全 文 ：第 26 卷第 9 期
2006 年 9 月
生 　　态 　　学 　　报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26 ,No. 9
Sep. ,2006
新开河流域土地利用格局变化及其生态学意义
张国坤1 , 邓　伟2 , 宋开山3 , 刘吉平1 , 张力宏4 , 李　方3
(1. 吉林师范大学旅游与地理科学学院 , 四平　136000 ; 2. 中国科学院水利部山地灾害与环境研究所 , 成都　610041 ;
3. 中国科学院东北地理与农业生态研究所 ,长春　130021 ; 4. 吉林师范大学图书馆)
基金项目 :中国科学院湿地生态与环境重点实验室资助项目 (WELF22004B2008)
收稿日期 :2006206215 ;修订日期 :2006208230
作者简介 :张国坤 (1963～) ,男 ,辽宁绥中人 ,博士 ,副教授 ,主要从事地图、遥感、地理信息系统、环境学教学与研究. E2mail :ldxyzgk @163. com
Foundation item :The project was supported by key lab of wetland ecology and environment ,CAS (No. WELF220042B2008)
Received date :2006206215 ;Accepted date :2006208230
Biography :ZHANG Guo2Kun ,Ph. D. candidate ,Associate professor ,mainly engaged in cartography ,remote sensing ,and GIS application in environmental sciences.
摘要 :基于利用不同时期的地形图和 TM遥感数据 ,运用 ARCΠINFO 软件 ,以马尔柯夫空间概率模型为基础 ,对新开河流域的土
地利用格局变化及驱动因素进行的分析 ,论证新开河流域土地利用结构日趋不合理 :不仅林地占地最小 ,而且土地盐碱化、沙化
严重 ,草地退化严重 ,生态环境质量整体向恶化方向发展 ,分析了生态环境恶化的原因 ,探讨了土地利用格局变化的生态学意
义 ,提出了治理措施和方法。
关键词 :遥感与地理信息系统 ; 新开河流域 ; 土地利用Π覆被变化 ; 马尔柯夫模型
文章编号 :100020933(2006) 0923025210 　中图分类号 :P901 ,Q149 　文献标识码 :A
On the land2use pattern shifting in Xinkai River Basin and its ecological signif icance
ZHANG Guo2Kun1 ,DENG Wei2 ,SONG Kai2Shan3 ,LIU Ji2Ping1 , ZHANG Li2Hong4 ,LI Fang3 　(1. The Faculty of Tourism and
Geographical Science , Jilin Normal University , Siping 136000 , China ; 2. Institute of Mountain Hazards and Environment , CAS . Chengdu 610041 , China ; 3. The
Institute of Northeast Geography and Agricultural Ecology , Changchun 130021 , China ; 4. Library , Jilin Normal University , Siping 136000 , China) . Acta
Ecologica Sinica ,2006 ,26( 9) :3025～3034.
Abstract :This article is based on the analysis of the land2use pattern shifting in the Xinkai River basin and its driving factors ,
which has been made with the support of ARCΠINFO software after the Markov model of space probability , in the light of the relief
maps and the TM remote2sensing data for the various periods , shows that the land2use pattern in the basin has been unreasonable ,
as is proved by such facts as existence of few woods , serious land saline2desertification and progressive reduction of grassland 2 a
general degradation of the eco2environment in the area. The reason for the degradation , the ecological significance of the pattern
shifting and the appropriate measures to improve the eco2environment are dealt with in this article.
