松辽分水岭隆起带近30年景观格局变化及驱动力分析

张爽 杨春鹏 李蒙 陈智文

摘要:松辽分水岭的隆起对松辽平原的环境和景观格局变化产生了重大影响,分析其隆起带的景观格局变化及驱动力对松辽盆地的局地气候和环境变化研究有重要的意义。以松辽分水岭隆起带为研究对象,基于研究区近30年的遥感影像解译数据,采用景观指数、主成分分析等理论和方法,分析了该区的景观格局演变规律及其驱动力。结果表明,松辽分水岭隆起带景观空间分布不均匀,景观类型以耕地和建筑用地为主;1980—2015年,盐碱地、建筑用地面积显著增加,分别增加为29.81%、21.55%,草地和水域面积明显减少,分别减少为57.73%、32.07%;从景观格局变化情况来看,1980—2015年松辽分水岭隆起带景观多样性降低,景观斑块分布不均衡,破碎化程度加深,耕地、建筑用地和盐碱地景观优势度增加,草地、水域、林地和沙地景观优势度降低;结合定性与定量分析研究表明,该区景观格局变化特征受人文因素和自然因素的综合影响,其中,人文因素对景观格局发展变化影响较大。

关键词:松辽;分水岭隆起带;景观演变;景观多样性;驱动力分析

中图分类号: S127  文献标志码: A

文章编号:1002-1302(2021)18-0207-08

收稿日期:2020-04-22

基金项目:吉林省四平市社会科学项目(编号:SPSK201955)。

作者简介:张 爽( 1987—),女,吉林四平人,硕士,助教,主要从事遥感应用相关研究。E-mail:jishizs@163.com。

通信作者:陈智文,教授,主要从事生态环境调控研究。E-mail:sdczw@126.com。

景观格局研究是景观生态学研究的核心之一[1],景观格局及其变化是自然和人文等多因素相互作用产生的区域生态环境体系及其变化的综合反映[2-3]。隆起地形对区域气候、水文、生态环境等具有重要的影响[4-5],松辽分水岭形成于晚更新世新构造运动时期[6],是松辽平原新构造运动中最重要的地质事件[7],松遼分水岭隆起带是松辽分水岭隆起形成的独立带状地貌单元[8],研究其景观格局变化状况对松辽盆地生态环境和气候变化研究有重要的意义。然而,对松辽分水岭的研究目前主要侧重于其成因、演化和区域影响方面[9-12],而景观格局变化研究也多以行政区域或流域为研究对象[13-17],鲜有以地质构造形成的独立地貌单元为对象展开的研究,亟须开展相关研究工作,揭示其景观格局动态变化过程及驱动机制[18],以补充有关研究领域,为松辽盆地相关研究提供基础参考资料。

通过分析景观指数来定量研究景观格局变化的方法已广泛应用于景观生态学研究中[19-22],遥感(RS)技术已成为景观格局变化研究的主要数据获取手段[23],目前景观格局变化研究主要采用“3S”技术与景观指数、地统计学分析相结合的方法[24]。因此,本研究以松辽分水岭隆起带为研究对象,运用景观生态学原理,基于RS与GIS技术,采用景观指数分析[25]、主成分分析等方法,从景观格局时空变化着手开展区域景观格局变化及其驱动力分析[18],以期为区域生态规划和景观格局优化提供借鉴,并为松辽盆地生态环境变化和气候变化研究提供参考。

1 研究区概况

松辽分水岭隆起带位于43°24′~45°2′N、121°57′~125°45′E,面积为17 309.32 km2,是一个不规则隆起区[8],属温带半干旱半湿润季风气候区,夏季高温多雨、冬季漫长寒冷[18],年均日照时数为2 690.05 h,年均气温为4.5 ℃,年均降水量为409.28 mm,年均风速为3~4 m/s。区内无主要河流,处于霍林河、西流松花江、伊通河、东辽河和新开河包围圈内,土壤类型主要有草甸碱土、草甸风沙土、盐化草甸土、黑钙土、黑土等[26]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究所选解译基础数据为1980—2015年松辽分水岭隆起带的多波段扫描影像(MSS和TM影像)数据,解译参考图选用1 ∶100 000地形图和《中华人民共和国地貌图集(1 ∶1 000 000)》[27]及研究区Google Earth影像,精度检验参照GPS实测点数据。

