湘江流域近30年景觀格局變化研究

陳　希,王克林,祁向坤,李洪斌,李　濤

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學生物科學技術(shù)學院, 湖南 長沙 410128； 2.中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室, 湖南 長沙 410125； 3.湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院, 湖南 長沙 410128)

湘江流域近30年景觀格局變化研究

陳希1,2,王克林2,祁向坤2,李洪斌3,李濤1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學生物科學技術(shù)學院, 湖南 長沙 410128； 2.中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室, 湖南 長沙 410125； 3.湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院, 湖南 長沙 410128)

摘要：基于湖南省1980、2000和2010年的Landsat MSS和TM衛(wèi)星照片數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)，運用ENVI4.7影像處理軟件、ARCGIS9.0 軟件與Fragstats3.3軟件，提取出湘江流域地區(qū)1980、2000年和2010年景觀類型圖，計算出3個時期的景觀格局指數(shù)，在此基礎(chǔ)上對湘江流域30年間的景觀格局變化特征進行了綜合分析。結(jié)果表明：1980-2010年，湘江流域土地利用程度和人為活動有所增強，其中面積變化最大的景觀類型是林地和旱地。林地減少了1 029 km2，而旱地增加了648 km2，可見人為活動干擾增加。近30年間，受人類活動影響，水田與林地景觀面積減少，斑塊數(shù)目增加，破碎度增大。旱地景觀破碎度下降。湘江流域景觀整體破碎度增加，優(yōu)勢斑塊的連通性下降，景觀優(yōu)勢類別對景觀整體的控制作用減弱。這將給湘江流域地區(qū)帶來一定的資源和環(huán)境問題．需加強規(guī)劃布局管理，合理配置景觀資源，實現(xiàn)湘江流域的經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：景觀格局；景觀指數(shù)；GIS；湘江流域

流域是一種重要的自然地理單元。流域景觀格局的研究，是揭示流域生態(tài)狀況、空間變異性特征、以及與生態(tài)過程相關(guān)的區(qū)域資源環(huán)境問題的有效手段。一直以來，景觀格局研究都是景觀生態(tài)學家關(guān)注的焦點[1-3]，因此對于流域景觀格局及其演變的研究亦比較多。目前，國內(nèi)研究較多的流域有石羊河流域(朱小華等[4]，2010；張學斌[5]，2014)、東江流域(周婷[6]等，2009)、漓江流域(向悟生等[7]，2009)；向蕓蕓[8]等，2014)等，這些案例為流域景觀格局的研究提供了許多值得借鑒的經(jīng)驗。近年，有關(guān)長江流域的景觀格局的研究增多, 冷淑嬌等(2012)對嘉陵江景觀格局動態(tài)變化分析研究[9]。李曉文等(2003)從土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)角度，對近些年來長江下游的景觀格局變化進行了研究[10]。而針對洞庭湖流域的景觀格局及其變化的研究較少，并且關(guān)于不同流域景觀格局與生態(tài)服務(wù)價值評估的研究報道更少。

洞庭湖有“長江之腎”的美譽，湘江被稱洞庭湖之“動脈”。湘江作為洞庭湖流域中流域面積最大，經(jīng)濟地位最重要的一條支流，湘江流域生態(tài)環(huán)境的變化對于洞庭湖全流域的環(huán)境保護與生態(tài)安全影響重大。湘江流域中上游景觀格局的變化情況，制約著整個湘江流域，乃至洞庭湖全流域的生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，本研究基于湖南省1980、2000 和2010年的Landsat MSS和TM衛(wèi)星照片的數(shù)據(jù)及數(shù)字模型DEM數(shù)據(jù)，在RS和GIS技術(shù)的支持下，,利用ENVI4.7影像處理軟件、ARCGIS9.0軟件和Fragstats3.3軟件，運用景觀的空間格局指數(shù)方法，對研究區(qū)1980-2010 年的景觀空間格局動態(tài)變化進行分析研究，并探討其景觀格局變化特征，為更好地維持湘江流域的生態(tài)環(huán)境安全，促進湘江流域經(jīng)濟發(fā)展提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)域與方法

