岷江流域三江交匯區景觀格局變化研究

王海軍，武克軍*，孔祥冬，張勃

（1. 成都理工大學工程技術學院，樂山 614000；2.樂山師范學院旅游學院，樂山 614000；3. 四川旅游發展研究中心，樂山 614000；4. 西北師范大學地理與環境學院，蘭州 730070）

岷江流域三江交匯區景觀格局變化研究

王海軍1，武克軍2,3*，孔祥冬1，張勃4

（1. 成都理工大學工程技術學院，樂山 614000；2.樂山師范學院旅游學院，樂山 614000；3. 四川旅游發展研究中心，樂山 614000；4. 西北師范大學地理與環境學院，蘭州 730070）

本文以生態景觀理論為基礎，地理信息與遙感技術為支撐，對岷江流域三江交匯區三期遙感數據，1990年TM、2002年TM、2014年ETM+數據進行圖像分類、景觀指數提取、空間分析，同時采用面積轉移矩陣統計各景觀面積的轉移情況，分析景觀格局變化的影響因素，研究結果表明：（1）1990—2014年三江交匯區景觀類型面積排序為：農田＞林地＞草地＞水域＞居民地＞裸地。優勢景觀為耕地，所占比例由72.83%下降到63.32%，面積減少了3480hm2。草地所占比例呈現波動變化，總體增加了2.81%。林地比例由15.98%上升到18.79%，增加了700hm2。居民地所占比例升高了4.1%；（2）1990年研究區內草地景觀易受到外部干擾，其分布形狀復雜。林地景觀整體聚合度較高同時具有較低的異質性，分布通透性好、規模連續。農田分布較為分散且斑塊較小。2002年農田斑塊分布復雜化，同時具有聚集度高的特點。2014年研究區內農田優勢地位下降。此時農田分布比較破碎并且呈現集中的態勢。草地分布規模性較好、分布較為完整，但是內部存在一定的破碎性；（3）三江交匯區景觀類型相互轉化的主要原因：一是，退耕還林、還草政策實施，海拔超過500m的丘陵山地區域，建立生態保護區。二是，成綿樂鐵路和高速路網的完善，使得三江交匯區的土地類型向建設用地轉化加快，主要集中在樂山市中區和周圍城鎮。

岷江交匯區；景觀格局；動態分析；驅動力機制

圖1 研究區域示意圖

引言

景觀空間格局一般是指景觀要素的組合與分布特性[1]，景觀動態是指景觀的格局、結構、生態功能隨時間發生的演化過程[2,3]，目前景觀空間格局與動態演化是景觀生態學研究的重點內容[4-6]。區域林地、草地等景觀格局變化對生態系統的物質平衡產生重要影響，從而影響區域各種群演替。目前景觀格局與變化研究逐漸從全球尺度細化到區域尺度，包括流域、山地、城市景觀等[6-7]。尤其是近些年遙感與地理信息技術在景觀生態學領域的應用，研究方法逐步由傳統的區域調查轉向遙感檢測[8-10]，并且實現多方法的集成應用[11-14]，大大提高了研究的效果，促進了景觀生態學的發展。

流域內的景觀是一個典型的地理綜合體，岷江中下游三江交匯區，地處四川盆地與西南山地、川西高原結合地帶，自然條件復雜多樣、動植物資源豐富。氣候受不同季風環流交替控制，降水豐沛，境內徑流量大。區域內分布著中亞熱帶—暖溫帶—溫帶—寒溫帶的垂直氣候帶譜。同時交匯區具有重要科學研究價值，為動植物資源、地理、土壤、水文、氣象和生態多學科研究提供了試驗場所。由于近些年岷江中游沿岸地區的城市化進程，使得該地區的地表景觀發生了改變，加之區域微氣候的調整和變化，導致地表植被類型發生了轉化。三江交匯處的生態環境對岷江下游徑流量、工農業發展都會產生影響。鑒于此，本文以生態景觀理論為基礎，地理信息與遙感技術為支撐，研究該區域景觀格局與生態過程之間的關系，揭示交匯區景觀演化的驅動力機制，為該區域自然資源開發與合理利用提供科學參考。

