西北典型油气田开发对区域景观格局的影响研究-凯发国际一触即发

1. 引言

景观格局通常是指景观组成单元的类型、数目在空间结构和空间配置上的不均匀性及复杂程度的综合表现，其特征变化对生态系统的结构、功能和过程具有重要的影响[1]-[8]。油气田开发建设活动常常导致景观格局发生剧烈变化，最为显著的特征是表现为景观破碎化加剧，即由单一、均质和连续的整体转为复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体[9]-[15]。景观破碎化严重影响景观格局的结构、功能及生态过程，并对生物多样性保护和生态系统服务功能造成严重威胁[16]-[18]。因此，深入探究油气田开发建设活动对区域景观格局变化的影响，对理解由景观破碎化引起的生态结构和功能的变化具有重要意义[19]-[21]。

目前，在景观破碎化分析中多采用景观破碎化指数进行定量描述。同时，景观指数的选取也应依据理论与实践的重要性、易于计算、可解释和少冗余的原则[17]。为准确衡量油气田开发对荒漠生态脆弱区景观破碎化的影响，通过参考相关研究并根据研究区特点，选取斑块密度、最大斑块指数、景观分离指数、香侬多样性指数、集聚指数五种景观指数表征破碎化的程度，从而探讨不同时期油气田开发区域的景观格局时空变化与潜在成因。

2. 研究内容与方法

2.1. 研究区概况

本研究以西北荒漠区某油田为研究区。该区域在常年大风和偶发降水的作用下，形成较为典型的冲积洪积平原、链状沙丘地貌景观，区域内零星分布着固定、半固定沙丘和少量的流动沙丘。气候为典型的暖温带大陆性干旱气候，冬冷夏热，干燥少雨。土壤发育较差，土壤类型以盐土、草甸土、风沙土、林灌草甸土为主。极干旱的气候条件决定了这一地区植被群落类型单一、种类贫乏的特点，植物以多年生草本植物为主，分布有一定数量的一年生草本植物和灌木，乔木为数最少。该区域工农业不发达，油气田开发是本区域的支柱产业。油气田开发对土地的临时和永久占用、高强度人类和油气开采活动引起的土地利用方式转变、原生植被的破坏是该区域油气开发带来的主要生态问题。

2.2. 研究内容及方法

土地利用现状调查的主要技术方法是遥感数据分析，通过人机交互式图像解译，实现影像信息的判读，制作土地利用现状图。基于多时期土地利用遥感矢量数据，采用fragstats 4.2对2000、2010和2022年研究区的主要景观指数进行计算。

1) 斑块密度(pd)。斑块密度是指景观中包括全部异质景观要素斑块的单位面积斑块数，能够表征景观格局的聚集度/破碎化成都。值越大，景观破碎化程度越高。计算公式如下：

pd= ∫ i n m i / la (1)

其中，ｎ为景观类型总数；ｍ_i为第i类景观斑块数；la为研究范围内景观总面积。

2) 平均斑块面积(pa)。平均斑块面积是反映景观结构的有效指标，在一定程度上能够作为负向指标表征景观格局破碎化程度。值越小，斑块数量越大，景观破碎度越高。

mps= la/ np (2)

式中，la为研究范围内景观总面积；np为景观内斑块数量。

3) 景观分离指数(division)。分离度一般作为衡量景观破碎化程度的正向指标，分离度越高说明该景观系统的离散程度越高，景观破碎化程度越高。计算公式如下：

p i = b ij a ij (3)

式中，p_i为景观类型i的分离度；b_ij为景观类型i的距离指数；a_ij为景观类型i的面积指数。

4) 香侬多样性指数(shdi)。香农多样性指数是反映景观异质性的重要指标，能够较为准确地识别出景观中各斑块类型空间非均衡分布情况。值越大，说明景观格局中异质斑块越多，景观越破碎。计算公式如下：

shdi=− ∫ i=1 n ( p i ln p i ) (4)

式中，p_i为景观斑块类型i所占据的比率。

5) 集聚指数(ai)。集聚指数基于同种景观斑块类型像元间的边界长度计算得到，表示某种类型的景观要素斑块集聚程度，能够反映景观斑块的集聚情况。值越大，同种景观斑块越聚集，景观破碎度越低。计算公式如下：

ai=[ g ij max→ g ij ] (5)

其中，g_ij为相应景观斑块类型的相似邻接斑块数目。

3. 结果与分析

3.1. 区域景观指数时空分布特征

从2022年的景观格局指数来看，研究区总体斑块数量为2028个，其中占比最高的土地利用类型是建设用地，占比约为43.49%，斑块数量为882个；草地斑块数量占比次之，约为21.50%，斑块数量为436个；耕地斑块数量占比约为16.57%，斑块数量为336个；未利用地斑块数量占比约9.71%，斑块数量为197个；林地斑块数量占比约7.69%，斑块数量为156个；水域斑块数量最少，占比仅为1.04%，斑块数量为21个(表1，表2)。

table 1. variations of landscape index in different periods

表1. 研究区不同时期景观指数变化表

2022年研究区整体斑块密度为0.46个/km²，斑块平均面积为2.19 km²。其中，建设用地斑块密度最大，约为0.20个/km²，斑块平均面积为0.03 km²；草地斑块密度次之，为0.098个/km²，斑块平均面积为2.29 km²；耕地、未利用地、林地及水域斑块密度分别为0.076、0.044、0.035和0.005个/km²，斑块平均面积分别为2.22 km²、5.60 km²、9.62 km²、2.85 km²。此外，2022年研究区整体集聚指数为96.87。其中，建设用地集聚指数为最小，约为83.36%；水域集聚指数次之，约为93.86%；草地、林地、耕地和未利用地的集聚指数分别为96.26%、96.68%、97.12%和98.01% (表1，表2)。

