位宏，徐麗萍*，李曉蕾

（石河子大學理學院，石河子 832003）

景觀格局(Landscape pattern)是描述景觀空間結構特征以及景觀組成單元的類型、數(shù)目和空間分布特征，是景觀異質性在空間上的綜合表現(xiàn)[1]。景觀格局通過協(xié)調景觀中各組分、斑塊的數(shù)量及其空間分布格局達到改善受威脅或受損的生態(tài)功能，提高景觀總體生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的目的[2]。

在景觀格局優(yōu)化研究中，國內外學者提出諸多方法與模型[3]。鄭新奇提出適宜性等級配置集約綜合目標模式、格局分析等級配置集約綜合目標模式和仿真模擬等級配置集約綜合目標模式三種城市土地集約優(yōu)化配置的綜合模式[4]；龔健和劉耀林針對土地利用總體規(guī)劃提出了基于系統(tǒng)動力學和多目標規(guī)劃整合模型(SD-MOP)[5]；岳德鵬等以累積耗費距離模型為基礎，通過構建源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點等景觀組分來加強生態(tài)網(wǎng)絡的空間聯(lián)系，并以此提出了景觀格局的優(yōu)化方案[6]。這些模型就其構建方法而言可分為三類[7]，即數(shù)量優(yōu)化方法（最優(yōu)化技術法、系統(tǒng)動力模型）、空間優(yōu)化方法（基于生態(tài)學理論的景觀格局優(yōu)化模型、元胞自動機）、綜合優(yōu)化法（CLUE-S模型、遺傳算法）。作為空間優(yōu)化方法的代表之一，最小累積阻力 (Minimum Cumulative Resistance，MCR)模型綜合考慮了景觀單元間的水平聯(lián)系，較好地反映了生態(tài)安全格局之間的內在有機聯(lián)系，在景觀格局優(yōu)化方面得到了廣泛的應用[8]。

隨著新疆新型工業(yè)化、農牧業(yè)現(xiàn)代化以及城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，日益增長的土地需求與現(xiàn)有的土地資源配置之間的矛盾愈發(fā)激烈[9]。本文通過不同粒度下景觀指數(shù)的計算對比分析了博斯騰湖流域景觀格局的演變機制和土地利用的時空變化規(guī)律，以及各地類的變化情況及轉化方向，并根據(jù)土地利用/覆被變化及土地利用的現(xiàn)存問題，提出博斯騰湖流域土地資源的優(yōu)化配置方案，為實現(xiàn)該地區(qū)土地資源的優(yōu)化配置及可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

博斯騰湖位于新疆巴音郭楞蒙古自治州北部，塔里木盆地東北部、塔克拉瑪干沙漠東北緣；范圍界于82°54.3′-90°47.5′E，40°18.6′-43°17.8′N，主要包括博湖、和碩、和靜、焉耆縣和庫爾勒市共四縣一市，流域面積為4.4×106hm2（圖1），是中國最大的內陸淡水湖泊；該地區(qū)地勢西北高、東南低，由上而下分布著冰雪、高山草甸、草原、荒漠等地物。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of the Boston Lake basin

博斯騰湖流域遠離海洋，蒸發(fā)量大，降水量少，日照時數(shù)高，湖區(qū)多年平均降水量為 68.2 mm，降水季主要集中在5-9月，年平均蒸發(fā)量 1800-2000 mm，是典型的大陸干旱荒漠氣候，春季氣候多變，干旱少雨，夏季干燥炎熱，秋季降溫迅速，冬季寒冷[10]；博斯騰湖的入湖河流有十幾條，開都河、黃水溝、清水河等為主要入湖河流；入湖河流的水源補給主要來自于焉耆盆地西北部及北部的中高山地帶的冰雪融水[11]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

博斯騰湖流域在5-9月植被生長最為茂盛[12]，選取 1990、2000、2010、2015 年同時期 8-9 月，云量小于10%的Landsat影像為主數(shù)據(jù)源（分辨率30 m×30 m， 行 列 號 ：142/31、143/30、143/31、144/30、144/31、145/30），輔以DEM、坡度、坡向等其他數(shù)據(jù)。影像數(shù)據(jù)來源于美國地質勘察局（USGS）官方網(wǎng)站（http://www.usgs.gov），社會經(jīng)濟類數(shù)據(jù)來自同時期的《新疆統(tǒng)計年鑒》，DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云下載（http://www.gscloud.cn/），土壤、水文、氣象等資料來自于中科院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心。

2.2 影像處理

利用ENVI5.3軟件對影像進行輻射定標、大氣校正、拼接、裁剪等預處理。

基于實地調查獲取的先驗知識，選用監(jiān)督分類中的支持向量機法進行分類，為了保證數(shù)據(jù)質量，最后結合谷歌地球等工具對分類結果進行目視解譯修正，提高其精度。

