全 文 ：黑河流域中游地区景观变化研究 *
卢 玲* * 程国栋 李 新 (中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,兰州 730000)
摘要 使用 GIS 技术和景观结构分析软件 FRAGSTATS,分析了黑河流域中游地区近 20 年间景观结构的变
化.结果表明,该地区的各类景观元素在近 20 年间发生了十分复杂的结构变化和相互转换, 但整体景观仍保持
荒漠化景观与绿洲景观强烈分异的鲜明格局. 人类有目的性的干扰活动改变了干旱区有限的水资源的分布与
分配,加剧了本地区荒漠化进程与绿洲化进程的对立斗争, 而绿洲与荒漠的交错地带是斗争的最敏感部位. 香
农多样性指数和香农均度指数的下降, 充分证明人类对本地区景观改造程度的不断加强.其结果一方面显著提
高了本地区的社会和经济效益, 另一方面也导致了局部地区生态环境效益的下降. 对本论文的研究方法和技术
也进行了讨论.
关键词 景观变化 黑河流域 景观指标 地理信息系统 FRAGSTATS
文章编号 1001- 9332( 2001) 01- 0068- 07 中图分类号 Q149 文献标识码 A
Landscape change in middle Heihe River Basin. LU L ing , CHENG Guodong and LI Xin ( Cold and A r id Regions
Environment and Engineer ing Resear ch Institute, Chinese A cademy of Sciences , L anzhou 730000) . Chin. J . A pp l .
Ecol . , 2001, 12( 1) : 68~ 74.
U sing GIS and a landscape structure analysis progr am FRAGSTATS, this paper dealt with the landscape change in the
middle Heihe River Basin during the past 20 years. During the past 20 years, the landscape elements had a complex
change of landscape structure and an apparent tr ansit ion of landscape composition, but the landscape in a whole still
displayed a pattern of sharply contrast betw een oasis landscape and deser tification landscape. Human activities signifi
cantly changed the distr ibut ion and allocation of the limited w ater resour ce in t he basin, leading to an acute contradic
tion between desertification and oasisfication. Moreover, the transitional ar ea between desertification and oasisfication
was ver y sensitive to these processes. The decr ease of Shannon! s diversity index and evenness index manifested the in
tensiv e management and reconstr uction of landscape by human beings, w hich improved the socioeconomic benefits of
the region on one hand, but decr eased the landscape heter ogeneity and landscape div ersity, leading to the decrease of
ecoenvironmental benefits of some areas in t he basin on t he other hand. T he research method and technology used in
this paper were also discussed.
Key words Landscape change, Heihe River Basin, Landscape metrics, G IS, FRAGSTATS.
* 中国科学院知识创新领域前沿项目( 210018) 和国家自然科学基
金重点资助项目( 49731003) .
* * 通讯联系人.
2000- 02- 01收稿, 2000- 08- 11接受.
1 引 言
任何空间尺度上的景观及其结构都会随着时间的
推移而不断发生变化,其原因在于外界的干扰作用.这
些干扰作用往往是综合性的, 包括自然环境、各种生物
以及人类社会之间复杂的相互作用, 结果是景观系统
内个别元素的稳定性和景观的空间结构发生变
化[ 7, 14] . 黑河流域中游地区的景观格局演变特征是荒
漠化景观和绿洲化景观逐渐分异, 主要是由于干旱区
气候这一最基本和最长久的自然因素所造成;有限的
水资源数量和分布状况是控制景观荒漠化进程和绿洲
化进程的主导因子; 随着社会的不断进步,人类的生产
活动成为促进本地区景观面貌改变的最活跃力量. 因
为该地区位于祁连山区的山前平原,土地平坦、光热充
足、引水便利,自古以来就是黑河人民休养生息的聚集
之地. 该地区农业开发已有两千多年历史[ 3] ; 特别是
近 50年来,兴修水利, 开垦荒漠, 改良土壤, 形成了如
今大面积的灌溉绿洲, 成为我国西北地区重要的商品
粮基地,社会与经济地位越来越重要.黑河流域中游地
区的绿洲以人工绿洲为主,具有更大的变异性.它既受
到自然环境的长期制约, 更受到人类活动的干预和社
会经济条件的影响[ 2] ; 尤其是在短期效应上, 政治、经
济和社会决策对该地景观变化起着决定性作用.对这
个黑河流域中景观变化最活跃的地带进行景观变化研
究,不仅有助于深入了解干旱区内陆河流域景观结构
与自然、生态过程和人类社会活动之间的关系,也有利
于确定人类的各种干扰活动导致该地区景观改变的强
度和方向及其有效性, 从而为本区域可持续发展提供
重要的科学依据.本文采用两种不同的景观结构变化
分析方法来研究黑河中游地区 20世纪 80年代前期到
90年代后期景观变化的趋势.