1 研究區概況

三江交匯區位于四川省南部，岷江、大渡河、青衣江交匯處，地理跨度為東經103.3°～104.1°，北緯29.0°～30.0°，區域總面積為275 600 hm2（圖1）。該區處于岷江中下游，屬于丘陵山地地貌，最高處為峨邊縣馬鞍山主峰，海拔4288m；最低點為犍為岷江口，海拔307m。氣候上屬于中亞熱帶季風氣候區，分布著中亞熱帶—暖溫帶—溫帶—寒溫帶的垂直氣候帶譜，四季分明，平均氣溫在16.5～18.0度，年均降水量1000mm以上。三江交匯區植被的垂直帶譜明顯，區域以闊葉林為主，隨之海拔升高由亞熱帶喜暖性低山常綠闊葉林—亞熱帶耐寒性中山常綠闊葉林—亞熱帶常綠落葉闊葉混交林。同時在林地間隙分布著灌叢和草甸以及農田植被，在岷江、大渡河與青衣江河谷兩側以及交匯處分布著部分河灘草地。

2 數據獲取與研究方法

2.1 數據獲取與處理

圖2 景觀類型面積統計

本文使用Landsat TM、ETM+兩種傳感器數據，具體過境日期：1990-8-4 TM數據，2002-8-13 TM數據，2014-7-28 ETM+數據，數據空間分辨率為30m，光譜范圍為0.45～12.50μm。數據下載自美國USGS全球數據共享服務平臺；地理輔助數據，DEM（30m）、氣溫、降水、四川省土地利用變化數據（30m）、岷江、大渡河徑流數據來自寒區旱區科學數據中心；社會統計數據，如區域內人口數量、糧食產量、城市面積來自樂山市統計局；景觀采樣數據，對研究區進行實地景觀采樣，全區共計采樣32個樣點。利用ENVI4.8與Matlab9對于三期遙感數據進行了幾何與光譜校正，根據land-cover數據、zy03高分辨率數據和實地采樣數據結合本文研究目標，建立區域景觀分類系統：林地、草地、農田、河灘草地、水體、居民地、裸地。在e-Cognition Developer 軟件中對三期遙感數據進行分割與分類，同時對分類結果利用采樣數據進行精度驗證， Kappa系數為92.4%。景觀指數提取是基于Arcgis10.1與Fragstats4.2完成。社會統計數據（人口、GDP、糧食產量等）利用Origin Pro 9.0進行數理統計與PCA主成分分析。

2.2 研究方法

（1）景觀指數

景觀格局特征可以在三個層次上進行分析：單個斑塊、斑塊類型、整體景觀。因此，景觀格局指數也分三個層次：斑塊水平指數、斑塊類型水平指數、景觀水平指數。景觀指數的評價除了考慮單個景觀格局指數的適應性和描述能力，還要將單個景觀指數置于景觀指數體系中綜合考慮。實際應用中，景觀指數的選擇要參照景觀指數的特點、研究目的、研究內容。若不考慮實際意義，計算大量不相干的景觀指數，則失去了景觀格局研究的本意。基于研究區在景觀格局分析方面的重點，以及考慮各個景觀格局指數的生態意義、內涵和信息疊加，選擇了以下幾方面的景觀指數：斑塊面積指數（CA）、斑塊面積百分比（PLAND）、最大斑塊指數（LPI）、聚合度指數（AI）、斑塊個數指數（NP）、密度指數（PD）、散布與并列度指數（IJI）、景觀形狀指數（LSI）、香農多樣性指數（SHDI）、面積方差指數（ARE_CV）、面積均值指數（ARE_MN）

（2）面積轉移矩陣

本文在分析1990年、2002年、2014年三期景觀的轉化與轉移過程，采用的是轉移概率矩陣方法。景觀類型轉移的確定原理為，A1年到A2年的各個景觀類型平均單位轉化面積占原有該景觀類型面積的百分比，例如，把水體區域轉化為其他景觀類型的轉化率作為第一行，裸地景觀轉化為其他景觀類型的轉移概率作為第二行，以此類推，建立轉移概率矩陣，因此，可以使用如下列數學表達式來表達轉移矩陣：

