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Spatial neighboring characteristics among patch types in oasis and its ecological security

绿洲景观空间邻接特征与生态安全分析



全 文 :绿洲景观空间邻接特征与生态安全分析*
角媛梅1, 2* *  肖笃宁1
( 1 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 冻土工程国家重点实验室,兰州 730000; 2云南师范大学
旅游与地理科学学院,昆明 650092)
摘要  以金塔绿洲为例, 运用 ArcV iew 3. 0a计算了绿洲景观类型与沙地和盐碱沼泽地的空间邻接长度
和数目比例, 利用地理缓冲区分析方法计算了沙地和盐碱沼泽地对绿洲景观面积的影响, 提出了绿洲生态
安全受胁程度的计算方法. 结果表明,绿洲景观类型与沙地和盐碱沼泽地的空间邻接边长和数目的差异较
大; 受沙地和盐碱沼泽地影响的面积在景观类型中也存在差异; 草地和耕地与沙地的邻接边长和数目较
大, 受沙漠化的威胁比较重,而林地和耕地受盐渍化的威胁比较严重; 基于景观类型空间邻接的生态安全
评价分析可以初步反映绿洲景观受沙漠化和盐渍化的威胁程度.
关键词  空间邻接特征分析  绿洲  生态安全评价  金塔县
文章编号  1001- 9332( 2004) 01- 0031- 05 中图分类号  Q149  文献标识码  A
Spatial neighboring characteristics among patch types in oasis and its ecological security. JIAO Yuanmei1, 2 ,
XIAO Duning 1( 1State K ey Laboratory of Froz en Soil Engineering of Cold and A rid Regions E nv ir onmental
and Engineering Institute, Chinese A cademy of Sciences, L anzhou 730000, China ; 2 College of Tourist and
Geography , Yunnan Nor mal Univ ersity , K unming 650092, China) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2004, 15( 1) : 31
~ 35.
In this paper , the spatial neighboring leng th and number between oasis types and desert or salina- marsh in the
Jinta Oasis located in the ar id Heihe River Basin of Northwest China w ere calculated by using A rcView3. 0a and
buffer zone analysis methods, and the thr eatening degree of oasis ecolog ical secur ity w as discussed. T he results
indicated that it w as differ ent in neighboring length and number between oasis types and desert or salinamarsh,
and the influencing area by desert and salinamarsh patches w as also different. Grassland and farmland had more
neighboring leng th and numbers w ith desert or salinamarsh patches, and impacted by deser tification seriously .
For est and farmland had more length and numbers adjacent to salina- marsh, and influenced by salinization
severely. The assessment of ecological secur ity based on spatial analysis could reveal the threatening degree of oa
sis by desertification and salinization.
Key words  Spatial neighbor ing characterist ics, Oasis, Ecolog ical secur ity, Jinta County .
* 国家自然科学基金重大项目 ( 90102004) 和中国科学院知识创新
工程重大资助项目( KZCX10904) .
* * 通讯联系人
. 2002- 10- 28收稿, 2003- 02- 20接受.
1  引   言
景观是斑块的镶嵌体,景观中的能量、养分和多
数物种,可以通过扩散、物质流和运动等方式在景观
斑块间移动.景观斑块的边缘部分可起到半透膜的
作用, 能对进入和离开景观斑块的能物流进行过
滤[ 2] .空间邻接紧密的景观类型, 在结构和功能上
也必然密切联系[ 8] .绿洲是干旱内流区能物流最集
中的场所, 也是荒漠背景下人类局部优化的生存环
境,其生态安全分析包括景观空间格局、功能、受害
规模、受威胁程度、演化与可持续发展等方面[ 15] . 目
前,绿洲景观格局及其变化研究是干旱区景观生态
研究的热点,并集中在黑河流域中下游和新疆石河
子地区的绿洲[ 3, 4, 6, 7, 13, 14] ,而有关绿洲生态安全的
分析与评价研究尚处于理论探讨阶段. 本文以地处
我国河西走廊中段黑河流域的金塔绿洲为例, 计算
了绿洲景观类型与沙地和盐碱沼泽地的空间邻接比
例,提出了基于景观类型空间邻接长度、数目和影响
面积的景观生态安全评价指标, 并在此基础上对金
塔绿洲各景观类型及绿洲景观受沙漠化和盐渍化威
胁的程度进行了初步评价,为河西走廊绿洲的生态
安全维护措施提供科学指导.
