基于土地利用的丹江胡村—商鎮(zhèn)斷面控制流域景觀格局研究

，

(1. 西安外事學(xué)院 人文藝術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710077； 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院/園林與藝術(shù)學(xué)院， 江西 南昌 330045)

景觀格局(也稱空間格局)，是指斑塊及其組成的單元類型、數(shù)量和空間布置等[1]，對景觀格局的分析已成為景觀生態(tài)規(guī)劃、建設(shè)、管理及評價(jià)等各方面應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。景觀的空間格局對控制物質(zhì)、能量、信息的傳遞及其功能的發(fā)揮過程和形式有一定的影響[2-3]，在很大程度上決定著景觀性質(zhì)的變化。從對景觀格局的數(shù)據(jù)分析中揭示出看似無序的景觀生態(tài)現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律，能將景觀的空間特征、時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化機(jī)制以及對景觀格局產(chǎn)生影響的外界因素表現(xiàn)出來，能夠?yàn)檠芯烤坝^格局和生態(tài)過程之間存在的作用關(guān)系提供理論上的支持。

自然界中存在最多且占據(jù)重要地位的景觀類型就是土地利用景觀，這種景觀受到自然環(huán)境和人為活動(dòng)的影響比較大[4-5]。在景觀空間分析過程中，土地利用的景觀格局指數(shù)是一個(gè)重要的指標(biāo)，這種方法的存在加大了空間格局和度量生態(tài)之間存在相互聯(lián)系的可能性[6]。利用景觀生態(tài)學(xué)的原理和方法對區(qū)域內(nèi)景觀格局的一系列結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行深入的研究，在區(qū)域尺度上分析人為影響下土地利用類型的變化以及功能發(fā)生變化的規(guī)律就是土地景觀格局的變化分析過程，這一過程的存在表明了在景觀區(qū)域內(nèi)人地之間的關(guān)系存在著動(dòng)態(tài)的變化[7-8]。

本文中利用丹江上游1985、1996及2000年土地利用數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型(DEM)為基本數(shù)據(jù)源，在地理信息處理軟件ArcGIS支持下，結(jié)合景觀格局分析軟件FRAGSTATS 3.3對丹江上游胡村、麻街、南秦化、南秦賀、商鎮(zhèn)共5個(gè)斷面控制流域景觀格局進(jìn)行研究，從流域不同尺度上理解景觀格局，認(rèn)識人類的社會(huì)活動(dòng)對該流域的景觀格局以及生態(tài)過程產(chǎn)生的影響，從而確定人類各種不同強(qiáng)度的干擾活動(dòng)導(dǎo)致該地區(qū)景觀格局改變的強(qiáng)度、方向性以及有效性，對該流域土地利用管理及區(qū)域規(guī)劃的合理布局提供數(shù)據(jù)，更為本區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究方法與內(nèi)容

1.1 研究區(qū)概況

丹江是長江流域中較為重要的一條分支， 它始于秦嶺南麓， 經(jīng)過了陜西、 河南、 湖北省， 于湖北省丹江口匯入漢江。 丹江流域面積為16 812 km2(其中陜西省境內(nèi)流域面積為7 552 km2)，干流全長443 km(其中陜西省境內(nèi)長為259 km)。 胡村、 麻街、 南秦化、 南秦賀、 商鎮(zhèn)這5個(gè)斷面控制流域?qū)儆诘そ?圖1)， 地理位置位于東經(jīng)109°30′8.841″—110°22′51.798″，北緯33°37′6.652″—34°11′9.912″。受氣候和地形的影響，丹江流域降水量分布極不均勻，山地為多雨區(qū)且多暴雨，河谷及附近川道為少雨區(qū)。氣候季節(jié)性變化導(dǎo)致徑流不平衡，在某些季節(jié)會(huì)出現(xiàn)枯水期，這個(gè)時(shí)期水源主要來自地下水，它的供給雖然小但很穩(wěn)定。1989年我國開始實(shí)施長江上游水土保持重點(diǎn)防治工程，營造經(jīng)濟(jì)林和生態(tài)林，因而規(guī)劃區(qū)內(nèi)居民根據(jù)種植及生產(chǎn)的需要，土地利用方式由單一農(nóng)地向多種類型發(fā)展。