Key words :RS and GIS ; Xinkai River basin ; land useΠcover change ; Markov model
土地利用是地球表面的社会利用状态[1 ] ,是人类为其生存通过较完善的生物和技术的活动 ,对土地进行
长期或周期性的经营所表现的景观。土地利用格局通常是指景观的空间结构特征。景观结构与生态过程相
结合的格局分析是土地利用格局研究的发展方向[2 ] 。土地利用是一个动态的过程。随着人口急剧增长 ,人类
活动对自然环境的影响日益显著 , 土地利用的变化导致景观结构或土地利用格局 (自然状态的土地覆被格
局)发生变化[3 ] 。研究空间格局能更好地理解生态过程[4 ] ,因此研究土地利用格局的动态变化 ,有助于了解造
成其变化的原因、机理及演变趋势 ,同时通过调整人类的社会经济活动 ,按照生态规律可有效地优化土地利
用 ,为进一步合理地可持续利用土地资源提供科学的依据。
随着传统方法的改进和新研究方法的出现 ,RS 和 GIS 的结合 ,已经成为探讨土地利用格局演变、揭示其
空间变化规律、建立其变化驱动力模型强有力的分析手段[2 ] 。目前国际上采用的方法主要是 ,在 GIS 或 RS 的
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支持下 ,通过对不同时期遥感影像或土地利用图进行空间叠加运算 ,求出各时期土地利用类型的转移矩阵
(Conversion Matrix) [5 ,6 ] ,分析其变化 ,或改进土地分类体系或进行方法研究[7～11 ] 。
流域是一条河流的集水区域 , 它具有完整的自然生态系统。流域生态学是运用现代生态学和相关学科
的理论和方法 ,研究流域内各系统的结构与功能 ,以及系统之间的相互影响和相互作用的科学[12 ] 。流域内土
地利用格局的演变直接影响着流域内的物理、化学、生物等自然过程的发生发展 , 维系着流域的生态安
全[4 ,13 ,14 ] 。基于景观生态学和流域生态学的思想 ,以流域为研究尺度 ,分析流域内土地利用格局的动态变化 ,
以便制定出合理的景观调控对策 ,是进行流域综合治理的关键之举[15～18 ] 。本文利用新开河流域范围内不同
时期的地形图数据和匹配纠正的 TM遥感数据 ,经过土地利用类型分类及数字化处理后 ,在 ARCΠINFO 软件支
持下 ,利用马尔柯夫空间概率模型定量分析新开河流域土地利用格局变化趋势 ,为新开河流域合理土地利用
提供科学的依据。
1 　新开河流域基本概况
图 1 　新开河流域政区图
Fig. 1 　The administrative area map of the Xinkai River basin
新开河流域位于松辽大平原上 ,属西辽河平原。该流域范围在北纬 43°22′～44°20′,东经 120°20′～
123°32′,流域面积 894218km2 。该流域所辖行政区范围 (图 1) 在内蒙古自治区东部 ,包括赤峰市阿鲁科尔沁
旗、兴安盟科尔沁右翼中旗、通辽市科尔沁区、扎鲁特旗、开鲁县、科尔沁左翼中旗以及吉林省西部的通榆县南
部地区。该流域广泛分布以沙粒成分为主的表层沉积物和沙性土壤[19 ] 。该流域四季分明 ,属温带大陆性气
候 ,春季干旱多风 ,夏季炎热而雨量集中 ,秋季凉爽短促 ,冬季漫长而寒冷。年平均气温 0～6 ℃,1 月份平均气
温 - 12 ～ - 17 ℃, 7 月份平均气温 23～24 ℃;极端最高气温 4117 ℃,极端最低气温 - 43 ℃,无霜期 100～150d。
冬春多偏西北风或偏北风 ,夏季多偏南风或西南风 ,平均风速 315～415m·s - 1 ,最大风速 19～31 m·s - 1 ,3～5 月
份大风频率可占全年 50 %～60 % ,4 月份最多。降水量分布不均 ,年平均降水量 350～450mm。新开河流域内
地势平坦 ,微有起伏 ,平均海拔 100～200m。区内地面水分布受地形和气候的影响较大。新开河河流沿松辽
分水岭南边缘呈弓型与西辽河汇合双辽南下 ,并与西南流向的东辽河在辽宁省汇流注入渤海。区内泡沼湖泊
众多、星罗棋布。本区植被为半干旱气候条件下的草原植被 ,低湿洼地主要以芦苇、苔草、碱蓬、碱蒿等草甸植
被群落为主。
2 　研究方法与步骤
通过比较不同历史时期的调查监测资料 ,以及航片与卫片 ,运用马尔柯夫模型 ,能够定量地描述地类斑块
动态。在此基础上 ,对多个时段的地类转换概率进行比较 ,并进一步分析土地利用格局变化的生态学意义[2 ] 。
本文运用了 ArcGIS8 软件和 ERDAS IMAGING软件 ,利用 1969 年、1979 年航测的地形图 ,从中提取土地利