应 用 生 态 学 报 2001 年 2 月 第 12 卷 第 1 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Feb. 2001, 12( 1)∀68~ 74
2 研究地区自然概况与研究方法
21 自然概况
黑河流域是我国西北干旱地区第二大内陆河流域, 流域总
面积达 12. 8 # 104km2 , 位于 96∃42%~ 102∃00%E, 37∃41%~ 42∃42%
N之间. 黑河中游地区系甘肃中部的河西走廊平原的主要部
分,在行政上属甘肃省张掖地区的肃南县、民乐县、山丹县、张
掖市、临泽县、高台县, 酒泉地区的酒泉市和嘉峪关市, 面积约
1. 7 # 104km2.
黑河中游地区夹持于南部祁连山与走廊北山之间, 年均降
水量从南部的 250mm 向北降低至 100mm 以下, 海拔从 2000m
以上降至 1000m 左右.流域中游地区属灰棕荒漠土与灰漠土分
布区.除这些地带性土类外, 还有灌淤土(绿洲灌溉耕作土)、盐
土、潮土(草甸土)、潜育土(沼泽土)和风沙土等非地带性土壤.
流域中游地带性植被为温带小灌木、半灌木荒漠植被, 以藜科、
蒺藜科、麻黄科、菊科、禾本科、豆科为常见植物. 受河流水源和
人类活动影响,中游山前冲积扇下部和河流冲积平原上分布有
灌溉绿洲栽培农作物和林木,呈现以人工植被为主的景观.
22 研究方法
221 中游地区景观图制作 本研究数据源主要为两幅不同
时期的黑河流域土地类型专题图: 一幅是陈隆亨等采用 20 世
纪70 年代末的航空摄影相片和 1∀10 万航测图, 并经 1980 ~
1984 年连续 4 年的野外实地考察与调研, 于 1985 年编绘出版
的 1∀50 万甘肃省河西地区土地类型图[ 3] . 另一幅是肖洪浪等
根据 1997 年 6~ 9 月 TM 影像和 1∀25 万地形图, 在大量野外
调研和实地考察的基础上编绘的黑河流域 1∀50 万土地利用
图.这两幅图均已数字化, 存储在黑河流域水资源信息系统
中[ 8] .本文选择这两幅图作为分别编制黑河流域中游地区 80
年代前期景观图和 90 年代后期景观图的基础数据.
景观图的编制技术主要采用了地理信息系统( GIS)的地图
配准与制图综合等方法.地图配准是以 1997年黑河流域1∀50 土
地利用图的空间坐标系统为标准, 在 ArcV iew 3. 0a下均匀选取
1985 年 1∀50万甘肃省河西地区土地类型图上的多个控制点并
记录它们的 X、Y 坐标值; 转入 ARC/ INFO 中进行坐标系统转
换, 从而获得与 1997 年黑河流域 1∀50土地利用图相同的地理坐
标系统.两幅图配准效果理想,系统误差控制在指定范围内.
制图综合方法首先以 1997 年黑河流域 1∀50 土地利用图
划分的 31 个土地型为基础, 拟定黑河流域景观拼块类型,共分
出18 种类型(表 1) ; 然后, 综合考虑地貌、土地利用类型和单
元、土壤以及土地单元中的植物建群种,将该图的 66 种土地单
元分别归并到 18 种景观拼块类型.制图综合的具体操作过程
是在 GIS 中, 给土地单元图斑赋新的属性, 即拼块类型 ;合并属
性一致的图斑,根据新的属性制图,制作成黑河流域景观图和
甘肃省河西地区景观图.最后在 ArcV iew 3. 0a 软件支持下分别
从这两幅景观图中切割和提取黑河流域中游地区景观地带并
编制出黑河流域中游地区 80 年代前期景观图和 90 年代后期
景观图. 在划分和切割中游地区景观地带时, 依据了一条重要
原则: 保证拼块的完整性, 不因为生态分区而将完整的拼块多
边形分割为多个多边形.它保证了景观地带的边缘同时是拼块
边缘,从而保证景观指标计算的准确性(图 1) .