2  研究地区与研究方法
2 1 研究区概况
金塔绿洲位于甘肃省酒泉地区金塔县鸳鸯灌区 ( 9839
~ 9908E, 3956~ 4017N) (图 1) . 海拔 1100~ 1400m, 年
平均气温 8  , 年均降雨量 59. 5mm, 年蒸发量 2538. 6mm,
属典型温带大陆性气候. 金塔绿洲为发源于祁连山的北大河
应 用 生 态 学 报  2004 年 1 月  第 15 卷  第 1 期                              
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jan. 2004, 15( 1)31~ 35
下游的冲、洪积三角洲, 水源主要来自于北大河下游的鸳鸯
池水库,盛产小麦、玉米、棉花、豆类、瓜果[ 10] .绿洲总面积 1.
02 105 hm2 ,其中耕地占 30% , 沙地占 23% , 盐碱沼泽地约
占 20% ,草地占 15% , 戈壁、裸地占 8% , 林地占 3% , 城镇居
民用地占 1% , 土地沙漠化和盐渍化严重.
图 1  黑河流域金塔绿洲图
Fig. 1 Map of Jinta oasis in Heihe River basin.
22  研究方法
  本文景观分类图来源于 1995 年 8 月的 T M 影像
( 13432) 解译结果, 该数据存储于数字黑河数据库中[ 9] . 根
据景观分类原则, 利用 ArcView 3. 0a, 将原有土地利用类型
合并成耕地、林地、草地、城镇居民用地、沙地、盐碱沼泽地和
戈壁裸地等 7 个类型.应用 ArcV iew3. 0a 及其 Spatial Analy
sis 模块,通过矢量格式的转换和切割运算, 获得绿洲景观
图,计算了绿洲景观类型与荒漠景观类型的空间邻接长度、
数目和比例.
  绿洲景观类型的生态安全受多个斑块特征影响. 一般来
说,绿洲内沙地、盐碱沼泽地的面积比例越高,绿洲安全程度
越低; 绿洲类型与沙地、盐碱沼泽地的空间邻接长度占其边
缘总长的比例越高, 其安全程度越低; 同理, 绿洲类型与沙
地、盐碱沼泽地的空间邻接边的数目越多, 其安全程度越低;
另外,沙漠化、盐渍化强度和影响范围越大,绿洲生态安全程
度越低. 由此可见,绿洲景观的生态安全程度是绿洲类型与
沙地、盐碱沼泽地的空间邻接长度、数目以及影响面积等指
标的函数.据此, 提出公式( 1)来计算各绿洲景观类型的受胁
程度( C i) :
  C i= L i+ P i+ A i ( 1)
其中, i 为绿洲景观类型(包括耕地、林地、草地和城镇居住
地) , L i 为第 i 个绿洲景观类型与沙地或盐碱沼泽地的空间
邻接长度与其边缘总长的百分数, P i 为 i 个绿洲景观类型与
沙地或盐碱沼泽地的空间邻接数目与其斑块总数的百分数,
A i为 i个绿洲景观类型受沙地或盐碱沼泽地威胁的面积
(计算方法见后)与其总面积的百分数. 从式中可以看出, Ci
值越大, 绿洲类型 i受到的威胁越高.当 C i= 3时, 绿洲景观
类型 i 的任何斑块的所有边缘均与沙地或盐碱沼泽地邻接,
并且所有斑块的面积均在沙地或盐碱沼泽地的影响范围内,
即当绿洲类型 i 的所有斑块均分布于沙地或盐碱沼泽地中
间, 并且斑块面积均很小时,该类型的生态威胁最大,安全程
度最低.
