基于土地利用的丹江胡村—商鎮斷面控制流域景觀格局研究

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(1. 西安外事學院 人文藝術學院， 陜西 西安 710077； 2.江西農業大學 林學院/園林與藝術學院， 江西 南昌 330045)

景觀格局(也稱空間格局)，是指斑塊及其組成的單元類型、數量和空間布置等[1]，對景觀格局的分析已成為景觀生態規劃、建設、管理及評價等各方面應用的重要基礎。景觀的空間格局對控制物質、能量、信息的傳遞及其功能的發揮過程和形式有一定的影響[2-3]，在很大程度上決定著景觀性質的變化。從對景觀格局的數據分析中揭示出看似無序的景觀生態現象的內在規律，能將景觀的空間特征、時間的動態變化機制以及對景觀格局產生影響的外界因素表現出來，能夠為研究景觀格局和生態過程之間存在的作用關系提供理論上的支持。

自然界中存在最多且占據重要地位的景觀類型就是土地利用景觀，這種景觀受到自然環境和人為活動的影響比較大[4-5]。在景觀空間分析過程中，土地利用的景觀格局指數是一個重要的指標，這種方法的存在加大了空間格局和度量生態之間存在相互聯系的可能性[6]。利用景觀生態學的原理和方法對區域內景觀格局的一系列結構變化進行深入的研究，在區域尺度上分析人為影響下土地利用類型的變化以及功能發生變化的規律就是土地景觀格局的變化分析過程，這一過程的存在表明了在景觀區域內人地之間的關系存在著動態的變化[7-8]。

本文中利用丹江上游1985、1996及2000年土地利用數據和數字高程模型(DEM)為基本數據源，在地理信息處理軟件ArcGIS支持下，結合景觀格局分析軟件FRAGSTATS 3.3對丹江上游胡村、麻街、南秦化、南秦賀、商鎮共5個斷面控制流域景觀格局進行研究，從流域不同尺度上理解景觀格局，認識人類的社會活動對該流域的景觀格局以及生態過程產生的影響，從而確定人類各種不同強度的干擾活動導致該地區景觀格局改變的強度、方向性以及有效性，對該流域土地利用管理及區域規劃的合理布局提供數據，更為本區域可持續發展提供參考。

1 研究方法與內容

1.1 研究區概況

丹江是長江流域中較為重要的一條分支， 它始于秦嶺南麓， 經過了陜西、 河南、 湖北省， 于湖北省丹江口匯入漢江。 丹江流域面積為16 812 km2(其中陜西省境內流域面積為7 552 km2)，干流全長443 km(其中陜西省境內長為259 km)。 胡村、 麻街、 南秦化、 南秦賀、 商鎮這5個斷面控制流域屬于丹江水系(圖1)， 地理位置位于東經109°30′8.841″—110°22′51.798″，北緯33°37′6.652″—34°11′9.912″。受氣候和地形的影響，丹江流域降水量分布極不均勻，山地為多雨區且多暴雨，河谷及附近川道為少雨區。氣候季節性變化導致徑流不平衡，在某些季節會出現枯水期，這個時期水源主要來自地下水，它的供給雖然小但很穩定。1989年我國開始實施長江上游水土保持重點防治工程，營造經濟林和生態林，因而規劃區內居民根據種植及生產的需要，土地利用方式由單一農地向多種類型發展。

圖1 丹江上游5個控制斷面分布示意圖

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源與處理

DEM數據主要來源于網站http://datamirror.csdb.cn。該數據集利用ASTER GDEM第1版本(V1)的數據整理而來。在研究區域內的空間分辨率是30 m，經過投影會轉變為安全網關(UTM)的數字高程數據，數據被下載之后采用ERDAS 9.1軟件進行處理。經過上述過程分析處理后形成研究區DEM，同時對生成的丹江流域DEM進行填挖預處理、水流流向生成、提取河網、生成小流域、生成各斷面控制流域數據處理。

研究采用我國1985、1996及2000年的1∶10萬土地利用數據，該數據來源于網站http://westdc.westgis.ac.cn，從中國科學院“八五”重大項目“全國環境遙感宏觀調查與動態研究”(96-B02-01)數據庫中獲得。該數據采用美國陸地衛星Landsat MSS、TM和ETM等信息源，并請該領域的專家對數據進行認知，結合研究區的地形進行解譯得到。數據庫在經過了嚴格的野外考察之后發現，準確率近乎100%。