對分類后結果建立混淆矩陣驗證分類精度，最終四期遙感影像分類綜合精度分別為84.63%、85.74%、83.68%、83.65%，Kappa系數(shù)分別為 0.832、0.849、0.823、0.867，符合分類精度要求。

在此基礎上運用ArcGIS10.3及Fragstats4.2軟件對不同類型景觀面積及其轉移情況進行統(tǒng)計，利用空間分析模塊計算出不同年份景觀類型轉移矩陣，并由此計算景觀類型轉移變化率。

2.3 景觀指數(shù)的選取

景觀格局指數(shù)是反映景觀結構組成、空間配置特征的量化指標，在選擇景觀指數(shù)描述景觀格局時，必須充分考慮其不確定性和置信度?；诖耍狙芯窟x取了斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和斑塊形狀指數(shù)(LSI)去表征博斯騰湖流域景觀格局整體的演變特點[13]。

2.4 景觀格局優(yōu)化分析

2.4.1 源地的確定

“源”是指景觀中具有比較高生態(tài)服務價值功能的斑塊，是促進生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型，具有一定的空間拓展性和連續(xù)性[14]。在博斯騰湖地區(qū)，水資源作為一個重要的約束因子，在很大程度上決定了土地資源優(yōu)化配置的方案。因此，本研究以該地區(qū)的水域作為源地，利用最小累計阻力面模型[13，15]進行研究。

2.4.2 阻力因子建立

從保護水源的角度來講，阻力值是反映不同景觀類型對保護水源的阻力程度。為確保該模型的精度，需要依據(jù)景觀單元對景觀遷移的影響，將景觀單元按阻力進行分級，并為各景觀單元分配相應的阻力系數(shù)，形成景觀阻力表面。

阻力因子的選擇對于最小阻力模型的建立至關重要，土地利用類型與地形是保護源地向外擴散的主要阻力，因此本文選取土地利用類型與海拔高度2個因子來進行研究。

（1）土地利用類型。

阻力值是根據(jù)源地中的景觀組分來決定的，地表覆被類型與源地的類型越相似，其阻力值就越??；土地利用類型因子是各因子中最重要的，基于此，并結合專家打分法和相關研究成果的基礎上[16-17]確定其權重為0.7，源地的主要組分為水，因此，水域對其阻力系數(shù)最??；源地的主要景觀組分是林地和草地，并且二者與水的關系密切，因此其阻力適中，考慮到林地在保護水源的過程中起的作用比草地大[18]，故阻力系數(shù)林地小于草地；耕地及城建用地受人類活動的影響較大，故其阻力系數(shù)最大

景觀類型阻力因子及阻力系數(shù)見表1。

表1 景觀類型阻力因子及阻力系數(shù)Tab.1 Landscape type resistance factor and resistance coefficient

確定各個阻力因子的阻力系數(shù)后，通過對景觀類型柵格數(shù)據(jù)重新賦值，得出景觀類型單因子阻力面，根據(jù)源和阻力面，運用ArcGIS中的距離費用模型構建出基于土地利用景觀覆蓋類型的單因子最小阻力表面（圖2）。

圖2 景觀類型最小累積阻力表面Fig.2 Landscape type Minimum cumulative resistance surface

（2）地形。

根據(jù)研究區(qū)實際情況，并參照他人的景觀適宜性因素分級指標選取經(jīng)驗[19]，將地形因子的權重定為0.3。在保護水域過程中，高海拔不易受到污染，因此阻力等級為低海拔大于高海拔，據(jù)此將研究區(qū)高程阻力因子分為5個等級(表2)，確定阻力系數(shù)后得出地形因子的阻力面（圖3）。

表2 高程因子阻力等級劃分Tab.2 Grade classification of elevation resistance factor

圖3 高程最小累積阻力表面Fig.3 Elevation Minimum cumulative resistance surface

2.4.3 阻力面的建立

確定生態(tài)用地的連通性需要對其阻力面進行分析，而最小累計阻力是對物種從源地到目的地運動過程中所需要耗費的最小代價的反映，計算公式為：

式（1）中，為第i個像元到源地的最小累積阻力；n為景觀基本像元的總個數(shù)；m為源地到第i個像元所經(jīng)過單元的個數(shù)；Dij袁示物種從源j到景觀單元i的空間距離；Ri表示景觀單元i對某物種運動的阻力系數(shù)；f表示最小累積阻力與生態(tài)過程的正相關關系。

