玛纳斯河流域景观格局演变特征与驱动机制分析

姜亮亮, 刘海隆, 包安明, 任艳群, 安小艳

(1.石河子大学 水利建筑工程学院, 新疆 石河子 832000; 2.中国科学院 新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐 830011)

玛纳斯河流域景观格局演变特征与驱动机制分析

姜亮亮1, 刘海隆1, 包安明2, 任艳群1, 安小艳1

(1.石河子大学 水利建筑工程学院, 新疆 石河子 832000; 2.中国科学院 新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐 830011)

干旱区景观格局演变特征与驱动机制分析对区域水土资源可持续利用具有重要意义，选择了西北干旱区水土开发的典型区域玛纳斯河流域，基于GIS/RS技术对研究区的1990，2000，2005，2010年TM影像数据进行土地利用分类处理，运用景观生态学的原理分别从类型水平和景观水平上计算出8个景观指数，探讨景观格局变化以及其驱动力。结果表明：(1) 研究区草地和未利用土地的优势逐渐减小，耕地的优势逐渐上升，景观多样性升高，优势度下降，趋于分离、破碎化方向发展。(2) 人类活动使草地和未利用土地转为耕地，类型转化逐渐由双向转化逐渐趋向于单向转化，草地面积的变化和聚集度指数成线性关系，草地面积每减少1%，聚集度作出减少0.66的响应。(3) 降水与气温都有明显的增长，前十年的永久冰川雪地的最大斑块指数和聚集度下降的幅度，均大于后十年，响应了M-K趋势分析“降雨、气温和径流的突变点都集中在1995年左右”。最后提出需要合理规划流域土地利用模式和水资源配置方案，不能挤占生态用水，要实现水土资源的合理开发。

玛纳斯河流域; 景观格局; 人类活动; 气候; MK趋势分析

景观格局变化是指景观结构、功能、空间格局随时间动态变化情况，一直是景观生态学中研究热点[1-4]，但其变化的驱动力研究较少。干旱区的绿洲是干旱区最敏感的部分，是人类在荒漠背景下局部优化的生存环境，是干旱区能流、物流最集中的场所，也是干旱区的精华所在[5-7]。随近几十年人类活动的加强和气候的变化，景观格局有哪些变化？景观格局的变化引发哪些生态环境的变化？明确这些，对区域水土资源可持续利用具有重要意义，尤其在干旱区。景观格局的演变研究最初起源于欧洲，70，80年代，“3S”技术(GIS、RS和GPS)的出现和发展，推动了景观及其变化的深入和精确研究[8-10]。近10 a我国才对干旱区的景观格局展开研究[11-14]，但气候因子对景观格局的影响研究较少。

玛纳斯河流域由于耕地的快速增长导致生态用水的急剧变化，对生态环境造成了重要影响，比如玛纳斯湖的逐渐萎缩造成数十种珍稀的沙漠物种消失。因而开展该流域的景观格局的研究，明确气候及人类活动对其的影响，成为整个流域建设和管理的当务之急。本文借助于遥感和GIS技术，利用TM数据解译出1990，2000，2005，2010年四期土地利用分类图，基于景观格局理论，研究近20 a玛纳斯河流域景观格局的变化，分析土地利用变化和流域上游的站点的气象数据，探讨气候和人类活动对景观生态有着哪些具体的影响，为今后玛纳斯河流域的水土资源的合理开发与实现生态环境的可持续发展具有重要意义[15-16]。

1 研究区概况

玛纳斯河流域85°01′—86°32′E，43°27′—45°21′N，位于新疆准噶尔盆地西南部，西南部分别相邻于准噶尔盆地边缘和著名的天山山脉。最高海拔5 242.5 m，平原区海拔300～500 m[17]，地形南高北低，山区和平原各半。地处天山北坡经济开发区核心地带，流域总面积8.432万km2，截止到2010年人口数达到99.73万人。该流域属于典型的大陆性气候，夏季炎热冬季寒冷，年均气温6.8℃，年降水量在110～200 mm。