由于研究區域范圍廣，因此為了確保研究所得到數據的準確性及科學性，對土地利用分類中存在的二級地類進行合并，建立一個地理信息系統(GIS)數據庫，數據庫包含6種不同的土地利用景觀類型，然后運用ArcGIS系統在Spatial Analyst空間分析模塊支持下，將土地利用矢量數據轉換為分辨率30 m的柵格數據后在分析計算中使用。

1.2.2 分析方法

首先使用定量方法進行分析，利用景觀指數對景觀格局特征及其變化規律進行相應的描述，并對構建景觀格局和流域內景觀過程之間的聯系進行分析[9-10]。在計算過程中，通過分析對景觀格局指數有效性產生影響的因素發現，空間尺度、數據分辨率、各景觀指數生態學意義的可解釋性和相關性4個因素影響作用較大，同時土地利用分類方法因素的影響也較大。

其次應用景觀格局分析軟件FRACSTATS 3.3對5個控制斷面流域的參數進行分析并計算出相關指標，方法參照《FRAGSTATS 3.3操作手冊》。FRAGSTATS軟件把景觀指標按一定條件進行分類后得到3種級別，即斑塊級別(patch level)、斑塊類型(class level)、景觀級別(landscape level)。FRAGSTATS軟件所能計算的指標大多都存在一定聯系。由于丹江流域河谷眾多，考慮到當地社會經發展現狀及地形地貌因素，同時兼顧景觀生態學、美學因子，因此在選擇景觀指標時選擇的是斑塊密度(PD)、斑塊個數(NP)、蔓延度指數(CONTAG)、Shannon均勻度指數(SHEI)、聚集度(AI)、邊緣密度(ED)、Shannon多樣性指數(SHDI)、周長-面積分維數(PAFRAC)、面積加權形狀指數(SHAPE-AM)共9個指標； 在類型級別上分析景觀指標時重點選用了NP、 最大斑塊指數(LPI)、 PD、 ED、 PAFRAC、 面積加權的周長面積比(AREA-AM)、 SHAPE-AM、 聚集度(AI)、 最大形狀指數(LSI)、類型分離度(SPLIT)共10個指標。2種級別的景觀格局指數可以綜合反映區域土地利用的分布狀況、連通程度、多樣性及受人為干擾的程度，且所反映的上述指標能夠全面反映景觀格局中存在的問題。具體的計算方法與生態學意義詳見文獻[11-15]。

2 結果與分析

2.1 研究區土地利用變化特征

表1所示為丹江胡村—商鎮斷面控制流域土地利用年際變化。控制流域總面積為2 308.35 km2，其中在1985—2000年期間，胡村斷面控制流域內各種土地利用類型基本上沒有發生大的變化，土地利用保持穩定。

在這16年中，麻街斷面控制流域內耕地和林地面積先減少后增加，耕地最終增加0.78%；而草地是先增加后減少，最終減少0.2%，其原因是經濟發展和人口增加，需要更多的耕地來種植。南秦化斷面控制流域內耕地面積持續增長，增長比例為0.54%；林地面積有所減少，減少比例為0.12%；草地面積持續減少，減少比例為0.42%。

1985—2000年期間南秦化斷面所在地區人口的持續增長使得耕地面積整體呈增加態勢， 而耕地面積的增加主要是通過林地和草地的轉變而得以實現。南秦賀斷面控制流域內耕地面積最終僅增加0.04%；林地面積是先減少再增加，但最終減少0.01%；草地面積是先增加后減少，最終減少0.08 km2； 建筑用地增加近0.04 km2， 草地主要轉變為耕地和建筑用地， 而且建筑用地與耕地變化較為明顯。商鎮斷面控制流域內耕地和建筑用地最終分別增加0.28%、 0.03%；林地和草地面積最終分別減少0.04%、 0.27%，原因是大量的人類活動導致林草區域被破壞。

