災后重建干擾下蘆山縣景觀生態格局的變化特征

彭勃, 付永勝

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災后重建干擾下蘆山縣景觀生態格局的變化特征

彭勃, 付永勝*

西南交通大學地球科學與環境工程學院, 四川, 成都 611756

運用GIS技術和景觀生態學方法研究了蘆山縣在災后重建人為干擾下的景觀生態格局變化特征。結果表明：(1)地震后災后重建對景觀結構破壞嚴重, 景觀變化和和人為干擾有主要關系, 景觀格局指數的變化與人為干擾強度變化基本一致; (2)2013年, 沿蘆山中北部河谷地帶工程建設用地和居住用地逐漸增加, 裸露山體主要集中在中南部, 林地破碎化非常嚴重, 耕地逐漸向中部和北部河谷地帶擴展; 2017年, 裸露山體大幅減少, 南部耕地大量向中北部擴展, 蘆山縣中南部區域新增大量居住用地和建設用地, 濕地大量減少, 草地主要集中分布在北部高山區域, 林地面積由北到南逐漸減少; (3)2013年總體干擾度為 0.587, 蘆山縣中部以重度干擾為主, 穿插一些輕度干擾, 南部則以中度、重度和極重度干擾為主, 人為干擾對景觀格局破壞嚴重; 2017總體干擾度為0.425, 干擾分布呈現均勻化特征, 中度、重度和極重度干擾區主要分布在中部和南部, 沿河谷平原呈現帶狀分布; 大量輕度和極輕度干擾區出現在北部、中部和南部、并開始包圍極重度和重度區域, 有逐漸“分解”重度和極重度區域的趨勢; (4)2013至2017年, 景觀均勻性減弱, 出現不同景觀類型相互競爭、相互滲透交錯的格局; 優勢景觀具有較強的競爭力和輻射力, 劣質景觀要素被包圍和分解; 居住用地景觀和工程建設用地景觀處于景觀權重核心地位, 其輻射能力及輻射的穩定性強于其他景觀, 為其他景觀格局變化提供源動力。

人為干擾; 災后重建; 蘆山縣; 景觀生態格局

1 前言

2013年4月20日四川省雅安市蘆山縣境內發生7.0級地震, 是繼2008年5月12日汶川8.0級地震之后在龍門山斷裂帶上發生的又一次災害性地震事件[1-4]。蘆山地震災區屬于中國生態重要性比較高的區域, 地處青藏高原和成渝城市群過渡地帶, 其生態恢復與重建對整個長江流域的水土流失治理及生態安全具有重要的現實意義。地震后災后重建持續時間較長, 導致蘆山縣的生態環境質量發生了巨大變化, 災后重建對土地利用和景觀格局變化影響十分強烈, 因此, 研究蘆山縣進行景觀生態格局變化能發現災后重建對生態環境產生的影響, 也能找出災區生態環境恢復的優劣點, 這是地震災后重建工作的重要基礎[5-7]。

目前關于中國橫斷山區地質、地貌、水文、土壤、動植物資源及生物多樣性[8-11]已有較多研究和報道, 而對于該區大中尺度的土地利用景觀格局時空變化特征的研究還較少。因此, 本文利用GIS技術和景觀生態學方法, 對災后重建5年來蘆山縣景觀生態格局時空變化特征進行分析, 為蘆山縣災后重建提供技術支持, 也對長江上游生態環境建設和土地的可持續利用提供科學依據[12]。

景觀格局變化受到自然和人為干擾因素綜合作用, 人類活動對景觀格局的影響尤為突出[13-14], 人為干擾影響景觀內物種的豐度、分布、種群的生存能力, 同時影響到該景觀的生態過程和邊緣效應[14-15], 景觀格局變化及其驅動機制分析是地理學和景觀生態學領域長期關注的熱點問題[16-17]。目前國內外相關研究主要采用景觀格局指數和景觀動態變化模型研究景觀格局演變特征, 景觀格局指數是景觀格局信息的高度概況, 是反映景觀結構組成、空間配置特征的量化指標, 是景觀格局研究的重要指標之一[18-19]。

