撫河中上游流域景觀格局演變研究

朱亞楠，李滿根，胡寶群，翟宏宇

(東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

近30多年來，中國城市化進(jìn)程不斷加快，城鎮(zhèn)化率由1979年的17.92%上升到2014年的53.73%，增長近2倍。人口的增加和城市的擴張使得景觀格局越來越復(fù)雜，生態(tài)過程及功能受格局的影響也不斷發(fā)生變化，表現(xiàn)為景觀受到強烈的分割與轉(zhuǎn)化，引發(fā)了高敏感性、脆弱性和頻發(fā)性的生態(tài)環(huán)境問題[1-6]。景觀格局及其變化是區(qū)域生態(tài)環(huán)境在自然因素和人類活動相互作用下的綜合反映,同時景觀結(jié)構(gòu)的變化又影響著區(qū)域的生態(tài)過程[2-4]。因此，研究景觀格局演變是探討生態(tài)狀況、空間變異規(guī)律以及與生態(tài)過程相關(guān)的區(qū)域資源環(huán)境問題的重要途徑[5]。

撫河流域生態(tài)本底良好，具備使撫州綠色崛起、跨越發(fā)展的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)。但隨著經(jīng)濟社會發(fā)展與人口的增長，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，撫河流域生態(tài)環(huán)境仍有惡化趨勢。本文以撫河流域中上游為研究區(qū)，借助2001年、2009年、2017年3期的遙感影像，采用景觀格局指數(shù)分析法，分析了撫河流域中上游景觀格局的時空變化特征，為流域資源合理開發(fā)利用與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

撫河流域地處江西省東南部，屬于鄱陽湖水系，是江西省第二大河流。撫河干流河長約344 km，流域面積16493 km2。撫河中上游(撫州境內(nèi))長301.4 km，面積15608.81 km2，占全市面積的82.95%，屬低山丘陵區(qū)，流域地勢自東南向西北傾斜(圖1)。撫河流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，雨量充沛，全流域多年平均降水量為1720 mm，多年平均蒸發(fā)量為1100 mm，流域內(nèi)各地區(qū)平均氣溫在17.4～18.3 ℃之間；流域以紅壤為主，沿河兩岸分布沖積土，為農(nóng)作物主要產(chǎn)地。

圖1 撫河中上游位置示意圖

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)的來源與處理

本研究選取了2001年、2009年、2016年3期Landsat TM/OLI影像。運用ENVI 5.1軟件進(jìn)行大氣校正、鑲嵌裁剪、圖像增強等預(yù)處理，結(jié)合Google Earth影像，采用監(jiān)督分類及人工目視解譯方法，得到3期景觀類型圖。具體參照2017年全國土地利用分類系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010─2017)及景觀類型分類原則，分為林地、農(nóng)用地(包括耕地和園地)、建設(shè)用地、水域、灘地、草地及其他用地7類。

2.2 景觀結(jié)構(gòu)變化分析

在ArcGIS中構(gòu)建3期景觀類型圖的轉(zhuǎn)移矩陣，分析研究時段內(nèi)各類型的轉(zhuǎn)移變化情況，具體刻畫景觀類型的構(gòu)成變化特征及研究期初、期末各類型的流向[6-7]。轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)形式如式(1)：

(1)

其中，S代表面積，n代表景觀類型個數(shù)，i、j分別代表研究期初、研究期末的景觀類型，Sij表示i地類轉(zhuǎn)向j地類的變化面積。

2.3 景觀格局變化的分析

景觀格局的研究主要集中于空間異質(zhì)性和時間異質(zhì)性2個方面[8-9],包括景觀結(jié)構(gòu)在空間分布的復(fù)雜性、景觀結(jié)構(gòu)在不同時段的差異性[10]。景觀指數(shù)是定量分析景觀格局的常用方法，能夠高度濃縮景觀格局信息，反映景觀結(jié)構(gòu)的組成和空間配置等方面特征[11-12]。本文結(jié)合撫河流域中上游的實際情況及各景觀指數(shù)的實際意義，從斑塊類型水平和景觀水平2個方面，選取了8個指標(biāo)(表1)，在Fragstats 4.2軟件中計算景觀格局指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀總體構(gòu)成的動態(tài)變化