圖2所示為丹江胡村—商鎮斷面控制流域土地利用空間變化情況。 胡村斷面位于流域最上游， 分布有大面積山區， 當地居民多以務農為主， 因而林地面積比例最大。 沿丹江干流向下游延伸， 人口密度及經濟發展水平逐漸增加， 麻街斷面控制流域已出現多處畜牧業用地， 并進行了畜牧示范戶建設。 南秦化、 南秦賀斷面地區畜牧產業得到了快速發展，對林地的破壞程度增大。商鎮斷面控制流域交通便利， 基礎設施齊全， 經濟社會發展勢頭迅猛， 工業、 畜牧業、 城鎮化等方面都較上游各斷面控制流域好。可以看出，林地占各斷面控制流域面積的比例在減小(由48.83%減小至31.49%)，說明隨著流域總面積的增加，林地漸漸從原來的優勢景觀類型變成了現在的劣勢景觀，代替其地位的草地景觀類型占據的總面積比例從24.35%增加至41.73%。大、中、小城市往外擴展和新農村建設的實施也導致了建筑用地增加。各斷面控制流域從上游至下游方向耕地面積增加，主要原因是人口的增加使得糧食生產需求日益迫切，其比例的波動性變化主要緣于流域總面積增長幅度與耕地面積增長幅度相互制約。

表1 丹江胡村—商鎮斷面控制流域土地利用年際變化

圖2 丹江胡村—商鎮斷面控制流域土地利用空間變化

2.2 景觀格局指數變化特征

2.2.1 各斷面的景觀級別指數變化

丹江胡村—商鎮斷面控制流域的景觀格局指數見表2。從表中可以看出，從上游到下游方向各斷面的NP指數依次增大，這與其各自控制斷面流域面積增加相符。 通過數據分析可知， PD指數越大， 景觀的破碎化程度以及空間異質性程度就越高， 表2中PD數值從上游至下游方向呈現先增大后減小的趨勢， 南秦化斷面控制流域PD值最大(0.948)，說明在南秦化斷面控制流域景觀類型破碎度較高，人為干擾較大； ED指數也以南秦化斷面最大(51.197)，表明其斑塊邊緣割裂度高， 連通性較差； ED值越小則景觀保存越完好，連通性越好，以商鎮斷面控制流域為最好。

表2 丹江胡村—商鎮斷面控制流域的景觀格局指數

SHAPE-AM指數是度量景觀形狀的一個重要指標。當斑塊形狀在最大程度上緊湊類似正方形時，SHAPE-AM值為1；如果斑塊的形狀變得越來越復雜，SHAPE-AM指數值也會越來越大且不存在最大值。在表2中，SHAPE-AM數值從上游至下游方向呈現出逐漸增大的趨勢，表明胡村—商鎮各斷面斑塊形狀不規則度增加，僅在商鎮斷面有微弱減小，分布規模越來越趨向復雜。

PAFRAC指數的存在主要是為了表達不同類型中景觀所呈現的聚集程度及延伸趨勢，高蔓延度值說明該類型下的景觀中存在某種優勢明顯的拼塊類型且聚集程度較高，低蔓延度值則說明景觀的破碎程度高。PAFRAC呈現逐漸增加的態勢，這與SHAPE-AM所體現出的景觀類型特征一致。

SHDI指數主要反映景觀類型的數量以及它們所占據的比例，是斑塊的豐富度和面積分布均勻程度的綜合反映。表2中胡村—商鎮斷面的SHDI指數逐漸增大，說明隨著面積的增加，各斷面土地利用愈加豐富，景觀破碎度逐漸增加。

SHEI指數是SHDI指數除以給定景觀豐度下的最大可能多樣性[16]，其數值范圍為0～1。當數值越接近于1時，表明景觀中各個類型的斑塊分布是較為均勻的，不存在優勢斑塊。各斷面均勻度指數在波動中降低的趨勢說明其景觀類型分布均勻度降低，與SHDI的變化趨勢一致。

AI指數能夠很好地反映出景觀中斑塊的聚集程度[12,15]，研究區域內該數值與均勻度指數基本呈相反的規律，從總體上看，5個斷面從上游至下游方向相同斑塊類型連接度逐漸增加，各景觀類型的空間配置趨向集中。

斑塊間散布和分散程度對CONTAG指數有較為重要的影響。表2中CONTAG指數在各個斷面的變化趨勢是逐漸增大的，表明人類對綠洲景觀的開發、利用程度的加強，最終導致景觀多樣性、均一性的逐年降低。

