渾河太子河流域景觀格局時(shí)空動(dòng)態(tài)分析

姚 欣 ，常 禹 ，劉 淼 ，朱君君 ，胡遠(yuǎn)滿 ，賀紅仕 ，郗鳳明

（1.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100039）

渾河太子河流域位于10個(gè)城市群之一的遼中南城市群，是我國最重要的經(jīng)濟(jì)區(qū)和重工業(yè)基地之一，渾河太子河流域同時(shí)也是遼寧省重要的產(chǎn)糧區(qū)，是人類活動(dòng)最為強(qiáng)烈的區(qū)域。城市群擴(kuò)展及其區(qū)域景觀格局變化和生態(tài)環(huán)境影響已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和前沿[1]。研究渾河太子河流域景觀格局的演變，分析其變化的趨勢對于研究城市群擴(kuò)展導(dǎo)致的生態(tài)效應(yīng)具有重要意義，同時(shí)能夠?yàn)槌鞘腥旱膮^(qū)域規(guī)劃和發(fā)展決策提供科學(xué)依據(jù)。

景觀格局時(shí)空變化的研究是景觀生態(tài)學(xué)研究的基礎(chǔ)，也是核心問題之一，目前仍是景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[2]。景觀格局的研究方法最為常用且有效的是景觀指數(shù)法，并得到越來越廣泛的應(yīng)用[3]。通過景觀指數(shù)描述景觀格局，不但可以使空間數(shù)據(jù)獲得統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，而且還可以針對不同空間尺度上的景觀格局特征進(jìn)行比較分析，定量描述和檢測景觀空間結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化[4]，用景觀指數(shù)成功描述景觀結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)的研究很多[5]。然而，單純依靠基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)或拓?fù)溆?jì)算公式所產(chǎn)生的各類景觀指數(shù)對于揭示真實(shí)景觀的結(jié)構(gòu)組成和時(shí)空變化還有欠缺[6]。筆者在應(yīng)用傳統(tǒng)景觀指數(shù)和轉(zhuǎn)移矩陣分析方法的基礎(chǔ)上引入kappa指數(shù)系列方法，對渾河—太子河流域景觀時(shí)空變化進(jìn)行研究，從不同角度對景觀變化進(jìn)行綜合研究，旨在更全面、更客觀地反映研究區(qū)景觀時(shí)空變化的情況。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渾河太子河流域位于遼寧省中部，是遼河的子流域，地理坐標(biāo)在 122.00°E～125.30°E、40.45°N～42.30°N 之間，流域面積 2.73 ×104km2，河流長 415 km，集水區(qū)面積1.15×104km2。氣候類型屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年日照充足，年平均氣溫5～10℃，多年平均降水量500～800 mm，雨熱同季。流域東北部為低山丘陵區(qū)，土壤類型主要為棕壤，森林茂密，植被覆蓋率高；西南部為平原，土壤類型主要為水稻土和草甸土，區(qū)內(nèi)分布有沈陽、鞍山、撫順、本溪、遼陽、營口6個(gè)城市，是遼寧乃至東北亞地區(qū)的經(jīng)濟(jì)核心，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也對區(qū)域的生態(tài)環(huán)境造成了較大的影響。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及處理 采用的遙感數(shù)據(jù)為1988年8月（Landsat TM），1997年 8月（Landsat TM）和2004年8月（Landsat TM）遙感影像，行列號為11831、11931、11932。以研究區(qū) 1∶5 萬地形圖作為參照對原始影像進(jìn)行幾何精校正，誤差控制在0.5個(gè)象元以內(nèi)。坐標(biāo)系統(tǒng)采用Transverse Mecator投影，Krasovsky橢球體，中央經(jīng)線為123°E。采用人工目視解譯方法來保證解譯精度。分別對1988、1997、2004年影像進(jìn)行解譯得到相應(yīng)年份的土地利用圖。應(yīng)用研究區(qū)實(shí)地采樣的2 680個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中的1 300個(gè)作為目視解譯的參考，余下的1 380個(gè)采樣數(shù)據(jù)對三期的解譯結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià)，三期的kappa指數(shù)精度分別為86.20%，88.52%和90.32%。