  从绿洲尺度看, 所有绿洲类型受沙漠化或盐渍化的威胁
程度都是绿洲生态安全程度的直接表现; 另外, 绿洲生态安
全程度还与绿洲中沙地或盐碱沼泽地规模有关. 据此, 提出
公式( 2)计算绿洲的生态安全程度( ES) :
  ES = D+ 4
i= 1
C i / 3 ( 2)
其中, D 为绿洲中沙地或盐碱沼泽地的面积占总面积的百
分比. 从式( 2)可以看出, ES 值越大, 绿洲受到的沙漠化或盐
渍化威胁越高, 其最大值趋近于 5(当绿洲内沙地或盐碱地
面积扩大, 且各绿洲类型斑块均极度破碎) .
  沙地或盐碱沼泽地所威胁的景观面积与它们间的邻接
长度及影响范围有关. 缓冲区分析是 GIS 空间分析操作中的
一个重要模块, 它通过对点、线、面目标划出的一定范围的缓
冲区域进行分析, 以判断它们的影响范围 .因此, 根据 盐随
水来,盐随水去原理和风沙的运移规律, 假设沙地、盐碱沼
泽地对与其邻接的绿洲景观类型的影响范围分别为距边界
20 和 10m 的范围内,则可依据邻接特征确定沙地、盐碱沼泽
地所引起的相邻绿洲景观类型的潜在受胁面积. 应用 Ar
cV iew3. 0a中的地理缓冲区分析方法, 以沙地斑块为圆心
(分析中心) ,以 20m 为半径,生成沙地的缓冲区图, 将该图
与绿洲景观分类图进行叠加计算, 即得到沙地对绿洲景观类
型的影响面积; 以盐碱沼泽地斑块为圆心 (分析中心) , 10m
为半径,生成盐碱沼泽地的缓冲区图, 将该图与绿洲景观分
类图进行叠加计算, 即得到盐碱沼泽地对绿洲景观类型的影
响面积.
3  结果与分析
31  景观类型与沙地、盐碱沼泽地的邻接特征及生
态威胁
  由表 1可见, 在绿洲景观类型中,耕地与沙地邻
接边长最长, 说明绿洲类型中耕地的潜在沙漠化威
胁最大.同时,耕地与沙地邻接边长比例仅为耕地总
长的 23% ,说明绿洲中约有 1/ 5的耕地边缘有潜在
沙漠化威胁.另外,耕地与沙地邻接边的数目达到其
总斑块数的 79% ,说明多数耕地斑块与沙地邻接,
有潜在沙化的威胁.因为金塔绿洲东、北部有大片沙
地分布,部分耕地斑块分布在沙地中间,它们的边缘
均与沙地邻接,因而邻接比例高.
  草地与沙地的空间邻接长度占绿洲类型中的第
2位, 说明草地沙漠化威胁也比较高. 然而, 草地与
沙地邻接边长占草地总边长的 41%, 说明约 2/ 5的
32 应  用  生  态  学  报                   15卷
草地边缘受沙漠化威胁. 同时,草地与沙地邻接边数
目是其斑块数的 120%, 说明所有草地斑块均与沙
地邻接,而且部分草地斑块还与多个沙地斑块邻接.
因为许多草地小斑块分布在绿洲东、北部的沙地中
间,并且分布在绿洲西北的草地斑块也与沙地邻接.
表 1  绿洲景观类型与沙地、盐碱沼泽地的空间邻接特征
Table 1 Spatial neighboring property between oasis landscape types and
desert, salinamarsh patches
A B C D E
沙地 386879 22. 6 126 78. 8
Desert    1
      2 31663 15. 6 11 64. 7
      3 281984 41. 4 59 120      4 11346 7. 8 16 12. 4
盐碱沼泽地 774554 45. 2 118 73. 8
S alinamarsh  1
      2 66249 32. 7 18 100. 1
      3 52885 7. 8 27 55. 1
      4 6713 4. 5 8 6. 2
1)耕地 Farmland; 2)林地 Forest ; 3)草地 Grassland; 4)城镇居住地
Const ruct ion & set t lement . A:邻接类型 Neighboring types, B:邻接长
度 Neighboring length ( m ) , C: 邻接长度百分数 Percentage of neigh
boring length ( Li) , D :邻接边数目 Neighboring number, E: 邻接边数
目与斑块数之比 Ratio of neighboring numbers and patch numbers
( Pi) .下同 The same below .
