雜谷腦河流域近30年景觀格局時空演變研究

劉鐵冬

（東北林業大學 園林學院，哈爾濱150040）

景觀動態指景觀在結構單元和功能方面隨時間的變化，包括景觀結構單元的組成成分、多樣性、形狀和空間格局的變化，以及由此導致的能量物質和生物在分布與運動方面的差異［1］。而景觀格局是景觀異質性的重要表現，是各種景觀生態過程綜合作用的結果［2］，對于景觀格局及其變化特征的定量分析，不僅有助于掌握景觀結構功能及景觀格局的時空演變規律，更有助于揭示景觀演替的機制與規律、探尋人類活動與生態環境演變間的關系［3－7］，而且也是當前景觀生態學科的研究核心熱點問題之一［8－9］，同時，也是區域生態環境和發展趨勢的一種重要評判手段［10－13］。然而對于我國人口密度小、經濟相對欠發達和自然條件相對惡劣的西部地區而言，基于景觀格局時空演變的研究相對較少。

岷江上游的干旱河谷區是我國西部天然林保護工程的重點實施區域和長江上游的生態屏障，流域森林資源較為豐富，但長期以來由于人類不合理的掠奪式資源開發以及不合理的利用方式，致使該區域的原生植被絕大部分消失殆盡，植被覆蓋率低且水保能力弱，山體滑坡和泥石流時常發生［14］，人口—資源—環境之間的矛盾日益突出，屬于典型的生態脆弱區，雜谷腦河流域是岷江流域上游的一個重要支流，集中了西部山區、高原、資源豐富、環境復雜和生態脆弱等特點，屬于流經典型的干旱河谷地段［14］，是我國較為典型的山地型生態脆弱區，且受自然、歷史和人為干擾等諸多因素的影響，致使該區域生態環境的脆弱程度日益嚴重。為此，本文以雜谷腦河流域為例，基于RS和GIS技術以及景觀生態學理論，從時間序列上和空間尺度上分析研究區近30a來LUCC過程與景觀格局的動態變化，揭示其景觀格局的時空演替規律，探討土地利用變化對景觀格局的影響機制，以期為雜谷腦河流域脆弱生境的恢復與重建提供依據，并為其生態保護和可持續發展提供理論基礎和科學建議，該研究結果對區域生態安全、景觀格局維持、生物多樣性保護及社會經濟的持續穩定發展具有重要的意義。

1 研究區概況

雜谷腦河流域屬于青藏高原向四川盆地過渡的高山峽谷區，地理坐標為北緯31°11′52″—31°55′7″，東經102°35′36″—103°6′11″，總面積為2 179km2，位于青藏高原東緣褶皺帶最外緣部分，處于岷江水系的一級支流雜谷腦河匯水區，該河流域是藏、羌、回及漢族等多個民族聚集區，85%以上的農村勞動力主要從事農牧業，且土地利用方式主要以傳統的林業和牧業為主，但耕地多以坡耕地為主。氣候以高原山地溫帶、寒溫帶季風氣候為主，冬季受西北寒流影響，夏季受西南與東南濕熱氣候影響，基本上常冬無夏，春秋連季［15］，平均氣溫低、地區差異大、冬冷夏涼、年較差小、日較差大，年均降水量為500～600mm，年蒸發量為1 000～1 500mm，干濕季節交替明顯，典型植被是由云杉、冷杉、松等針葉樹種所組成的純林或者混交林為主。

2 研究方法

2.1 數據處理

本研究以美國Landsat衛星1980年7月（MSS，60m×60m）和2006年9月（TM，30m×30m）兩期遙感影像為主要數據源，并以研究區域1∶10萬地形圖、部分植被分布圖、水文地質圖、部分土地利用數據、統計年鑒、部分土壤類型圖及氣象數據等為輔，在ERDAS IMAGE 9.2的支持下，以地形圖為地理坐標參照，利用二次多項式的方法完成遙感影像的幾何校正，并保證其校正精度，在此基礎上進行圖像增強等一系列的處理，結合雜谷腦河流域邊界，完成遙感圖像的裁剪，考慮研究區域遙感影像數據光譜信息和紋理特征，參照該區域的林相圖、森林二類調查數據和部分野外調查數據，并根據實際土地利用現狀，建立其土地利用的訓練樣本，進行監督分類和人機交互解譯，實現其景觀分類，并隨機選取300多個樣點進行精度評價，經檢驗，準確率分別達到82.3%和85.61%，共分為7個一級和7個二級景觀類型，分別為：耕地、林地（針葉林、針闊混交林、落葉闊葉林）、草地、水域、居民用地、未利用地（非植被景觀）和灌木林地，其中其二級土地利用主要根據植被類型來劃分，在ArcGIS 9.3的支持下，完成土地利用的拓撲、編碼等處理，并存儲為柵格格式（gird），并與以后的景觀指標計算。

