丹江口水庫庫周景觀格局動態(tài)變化分析

秦鈺莉　文力　魏鵬飛　李權(quán)國　李學敏

摘要：運用ENVI5.0軟件對丹江口水庫區(qū)域1987年、1997年、2007年、2017年4個時期的遙感影像進行土地利用分類，通過景觀格局指數(shù)研究分析景觀格局的動態(tài)變化特征。研究結(jié)果表明：在研究期內(nèi)，受人類活動和政府政策影響，丹江口水庫庫周耕地面積波動幅度較大，裸地面積出現(xiàn)了大幅度下降，林草地、水域和建設(shè)用地面積增加;在經(jīng)濟建設(shè)和人類活動影響下，景觀的空間格局指數(shù)變化較明顯，丹江口水庫及周邊區(qū)域的整體景觀形狀趨于復雜化，各類土地利用類型的破碎化程度提高;政府政策和水庫蓄水是丹江口水庫庫周景觀格局變化的重要驅(qū)動力。

關(guān)鍵詞：景觀格局;景觀格局指數(shù);土地利用;驅(qū)動力;丹江口水庫

中圖分類號：P901

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j.issn. 1000- 1379.2019. 04.015

景觀是多個生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的不同地理區(qū)域或不同土地利用方式的鑲嵌體[1]，包括景觀要素的類型、數(shù)量、空間分布和配置[2-4]。景觀格局變化對生態(tài)環(huán)境有重要影響，通過景觀格局分析和運用景觀格局指數(shù)定量獲取景觀要素的空間分布特征，可以為進一步研究景觀功能和景觀格局動態(tài)變化提供基礎(chǔ)信息[5-6]。基于研究分析結(jié)果，在社會經(jīng)濟活動中對景觀格局分布進行優(yōu)化，預測景觀的變化趨勢，并制定景觀管理和保護措施[7-8]。

在生產(chǎn)活動和經(jīng)濟建設(shè)中，生態(tài)環(huán)境是可持續(xù)發(fā)展的保證，也是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，人類對自然資源長期過度開發(fā)和利用，生態(tài)環(huán)境問題日益嚴重，主要問題有森林和耕地面積減少、土地退化、環(huán)境污染等。丹江口水庫目前水位還未達到175 m，若水位達到175 m，則庫區(qū)水面面積增大，原來的村莊和田地被淹沒，土地覆被和景觀格局將發(fā)生很大變化。因此，有必要基于景觀生態(tài)學的相關(guān)理論，動態(tài)監(jiān)測丹江口水庫及周邊區(qū)域土地利用類型變化，探究在自然和人為驅(qū)動力影響下景觀格局的動態(tài)變化特征，研究和分析人地關(guān)系、地表植被數(shù)量和質(zhì)量變化等問題對景觀格局動態(tài)變化的影響，進而建立健康的庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，維持庫區(qū)生態(tài)平衡。

1 研究區(qū)概況

丹江口水庫庫區(qū)涉及河南和湖北兩省，位于漢江中上游。丹江口水庫分為漢江庫區(qū)和丹江庫區(qū)，南起丹江口市浪河鎮(zhèn)、武當鎮(zhèn)，東起丹江口市區(qū)，西至鄖縣，北到淅川縣。丹江口水庫水量豐富，水質(zhì)良好，是調(diào)水和引水工程的理想水源地。丹江口水庫具有養(yǎng)殖、發(fā)電、航運、防洪以及旅游等綜合效益。丹江口水庫庫周屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季受季風影響，高溫多雨;冬季高壓南下，受地形阻擋，到達丹江口水庫區(qū)域勢力削弱，溫和少雨。年平均降水量804.3 mm，年平均氣溫15.8℃。土壤以山地黃壤和黃褐土為主，也有少量紫色土發(fā)育，土壤較肥沃，土層厚度為20-40 cm。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造十分復雜，西北以山地為主，地勢高，坡度大;東南地勢比較平坦，主要由一些河谷平地組成。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

原始遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（ http：//www.gscloud. cn），從中選擇丹江口水庫及周邊地區(qū)1987年、1997年、2007年3期Landsat4- STM影像數(shù)據(jù)，以及2017年landsat8 0LI_TIRS影像數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)時相上以上半年5-6月為主，輔助數(shù)據(jù)為區(qū)域1：5萬地形圖及不同時期的統(tǒng)計年鑒等。