以上结果表明，油田开发建设活动伴随的建设用地对区域斑块破碎化具有较大的贡献，并可能主要通过两个途径影响区域景观破碎化程度：1) 建设用地直接增加了区域斑块数量和密度，特别是面积较小的斑块；2) 建设用地通过影响未利用地、草地、林地等其他土地类型间接影响区域景观破碎化程度。

table 2. variations of landscape index in different land use types.

表2. 不同时期各类土地利用类型景观指数变化表

3.2. 区域景观格局指数变化特征

研究区在油气田开发建设前、中、后景观格局指数变化明显，整体呈破碎化加剧趋势(图1)。其中，与油气田开发建设前相比(2000年)，开发中期(2010)和后期(2022)景观斑块数量呈增加趋势，由1025个增加至2028，增幅近2倍；斑块密度由2000年的0.2312个/km²增加至2022年的0.4575个/km²，增加近2倍之多。相应地，斑块平均面积由2000年的4.32 km²降低至2022年的2.19 km²，降低近2倍。这表明，油气田开发建设及相关活动造成景观斑块向更多小斑块方向发展。直观的景观表现是景观分离度指数呈增加趋势，由2000年的0.91上升至2022年的0.96 (图2)。此外，景观斑块的香农多样性指数也呈增加趋势，由2000年的1.34上升至2022年的1.44；而景观聚集指数则呈下降趋势，由2000年的97.07下降至2022年的96.87 (图3)。

figure 1. patch density, maximum patch index, landscape separation index and shannon diversity index in different periods

图1. 不同时期斑块密度、最大斑块指数、景观分离指数和香农多样性指数状况

figure 2. the characteristics of patch number, density, average area and landscape separation index in different periods of study area

图2. 不同时期研究区斑块数量、密度、平均面积和景观分离指数的变化特征

figure 3. variation characteristics of shannon diversity index and aggregation index of landscape in different periods

图3. 不同时期景观香农多样性指数和聚集度指数的变化特征

从斑块类型上来看，2000年研究区的主要土地利用类型是未利用土地、草地和林地，面积分别为1610.47、1322.37和1079.94 km²，面积占比均在20%以上，分别为36.33%、29.83%和24.36%；建设用地仅为2.24 km²，面积占比低于1%。2022年，研究区以油气田开发建设为主的建设用地增加至26.82 km²，增幅近10倍多；相应地，未利用土地、草地和林地面积分别为1102.46 km²、996.37 km²、1500.71 km²，表现出林地面积区域增加，未利用土地和草地减少的趋势(表2)。

figure 4. changes of patch quantity and density of different land use types in different periods

图4. 不同时期各类土地利用类型斑块数量和密度变化状况

figure 5. changes of the average patch area and landscape separation index of different land use types in different periods

图5. 不同时期各类土地利用类型斑块平均面积和景观分离指数变化状况

从斑块类型水平上主要景观指数变化情况来看，草地、未利用地和建设用地的斑块数量和密度均呈现增加趋势，其中草地斑块数量和密度由2000年的372个、0.084个/km²增加至2022年的436个和0.098个/km²；未利用地斑块数量和密度由2000年的128个、0.029个/km²增加至2022年的197个和0.044个/km²；建设用地斑块数量和密度增加幅度加大，其中斑块数量由2000年的25个增加至2022年的882个，增幅多大30多倍；斑块密度由2000年的0.006个/km²增加至2022年的0.1999个/km² (图4)。相应地，草地、未利用土地和建设用地的斑块平均面积都趋于减少，呈现小斑块化趋势。这样导致草地、未利用地和建设用地的景观分离指数增高，破碎化程度加剧(图5)。

4. 结论

1) 对西北荒漠区某油田不同时期景观格局的对比分析表明，研究区整体景观格局呈现破碎化加剧趋势，表现为斑块数量增加，斑块密度增加，斑块平均面积减少。

2) 景观格局指数变化最为显著的斑块类型是建设用地，其次是未利用地和草地；林地斑块数量和密度趋于减少，斑块平均面积增加，景观分离指数也趋于降低。

3) 研究区景观破碎化的加剧主要由于建设用地增加及相关活动引起的草地和未利用地小斑块数量增加导致。

4) 未来在该区域的油气田开发时应注重建设用地扩张等活动带来的不利生态影响，特别是在现已运行的油气田项目中，需注重对周边草地及未利用土地的保护，减轻油气田开发建设活动对荒漠生态脆弱区的影响。

基金项目

本文由中国石化股份公司课题自主课题(课题编号：321078)资助完成。

notes

^*第一作者。

^#通讯作者。

参考文献