GIS支持下的三峽庫區典型流域景觀格局分析
——以重慶市萬州區五橋河流域為例

周夢佳,陳治諫,廖曉勇,方澤紅,王海明

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,四川成都610041;2.中國科學院研究生院,北京100039;3.四川省林業重點工程資金稽查辦公室,四川成都610081)

GIS支持下的三峽庫區典型流域景觀格局分析
——以重慶市萬州區五橋河流域為例

周夢佳1,2,陳治諫1,廖曉勇1,方澤紅3,王海明1

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,四川成都610041;2.中國科學院研究生院,北京100039;3.四川省林業重點工程資金稽查辦公室,四川成都610081)

在 GIS技術支持下,利用三峽庫區五橋河流域1992年和2004年土地利用圖,在土地利用圖基礎上編制景觀類型圖,建立景觀類型轉移矩陣,揭示各景觀類型相互轉化的方向及面積;運用景觀生態學基本原理,在GIS和景觀格局分析軟件的支持下,通過選取和計算景觀格局指數,分別從景觀和景觀類型兩水平對流域12年來的景觀格局變化進行定量研究。分析結果表明:研究區在12年間景觀類型主體沒有顯著變化,仍然以耕地和林地為主;除建設用地增加幅度和水田減少幅度較大外,其它景觀類型面積變化不大;景觀整體形狀復雜性增強,斑塊間離散度增大,景觀向著多樣化、均勻化發展。

三峽庫區;五橋河 ;景觀格局;GIS

Abstract:By using GIS,themap of landscape patterns has been charted based on the land use classification obtained in 1992 and 2004.The changes of landscape patterns in Wuqiaohe watershed from 1992 to 2004 have been analyzed using GIS and FRAGSTA TS.The results showed:1)there was no significant change of themain landscape pattern during the 12 years;2)the area of landscape patterns has little change except that the area of construction land increased greatly,and the area of paddy field decreased greatly;3)the shapeof landscape pattern wasmore irregular;the isolation index of landscape pattern strengthened,and both of the diversity and evenness increased.

Key words:Three Gorges Reservoir area;Wuqiaohe watershed;landscape patterns;GIS

隨著景觀生態學的發展,景觀格局及其動態變化研究已成為景觀生態學的研究熱點和重要研究領域。景觀指數是能夠高度濃縮景觀格局信息,反映其結構組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標[1]。用景觀指數描述景觀格局及變化,建立格局與景觀過程之間的聯系,是景觀生態學最常用的定量化研究方法[2]。流域作為一個完整的自然地理單元,其景觀格局的變化研究對流域資源管理、生態保護和可持續發展具有重要意義[3]。

重慶市萬州區地處三峽庫區腹心,是庫區淹沒損失最大、移民遷建任務最重的地區之一。五橋河流域是萬州區境內一條重要河流,屬長江一級支流,其土壤類型、土地利用方式和人口密度等在三峽庫區都具有一定代表性,因此該流域可作為三峽庫區的縮影。在GIS支持下,以三峽庫區五橋河流域為研究對象,建立景觀類型轉移矩陣,選取景觀指數分析了該區1992～2004年景觀格局的總體變化及單一景觀類型格局變化,并對其變化原因進行分析,以揭示近12年來五橋河流域景觀格局與自然生態過程和人類活動之間的關系。

1 研究區概況

五橋河流域地處東經 108°25′-108°35′,北緯 30°42′-30°48′,位于三峽庫區中部的重慶市萬州區,流域面積113.9 km2,主河長21.4 km①四川省萬縣農業區劃辦公室.四川省萬縣農業資源與區劃資料匯編(中篇)[M].四川省萬縣農業區劃辦公室,1987:136-137.。地勢東高西低,海拔121～946 m(來源于統計數據),地貌以丘陵、低山為主,出露紫色地層為侏羅系沙溪廟組和蓬萊鎮組,土壤類型主要為紫色土、水稻土、沖積土;氣候屬中亞熱帶季風氣候,年均溫14～19°C,年均降水量1 000～1 350 mm,年均日照時數1 300～1 600 h;地帶性森林植被為亞熱帶常綠闊葉林,原生植被破壞殆盡,現有植被以次生林被和灌叢草被為主。