2 研究區概況與數據來源

2.1 研究區概況

蘆山縣位于雅安地區東北部, 青衣江上游。地處四川盆地西部邊緣, 龍門山的南段, 于四川盆地與青藏高原的過渡地帶。北與汶川縣連界, 東北與崇州市、大邑縣、邛崍市毗鄰。總體上呈北高南低、西高東低之勢。區內山峰連綿起伏, 河谷縱橫, 地勢復雜, 山地面積約占93.24%[20-21]。全縣幅員面積1166.58 km2, 轄5鎮4鄉46個村(社區)256個村民小組, 2014年末常住人口11.95萬, 其中農村居民7.86萬人, 城鎮居民4.09萬人, 縣城距雅安31 km, 距成都156 km(圖1)。

作者于2013及2017年期間對震蘆山縣進行了多次實地調研, 收集了大量重建后生態環境現狀與地質災害資料, 以2013年和2017年共2期遙感影像數據為線索, 獲取林地、耕地、濕地、草地、水域、建設用地、居住用地和裸露山體等8種土地利用類型的面積變化。

2.2 數據來源

數據來源主要以遙感影像為主, 配合現場調查統計數據, 共有2個部分來源。

(1)遙感影像數據為Landsat7 ETM+、Landsat 8 OLI影像數據, 中科院對地觀測與數字地球科學中心的SPOT-5影像;

(2)現場調查數據包括蘆山縣年鑒、蘆山縣國土局和蘆山縣住建局等數據及資料(表1)。此外, 還包括對蘆山縣多個鄉鎮進行的野外現場圖像收集資料。

2.3 數據前期處理

(1)使用ArcGIS10.2軟件對DEM數據進行幾何校正及數據中雜點的消除, 以現場獲取的各個點作為參考, 獲取分析用的海拔、坡度、坡向等數據;

(2)土地分類采用計算機自動分類和人工分類相結合的方法, 在Erdas Imagine 9.0環境下, 先對影像進行監督分類, 再結合地形圖、植被圖等輔助資料, 人工目視解譯修改分類結果, 提高解譯精度, 2013和2017年2期分類圖的總體分類精度分別為90.64%和91.51%, 能滿足精度要求。使用ArcGIS10.2軟件對地圖進行編輯, 進行數字化分析, 完成未利用地、林地、耕地、濕地、草地、水域、建設用地、居住用地和裸露山體分布圖像的制作。

圖1 蘆山縣地理區位

表1 蘆山縣基礎數據表

注：人口和土地數據主要通過蘆山縣年鑒、蘆山縣國土局和住建局資料分析整理; 城鎮建設、自然植被和農田耕地面積屬于總面積的一部分, 三類用地總和不等于總面積, 其他用地面積將通過遙感影像解析得到。

3 研究方法

3.1 景觀指數計算

景觀指數可以定量地描述景觀格局, 建立格局與過程的聯系, 更好地理解與解釋景觀功能[22-23]。論文選擇斑塊密度()、最大斑塊指數()、破碎度()、優勢度()、連接度()、蔓延度()、香農多樣性指數()和香農均勻度指數()等8個景觀格局指數進行研究。景觀指數的計算通過Fragstat4.2完成, 從景觀類型的基本特征及空間演化等角度定量揭示景觀格局演變過程。為了直觀分析蘆山縣2013和2017年2個時期景觀指數的空間變化, 運用網格分析法研究景觀指數的區域內差異, 在前人研究基礎上, 結合研究區的范圍[24-26], 首先運用ArcGIS10.2生成大小為1km×1km的網格, 然后計算不同時期各網格的景觀指數, 并采用Kring插值對景觀指數進行插值, 得到不同時期蘆山縣景觀格局空間分布圖。各景觀指數計算公式見表2[27-29]。