流域水系主要由玛纳斯河、塔西河、金沟河、宁家河、大、小南沟河和巴音沟河等河流构成。整个水系河流出山口后，流速变缓，泥砂大量堆积，形成了较平缓的洪积冲积扇。洪积冲积扇平原容易被人类加以改造利用，目前流域主要景观类型为：草地、未利用土地和耕地，占全流域的90%左右。景观格局的可变性比较大。玛纳斯河上游设有肯斯瓦特水文站。海拔910 m的肯斯瓦特为玛纳斯河干、支流汇合后的控制站，控制面积为4 637 km2[18]，流域水资源经过多年的开发，有利于耕地的扩张，景观格局发生改变，现在玛纳斯河流域是中国第四大灌溉农业区。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

本文采用玛纳斯河流域土地利用数据时间跨度为1990—2010年，共分为4个时间段：1990年7月、2000年8月、2005年8月和2010年7月，均采用分辨率为30 m的Landsat TM遥感影像，另有一期1∶100 000地形图。以地形图作为主控数据源，将2005年TM数据进行配准，根据不同土地覆盖类型的影像色调、纹理等特征，建立相应的遥感解译的特征变量，利用易康软件进行人机交互式判读分析。根据研究的需要，将研究区土地利用分为9个类型: 耕地、林地、草地、水域、建设用地(城乡、工矿、居民用地)、未利用土地、盐碱地、永久冰川雪地和湿地。以2005年的数据为基础，对其它年份的影像进行人工纠正，获得不同时段土地利用动态数据。统计各土地利用类型的解译精度均达到85%以上，能够满足大区域宏观土地利用及流域景观格局分析的需要。

为了分析气候变化对流域景观格局的影响，收集玛纳斯河流域出山口的肯斯瓦特站1980—2010年的气象水文资料，用M-K检验进行统计分析。

2.2 研究方法

对于景观格局分析，许多的定量指标已提出，本文结合本研究区的特点，类型水平上，选用斑块个数(PN)、最大斑块指数(LPI)和聚集度(AI)。景观水平上，选用香农多样性指数(SHDI)、优势度指数(DI)、分离度指数(SPLIT)、最大斑块指数(LPI)和形状指数(LSI)分析景观结构与空间变化。由于景观指数较多，相关教程有详细表述[19]，本文不再复述。通过在解译出的土地利用分类的数据进行处理，利用Fragstats 3.3软件计算出各指数值。为了分析气候变化对景观格局的影响，本文使用的数据分析方法主要为Mann-Kendall[20]非参数检验，包括突变检验和长期趋势检验，用于分析气温、降水和径流序列的突变检测和长期趋势对景观格局的响应。

(1) 香农多样性指数(SHDI)在生态学中应用很广泛，SHDI是一个敏感的指标，如果研究区的土地利用程度与破碎度程度越高，计算出的SHDI也就越大。

(1)

(2) 优势度指数(DI)主要描述所占面积比例大的几个景观类型的的控制程度，值越小，表示各景观类型所占的面积大致相等；值越大，说明景观中某一类型或少数占大部分面积；

(2)

(3) 分离度指数(SPLIT)反映整体斑块的离散程度，能够反应研究区空间变化的一个重要指标，其值随着景观的细分而增加。

(3)

(4) 最大斑块指数(LPI)等于某一类型或整个景观中的最大斑块占据整个景观面积的比例，类型水平上其值的大小决定着景观中的优势类型，可以反映人类活动的方向和强弱。

(4)