用类型数据 ,数字化形成1∶10万土地类型矢量图 ,再和从 1992 年、2001 年的遥感数据信息 ,所提取相应时段的
1∶10万土地类型矢量图进行叠置 ,再以软件 Arcview3. 2
为主要分析工具 ,来确定土地利用格局转换矩阵 ,分析
3 个不同时期土地类型的转化情况 ,以此来探讨新开河
流域土地利用格局的变化趋势及其生态学意义。
2. 1 　数据来源与多源信息匹配处理
航测的地形图 ,它是源于航片信息 ,而且与 TM 遥
感图像都具有土地利用的信息。大比例尺航片分辨率
比小比例尺 TM遥感图像分辨率要高 ,大比例尺航片提
取的空间数据可以缩小到与 TM 同比例尺 ,这样二者空
间分辨率可以达到统一 ,并完全可以进行不同数据源的
匹配 ,因此地形图数据与 TM 遥感图像数据的匹配是可
行的[2 ] 。它们不仅在空间上一致 ,更重要的是可以在统
一投影地理坐标系统下放到一起 ,作综合分类分析及定
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量对比分析[20 ] ,这对土地利用的长期生态研究具有更大的实际意义[21 ] 。
为了实现地形图上土地利用与遥感解译的土地利用的匹配 ,使二者在比例尺上和投影上相同 ,所对应的
地面位置一致 ,分辨率一致 ,就需要对地形图栅格数据及对 TM 遥感图像作预处理 ,再通过对地形图和 TM 遥
感图像的配准来完成。上述工作可利用 ArcGIS8 软件和 ERDAS IMAGING软件 ,采用几何校正方法 ,对具有同
一比例尺和统一投影的地形图栅格数据和 TM遥感数据进行位置的配准 ,从而达到匹配的目的。
2. 2 　研究区主要土地利用类型
新开河流域作为一个独立的地理单元 ,流域生态系统内景观类型多样。本文根据中国土地利用分类系
统 ,将全区域的土地利用Π覆盖类型共分为 11 种景观类型。一级分类为 :耕地、林地、草地、水域、居民地、未利
用地。二级分类为 :居民地分为城镇和村屯 ;水域分为河流、湖泊和水库 ;未利用地分为沼泽地、盐碱地以及
沙地。
2. 3 　土地利用类型图的制作
利用 1969 年 1∶20 万地形图和 1979 年 1∶10 万地形图为基础 ,进行数据提取。地形图上用不同的地图符
号表示林地、草地、水田、旱地、沼泽地、盐碱地、沙地、居民点等专题要素。提取时把水田和旱地合并为耕地。
在地形图上居民点附近 ,坡度较小的空白部分为耕地。在数据提取之前 ,先把扫描的两种比例尺的地形图栅
格数据进行几何纠正 ,然后利于 ArcGIS8 软件和 ERDAS IMAGING软件 ,把纠正的 1∶20 万地形图栅格数据放大
到 1∶10 万。因为 1∶20 万地形图是 1∶10 万地形图缩编而成的 ,放大到 1∶10 万是可行的 ,但提取时要考虑地图
概括误差 ,使地类空间数据误差达到最小。然后对同一比例尺两个时期地形图栅格数据进行数据提取。数据
提取步骤为 :利用 ArcGIS8 软件和 ERDAS IMAGING软件 ,把 1∶10 万的两个时期的地形图栅格数据经过配准、
拼合等处理 ,数字化后把高斯2克吕格投影转换为 Albers 等面积圆锥投影 ,经过矢量数据的拓扑、地图设计 ,输
出土地利用类型图 (图 2) 。
利用 1992 年和 2001 年的Landsat TM数字图像进行遥感目视解译。具体步骤为 :采用时相为 8～9 月份、
地面分辨率为 30m、1∶10 万的Landat TM 数字图像 ,通过 ERDAS IMAGING软件对图像进行几何纠正、辐射纠
正、坐标变换和图像增强 ,获得波段组合成为 4、3、2 (RGB) 假彩色合成图像。确立解译标志和解译的精度 ,在
ArcGIS工作平台上进行人机交互式的目视解译 ,建立土地利用空间数据库和属性数据库 ,得到 1992 年、2001
年 2 期土地利用类型矢量图 (图 2) 。通过野外调绘、核实 ,此次遥感解译精度在 90 %左右。
2. 4 　马尔柯夫模型与地类转移矩阵
空间马尔柯夫 (Markovian)模型是最早和最广泛用来研究土地利用格局变化的模型。传统的马尔柯夫概
率模型可表示为 :
N t +Δt = PN t
或
n1 , t +Δt
nm , t +Δt
=
p11 ⋯ p1 m
… …
pm1 ⋯ pmm
n1 , t
…
nm , t
式中 , N t 和 N t +Δt分别是由 m 个状态变量组成的状态向量在 t 和 t +Δt 时刻的值 ; p 是由 m 乘 m 个单元组成的
转化概率矩阵 (或称转移概率矩阵) ,其中 Pij表示从时间 t 到 t +Δt 系统从状态 j 转变为 i 的概率 (对于景观模
型而言 ,即斑块类型转 j 变为斑块类型 i 的概率) [4 ] , 0 ≤ Pij ≤1 ,且 6mj = 1 Pij = 1。