公式中Pij表示景觀類型i轉換成景觀類型j的轉移概率，其中Pij為正值，每行概率值相加為1。

（3）主成分分析

主成分分析（principal component analysis, PCA），是一種多元統計分析方法，該方法可以將多個變量轉換降維，提取出少的新變量，并且含有多個變量的主要信息[15,16]。本文利用影響區域景觀類型變化的因子與區域景觀CA指數建立相關性分析，統計出與CA變化的相關系數矩陣，將置信度水平大于0.05的因子進行主成分分析，獲取主成分載荷矩陣，從而分析導致區域景觀發生變化的主要影響因素和貢獻率。

3 結果分析

3.1 三江交匯區景觀類型空間分布

結合研究區的地表自然景觀的類型和分布特點，建立了分類系統，將地表景觀劃分為：林地、草地、農田、裸地、水域、居民地六種（圖3）。通過對三期遙感數據進行解譯，對解譯結果利用四川省土地利用覆被數據集和2014年的資源三號遙感數據進行圖像對圖像形式精度驗證，三期分類結果的kappa系數均高于90.1%。1990年數據分類結果顯示（圖2），三江交匯區主要的景觀類型為農田，占全區72.83%；其次是林地，占15.98%。全區景觀類型面積排序依次是：農田＞林地＞水體＞居民地＞草地＞裸地。2002年農田所占比例75.48%，其次分別是林地＞水體＞居民地＞草地＞裸地，2002年面積最大斑塊仍然為農田，并且增加了2.65%，而林地和草地明顯減少，其中草地減少的較多，減少了3%。居民地所占面積增加較明顯。到2014年農田所占面積下降，而林地、草地明顯增加，相比2002年林地增加了3.57%；同時居民地增加也較多，增加了3.41%。

3.2 三江交匯區景觀指數分布特征

圖3 三期遙感數據分類結果

表1 1990 年三江交匯區各景觀類型格局指數

表2 2002 年三江交匯區各景觀類型格局指數

表3 2014年三江交匯區各景觀類型格局指數

一些重要的生態過程受到NP指數的影響，NP指數表示某種景觀類型圖斑的數量，可以體現出景觀的異質性，其決定了整體生態景觀中的每種類型景觀的空間分布，對區域的同景觀類型的分布穩定性產生重要影響。同時NP指數對景觀受到外部干擾的蔓延有強化作用，如某種景觀類型板塊數目較為稀疏，對于外部干擾的蔓延就會起到抑制作用。通過表1可以看出，1990年研究區內NP值最大值1496，是農田景觀類型，其IJI指數最低為50.53%，而且農田景觀的聚合度指數AI又高（值為96.09%），從而說明研究區農田景觀一旦受到來自外部的干擾，其受到的影響就很大，農田景觀自身就會產生較大的變化，同時農田形狀指數LSI較大，體現農田區域分布形狀較為復雜。草地的AI值最大，說明草地斑塊的整體聚合度較高，同時面積指數CA最大，斑塊數又較少，表明草地景觀類型由較多大的斑塊組成，具有較低的異質性，并且ARE_MN最大，從而證明草地景觀連通性較好，景觀具有一定的規模。林地ARE_CV系數較大，說明林地在整個區域分布較為分散，斑塊較大。

圖4 1990—2014年林地、草地景觀空間變化

表4 各類景觀CA指數與驅動力因子相關系數矩陣

2002年交匯區水體的NP最大，PD值最大，同時IJI較小，說明水體發生了明顯的變化。農田的形狀指數LSI最高，說明農田景觀類型中斑塊的形狀極為復雜，同時農田的NP數量大，最大斑塊指數LPI也較高，體現出了農田分布具有斑塊小而且多、復雜的特征，并且小斑塊還有聚集度較高的特點。此時的草地斑塊個數也較多，同時，散布與并列度指數IJI也較高，而且AR_ CV平均斑塊變異系數較高，說明草地受到外部影響較大，由于區域內河網密布，草地分布較為分散，同時草地最大斑塊與最小斑塊差距較大，此情況與三江交匯處河灘草地表現出的特征吻合。