2.2 景觀格局指數

景觀指數不僅高度濃縮了景觀格局信息，而且能反映景觀的結構組成和空間配置特征。因此，參照其它相關的研究成果，根據研究區自身的特點，本文選取景觀斑塊數（NP）、邊界密度（ED）、斑塊分維數（FD）、景觀分離度（S）、景觀蔓延度（CONTAG）、景觀多樣性指數（SHDI）、優勢度指數（DI）與均勻度指數（E）等景觀格局指數，定量分析研究區景觀格局特征及變化，其中各指標生態學意義與計算方法可見相關文獻［16－17］。

2.3 主要土地利用類型空間模型

土地覆蓋重心遷移模型不僅可以很好地從空間上描述土地利用主要類型的時空演變過程［18－20］，而且有助于掌握研究時段內土地利用／覆蓋類型的空間變化特征及變化規律，基于此，本文在ArcGIS中，通過計算Centroid其中各土地利用類型的重心坐標，揭示其時空演變的驅動機制。第t年某種土地資源分布重心坐標（經緯度）計算方法為：

式中：Xt，Yt——第t年某種土地資源分布重心的經緯度坐標；Cti——第i個小區域該種土地資源的面積；Xi，Yi——第i個小區域的幾何中心（或旗縣）的經緯度坐標；n——研究區內小區域的總個數。

3 結果與分析

3.1 研究區域土地利用變化過程

1980—2006年雜谷腦河流域土地利用變化發生了一定的變化（表1），主要表現為林地和未利用地面積減少，林地的面積減少最多，灌木林地、草地、耕地、居民地面積增加，灌木林地的面積增加最多，水域面積幾乎沒有發生變化，增加量僅為0.01km2。近30a間，林地面積減少了117.66km2，面積比例由1980年的47.03%減少到2006年的41.63%，年均減少率為20.76%，主要歸因于建國后尤其是大躍進時期大量森林被砍伐［21］，尤其以處于群落演替后期的云杉、冷杉寒溫性暗針葉林為主，森林資源銳減，林地大面積的減少，區域環境質量下降。

未利用地年平均減少0.05km2，隨著經濟作物的推廣和退耕還林政策的推行，研究區域大量的荒山荒地被開發利用，造成部分未利用地的面積減少；灌木林地面積增加了82.60km2，年平均增加3.18 km2，草地年平均增長為1.36km2。灌木林地和草地的大量增加主要歸因于在高海拔地區的亞高山云杉、冷杉林，在受到強烈、頻繁、大規模的人為干擾（采伐或開荒）時［22］，由于該區域山體結構破壞、坡陡山險［14］，生態環境相對惡劣，森林更新緩慢，亞高山針葉林通常會逆向演替，退化為以林內植物為主的次生性亞高山落葉闊葉林或針闊混交林，受到過度采伐、放牧等人為干擾的影響或水分條件差的地段，就形成亞高山灌叢，加上持續過度放牧、毀灌開墾和隨意砍伐取薪柴等人類干擾活動，灌木林地將退化為亞高山草甸［23］，灌木林地和草地的增加主要由林地的退化所致，表現為原始森林景觀逐步向人為干擾景觀演變。

3.2 景觀格局特征變化分析

3.2.1 景觀總體特征 研究區域內各景觀類型面積、斑塊數量與優勢度分布不均衡，區域自然景觀（森林景觀、草地、灌木林地和未利用地等）占絕對主導地位，面積總和均達到90%以上，其中林地和草地景觀的比例較大，二者占研究區總面積70%以上（表1），對區域景觀格局起控制作用［24］，而半自然景觀、人為景觀（未利用地、耕地和居民地等）占據較小的比例，表明雜谷腦河流域以自然景觀主導區域景觀格局特征，人為景觀則明顯處于支配地位，這與研究區居住的人口數量、自然條件及經濟發展程度有關，由于該地區人口總數相對較小，自然條件相對惡劣，因而人為活動形成的景觀類型面積比例相對很小。