1.1研究區(qū)概況

湘江是長江第二大支流。它發(fā)源于廣西興安縣海陽山近峰嶺，于東安縣廟頭進入湖南省，在湘陰縣濠河口分東西兩支注入洞庭湖。縱貫?zāi)蠋X山地向洞庭湖平原過渡的山丘盆地之間，沿途接納各支流后，至湘陰縣濠河口分兩支匯入洞庭湖，全長856 km，流域總面積 94 660 km2，介于111 °01 ′~114 °14 ′ E，111 °33 ′~113 °22 ′ N之間。本研究選擇整個湘江流域湖南省內(nèi)部分，涵蓋了湖南省45 個縣級行政區(qū)，其中湖南省境內(nèi)干流里程670 km，湘境流域面積為85 403 km2，分別占總里程的78.27 %和總流域面積的90.2 %。流域內(nèi)的南嶺山地和羅霞山脈，海拔一般在1 000 m以上，丘陵多在500 m以下，是典型的亞熱帶濕潤季風氣候。

1.2景觀空間格局指標選擇

本文數(shù)據(jù)主要來自國家科學數(shù)據(jù)共享工程-地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享(www.geodata.cn)。參考了1980、2000年和2010年的湖南省土地利用類型圖(比例尺為1∶10萬，格式為ARC/INFO的COVERAGE)和DEM數(shù)據(jù)(比例尺為1∶25 萬，網(wǎng)格大小為100 m×100 m，格式為GRID)。目前，根據(jù)常用的土地利用分類系統(tǒng)[11]，結(jié)合研究區(qū)土地利用實情，水田、旱地變化顯著，將該區(qū)的耕地的水田、旱地從一級地類劃分出來，本研究將地類劃分為水田、旱地、林地、草地、水域、建設(shè)地和未利用地7個景觀類型。

在Arctoolbox中運行Polygon coverage to Grid命令，將1980、2000年和2010年三期矢量土地利用類型圖轉(zhuǎn)換為柵格圖，柵格大小為100 m×100 m，再運用FRAGSTATS3.3 軟件對柵格化后的數(shù)據(jù)進行運算，得到湘江流域景觀指標數(shù)據(jù)。

圖1　湘江流域1980、2000和2010年景觀要素類型分布Fig.1　Distribution of the landscape components of the Xiangjiang river watershed in 1980, 2000 and 2010

1.3景觀指數(shù)

景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標。它能用來描述景觀格局，進而建立景觀結(jié)構(gòu)與過程或現(xiàn)象的聯(lián)系，更好地解釋與理解景觀功能[12,13]。在FRAGSTATS軟件中計算3種類型的景觀指數(shù)，包括斑塊水平、斑塊類型水平和景觀水平。根據(jù)研究區(qū)區(qū)域的景觀格局特點及實用性原則，本文主要選擇的景觀指數(shù)指標單元包括斑塊數(shù)(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊類型面積(CA)、斑塊面積百分比(PLAND)和斑塊密度(PD)，景觀形狀指數(shù)(LSI)，聚集度(CLUMPY)，蔓延度(CONT)，景觀豐度(PR)，香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)。這些指標可以反映各景觀類型面積、景觀破碎化程度、景觀形狀復(fù)雜度、景觀均衡性等景觀格局情況。具體景觀格局指數(shù)及其計算參考文獻[14,15](傅伯杰，2011)的方法。

2結(jié)果與分析

2.1景觀類型水平特征分析

根據(jù)1980、2000、2010年三個年份湘江流域景觀類型水平指標(表1)，可以看出湘江流域各地類景觀指數(shù)的變化情況及趨勢。湘江流域水田景觀的景觀形狀指數(shù)先減少再增加，斑塊密度增加，由于人類對水田的改造的變化，使水田斑塊形狀從1980 年至2000年越來越規(guī)則再到2010 年越來越不規(guī)則，但是景觀的破碎化程度有所加??；旱地景觀的指標中斑塊面積到2010 年增加幅度達到9.2 %，斑塊密度下降，聚集度上升，景觀形狀指數(shù)減少，說明景觀的破碎化程度減少，人類的開墾利用使旱地的形狀趨于規(guī)則，斑塊連通性增加，而且從1980 年至2000 年的發(fā)展趨勢是新旱地斑塊包圍老旱地斑塊，最終連片成帶，2010 年維持2000 年變化趨勢；林地的斑塊面積一直在減少，而斑塊數(shù)卻一直在增加，林地景觀破碎度的增加，林地的聚集度在各地類中最高，這主要是由于湘江流域東南部大量林地曾被開墾為旱地，使當?shù)卦久娣e的林地支離破碎，人類在將林地開墾為旱地時，習慣性的保持耕地邊界形狀的規(guī)整，從而導(dǎo)致了林地景觀形狀指數(shù)的30 年間變化不大；草地景觀的景觀形狀指數(shù)先減少再增加，表明草地的形狀也先趨于規(guī)則后趨于不規(guī)則，破碎度在2000 年后增加,這是因為原來分布在草地-林地交錯帶的分散而破碎的草地斑塊轉(zhuǎn)化為林地，與部分破碎的草地斑塊相互連接成片，導(dǎo)致草地景觀斑塊有轉(zhuǎn)化為林地的趨勢；水域和建設(shè)用地由于水利開發(fā)與城鎮(zhèn)化進程的加快，30 年間面積逐步增加；未利用地面積由于湘江流域上游地區(qū)植被遭到破壞，也略有增加，但斑塊面積較小。