表 1 黑河流域景观拼块类型
Table 1 Patch types in the Heihe River Basin
景观拼块类型
Patch types
编码
Code
寒漠 Cold desert 1
高山草甸 Alpine meadow 2
草原 Steppe 3
森林 Forest 4
中山草甸 Middlemountain meadow 5
荒漠草原 Desert steppe 6
旱耕地 Nonirrigated farmland 7
灌耕地 Irrigated farmlan d 8
居民地 Resident ial area 9
人工林地 Artif icial forest 10
草甸 Meadow 11
荒漠 Desert 12
沙漠 Sandy desert 13
裸露戈壁 Bare gobi 14
水域 Water area 15
盐化草甸 Saliniz ed meadow 16
盐漠 Salt desert 17
沼泽 Marsh 18
222 建立转移矩阵和制作景观拼块类型转换图 为了确定
景观中各类型拼块近 20 年间发生的相互转换状况 (包括转换
的面积、强度、方向以及发生转换的空间位置 ) , 运用 GIS 方法
建立转移矩阵和制作景观类型转换图. 首先在 IDRISI 环境中,
将黑河流域中游地区两个时期的景观图进行交集运算以提取
其共同的边界及范围; 然后运用 IDRISI 软件提供的交叉分析
模块,对已具有完全相同边界和图像范围的这两幅景观图计算
景观中各类拼块间的转换频数并输出转移矩阵 (表 2) , 矩阵中
的元素 Pij 代表拼块类型 i(行元素)向拼块类型 j (列元素 )转
换的比例.
交叉分析模块在计算转换频数的同时还能生成一个按不
同转换类型分类的景观拼块类型转换图. 由于该图中出现的转
换类型共有 116 种, 导致图象显示繁杂且不利于分析, 必须进
行 GIS 制图综合. 首先将 116 种转换类型综合归并为 15 种新
的转换类型,依据的原则: 1)有利于体现灌耕地和荒漠这两种
优势拼块类型在景观中的强烈分异; 2)有利于分析绿洲化与荒
漠化这对最基本矛盾在景观中的变化态势. 然后, 将交叉分析
模块生成的转换图导入 ArcView 3. 0a平台中,建立新的转换类
型属性表并根据 15 种新的转换类型(制图类型)编制成黑河流
域中游地区近 20 年间景观拼块类型转换图(图 2) .
223 景观指标计算方法 FRAGSTATS[ 9]是由美国俄勒冈州
立大学森林科学系开发的一个景观指标计算软件, 有两种版
本,矢量版本运行在 ARC/ INFO环境中, 接受 ARC/ INFO格式
的矢量图层; 栅格版本可以接受 ARC/ INFO、IDRISI、ERDAS
等多种格式的格网数据. 两个版本的区别在于: 1)栅格版本可
以计算最近距离、邻近指数和蔓延度, 而矢量版本不能; 2)对边
缘的处理,由于格网化的地图中, 拼块边缘总是大于实际边缘,
因此栅格版本在计算边缘参数时会产生误差,这种误差依赖于
网格的分辨率.
691 期 卢 玲等: 黑河流域中游地区景观变化研究
70 应 用 生 态 学 报 12卷
表 2 黑河流域中游地区 80年代前期至 90年代后期景观元素转移矩阵
Table 2 Transition matrix of landscape elements in the middle part of Heihe River Basin from the early 80s to the later 90s(%)
草原1) 中山草甸13) 荒漠草原14) 旱耕地2) 灌耕地3) 居民地15) 人工林地14) 草甸
5) 荒漠6) 沙漠7) 裸露戈壁8) 水域
9) 盐化草甸10) 盐漠
11) 沼泽12) 合计
T otal
草原1) 25. 5 0. 6 0. 0 22. 3 27. 5 0. 2 0. 0 0. 0 23. 8 0. 0 0. 0 0. 1 0. 0 0. 0 0. 0 100. 0
旱耕地2) 8. 3 0. 0 0. 0 26. 4 61. 3 0. 1 0. 0 0. 0 4. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 100. 0
灌耕地3) 1. 0 0. 0 0. 1 3. 2 72. 3 1. 0 1. 0 3. 7 14. 0 0. 5 1. 8 0. 6 0. 8 0. 0 0. 1 100. 0
人工林地4) 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 51. 7 2. 1 12. 6 22. 0 2. 5 4. 5 2. 1 0. 5 2. 1 0. 0 0. 0 100. 0
草甸5) 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 16. 8 0. 2 1. 6 32. 4 4. 6 4. 5 7. 6 5. 5 8. 8 12. 0 6. 1 100. 0
荒漠6) 0. 3 0. 2 0. 0 0. 3 9. 3 0. 0 0. 1 2. 0 70. 0 1. 6 14. 9 0. 1 0. 3 0. 9 0. 0 100. 0
沙漠7) 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 4. 6 0. 0 0. 0 9. 3 11. 8 62. 7 8. 4 0. 2 2. 6 0. 5 0. 0 100. 0
裸露戈壁8) 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 7. 1 2. 7 0. 0 15. 6 16. 0 9. 7 46. 5 0. 0 1. 2 1. 1 0. 0 100. 0
水域9) 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 34. 0 0. 0 0. 0 21. 1 5. 2 3. 4 3. 1 18. 4 12. 5 2. 3 0. 0 100. 0
盐化草甸10) 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 13. 0 1. 5 0. 6 41. 2 7. 8 2. 3 1. 8 0. 5 18. 9 7. 2 5. 3 100. 0
盐漠11) 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 9. 3 0. 0 0. 0 35. 3 31. 6 0. 0 0. 3 0. 3 13. 4 7. 7 2. 1 100. 0
沼泽12) 0. 9 0. 0 0. 0 0. 9 33. 8 0. 2 6. 9 9. 5 33. 7 5. 6 1. 5 0. 5 5. 9 0. 0 0. 6 100. 0
1) Steppe, 2) Nonirrigated farmlan d, 3) Irrigated farmland, 4) Art if icial forest , 5) Meadow , 6) Desert , 7) S andy desert , 8) Bare gobi, 9) Water area, 10 )
S alinized m eadow, 11) Salt desert, 12) Marsh, 13) M iddlemountain meadow , 14) Desert steppe, 15) Residential area.下同 T he same below.
