸一化植被指數及其變化量的影響力度相對較強;游客密度、平均氣溫和降水量及其變化量的影響力度低于前3者,但高于人口密度及其變化量。各驅動因子之間相互關聯且存在交互增強效應。