转移矩阵源于转移概率矩阵的内涵 ,转移矩阵可以写成转移概率矩阵的转置矩阵形式 ,是对系统分析中
系统状态与状态转移的定量描述。利用转移矩阵可全面而又具体地刻画区域土地利用变化的结构特征与各
用地类型变化方向。转移矩阵数学形式为 :
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S ij =
S11 S12 ⋯ S1 n
S21 ⋯ ⋯ S2 n
⋯ ⋯ ⋯ ⋯
S n1 S n2 ⋯ S nn
式中 , S 代表面积 ; n 代表土地利用类型的数 ; i , j 分别代表研究初期 ( t)与研究期末 ( t +Δt)的土地利用类型。
矩阵中 ,行表示的是初期 ( t)的 i 种土地利用类型 ,列表示的是末期 ( t)的 j 种土地利用类型 ; S ij表示的是初期
( t)的 i 种土地利用类型转变为末期 ( t +Δt) 的 j 种土地利用类型的面积。在具体应用时将该矩阵用表格形
式来表示 ,可作为结构分析与变化方向分析的基础[22 ,23 ] 。
利用新开河流域 4 个时期的土地利用类型图的矢量数据 ,在 Arcview312 中的 Spatial analyst 分析模块支持
下 ,生成 1969～1979 年、1979～1992 年、1992～2001 年 3 个不同时期新开河流域土地利用类型转换矩阵 (表 1、
2、3) 。为了清楚地表达出土地利用的类型结构 ,在矩阵表形式中添加求和统计、占有率和变化率[22 ,23 ] 。占有
率表示各类型占流域面积的比率。变化率是表示 t +Δt 时期各种土地利用类型相对 t 时期的变化程度。
变化率 = 6∞
i = 1
A ij - 6∞j = 1 ×100 6∞j = 1 A ij
3 　土地利用格局变化趋势及其驱动因素
3. 1 　1969～1979 年期间土地利用格局变化及其驱动因素
1969～1979 年期间是建国以来内蒙古第 3 次垦荒高潮时期[19 ,24 ] ,把 1969 年的数据看成比较初始状态的
数据。表 1 显示出 1969～1979 年 ,新开河流域土地利用格局变化趋势为 :林地、居民地 (城镇用地、村屯) 、耕
地的变化率为正值 ,表明这些类型呈增加趋势 ,其中林地的增加来源于退耕、退草、沙地育林等 ,说明 1978 年
“三北防护林”工程带来的变化 ;居民地的增加来源于占耕地、开垦草地、耕地的增加来源于开垦草地、沙地、沼
泽地等 ,说明这些现象是人类开垦活动所造成的。另外 ,一些草地、耕地和沙地的盐碱化不断增加 ,表明自然
环境出现恶化现象。水域、沼泽地、沙地和草地呈减少趋势 ,其中水域、沼泽地减少最快 ,表明该流域的气候变
化有暖干化趋势 (图 3) 。沙地减少来源于沙地育林、开垦沙地为耕地 ;草地减少主要来源于开垦草地为耕地 ,
草地退化成盐碱地 ,表明沙地和草地减少是受到人类活动的影响造成的。总之 ,这一时期表现为耕地、林地、
盐碱地、居民地 (城镇用地、村屯)呈扩张的趋势。
3. 2 　1979～1992 年期间土地利用格局变化及其驱动因素
1979～1992 年期间 ,是改革开放、经济发展时期。中央发布了实施《关于加快农业发展的若干问题的决定
(草案)》,特别是在发布了“调整、改革、整顿、提高”的方针和开始实行联产承包责任制后 ,该流域的农业发展
　　　　　
图 3 　新开河流域过去 50a 气温及降水变化趋势图
Fig. 3 　Temperature and precipitation changing trend in the Xinkai River
basin in the past 50 years
和耕地面积基本上趋于稳定[25 ] 。表 2 显示出 ,1979～
1992 年新开河流域土地利用格局变化趋势为 :沼泽地、
水域、居民地和沙地的变化率为正值 ,表明这些类型呈
增加趋势。其中沼泽地、水域的增加来源于草地、沙地、
耕地和盐碱地等 ,说明受气候的影响 ,虽然总体上气候
趋暖干化 ,但这时期降水量比 1969～1979 年期间降水
量有所增加 (见图 3) ;居民地和沙地的增加来源于开垦
的草地、耕地、毁林和盐碱地 ,说明受人类活动进一步影
响的结果。林地、盐碱地、草地和耕地呈减少趋势 ,其中
林地、盐碱地、草地减少的幅度较大 ,耕地的减少幅度不
大 ,出现负增长 ,主要原因是耕地的退耕还草和沙化的
结果 ,这与曹小曙 ,李平等[25 ]和乌兰图雅[24 ] 的研究结果
是相一致的。
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表 1 　1969～1979 年新开河流域土地利用格局转换矩阵 (km2)