表 3 黑河流域中游地区两个时期景观在拼块级别上的景观指标对比
Table 3 Landscape metrics of different patch types in six landscape zones of the Heihe River Basin
N T YPE CA( hm2) % LAND NP MPS ( hm2) AWMS I AWMPFD MNN( m) MPI IJ I
80年代前期Early 80! s
3 草原1) 7685000 4. 83 10 7685. 00 2. 1 1. 07 2381. 19 400. 52 47. 3
7 旱耕地2) 42531. 25 2. 67 8 5316. 41 2. 77 1. 1 2893. 19 536. 45 40. 74
8 灌耕地3) 407981. 25 25. 63 132 3090. 77 5. 21 1. 15 1392. 22 2137. 76 72. 94
10 人工林地4) 9812. 5 0. 62 21 467. 26 1. 98 1. 08 5429. 6 11. 77 62. 74
11 草甸5) 59406. 25 3. 73 18 3300. 35 4. 06 1. 15 5441. 52 181. 25 72. 07
12 荒漠6) 668856. 25 42. 02 14 47775. 45 7. 55 1. 18 2963. 53 9286. 27 50. 03
13 沙漠7) 78231. 25 4. 92 26 3008. 89 2. 66 1. 1 5592. 96 78. 48 67. 29
14 裸露戈壁8) 93006. 25 5. 84 22 4227. 56 2. 56 1. 1 5034. 94 143. 98 70. 45
15 水域9) 3881. 25 0. 24 19 204. 28 1. 57 1. 06 10900. 44 3. 65 65. 9
16 盐化草甸10) 60606. 25 3. 81 24 2525. 26 2. 97 1. 11 3109. 67 102. 03 75. 68
17 盐漠11) 61606. 25 3. 87 4 15401. 56 3. 13 1. 11 1583. 38 2049. 37 51. 34
18 沼泽12) 28825 1. 81 43 670. 35 2. 38 1. 1 2226. 86 53. 64 59. 43
90年代后期Later 90! s
3 草原1) 43112. 50 2. 52 9 4790. 28 1. 98 1. 07 6890. 70 63. 06 36. 74
5 中山草甸13) 1587. 50 0. 09 2 793. 75 2. 65 1. 12 95706. 91 0. 00 32. 47
6 荒漠草原14) 1268. 75 0. 07 1 1268. 75 2. 14 1. 09 - 0. 00 0. 00
7 旱耕地2) 60393. 75 3. 53 12 5032. 81 2. 48 1. 10 2762. 39 77. 94 30. 95
8 灌耕地3) 505150. 00 29. 50 84 6013. 69 6. 13 1. 17 1477. 41 2391. 16 68. 29
9 居民地15) 7843. 75 0. 46 9 871. 53 1. 67 1. 06 12395. 87 15. 96 49. 25
10 人工林地4) 9418. 75 0. 55 4 2354. 69 2. 83 1. 11 24902. 38 1. 40 27. 27
11 草甸5) 119706. 25 6. 99 47 2546. 94 3. 62 1. 13 1464. 14 359. 91 65. 58
12 荒漠6) 649087. 50 37. 90 27 24040. 28 6. 94 1. 17 2234. 63 2834. 59 54. 86
13 沙漠7) 75875. 00 4. 43 18 4215. 28 2. 43 1. 09 1382. 28 73. 88 61. 05
14 裸露戈壁8) 157318. 75 9. 19 8 19664. 84 3. 44 1. 12 6495. 15 228. 63 58. 53
15 水域9) 8131. 25 0. 47 9 903. 47 4. 83 1. 17 24730. 16 21. 94 43. 35
16 盐化草甸10) 40318. 75 2. 35 34 1185. 85 2. 65 1. 10 2055. 88 15. 21 59. 56
17 盐漠11) 24737. 50 1. 44 8 3092. 19 3. 18 1. 13 10187. 98 13. 90 67. 46
18 沼泽12) 8487. 50 0. 50 3 2829. 17 2. 17 1. 09 20190. 00 17. 29 52. 60
N:拼块类型编号 No. of landscape type; TYPE :拼块类型 Patch type; CA:类型面积Class area; % LAND:拼块所占景观面积的比例 Percent of landscape;
NP:拼块个数 Number of patches; MPS :拼块平均大小 Mean patch size;AWMS I:面积加权的平均形状因子 Areaw eighted mean shape index; AWMPFD:
面积加权的平均拼块分形指数 Areaw eighted mean patch fractal dimension; M NN: 平均最近距离 Mean n earestneighbor distance; MPI: 平均邻近指数
M ean proximity index; IJI:散布与并列指数 Interspersion and juxtaposit ion index.下同 T he same below .