對各類數(shù)據(jù)資料進行預處理，建立影像解譯標準，制定野外實地調(diào)查路線，結(jié)合地形圖和GPS定位技術(shù)對丹江口水庫及周邊區(qū)域的土地利用類型和景觀特點進行采樣、記錄，確定其類型特征。在ENVI5.0軟件平臺上，根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果和谷歌地球衛(wèi)星影像地圖建立樣本區(qū)，結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》將丹江口水庫及周邊地區(qū)土地利用類型分為耕地、建設(shè)用地、林草地、水域和裸地5種，利用最大似然法[9]進行監(jiān)督分類，得到4個時期的土地利用類型，見圖1。

2.2 研究方法

景觀格局指數(shù)是能高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置的定量指標[1O-11]。景觀格局指數(shù)的選取原則是可以反映整個景觀水平或各類斑塊的變化，且相關(guān)性比較小，能夠表現(xiàn)景觀的組成和結(jié)構(gòu)。本研究主要從面積、聚集度、形狀和多樣性測量指標中選取了一些經(jīng)典且具有代表性的景觀格局指數(shù)。 景觀面積度量指標主要包括斑塊類型面積（CA）、斑塊類型比（PLAND）、景觀面積（TA）和最大斑塊指數(shù)（/P/）。CA值的大小影響著斑塊類型聚集地中的物種數(shù)量以及豐度[12].PLAND表示單個斑塊的面積在整個斑塊類型中所占的比例[13].TA是監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)是否穩(wěn)定的重要指標，/P/主要反映景觀水平上某一斑塊類型中最大斑塊面積占總面積的比例[14]。

景觀形狀指數(shù)是反映景觀生態(tài)功能和生態(tài)過程的重要指標，景觀形狀指數(shù)/S/[15]反映了景觀和斑塊形狀的分散和規(guī)則程度，值越大說明景觀形狀越復雜。以正方形為參照，景觀形狀指數(shù)/S/為

在景觀聚集與分散度測量指標中，選取蔓延度指數(shù)（CONTAG）[16]、聚集度指數(shù)（A/） [17]、散布與并列指數(shù)（/J/）[18]進行分析。蔓延度指數(shù)反映了景觀類型的聚集程度和延展程度，值越小，景觀破碎化程度越高：值越大，斑塊類型連通性越好。蔓延度指數(shù)為

3 結(jié)果與分析

3.1 4期景觀格局動態(tài)變化分析

由表1和圖2可以看出，耕地在丹江口水庫及周邊區(qū)域的景觀類型中占主導地位。耕地面積起伏大，1997年耕地面積比1987年增加了19 851. 13 hmm，2007年耕地面積比1997年增加了22 980.50 hrri2.2017年耕地面積比2007年減少了4 002.57 hmm，但耕地面積總體呈上升趨勢。耕地的斑塊類型比和最大斑塊指數(shù)總體呈上升趨勢，耕地占研究區(qū)面積的比重越來越大。1987年到2007年耕地的景觀形狀指數(shù)逐年減小，表明耕地相對集中且形狀規(guī)則.2007年到2017年耕地的景觀形狀指數(shù)增大，表明耕地趨于分散，形狀不規(guī)則。在研究時期內(nèi)，耕地的散布與并列指數(shù)變化幅度小，總體呈減小趨勢;聚集度指數(shù)呈增大趨勢，說明耕地的斑塊聚集程度越來越高。

林草地面積在1987-1997年增加了16 486.50hm2，1997-2007年增加了5 985. 21 hmm. 2007-2017年增加了2 472.51 hmm。結(jié)合圖2可以看出.1987-2007年林草地主要是從裸地轉(zhuǎn)化而來.2007-2017年林草地主要從耕地轉(zhuǎn)化而來。林草地的聚集程度在1987-2017年呈增大趨勢。受人類活動影響趨于聚集，林草地連貫性增強，形狀更為規(guī)則。林草地面積和耕地面積變化主要受退耕還林還草和農(nóng)民開墾荒地等影響。