式中：Ak——第k个景观面积；A——研究区域总面积；Hmax——最大多样性指数；m——景观类型数目；n——某一类型的斑块个数。

3 结果与分析

3.1 玛纳斯河流域土地利用变化特征分析

利用易康软件对研究区Landsat TM遥感影像解译得到4期土地利用分类图，然后在ArcGIS环境下对分类图进行统计，计算出各类型的面积(图1)。

图1 玛纳斯河流域土地利用空间格局

从图1中可以看出，土地利用变化比较显著，尤其是下游的玛纳斯湖，湖水面积逐渐缩小，最后干涸转变成盐碱地。1990—2010年耕地的面积增加了3 522.86 km2，建设用地(城乡、工矿、居民用地)增加了一倍多，其中水域、湿地、未利用土地和永久冰川雪地都有明显的减少，20 a期间，从空间上看，土地利用变化区域在玛纳斯、石河子和沙湾沿线继续扩大并向北部沙漠伸展，区域需水量不断增加，导致湿地和水域等大量的萎缩，流域农业用水挤占生态用水比较严重。

1990—2000年10 a间各景观都发生了巨大的变化，各类型之间转入和转出很频繁，而且量比较大。其中耕地和建设用地的增加的比较明显，有1 792.03 km2的草地和529.88 km2的未利用土地转为耕地，建设用地面积的增加的主要来源于草地和耕地。水域面积减少了21.26%，主要转为草地和盐碱地，玛纳斯湖周围的盐碱地斑块逐渐变大。湿地萎缩的比较严重，湿地农田化的面积为43.88 km2，和草地的相互转化几乎平衡。这10 a气候变化导致永久冰川雪地面积退缩比较多，2000—2010年间(表1)，各类型之间的转化有减缓的趋势，耕地延续其稳定增长态势，建设用地的增速有所放缓，草地的减少最为显著，1 559.81 km2的草地转变为耕地。玛纳斯湖几乎干涸，变成盐碱地。总之，类型的转化逐渐从双向转化趋向单向转化，前10 a的景观格局变化幅度大于后10 a，其主要原因是20世纪90年代新疆建设兵团占用了大量的草地和未利用土地进行大规模的土地开发和房屋建设。

表1 2000-2010年土地利用转移矩阵 km2

3.2 玛纳斯河流域景观格局变化

3.2.1 类型景观指数分析 从类型水平上分析景观格局指数，可以从不同类型的角度分析每个类别斑块格局变化，能够更深入地认识和理解玛纳斯河流域景观格局的变化规律。为此，计算了流域4期类型水平上的斑块个数(PN)、最大斑块指数(LPI)和聚集度(AI)。

从各类型的斑块统计结果上来看，总的斑块数从1990年的20 705个增加到2005年的21 916个，2005年后，略有减少。单个景观类型上(图2)，草地的斑块数减少的明显，建设用地有大幅度增加，耕地1999—2000年增加的幅度比较大，增加了246个斑块。可见近20 a来，在人类活动的影响下，玛纳斯河流域景观格局发生了较大变化，流域景观破碎化程度逐渐变大。

进一步分析斑块空间格局变化过程，从聚集度(表2)上看，变化较大的是水域和建设用地，水域从1990年的84.77减少到2010年的75.62，说明水域的分离程度变大，原因在于满足灌溉的需要，期间新建了许多水库，导致水域的分离度变大。建设用地10 a间减少了6.02，主要是因为石河子市、沙湾县和玛纳斯县的人口不断增加和经济快速发展，导致人们

对房屋居住和粮食作物的需求扩大，从而引起新的城乡工矿居民地的出现。由于草地和未利用土地是耕地和建设用地的主要来源，草地和未利用土地所占的面积大，所以聚集度有少量的减少。从最大斑块指数中，可以看出，耕地斑块数增加2.91倍，空间上成连片的趋势，耕地的面积以每5年增加880.72 km2的速度增加，图2中斑块数目增加的很缓慢，后10 a几乎没有增加，也验证了这一趋势。水域、湿地、未利用土地和永久冰川雪地都有缩小，空间上分割的趋势，水域最大斑块缩小和盐碱地的增加，正是玛纳斯湖萎缩，逐渐变成盐碱地的原因(图1)，耕地的大量开垦和气候的变化导致后2者的变化。