  林地与沙地邻接长度占绿洲类型中的第 3位,
但其邻接长度仅为总边缘长度的 16% ,说明约 1/ 6
的林地有沙漠化威胁.然而,林地与沙地邻接边的数
目占其斑块总数的 65% ,说明一半以上的林地与沙
地相邻,多数林地斑块有沙漠化威胁.因为大部分林
地属于人工林, 其主要目的是防风固沙. 相比而言,
城镇居住地与沙地邻接边长最短,邻接边的数目也
仅为其斑块总数的 12%, 说明绿洲中约 1/ 10 的人
类居住地斑块受沙漠化威胁, 绿洲居民的生产生活
保障程度不高.
  从绿洲景观类型与盐碱沼泽地的空间邻接来
看,耕地与盐碱沼泽地的邻接边长最长,说明绿洲类
型中耕地的潜在盐渍化威胁最大. 同时,耕地与盐碱
沼泽地的邻接边长比例高达其边缘总长的 45%, 说
明绿洲中约一半的耕地边缘有潜在盐渍化威胁. 另
外,耕地与盐碱沼泽地邻接边的数目达到其总斑块
数的 74% , 说明大多数耕地斑块与盐碱沼泽地邻
接,潜在盐渍化威胁严重.因为金塔绿洲所处的金塔
盆地地形完整, 进入盆地的水基本不能流出盆地, 使
绿洲的地下水位较高,盐碱化严重,从而导致耕地与
盐碱地斑块的邻接比例很高.
  草地与盐碱沼泽地的空间邻接长度占绿洲类型
中的第 2位,说明草地盐渍化威胁也比较严重.但草
地与盐碱沼泽地邻接边长仅占草地总边长的 8% ,
与盐碱沼泽地的邻接边数目是其斑块数的 55%, 说
明草地受盐渍化威胁的范围不大, 约一半草地斑块
与盐碱沼泽地邻接.
  林地与盐碱沼泽地的邻接长度占绿洲类型中
的第 3位,且其邻接长度为总边缘长度的 33%, 说
明约 3/ 10的林地边缘受盐渍化威胁. 然而, 林地与
盐碱沼泽地邻接边的数目为其斑块总数的 101%,
说明所有林地斑块均与盐碱沼泽地相邻, 且个别斑
块与多个盐碱地斑块相邻.城镇居住地与盐碱沼泽
地邻接边长最短, 邻接边数目也仅为其斑块总数的
6% ,说明绿洲中人类居住地斑块受盐渍化影响不
大.
32  绿洲景观的沙漠化和盐碱化威胁
  通过沙地和盐碱沼泽地缓冲区图与绿洲景观图
的叠加计算, 得到绿洲类型受沙地和盐碱沼泽地的
影响面积(表 2) . 由表 2 可见, 在绿洲景观类型中,
耕地受沙地和盐碱沼泽地威胁的面积均最大,其中
受沙地影响的面积占其总面积的 2. 5%, 受盐碱沼
泽地影响的面积占 2. 6%, 说明耕地是绿洲中有潜
在沙漠化和盐渍化威胁最大的类型, 因为耕地与沙
地和盐碱沼泽地的邻接比例最高; 草地受沙地影响
的面积占其总面积的 4% ,沙漠化威胁严重, 但受盐
渍化威胁的面积却很小, 因为草地主要分布在绿洲
的边缘地带,地势较高, 地下水位较低; 城镇居住地
受沙地影响的面积为22. 5 hm2, 而农村居民地斑块
的平均面积是 5. 8 hm2, 说明约有 4个居民地斑块
分布在沙地边缘. 同理,只有一个居民地斑块受盐碱
沼泽地影响;林地受沙地、盐碱沼泽地的影响面积均
较小,不到其景观面积的 2% ,说明绿洲中林地斑块
受沙漠化和盐渍化的影响范围比较有限.