2 數據來源及分析方法

2.1 數據來源及處理

研究的基礎數據來源于五橋河流域1992年和2004年 TM影像解譯獲得的土地利用矢量數據。在A rcGIS軟件中,賦予土地利用圖斑新的屬性(景觀類型),合并屬性一致的景觀類型,在 Spatial A-nalysis模塊的支持下,將流域景觀類型矢量數據轉換成柵格數據(格網分辨率為25m),制作流域景觀類型分布圖(圖1)。

圖1 1992年和2004年五橋河流域景觀類型分布

2.2 數據分析方法

運用A rcGIS軟件對1992年和2004年流域景觀類型分布圖進行疊加統計分析,建立1992～2004年景觀類型轉移矩陣;利用景觀生態學的理論和方法,運用景觀格局分析軟件FRAGSTA TS 3.3提取景觀指數,從景觀水平、景觀類型水平2個級別對流域進行景觀生態格局特征及其演變規律分析。在類型和景觀級別上選用了斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、最大斑塊指數(LPI)、形狀指數(LSI)、蔓延度指數(CON TAG)、聚集度(A I)、斑塊結合度指數(COHESION)、斑塊多度密度(PRD)、香農多樣性指數(SHD I)、香農均勻度指數(SHEI)、景觀分離度(DIV ISION)等多個指標[4-6],各指標的計算方法詳見FRAGSTATS 3.3使用說明書,所有公式都采用FRAGSTATS的表示方式。

3 結果與分析

3.1 景觀類型面積變化及轉移特征

3.1.1 景觀類型面積變化

研究區1992～2004年的景觀類型面積變化見表1。

表1 1992～2004年研究區景觀類型變化

從圖1和表1可以看出:五橋河流域主要景觀類型為有林地、灌木林、旱地和水田;在1992年,有林地、灌木林、旱地和水田分別占土地總面積的24.07%,23.28%,19.32%和 18.00%;在 2004 年 ,有林地、灌木林、旱地和水田分別占土地總面積23.92%,23.28%,20.13%和14.55%;12年間景觀類型主體沒有顯著變化,但是在流域的河岸地帶和低地、人口密集區,變化很大。1992～2004年期間,五橋河流域內各景觀類型面積呈不同程度的增減,其中增加的有:旱地、灌木林、經濟林、草地、水域、未利用地和建設用地;減少的有水田和有林地。12年來景觀類型中建設用地變化率最大,2004年建設用地面積比1992年增加了297.12%,增大面積314.50 hm2;水田景觀類型變化率其次,2004年水田面積比1992年減少了19.18%;其它景觀類型的面積變化不大。

3.1.2 景觀類型轉移矩陣

為了更好地揭示各景觀類型相互轉化的方向及面積,利用 A rcGIS軟件,將1992年、2004年2期數據進行疊加,從而得到2個時段間各景觀類型間的轉移矩陣(表2)。

表2 1992～2004年研究區景觀類型轉移矩陣 hm2

從表2中可以看出:(1)水田在12年中的轉出面積大于轉入面積,它向其它景觀類型轉化的面積為684.02 hm2,主要是以向建設用地、旱地、林地轉化為主,轉化面積分別達到了295.12 hm2,189.97 hm2和171.97 hm2。從圖1可以看出:五橋河流域下游平壩地區是水田和居民點集中分布區域,隨著人口的增加、居民點的擴展及區域工業發展使流域下游部分水田轉化為建設用地,人地關系矛盾突出。(2)1992～2004年間,旱地轉化為其它景觀類型的面積為394.24 hm2,而其它景觀類型轉化成旱地的面積是487.50 hm2,旱地轉出的面積小于轉入面積。(3)經濟林在12年中轉入面積稍大于轉出面積。國家的退耕還林政策,使得小部分耕地轉化成了經濟林。人們為了追求經濟利益,又使得部分耕地、有林地和灌木林轉化為經濟林。(4)1992～2004年間,旱地、林地和草地相互轉化較為頻繁。一方面是在進行退耕還林還草等生態工程建設,部分坡耕地轉化為林地和草地,使得林地和草地的面積有所增加;另一方面又由于人口的增加,人均耕地面積減少,造成耕地的擴墾,部分林地和草地又轉為耕地。(5)在12年間,未利用地轉出面積小于轉入面積,未利用地的轉入以水田和旱地為主,水田和旱地向未利用地轉化的面積分別為2.49 hm2和2.71 hm2。一方面未利用地通過開發整理轉化為水田、旱地和林地等;另一方面由于農村剩余勞動力的轉移,部分耕地的擱荒又引起未利用地面積的增大。(6)12年間,大量的水田、旱地和灌木林轉化成了建設用地,轉化的面積分別為 295.12 hm2,16.42 hm2和11.31 hm2,另有 3.47 hm2的有林地、3.41 hm2經濟林、0.44 hm2的草地、4.72 hm2的水域和1.55 hm2的未利用地轉化成建設用地。

