贛江上游太平江流域景觀格局演變及驅(qū)動因素分析

邊曉輝， 劉友存， 王杰， 崔玉環(huán)， 劉燕， 丁倩倩

（1.江西理工大學，a.建筑與測繪工程學院；b.資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；2.安徽大學資源與環(huán)境工程學院，合肥230601；3.安徽農(nóng)業(yè)大學理學院，合肥 230036）

0 引 言

景觀格局的演變是一個結合了綜合性與復雜性，及其不確定因素的變化過程，因此景觀格局的變化分析研究成為景觀生態(tài)學中的核心問題[1]．景觀格局的變化又涉及自然、生物和人類因素的多重影響，不同環(huán)境下景觀類型的變化可反應出不同區(qū)域景觀的空間異質(zhì)性[2-5]．流域作為一個比較完整的地理生態(tài)圈，可以明確的反映出景觀格局變化的因素[6]．近年來，隨著RS和GIS技術的不斷完善，國內(nèi)外學者對于景觀格局的研究主要傾向于時間和空間上的動態(tài)變化，以及驅(qū)動因素的響應，并且是以城市和流域的研究為主[7-10]．劉英等[11]利用五期遙感影像從土地利用動態(tài)度和景觀格局指數(shù)方面對紅堿淖地區(qū)做了研究；魏偉等[12]利用四期影像從景觀類型和景觀水平指數(shù)的角度研究了石羊河流域的景觀格局時空演變；任嘉衍等[13]主要利用景觀指數(shù)和驅(qū)動因素的結合對伊河流域的景觀格局變化進行研究．在景觀格局和土地利用變化中大多學者都是從時空的動態(tài)變化、景觀格局指數(shù)以及驅(qū)動因素之間的相互結合進行研究與分析．

贛江上游太平江流域既屬于我國南方重要地理生態(tài)屏障區(qū)域，也是國家重點生態(tài)保護區(qū)，對其景觀格局時空變化的研究不僅有助于掌握區(qū)域土地覆被的動態(tài)變化，還可以為當?shù)氐纳鷳B(tài)改善提供數(shù)據(jù)支撐．張少偉[14]對贛南地區(qū)的土地利用變化從時間和坡度方面做了分析，李恒凱等[15]對贛南紅土壤地區(qū)的植被覆蓋度從時間上和地貌特征上做了研究．未有學者從流域的尺度和生態(tài)學的角度來分析該區(qū)域的景觀格局動態(tài)變化與驅(qū)動因素．因此，本文選取了贛江上游典型的小流域-太平江流域為研究對象，運用過去20年的遙感影像數(shù)據(jù)，從景觀格局的動態(tài)度、開發(fā)度、景觀類型指數(shù)和景觀水平指數(shù)的變化特征，以自然和經(jīng)濟作為驅(qū)動因素進行分析．以期為典型流域的景觀格局變化研究提供技術支持，為研究區(qū)的合理開發(fā)利用提供可靠的科學依據(jù)．

1 研究區(qū)域概況

太平江發(fā)源于江西省贛州市龍南縣南嶺北坡，不僅是桃江的一級支流，而且是贛江最重要的源頭之一(如圖1所示)．流域主要位于贛州市龍南縣境內(nèi)， 介于 114°28'E-114°43'E，24°31'N-24°48'N 之間，流域總面積為 437．5 km2，海拔介于 236～869 m之間，屬于典型亞熱帶濕潤季風氣候；年均降水量1676 mm，主要集中于4—6月份和11—12月份．研究區(qū)屬于山地丘陵地帶，主要以林地為主，占流域面積的63%，集中于人類活動較少的高海拔地區(qū)．此外，居住區(qū)域相對集中，生態(tài)環(huán)境良好，水資源豐富．