FRAGSTATS 功能强大, 可以计算 50 多种景观指标,但许
多指标之间都是高度相关的[ 5, 10] . 在拼块类型级别上分析景观
指标时,选用了 9 个指标; 在景观级别上分析景观指标时,选用
了景观面积、最大拼块所占景观面积的比例、拼块个数、拼块平
均大小、面积加权的平均形状因子、面积加权的平均拼块分形
指数、平均最近距离、平均邻近指数、景观丰度、香农多样性指
数、香农均度指数、散布与并列指数、蔓延度指数 13 个指标. 这
些指标的计算方法详见 FRAGSTATS 软件的使用说明书[ 9] , 所
有公式都采用 FRAGSTATS 的表示方式.
在计算黑河中游地区的景观指标时,选用 FRAGSTATS 的
栅格版本, 以确保能计算蔓延度等指标. 计算过程中给定的几
个重要参数: 1)格网分辨率为 250m # 250m; 2)所有边缘的权值
为 1, 即流域边界和景观边缘都被作为拼块边缘处理; 3)邻近指
数计算时的最小搜索距离为 50000m.
711 期 卢 玲等: 黑河流域中游地区景观变化研究
表 4 黑河流域中游地区两个时期景观在景观级别上的景观指标对比
Table 4 Landscape metrics of different landscape zones in the Heihe River Basin
时间 T ime TA( hm2) L PI NP MPS( hm2) AWM SI AWMPFD M NN( m) MPI PR SHDI SHEI IJ I CONTAG
80年代前期
Early 80! s 1591593. 75 2681 341 4667. 43 5. 41 1. 15 3296. 8 1296. 86 12 1. 76 0. 71 68. 17 58. 77
90年代后期
Later 90! s 1712437. 50 22. 76 275 6227. 05 5. 42 1. 15 4607. 30 1090. 89 15 1. 75 0. 65 62. 35 62. 15
ZONE:景观地带编号 No. of landscape zone; TA:景观面积T otal landscape area; LPI:最大拼块所占景观面积的比例Largest patch index; PR:丰度 Patch
richness; SH DI:香农多样性指数 Shannon! s diversity index; SHEI:香农均度指数 Shannon! s evenness index; CONT AG:蔓延度指数Contagion index.
3 结果与讨论
31 景观结构指标比较
311拼块级别上的指标比较 灌耕地是变化最大的
景观拼块类型:从 80年代前期的 407981. 25hm2 增加
到 90 年代后期的 505150. 00hm2; 但拼块数目却从
132块减少为 84 块, 拼块平均大小增大了近 1 倍; 拼
块的平均邻近度指数上升,而散布与并列指数下降.这
些指标的变化反映出在 80年代前期黑河中游地区的
灌耕地分布较现在破碎, 拼块平均粒径小,拼块间离散
程度也更高;经过近 20年的垦殖灌溉, 不但灌耕地面
积大幅度增加, 总面积扩大近 10 # 104hm2, 而且其发
展趋势是新耕地包围老耕地, 最终连片成带, 因而拼块
粒径变得更加粗大, 破碎度显著降低,导致灌耕地类型
在本景观地带中的优势地位提高. 这些变化说明人类
在本地区从事的农业开发活动十分强烈. 荒漠仍然是
本区面积最大和拼块粒径最粗的景观元素, 但其各种
指标的变化均与灌耕地呈相反趋势. 荒漠与灌耕地之
间这种此消彼长的变化态势, 是近 20年来中游地区人
民开垦土地、兴修水利、变荒漠为良田的结果.除灌耕
地和荒漠外,裸露戈壁是另一类变化较大的拼块类型.