表11980、2000、2010年湘江流域景觀類型水平指標

Tab.1Indexes on landscape class level of the Xiangjiang river watershed in 1980, 2000 and 2010

類型斑塊類型面積CA(104hm2)斑塊面積比例PLAND(%)斑塊數(shù)NP景觀形狀指數(shù)LSI聚集度CLUMPY斑塊密度PD最大斑塊指數(shù)LPI(%)平均斑塊面積AREA_MN(hm2)水田1980180.8912.1938457329.300.720.00450.62472000179.7812.1138527329.090.720.00450.62472010178.3112.0240311331.590.720.00470.5244旱地198070.534.7541154272.480.660.00480.0517200077.885.2539333260.640.690.00460.6320201077.015.1939435261.300.690.00460.6220林地1980552.9137.2624612223.640.850.002914.912252000543.9736.6625305223.150.850.003014.182152010542.6236.5726686224.480.850.003112.88203草地198024.861.686991120.310.760.00080.0836200024.891.686153119.280.760.00070.0837201024.821.6718568119.770.760.00220.003636水域198012.270.837206105.090.700.00080.2117200013.550.917482104.280.710.00090.1518201013.700.927852105.700.710.00090.1518建設(shè)用地198012.420.8415641133.340.620.00180.048200013.800.9315951133.310.640.00190.059201017.411.1718568142.170.660.00220.069未利用地19800.150.0114613.990..640.000020.00071020000.160.0117415.320..640.000020.0007920100.160.0117415.440.630.000020.00079

2.2景觀級別水平特征分析

整個湘江流域，從斑塊形狀來看，景觀形狀指數(shù)(LSI) 在1980-2000 年間下降，在2000-2010 年間上升，但整個過程是呈上升趨勢，說明人類活動干預(yù)將景觀形狀改造趨于離散；蔓延度(CONTAG)30 年間一直在下降，林地優(yōu)勢斑塊的連通性降低，這是因為在湘南農(nóng)業(yè)大開發(fā)戰(zhàn)略背景下，人類的生產(chǎn)活動與開發(fā)強度加大，部分林地斑塊遭到破壞，加劇了林地的破碎化程度。景觀整體破碎化程度略有降低，斑塊數(shù)由134207(1980年)下降到139933(2010年)。前20 年，斑塊數(shù)的下降主要是由于旱地與草地斑塊數(shù)目的減少導(dǎo)致的，而最大斑塊面積的下降是因為林地最大斑塊面積下降造成,后10 年斑塊數(shù)增加，因為水田、旱地、林地等各地類的斑塊數(shù)都有不同程度的增加。研究區(qū)景觀破碎化呈前20 年里降低后10 年里增加的趨勢，但由于最具優(yōu)勢且生態(tài)環(huán)境影響大的林地景觀破碎度增加，湘江的生態(tài)環(huán)境與生態(tài)安全狀態(tài)并沒有由于破碎化程度的改變而得到明顯改善；香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)持續(xù)增加，香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHEI)增加，說明各景觀類型在景觀中呈均衡化趨勢分布；香農(nóng)均勻度指數(shù)的增加，說明近30年湘江流域景觀優(yōu)勢度在持續(xù)減少；景觀優(yōu)勢類別對景觀整體的控制作用減弱。主要原因是林地斑塊和水田斑塊的面積下降，對景觀的控制作用減弱，其它類別斑塊的影響作用上升造成的(見表2)。