1987-2017年裸地面積呈減少趨勢，1987-1997年面積減少了48 511.03 hmm ，1997-2007年面積減少了33 099.17 hmm ，2007-2017年面積減少了2 052.97hrr12。由圖1可以看出，裸地在1987-1997年分散于整個研究區(qū)域，面積比重大;2007年和2017年裸地面積占整個景觀面積的比值減小，裸地斑塊趨于集中且形狀更加規(guī)則。在經(jīng)濟建設(shè)過程中，通過對土地的開發(fā)利用，裸地面積減少，散布與并列指數(shù)與聚集度指數(shù)呈下降趨勢，連貫性變差。

水域面積在研究期內(nèi)呈遞增趨勢，1987-1997年面積增加了7 200.90 hmm，1997-2007年面積增加3 017.61 hmm. 2007-2017年面積增加了3 203. 73hmm。從1987年到2017年斑塊類型比和景觀形狀指數(shù)增大。聚集度指數(shù)趨于穩(wěn)定。丹江口水庫蓄水是水域面積增大的主要原因，與水域相鄰的景觀要素變少，連通性增強，但水域形狀卻在人類活動的影響下變得不規(guī)則。

1987-1997年建設(shè)用地面積增加了4 972. 50hm2 ，1997-2007年增加了1 115.85 hmm，2007-2017年面積減少了379.30 hm。建設(shè)用地面積持續(xù)增大，占研究區(qū)面積的比例越來越大。隨著城市化的發(fā)展，建設(shè)用地面積的需求越來越大。不合理的土地利用規(guī)劃，致使建設(shè)用地聚集程度提高但形狀越來越不規(guī)則。建設(shè)用地面積主要包括城鄉(xiāng)居民點、交通設(shè)施用地以及其他建設(shè)用地。城市用地主要分布在地勢較平坦的東南地區(qū)以及丹江口水庫庫區(qū)。鄉(xiāng)村用地相對較分散，分布于河谷平地或低山丘陵間。城市用地聚集程度高，形狀比較規(guī)則，鄉(xiāng)村用地受地形地勢影響，相對比較分散。

由表2可知.1987-1997年和1997-2007年最大斑塊指數(shù)分別上升了3.04%和8.53%，2007-2017年下降了0.12%.總體呈上升趨勢，表明最大斑塊景觀總面積比值不斷增大。隨著對土地的合理規(guī)劃和利用，景觀破碎度減小。景觀形狀指數(shù)在1987-1997年和2007-2017年分別上升了13.09和17.14，1997-2007年下降了22.94，呈波動上升趨勢，說明各類景觀趨于離散，且形狀越來越不規(guī)則。蔓延度指數(shù)在1987-1997年下降了5.19，在2007-2017年上升了3.95，先減小后增大，總體呈增大趨勢，說明相鄰的斑塊類型之間具有良好的連通性。散布與并列指數(shù)在1987-1997年上升了5.52，1997-2017年下降了11.19，總體呈減小趨勢，說明相鄰的斑塊類型變少且連通性增強。香農(nóng)多樣性指數(shù)在1987-1997年上升了0.14.表明各類土地利用類型的破碎化程度提高，受人類活動影響，土地利用類型越來越豐富;1997-2017年下降了0.25，土地利用類型減少。聚集度指數(shù)在1987-1997年下降了1.64，1997-2017年上升了6.90，總體呈增大趨勢，說明各類土地利用類型聚集程度提高。

3.2 景觀格局驅(qū)動力分析

在南水北調(diào)中線工程中，丹江口水庫是理想的水源地，也是我國中部的生態(tài)敏感地區(qū)。丹江口水庫及其周邊區(qū)域的土地利用方式和景觀格局變化影響著水庫水質(zhì)。自然因素和人文因素是景觀格局變化的重要驅(qū)動力。在短時期內(nèi)相較于人類活動等人文因素，自然因素對景觀格局的影響比較小，因此外界干擾對景觀格局變化起主導作用。