3.2 景觀空間格局變化

3.2.1 景觀尺度上的景觀格局變化分析

1992～2004年研究區在景觀水平的景觀指數變化見表3。

表3 1992～2004年研究區在景觀水平的景觀指數變化

(1)景觀斑塊密度與邊緣分析

1992年研究區內共有1 451個斑塊,而到了2004年斑塊數增加到1 538個,同時景觀斑塊密度和邊緣密度都有所上升,說明五橋河流域景觀呈現破碎化趨勢;LPI指數降低,表明2004年五橋河流域景觀中最大斑塊和最小斑塊面積的差距減小,斑塊面積較1992年均勻。

(2)景觀形狀特征分析

1992～2004年,五橋河流域的景觀水平上形狀指數(LSI)上升了1.288 9,表明12年來景觀整體形狀復雜程度有所增大。由于耕地的退耕、擱荒、城鎮建設等人為干擾和自然災害的破壞等自然干擾過程的共同作用,景觀形狀變得較為復雜。

(3)景觀聚集度與分離度比較

蔓延度(CON TAG)、聚集度(A I)及景觀分割指數(D IV ISION)是度量景觀聚集度與分離度的指數。從表3中可以看出,1992年和2004年流域的蔓延度均小于50%,說明2個時期流域均比較破碎,小斑塊較多;從聚集度來看,2004年流域景觀聚集度小于1992年,說明景觀中各類型聚集的程度有所降低;1992年和2004年流域景觀分割指數均接近1,表明景觀中的小斑塊數多,其中2004年景觀中小斑塊相對較多[7]。

(4)景觀多樣性比較

由表3可知,1992年和2004年研究區景觀斑塊多度密度保持不變,說明單位面積上景觀類型數保持不變;景觀多樣性指數由1.773 5上升到1.829 3,說明了2004年研究區景觀類型更為豐富且各類型分布均勻;均勻度指數也顯示出2004年研究區景觀多樣性較高并且相對均勻;均勻度的增大意味著優勢度的減小,說明占主導地位的耕地和林地在景觀中的比重有所下降,主要原因是城鎮化建設和移民安置工程等使建設用地比重增加[8]。多樣性指數和均勻度指數增大反映出隨著人類活動的加劇,流域景觀類型更趨向多樣性和均勻化。

3.2.2 主要景觀類型的格局變化分析

1992～2004年研究區景觀類型水平上的景觀指數變化見表4。

從表4中可以看出研究區景觀類型水平上的如下變化:

(1)水田:水田的面積減少了398.19 hm2,但是水田的斑塊數和斑塊密度都有所增加;最大斑塊指數減小說明了水田在景觀中的優勢逐漸減小,結構變得復雜;邊緣密度、景觀形狀指數有所增加,由于人類活動的影響使水田形狀越來越不規則;聚集度指數、斑塊結合度指數降低,表明水田的空間連接性降低,斑塊間分布更為分散,說明了人類對水田的開墾利用規模小且較分散。

(2)旱地:從1992年到2004年,旱地斑塊數增加了6個,斑塊密度從2.471 3上升到2.523 4;邊緣密度和形狀指數增大,表明旱地景觀的破碎度增大,形狀越來越復雜;最大斑塊指數增大,說明了旱地在景觀中的優勢有所增加;聚集度、斑塊結合度增大,這是由于人類活動的影響,使得旱地的分布趨向于集中,也增強了旱地斑塊間的連接性,旱地斑塊間的物質和能量遷移暢通性增強。