近20年间, 裸露戈壁面积扩大了 6. 4 # 104hm2, 占据
景观总面积的比例从 80年代前期的 5. 84%增加到 90
年代后期的 9. 19% ;拼块数目从 22块减少为 8块,而
拼块平均面积增大了近 5倍;拼块的平均邻近度指数
上升,散布与并列指数明显下降.分析裸露戈壁的变化
对研究本地区荒漠化进程很具参考意义.从图 1可见,
裸露戈壁的扩展主要发生在两个地区, 一个是在酒泉
和嘉峪关以西, 原 80年代前期的一块裸露戈壁一边逐
渐向西北推移, 同时不断向四周的荒漠延扩, 最终形成
了90年代后期的一大片裸露戈壁, 面积达 8. 36 #
104hm 2;另一个是沿肃南牧区以北边缘的农牧交错带
一线, 分布着其它 7 块裸露戈壁, 总面积超过 60 #
104hm 2,而在 80年代前期的景观图上这里除了荒漠几
乎没有裸露戈壁.造成这两大部分裸露戈壁形成与扩
展的原因是其周围的灌耕地不断向荒漠拓展,消耗了
越来越多的水资源, 导致灌耕地外围的局部荒漠地区
水源枯竭,地表植被进一步退化甚至毁灭,原本还能放
牧的荒漠变成了寸草不生的裸露戈壁. 本地带中其它
天然绿洲类型和各种过渡生态系统的变化也十分明
显.如草甸面积 20年间增加了 60 # 104hm2, 占据景
观总面积的比例从 80年代前期的 3. 73%提高到 90
年代后期的 6. 99% , 拼块数目从 18块增加为 47 块.
从图 1还可看到,草甸主要是在明花盐池周围和沿黑
河廊道地带扩展了大量面积,因为这些地方水资源较
丰富.沼泽与草甸呈明显的反方向变化且都集中分布
在明花盐池一带,这是因为近几年来人们向这里大量
注水洗盐,土壤积水充足, 因而发育了沼泽. 注水洗盐
的结果还导致盐化草甸和盐漠这类盐生的过渡植被类
型大面积减少, 如盐化草甸面积减少了三分之一, 特别
是盐漠减少了近 4 # 104hm2; 变化的地方主要被草甸、
沼泽和荒漠所替代, 表明注水洗盐改良土壤的效果明
显.
312景观级别上的指标比较 从 80年代前期到 90
年代后期的近 20年间,中游地区景观地带的拼块数目
从 341 块减少为 275 块, 拼块平均面积扩大近
1600hm2,其原因是许多小拼块相互连通变成了大拼
块,反映出景观的破碎度降低, 景观异质性减弱;香农
多样性和均匀性指数减小,说明景观异质程度下降,景
观类型有向单一化或非均衡化方向发展的趋势;散布
与并列指数变小,蔓延度上升,说明景观中各类型拼块
在空间上的分布也出现非均衡化, 景观中的某一类或
某几类元素的优势度增高且更具有连通性.在这 20年
间,黑河人民扩垦了近 100 # 104hm2 的灌溉绿洲, 使
灌耕地在景观级别上的优势度明显提高;同时,由于这
些新垦的灌溉绿洲消耗了大量有限的水资源,导致农
牧交错区的大面积土地荒漠化进程加剧, 出现如草原
面积减少,裸露戈壁大幅度增加以及各种生态过渡类
型逐步破碎化等生态环境退化和恶化的现象.
32 景观类型转换变化分析
本地带各种拼块类型在近 20年间尽管发生了十
分复杂的相互转换(不同的转换类型有 116 种) ,但整
体景观仍保持荒漠化景观(荒漠、裸露戈壁、沙漠)与绿
洲景观(灌耕地、旱耕地、各种天然绿洲)强烈分异的鲜
72 应 用 生 态 学 报 12卷
明格局;另一方面,各种类型转换主要发生在绿洲景观
地带,说明干旱区绿洲生态环境有脆弱性和易变性的
特点.由于黑河流域中游绿洲是流域人类活动的中心,
因此黑河人民长期的劳动生产活动是逐渐改变景观面
貌的最主要最活跃因素. 在荒漠与耕地(包括灌耕地和
旱耕地)之间漫长的交接地带,荒漠转耕地与耕地转荒
漠这两个对立过程相互交织在一起, 分布破碎且形状
复杂,多呈辐射状或平行状, 特征十分鲜明. 从属性表
中可以查出:从荒漠转成耕地的总面积为 59825hm2,
而从耕地转为荒漠的总面积是 5661875hm2, 说明两
者之间的转换概率与强度相差不多. 因而反映出这些
交接地带不仅是荒漠化过程和绿洲化过程对立发展的
最敏感部位,而且在交接地带发生的这两个对立过程
以水分条件的变化为纽带呈现一种此消彼长且强弱相
当的态势.本地带的东南角处于祁连山森林草地景观
地带的外围,这里的民乐和山丹地区在 80年代前期原
有4大块总面积达 75033. 11hm2 的草原, 到 90 年代
后期仅保留了 25. 5%, 其余的 22. 3%转换为旱耕地,
23. 8%转换为灌耕地,还有 27. 5%的面积转化成荒漠.