（1）研究區(qū)景觀格局變化主要是由人類活動和政府政策決定的。1987-1997年裸地大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱植莸?，主要原因是退耕還林政策的執(zhí)行以及對裸地進行植樹造林。因此，政策的實施是丹江口水庫及周邊區(qū)域景觀格局變化的根本原因。隨著人口的增長，人多地少的矛盾突顯，當?shù)鼐用裢ㄟ^砍伐森林和開墾荒地來提高耕地面積，林草地大部分轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀孛娣e增加。同時人們通過伐林增加收入，從而導致森林覆蓋率降低。2007-2017年為了保護水庫水質(zhì)，政府進行監(jiān)管，開始封山育林使得林草地面積有所增加，植被覆蓋率增大。由此可以看出，如今丹江口水庫中林地主要為次生林。隨著城市化的發(fā)展，在經(jīng)濟建設(shè)中裸地被開發(fā)利用，轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地，也有一部分建設(shè)用地從耕地轉(zhuǎn)變而來。

人類活動和丹江口水庫庫周的社會經(jīng)濟發(fā)展加速了景觀格局的變化，是重要的驅(qū)動力之一。社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長刺激了對土地資源利用與開發(fā)的需求，開始將其他用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。隨著政策的實施和經(jīng)濟水平的發(fā)展，丹江口水庫及其周邊區(qū)域景觀格局變化比較顯著。

（2）水庫蓄水是景觀格局變化的重要驅(qū)動力。丹江口大壩在2005年10月加高并開始蓄水，水域面積的增加淹沒了庫區(qū)周邊的耕地、裸地、建設(shè)用地和林草地，對丹江口水庫及周邊區(qū)域的景觀格局變化產(chǎn)生了重要影響，但并沒有破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）丹江口水庫及周邊區(qū)域小氣候的形成是研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境改變的重要原因之一。在丹江口水庫及其周圍存在地面熱容量的差異，大氣濕度提高，形成局部小氣候，裸露地區(qū)環(huán)境逐漸改善，水體和林草地面積增加，林草地更為茂盛。

4 結(jié)語

（1）根據(jù)4個時期研究區(qū)中高分辨率遙感影像獲取土地利用分類結(jié)果，結(jié)合景觀指標對丹江口水庫及周邊區(qū)域進行了景觀動態(tài)變化分析。從分析結(jié)果來看：在研究時期內(nèi)，耕地在丹江口水庫及周邊區(qū)域中占主導地位，斑塊類型比最大，面積變化顯著，形狀趨向不規(guī)則：建設(shè)用地面積和水域面積增大：裸地面積呈減少趨勢，連貫性變差;林草地調(diào)整頻繁，主要與耕地面積相互轉(zhuǎn)化，但形狀趨于規(guī)則化。

（2）借助景觀生態(tài)指標對丹江口水庫及其周邊區(qū)域景觀格局變化進行了定量分析，景觀的整體形狀趨于復雜化，不同土地利用類型面積變化大，景觀的空間格局指數(shù)變化較明顯，反映了當?shù)爻青l(xiāng)居民在丹江口水庫及周邊區(qū)域的活動強度大，尤其是農(nóng)村居民。蔓延度指數(shù)先減小后增大，總體呈增大趨勢，說明在人類活動中，相鄰的景觀要素具有良好的連通性。散布與并列指數(shù)總體呈減小趨勢，相鄰的景觀要素變少且連通性增強。香農(nóng)多樣性指數(shù)總體呈下降趨勢。在經(jīng)濟建設(shè)和城市化過程中，各類土地利用類型聚集程度提高。

（3）丹江口水庫及其周邊區(qū)域的景觀格局變化受自然因素和人文因素的共同影響。水庫蓄水、移民工程，以及人類社會經(jīng)濟活動是丹江口水庫及其周邊區(qū)域景觀格局變化的主要驅(qū)動力。在庫區(qū)未來生態(tài)景觀規(guī)劃和水土保持研究中，政府要結(jié)合丹江口水庫的特色資源加強政策引導。首先，根據(jù)地形地勢對地勢較高的西北地區(qū)發(fā)展無公害綠色農(nóng)業(yè)，水庫周邊種植耐水淹、生長周期短的農(nóng)作物，提高農(nóng)村土地生產(chǎn)力;其次，結(jié)合丹江口水庫自然和文化資源，發(fā)展旅游和養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè);最后，阻止當?shù)鼐用衩つ块_墾荒地和砍伐森林，合理規(guī)劃城市建設(shè)用地，保護生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1] 胡巍巍，王根緒，鄧偉，景觀格局與生態(tài)過程相互關(guān)系研究進展[J].地理科學進展，2008，27（1）：18-24.