NP值的大小與景觀破碎度有很好的正向相關性，表3中可以看出2014年草地的NP最大，為205，說明草地在全區內分布較為破碎。并且斑塊密度PD值是所有景觀類型中最高的，也表達出斑塊分布破碎，并且呈現集中分布的態勢，與NP體現出來的分布特征一致。同時草地的景觀形狀指數LSI值最大，該區內土地景觀類型中草地斑塊形狀特征較為復雜。另外林地最大斑塊指數LSI值較高，同時聚合度指數AI也處在較高的區間，說明林地分布相對集中，雖然整體呈現一定規模，表面上看分布較完整，但是其內部存在一定的破碎性。

3.3 三江交匯區景觀動態演化與驅動力

將景觀變化的時期分成1990—2002年、2002—2014年，通過在Arcgis10.1中進行空間分析運算，得到兩個時期景觀類型的面積轉移矩陣（略）。1990—2002年期間，耕地增加了近760hm2，農田增加主要是來自林地和草地的轉化，其中草地轉化了近700hm2。居民地的增加是由草地和林地轉化而來。該時期內較明顯特點為草地急劇減少，而耕地增加明顯。2002—2014年期間，耕地明顯減少，減少3480hm2，農田減少量轉化成林地和草地的增加，林地和草地增加量分別為1030hm2和1490hm2。1990—2002年草地轉化成耕地的區域主要發生在青衣江西岸和岷江（交匯處）東山地南坡區域。而林地轉化成耕地較明顯的區域為大渡河南岸的安古鎮周圍，與岷江和青衣江中間丘陵區域。2002—2014年林地和草地出現了明顯的增加，其空間部分集中在綿竹北岷江西岸地區，尤其草地在該區面積擴大明顯，其他地區如：臨江河、泥溪河兩側也出現了不同程度的增加。而林地增加較為明顯區域分布在大渡河南岸，安古鎮南側和研究區的東北部山地，此區域特點是平均海拔在500m以上，屬于丘陵山地，而這個時期剛好與樂山市政府實施對丘陵山地進行退耕還草、還林時期復合。

引起地表景觀發生變化的驅動力主要分為自然因素和社會因素（人文因素），本文在探究引起研究區景觀變化的驅動力時，考慮到時間序列較短，而短期氣候變化相對較為穩定，而導致景觀發生變化的驅動力主要集中在社會因素。因此利用PCA分析方法將影響區域景觀變化的因子設置成自變量x（x1—農業人口數量、x2—糧食產量、x3—大牲畜頭數、x4—播種面積、x5—城市人口、x6—農業GDP、x7—工業GDP、x8—商品房審批面積、x9—果品產量），將各景觀類型的CA指數設置成因變量y（y1—林地、y2—草地、y3—農田、y4—河灘草地、y5—居民用地、y6—裸地），將以上數據按照年份1990年、2002年、2014年基于Origin9進行相關性分析，得到景觀類型與社會因子相關系數矩陣，如表4所示。對通過0.05和0.01置信度水平檢驗的變量，進行主成分分析得到載荷超過0.8的變量PC1和PC2主成分。結果表明導致區域景觀發生變化的主要驅動力因子是農業耕作面積擴大和城市化進程，此結果與樂山市近20多年的土地政策與城市化特點相符合，在近十年依賴樂山市政府實施退耕還林、還草，并且主要針對海拔超過500m的丘陵山地區域，建立生態保護區，從而使得三江交匯區的林地和草地面積逐年增加。而居民地面積明顯增加的主要原因是區域城市化進程導致，其中最明顯的是成綿樂鐵路和高速路網的完善，使得三江交匯區的土地類型向建設用地轉化加快，主要集中在樂山市中區和周圍城鎮。