2.3景觀類型面積變化分析及相互轉(zhuǎn)化

運用ArcGIS9.3 統(tǒng)計1980、2000 和2010 年遙感解譯圖中各景觀類型的面積，并計算景觀面積的變化量(表3)。從表中可以看出，湘江流域面積變化最大的景觀類型是林地和旱地，林地在30 年里減少了1 029 km2，而旱地30 年里增加了648 km2；建設(shè)用地、水田、水域的面積變化量其次；草地和未利用地的變化量較小。在30 年中，林地和水田呈持續(xù)下降趨勢，而旱地、建設(shè)用地、水域呈上升趨勢，大面積的水田和林地轉(zhuǎn)換成了旱地和建設(shè)用地。水域30 年里增加了143 km2，這是因為以前長江水量穩(wěn)定，加上人口增多，人們就圍湖造田，使湖面不斷縮小，但在1998 年百年不遇的洪水后，長江沿岸的湖泊面積縮小，分洪蓄洪力下降甚至喪失，政府為保護環(huán)境能源實現(xiàn)可持續(xù)利用，有了退田還湖的舉措，將圍墾湖邊或湖內(nèi)淤地改造成的農(nóng)田恢復(fù)為湖面，水域面積自然增加。

表21980、2000、2010年湘江流域景觀級別水平指標

Tab.2Indexes on landscape level of the Xiangjiang river watershed in 1980,2000 and 2010

年份斑塊數(shù)NP斑塊密度PD香農(nóng)多樣性SHDI香農(nóng)均勻度SHEI景觀形狀指數(shù)LSI蔓延度CONTAG景觀豐富度PR平均斑塊面積AREA_MN最大斑塊指數(shù)LPI19801342070.01571.04310.5206175.280758.80547.06414.910920001335250.02291.07080.5503174.998957.99497.06414.177720101399330.01641.08230.5562176.830257.51167.06112.8760

表3湘江流域各類景觀面積及變化量

Tab.3 The area and variable quantity of different landscape types of the Xiang River Region (km2)

1980年2000年2010年1980-2000年變化量2000-2010年變化量1980-2010年變化量水田180891797817831-111-147-258旱地705377887701735-87648林地552915439754262-894-135-1029草地2486248924823-7-4水域12271355137012815143建設(shè)用地124213801741138361499未利用地151616101合計854038540385403000

為進一步研究景觀類型間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、探索景觀格局變化規(guī)律，本研究采用轉(zhuǎn)移矩陣方法[16]進一步分析(表4)。1980-2010 年間，湘江流域地區(qū)最明顯的景觀變化類型是林地與旱地及林地與水田之間的相互轉(zhuǎn)化，占到了整個研究區(qū)變化面積的64.81 %，這可能是因為湖南省在2000年之前大力發(fā)展農(nóng)業(yè)，導(dǎo)致了大面積的林地轉(zhuǎn)化成了水田與旱地，而在2000 年后開始實行退耕還林政策，將易造成水土流失的坡耕地和易造成土地沙化的耕地，有計劃、分步驟地停止耕種，因地制宜地造林種草，恢復(fù)林草植被。同時，受經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程不斷加速的影響，水田、旱地、林地景觀向水域和建設(shè)用地景觀發(fā)生了較大面積的轉(zhuǎn)化，尤其是城鎮(zhèn)化進程中，建設(shè)用地占用的往往是城郊生產(chǎn)條件好的高質(zhì)量耕地，可見城市與鄉(xiāng)鎮(zhèn)的發(fā)展，是以犧牲一定的生態(tài)環(huán)境為代價。

表41980-2010年湘江流域景觀類型面積轉(zhuǎn)移矩陣

Tab.4 Transition matrixes of the Xiangjiang river watershed landscape area from 1980 to 2010 (hm2)

水田旱地林地草地水域建設(shè)用地未利用地2010年總計水田-32685136630477663761281137193315旱地31249-14329544881570237829183009林地13874268248-2197971514237140240497草地4839363523053-33418111132153水域12597425413446535-6866031578建設(shè)用地316609409266736891759-4770237未利用地685631253653-5571980年總計219155118287343409325201725520296424-

3討論

運用RS和GIS技術(shù)，分析了湘江流域相關(guān)景觀空間格局信息的定量指標。從景觀類型水平特征(表1)和景觀級別指標的分析(表2)可以得到，近30年，水田景觀破碎度增加，斑塊形狀趨勢有變化；旱地景觀連通性與聚合度增加，景觀破碎度減少；林地景觀斑塊密度增大，破碎度增加；草地在30 年中景觀形狀指數(shù)先減少再增加，景觀斑塊密度也先減少再增加，破碎度和聚合度有變化；對湘江流域景觀級別指標的分析中，可以得出整個區(qū)域景觀破碎度增加，優(yōu)勢斑塊的連通性下降[17]，各景觀類型在景觀中呈均衡化趨勢分布，景觀優(yōu)勢類別對景觀整體的控制力度減弱。