3.2 人為干擾度計算

干擾強度表示人類的干擾作用, 干擾強度越小, 越利于生物的生存, 因此, 其針對受體的生態意義越大。人為干擾度指數(, 簡稱HI)能反映人類對生態環境的干擾程度, 根據前人的研究成果[30-34], 結合蘆山縣的景觀類型和實際情況, 對蘆山縣的土地利用景觀類型加上道路與護坡等共9類指標進行人為干擾指數賦值(表3)。通過分析人為干擾強度能發現災后重建對蘆山縣景觀格局變化的影響機制。

根據公式(1)結合人為干擾賦值計算某個網格單元的人為干擾度：

表示某個網格單元的人為干擾度,HI表示第類景觀類型的干擾度賦值,S表示第類景觀類型的面積,表示網格單元的總面積。人為干擾度大小及時空分布可以反映出人為干擾對景觀格局變化對的影響機制。人為干擾度的時空分布將使用ArcGIS 10.2來制作完成。

表2 景觀格局指數公式

表3 景觀類型人為干擾度賦值

注: HI取值范圍為0＜HI＜1, 越靠近0表示完全無任何干擾, 越靠近1表示完全干擾。

4 結果與分析

4.1 景觀要素空間分布特征

利用景觀指數分析軟件 Fragstats4.2計算2013和2017年蘆山縣的景觀指數(表4、表5), 并繪制土地利用景觀格局空間分布圖(圖2), 通過表格數據和圖形空間分布情況分析蘆山縣景觀指數的時空變化特征。

圖2 蘆山縣景觀要素空間分布

表4 2013年及2017年蘆山縣景觀結構指數

4.1.1 景觀格局指數變化特征

從表4數據可以看出：濕地、草地、水域和都是上升, 但變化不明顯, 人為干擾對其影響較弱; 裸露山體和都是下降, 主要因為受到地震破壞后, 人工干擾增多, 例如加強護坡建設和人工植被修復來加強山體穩固性, 使其逐漸恢復; 林地和持續下降, 和人為干擾有主要關系, 主要是因為地震后災后重建導致工程用地和居住用地持續增加占用了大量林地, 并且地震破壞林地形成大量裸露山體; 耕地和都是上升, 主要是因為2013年第二次地震, 蘆山位于震中, 破壞比2008年嚴重, 災后重建力度也比2008年強, 人為干擾災后重建力度很大, 所以出現人口大量回流, 同時縣城建設占用大量原有河谷平原優質耕地, 使得耕地斑塊向蘆山北部河谷轉移; 建設用地和下降, 主要是因為2013年第二次地震, 由于地震破壞大于2008年, 災后重建工程量也加大, 所以人為干擾對土地破壞加重, 到2017年重建完成, 開始下降; 居住用地和都是上升, 主要因為人口回流加快對居住房屋需求很大, 2013年地震后災后重建力度持續上升對景觀結構破壞嚴重。

從表5數據庫看出：下降, 主要是因為2013年地震后災后重建人為干擾對景觀格局持續破壞, 到2017年, 災后重建基本完成, 并進入生態質量提升階段, 由于有2008年第一次災后重建作為基礎, 所以2013年開始的第二次災后重建人為干擾并未產生較多劣質斑塊, 出現較多的是居住用地斑塊和耕地斑塊;、和都是持續上升, 主要因為2013及2017年工程建設斑塊、居住用地斑塊和耕地斑塊增多, 占據優勢, 原有自然破碎斑塊被分解, 通過新建道路和護坡進行連接, 使景觀格局出現新的連接廊道, 構建了新的景觀體系, 新的景觀格局在人為干擾下能夠進行自我擴展和完善;持續下降, 說明2013及2017年災后重建人為干擾導致景觀結構從復雜變為簡單, 說明各景觀類型所占比例差異增大, 景觀異質性降低; 2013及2017年均逐步上升, 表明優勢景觀類型的份額增加, 單一組分對景觀的格局控制作用增強。