1.2.2 土地利用類型分類 根據(jù)2007年8月10日中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀分類》，同時(shí)結(jié)合渾河太子河流域的地表覆蓋特征和影像分辨率，將研究區(qū)分為10類土地利用類型，分別是有林地、灌木林、水田、旱地、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)、水域、草地、濕地、裸地。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀空間格局分析方法 景觀指數(shù)是生態(tài)學(xué)研究的常用方法，它是用來反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征的定量指標(biāo)[7]，能有效地反映研究區(qū)的整體變化情況，特別是反映景觀的破碎化程度和多樣性的變化[8]。根據(jù)各景觀指數(shù)的生態(tài)學(xué)意義和研究目的，本研究選取以下指數(shù)：形狀指數(shù)（LSI）、斑塊密度（PD）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、分維數(shù)（PAFRAC）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）和聚集度（AI），各景觀格局指數(shù)的計(jì)算公式與生態(tài)學(xué)意義可參見相關(guān)文獻(xiàn)[7，9]。指數(shù)計(jì)算用美國俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開發(fā)的景觀指數(shù)計(jì)算軟件FRAGSTATS version3.3中以grid文件格式（網(wǎng)格為30×30 m）在景觀水平上進(jìn)行運(yùn)算。

1.3.2 轉(zhuǎn)移矩陣分析方法 轉(zhuǎn)移矩陣可以清楚地觀察流域不同景觀類型之間的轉(zhuǎn)移變化情況。在ArcGIS9.0支持下將3個(gè)年份的矢量土地利用圖轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，柵格大小為30×30 m，然后在空間分析模塊中計(jì)算轉(zhuǎn)移矩陣。

1.3.3 kappa指數(shù)系列分析方法 地學(xué)中常用的Kappa系數(shù)主要用來評價(jià)兩圖件的一致性和遙感解譯的精度[10]。Kappa系數(shù)已被引入到景觀變化分析中來，它們能夠從空間位置、數(shù)量角度定量地揭示景觀變化的空間信息、數(shù)量信息和空間與數(shù)量的綜合信息[11]。把前一期和后一期的景觀類型圖進(jìn)行空間疊加，得到景觀類型在兩幅圖上的轉(zhuǎn)移矩陣（表1），以此計(jì)算Kappa指數(shù)，公式為：

表1 兩圖件的轉(zhuǎn)移矩陣（Cj代表景觀類型j）

式中，Po=P11+P22+…+PJJ，兩期圖件上類型一致部分的百分比，即觀測值（見表1）；Pc=R1×S1+R2×S2+…+RJ×SJ，后一期景觀類型圖上的期望值（見表1）；Pp=R1+R2+…+RJ，前一期與后一期景觀類型變化程度，即真實(shí)值，兩個(gè)圖完全相同的情況下等于1。通常，當(dāng)Kappa≥0.75時(shí)，兩圖件間的一致性較高，變化較?。划?dāng)0.4≤Kappa≤0.75時(shí)，一致性一般，變化明顯；當(dāng)Kappa≤0.4時(shí)，一致性較差，變化較大。

由于以上的標(biāo)準(zhǔn)kappa指數(shù)沒有說明錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因，Pontius等人進(jìn)一步發(fā)展了Kappa系數(shù)家族，主要包括標(biāo)準(zhǔn)kappa指數(shù)、隨機(jī)kappa指數(shù)、位置kappa指數(shù)、數(shù)量Kappa指數(shù)，它們可以量化數(shù)量錯(cuò)誤（Quantity Error）和位置錯(cuò)誤（Location Error）[17]，詳細(xì)意義和計(jì)算公式參見相關(guān)文獻(xiàn)[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 面積統(tǒng)計(jì)分析

渾河太子河流域主要的土地利用類型是有林地、灌木林、旱地和水田。水田和旱地主要分布于西南部，3個(gè)年份占整個(gè)研究區(qū)面積的比例保持在37%左右；有林地和灌木林主要分布于東北部山區(qū)，3個(gè)年份占整個(gè)研究區(qū)面積的比例都保持在49%左右，其中面積最大的是有林地，占總面積的30%以上（圖1），其面積和質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個(gè)流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的改善。城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)占地也很多，總比例在3個(gè)年份分別為8.68%、9.07%、10.75%。渾河太子河流域這種以林地和耕地為主導(dǎo)、城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)占地比例高的格局與其處于我國東北高植被覆蓋區(qū)和悠久的工農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史密切相關(guān)。

圖1 渾河太子河流域1988～2004年間各景觀類型面積

結(jié)合土地利用圖和轉(zhuǎn)移矩陣分析可知，土地利用類型面積變化存在4個(gè)明顯的特征：

（1）旱地、水田和草地面積持續(xù)減少，并且均為1997年到2004年減少得更快，其中水田減少的幅度較大。1988～1997年間水田減少了249.95 km2，其主要轉(zhuǎn)化為有林地和農(nóng)村居民點(diǎn)，1997～2004年間水田減少了377.59 km2，不同的是其主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)村居民點(diǎn)、有林地和水域（表2和表3），轉(zhuǎn)化為水域主要是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的結(jié)果，特別是后一時(shí)期。

表2 渾河太子河流域1988～1997年各景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣 （km2）

表3 渾河太子河流域1997～2004年各景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣 （km2）

（2）有林地和灌木林雖有增減的變化，但增減幅度較小。有林地面積先增加51.47 km2，后減少61.29 km2，增幅分別為0.17%和-0.21%；灌木林面積兩個(gè)時(shí)期都在增加，年均增加量不到0.4 km2（表2和表3）。在流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)森林面積沒有減少主要?dú)w功于天然林保護(hù)工程[12]和封山育林的實(shí)施，以及政府堅(jiān)持不懈地加強(qiáng)森林資源保護(hù)管理工作。

（3）城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地一直處于增加的狀態(tài)，這主要是由人口增加和快速城市化導(dǎo)致的。由表2和表3可以看出，農(nóng)村居民點(diǎn)在兩個(gè)時(shí)期主要都是由水田和有林地轉(zhuǎn)化而來。城鎮(zhèn)用地的增長在兩個(gè)時(shí)間段來源不同：1988～1997年間的增長主要由農(nóng)村居民點(diǎn)轉(zhuǎn)化而來；1997～2004年間的增長主要由水田和有林地轉(zhuǎn)化而來，這反映出兩個(gè)時(shí)期城鎮(zhèn)擴(kuò)張方式有差異。兩個(gè)時(shí)期城鎮(zhèn)面積增加的速率都高于農(nóng)村居民點(diǎn)，這主要是因?yàn)檗r(nóng)村居民用地雖有增長但以內(nèi)部填充為主，并且還有一部分農(nóng)村居民點(diǎn)轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地，而我國的城市化進(jìn)程正處于高速發(fā)展時(shí)期，城市化過程引起了劇烈的景觀格局變化，在“振興東北老工業(yè)基地”等政策的驅(qū)動(dòng)下，遼寧省城市化速度在不斷加快，特別是以沈陽為中心的遼寧省中部城市群快速發(fā)展，導(dǎo)致城市大面積擴(kuò)張。

（4）水域面積大幅增加。在研究時(shí)段內(nèi)渾河太子河流域水域面積年均增加20.5 km2，增加的原因主要有3個(gè)：一是1990以來流域內(nèi)降水持續(xù)增加[13]和渾河綜合治理方針的實(shí)施在一定程度上保證了河流的補(bǔ)給；二是大量水利設(shè)施的修建（例如觀音閣水庫）和農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉措施的推廣應(yīng)用使得許多小河流和湖泊的蓄水量有一定的增加；三是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展占用了大片的水田和旱地（表2、表3）。

2.2 景觀指數(shù)分析

由表4可以看出，景觀形狀指數(shù)和斑塊密度指數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)不斷增長，表明斑塊形狀越來越不規(guī)則，更加破碎，景觀被斑塊邊界切割嚴(yán)重，連通性減小。研究區(qū)形狀特征的這種趨于復(fù)雜的變化將會(huì)對景觀中物種的擴(kuò)散、能量的流動(dòng)、物質(zhì)的遷移產(chǎn)生影響[14]。分維數(shù)指數(shù)的數(shù)值中等[15]表明研究區(qū)斑塊形狀復(fù)雜程度中等，自相似性高，受干擾的程度較高。研究區(qū)景觀蔓延度指數(shù)16年來呈下降趨勢，且整體處于較低的水平[15]，表明景觀由大量小斑塊組成，破碎化程度越來越高。聚集度指數(shù)數(shù)值較大，表明研究區(qū)內(nèi)少數(shù)幾種土地利用類型分布集中，16年來略有升高，但變化不大。香農(nóng)多樣性指數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)有所增加，且數(shù)值均較大，表明研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型所占比例越來越均勻，景觀由一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)要素控制的程度在減弱，景觀異質(zhì)性增加，各類景觀斑塊呈均衡化趨勢發(fā)展，表明人類對研究內(nèi)的景觀影響在不斷加劇。總之，以上6種景觀指數(shù)從不同的方面反映了渾河太子河流域景觀變化的總體趨勢是異質(zhì)性增加，破碎度增大，景觀形狀的復(fù)雜性和不規(guī)則性增加。

表4 研究區(qū)各景觀指數(shù)