圖1 贛江上游太平江流域

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

文中的資料主要來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）下載的遙感影像和DEM數(shù)據(jù)，及實地勘察的相關數(shù)據(jù).主要的遙感數(shù)據(jù)有1995年12月07日、2005年11月23日的Landsat5 TM影像和2015年10月18日的Landsat8 OLI影像，而選擇的影像數(shù)據(jù)云量分別為0.03、0.15和 0.03.DEM數(shù)據(jù)來源于ASTER-GDEMDEM30m，贛州市各縣級行政矢量邊界下載于Google Earth.基于Arcgis10.2對DEM數(shù)據(jù)進行水文分析，首先根據(jù)實地采集的GPS點位坐標對研究區(qū)域進行精確定位；其次，根據(jù)河網(wǎng)分布提取研究區(qū)域大致范圍；而后，經(jīng)盆域分析形成匯水面后進行柵格轉面，從而獲得研究區(qū)域的矢量邊界.再運用ENVI5.3對研究區(qū)域不同時期的Landsat TM和OLI30m分辨率的遙感影像進行解譯.圖像解譯過程主要包括波段合成、輻射定標、大氣校正、圖像裁剪、監(jiān)督分類和分類后圖像的預處理.在進行監(jiān)督分類時采用最大似然值分類方法，其優(yōu)勢在于可將主像元周邊的像元歸為同一類，可減少分類的誤差.圖像裁剪是利用Arcgis提取的矢量邊界在ENVI中進行裁剪，并得到研究區(qū)的影像.監(jiān)督分類是根據(jù)實地勘察結果以及Google Earth地形圖的綜合使用，借助專家分類情況將研究區(qū)域的景觀類型主要分為6大類，即林地、草地、耕地、水域、建設用地和其它用地（裸地和未利用土地）[16-18].

三期影像的分類結果如圖2所示,本次三期影像的總體分類精度分別為：1995年94.81%，2005年95.04%和 2015年 92.54%；Kappa系數(shù)為 0.94，0.93和0.9，分類精度符合景觀格局的動態(tài)變化分析[19-20].將分類后數(shù)據(jù)在Arcgis10.2進行格式轉換，然后導入Fragstat3.3軟件進行景觀格局指數(shù)的運算.

圖2 1995—2015年太平江流域景觀類型分布

2.2 景觀格局動態(tài)變化

景觀格局變化率、動態(tài)度和開發(fā)度既可用來描述景觀類型的變化情況，也能預測未來一段時期內(nèi)景觀格局的變化趨勢[21-26].而景觀格局變化率是分析某種景觀類型的變化速率，景觀格局動態(tài)度可用來定量描述景觀格局變化的速度，景觀格局的開發(fā)度可宏觀的體現(xiàn)某種景觀類型開發(fā)的具體速率.三者對于景觀類型的變化研究都具有一定的積極作用.

其中單一景觀類型的數(shù)量變化計算公式如下：

式（1）中：K表示某一種景觀類型變化率，當T為年計算時，則K用來表示景觀格局的年變化率.Ua和Ub代表任意景觀類型研究初期和末期的景觀類型面積.T作為時間序列，在本文中特指年的時間單位.

區(qū)域綜合景觀格局變化速度的計算公式如下：

式（2）中：LU表示景觀格局動態(tài)度（LU的取值范圍參考劉紀遠等對中國土地利用動態(tài)特征劃分為4個區(qū)間[27]：緩慢變化（0～3%）；慢速變化（4%～12%）；快速變化(13%～24%)；急速變化(21%～25%），ΔLUi-j表示i種景觀類型初期到末期轉換為其它景觀類型的面積總和，LUi表示研究初期第i種景觀類型的面積總和.

單一景觀類型的開發(fā)度公式如下：

式（3）中：LUD表示景觀類型的開發(fā)度，Dab為某種景觀類型研究初期至末期新開發(fā)的景觀類型面積.

2.3 景觀類型指數(shù)

景觀格局的定量分析主要是通過景觀的組成和結構來體現(xiàn)，有助于了解景觀的空間異質(zhì)性.而景觀類型指數(shù)就是具體的反映不同景觀類型之間的特征.主要選取了多個景觀指標，其中包括類型水平指數(shù)中的：斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）和斑塊類型面積百分比（PLAND）,景觀水平指數(shù)有：斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、香濃多樣性指數(shù)（SHDI）和香濃均勻度指數(shù)（SHEI）等指數(shù)[28-30].各景觀指數(shù)的計算公式及其公式涵義如表1.

表1 景觀指數(shù)計算公式

3 結果與分析

3.1 景觀格局動態(tài)變化分析

3.1.1 景觀類型整體變化與轉移分析

轉移矩陣可以從客觀上反映出景觀類型精確的轉換情況.1995—2005年贛江上游太平江流域的景觀類型轉移如表2所示.這段時間內(nèi)，僅有林地的面積增加47.16 km2，其余景觀類型的面積都處于減少趨勢，減少較多是草地和耕地，分別為25.27 km2和18.22 km2.林地面積增加主要是55.71 km2的草地和7.77 km2的耕地轉換而來.