图2 景观类型数目表2 类型水平上景观指数

景观类型1990年最大斑块指数聚集度2000年最大斑块指数聚集度2005年最大斑块指数聚集度2010年最大斑块指数聚集度草地16.8396.5317.0096.2016.9696.2517.0495.30耕地2.8795.287.9092.679.0593.2311.2194.40建设用地0.1689.350.2882.200.3082.230.3583.29水域0.2484.770.1682.430.0675.890.0675.62湿地0.0590.690.0486.500.0487.080.0486.91林地0.1888.130.1180.220.1180.700.1181.15未利用土地44.6698.9242.6798.4741.4798.2941.2598.24盐碱地0.3995.340.8096.101.0697.131.0396.91永久冰雪地1.1394.060.6992.090.6891.410.6891.45

3.2.2 整体景观指数分析 选取了香农多样性指数(SHDI)、优势度指数(DI)、分离度指数(SPLIT)、最大斑块指数(LPI)和形状指数(LSI)。分析景观格局指数，可以从整个流域的角度反映人类活动的方向和强弱。

20 a来，玛纳斯河流域香农多样性逐渐递增，优势度指数逐渐递减(图3)，从图中看出折线接近对称，二者的变化趋势说明整个流域的景观异质性在逐渐增大，区域整体景观格局越来越受到多数斑块所控制，区域内4期的土地利用类型数量没有变化，表明各类型所占总面积的比例差异逐渐缩小。研究区优势度指数减小，说明未利用土地和草地的优势程度减弱，同类型水平上草地和未利用土地聚集度的减少结论相一致。

图3 景观香农多样性指数和优势度指数

1990—2000年，是景观格局变化最大的10 a，能够表现空间变化的3个关键指数：最大斑块指数、形状指数和分离度(表3)，在这10 a变化幅度最大，较大斑块的土地利用类型由于建设和开垦的需要，被分割为许多较小斑块，形状变化复杂多样，分离度变大，但在2000—2010年期间，这样的趋势有所减缓，甚至出现逆变化，主要表现在形状指数和分离度的减少，后期流域的生产建设趋于集中化，人类活动对景观影响程度有所减小。

表3 景观水平上景观指数

3.3 玛纳斯河流域的景观格局驱动机制分析

3.3.1 人类活动对景观格局的影响 从类型水平上的最大斑块指数可以看出，耕地、草地和未利用土地斑块明显大于其他类型，这3类总面积占研究区90%左右，人类活动使3者相互转化非常频繁(表1)，主导着整个研究区的景观格局，可以从分析耕地、草地和未利用土地与景观指数的关系来探讨人类活动对景观格局的影响。

数字图像处理实验教学的主要任务是通过计算机编程实现系统地研究图像处理的基本原理、基本方法和典型处理算法的再现方法．教学内容是数字图像处理理论和高级语言程序设计的综合运用，是从模拟信号到数字信号，从一维信号到二维信号和从时域到空域再到频域的信号处理系列课程的信息与信号处理理论的深化和升华[8]．可见，数字图像处理课程实验教学的核心是培养学生的高级思维能力，要求学生能够独立地实现算法，并具有初步设计算法的能力．因此，实验教学环节应以数字图像处理典型算法的实现为主，实验项目信息见表１．

1990—2010年耕地的面积增加了3 522.86 km2，草地和未利用土地分别减少了1 605.59 km2，1 228.65 km2，香农多样性指数从1.29增加到1.32(图4)，结果表明，流域景观多样性基本随草地、未利用地面积减少和耕地面积增加呈上升态势，反映出流域景观类型趋于多样化，而景观优势度指数的下降同样证实了上述土地利用变化的结果。其主要原因是草地和未利用土地的优势逐渐减小，对景观控制作用逐渐减弱，耕地的优势逐渐上升，其它景观类型也都有不同的程度的变化，直接导致景观多样性升高，优势度下降。80年代之前大面积的开荒造田，到90年代转入了零星开荒时代，景观的分离度变大，这与人类将流域北部边缘沙地、出山口的草地开垦为耕地有关，新开垦的耕地镶嵌在草地和未利用土地中，使它们趋向破碎，城镇、道路和水利设施的建设同样也造成景观破碎化程度增强。总之，玛纳斯河流域景观格局的变化，主要是人类开垦的耕地导致草地和未利用土地的减少，致使景观多样性上升，优势度降低，景观整体上趋于分离、破碎化方向发展。