運用GIS軟件統(tǒng)計3期遙感影像分類結(jié)果，分析撫河中上游流域3個時期的景觀類型數(shù)量特征。從表2可知，撫河中上游流域在2001～2017年間，景觀類型以林地和農(nóng)用地景觀為主，水域及建設(shè)用地景觀次之，草地、灘地及其他用地景觀占比極少，研究期內(nèi)的3種景觀共占比約為1%。研究期內(nèi)，建設(shè)用地景觀面積持續(xù)增加，2001～2017年增加了34492.5 hm2，增長幅度為99.49%；農(nóng)用地、林地和水域面積持續(xù)減少，16年間分別減少了3.00%、1.62%和21.62%；草地、灘地景觀面積呈先減少后增加的趨勢，但研究期內(nèi)總體仍呈減少趨勢；撫河流域中上游的其他用地景觀面積持續(xù)增加，2001～2009年變化較大，為115.90%；2009～2017年增幅稍微減小，為84.99%，主要是其他用地景觀中包含將轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的裸露土地，所以隨著城市化進(jìn)程的加快，其面積也相應(yīng)增多，與建設(shè)用地景觀變化趨勢基本一致。

表1 景觀格局指數(shù)

表2 撫河流域中上游2001～2017年的景觀變化

3.2 景觀類型的轉(zhuǎn)移特征

景觀類型的動態(tài)變化除了其數(shù)量特征，還可以從各景觀類型間的轉(zhuǎn)化上體現(xiàn)。通過構(gòu)建撫河中上游景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣，分析各景觀類型的轉(zhuǎn)移方向(表3)。撫河中上游景觀類型的轉(zhuǎn)化主要是農(nóng)用地和建設(shè)用地、林地和建設(shè)用地、農(nóng)用地和林地之間的相互轉(zhuǎn)化，以農(nóng)用地和林地轉(zhuǎn)出，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入為主要特征。2001～2009年農(nóng)用地、林地面積減少，農(nóng)用地主要轉(zhuǎn)向林地和建設(shè)用地，分別轉(zhuǎn)化了68107.05、23166 hm2；林地主要轉(zhuǎn)向農(nóng)用地和建設(shè)用地，分別轉(zhuǎn)化了9683.93、6865.65 hm2；2001～2009年建設(shè)用地面積大幅增加，建設(shè)用地的增加主要由農(nóng)用地轉(zhuǎn)化而來，部分來自林地和水域。2009～2017年農(nóng)用地、林地及水域面積持續(xù)減少，農(nóng)用地的面積減少幅度有所下降，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，但增長幅度有所減緩。2009～2017年農(nóng)用地、林地、建設(shè)用地的主要轉(zhuǎn)變方向基本不變，但是林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的面積增加，農(nóng)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積減少。

3.3 景觀格局的變化特征

3.3.1 斑塊類型水平的景觀格局變化 2001～2017年撫河中上游流域農(nóng)用地和其他用地2種景觀類型的NP指數(shù)呈增加趨勢，林地、草地、建設(shè)用地和灘地的NP指數(shù)呈“先減后增”的趨勢(圖2)。研究期內(nèi)，撫河中上游林地的LPI指數(shù)始終處于較高水平，且遠(yuǎn)超過其他景觀類型(圖3)，且林地景觀的面積占研究區(qū)總面積70%以上，表明林地景觀是撫河中上游的優(yōu)勢景觀類型；農(nóng)用地景觀的LPI指數(shù)相對較高，建設(shè)用地、草地、水域、灘地及其他用地景觀的LPI指數(shù)均較小(圖3)。2001～2017年間林地景觀和農(nóng)用地景觀的LPI指數(shù)持續(xù)降低，但林地的變化幅度不大，而農(nóng)用地的變化相對劇烈，表明撫河中上游區(qū)域林地景觀一直保持優(yōu)勢，農(nóng)用地景觀的地位稍有降低；建設(shè)用地景觀的LPI指數(shù)不斷增大，且變化劇烈，表明建設(shè)用地的優(yōu)勢度不斷增長，建設(shè)用地景觀中大的斑塊面積不斷增加；草地、灘地及其他用地景觀的LPI指數(shù)在2個研究階段均呈增加趨勢，但變化不明顯。

