硕士学位论文-黑河流域景观结构与景观变化研究.doc

分类号密级UDC编号中国科学院硕士学位研究生学位论文黑河流域景观结构与景观变化研究指导教师：程国栋研究员中国科学院院士中国科学院寒区旱区环境与工程研究所申请学位级别理学硕士学科专业名称自然地理学（地理信息系统与遥感方向）论文提交日期1999年12月10日论文答辩日期2000年1月日学位授予单位中国科学院寒区旱区环境与工程研究所答辩委员会主席AnalysisontheLandscapeStructureandChangeoftheHeiheRiverBasin,NorthwestChinaAdissertationsubmittedtoColdandAridRegionsEnvironmentandEngineeringResearchInstitute(CAREERI)ChineseAcademyofSciences(CAS)ForthedegreeofMasterofSciencePresentedbyLuLingAcceptedontherecommendationofProfessorChengGuodongColdandAridRegionsEnvironmentandEngineeringResearchInstituteCASJanuary,2000致谢光阴似箭，转眼间三年的硕士研究生学习阶段已接近尾声。在这三年中，我最感幸运的是遇着了一位令人敬慕的好导师，他就是程国栋院士。导师知识渊博，目光敏锐，因而能时刻把握学科发展的前沿，不断为我们指点前进的方向；导师治学严谨，一丝不苟，正是他的严格要求才使我们每一位学生都能在各自的研究领域取得不断进步；特别是导师人格高尚，胸怀博大，几十年来扎根西北，将他宝贵的青春和杰出的才华奉献给了这片贫瘠的土地，这些都将是我永远学习的榜样和追求的人生境界。导师工作繁忙，但总不忘挤出时间来与学生们畅谈科学与理想，教导我们做人的道理；他那充满信任与鼓励的目光，是我们每一位学生勤奋学习，勇攀科学高峰的永恒动力，因为这目光会令无所事事或滞步不前的人感到羞愧与汗颜。本篇论文的完成，自始至终都倾注着导师大量的心血。论文的选题，提纲的拟订直到具体的每一章每一节，都是在导师的悉心指导下完成。导师多次对我说，与遥感和地理信息系统相结合的生态学研究在西北干旱区这片广阔的土地上将大有前途。导师的话将激励我在景观生态学与遥感领域更加勇于探索。谨向导师致以崇高的敬意和诚挚的感谢！特别感谢肖洪浪老师、龚家栋老师和安黎哲博士，他们不但慷慨地为我提供论文需要的各种数据和资料，还在具体工作中给予我耐心的指导。可以说，没有他们的热心帮助，我的论文就不可能顺利完成。同时，我还要感谢徐中民、王根绪、郭晓寅等师兄，他们给我提供大量的参考文献，教我研究方法，使我深受启发，获益斐浅。衷心感谢师母张幼芬女士，多年来她给予我在生活和学习上无微不至的关心与照顾。同时，感谢教育处王正文老师三年来对我的研究生学业的关心和帮助，这些都是我能够按时完成各门学习课程并顺利毕业的重要保证。最后，我还要衷心感谢我的每一位家人（包括我可爱的不满四岁的女儿李麓含之），感谢他们三年来对我的学业自始至终的理解、支持和帮助，使我解除了许多后顾之忧，顺利完成了这篇毕业论文。中国科学院硕士研究生学位论文黑河流域景观结构与景观变化研究I黑河流域景观结构与景观变化研究摘要水是中国西北干旱区内陆河流域生态环境的主要控制因素，流域内经济需水，生态需水和有限的水量三者之间的相互矛盾，构成了西北地区可持续发展的主要制约因素。因此，以流域为单元开展研究是十分必要的。同时，干旱区的生态环境演变，也很好地反映在景观的变化上。黑河流域是典型的干旱区内陆河流域。流域内包括不同的自然地理单元，山区水源带、绿洲带和戈壁荒漠带既是自成体系的生态系统又互相联系，它们构成了一个完整的水-经济-生态复合系统。本论文选取黑河流域为研究单元，采用景观生态学的理论和方法研究流域的生态环境变化，将能为区域可持续发展提供重要的科学依据。本论文使用GIS技术和景观结构分析软件FRAGSTATS，以黑河流域90年代后期1：50万土地利用图和黑河流域中游地区80年代前期1：50万土地类型图为基础，进行流域景观制图，划分出六个景观地带；利用FRAGSTATS在流域尺度上计算了各景观地带的面积、拼块密度和大小、边缘、形状、最近距离、多样性、蔓延度和散布等景观结构指标。同时，在地理信息系统支持下，建立黑河流域中游地区近20年间景观元素转移矩阵并编制拼块类型转换图。分析结果表明：1流域内景观分异强烈，不同的景观地带都具有独特的景观结构特征：山区的景观结构特征突出表现为连通性强，拼块形状复杂。绿洲荒漠区的景观结构特征表现为，绿洲主要沿河流和渠道分布，是镶嵌在荒漠基质上的景观异质体。绿洲是干旱区景观结构最复杂，类型最丰富，景观多样性最高的地区，但不同地带的绿洲区其景观结构也有显著的差异。在走廊绿洲景观地带，以耕地为主的人工绿洲已成为最主要的景观元素之一；而黑河下游的弱水三角洲景观地带，景观破碎度强，是一个极易受到干扰的地区。荒漠和绿洲的过渡地带的景观类型的共同的结构特征是拼块破碎、呈团聚状分布，它们是荒漠生物多样性的体现，并对阻滞沙漠化和土壤侵蚀有及其重要的作用，应特别注意保护。在极端干旱的北部中国科学院硕士研究生学位论文黑河流域景观结构与景观变化研究II阿拉善高平原，裸露戈壁是景观模地，占据绝对优势，蔓延度极高，其它类型是面积相对很小的异质镶嵌体。2黑河流域中游地区的各类景观元素在近20年间尽管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，导致本地区荒漠化过程和绿洲化过程的矛盾斗争激烈，而绿洲与荒漠的交错地带是这两个过程强弱之势对立发展的最敏感部位。3黑河流域中游地区是整个流域中受人类活动影响最强烈的地区，走廊绿洲景观地带的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的管理和改造程度的不断加强。其结果一方面是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。文章最后指出，GIS技术和景观结构分析软件相结合是研究景观结构及其变化的有效方法和工具，但需要注意三个问题：即在使用FRAGSTATS的栅格版本时，要特别注意尺度的影响；谨慎解释把流域景观作为一个封闭的系统处理时所带来的误差；对数据源的选择与处理要有统一的标准。