图4 耕地、草地、未利用土地与多样性指数

研究区的草地面积虽然比未利用土地小，但从转移矩阵中可以看出它与耕地和建设用地交换的活跃程度要大于未利用土地。草地转化为其它类型，必然破坏原有的完整性，聚集度发生变化。草地面积的变化和聚集度指数成线性关系(图5)，相关性为0.99，草地面积每减少1%，聚集度作出减少0.66的响应。玛纳斯河流域农业主要是种植棉花为主，90年代，在市场经济刺激下，棉花价格的上涨带动了棉花种植， 使得大量草地和未利用土地被开垦为耕地，致使耕地面积增加了1 087.37 km2。2000年以后，粮食和棉花价格持续攀升，在经济利益驱使和家庭农场为主的开垦热潮下，绿洲与荒漠过度带大量被开垦为耕地，造成耕地面积急剧增加了2 435.49 km2。现在玛纳斯河流域是新疆水资源利用率较高的灌区，已实现东水西调、西水东调和南水北调，后期耕地增加潜力将有所减小。

图5 草地与景观聚集度指数关系

3.3.2 气候变化对景观格局的影响 水资源是影响玛纳斯河流域景观格局变化的关键因素，也是流域活跃的影响因子，流域绿洲与荒漠的水资源主要依赖天山中段山区冰川融水和大气降水，因此，气候的变化对流域景观格局变化的影响很大。本文选用玛纳斯河流域上游具有代表性气象站点肯斯瓦特的降雨和气温资料及同一时期年径流量实测资料，结合径流变化，分析气候对景观的影响。使用的数据分析方法主

要为Mann-Kendall非参数检验，对近几十年的气温、降水和径流序列进行突变检测和长期趋势分析。

为了方便对气温、降水和径流量3种不同数据进行比较，要对数据做标准化处理。整体上，降水与气温都有明显的增长，这与施雅风等研究的西北干旱区气候由暖干向暖湿转变的结论相一致[21]，年降水量和年均气温的大多数波峰、波谷与径流量保持一致(图6a)，说明二者是影响径流量变化的关键因素，是影响研究区水资源的重要因子。M-K检验结果显示(图6b，c，d)，年降雨发生明显的突变年份是1993年，1987年以后，一直是正增长趋势；而年均温度在性度线内出现3个突变点，温度在1990—1998年前虽然处于正增长趋势，变化幅度比较大，1998年后流域的气温急剧上涨，2006年达到最高的8.1℃，增长30%左右。对径流而言，1994年既是个突变点，又是增减的分界点，年径流量从1980年的11.30亿m3增长到2010年的16.61亿m3。

图6 玛纳斯河流域气候与径流标准化及M-K变化与突变检测

注：a.气温、降水和径流量标准化数据序列变化趋势；b.年降雨量变化及突变检测；c.年均气温变化及突变检测；d.年径流变化及突变检测。

前10 a的永久冰川雪地的最大斑块指数和聚集度下降的幅度均大于后十年响应了突变点都集中在1995年左右。这可能与温度的升高和降雨的增加，加快的永久冰川雪地消融迅速，地表径流在这之后也显著增加，气候的变化将有利于生态的改善，但流入玛纳斯湖的水逐年减少，甚至出现玛纳斯河断流，湖水干涸。湿地和水域大面积的减小以及它们的聚集度指数和最大斑块指数也都呈减小的趋势。由于农业需水量的增加，需要新建水库和人工渠道，储水灌溉，现在西岸大渠也串通了八音沟河、清水河、金沟河和宁家河，经总干渠输送到灌区。