(3)有林地:林地的斑塊數增加,這主要是由1998年以來先后實施的長江上游水源涵養林營造工程和水土保持工程,進行退耕還林的結果,但是由于人口的增加,耕地需求加大,一些林地又開墾為耕地,所以12年來有林地的面積并未增加;斑塊密度、邊緣密度和形狀指數增大,這可能是由于許多小塊耕地轉化為林地,導致了林地的破碎度的增加,形狀復雜化增大;聚集度有所降低,但斑塊結合度增大,說明盡管斑塊相對分散,但是空間的連通性有所增強。

表4 1992～2004年研究區景觀類型水平上的景觀指數變化

(4)未利用地:未利用地的斑塊數增加了1個,斑塊密度有所上升,說明未利用地的破碎化程度在增強;邊緣密度、最大斑塊指數、斑塊形狀指數上升,說明未利用地的斑塊形狀更加復雜;聚集度指數和斑塊結合度降低,這可能是由于少部分耕地擱荒,使得未利用地分布更為分散,空間連通性減弱。

(5)建設用地:面積增加了314.50 hm2,斑塊數和斑塊密度都有所增加,這是因為隨著人口的增加和經濟的發展,大量耕地和林地被占為工礦、城鎮及公路等建設用地;邊緣密度、最大斑塊指數和形狀指數增大,表面破碎化程度增加;聚集度、斑塊結合度指數都有所增加,這是由于建設用地的規劃有所加強,雖然建設用地破碎化程度增強,但是分布更集中,斑塊的連通性增強。

4 結論

通過對三峽庫區五橋河流域的景觀格局進行研究,可以較好的表征1992～2004年該流域景觀空間格局的變化,并得到以下結論:

(1)在12年間,人類活動和自然生態過程相互作用、相互影響使五橋河流域景觀類型發生了復雜的結構變化和相互轉化。在1992～2004年間,流域景觀類型的面積均發生了不同程度的變化,其中建設用地和水田的面積變化率最大,其它類型面積變化不大。

(2)通過對景觀尺度上的景觀指數的分析,可以看出:2004年與1992年相比,由于人類干擾強度加強,使得流域破碎化程度加強,斑塊形狀越來越不規則,斑塊分布更加離散,景觀的多樣性和均勻性增強,景觀結構日趨破碎和復雜。

(3)從主要景觀類型的景觀指數來看,12年間水田的斑塊面積減少,斑塊數和斑塊密度增加,斑塊形狀更加不規則,優勢度減少,離散度加大,空間連接性降低,復雜性增強;旱地斑塊數和斑塊密度加大,形狀越來越復雜,優勢度、聚集度和斑塊結合度增大;林地斑塊數和斑塊密度增大,形狀更為復雜,聚集度降低,而斑塊結合度增大;未利用地的斑塊形狀更加復雜,離散度加大,空間連通性減弱;建設用地破碎化程度增強,但是分布更集中,斑塊的連通性增強。

[1] 鄔建國.景觀生態學[M].2版.北京:高等教育出版社,2007.

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An Analysis on the Landscape Patterns Based on the GIS Technology in the Typical Watershed of Three Gorges Reservoir Area——A Case Study on Wuqiaohe Watershed,Wanzhou District,Chongqing City

ZHOU M eng-jia1,2,CHEN Zhi-jian1,L IAO Xiao-yong1,FANG Ze-hong3,WANG Hai-ming1

(1.Institute of Mountain Hazards and Environment,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610041,China;2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China;3.Fund Inspect Office of Forest Priority Project in Sichuan,Chengdu 610081,China)

Q 149

A

1674-2842(2010)05-0001-05

2010-06-01

中國科學院知識創新工程重大項目“重大工程生態環境效應遙感監測與評估”、中科院成都山地所前沿項目(1100001007)、中科院西部行動計劃項目(KZCX2-XB2-07)、國務院三建委辦公室資助項目(SX2001-021)。

周夢佳(1983-),女,四川宜賓人,在讀碩士研究生。研究方向:流域生態與可持續發展。E-mail:mengjia_zhou@yahoo.cn

陳治諫(1962-),男,四川眉山人,研究員,E-mail:chenzhijian@sina.com