表 2  各绿洲景观类型受沙地和盐碱沼泽地威胁的面积与程度
Table 2 Area and degree of each oasis types threatened by deserti fica
tion and salinization
A B C D E F G
1 759. 1 2. 5 1. 01 771. 8 2. 6 1. 22
2 62. 9 1. 6 0. 83 66. 1 1. 7 1. 36
3 558. 7 3. 7 2. 01 52. 9 0. 30. 63
4 22. 5 1. 9 0. 22 6. 7 0. 6 0. 12
合计 4. 07 3. 33
Total
A:绿洲类型 Oasis types, B: 沙地影响面积 Impacted area by desert
( hm2) , C:沙地影响面积占该类型面积的百分数 Percentage of im
pacted area by desert ( Ai) ( % ) , D:沙漠化威胁程度 T hreaten degree
of desert ificat ion, E:盐碱沼泽地影响面积 Impacted area by salina and
marsh ( hm2) , F:盐碱沼泽地影响面积占该类型面积的百分数 Per
centage of impacted area by sal ina and marsh ( Ai ) ( % ) , G:盐渍化威胁
程度 Threaten degree of salinizat ion.
  从各绿洲景观类型受沙地和盐碱沼泽地的威胁
程度看, 绿洲中受沙漠化威胁的程度在不同类型中
差异较大,草地是受沙漠化威胁最大的类型, 有 2/ 3
331 期              角媛梅等:绿洲景观空间邻接特征与生态安全分析      
的草地受沙地影响, 潜在沙漠化威胁程度高, 易于退
化,因为金塔绿洲是北大河下游的荒漠绿洲, 沙地、
戈壁等荒漠类型是景观基本类型,绿洲边缘保存有
较宽的生态过渡带, 天然草地分布较广.耕地和林地
受沙漠化威胁也比较大, 城镇居住地最小,因为绿洲
东部和北部沙地分布较广, 部分耕地斑块完全被沙
地所包围,沙漠化威胁严重.从绿洲的盐渍化威胁来
看,草地和城镇居住地的盐渍化威胁较小, 1/ 3以上
的林地和耕地均有潜在盐渍化威胁,因为绿洲地下
水位高,灌溉管理不善,蒸发强烈, 盐碱地广布.
  另外, 据公式( 2)和表 2, 计算可得绿洲生态安
全受沙地威胁的程度是 1. 59, 受盐碱地威胁的程度
是 1. 31,说明金塔绿洲受沙漠化的威胁比盐渍化的
威胁要大, 主要是因为绿洲边缘地区的部分草地和
耕地被沙地所包围.