表1 研究區域1980－2006年土地利用類型變化

3.2.2 主要景觀類型特征變化 由圖1分析可知，林地景觀的斑塊數目增加相對較少，而其邊界密度，從1980年的9.833 5增加到2006年的10.954 2，由于該區域的森林長期受人類經營活動的影響，特別是被大規模采伐后，致使其分布由大斑塊集中向小斑塊鑲嵌，道路兩旁尤為突出，林地景觀破碎度增加的同時，以樺木林、山楊林為主的闊葉先鋒樹種在采伐跡地上普遍而大量發生，在其適生范圍內邊界擴展侵入其他森林類型中，形成復雜的交錯帶，總體上邊界總長度的增加，造成邊界密度的增加。2006年林地景觀的分維數大于1980年的，源于自1998年實行天然林保護工程以來，人類對森林資源有組織的開發和干擾逐漸減弱，對林地的破壞有所減緩，致使林地的斑塊形狀趨于不規則化和復雜化，分維數增大。

圖1 雜谷腦河流域1980－2006年景觀特征統計

草地景觀在研究區域占據較大的比例，僅次于林地景觀。其斑塊數目和邊界密度呈現增加的趨勢，而分維數呈現減少的趨勢，草地景觀在該區域分布較為廣泛，受生態造林、農業耕作等影響，原來連續的草地景觀被人類活動分割和占用，分布愈加分散，破碎度日益增加，斑塊空間分布散落性增強、聚集度和連接性降低，斑塊呈零散分布，大型斑塊日益減少，在導致邊界總長度增大的同時，致使其邊界密度也增大。由于草地在人類活動的干擾下，其斑塊的形狀趨于規則化和簡單化，并不斷向荒漠化和半荒漠化演變，尤其干旱河谷區地勢相對較平坦的區域，受到頻繁的人類活動（耕種、放牧和刈割灌草）［14］干擾，對此地帶植被破壞較大，致使其分維數降低。

灌木林地景觀面積所占比例次于林地和草地。1980—2006年，灌木林地景觀的斑塊數目由24增加到44，表明其分布由集中趨于分散，邊緣密度和分維數呈現增大，表明其破碎度有所增加，森林群落遭破壞后形成的次生植被是其面積增加的主要來源，由于森林采伐后，部分區域的生境惡劣，森林更新困難，致使采伐跡地被灌木所取代，雖然灌木種類很多，但其結構零亂且類型較復雜，優勢種不明顯。灌木林地不斷的擴大且其大塊的灌叢植被林地、疏林地被分割蠶食，形成島狀分布，造成灌木林地的邊緣曲折多，形狀呈現不規則化和復雜化，形成由于其邊界擴展侵入其他森林類型復雜的交錯帶格局。

未利用地景觀主要由跡地（采伐跡地和火燒跡地）、棄耕地、荒山荒地和巖石裸露地等景觀類型構成，斑塊數目相對變化不大，但其邊緣密度增加，分維數減少。20世紀80年代末以前，該景觀類型的面積增加主要源于森工局對森林的大量采伐，造成采伐跡地的大量增加，1998—2006年主要源于退耕還林工程、生態環境保護工程、天然林保護工程等一系列生態建設和環境保護政策的調整，人類加大了部分區域的撂荒地和棄耕地的改造利用，推行“退耕還林、還草”工程，致使其面積有所減少。

3.2.3 景觀要素空間距離 由表2可知，CONTAG由1980年的64.931 7減少到2006年的63.471 0，1980年以來，隨著被會經濟的發展，原來斑塊較大的景觀類型被分割為許多較小斑塊，呈現出以林地大面積減少和灌木林地顯著增加為主要特點，受到人類活動的干擾，部分連接性好的自然景觀逐漸向連接性差的半自然景觀和人為景觀演變，致使斑塊之間團聚程度減弱，區域景觀之間的鑲嵌性增加，景觀空間分布均勻性有所增強，景觀的空間異質性增加，其連通性降低且破碎化程度增強，景觀整體完整性較差，物種生存和繁衍的自然生境萎縮，適于生物生存的環境在減少，不利于景觀中生物和資源的保護，將直接影響到物種的繁殖、擴散、遷移和保護［25］，主要歸因于研究區域優勢景觀類型（云杉、冷杉林景觀）在此期間大量減少，在采伐道路兩旁的景觀格局尤為突出。