圖1 丹江上游5個(gè)控制斷面分布示意圖

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

DEM數(shù)據(jù)主要來源于網(wǎng)站http://datamirror.csdb.cn。該數(shù)據(jù)集利用ASTER GDEM第1版本(V1)的數(shù)據(jù)整理而來。在研究區(qū)域內(nèi)的空間分辨率是30 m，經(jīng)過投影會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩W(wǎng)關(guān)(UTM)的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被下載之后采用ERDAS 9.1軟件進(jìn)行處理。經(jīng)過上述過程分析處理后形成研究區(qū)DEM，同時(shí)對生成的丹江流域DEM進(jìn)行填挖預(yù)處理、水流流向生成、提取河網(wǎng)、生成小流域、生成各斷面控制流域數(shù)據(jù)處理。

研究采用我國1985、1996及2000年的1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)站http://westdc.westgis.ac.cn，從中國科學(xué)院“八五”重大項(xiàng)目“全國環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動(dòng)態(tài)研究”(96-B02-01)數(shù)據(jù)庫中獲得。該數(shù)據(jù)采用美國陸地衛(wèi)星Landsat MSS、TM和ETM等信息源，并請?jiān)擃I(lǐng)域的專家對數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)知，結(jié)合研究區(qū)的地形進(jìn)行解譯得到。數(shù)據(jù)庫在經(jīng)過了嚴(yán)格的野外考察之后發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)確率近乎100%。

由于研究區(qū)域范圍廣，因此為了確保研究所得到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及科學(xué)性，對土地利用分類中存在的二級地類進(jìn)行合并，建立一個(gè)地理信息系統(tǒng)(GIS)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包含6種不同的土地利用景觀類型，然后運(yùn)用ArcGIS系統(tǒng)在Spatial Analyst空間分析模塊支持下，將土地利用矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為分辨率30 m的柵格數(shù)據(jù)后在分析計(jì)算中使用。

1.2.2 分析方法

首先使用定量方法進(jìn)行分析，利用景觀指數(shù)對景觀格局特征及其變化規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)的描述，并對構(gòu)建景觀格局和流域內(nèi)景觀過程之間的聯(lián)系進(jìn)行分析[9-10]。在計(jì)算過程中，通過分析對景觀格局指數(shù)有效性產(chǎn)生影響的因素發(fā)現(xiàn)，空間尺度、數(shù)據(jù)分辨率、各景觀指數(shù)生態(tài)學(xué)意義的可解釋性和相關(guān)性4個(gè)因素影響作用較大，同時(shí)土地利用分類方法因素的影響也較大。

其次應(yīng)用景觀格局分析軟件FRACSTATS 3.3對5個(gè)控制斷面流域的參數(shù)進(jìn)行分析并計(jì)算出相關(guān)指標(biāo)，方法參照《FRAGSTATS 3.3操作手冊》。FRAGSTATS軟件把景觀指標(biāo)按一定條件進(jìn)行分類后得到3種級別，即斑塊級別(patch level)、斑塊類型(class level)、景觀級別(landscape level)。FRAGSTATS軟件所能計(jì)算的指標(biāo)大多都存在一定聯(lián)系。由于丹江流域河谷眾多，考慮到當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)發(fā)展現(xiàn)狀及地形地貌因素，同時(shí)兼顧景觀生態(tài)學(xué)、美學(xué)因子，因此在選擇景觀指標(biāo)時(shí)選擇的是斑塊密度(PD)、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)、聚集度(AI)、邊緣密度(ED)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、周長-面積分維數(shù)(PAFRAC)、面積加權(quán)形狀指數(shù)(SHAPE-AM)共9個(gè)指標(biāo)； 在類型級別上分析景觀指標(biāo)時(shí)重點(diǎn)選用了NP、 最大斑塊指數(shù)(LPI)、 PD、 ED、 PAFRAC、 面積加權(quán)的周長面積比(AREA-AM)、 SHAPE-AM、 聚集度(AI)、 最大形狀指數(shù)(LSI)、類型分離度(SPLIT)共10個(gè)指標(biāo)。2種級別的景觀格局指數(shù)可以綜合反映區(qū)域土地利用的分布狀況、連通程度、多樣性及受人為干擾的程度，且所反映的上述指標(biāo)能夠全面反映景觀格局中存在的問題。具體的計(jì)算方法與生態(tài)學(xué)意義詳見文獻(xiàn)[11-15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土地利用變化特征