4  讨   论
  生态安全是近年提出的一个新概念, 有广义和
狭义之分.前者包括自然生态安全、经济生态安全和
社会生态安全. 后者是指自然和半自然生态系统的
安全, 即生态系统完整性和健康的整体水平反
映[ 16] .生态安全与生态风险互为反函数, 与生态健
康互为正比关系.自 1941年Aldo Leopold提出土地
健康的概念并用其评价土地功能状况以来, 有关生
态系统与环境安全问题的研究在生态健康与生态风
险两方面在世界范围内得到发展[ 5, 11, 17] . 20世纪 80
年代初期, 风险评价成为一门科学被广泛应用于工
程领域和环境风险的定量化评价,并在风险测度的
定量化技术和评价方法等方面取得重要进展, 但在
评价指标、标准、暴露程度和评价的模型化等方面还
存在广泛争议[ 2, 12] . 同一时期, 有关生态系统健康
问题的研究逐渐兴起,但其评价方法、评价体系以及
限制因素的识别等问题的研究尚处于探索和完善过
程[ 5, 17] .当前, 有关绿洲生态安全的研究刚刚兴起,
如何定量研究和分析绿洲的生态安全尚在探讨之
中[ 15, 16] .本文从景观类型间的空间邻接角度, 计算
了金塔绿洲中耕地、林地、草地和城镇居住地与沙地
和盐碱沼泽地的邻接长度和数目;假定沙地对其邻
接斑块的影响宽度为 20m, 盐碱沼泽地的影响宽度
是 10m,并据此计算了绿洲景观受沙漠化和盐渍化
威胁的面积及其比例.在以上计算和分析的基础上,
提出了基于斑块邻接边长、数目和影响面积的生态
安全受胁程度的计算公式,定量分析了金塔绿洲中
各景观类型受沙漠化和盐渍化威胁的程度,是定量
研究绿洲景观生态安全的有效途径. 结果显示, 金塔
绿洲中耕地与沙地和盐碱沼泽地的邻接边长最长,
之后为草地、林地和城镇居住地类型,因为绿洲类型
中耕地的比例最大; 从各绿洲景观类型与沙地的邻
接长度和数目占各类型的总边长和总斑块数的比例
来看,草地与沙地的邻接比例最高,之后为耕地和林
地,城镇居民地最小,因为草地主要分布在绿洲边缘
的生态过渡带上; 从各景观类型与盐碱沼泽地的邻
接长度占其总边长的比例看,耕地与盐碱沼泽地的
邻接长度高达其总边长的 45%, 说明耕地盐碱化威
胁严重; 从各景观类型与盐碱沼泽地的邻接边的条
数与其斑块数的比值看,林地的值达到 100. 1% ,说
明每个林地斑块均与盐碱沼泽地相邻;因此,基于邻
接边长的沙地和盐碱沼泽地的影响面积也显示了相
似的特征,即耕地受盐碱沼泽地的影响面积大于沙
地的影响面积,林地受盐碱沼泽地的影响面积也大
于沙地的影响面积,草地则主要受沙漠的影响, 个别
城镇居民地受沙地和盐碱沼泽地影响; 耕地受沙漠
化和盐渍化威胁的程度均较高, 其值分别为 1. 01和
1. 22,林地受盐渍化的威胁较高,而草地则受沙漠化
的影响严重, 部分城镇居住地也受沙地和盐渍化影
响.从绿洲整体来看,绿洲受沙漠化的影响比盐渍化
的要大.
  作为一项尝试性的研究,文中所假设的沙地和
盐碱沼泽地的影响宽度尚需进一步讨论和验证. 据
皮山西南所观测的资料, 沙丘前移值( D )与风速的
关系为 D= 0. 057 V 2. 47, r = 0. 98[ 18] . 金塔地区的年
均风速为 2. 2 ms- 1, 最大风速 4. 6 ms- 1,依此计
算,该区的沙丘前移值分别为 0. 4 ms- 1和 2. 5 m
s- 1,则当一次起风时间为 10 s时,沙丘前移值即分
别达 4m 和 25m. 考虑到金塔地区既有流动沙丘,也
有固定半固定沙地, 我们假定沙地对绿洲类型的影
响宽度为 20m;金塔绿洲地势较平坦,南高北低, 在
南北长 29km 的范围内高差仅有 300m, 即在南北长
度为 96. 7m 的范围内海拔仅升高 1m. 2001年金塔
地区地下水平均埋深 5. 034m, 地下水位平均变幅为
0. 122m, 则地下水位上升所影响的南北距离为9. 67
m.因此, 我们假定盐碱地的影响距离为 10m .另外,
沙地、盐碱地等威胁源的发展速度、危害强度也是绿
34 应  用  生  态  学  报                   15卷
洲生态安全评价分析应该考虑的因子, 在未来的研
究中应进一步深入探讨.
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作者简介  角媛梅, 女, 1972 年生, 在职博士, 讲师, 主要从
事景观生态和文化生态研究, 发表论文 10 余篇. T el: 0931
4967299. Email: ymjiao@ sina. com
351 期              角媛梅等:绿洲景观空间邻接特征与生态安全分析