1980-2010 年間，受退耕還林政策的影響，大量旱地被開墾為林地，這成為了湘江流域地區(qū)近30 年最顯著的景觀變化類型；各類景觀都向林地轉(zhuǎn)化面積最大，其次是水田，林地向其他各類景觀轉(zhuǎn)移最為突出。這30 年來，隨著人口的快速增加及經(jīng)濟利益的驅(qū)使，居住面積的增加和城鎮(zhèn)化進程占用了大量的水田和旱地。還有交通事業(yè)的飛速發(fā)展與和水利設(shè)施等的建設(shè)的不斷增加，也占用了大量的耕地與林地[18]；水田、旱地所組成的耕地面積凈增390 km2，但如耕地總體的質(zhì)量是否提高，湘江流域一些地區(qū)是否會有水土流失加劇現(xiàn)象等今后值得關(guān)注的問題，可以成為未來進一步研究的方向。

4結(jié)論

1980-2010 年間，湘江流域土地利用程度、人為活動仍有所增強。湘江流域面積變化最大的景觀類型是林地和旱地，林地在30 年里減少了1 029 km2，而旱地30 年里增加了648 km2，說明人為活動干擾增加，生態(tài)破壞程度可能進一步加劇。水田、旱地的景觀要素的變化也可能產(chǎn)生水土流失等生態(tài)環(huán)境問題。

因此，建議繼續(xù)實施退耕還林政策，同時發(fā)展林地資源，提高森林覆蓋面積，在宜林荒坡上加強水源涵養(yǎng)林和水土保持林的種植與養(yǎng)護，加強上游地區(qū)對天然林的保護以及對次生林的改造；做好生態(tài)規(guī)劃，解決景觀類型分配不均勻等問題，應(yīng)當在規(guī)劃中要逐漸增加適宜的景觀類型，引導(dǎo)景觀類型多樣化發(fā)展。特別是湘江沿江兩岸需增加綠地廊道數(shù)量，使其能更好地發(fā)揮保持水土、改善生態(tài)環(huán)境及凈化空氣的作用；優(yōu)化景觀格局結(jié)構(gòu)，促進湘江流域經(jīng)濟、社會與生態(tài)保護的可持續(xù)發(fā)展。

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Study on Landscape Pattern and its change of the

Xiangjiang River Watershed River region in the nearly 30 years

CHENXi1,2,WANGKelin2,QIXiangkun2,LIHongbin3,LITao1

(1.College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, Hunan, China;2.Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region , Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, Hunan, China; 3.College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, Hunan, China)

Abstract：The landscape data used was interpreted from the Landsat MSS and TM satellite imagary and DEM data for Hunan Province in 1980, 2000 and 2010,and supported by ENVI4.7 image processing software, ARCGIS9.0 software and Fragstats3.3 software, derived the Xiangjiang River area 1980,2000 and 2010 landscape type map，calculated the three different periods of landscape pattern index, based on the analysis of the characteristics of the landscape pattern changes in the 30 years of the Xiangjiang River watershed were analyzed. The results showed that: Between 1980 and 2010, the extent of land use and human activities have enhanced the Xiangjiang River watershed, where the greatest change in the area of woodland and dry land landscape type. Woodland decreased by 1 029 km2, while the dry land increased by 648 km2, and the human activity disturbance increased.In the last 30 years, the area of paddy field and forest land decreased, patch number increased and the fragmentation degree increased, with the influence of human activities. Dry land landscape fragmentation degree decreased. The overall fragmentation degree in the Xiangjiang River watershed increased, and the connectivity of the dominant patch decreases, and the control effect of the landscape dominant category is weakened.This will bring some resources and environmental issues the Xiangjiang River watershed, to strengthen the planning layout management, reasonable allocation of landscape resources, to achieve coordinated development of economy and ecological environment of the Xiangjiang River region.

Key words：Landscape pattern; Landscape indexes; GIS; Xiangjiang river watershed

文章編號：1007-7146(2015)06-0584-07

文獻標志碼：A

中圖分類號：Q149

*通訊作者：王克林 (1963-)，男，漢族，湖北老河口人，研究員、博士生導(dǎo)師，主要從事景觀格局變化與生態(tài)過程研究。(電話)0731-84615201；(電子郵箱)kelin@isa.ac.cn

作者簡介：陳希, (1982-),女,漢族，湖南長沙人,博士研究生,主要研究方向為景觀生態(tài)。(手機)18273566918；(電子郵箱)chenxi1102_2008@163.com

基金項目：國家自然科學基金項目(41071340)

收稿日期：2015-07-13;修回日期:2015-09-25

doi:10.3969/j.issn.1007-7146.2015.06.016