松辽分水岭隆起带主要位于吉林省西部,范围涉及公主岭、农安、前郭尔罗斯蒙古族自治县、长岭、通榆1市4县(市)的部分乡镇(图1)。研究范围与行政区范围并不完全吻合,因此,以研究区内乡镇占所在县(市)行政区面积比例,即公主岭(62.97%)、农安(52.51%)、长岭(93.83%)、通榆(35.37%)、前郭尔罗斯蒙古族自治县(45.69%),计算研究区的人口和社会经济数据[28]。

研究用的气象资料来源于中国气象局气象站点资料(http://data/cma.cn/),人口和社会经济资料来源于1991—2016年《吉林省统计年鉴》。

2.2 数据处理

使用ENVI、ERDAS等软件对遥感影像进行几何精校正、波段合成和拼接等预处理[29],并根据划定的研究区范围对遥感影像进行裁剪。

根据松辽分水岭隆起带的地形、地貌、景观空间分布等自然特征,参照GB/T 21010—2017《土地利用现状分类标准》[30],将研究区景观划分为耕地、建筑用地、草地、林地、沙地、水域和盐碱地共7个类别,采用面向对象解译方法对遥感影像进行解译[31],并采用抽样统计验证法对解译结果进行精度验证,随机验证点主要来自于野外实地采样以及Google Earth影像,通过计算得到1980、1990、2000、2010、2015年的影像解译结果的精度值,分别为 85.8%、88.5%、89.7%、90.5%、90.6%,满足研究需要。

2.3 研究方法

根据研究目的及区域特点,选取景观破碎度、景观优势度和蔓延度指数、景观多样性指数等对景观格局变化进行分析(表1)[18]。

3 结果与分析

3.1 松辽分水岭隆起带景观演变特征

由图2和表2可知,松辽分水岭隆起带景观类型以耕地、建筑用地为主,其所占面积比例达85%,1980—2015年,耕地、建筑用地、盐碱地、沙地面积增加,草地、水域和林地面积减少。

其中,耕地多集中在东部地区,呈缓慢扩大趋势;建筑用地主要集中在东南地区,面积呈持续增加的趋势,共增加了179.78 km2。草地、沙地主要分布在中西部地区,草地面积共减少了586.76 km2。沙地面积呈阶段性变化,2000年以前,沙地面积持续增加,1980—1990年面积增加了92.59 km2,1990—2000年沙地面积每年以0.23%的速度增长,2000—2010年沙地面积每年以1.61%的速度减少,一些固定沙丘被人工草方格及人工防护林覆盖,但一些半固定沙丘和流动沙丘状态不稳定,一些固定沙丘在不利的条件下又会活化[36],2010—2015年期沙地面积又增加了3.23 km2,由此看来,研究区沙化问题依然严峻。盐碱地面积不断增加,共增加了156.33 km2;水域多与盐碱地相伴零散分布,面积呈不断减少的趋势,共减少 108.16 km2;林地主要分布在研究区中部地区,多与草地和耕地相邻,林地面积占总面积的比例始终低于0.5%。

3.2 景观格局指数分析

3.2.1 景观破碎度分析

从表3可知,1980—2015年松辽分水岭隆起带的景观斑块数(NP)总体呈波动性增涨趋势;斑块平均面积(MPS)总体呈波动性减少趋势。1980—2015年,研究区的景观斑块数增加了1 365块,斑块平均面积从1980年的 245.58 hm2 减少到2015年的205.74 hm2,这种变化趋势表明研究区景观破碎程度加深,在外界因素干扰下,景观格局复杂化[18]。