这些变化说明人类对祁连山区毁草垦农的趋势和强度
在增加.这种破坏性活动不但使原来的优良牧场大面积
减少,还导致草原向荒漠严重退化, 十分不利于山区林
牧业的可持续发展.在明花盐池一带,由于景观元素丰
富,景观拼块类型间的相互转化程度十分强烈,局部地
区出现了生态系统向良性方向演替的现象,有 41. 2%盐
化草甸转化为草甸, 35. 3%盐漠转化为草甸;同时还有
2%的荒漠、156%的裸露戈壁和 9. 3%沙漠也转为草
甸,使草甸面积从 80年代前期的59406. 25hm2 提高到
90年代后期的 11970625hm2, 这是近年来人们在本地
区大量注水洗盐改良土壤的结果. 本地区出现的生态
系统向恶性方向转化的强度也不容忽视:从图 2可以
看到有三大块属荒漠化的斑块围绕在明花盐池周围,
一块是由原来的草甸和盐化草甸转为荒漠, 一块是由
草甸退化为盐漠,第三块是 80年代的一整块沼泽完全
被荒漠吞噬.虽然本地带属荒漠化的斑块数目不多,但
这些荒漠化拼块的共同特点是粒径粗大, 且均与旁边
的绿洲化拼块相伴相生, 具有较强的干扰能力,不利于
周围绿洲斑块的生存,更阻碍绿洲化的进程. 沿着酒泉
和张掖地区狭长的农牧交错带上, 呈条带状分布着 7
处属荒漠转裸露戈壁类型的较大斑块, 总面积达
93006. 25hm2,说明近 20年来荒漠向裸露戈壁进一步
退化的强度不容忽视. 这些斑块粒径粗大且呈现一种
连片成带的趋势,这种趋势也可以从裸露戈壁的多种
结构指标变化情况中得到证实.显然,裸露戈壁这种强
劲的拓展态势将对整个肃南牧区的畜牧业发展造成潜
在的环境压力.
4 结 语
黑河流域中游地区是流域人民生产生活的聚居
地,由于水资源十分有限,人类在变荒漠为良田造就着
有利生活环境的同时, 不可避免地带来一些不利的环
境变化,如局部地区草原大面积减少并向荒漠退化,裸
露戈壁拓展迅速,沼泽被荒漠吞噬以及各种过渡生态
类型景观逐步破碎化等生态环境退化和恶化的现象.
本地带景观多样性指数和均匀性指数的下降,充分证
明人类对该地区土地开发利用的有目的性和管理程度
的不断加强;这种结果一方面显著提高了本地区的社
会和经济效益, 另一方面也降低了本地区景观异质性
以及生物生境的多样性, 导致局部地区生态环境效益
的下降.因此在对本地区进行进一步农业开发和从事
各种经济活动时,要慎重考虑和把握好开发的方向与
规模,不能以牺牲生态环境效益为代价来换取经济与
社会效益的一时提高.另一方面,从转移矩阵获得的中
游地区近 20年间耕地转荒漠与荒漠转绿洲的概率和
强度基本相当的结果也提示我们要重视评价人类的各
种土地利用和开发活动的有效性, 以尽量减少盲目的
行为.解决这些问题的有效方法就是加强区域景观生
态建设和生态安全控制, 将人类活动对于景观演化的
影响导入正向的良性循环[ 2] .
研究结果表明, FRAGSTATS 中的景观指标能够
较正确地反映黑河流域各景观地带的结构特征,特别
是提供了多种类型的景观指标,有利于从景观格局、组
分等多个方面进行景观结构的变化研究. 同时,在 GIS
技术的支持下, 用建立转移矩阵和制作景观元素转换
图来分析景观结构变化的方法能够较好地揭示黑河流
域景观结构演变规律, 是研究干旱区土地荒漠化的发
展与逆转的一种有效手段,为本地区的荒漠化监测与
区域可持续发展提供科学依据.但需注意的是,在使用
FRAGSTATS 的栅格版本时, 要特别注意尺度的影
响.景观结构分析与变化过程研究一定要考虑尺度效
应,因为各种研究结果都与观察尺度密切相关[ 1, 13] .