Table 1 　Conversion matrix of land2use pattern between 1969～1979 in the Xinkai River basin
1969
1979
A B C D E F G H I J K L M
A 1627. 8 81. 7 122. 6 7. 6 4. 5 0. 0 11. 2 51. 4 120. 2 76. 7 9. 3 2113. 0 23. 63
B 16. 6 27. 3 26. 5 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 3 3. 1 1. 5 0. 0 75. 3 0. 84
C 683. 4 98. 9 1750. 7 8. 6 22. 2 2. 7 4. 9 20. 4 390. 8 245. 1 8. 6 3236. 1 36. 19
D 20. 6 2. 6 6. 6 27. 5 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 7. 9 0. 0 0. 1 65. 3 0. 73
E 20. 3 0. 7 13. 4 0. 4 25. 1 1. 0 0. 0 0. 1 21. 3 13. 8 0. 2 96. 3 1. 08
F 4. 6 8. 5 31. 3 0. 5 3. 4 16. 4 0. 0 0. 0 5. 7 1. 6 0. 0 72. 0 0. 80
G 0. 9 0. 8 0. 2 0. 0 0. 0 0. 0 5. 6 0. 8 0. 0 0. 0 0. 0 8. 3 0. 09
H 9. 5 0. 7 4. 1 0. 0 0. 1 0. 0 1. 5 29. 7 1. 4 0. 7 0. 1 47. 7 0. 53
I 371. 5 36. 7 721. 1 4. 6 14. 2 0. 5 0. 1 4. 5 1342. 3 74. 5 4. 1 2574. 1 28. 78
J 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 00
K 176. 2 9. 4 192. 9 1. 9 13. 7 4. 1 0. 8 1. 7 156. 2 90. 9 6. 9 654. 7 7. 32
L 2931. 3 267. 2 2869. 4 51. 0 83. 3 24. 7 23. 9 109. 0 2048. 9 504. 8 29. 3 8942. 8
M 32. 8 3. 0 32. 1 0. 6 0. 9 0. 3 0. 3 1. 2 22. 9 5. 6 0. 3 100
N 38. 73 254. 68 - 11. 33 - 21. 84 - 13. 49 - 65. 72 187. 36 128. 39 - 20. 40 - 95. 52
　　3 由于盐碱地的变化率分母为“0”(研究区在 1969 年没有盐碱地) 而缺值 ; A :耕地 Farmland ; B :林地 Woodland ; C :草地 Grassland ; D :河流
River ; E :湖泊 Lake ; F :水库 Reservoir ; G:城镇用地 Town land ; H: 村屯 Village ; I : 沙地 Sandy soil ; J :盐碱地 Salina land ; K: 沼泽地 Marsh ; L :合计
Total ; M:占有率 Rate ( %) ; N :变化率 Change rate ( %) ;下同 the same below
表 2 　1979～1992 年新开河流域土地利用格局转换矩阵 (km2)
Table 2 　Conversion matrix of land2use pattern between 1979～1992 in the Xinkai River basin
1979
1992
A B C D E F G H I J K L M
A 1990. 8 39. 8 268. 3 19. 2 21. 3 6. 7 14. 3 81. 2 315. 1 111. 2 63. 3 2931. 3 32. 78
B 119. 3 29. 5 62. 4 1. 3 0. 5 2. 2 2. 1 4. 6 38. 3 1. 2 5. 9 267. 2 2. 99
C 466. 3 32. 1 1429. 2 6. 4 34. 2 12. 0 0. 8 10. 7 602. 9 100. 1 174. 7 2869. 4 32. 09