4.1.2 景觀格局空間分布特征

從圖2可以看出：2013年, 發生第二次地震, 蘆山位于震中, 人口大量回流增加, 由于原有一些裸露山體還未完全恢復, 所以造成更多裸露山體出現, 主要集中在中南部, 特別是震中周邊5至10km區域, 林地破碎化非常嚴重, 由于災后重建需要, 蘆山縣城屬于重點建設區域, 居住用地和工程建設用地增加, 所以占用大量耕地, 導致耕地開始減少, 耕地逐漸向中部和北部河谷地帶擴展轉移, 其他鄉鎮鎮區面積也逐漸擴大, 導致小型工程建設用地和居住用地沿河谷地帶逐漸增加, 同時破壞了濕地和林地; 2017年, 修建了大量護坡對山體進行穩固, 新建道路對景觀格局進行優化, 出現很多人工綠地對裸露山體進行恢復, 但同時南部占用大量耕地, 導致南部耕地大幅減少, 耕地繼續向中北部大量擴展轉移, 并新增大量居住用地和建設用地, 所以蘆山縣中南部區域人為干擾最重, 濕地也受到大量影響減少; 此外, 大量草地主要集中分布在北部高山區域, 林地面積由北到南逐漸減少。

4.2 景觀格局人為干擾分布特征

利用公式(1)計算單個網格人為干擾度, 進行數值分析后得出單個網格干擾分布圖像, 結合ArcGIS10.2的影像疊加技術對蘆山縣的災后重建人為干擾因子進行疊加分析, 之后將每個網格影像疊加得出蘆山縣 2013和2017年景觀格局人為干擾空間分布圖(圖3)。

2013年發生的地震和2008年地震間隔很短, 剛恢復較好的部分區域再次受到嚴重破壞, 第二次人為干擾又開始影響蘆山縣景觀格局; 由于蘆山處于震中, 所以災后重建工程量很大, 大量外出務工人員回流服務災后重建, 所以人為干擾力度很強, 總體干擾度達到0.587, 造成蘆山縣中部以重度干擾為主, 穿插一些輕度干擾, 南部則以中度、重度和極重度干擾為主; 蘆山縣城工程建設量最多, 所以人為干擾最重, 北部由于人為活動較少, 所以干擾較輕, 總體干擾分布說明大量工程建設對景觀格局破壞嚴重。

2017年災后重建結束, 干擾分布呈現均勻化特征, 中度、重度和極重度干擾區主要分布在中部和南部, 并且沿河谷平原呈現帶狀分布; 大量輕度和極輕度干擾區出現在北部、中部和南部、并開始包圍極重度和重度區域, 有逐漸“分解”重度和極重度區域的趨勢; 大量基礎設施建設帶動經濟發展, 人口持續增長16381人(表1), 由于修建大量道路與護坡, 所以人為干擾度較高, 但人為干擾在單元網格上的作用逐漸減弱, 總體干擾度為0.425, 但從發展趨勢看, 工程建設完成后, 未來生態環境進入自我恢復階段, 景觀格局逐漸完善, 說明災后重建人為干擾對生態環境恢復起到一定積極作用。