表3為2005—2015年的景觀類型轉移矩陣，這十年中景觀類型的面積處于增長的是林地和建設用地，增加面積分別為20.49 km2和16.07 km2.林地的面積增加主要由39.01 km2的草地轉換而來，建設用地增長的面積主要是5.32 km2的草地和7.51 km2的耕地轉換所得.

總體來看，這20年中，林地面積一直處于增長趨勢，是研究區(qū)域的主要景觀類型，2015年占流域總面積的67%，從1995年的224.2 km2增加到2015年291.85 km2，增加15%.草地一直處于較少狀態(tài)，從1995年的占地面積29%減少至2015年的20%.水域和其它用地在該區(qū)域地面積較小，其年際變化也不顯著.建設用地由2005年的0.5%增加至2015年的4%，是該區(qū)域變化最為顯著的景觀類型.

3.1.2 景觀格局變化速度分析

景觀類型的變化率和開發(fā)度用來描述單一景觀類型的年際變化情況，景觀格局動態(tài)度用來反映景觀格局整體變化情況.太平江流域近20年景觀格局的速度變化如表4所示.1995—2005年單一景觀類型變化率最大值為水域和其它用地，都是-3.1%，對應的景觀類型開發(fā)度也為該時期的最大值，分別為3.7%和5.9%.建設用地的變化率-1.75%為最小，開發(fā)度為2.3%.2005—2015年，變化率最為顯著的是建設用地82.4%，對應的開發(fā)度也為最大值82.9%，同時，變化率最小的林地0.1%，開發(fā)度也是最小值1.6%.水域和其它用地的變化率有所上升，分別為-4.4%和-5%，開發(fā)度為2.7%和4.3%.這兩個時間段的綜合景觀格局動態(tài)度分別為2%和1.9%，屬于緩慢變化型，主要是該區(qū)域的人類活動強度減弱導致該區(qū)域的景觀動態(tài)度有所減少，景觀類型偏向單一化.

表2 1995—2005年太平江流域景觀類型面積轉移矩陣/km2

表3 2005—2015年太平江流域景觀類型面積轉移矩陣/km2

表4 1995—2015年太平江流域景觀類型變化速率

3.2 景觀格局指數(shù)分析

3．2．1 景觀類型指數(shù)分析

1995—2015年太平江流域的景觀類型指數(shù)如表5所示，林地斑塊數(shù)量由1995年的1517減少到2015年的1133個，斑塊類型面積百分比逐漸增長，斑塊密度逐步縮減，最大斑塊指數(shù)自2005年后趨于平穩(wěn)，斑塊形狀指數(shù)下降，說明該區(qū)域的自然與人為因素的破壞系數(shù)降低，對于森林生態(tài)系統(tǒng)修復及時有效[31-32]．草地的斑塊數(shù)量、斑塊密度逐步上升，斑塊類型面積百分比、斑塊形狀指數(shù)逐漸下降，最大斑塊指數(shù)先增后減，主要原因是草地面積急劇減少導致．水域和其它用地的斑塊數(shù)量、斑塊類型面積百分比和最大斑塊指數(shù)都出現(xiàn)逐漸減少趨勢．耕地的斑塊數(shù)量、斑塊類型面積百分比、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)均先減后增，只有最大斑塊指數(shù)逐漸較小．建設用地的斑塊數(shù)量、斑塊類型面積百分比、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)和最大斑塊指數(shù)均逐漸上升．該流域景觀類型的變化趨勢主要由林地和建設用地擴張使得草地和耕地破碎化程度加?。?/p>

表5 1995—2015年太平江流域景觀類型指數(shù)

3．2．2 景觀水平指數(shù)分析

1995—2005年太平江流域的景觀水平指數(shù)如表6所示，1995—2005年中景觀格局的斑塊數(shù)目、斑塊密度和斑塊形狀指數(shù)明顯降低，這一原因主要是由于1999年以來退耕還林政策的實施，使得最主要的景觀類型林地面積迅速增加，破碎化的景觀類型有所回升．2005—2015年期間，景觀斑塊數(shù)目、斑塊密度和斑塊形狀指數(shù)有所回升，這主要是城鄉(xiāng)建設使得建設用地的急劇增加以及林地面積的穩(wěn)定增長導致．20年中最大斑塊指數(shù)未發(fā)生變化，香濃多樣性指數(shù)和香濃均勻度指數(shù)都趨于下降的趨勢，多樣性指數(shù)僅大于1，均勻度指數(shù)小于0．7，說明景觀格局的多樣性比較簡單，景觀類型的均勻性不平衡，主要是因為林地面積占據(jù)所有景觀類型的比重過大，使得該區(qū)域景觀類型單一化比較嚴重．