4 結論

1990—2014年研究區景觀類型面積排序為：研究區內景觀類型排序：農田＞林地＞草地＞水域＞居民地＞裸地。優勢景觀為耕地景觀，所占比例由72.83%下降到63.32%；草地所占比例呈現波動變化，總體增加了2.81%；林地比例由15.98%上升到18.79%；居民地所占比例升高了4.1%。1990年研究區內草地景觀易受到外部干擾，其分布形狀復雜；林地景觀整體聚合度較高同時具有較低的異質性，分布通透性好、規模連續；農田分布較為分散且斑塊較小。2002年農田斑塊分布復雜化，同時具有聚集度高的特點。2014年研究區內農田優勢地位下降，此時農田分布比較破碎并且呈現集中的態勢。草地分布規模性較好、分布較為完整，但是內部存在一定的破碎性。

1990—2002年期間，耕地增加了近760hm2，農田增加主要是來自林地和草地的轉化，其中草地轉化了近700hm2。草地轉化成耕地的區域主要發生在青衣江西岸和岷江（交匯處）東山地南坡區域。2002—2014年期間，耕地明顯減少，減少3480hm2，農田減少量轉化成林地和草地的增加，林地和草地增加量分別為1030hm2和1490hm2。其空間部分集中在綿竹北岷江西岸地區，尤其草地在該區面積擴大明顯，而林地增加較為明顯區域分布在大渡河南岸。導致三江交匯區景觀類型相互轉化的主要原因：一是，退耕還林、還草政策實施，海拔超過500m的丘陵山地區域，建立生態保護區，從而使得三江交匯區的林地和草地面積逐年增加。二是，區域城市化進程導致，其中最明顯的是成綿樂鐵路和高速路網的完善，使得三江交匯區的土地類型向建設用地轉化加快，主要集中在樂山市中區和周圍城鎮。

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The Change of Landscape Pattern in Middle and Lower of the Minjiang River

WANG Haijun1, WU Kejun2,3*, KONG Xiangdong1, ZHANG Bo4

(1. Engineering & Technical College of Chengdu University of Technology, Leshan 614000; 2. Tourism College of Leshan Normal University, Leshan 614000; 3. Tourism Development Research Center of Sichuan, Leshan 614000; 4. The College of Geography and Environmental Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070)

GIS and remote sensing technology has played an important role in change monitoring in the field of geographic and ecological landscape. In this paper, data of three times remote sensing, TM in 1990 and 2002, ETM+ in 2014 were usd to detect the land use cover change, extract the index of different types of landscape, and calculate the transfer matrix to count the landscape area, and point out the driving force of landscape pattern change in the Minjiang River. The results showed that: (1) The landscape area sort: farmland ＞woodland ＞ grassland ＞ water ＞ residential land ＞ bare land in the study area. The dominant landscape was farmland and its proportion fell to 63.32% from 72.83%, farmland area decreased 3480 ha. But the overall proportion of grassland, woodland and residential land was raised in the study period. (2) The grassland landscape was susceptible to external interference in 1990, and its distribution shape was complex. The distribution of forest land is concentrated and continuous, and the permeability is good; the farmland is scattered and the patches are smaller. In 2002, the distribution of farmland patches was complicated, and it was characterized by high aggregation. The dominance of farmland declined in the study area in 2014. At this time, farmland distribution was broken, and showing a concentrated situation. The grassland distribution scale was better, but there was a certain fragmentation in the interior. (3) The main reasons for the landscape change in study area are as follows: first, the policy of returning farmland to forests and grassland has been put into effect, and an ecological reserve has been set up in hilly areas over 500m above sea level. Second, the land types transformation to construction land has been accelerated due to the improvingrailway and highway network, mainly concentrated in the central district of Leshan city and surrounding towns.

middle and lower of the Minjiang River; landscape pattern; dynamic analysis; driving force mechanism

P901

1674-6252（2017）03-0095-08

A

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.03.095

四川省教育廳自然基金項目（16zb0402）；樂山市科技局重點基金項目（16szd030）；四川省社會科學重點研究基地——四川旅游發展研究中心立項課題（LYC17-34）。

王海軍（1984—），男，講師，從事環境遙感與LUCC研究，wanghaibo.2006@163.com。

*責任作者： 武克軍（1978—），男，博士，從事生態修復與生態經濟研究。