D 18. 6 0. 1 0. 3 29. 9 0. 0 0. 3 0. 0 0. 1 0. 7 0. 0 1. 0 51. 0 0. 57
E 9. 2 0. 0 6. 8 0. 5 26. 8 3. 9 0. 0 0. 2 12. 1 4. 3 19. 4 83. 3 0. 93
F 0. 1 0. 0 0. 0 0. 0 4. 6 16. 1 0. 0 0. 0 1. 3 0. 0 2. 6 24. 7 0. 28
G 2. 5 0. 0 0. 2 0. 0 0. 0 0. 0 19. 6 0. 4 0. 2 0. 9 0. 0 23. 9 0. 27
H 13. 7 0. 4 1. 7 0. 0 0. 5 0. 0 0. 1 86. 0 3. 9 2. 0 0. 8 109. 0 1. 22
I 170. 0 5. 5 260. 0 11. 5 25. 1 12. 8 0. 0 7. 6 1439. 5 23. 7 93. 1 2048. 9 22. 91
J 80. 1 2. 8 90. 0 3. 6 22. 8 13. 4 1. 3 4. 9 158. 6 87. 6 39. 5 504. 8 5. 64
K 0. 1 0. 0 1. 4 0. 1 0. 7 0. 0 0. 3 0. 0 5. 3 0. 0 21. 2 29. 3 0. 33
L 2870. 8 110. 1 2120. 4 72. 4 136. 6 67. 4 38. 8 195. 8 2578. 0 331. 0 421. 5 8942. 8
M 32. 1 1. 2 23. 7 0. 8 1. 5 0. 8 0. 4 2. 2 28. 8 3. 7 4. 7 100
N - 2. 06 - 58. 78 - 26. 10 41. 92 64. 09 173. 00 62. 03 79. 62 25. 82 - 34. 42 1338. 13
总之 ,这期间林地、草地面积大幅度减少 ,而沙地和居民地呈大规模扩展的趋势。
3. 3 　1992～2001 年期间土地利用格局变化及其驱动因素
1992～2001 年期间是土地资源大规模开发时期 ,也是建国以来内蒙古第 4 次垦荒高潮时期[19 ,24 ] 。从表 3
显示出 ,1992～2001 年新开河流域土地利用格局变化的趋势为 :盐碱地、沼泽地、耕地、居民地的变化率为正
值 ,表明这些类型呈增加趋势。其中盐碱地的增加来源于草地退化、沙地和耕地盐碱化 ;沼泽地的增加来源于
沙地 (所在河滨地、低洼地) 、草地、耕地、水域 ;耕地的增加主要来源于沙地、草地 ,说明人类活动对土地影响日
益加重了。林地、草地、沙地呈大幅度减少趋势 ,说明随人口的快速增长 ,由于过度垦荒、过度放牧和过度樵采
等不合理的活动所导致的 ;水域呈减少趋势 ,表明受气候总体上趋暖干化的影响。总之 ,这期间林地、草地、沙
地、水域面积减少 ,而盐碱地、沼泽地、耕地、居民地呈扩展的趋势。
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表 3 　1992～2001 年新开河流域土地利用格局转换矩阵 (km2)
Table 3 　Conversion matrix of land2use pattern between 1992～2001 in the Xinkai River basin
1992
2001
A B C D E F G H I J K L M
A 2397. 2 30. 0 119. 6 9. 7 3. 0 0. 1 1. 7 9. 4 205. 7 48. 2 46. 3 2870. 8 32. 10
B 64. 8 33. 9 6. 3 0. 0 0. 0 0. 0 0. 1 0. 2 4. 8 0. 1 0. 0 110. 2 1. 23
C 344. 1 7. 0 1225. 7 1. 4 13. 1 0. 0 0. 3 2. 3 287. 7 123. 4 115. 5 2120. 5 23. 71
D 4. 4 0. 2 1. 0 65. 5 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 6 0. 0 0. 7 72. 3 0. 81
E 6. 5 0. 0 4. 1 0. 3 81. 3 0. 0 0. 0 0. 1 9. 5 23. 1 11. 9 136. 7 1. 53
F 6. 2 0. 0 1. 0 1. 3 1. 8 33. 2 0. 0 0. 0 0. 3 8. 9 14. 6 67. 3 0. 75
G 0. 4 0. 0 0. 0 0. 0 0. 1 0. 0 37. 5 0. 0 0. 7 0. 1 0. 0 38. 8 0. 43