表6 1995—2015年太平江流域整體景觀水平指數(shù)

4 景觀格局變化驅(qū)動因素分析

4.1 自然因素分析

太平江流域地形處于平原與山地的過渡區(qū)，屬于低緩丘陵地帶，并且降雨充足，氣候適宜．它位于龍南縣最南部，其地形顯示出西南高，中部以及東北區(qū)域地勢偏低，所以導致人類活動集中于中部平緩區(qū)域，林業(yè)用地基本在坡度7%～11%之間，位于地勢較高區(qū)域和平原與丘陵過渡區(qū)，海拔在360～900 m之間．草場大部分集中在坡度為4%～6%之間，主要集中在人類活動區(qū)域與林地之間．而人類活動大多集中于地勢平坦地帶，致使建設用地基本都位于河流的兩側以及中部平緩地帶海拔高度都集中于300～360 m之間．人類生活的集中化減少了人為因素對于環(huán)境的破壞程度，使得該地區(qū)的林地大量恢復．在這樣的自然地理環(huán)境下，地形地貌很大程度上決定了人類活動的大致去向，也直接影響著某些景觀類型的變化．總之，自然因素對于該流域景觀格局的結構和組成有一定的約束性作用[31-33]．

4.2 社會經(jīng)濟因素分析

由龍南縣部分年鑒記載和實地勘察資料整理得出[34]，龍南縣GDP和建設用地與耕地面積變化的趨勢如圖3所示．自1995年以來，太平江流域的耕地面積逐年縮減，建設用地面積在2005—2015年這10年期間增長迅速，GDP也是逐年上升．隨著研究區(qū)域人口城鎮(zhèn)化的發(fā)展和國民經(jīng)濟的不斷上升，人民生活水平大幅度提高．大多數(shù)人口向城鎮(zhèn)轉移，導致農(nóng)村人口基數(shù)減小，對于農(nóng)業(yè)用地的使用減弱，由于生活質(zhì)量的優(yōu)越，人們的農(nóng)業(yè)耕作意識淡化，外加鄉(xiāng)鎮(zhèn)周邊農(nóng)業(yè)用地大部分被建設用地所替代，這也是影響耕地面積直接下滑的主要因素．但這也為林業(yè)的發(fā)展給予了一定的幫助，使得研究區(qū)域的林地面積擴長，保證了2015年森林覆蓋率達到67%．因此，國民經(jīng)濟的增長是影響太平江流域整體景觀格局變化的主要驅(qū)動因素[35]．

圖3 GDP變化與太平江流域景觀類型的變化趨勢

5 結 論

1）從景觀動態(tài)變化來看，1995—2005年林地面積增加增幅最大，主要由草地和耕地轉換而來，除林地以外，其余景觀類型面積都處于減少狀態(tài)，水域和其它用地景觀類型動態(tài)度和開發(fā)度出現(xiàn)峰值．2005—2015年景觀類型面積增長的有林地和建設用地，建設用地主要由耕地轉換而來，景觀類型動態(tài)度和開發(fā)度均高于80%．由于水域和其它用地面積較小，在整個景觀動態(tài)變化上較為敏感．

2）從景觀指數(shù)方面來看，因為林地占地面積比重較大，斑塊連通性較強，斑塊數(shù)量逐漸減小，成為優(yōu)勢景觀類型，直接決定著整個景觀分布的趨勢．研究區(qū)域的草地、耕地和建設用地的斑塊數(shù)量和斑塊密度增加，說明局部區(qū)域的破碎化程度提高．景觀多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)分別減小，主要是小范圍的復雜化和均勻化很難決定整體景觀格局．從景觀格局變化的驅(qū)動因素來看，研究區(qū)域的景觀類型主要受自然因素地形的約束，但經(jīng)濟的快速增長是影響整個景觀格局變化的主要因素．