5 討論

5.1 景觀形態演化的時空特征

人為干擾對地震后蘆山縣土地利用變化有很重要的影響, 災后重建人為干擾的介入對土地利用的影響表現出“時間短”“速度快”、“范圍廣”的特點。蘆山縣景觀界線較為明確, 外緣以高山為邊界, 內緣以道路和河流為邊界, 起到分割景觀格局的作用; 災后重建對蘆山縣景觀格局的影響具有階段性和區域性的特征, 蘆山縣經歷過“5·12”汶川大地震波及, 在2008至2012年已經經歷過一次災后重建干擾, 在第一次災后重建過程中林地景觀形態在空間上存在較為顯著的分異特征, 景觀相對均勻, 未受城鎮影響力輻射的農村區域景觀也相對均勻, 蘆山縣城的景觀類型均勻性明顯減弱; “4·20”蘆山大地震發生后, 蘆山縣是地震嚴重破壞區, 所以初期災后重建力度很大, 隨著災后重建工程逐漸完成, 土地利用動態度開始呈下降趨勢, 人為干擾度從0.587減小至0.425, 林地持續下降、裸露山體大幅下降, 說明人為干擾對劣質生態環境進行逆轉, 未利用地、耕地、濕地、草地、水域、工程建設用地和居住用地仍然上升, 但幅度減緩, 說明土地變化幅度減輕, 生態環境開始好轉。在本次災后重建過程中, 蘆山縣整體景觀均勻性減弱, 出現不同景觀類型相互競爭、相互滲透交錯的格局, 林地大幅下降, 耕地向北部轉移, 工程建設用地和居住用地景觀成為優勢景觀, 由于優勢景觀具有較強的競爭力和輻射力, 所以劣質景觀要素被優質景觀要素包圍、分解, 整體景觀格局形態趨于均勻; 進入災后重建后期, 優勢景觀斑塊面積持續擴大, 景觀回歸均勻趨勢, 形態相對規則, 劣質景觀得以更新, 進入自我恢復階段。

圖3 蘆山縣景觀生態格局干擾空間分布

5.2 景觀格局演變的驅動機制

人為干擾在蘆山縣景觀格局演變過程中起到關鍵性作用, 在災后重建過程中, 居住用地景觀和工程建設用地景觀處于景觀權重核心地位, 其輻射能力及輻射的穩定性強于其他景觀, 呈以極核為中心的連片發展態勢, 因為城鎮具有較強的人口聚集性和生產力輸出性, 導致土地性質變化劇烈, 更為其他景觀格局變化提供源動力, 同時網絡化的道路和護坡加劇了景觀格局破碎化, 景觀破碎化后致使景觀斑塊數量增多。耕地景觀作為城鎮擴張的先鋒景觀, 其輻射作用波動較大, 景觀消長變化較劇烈。林地景觀一直在減少, 多數轉變為耕地, 工程建設和耕地擴張是災后重建的工作的中心, 伴隨著大量工程建設需求增長, 人口不斷增加, 所需耕地和居住用地也大量增加, 加快了土地轉變, 生產配套的生活設施不斷完善, 城鎮功能得以強化, 后期南部耕地景觀逐步向城鎮轉變, 北部出現大量新的耕地景觀, 裸露山體被工程建設加固修復, 有部分被人工植被替代, 轉化成新的景觀類型, 而濕地、河流、草地作為固定景觀類型變動不大。

此外, 人口增長對人為干擾增強有正相關關系, 人口增長越多, 干擾越強, 反之越弱; 人為干擾對土地利用變化的影響較明顯, 特別是在裸露山體、耕地、工程建設用地和居住用地四類土地變化上最劇烈, 與人為干擾呈正相關, 其他用地與人為干擾呈負相關, 隨時間向后推移, 未來干擾持續減弱, 土地變化度也會持續下降, 生態環境將持續變好。

6 結論

論文選取8個典型景觀格局指數, 以蘆山縣土地利用和景觀格局為研究對象, 對2013及2017年的蘆山縣土地利用和景觀格局演變過程進行分析, 可以得出如下結論：

(1)地震災區景觀格局變化和和災后重建人為干擾有主要關系。景觀格局指數的變化與人為干擾強度變化基本一致; 人為干擾導致景觀結構從復雜變為簡單, 各景觀類型所占比例差異增大; 人為新建道路和護坡完善了景觀結構, 對生態環境進行修復, 構建了新的景觀體系, 新的景觀格局在未來能夠進行自我優化和完善, 優勢景觀類型的份額增加, 單一組分對景觀的格局控制作用增強。

