撫河中上游流域景觀格局演變研究

朱亞楠，李滿根，胡寶群，翟宏宇

(東華理工大學，江西 南昌 330013)

近30多年來，中國城市化進程不斷加快，城鎮化率由1979年的17.92%上升到2014年的53.73%，增長近2倍。人口的增加和城市的擴張使得景觀格局越來越復雜，生態過程及功能受格局的影響也不斷發生變化，表現為景觀受到強烈的分割與轉化，引發了高敏感性、脆弱性和頻發性的生態環境問題[1-6]。景觀格局及其變化是區域生態環境在自然因素和人類活動相互作用下的綜合反映,同時景觀結構的變化又影響著區域的生態過程[2-4]。因此，研究景觀格局演變是探討生態狀況、空間變異規律以及與生態過程相關的區域資源環境問題的重要途徑[5]。

撫河流域生態本底良好，具備使撫州綠色崛起、跨越發展的生態環境基礎。但隨著經濟社會發展與人口的增長，工業化、城鎮化進程加快，撫河流域生態環境仍有惡化趨勢。本文以撫河流域中上游為研究區，借助2001年、2009年、2017年3期的遙感影像，采用景觀格局指數分析法，分析了撫河流域中上游景觀格局的時空變化特征，為流域資源合理開發利用與環境可持續發展提供科學參考。

1 研究區概況

撫河流域地處江西省東南部，屬于鄱陽湖水系，是江西省第二大河流。撫河干流河長約344 km，流域面積16493 km2。撫河中上游(撫州境內)長301.4 km，面積15608.81 km2，占全市面積的82.95%，屬低山丘陵區，流域地勢自東南向西北傾斜(圖1)。撫河流域屬亞熱帶季風濕潤氣候區，雨量充沛，全流域多年平均降水量為1720 mm，多年平均蒸發量為1100 mm，流域內各地區平均氣溫在17.4～18.3 ℃之間；流域以紅壤為主，沿河兩岸分布沖積土，為農作物主要產地。

圖1 撫河中上游位置示意圖

2 數據來源及研究方法

2.1 數據的來源與處理

本研究選取了2001年、2009年、2016年3期Landsat TM/OLI影像。運用ENVI 5.1軟件進行大氣校正、鑲嵌裁剪、圖像增強等預處理，結合Google Earth影像，采用監督分類及人工目視解譯方法，得到3期景觀類型圖。具體參照2017年全國土地利用分類系統標準(GB/T21010─2017)及景觀類型分類原則，分為林地、農用地(包括耕地和園地)、建設用地、水域、灘地、草地及其他用地7類。

2.2 景觀結構變化分析

在ArcGIS中構建3期景觀類型圖的轉移矩陣，分析研究時段內各類型的轉移變化情況，具體刻畫景觀類型的構成變化特征及研究期初、期末各類型的流向[6-7]。轉移矩陣的數學表達形式如式(1)：

(1)

其中，S代表面積，n代表景觀類型個數，i、j分別代表研究期初、研究期末的景觀類型，Sij表示i地類轉向j地類的變化面積。

2.3 景觀格局變化的分析

景觀格局的研究主要集中于空間異質性和時間異質性2個方面[8-9],包括景觀結構在空間分布的復雜性、景觀結構在不同時段的差異性[10]。景觀指數是定量分析景觀格局的常用方法，能夠高度濃縮景觀格局信息，反映景觀結構的組成和空間配置等方面特征[11-12]。本文結合撫河流域中上游的實際情況及各景觀指數的實際意義，從斑塊類型水平和景觀水平2個方面，選取了8個指標(表1)，在Fragstats 4.2軟件中計算景觀格局指數。

3 結果與分析

3.1 景觀總體構成的動態變化

運用GIS軟件統計3期遙感影像分類結果，分析撫河中上游流域3個時期的景觀類型數量特征。從表2可知，撫河中上游流域在2001～2017年間，景觀類型以林地和農用地景觀為主，水域及建設用地景觀次之，草地、灘地及其他用地景觀占比極少，研究期內的3種景觀共占比約為1%。研究期內，建設用地景觀面積持續增加，2001～2017年增加了34492.5 hm2，增長幅度為99.49%；農用地、林地和水域面積持續減少，16年間分別減少了3.00%、1.62%和21.62%；草地、灘地景觀面積呈先減少后增加的趨勢，但研究期內總體仍呈減少趨勢；撫河流域中上游的其他用地景觀面積持續增加，2001～2009年變化較大，為115.90%；2009～2017年增幅稍微減小，為84.99%，主要是其他用地景觀中包含將轉化為建設用地的裸露土地，所以隨著城市化進程的加快，其面積也相應增多，與建設用地景觀變化趨勢基本一致。