表2 研究區域各景觀要素空間相互關系

分離度由1980年的3.761 5增加到2006年的4.772 6，近30a來研究區域斑塊總數由368個增加到396個，增加了28個，平均斑塊面積由1980年的5.91km2／個減少到2006年的5.50km2／個，部分大的斑塊分裂成形狀略為規則的小斑塊，景觀格局多以形狀較為簡單的小斑塊為主，在整體上加速景觀類型的破碎化程度，景觀類型斑塊分布趨向離散，個別斑塊呈零星、散落狀，在一定程度上斑塊分布更加均勻，單一的優勢景觀類型對整體景觀的控制作用減弱了，還呈現出以云杉、冷杉暗針葉林為地帶性植被并主導著區域森林景觀格局，但景觀整體景觀的優勢度在減少，不利于景觀功能的整體發揮［25］，從而使自然生態環境的凈化和維系能力下降［26］，對景觀結構的逆向影響十分突出［27］，源于該區域的森林景觀長期受到人類持續的經營活動（森林采伐）的影響。

3.2.4 景觀異質性 由表3的計算可知，雜谷腦河流域景觀多樣性指數由1980年的1.232 8上升到2006年的1.275 4，均勻度由0.633 5增加到0.655 4，說明單一的優勢景觀類型對整體景觀的控制作用減弱了，景觀類型組成相對比較均勻，且各景觀類型所占比例差異減小，區域景觀呈現出以林地為基質的草地、灌木林、巖石裸露地等自然斑塊交錯的森林—草地荒原分布態勢，其余景觀類型呈補丁狀散布于區域之中，景觀的破碎化程度加深，景觀異質性程度和復雜性加大，不利于該生態系統的穩定。該區域的景觀優勢度由1980年的1.574 6減小到2006年的1.532 0，在一定程度上表明處于主導地位的景觀類型與其它景觀類型所占比例的差異在縮小，景觀結構趨于均勻，致使林地景觀對流域景觀控制作用逐漸減弱，改變了僅由少數地帶性植被景觀控制該區域景觀格局現狀的局面。

表3 不同時期景觀類型多樣性

3.3 土地利用類型時空特征分析

從表4可看出，林地景觀的重心坐標由低緯度向高緯度地區轉變，主要緣于20世紀80年代末以前森工局對森林的大量采伐，低緯和低海拔區域的云杉、冷衫林被大規模采伐，森林景觀大幅度減少，對于高緯和高海拔的地區而言，受自然環境條件的影響，在一定程度上限制了部分人類的干擾活動，致使該區域的原始景觀得以保存，此外，特別是在1998年起施行退耕還林工程、天然林保護工程和生態環境保護工程，也使得該區域保留了部分完整原始森林景觀結構，故其重心向緯度較高的高海拔地段轉移；對于草地而言，其重心坐標由低緯度向高緯度轉變，在低緯度和低海拔的地段，草地受到過渡放牧和開荒等的人為影響，草地退化和沙化現象嚴重，面積減少，逐步向高山和相對高緯度地帶轉移。灌木林地的重心坐標由高緯度區域向低緯度轉變，由于低緯、低海拔的森林被采伐后，灌木林在采伐跡地迅速更新并形成一定的規模，受人為的過度干擾（采伐和放牧），特別是藏民的居住地附近，部分針葉林作為薪柴隨意被砍伐，致使針葉林景觀類型逐步演化為灌叢針葉林混交景觀，形成灌叢景觀的逆向演替發展，故重心坐標向相對低的緯度地區轉移。未利用地由低緯度和低海拔區域向高緯度高海拔區域轉變，源于高海拔區域存在著大量的裸崖地、火燒跡地和部分雪山。

表4 研究區域主要土地利用重心變化統計

4 結論

利用RS與GIS技術并結合景觀生態學理論，完成對雜谷腦河流域近30a年間土地利用過程及景觀格局時空演變研究。結果表明：該流域內各土地利用類型面積和斑塊數量不均衡，林地和灌木林地變化顯著，呈現大面積減少和增加的變化趨勢，此外草地、耕地、居民地和水域面積增加，區域景觀格局呈現以自然景觀（森林景觀、草地、灌木林地）為主，半自然景觀、人為景觀（采伐跡地、耕地、居民地等）為輔的格局現狀。

整個研究時段內，該流域景觀多樣性和均勻度兩指數增加，分別由1980年的1.232 8和0.633 5增加到2006年的0.275 4和0.655 4，其優勢度由1.574 6減少到1.532 0，該結果表明近30a間各景觀類型所占比例差異減小，景觀類型的分布由集中趨向分散交錯，均勻程度較大，景觀的完整性減弱，連通性降低，景觀的異質性增強。

近30a期間，研究區域土地利用類型重心坐標發生了一定變化，其中林地、草地和未利用地的重心坐標由低海拔、低緯度區域向高海拔、高緯度地帶轉變，灌木林地的重心坐標由高緯度、高海拔區域向低緯度、低海拔地段轉變。

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