2.2.2 不同景觀類型景觀指數分析

1)耕地景觀變化。丹江胡村—商鎮斷面控制流域不同景觀類型的景觀指數見表3。從表中可以看出，從流域上游至下游方向耕地景觀類型的PD指數以南秦化為最大(0.162)，說明其景觀破碎化程度最高，空間異質性也最高；LPI、ED指數逐漸減小，同時整體大于其他景觀類型；LSI、AREA-AM、SHAPE-AM、PAFRAC、AI和SPLIT指數均呈增大趨勢，同時耕地LPI、ED和AREA-AM指數整體大于其他景觀類型，表明隨著流域控制面積的增大，從上游至下游方向耕地景觀類型形狀趨向復雜，人為干擾強度逐漸增加，破碎程度增加。

2)林地景觀變化。林地景觀的NP、LSI、PAFRAC和SPLIT指數逐漸增大，LPI、ED、SHAPE-AM和AI指數總體呈減小趨勢，僅ED指數在南秦賀斷面有微小增加，表明胡村—商鎮斷面林地景觀類型的斑塊形狀逐漸復雜，不規則度增加，人為活動影響逐漸減小，但斑塊之間較為相鄰連通性較好。

3)草地景觀變化。草地景觀格局指數變化較為復雜，其中ED指數以南秦賀斷面控制流域最大，表明該控制流域內景觀割裂度較高，連通性低；而NP、LSI、PAFRAC和AI指數以最靠下游方向的商鎮斷面控制流域最大，表明隨著控制面積的增大，草地景觀的斑塊表現聚集的趨勢，并且連通性逐漸增加；SPLIT指數以南秦化斷面控制流域最大(243.3)，表明在該小流域內草地割裂程度較高，分布較為分散，景觀保存較差，連通性低。同時草地PD指數大于其他景觀類型，表明草地受人為干擾較大破碎度和空間異質性最高。

4)水域景觀變化。 水域景觀的ED、LSI、AREA-AM和SHAPE-AM指數隨著控制流域面積的增大呈現增大的態勢， AI和SPLIT指數則減小， 說明該水域內的景觀分布較為散亂， 且各個斑塊之間的聯系也很弱， 但從另一個側面說明了該水域存在擴張現象。

5)居民建設用地景觀變化。建設用地景觀的PD、ED、LSI、AREA-AM、SHAPE-AM、PAFRAC和AI指數均表現出增大的趨勢，而SPLIT指數的波動范圍卻減小了，這一現象表明建設用地景觀的聚集度增大，與此同時，其地形也變得更加復雜，相比其他景觀類型，其連接性與聚集程度也越來越高。

6)未利用土地的景觀變化。未利用土地僅在南秦賀、商鎮斷面控制流域出現，與其他景觀相比PD指數最小，SPLT指數最大，其他各項指數都相對較小，尤其AI指數均小于其他景觀類型，表明未利用土地受人類活動影響較大，大斑塊逐漸破碎成小斑塊，斑塊更分散不穩定性愈強。

表3 丹江胡村—商鎮斷面控制流域不同景觀類型的景觀指數

3 結論

本文中通過對丹江胡村—商鎮斷面控制流域土地利用及景觀格局的分析，初步得出以下結論：

1)經濟發展和人口增加使得研究區域從上游至下游方向流域整體表現出林地、草地景觀面積減少的趨勢，并逐漸向耕地景觀轉化。

2)丹江胡村—商鎮斷面控制流域的總面積為2 308.35 km2， 從上游到下游方向優勢景觀類型漸漸從林地變為草地，耕地景觀類型占總面積比例為波動性變化；隨著社會的發展，大、中、小城市逐漸開始往外擴展，國家實行新農村建設都導致了建筑用地的增加。

3)在景觀級別上，胡村—商鎮各斷面斑塊形狀不規則度增加， 分布規模越來越趨向復雜。沿丹江上游至下游方向， 隨著控制流域面積各斷面土地利用愈加豐富， 人類對景觀的開發、利用程度不斷加強， 最終導致景觀破碎度逐漸增加， 景觀多樣性、 均一性隨之逐年降低，各景觀類型的空間配置趨向集中。

4)根據對類型級別的景觀格局指數的分析可以看出，從上游至下游方向，耕地、建筑用地景觀類型形狀趨向復雜，人為干擾強度逐漸增加，破碎程度增加；隨著封育措施不斷發揮作用，林地、草地景觀類型均表現出聚集的趨勢，且連通性逐漸增加；未利用土地受人類活動影響較大，大斑塊逐漸破碎成小斑塊，斑塊不穩定性增強。

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