H 5. 0 0. 1 0. 6 0. 0 0. 2 0. 0 0. 0 186. 3 1. 7 1. 4 0. 6 195. 8 2. 19
I 556. 2 10. 3 235. 4 0. 9 16. 8 0. 0 0. 9 5. 7 1523. 7 79. 8 148. 2 2578. 0 28. 83
J 27. 6 0. 2 40. 5 0. 0 3. 1 0. 0 0. 9 1. 2 26. 6 207. 9 22. 8 331. 0 3. 70
K 57. 8 2. 6 19. 5 2. 8 36. 3 1. 9 0. 2 0. 7 23. 4 25. 4 251. 1 421. 5 4. 71
L 3470. 2 84. 4 1653. 5 82. 0 155. 6 35. 2 41. 6 205. 8 2084. 4 518. 4 611. 7 8942. 8
M 38. 8 0. 9 18. 5 0. 9 1. 7 0. 4 0. 5 2. 3 23. 3 5. 8 6. 8 100
N 20. 88 - 23. 39 - 22. 02 13. 43 13. 82 - 47. 78 7. 28 5. 10 - 19. 14 56. 62 45. 13
图 4 　新开河流域地类所占比例
Fig. 4 　The percentage of land in the Cinkai River basin
A :耕地 Farmland ; B :林地 Woodland ; C :草地 Grassland ; D :水域 Water
area ; E :居民地 Settlement ;F :沙地 sandy soil ; G:盐碱地 Salina land ; H:
沼泽地 Marsh
总体来看 ,从表 1、表 2、表 3 数据占有率数据统计
绘制出 1969 年、1979 年、1992 年、2001 年新开河流域地
类所占比例柱状图 (图 4) 。图中显示出 ,各主要地类所
占的比例及其面积的增减比例。从 1969～2001 年 30 年
间 ,新开河流域土地利格局发生了很大变化。在主要地
类中出现了耕地、居民地 (城镇用地、村屯)增加 ,草地大
幅度减少 ,沙地有所起伏。耕地、居民地面积占总流域
面积的比例呈上升趋势 ,而草地占流域面积的比例呈下
降趋势。耕地、沙地、草地始终是土地利用格局的主要
类型 ,盐碱地、沼泽地、水域、居民地、林地所占流域面积
的比例较小且依次减少。总体来看 ,土地格局结构日趋
不合理 ,林地占地最小 ,土地盐碱化、沙化严重 ,草地退
化严重 ,生态环境质量整体向恶化方向发展。
新开河流域土地利用格局的变化 ,是自然因素和人为因素协同作用的结果。该流域沙源广阔 ,生态系统
脆弱 ,加之近年来气候暖干化趋势的影响 ,使干旱和强风加强 ,同时人为因素引起的植被破坏 ,以及大面积掠
夺式的旱作种植业为主要特征的经济活动的强烈干扰 ,使该流域内的生态环境急剧变化 ,不仅导致了沙地草
地农业生态系统的破坏 ,而且给农牧业生产带来了严重的危害 ,并引起流域的环境的恶化。
4 　新开河流域土地利用格局变化的生态学意义
(1)森林草原逆向进化为沙化草原 　土地利用格局的变化对生态过程 (物质迁移、能量交换、物种运动) 有
着重要影响[26 ] 。随着生态环境的变化 ,植物群落逐渐演替 ,与之相应的景观各组分也随着演变 ,从一定意义
上说 ,土地利用格局的变化反映了生态环境进化的过程。
1969～2001 年期间 ,分别有 12 % 、21 %、14 %草地转化沙地 ;有 517 %、1017 %、712 %耕地转化沙地 ;沙地
占流域总面积 28178 %、2219 %、2818 %、2313 %。林地占流域总面积 0184 %、3 %、1123 %、019 %。这在一定程
度上反映了生态退化的逆行演替过程 ,以及人为活动对森林草原生态系统的干扰和破坏。
(2)导致生态环境异常脆弱 　由于干旱气候及人类活动的干扰 ,造成了流沙的侵入 ,使原来连片的草场逐
渐被沙丘吞蚀 ,形成孤岛 (如图 2 所示) 。1969～2001 年期间 ,草地面积占流域总面积分别是 3612 %、3211 %、
2317 %、1815 % ,草地面积呈减少趋势 ;沙地斑块数量分别是 114、190、262、298 ,总体呈增加趋势 ,而且新开河流
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域景观丰富度分别是 1351、2412、1809、1894 ,也有增大趋势。这说明新开河流域景观的连接度下降 ,破碎化加
强 ,这极大地影响了原栖息地上生物的繁衍 ,特别是对一些稀有或濒危物种生存的影响尤为严重 ,生态环境异
常脆弱。