圖2 2001～2017年NP指數(shù)的變化

從圖4可知，2001～2017年間，林地、農(nóng)用地、水域的COHESION一直處于較高水平，且研究期內(nèi)變化幅度不大，表明這3種景觀的斑塊的破碎化程度較小，且聚集程度較大；建設(shè)用地景觀的COHESION指數(shù)呈增加態(tài)勢，2001～2009年變化劇烈，2009年后變化幅度減小，表明建設(shè)用地景觀集聚程度增加，建設(shè)用地的空間上趨于集中分布；草地、灘地、其他用地的COHESION指數(shù)呈先增后減趨勢，草地、灘地景觀的變化不明顯，研究期內(nèi)集聚程度相對平穩(wěn)；而其他用地景觀2001～2009年的COHESION指數(shù)明顯增加至較高水平，2009年后稍有下降，表明其他用地景觀的集聚程度由2001年的較低水平明顯提高后趨于平穩(wěn)發(fā)展，同時反映了其他用地景觀中因建設(shè)規(guī)劃而轉(zhuǎn)為裸露地表的景觀集聚程度較高。

表3 撫河中上游2001～2017年景觀類型的轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

圖3 2001～2017年LPI指數(shù)的變化

3.3.2 景觀水平格局變化 研究區(qū)2001～2017年的PD指數(shù)呈先減后增趨勢，但總體降低，CONTAG、AI指數(shù)不斷降低(表4)，說明研究區(qū)的景觀破碎化程度有所增長，景觀的空間連接性減弱，景觀斑塊的聚集程度降低，大斑塊數(shù)量有所減少；SHDI指數(shù)呈不斷增長態(tài)勢，說明撫河中上游區(qū)域景觀異質(zhì)性增大，景觀類型不斷豐富，景觀趨向于復(fù)雜化；SHEI指數(shù)相對較小，但不斷增加，說明撫河中上游流域景觀仍受優(yōu)勢種林地所支配，但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，各景觀類型在研究區(qū)內(nèi)逐漸趨向于均衡發(fā)展。

4 結(jié)論

本文以2001、2009、2017年撫河中上游地區(qū)TM和OLI遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)解譯其景觀類型，研究了撫河中上游地區(qū)景觀類型變化及各景觀類型轉(zhuǎn)移特點，然后運用景觀格局指數(shù)，分析了研究區(qū)景觀格局變化特征。結(jié)果如下。

圖4 2001～2017年COHESION指數(shù)的變化

年份PDCONTAGSHDIAISHEI200117.832669.53230.794889.36530.4084200916.165768.69070.819488.76590.4211201717.351167.52710.844388.13360.4339

(1)從景觀總體構(gòu)成變化來看，林地和農(nóng)用地是撫河中上游流域的主要景觀類型，水域及建設(shè)用地景觀次之，2001～2017年間，撫河流域中上游的建設(shè)用地景觀和其他用地景觀面積呈增加趨勢，林地、農(nóng)用地和水域景觀面積持續(xù)減少，草地、灘地景觀面積雖呈先減少后增加的趨勢，但整個研究期內(nèi)面積是減少的。

(2)從景觀轉(zhuǎn)移動態(tài)變化來看，撫河中上游景觀的轉(zhuǎn)化主要是農(nóng)用地和建設(shè)用地、林地和建設(shè)用地、農(nóng)用地和林地之間的相互轉(zhuǎn)化，以農(nóng)用地和林地的轉(zhuǎn)出，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入為主要特征。

(3)從景觀格局動態(tài)變化來看，斑塊類型水平上，林地景觀始終是撫河中上游流域的優(yōu)勢景觀，農(nóng)用地次之，且分布較為集中，但農(nóng)用地景觀的地位稍有降低；建設(shè)用地景觀優(yōu)勢度不斷增長且趨于集中分布。在景觀水平上，撫河中上游流域景觀破碎化程度增加，連通性降低，異質(zhì)性增大，景觀類型不斷豐富，且研究區(qū)內(nèi)各景觀趨于均衡化發(fā)展。