表1所示為丹江胡村—商鎮(zhèn)斷面控制流域土地利用年際變化。控制流域總面積為2 308.35 km2，其中在1985—2000年期間，胡村斷面控制流域內(nèi)各種土地利用類型基本上沒有發(fā)生大的變化，土地利用保持穩(wěn)定。

在這16年中，麻街?jǐn)嗝婵刂屏饔騼?nèi)耕地和林地面積先減少后增加，耕地最終增加0.78%；而草地是先增加后減少，最終減少0.2%，其原因是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，需要更多的耕地來種植。南秦化斷面控制流域內(nèi)耕地面積持續(xù)增長，增長比例為0.54%；林地面積有所減少，減少比例為0.12%；草地面積持續(xù)減少，減少比例為0.42%。

1985—2000年期間南秦化斷面所在地區(qū)人口的持續(xù)增長使得耕地面積整體呈增加態(tài)勢， 而耕地面積的增加主要是通過林地和草地的轉(zhuǎn)變而得以實(shí)現(xiàn)。南秦賀斷面控制流域內(nèi)耕地面積最終僅增加0.04%；林地面積是先減少再增加，但最終減少0.01%；草地面積是先增加后減少，最終減少0.08 km2； 建筑用地增加近0.04 km2， 草地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄖ玫兀?而且建筑用地與耕地變化較為明顯。商鎮(zhèn)斷面控制流域內(nèi)耕地和建筑用地最終分別增加0.28%、 0.03%；林地和草地面積最終分別減少0.04%、 0.27%，原因是大量的人類活動(dòng)導(dǎo)致林草區(qū)域被破壞。

圖2所示為丹江胡村—商鎮(zhèn)斷面控制流域土地利用空間變化情況。 胡村斷面位于流域最上游， 分布有大面積山區(qū)， 當(dāng)?shù)鼐用穸嘁詣?wù)農(nóng)為主， 因而林地面積比例最大。 沿丹江干流向下游延伸， 人口密度及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平逐漸增加， 麻街?jǐn)嗝婵刂屏饔蛞殉霈F(xiàn)多處畜牧業(yè)用地， 并進(jìn)行了畜牧示范戶建設(shè)。 南秦化、 南秦賀斷面地區(qū)畜牧產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，對林地的破壞程度增大。商鎮(zhèn)斷面控制流域交通便利， 基礎(chǔ)設(shè)施齊全， 經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展勢頭迅猛， 工業(yè)、 畜牧業(yè)、 城鎮(zhèn)化等方面都較上游各斷面控制流域好?？梢钥闯?，林地占各斷面控制流域面積的比例在減小(由48.83%減小至31.49%)，說明隨著流域總面積的增加，林地漸漸從原來的優(yōu)勢景觀類型變成了現(xiàn)在的劣勢景觀，代替其地位的草地景觀類型占據(jù)的總面積比例從24.35%增加至41.73%。大、中、小城市往外擴(kuò)展和新農(nóng)村建設(shè)的實(shí)施也導(dǎo)致了建筑用地增加。各斷面控制流域從上游至下游方向耕地面積增加，主要原因是人口的增加使得糧食生產(chǎn)需求日益迫切，其比例的波動(dòng)性變化主要緣于流域總面積增長幅度與耕地面積增長幅度相互制約。

表1 丹江胡村—商鎮(zhèn)斷面控制流域土地利用年際變化

圖2 丹江胡村—商鎮(zhèn)斷面控制流域土地利用空間變化

2.2 景觀格局指數(shù)變化特征

2.2.1 各斷面的景觀級別指數(shù)變化

丹江胡村—商鎮(zhèn)斷面控制流域的景觀格局指數(shù)見表2。從表中可以看出，從上游到下游方向各斷面的NP指數(shù)依次增大，這與其各自控制斷面流域面積增加相符。 通過數(shù)據(jù)分析可知， PD指數(shù)越大， 景觀的破碎化程度以及空間異質(zhì)性程度就越高， 表2中PD數(shù)值從上游至下游方向呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢， 南秦化斷面控制流域PD值最大(0.948)，說明在南秦化斷面控制流域景觀類型破碎度較高，人為干擾較大； ED指數(shù)也以南秦化斷面最大(51.197)，表明其斑塊邊緣割裂度高， 連通性較差； ED值越小則景觀保存越完好，連通性越好，以商鎮(zhèn)斷面控制流域?yàn)樽詈谩?/p>