3.2.2 景观优势度和蔓延度指数分析

由图3可知,研究区最大斑块指数在75%~85%之间,随时间的延长呈階段性增加趋势;蔓延度指数在60%~70%之间,总体上呈波动性增加趋势,表明研究区景观主要由少数大斑块团聚而成[37],景观受1种或少数几种优势种支配,且景观优势度增加。其中,1980—1990年和2000—2010年间最大斑块指数增加,优势种景观优势度增加,1990—2000、2010—2015年最大斑块指数减小,优势种景观优势度减弱;1980—1990年和2000—2010年间,蔓延度指数增加,各景观斑块之间连接性增强,1990—2000年和2010—2015年蔓延度指数呈减小趋势,景观类型的连接性降低,斑块之间团聚程度减弱,景观破碎度增加。

3.2.3 景观多样性分析

由图4可知,1980—2015年松辽分水岭隆起带的SHDI与SHEI均呈波动性减小趋势,研究区SHEI小于0.5,说明研究区景观多样性较差,某一景观类型优势度较高,景观主要受1种或少数几种优势种支配,景观多样性降低。其中,1980—2010年SHDI与SHEI呈逐年降低的趋势,不同景观斑块分布不均衡,说明景观多样性降低[37],主要是耕地、建筑用地和盐碱地斑块面积大量增加所致;2010—2015年SHDI与SHEI呈增加趋势,景观斑块分布更均衡,景观多样性增加,景观中优势种的作用有所减弱。

3.3 松辽分水岭隆起带景观格局变化驱动力分析

气候因素是长期影响景观变化最活跃的自然因素[38-39],同时,人文因素在景观格局变化中也产生了重要影响,人类活动范围越大、强度越强,对景观格局变化的影响越大[40-41] 。本试验结合定性分析与定量分析方法,研究松辽分水岭隆起带1980—2015年景观格局变化的自然因素和人文因素,进一步对研究区景观格局演变过程进行分析。

3.3.1 气候因素

由图5-a可知,松辽分水岭隆起带年均气温呈波动性升高趋势,气候逐渐变暖,最高气温出现在2007年,年均气温7.5 ℃。其中,1980—2010年气温异常年较多,且多高于趋势线水平,气温异常影响了植被景观的生长状况及水域和盐碱地景观的发育;2010—2015年气温较接近趋势线水平,适宜的温度促进了植被景观的生长发育,使得整体景观多样性增加。

由图5-b可知,松辽分水岭隆起带年降水量总体上表现为波动性增加,年均降水量为 409.28 mm,降水峰值出现在1990年,研究区气候呈干湿交替的变化趋势。1980—1990年为相对多雨期,平均年降水量为447 mm,降水增加促进了植被的生长,增加了景观斑块的连接性和延展性以及景观优势度和蔓延度指数;1990—2000年年降水量总体上呈波动性减少趋势,部分水域转变为盐碱地,降低了景观斑块的连接性、延展性以及景观优势度和蔓延度指数;2000—2010年年降水量呈阶段性增加,景观优势度和蔓延度指数增加;2010—2015年年降水量变化幅度较大,异常变化的降水量在不同程度上影响了各自然景观类型变化。

由图5-c可知,松辽分水岭隆起带风速呈明显减小趋势,年均风速为3.14 m/s,变化率为 0.24 m/(s·10年)。1980—2000年研究区年均风速呈波动性减小趋势,变化率为0.32 m/(s·10年),风蚀作用减弱,延缓了沙漠化的发展速度;2010—2015年,研究区风速以0.51 m/(s·10年)的速度增加,大风天气极易引起地表风沙活动,导致沙地面积增加。

由图5-d可知,松辽分水岭隆起带年日照时数年际波动不稳定,总体上呈波动性减少,年均日照时数2 690.05 h。其中,1980—2000年年均日照时数波动性减少,日照减少在一定程度上促进了斑块类型间的转化,增加了景观破碎化程度;2000—2015年年均日照时数波动性增加,在一定程度上促进了植被景观的发育,增加了景观斑块的连接性和延展性,降低了景观破碎化程度。

3.3.2 人文因素分析

由图6-a可知,1990—2015年松辽分水岭隆起带总人口数量呈波动性增加趋势,由1990年的207.76万人增加到2015年的222.46万人,年均增长率为0.27%。其中,2011年研究区总人口数量达到最大值,为228.48万人。