表1 景觀格局指數

表2 撫河流域中上游2001～2017年的景觀變化

3.2 景觀類型的轉移特征

景觀類型的動態變化除了其數量特征，還可以從各景觀類型間的轉化上體現。通過構建撫河中上游景觀類型轉移矩陣，分析各景觀類型的轉移方向(表3)。撫河中上游景觀類型的轉化主要是農用地和建設用地、林地和建設用地、農用地和林地之間的相互轉化，以農用地和林地轉出，建設用地的轉入為主要特征。2001～2009年農用地、林地面積減少，農用地主要轉向林地和建設用地，分別轉化了68107.05、23166 hm2；林地主要轉向農用地和建設用地，分別轉化了9683.93、6865.65 hm2；2001～2009年建設用地面積大幅增加，建設用地的增加主要由農用地轉化而來，部分來自林地和水域。2009～2017年農用地、林地及水域面積持續減少，農用地的面積減少幅度有所下降，建設用地面積持續增加，但增長幅度有所減緩。2009～2017年農用地、林地、建設用地的主要轉變方向基本不變，但是林地向建設用地轉化的面積增加，農用地轉化為建設用地的面積減少。

3.3 景觀格局的變化特征

3.3.1 斑塊類型水平的景觀格局變化 2001～2017年撫河中上游流域農用地和其他用地2種景觀類型的NP指數呈增加趨勢，林地、草地、建設用地和灘地的NP指數呈“先減后增”的趨勢(圖2)。研究期內，撫河中上游林地的LPI指數始終處于較高水平，且遠超過其他景觀類型(圖3)，且林地景觀的面積占研究區總面積70%以上，表明林地景觀是撫河中上游的優勢景觀類型；農用地景觀的LPI指數相對較高，建設用地、草地、水域、灘地及其他用地景觀的LPI指數均較小(圖3)。2001～2017年間林地景觀和農用地景觀的LPI指數持續降低，但林地的變化幅度不大，而農用地的變化相對劇烈，表明撫河中上游區域林地景觀一直保持優勢，農用地景觀的地位稍有降低；建設用地景觀的LPI指數不斷增大，且變化劇烈，表明建設用地的優勢度不斷增長，建設用地景觀中大的斑塊面積不斷增加；草地、灘地及其他用地景觀的LPI指數在2個研究階段均呈增加趨勢，但變化不明顯。

圖2 2001～2017年NP指數的變化

從圖4可知，2001～2017年間，林地、農用地、水域的COHESION一直處于較高水平，且研究期內變化幅度不大，表明這3種景觀的斑塊的破碎化程度較小，且聚集程度較大；建設用地景觀的COHESION指數呈增加態勢，2001～2009年變化劇烈，2009年后變化幅度減小，表明建設用地景觀集聚程度增加，建設用地的空間上趨于集中分布；草地、灘地、其他用地的COHESION指數呈先增后減趨勢，草地、灘地景觀的變化不明顯，研究期內集聚程度相對平穩；而其他用地景觀2001～2009年的COHESION指數明顯增加至較高水平，2009年后稍有下降，表明其他用地景觀的集聚程度由2001年的較低水平明顯提高后趨于平穩發展，同時反映了其他用地景觀中因建設規劃而轉為裸露地表的景觀集聚程度較高。

表3 撫河中上游2001～2017年景觀類型的轉移矩陣 hm2

圖3 2001～2017年LPI指數的變化

3.3.2 景觀水平格局變化 研究區2001～2017年的PD指數呈先減后增趨勢，但總體降低，CONTAG、AI指數不斷降低(表4)，說明研究區的景觀破碎化程度有所增長，景觀的空間連接性減弱，景觀斑塊的聚集程度降低，大斑塊數量有所減少；SHDI指數呈不斷增長態勢，說明撫河中上游區域景觀異質性增大，景觀類型不斷豐富，景觀趨向于復雜化；SHEI指數相對較小，但不斷增加，說明撫河中上游流域景觀仍受優勢種林地所支配，但隨著社會經濟的發展和基礎設施的建設，各景觀類型在研究區內逐漸趨向于均衡發展。

4 結論

本文以2001、2009、2017年撫河中上游地區TM和OLI遙感影像數據為基礎，經解譯其景觀類型，研究了撫河中上游地區景觀類型變化及各景觀類型轉移特點，然后運用景觀格局指數，分析了研究區景觀格局變化特征。結果如下。

圖4 2001～2017年COHESION指數的變化

年份PDCONTAGSHDIAISHEI200117.832669.53230.794889.36530.4084200916.165768.69070.819488.76590.4211201717.351167.52710.844388.13360.4339

(1)從景觀總體構成變化來看，林地和農用地是撫河中上游流域的主要景觀類型，水域及建設用地景觀次之，2001～2017年間，撫河流域中上游的建設用地景觀和其他用地景觀面積呈增加趨勢，林地、農用地和水域景觀面積持續減少，草地、灘地景觀面積雖呈先減少后增加的趨勢，但整個研究期內面積是減少的。

(2)從景觀轉移動態變化來看，撫河中上游景觀的轉化主要是農用地和建設用地、林地和建設用地、農用地和林地之間的相互轉化，以農用地和林地的轉出，建設用地的轉入為主要特征。

(3)從景觀格局動態變化來看，斑塊類型水平上，林地景觀始終是撫河中上游流域的優勢景觀，農用地次之，且分布較為集中，但農用地景觀的地位稍有降低；建設用地景觀優勢度不斷增長且趨于集中分布。在景觀水平上，撫河中上游流域景觀破碎化程度增加，連通性降低，異質性增大，景觀類型不斷豐富，且研究區內各景觀趨于均衡化發展。