表2 丹江胡村—商鎮(zhèn)斷面控制流域的景觀格局指數(shù)

SHAPE-AM指數(shù)是度量景觀形狀的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)斑塊形狀在最大程度上緊湊類似正方形時(shí)，SHAPE-AM值為1；如果斑塊的形狀變得越來越復(fù)雜，SHAPE-AM指數(shù)值也會(huì)越來越大且不存在最大值。在表2中，SHAPE-AM數(shù)值從上游至下游方向呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，表明胡村—商鎮(zhèn)各斷面斑塊形狀不規(guī)則度增加，僅在商鎮(zhèn)斷面有微弱減小，分布規(guī)模越來越趨向復(fù)雜。

PAFRAC指數(shù)的存在主要是為了表達(dá)不同類型中景觀所呈現(xiàn)的聚集程度及延伸趨勢，高蔓延度值說明該類型下的景觀中存在某種優(yōu)勢明顯的拼塊類型且聚集程度較高，低蔓延度值則說明景觀的破碎程度高。PAFRAC呈現(xiàn)逐漸增加的態(tài)勢，這與SHAPE-AM所體現(xiàn)出的景觀類型特征一致。

SHDI指數(shù)主要反映景觀類型的數(shù)量以及它們所占據(jù)的比例，是斑塊的豐富度和面積分布均勻程度的綜合反映。表2中胡村—商鎮(zhèn)斷面的SHDI指數(shù)逐漸增大，說明隨著面積的增加，各斷面土地利用愈加豐富，景觀破碎度逐漸增加。

SHEI指數(shù)是SHDI指數(shù)除以給定景觀豐度下的最大可能多樣性[16]，其數(shù)值范圍為0～1。當(dāng)數(shù)值越接近于1時(shí)，表明景觀中各個(gè)類型的斑塊分布是較為均勻的，不存在優(yōu)勢斑塊。各斷面均勻度指數(shù)在波動(dòng)中降低的趨勢說明其景觀類型分布均勻度降低，與SHDI的變化趨勢一致。

AI指數(shù)能夠很好地反映出景觀中斑塊的聚集程度[12,15]，研究區(qū)域內(nèi)該數(shù)值與均勻度指數(shù)基本呈相反的規(guī)律，從總體上看，5個(gè)斷面從上游至下游方向相同斑塊類型連接度逐漸增加，各景觀類型的空間配置趨向集中。

斑塊間散布和分散程度對CONTAG指數(shù)有較為重要的影響。表2中CONTAG指數(shù)在各個(gè)斷面的變化趨勢是逐漸增大的，表明人類對綠洲景觀的開發(fā)、利用程度的加強(qiáng)，最終導(dǎo)致景觀多樣性、均一性的逐年降低。

2.2.2 不同景觀類型景觀指數(shù)分析

1)耕地景觀變化。丹江胡村—商鎮(zhèn)斷面控制流域不同景觀類型的景觀指數(shù)見表3。從表中可以看出，從流域上游至下游方向耕地景觀類型的PD指數(shù)以南秦化為最大(0.162)，說明其景觀破碎化程度最高，空間異質(zhì)性也最高；LPI、ED指數(shù)逐漸減小，同時(shí)整體大于其他景觀類型；LSI、AREA-AM、SHAPE-AM、PAFRAC、AI和SPLIT指數(shù)均呈增大趨勢，同時(shí)耕地LPI、ED和AREA-AM指數(shù)整體大于其他景觀類型，表明隨著流域控制面積的增大，從上游至下游方向耕地景觀類型形狀趨向復(fù)雜，人為干擾強(qiáng)度逐漸增加，破碎程度增加。

2)林地景觀變化。林地景觀的NP、LSI、PAFRAC和SPLIT指數(shù)逐漸增大，LPI、ED、SHAPE-AM和AI指數(shù)總體呈減小趨勢，僅ED指數(shù)在南秦賀斷面有微小增加，表明胡村—商鎮(zhèn)斷面林地景觀類型的斑塊形狀逐漸復(fù)雜，不規(guī)則度增加，人為活動(dòng)影響逐漸減小，但斑塊之間較為相鄰連通性較好。