3 結果與分析

3.1 博斯騰湖地區(qū)景觀類型分布及變化特征

景觀格局的變化主要表現(xiàn)在景觀結構的差異上，不同的景觀結構特征決定了景觀功能的差異性。

在景觀類型水平上，博斯騰湖地區(qū)景觀格局演變劇烈（圖 4）。1990-2015年，草地面積減少2334.88 km2，占草地總面積的 8.4%（表3），但草地仍是博斯騰湖流域的優(yōu)勢景觀成分，草地占整個流域總面積的55%以上；在人類活動和自然環(huán)境的影響下，水域面積逐年減少，25年間，水域面積減少量為3525.62 km2，占總面積的67.85%；城建用地和耕地面積持續(xù)增加，城建用地面積增加了209.38 km2，面積增加率為104.90%，耕地面積增加了1148.13 km2，面積率為70.5%，城建用地和耕地的大幅度增加反映了城鎮(zhèn)化過程中人為干擾對景觀格局演變的影響很大；未利用地面積總體是增大趨勢，但在2000-2010年間有所減少；林地面積變化幅度最小，受“退耕還林”政策及生態(tài)保護理念的影響，林地總面積增加791.12 km2，增加率為25.3%。

留學生在學習漢語時，除了已習得母語外，大多還同時學習第三種語言，如英語。在訪談時我們發(fā)現(xiàn)，第三語言及其文化也會對留學生的漢語語用習得產(chǎn)生負遷移。比如第25題“你第一次去中國同學王小明家做客，見到了他的父母。你向他父母問好，你應該怎么說”，不少非歐美國家的學生選擇了A“王先生、王太太，很高興見到你們”。這一表達方式受英語“Nice to meet you,Mr.and Mrs.Wang”的影響，不符合漢語表達習慣。中國人對同學的父母一般不會稱呼為“先生、太太”，這樣顯得太生疏，好像不是在家里而是在一個公共的交際場所。這就英語文化對非英語國家留學生漢語語用習得的負遷移。

圖4 博斯騰湖地區(qū)土地利用圖Fig.4 Land use map of Boston Lake basin

表3 1990-2015年博斯騰湖流域各土地利用面積及所占比例Tab.3 The area and proportion of different types of land use in Boston Lake basin during 1990-2015

土地利用動態(tài)度度量的是土地利用的凈變化速度，而實際的土地利用變化既有增加量，又有減少量，增減變化的抵消使得凈變化速度在一定程度上掩蓋了土地利用變化的實際情況。因此，需要借助轉移矩陣對其實際的轉移情況進行直觀的分析，結果見表4。

表4 1990－2015年博斯騰湖地區(qū)土地利用類型轉移矩陣Tab.4 Land Use Type Transfer Matrix in Boston Lake basin from 1990 to 2015

由表4可知：

（1）25年間，各景觀類型間相互轉化各有差異。1990-2000年，城鎮(zhèn)用地增幅最大，主要由草地和耕地轉入。2000-2010年，城鎮(zhèn)用地繼續(xù)保持增幅最大，主要由未利用地及草地轉入；耕地面積依然處于增長趨勢，其中林地轉入量最多，為1.4×102km2；水域面積減少，主要流向草地。2010-2015年，城鎮(zhèn)用地、耕地、未利用地等面積繼續(xù)增加，未利用地是城鄉(xiāng)建設的主要來源，而林地是耕地和未利用地面積增加的主要來源，水域面積繼續(xù)減少。

（2）伴隨著城鎮(zhèn)化的加快，經(jīng)濟社會發(fā)展對土地的需求增加，致使城鎮(zhèn)及居民用地迅速增加，耕地的面積也不斷增加，而農業(yè)、工業(yè)及居民用水的大量供應，致使水域面積不斷萎縮。

3.2 博斯騰湖地區(qū)景觀格局分析

圖5顯示：

（1）在景觀斑塊水平上，25年間博斯騰湖流域景觀格局演變劇烈，總體表現(xiàn)為景觀破碎化程度減小，斑塊密度減小，景觀形狀趨于規(guī)則化。

1990-2015 年間博斯騰湖流域斑塊數(shù)量（NP）減少了6272個，減少率為50.08%，除城鎮(zhèn)用地斑塊外，其余土地利用類型斑塊數(shù)量均大幅減少，流域景觀破碎化程度降低，斑塊趨向于整體化。城鎮(zhèn)用地斑塊數(shù)量的增加反映了城鎮(zhèn)化進程對當?shù)鼐坝^格局演變具有一定程度的影響，流域內各地類斑塊密度（PD）均呈減小趨勢，主要是因為小斑塊合并成大斑塊，斑塊數(shù)量減少，所以斑塊密度降低。

（2）從景觀的結構復雜性來看，耕地和城鎮(zhèn)用地的最大斑塊指數(shù)（LPI）和斑塊形狀指數(shù)（LSI）都呈增加趨勢。這是由于近些年城鎮(zhèn)人口不斷增加，建設用地不斷擴大以滿足人類的生產(chǎn)生活要求，耕地面積也不斷擴大。