[2] 李衛(wèi)鋒，王仰麟，彭建，等，深圳市景觀格局演變及其驅(qū)動因素分析[J].應用生態(tài)學報，2004，15（8）：1403-1410.

[3] 陳佑啟，楊鵬，國際上土地利用/土地覆蓋變化研究的新進展[J].經(jīng)濟地理，2001，21（1）：95-100.

[4] 馬克明，傅伯杰，北京東靈山地區(qū)景觀格局及破碎化評價[J].植物生態(tài)學報，2000，24（3）：320-326.

[5]MOSER D，ZECHMEISTER H G，PLUrIZAR C，et al.Land-scape Patch Shape Complexity as an Effective Measure for PlantSpecies Richness in Rural Landscapes[J].Landscape Ecology，2002，17（7）：657-669.

[6] 曹銀貴，王靜，劉正軍，等，三峽庫區(qū)近30年土地利用時空變化特征分析[J].測繪科學，2007，32（6）：167-170.

[7]LIU X P，ⅡX， CHEN Y M， et al.ANew Landscape Index forQuantifying Urban Expansion Using Multi-Temporal RemotelySensed Data[J]. Landscape Ecology， 2010， 25： 671-682.

[8]COSTANZA R.The Value of the Worid's Ecosystem Servicesand Nature CapitaI[J]. Nature， 1997， 387： 253-260.

[9] 崔文連，郭黎，劉善偉，等，基于高分辨率衛(wèi)星遙感影像的2003-2009年嶗山自然保護區(qū)景觀格局動態(tài)變化分析[J].激光生物學報，2014，23（6）：614-619.

[10] 崔曉偉，張磊，朱亮，等，三峽庫區(qū)開縣蓄水前后景觀格局變化特征[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（4）：227-234.

[11] 艾克拜爾·買提尼牙孜，阿里木江·卡斯木，博斯騰湖濕地景觀格局動態(tài)變化及其驅(qū)動機制分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，26（ 12）：161-166.

[12] 胡玉福，鄧良基，張世熔，等，基于RS和CIS的西昌市土地利用及景觀格局變化[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（ 10）：322-327.

[13] 韓海輝，楊太保，王藝霖，近30年青海貴南縣土地利用與景觀格局變化[J].地理科學進展，2009，28（2）：207-215.

[14]頡耀文，袁春霞，史建堯，近15年甘肅民勤湖區(qū)景觀格局動態(tài)變化分析[J].蘭州大學學報（自然科學版），2008，44（1）：11-16.

[15] 殷格蘭，邵景安，郭躍，等，南水北調(diào)中線核心區(qū)土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境響應研究[J].地球信息科學學報，2017，19（1）：59-69.

[16] 王麗群，張志強，李格，等，北京邊緣地區(qū)景觀格局變化及對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響評價：以牛欄山馬坡鎮(zhèn)為例[J].生態(tài)學報，2018，38（3）：1-10.

[17] 趙陽，余新曉，賈劍波，等，紅門川流域土地利用景觀動態(tài)演變及驅(qū)動力分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（9）： 239-248.

[18] 馮舒，湯茜，丁圣彥，農(nóng)業(yè)景觀農(nóng)地和非農(nóng)綠地斑塊屬性特征及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究：以河南省封丘縣為例[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2015，23（6）：733-740.

[19] 陽文銳，北京城市景觀格局時空變化及驅(qū)動力[J].生態(tài)學報，2015，35（13）：4357-4366.

[20] 范強，楊俊，吳楠，等，海岸旅游小鎮(zhèn)景觀格局演變與動態(tài)模擬：以大連市金石灘國家旅游度假區(qū)為例[J].地理科學，2013，33（12）：1467-1475.

[21] 吳健生，王政，張理卿，等，景觀格局變化驅(qū)動力研究進展[J].地理科學進展，2012，31（ 12）：1739-1746.

[22]竇鵬，陳洋波，張濤，等，基于Landsat ETM+影像的增強型裸地指數(shù)研究[J].地理與地理信息科學，2017，33 （2）：25-31.

【責任編輯呂艷梅】