景观尺度可由景观范围和斑块粒径两个方面确定, 它
们决定了研究区域的最大与最小分辨率[ 4, 9, 11, 12] . 选
择不同的研究尺度会得出不同的景观结构指标计算结
果.本文是在整个流域的宽广尺度上分析景观结构,网
格分辨率选择为较高精度的 250m,保证了原始图件中
的最小图斑不被丢失.如果研究的尺度不同, 网格分辨
率不同,景观指标的计算结果也会迥异,特别是会影响
731 期 卢 玲等: 黑河流域中游地区景观变化研究
到景观异质性和多样性的分析结果. 另一个需要注意
的问题是数据来源. 本文所使用的数据来自于由遥感
图像、地形图和大量实地考察所编绘的两幅不同时期
的黑河流域土地利用专题图,因而论文所编制的各种
景观图以及得到的景观结构与景观变化分析结果都严
格受到数据源的分辨率和专题图分类体系的制约, 特
别是遥感数据源的空间分辨率和时象将显著影响景观
的分析结果[ 6] . 随着遥感技术的迅猛发展, 借助于周
期性的航空航天遥感数据对景观进行定时跟踪监测是
目前研究景观动态变化的最有效手段. 今后, 对数据源
的选取应遵循如下原则: 同源遥感数据、时象尽可能接
近,空间坐标严格配准并采用一致的景观分类体系(建
立遥感自动分类) . 使用此数据源并结合 GIS技术,就
能准确地计算和分析景观结构指标并进行景观动态变
化的研究与预测.
参考文献
1 Chang XL(常学礼) , Wu JG(邬建国) . 1998. Spat ial analysis of pat
t ern of sandy landscapes in Kerqin, Inner Mongolia. Acta Ecol S in ( 生
态学报) , 18( 3) : 225~ 232( in Chinese)
2 Cheng GD( 程国栋 ) , Xiao DN ( 肖笃宁) , Wang GX (王根绪 ) .
1999. On the characterist ics and building of landscape ecology in arid
area. Ad v Earth S ci (地球科学进展) , 14( 1) : 11~ 15( in Chinese)
3 Chen LH(陈隆亨) , Qu YG(曲耀光) e t al . 1992. Water an d Land
Resources and Their Rational Development in the Hexi Region. Bei
jing: Science Press. ( in Chinese)
4 Dobson AP et al . 1997. Hope for th e future: restorat ion ecology and
conservat ion biology. S cience, 277: 515
5 Environm ental Protect ion Agency( EPA) . 1994. Landscape monitoring
and assessm ent research plan. EPA 620/ R94/ 009, Of fice of Research
and Development , Washington, DC.
6 Frohn RC. 1998. Remote Sensing for Landscape Ecology: New M etric
Indicators for Mon itoring, Modeling, and Assessment of Ecosystems.
Lewis Publishers. 99pp
7 Li F(李 锋) . 1997. T he theoret ical analysis on the landscape ecologi
cal method application in desert ificat ion monitor. Ar id Zone Res(干旱
区研究) , 14( 1) : 69~ 73( in Ch inese)
8 Li Xin, Cheng Guodong and Ding Yongjian. 1997. GIS for sustaining
w ater resource in Heihe Catchment . In: Proceedings of the Internat ion
al Symposium on HydroEnvironment in Asia. CEReS. 189~ 196
9 M cGarigal K and Marks B. 1994. FRAGSTAT S: Spat ial pat tern analy
sis program for quantifying landscape st ructure.Reference manual. For
est Science Departm ent, Oregon State University, Corvallis Oregon ,
March. 62pp
10 Riitters KH, O! Neill RV, Hunsaker CT et al . 1995. A factor analysis
of landscape pattern and st ructure met rics. Landscape E col , 10: 23~
39
11 T urn er MG, O! Neill RV, Gardner RH and Milne BT. 1989. Effect s of
changing spat ial scale on the analysis of landscape pattern. Land scape
Ecol , 3: 153~ 162
12 Wiens JA. 1989. Spat ial scaling in ecology. F un Ecol , 3: 385~ 397
13 Wu J and Loucks OL. 1995. From balance of nature to h ierarchical
patch dynamics: A paradigm shift in ecology. Q R ev Biol , 70 ( 4) : 439
~ 466
14 Xiao DN (肖笃宁) , Zhao Y (赵 羿 ) , S un ZhW(孙中伟 ) et al .
1990. Study on the variat ion of landscape pat tern in the west suburbs
of S henyang. Chin J Ap pl Ecol (应用生态学报) , 1 ( 1) : 75~ 84( in
Chinese)
作者简介 卢 玲,女, 1970 年生, 硕士研究生, 从事遥感和景
观生态学方面的研究,已发表论文 6 篇. Email: luling@ ns. lzb.
ac. cn
74 应 用 生 态 学 报 12卷