水域的最大斑塊指數(shù)和形狀指數(shù)逐年減小，說明水域面積縮減嚴重，水域斑塊有減無增，人口增長、經(jīng)濟發(fā)展，城市擴張等造成的生產(chǎn)、生活用水量大幅增加，導致水消耗加劇，流域水資源驟減。

圖5 博斯騰湖地區(qū)景觀格局指數(shù)變化Fig.5 Change of landscape pattern index in Boston Lake basin

3.3 博斯騰湖地區(qū)景觀安全水平分布分析

對景觀生態(tài)阻力面分析圖進行等級劃分時，參考有關文獻[20]的統(tǒng)計和經(jīng)驗標準，并結合研究區(qū)實際情況確定各生態(tài)安全等級劃分標準，并將結果在ArcGIS中可視化表達，確定不同安全水平等級景觀生態(tài)區(qū)的空間分布圖。

圖6 景觀安全水平等級空間分布圖Fig.6 Spatial distribution map of landscape safety level

景觀安全水平劃分結果（圖6）顯示：

（1）圍繞博斯騰湖源地，阻力逐漸增大，并形成一定的緩沖區(qū)。低安全水平區(qū)主要分布在博斯騰湖的幾條入湖河流周圍，如開都河、木呼爾查干河等，該區(qū)域是博斯騰湖的上游來水區(qū)，對流域內水域保護、水源涵養(yǎng)、生物多樣性等方面起至關重要的作用。

（2）較低安全水平區(qū)域主要分布在流域的西北部，面積所占比重最大，土地利用類型以草地和林地為主，該區(qū)是對源地進行保護的緩沖區(qū)域，是保護源地免受侵害的最后一道屏障，地位舉足輕重。

（3）中等安全水平區(qū)處于緩沖帶與人類活動之間，空間分布比較零散，土地利用類型以草地為主。該區(qū)對人類開發(fā)建設和干擾敏感度相對較低，對源地水域的影響也較小。

（4）較高安全水平區(qū)位于山前低緩平原地帶，城鎮(zhèn)邊緣地帶，環(huán)博斯騰湖區(qū)分布，土地利用以耕地和未利用地為主，受人類活動影響但強度適中。

（5）高安全水平區(qū)面積比重較小，主要分布在人類活動比較頻繁的區(qū)域，如城鎮(zhèn)用地和耕地周圍，該區(qū)域對保護源地的阻力較高，抗干擾能力強。

4 結論

（1）博斯騰湖流域25年間景觀格局演變劇烈，草地和未利用地始終是流域內主要景觀類型，總面積占研究區(qū)的75%以上；耕地和城鎮(zhèn)用地變化幅度最大，城鎮(zhèn)用地面積增加了一倍，耕地面積增加了70%；水域面積大幅減少。

（2）博斯騰湖流域景觀研究區(qū)內小斑塊合并為大斑塊，斑塊形狀整體趨于簡單化。

（3）流域整體景觀安全水平以較低安全等級為主。低安全等級和較低安全等級占據(jù)流域面積的50%以上，土地利用類型以草地和林地為主；中等安全等級零散分布在研究區(qū)內；較高安全等級主要分布在環(huán)博斯騰湖附近，土地利用以未利用地和耕地為主；高安全等級主要分布在流域西南部和博斯騰湖附近，面積較少，主要以城鎮(zhèn)用地為主。

5 討論

（1）景觀優(yōu)化是一個非常復雜的問題，與景觀風險評價不同，景觀優(yōu)化不僅要考慮不同景觀類型的空間分布，還要考慮不同景觀類型的空間分布和數(shù)量配置對整個區(qū)域的生態(tài)、經(jīng)濟和社會價值的影響。

在對博斯騰湖流域進行景觀格局優(yōu)化時，首先應保護流域內現(xiàn)存的核心生態(tài)源地—水域，構建適當距離的水源地緩沖區(qū)，保護源地擴張和自然演替生態(tài)過程的發(fā)生，維護源地景觀連接性，并控制人類活動的干擾。在此基礎上，建立斑塊之間的生態(tài)廊道，促進生態(tài)流有序流通；構建適當距離的生態(tài)節(jié)點，促進更多生態(tài)廊道的形成。在政策措施上，應合理布局土地利用方式，有效調控人類生產(chǎn)活動，大力發(fā)展節(jié)水的滴灌技術，同時加大對當?shù)匚廴拘推髽I(yè)的監(jiān)管整改力度，鼓勵產(chǎn)業(yè)轉型，實現(xiàn)生態(tài)優(yōu)化和經(jīng)濟發(fā)展的均衡發(fā)展。

（2）今后可以進一步通過對景觀格局變化驅動力的定量化分析，更準確全面地確定阻力面。此外，文中的指標權重的劃分引自他人的研究結論，容易受主觀因素的影響，在以后的研究中仍需要進一步完善。