2.3 kappa指數(shù)系列分析

如表5所示，不同的時(shí)間段kappa指數(shù)值差異較大。1988～2004年2個(gè)時(shí)間段的數(shù)量kappa指數(shù)分別為98.2%和97.3%，表明在不考慮空間位置變化的情況下，研究區(qū)內(nèi)土地利用數(shù)量分別有1.8%和2.7%的變化，即研究范圍內(nèi)分別有相應(yīng)的象元發(fā)生類型變化。位置kappa指數(shù)分別為94.4%和94.5%，說明在各景觀類型面積比固定的情況下，景觀在空間位置上有5.6%和5.5%的信息發(fā)生了變化，即渾河太子河流域內(nèi)有相應(yīng)的象元發(fā)生了空間位置的變化。數(shù)量kappa指數(shù)和位置kappa指數(shù)能夠分別說明景觀在數(shù)量和位置上的變化，并且數(shù)量kappa指數(shù)與位置kappa指數(shù)的乘積等于標(biāo)準(zhǔn)kappa指數(shù)。隨機(jī)kappa指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)kappa指數(shù)分別綜合了位置和數(shù)量的變化，能夠?qū)C合信息的變化進(jìn)行量化。2個(gè)時(shí)段的隨機(jī)kappa指數(shù)分別為94.2%和93.6%，表明景觀在沒有保持?jǐn)?shù)量和位置的能力情況下2個(gè)時(shí)期分別有5.8%和6.3%的空間信息發(fā)生變化。標(biāo)準(zhǔn)kappa指數(shù)在2個(gè)時(shí)段的值分別為92.7%和92.0%，說明如果景觀具有中等的保持面積的能力，丟失的信息將為7.30%和8.00%。

表5 kappa指數(shù)計(jì)算結(jié)果

總體來看，兩個(gè)時(shí)段的標(biāo)準(zhǔn)kappa指數(shù)和隨機(jī)kappa指數(shù)變化較大，并且后一時(shí)段的變化大于前一時(shí)段的變化。這主要有兩個(gè)原因：一是后一時(shí)段內(nèi)國家提出了振興東北老工業(yè)基地的政策，遼寧中部城市群的快速發(fā)展，渾河太子河流域內(nèi)城市化進(jìn)程不斷加快，城市面積擴(kuò)張以及維持城市正常運(yùn)作的各種配套設(shè)施占用了大量城市周邊的農(nóng)業(yè)和林業(yè)用地，引起土地利用類型的變化；二是水產(chǎn)養(yǎng)殖利潤高，見效快，近幾年需求不斷增長，沿海地區(qū)大量水田已轉(zhuǎn)做水產(chǎn)養(yǎng)殖基地。同時(shí)也可以看到，兩個(gè)時(shí)段內(nèi)均是位置變化稍大于數(shù)量變化。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和政策的轉(zhuǎn)變，流域內(nèi)各景觀類型之間轉(zhuǎn)換頻繁，使得景觀在空間位置和數(shù)量上變化較大，但數(shù)量上可以抵消，位置上卻不可能完全重合。因此，建議在使用kappa指數(shù)研究土地利用變化時(shí)盡可能選用位置kappa指數(shù)。

3 結(jié)論與討論

1988到2004年間研究區(qū)土地利用方式一直以有林地、灌木林、水田和旱地為主；有林地和灌木林面積基本保持穩(wěn)定；水田、旱地和草地面積持續(xù)減少；水域、城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)用地一直處于增長的趨勢，且城鎮(zhèn)面積增加的速度更快；裸地和濕地面積變化不大。借助于轉(zhuǎn)移矩陣可以清楚地看到各種景觀類型的轉(zhuǎn)移：水域主要由草地和水田轉(zhuǎn)化而來，城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)用地主要由水田和有林地轉(zhuǎn)化而來。景觀指數(shù)分析得到渾河太子河流域景觀變化的總趨勢是：形狀更加復(fù)雜，異質(zhì)性增加，破碎化程度不斷加劇。由kappa指數(shù)的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1988～2004年間渾太流域景觀變化不大（各種kappa指數(shù)都大于0.9），這主要是由于研究區(qū)面積大，作為其主要土地利用方式的有林地、灌木林、旱地和水田變化幅度不是很大，而數(shù)量和位置變化大的水域、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)用地因其在研究區(qū)所占比例較小沒有被表現(xiàn)出來。同時(shí)可以得出，1988～2004年間渾河太子河流域景觀位置變化大于數(shù)量變化，主要原因是經(jīng)濟(jì)、政策導(dǎo)致的景觀類型之間頻繁的轉(zhuǎn)換使面積得到一定的補(bǔ)償。

本研究表明，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移矩陣方法能有效地反映景觀類型面積變化的數(shù)量和速率；景觀指數(shù)分析方法能夠很好地檢測景觀的整體變化和空間格局的演變；kappa指數(shù)分析方法能夠反映景觀數(shù)量變化、空間變化和綜合信息變化，而且能夠計(jì)算在有或無保持?jǐn)?shù)量能力下景觀空間信息的變化，是傳統(tǒng)的景觀指數(shù)和轉(zhuǎn)移矩陣方法全面反映景觀變化的有效補(bǔ)充。因此，建議在以后研究景觀變化時(shí)根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)選擇合適的方法或采用多種方法相結(jié)合來分析。

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