(2)2013年, 工程建設用地和居住用地沿中北部河谷地帶逐漸增加, 裸露山體主要集中在中南部, 林地破碎化非常嚴重, 耕地逐漸向中部和北部河谷地帶擴展; 2017年, 裸露山體大幅減少, 南部耕地大量向中北部擴展, 蘆山縣中南部區域新增大量居住用地和建設用地, 濕地也受到大量影響減少; 草地主要集中分布在北部高山區域, 林地面積由北到南逐漸減少。

(3)2013至2017年, 年總體干擾度從0.587下降至0.425, 人為干擾分布呈現均勻化特征, 中度、重度和極重度干擾區主要分布在中部和南部, 沿河谷平原呈現帶狀分布; 大量輕度和極輕度干擾區出現在北部、中部和南部、并開始包圍極重度和重度區域, 有逐漸“分解”重度和極重度區域的趨勢。

(4)2013至2017年, 景觀均勻性減弱, 出現不同景觀類型相互競爭、相互滲透交錯的格局, 優勢景觀具有較強的競爭力和輻射力, 劣質景觀要素被包圍和分解。居住用地景觀和工程建設用地景觀處于景觀權重核心地位, 其輻射能力及輻射的穩定性強于其他景觀, 為其他景觀格局變化提供源動力。

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Change characteristic of landscape ecological pattern in Lushan county by disaster reconstruction disturbance

PENG Bo, FU Yongsheng*

Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China

The change characteristics of landscape ecological pattern in Lushan county after the disaster reconstruction were studied by using GIS technology and landscape ecology method. The results are as follows. (1) After the earthquake, the post-disaster reconstruction has serious damage to the landscape structure, landscape changes and human disturbance are closely related, and the change of landscape pattern index is basically the same as that of human disturbance intensity.(2) In 2013, the construction land and residential land in the northern valley of Lushan increased gradually; bare mountain mainly concentrated in the south; woodland fragmentation was very serious; the cultivated land gradually spread to the central and northern valleys.In 2017, the bare mountain was drastically reduced; a large number of cultivated land in the south expanded into the north;residential land and construction land increased in the south of the region; wetland was reduced; grassland was mainly distributed in the northern mountainous areas; woodland area from north to south gradually was reduced.(3) The overall disturbance in 2013 was 0.587. Lushan county was mainly severed disturbance, and interspersed with some minor disturbance; the south was mainly moderate, severe and very serious disturbance human disturbance on the landscape pattern of serious damage. In 2017 the overall disturbance was 0.425. The disturbance distribution was homogenized; the moderate, severe and extremely severe disturbances were mainly distributed in the middle and south, along the valley plains; a large number of mild and extremely mild disturbances occurred in the northern, central and southern regions and began to encircle the very severe and severe regions, with the tendency to "decomposing" severe and extremely severe areas.(4) From 2013 to 2017, the landscape uniformity was weakened; there were different types of landscape competition; the advantage of the landscape had a strong competitive and radiation; vulnerable landscape elements were scattered, surrounded, decomposed;the landscape of residential land and the landscape of construction land were in the core of landscape weight, and the radiation ability and radiation stability were stronger than other landscapes, and provided the source power for other landscape pattern changes.

human disturbance; disaster reconstruction; Lushan country; landscape ecological patterns

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.022

P901; X826

A

1008-8873(2018)04-178-10

2017-07-03;

2017-08-05

四川省科技廳科技支撐項目(2014SZ0058);四川省科技廳科技支撐項目(2015SZ0202)

彭勃(1986—), 男, 博士研究生, 講師, 主要從事生態修復與景觀生態格局研究, E-mail: 56353309@qq.com

付永勝(1963—), 男, 博士, 教授, 博士生導師, 主要從事環境評價與管理研究, E-mail: fuyosh@163.com

彭勃, 付永勝. 災后重建干擾下蘆山縣景觀生態格局的變化特征[J]. 生態科學, 2018, 37(4): 178-187.

PENG Bo, FU Yongsheng. Change characteristic of landscape ecological pattern in Lushan county by disaster reconstruction disturbance[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 178-187.