4 结论与讨论

(1) 玛纳斯河流域前10 a的景观类型变化幅度大于后10 a，类型的转化逐渐从双向转化逐渐趋向单向转化，主要以草地与未利用土地转化为耕地与建设用地为主要特点，耕地及建设用地的增加引起区域用水量的增加，挤占生态用水，玛纳斯湖逐渐萎缩尤为显著。

(2) 在研究期内，景观优势度下降，多样性升高，趋于分离、破碎化方向发展。人类加强了对耕地的开垦力度，耕地的优势逐渐上升，草地和未利用土地的优势逐渐减小，对景观控制作用逐渐减弱，其它景观类型也都有不同的程度的变化。

(3) 前10 a的永久冰川雪地的最大斑块指数和聚集度下降的幅度均大于后10 a，响应了M-K检验出降雨、气温和径流的突变点都集中在1995年左右。前10 a径流的增加幅度明显大于后10 a，说明天山中段的永久冰川雪地消融迅速逐渐减缓，永久冰川雪地景观指数随时间变化速度也有所减缓。

遥感和GIS作为数据获取和处理的技术手段，与传统的景观生态学理论相结合，为定量和定性分析区域景观格局变化提供了新的思路，通过对玛纳斯河流域景观格局的分析，给我们一些新的思考，人类活动和气候相互叠加共同作用于景观，尤其是人类活动对景观的影响愈来愈大，近期流域农业用水的增加，生态用水的减少，常常是景观变化的主要因素。因此，需要合理规划流域土地利用模式和水资源配置方案，要实现生态用水和经济用水协调发展，其研究成果将为今后开展生态用水对景观格局影响提供借鉴经验和数据积累，为当地管理部门进一步开发水土资源提供决策依据。

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AnalysisonLandscapePatternChangeandDrivingMechanisminManasRiverWatershed

JIANG Liang-liang1, LIU Hai-long1, BAO An-ming2, REN Yan-qun1, AN Xiao-yan1

(1.CollegeofWaterConservancyandArchitecturalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832000,China;2.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China)

The arid landscape pattern change and its driving mechanism analysis are of great significance on sustainable utilization of local water and land resources. Typical region of Manas River Watershed, which is dramatic exploitation and use of water and land resources in the arid area of the northwestern of China, was chosen as the study case. Based on the technique of geographical information system (GIS) and remote sensing (RS) , land use analysis dispose about TM image data for study area of 1990, 2000, 2005, 2010 were to proceed. The methods of landscape ecology were used to calculate eight landscape indices, respectively, to explore the change of landscape pattern and its driving forces from class level and landscape level. The results show that: (1) the advantages of grassland and unused land in study area decrease gradually, the advantages of arable land increase gradually, landscape diversity elevates, and dominance declines, tending to the change of separation and crushing direction; (2) human activities make grassland and unused land convert to arable land, the type conversion transforms gradually from bidirectional transition to one-way transition, the change of grassland area and aggregation index presents a linear relationship, each 1% reduction in grassland area can make aggregation reduce by 0.656 7; (3) there is a clear growth on precipitation and temperature, the decline range of largest patch index for permanent glacier snow and aggregation in the first decade were all greater than later decade, which responsed the M-K trend analysis of ‘the point mutations of rainfall, temperature and runoff will concentrate around 1995’. Finally, in order to achieve the rational development of water resources, it was suggested that watershed land use patterns and water resources allocation plan should be rationally planned, and ecological water can not be occupied.

Manas River Watershed; landscape pattern; human activity; climate change; Mann-Kendall test method

2013-10-05

：2013-11-02

新疆重大科技专项(201230117-01)；新疆研究生科研创新项目(XJGRI2013056);国家科技支撑计划课题(2012BAH27B03);国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB951003)

姜亮亮(1988—),男,安徽芜湖人,硕士研究生,主要从事生态环境及水文水资源研究。E-mail:jiang_liangliang@outlook.com

刘海隆(1974—),男,四川德阳人,博士,教授,主要从事水文水资源研究。E-mail:liu_hai_tiger@163.com

F301.24

：A

：1005-3409(2014)04-0256-07