中国科学院硕士研究生学位论文黑河流域景观结构与景观变化研究IIIAnalysisontheLandscapeStructureandChangeoftheHeiheRiverBasin,NorthwestChinaAbstractWaterresourceisthemainfactortoinfluencethedevelopmentofecosystemsintheinlandriverbasinsofthearidregions,northwestChina.Theshortageofwaterresourceandthecontradictionofwaterresourceallocationbetweeneconomyandecosystemhasconstitutedasevereconstrainttothesustainabledevelopmentoftheseregions,soitisessentialtotakethebasinscaleasthestudyunit.Inthemeanwhile,landscapechangecansignificantlyreflectstheevolutionofeco-environmentinaridregions.Therefore,theauthorselectstheHeiheRiverBasin,whichisatypicalinlandriverbasininthearidregionofnorthwestChinaandiscomposedofdifferentecosystemssuchasmountain,oasis,desert,andgobiasthecasestudyarea,andusesthetheoryandmethodoflandscapeecologytostudytheeco-environmentalchangeinthebasin.TostudythelandscapestructureandchangeintheHeiheRiverBasin,firstly,GISandalandscapestructureanalysisprogram,FRAGSTATSarecombinedtocompiletwolandscapemapsbasedona1:500,000landusemapofthewholebasininthelater90sanda1:500,000landtypemapofthemiddlepartofthebasinintheearly80s.Then,atotalofsixlandscapezonesaredividedandvariouslandscapemetricsofeachzoneincludingareametrics,patchdensityandsizemetrics,edgemetrics,shapemetrics,nearest-neighbormetrics,diversitymetrics,andcontagionandinterspersionmetricsarecalculatedusingFRAGSTATS.Lastly,GISisusedtocalculatethetransitionmatrixoflandscapeelementsandapatchtypetransitionmapiscompiled.Theresultsshowthat1.Thecharacteristicsoflandscapestructureinthemountainousareaof中国科学院硕士研究生学位论文黑河流域景观结构与景观变化研究IVtheHeiheRiverBasindisplayahighconnectivityandcomplexpatchshapes.Thecharacteristicsoflandscapestructureoftheoasis-desertareaarethattheoases,withthemostcomplexlandscapestructure,richestpatchtypes,andhighestdiversity,aredistributedalongriversandchannels,andareheterogeneousmosaicofpatchesembeddedinthematrixelement,desert.Thelandscapestructuresofoasesindifferentzonesarevariedgreatly.IntheHexiCorridorOasisZone,theartificialoasisdominatedbyirrigatedfarmlandareoneofthemostimportantlandscapeelements,whereasintheRuoshuiRiverDeltaZone,thepatchesarefragmentedandthelandscapeiseasilytobedisturbed.Inthetransitionalareabetweenoasisanddesert,thepatchtypes,meadow,salinizedmeadow,saltdesert,andmarsh,arefragmentedandclusteredtogether.Thesekindsofpatchtypesreflectthebio-diversityinthearidregionandplayanimportantroleinresistingthedesertificationinthearea,sotheymustbeprotectedcarefully.IntheextremelyaridareaintheDesertZoneoftheNorthernAlxaHighPlain,thebaregobiismatrixwithabsolutedominanceandveryhighcontagion,whileothertypesinthezoneareonlyheterogeneousmosaicsembeddedinthematrixwithverysmallpercentage.2.Duringthepast20years,thelandscapeinthemiddlepartoftheHeiheRiverBasinhasundertookacomplexchangeoflandscapestructureandaapparenttransitionoflandscapecomposition,butthelandscapeinawholestilldisplaysapatternofsharplycontrastbetweenoasislandscapeanddesertlandscape.Thehumanactivitieshavesignificantlychangedthedistributionandallocationofthelimitedwaterresourceinthebasin,leadingtoanacutecontradictionbetweendesertificationandoasisfication.Moreover,thetransitionalareabetweenthefarmingandgrazingzonesisverysensitivetotheseprocesses.3.ThemiddlepartoftheHeiheRiverBasinisinfluencedbyhumanactivitiesmoststronglyinthebasin.ThedecreaseofShannonsdiversityindexandevennessindexmanifestsintensivemanagementandreconstructionoflandscapebyhumanbegins.This,ontheonehand,improvesthesocioeconomicbenefitsofthebasin,butontheotherhandbringsdownthelandscapeheterogeneityandlandscapediversity,leadingtothedecreaseof