3)草地景觀變化。草地景觀格局指數(shù)變化較為復(fù)雜，其中ED指數(shù)以南秦賀斷面控制流域最大，表明該控制流域內(nèi)景觀割裂度較高，連通性低；而NP、LSI、PAFRAC和AI指數(shù)以最靠下游方向的商鎮(zhèn)斷面控制流域最大，表明隨著控制面積的增大，草地景觀的斑塊表現(xiàn)聚集的趨勢，并且連通性逐漸增加；SPLIT指數(shù)以南秦化斷面控制流域最大(243.3)，表明在該小流域內(nèi)草地割裂程度較高，分布較為分散，景觀保存較差，連通性低。同時(shí)草地PD指數(shù)大于其他景觀類型，表明草地受人為干擾較大破碎度和空間異質(zhì)性最高。

4)水域景觀變化。 水域景觀的ED、LSI、AREA-AM和SHAPE-AM指數(shù)隨著控制流域面積的增大呈現(xiàn)增大的態(tài)勢， AI和SPLIT指數(shù)則減小， 說明該水域內(nèi)的景觀分布較為散亂， 且各個(gè)斑塊之間的聯(lián)系也很弱， 但從另一個(gè)側(cè)面說明了該水域存在擴(kuò)張現(xiàn)象。

5)居民建設(shè)用地景觀變化。建設(shè)用地景觀的PD、ED、LSI、AREA-AM、SHAPE-AM、PAFRAC和AI指數(shù)均表現(xiàn)出增大的趨勢，而SPLIT指數(shù)的波動(dòng)范圍卻減小了，這一現(xiàn)象表明建設(shè)用地景觀的聚集度增大，與此同時(shí)，其地形也變得更加復(fù)雜，相比其他景觀類型，其連接性與聚集程度也越來越高。

6)未利用土地的景觀變化。未利用土地僅在南秦賀、商鎮(zhèn)斷面控制流域出現(xiàn)，與其他景觀相比PD指數(shù)最小，SPLT指數(shù)最大，其他各項(xiàng)指數(shù)都相對較小，尤其AI指數(shù)均小于其他景觀類型，表明未利用土地受人類活動(dòng)影響較大，大斑塊逐漸破碎成小斑塊，斑塊更分散不穩(wěn)定性愈強(qiáng)。

表3 丹江胡村—商鎮(zhèn)斷面控制流域不同景觀類型的景觀指數(shù)

3 結(jié)論

本文中通過對丹江胡村—商鎮(zhèn)斷面控制流域土地利用及景觀格局的分析，初步得出以下結(jié)論：

1)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加使得研究區(qū)域從上游至下游方向流域整體表現(xiàn)出林地、草地景觀面積減少的趨勢，并逐漸向耕地景觀轉(zhuǎn)化。

2)丹江胡村—商鎮(zhèn)斷面控制流域的總面積為2 308.35 km2， 從上游到下游方向優(yōu)勢景觀類型漸漸從林地變?yōu)椴莸兀鼐坝^類型占總面積比例為波動(dòng)性變化；隨著社會(huì)的發(fā)展，大、中、小城市逐漸開始往外擴(kuò)展，國家實(shí)行新農(nóng)村建設(shè)都導(dǎo)致了建筑用地的增加。

3)在景觀級別上，胡村—商鎮(zhèn)各斷面斑塊形狀不規(guī)則度增加， 分布規(guī)模越來越趨向復(fù)雜。沿丹江上游至下游方向， 隨著控制流域面積各斷面土地利用愈加豐富， 人類對景觀的開發(fā)、利用程度不斷加強(qiáng)， 最終導(dǎo)致景觀破碎度逐漸增加， 景觀多樣性、 均一性隨之逐年降低，各景觀類型的空間配置趨向集中。

4)根據(jù)對類型級別的景觀格局指數(shù)的分析可以看出，從上游至下游方向，耕地、建筑用地景觀類型形狀趨向復(fù)雜，人為干擾強(qiáng)度逐漸增加，破碎程度增加；隨著封育措施不斷發(fā)揮作用，林地、草地景觀類型均表現(xiàn)出聚集的趨勢，且連通性逐漸增加；未利用土地受人類活動(dòng)影響較大，大斑塊逐漸破碎成小斑塊，斑塊不穩(wěn)定性增強(qiáng)。

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