由图6-b可知,1990—2015年间农业人口数量减少,年均减少约0.54万人。其中,1990—2011年间,农业人口数量波动性增加;2011年以后,农业人口数量明显下降,由2011年的174.10万人下降到2015年的154.33万人。总人口数量增加,粮食需求增加,导致耕地面积增加;城市人口增加,农业人口减少,人类活动范围扩大,活动强度增强,对住房和公共基础设施建设需求增加,使得建筑用地面积增加;不规范的耕地开垦和建筑用地的不断开发加深了研究区的景观破碎化程度。

根据图6-c可见,研究区GDP在1990—2015年间由24.45亿元快速增长到970.46亿元,拟合指数回归方程为y=23.01e0.150 8x(r2=0.984 1)。由图6-d可知,25年间三产不同程度的增长,其中第三产业增长最快,产值增加了382.02亿元,占总GDP增加值的40.38%。2007年以前,该区主要经济来源于第一产业;2007年开始,第二、第三产业发展迅速;至2015年,第三产业产值和第二产业产值分别占GDP总产值的39.71%和36.23%。经济的飞速发展和产业结构的调整[25],促使人类活动强度加强和活动范围扩大,导致建筑用地、耕地面积增加,草地、林地等自然资源面积减少,增加了研究区的景观破碎化程度,降低了整体景观多样性。

为保证所有人文统计数据的一致性,经查询,研究区范围内只有1990年以后具有公共指标数据,故本研究只分析了1990—2015年的人文数据。

由图6-e可知,研究区粮食产量由1990年的309.81万t波动增长到2015年的625.17万t,年均增长率为2.85%。人口增涨导致粮食需求的增加,研究区内提高粮食产量的方式主要是扩大生产规模,增加耕地面积。实地调研发现,区内开垦的耕地主要为草地、干涸水域,开垦后地表天然植被、水域消失,地表抗风蚀能力减弱,导致区内风沙活动急剧增强,地表盐渍化程度加强,不同程度地增加了区内沙地、盐碱地的面积。由图6-f可知,牲畜年末存栏量呈现波动性增加的趋势,年均增长率为3.68%,牲畜增加使放牧量增加,草地承载力增加,从而使草地面积减少。

3.3.3 自然因素与人文因素定量分析 本研究选取了年日照时数、年均风速、年降水量、年均气温、总人口数量、第二产业比例(占GDP总值)、粮食产量、年末牲畜存栏量共8个因子进行主成分分析,定量分析自然因素和人文因素对景观格局变化的影响[42]。由表4可知,第1主成分贡献率46.493 9%,粮食产量、第二产业比例和人口数量在第2主成分中载荷值较高,主要反映了研究区第一、第二产业和人口的发展状况;第2主成分贡献率为 21.343 6%,人口数和牲畜年末存栏头数载荷量较高,主要反映了研究区人口和畜牧业发展状况;第3主成分贡献率为13.512 5%,年均气温载荷值最高,主要反映了气候变化情况。通过主成分分析可以看出,影响研究区景观格局变化的主要因素为人文因素,气候因素的作用相对较弱。

4 结论

松辽分水岭隆起带景观类型以耕地和建筑用地为主,景观空间分布不均匀,近30年来该区景观面积变化显著,变化速度逐渐减小,耕地、建筑用地、沙地和盐碱地面积增加,与草地、林地、水域面积减少产生强烈对比。其中,草地和水域减少趋势最明显,减少率分别为57.73%、32.07%,耕地面积增加最显著,面积增加了353.29 km2,盐碱地面积增长率最高,2015年比1980年增加了29.81%。

研究区景观斑块数量增加,景观多样性降低,景观破碎程度增加。其中盐碱地、沙地扩张,草地退化,水域萎缩是研究区的主要生态环境问题。

松辽分水岭隆起带景观格局变化是自然因素和人文因素共同作用的结果。其中,人文因素起主导作用,人口数量、第二产业比例、粮食产量和年末牲畜存栏量对研究区景观格局变化的影响作用较强;自然因素的作用相对较弱,且年均气温、年降水量的影响大于年日照时数和年均风速。经济的发展、人民日益增长的物质文化需求导致人类活动范围扩大是该区生态用地减少,土地沙漠化、盐渍化的主要原因。

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