(3)土地退化和水土流失日益严重 　不同的土地利用结构影响土壤养分分布 ,而且土壤养分的空间分布
反映了土壤流失状况[3 ] 。检测结果表明 ,河道中泥沙沉积物中有机质含量为 30gΠkg ,全氮量为 212gΠkg ,全磷量
1169gΠkg ;草甸地表层腐殖质含量为 14134gΠkg ,全氮量为 1127gΠkg ,全磷量为 0154gΠkg ;草甸沙地表层腐殖质含
量为 10gΠkg ,全氮量为 016gΠkg ,全磷量为 012gΠkg ;沙地表层腐殖质含量为 3gΠkg ,全氮量为 0111gΠkg ,全磷量为
0121gΠkg[27 ] 。说明新开河流域由于大面积开荒使草地锐减、草地植被破坏严重 ,致使土壤风蚀、沙化和水蚀面
积不断扩大 ,土壤肥力降低 ,流失到河道泥沙肥力增多。可见不合理的土地利用格局将导致水分和养分循环
的失调 ,造成土地退化和水土流失。
(4)水文特征变化显著 　自然湿地的数量和规模可以作为衡量一个地区生态环境质量的指标[28 ] 。1969～
2001 年期间 ,湿地占流域总面积分别为 :9193 %、211 %、718 %、918 %。通过湿地的变化 (河流、湖泊、水库和沼
泽地)可反映出该区域水量有明显减少的趋势。因为该区域植被覆盖率低、生物生产量低 ,而且广布沙质土壤
持水能力低、透水性强 ,大气降水易渗透到地下补给地下水 ,降雨产流量非常少 ,导致该区域湿地明显减少。
新开河为客水流入 ,河道常年断流干枯。
(5)植被退化及生物多样性减少 ,导致群落稳定性降低。人类不合理的经济活动 ,滥耕、滥牧、滥樵 ,加之
气候的暖干化趋势 ,使该区域的植被受到强烈的干扰 ,原生的森林草原或草原植被已被破坏殆尽 ,取而代之的
是不同演替阶段的沙生植被和草甸植被。随着沙漠化的发展 ,群落植物种组成、种群密度、植被盖度和地上生
物量急剧下降 ,层片结构和生活性趋于简单。如沙生植被在沙漠化过程中 ,随着物种数量减少 ,由灌木层和草
本层退化为半灌木层和草本层 ,再退化单一的草本层直至地面完全裸露。在此过程中共有 30 个物种消失 ,其
中多年生植物 22 种 ,1 年生植物 8 种 ,即大部分多年生植物消失[29 ] 。
5 　结论
利用 RS和 GIS的手段及流域生态学理论 ,结合景观生态学的格局分析和空间模型方法 ,定量分析了新开
河流域土地利用格局变化的趋势及其驱动因素 ,为研究流域土地利用变化规律及其流域土地利用综合治理提
供了科学的数据。
(1)该流域整体生态环境急剧恶化 　从 1969～2001 年 30 多年来新开河流域地类所占比例状况 ,反映出该
流域近 50 年已形成沙地草地农业生态系统 ,原有的森林草原生态系统遭到破坏 ,生态系统严重失衡。另外从
3 个时期土地利用格局变化的趋势分析 ,得出土地格局结构日趋不合理 ,耕地、草地、林地所占比例严重失调 ,
生态环境质量整体向恶化方向发展。
(2)土地利用格局的变化 ,反映了生态环境进化的过程 　土地利用格局的变化对生态过程 (物质迁移、能
量交换、物种运动)有着重要影响。不同的土地空间格局 (草地、沙地、耕地、林地、水域等的不同配置)对径流、
侵蚀和元素的迁移的影响也不同[26 ] 。根据 1969～2001 年期间 ,新开河流域土地利用格局的变化状况 ,以及气
候和土壤肥力等所监测的结果 ,反映了该研究区已由森林草原逆向演化为沙化草原 ,生态环境异常脆弱 ,湿地
明显减少 ,植被退化及生物多样性减少。该研究区不合理的景观结构 ,导致了水分和养分循环的失调 ,使该流
域内土地退化和水土流失日益严重。
(3)对该流域生态环境应该采取生态恢复和重建的治理措施 　按照自然规律恢复原有的森林草原 ,科学
的来确定耕地、林地、草地的比例 ,通过调整和控制土地利用类型的比例 ,来实现其目标。如采取退耕还林还
草、沙地种草种林、优化居民地环境并限制扩展 ;合理利用水资源和能源 ,积极推广节水节能技术 ,积极开发新
能源如 :风能、太阳能、沼气等可再生能源 ,代替燃烧砍伐树木及农作物秸秆、干草等不可再生能源。政府和农
民要统一合理规划利用耕地 ,减少或不用化肥和农药 ,增加有机肥和沼气肥使用量 ,提高土壤自然肥力 ,提倡
滴水、高效率节水技术的利用 ,改善种植结构等。自然环境恢复的问题 ,是一个社会问题 ,它关系到社会的发
2303　 生 　态 　学 　报 26 卷
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展和社会的变革。可持续发展利用土地资源是人类生存和发展的百年大计 ,生态恢复和重建工作事在必行。
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