秦嶺金錢河流域土地利用景觀格局變化特征研究

馬新萍 韓申山 許曉婷 鄧晨暉 郭帥

摘要[目的]為揭示流域土地利用方式與氣候變化的響應機制，并制定氣候變化的適應策略。[方法]以2000和2015年金錢河流域的遙感影像為數據源，利用遙感影像處理方法對影像進行分類，采用疊置分析得到2000和2015年的土地利用方式轉移矩陣;利用Fragstats軟件在景觀格局分析中采用了景觀格局數量分析方法，在類型水平和景觀水平上分別選取不同景觀指數，系統分析了金錢河流域土地利用方式景觀格局變化的時空特征。[結果]近15年來金錢河流域的土地利用類型均發生明顯變化，草地、林地、建設用地的面積增加，分別增加了620.33、386.58、45.32km2，而水域、未利用地和耕地面積分別減少了555.34、452.71、44.17km2。景觀格局分析結果表明，林地和水域面積始終占據優勢，耕地和建設用地面積明顯增加且破碎程度降低，分布呈現集中化，水域周邊的景觀要素增多。[結論]流域內水域面積減少明顯，其主要原因是降水變化以及人為活動的影響;草地面積增多，主要轉入類型為水域，多為斷流的河流以及變小的河道;林地面積的增多以及耕地面積的基本平衡與政府施行的退耕還林、林地耕地保護政策有很大關系，因此短時間內政府政策的導向是土地利用變化的主要驅動因素。在景觀格局的數量分析上研究區的破碎程度降低，景觀呈均衡化趨勢發展。

關鍵詞金錢河流域;土地利用變化;景觀格局

中圖分類號P901文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）01-0051-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.018

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

土地利用變化研究是揭示區域環境變化的重要途徑，是國際地圈生物圈計劃（IGBP）和國際全球環境變化人文因素計劃（IHDP）的重要內容[1]。土地利用變化研究已成為當前各國學術界的研究熱點，其研究內容從全球氣候變化效應，擴展到不同空間尺度的土地變化過程及其驅動機制、生態環境效應等[2]。生態環境是人類生存與社會經濟發展的重要保證和物質基礎。然而，隨著生產經濟的飛速發展，人類活動對生態環境的改造和破壞越來越嚴重。土地利用景觀格局變化是生態環境受到人類活動的影響最顯著的表現，土地利用景觀格局變化能夠從空間上量化反映人為活動對生態環境的影響程度，有利于生態環境變化影響因素的探尋與分析，從而為人為活動與生態環境響應研究提供基礎依據，最終提供科學合理土地利用方式選擇依據。

國外有關土地利用景觀變化的研究起步較早，最早開始于19世紀70年代。例如，Forman等于1979年對美國新澤西州瀕海平原松林景觀組成與格局進行了研究[3];我國對于景觀生態學的研究開始較晚，但經過近幾十年的發展，在景觀生態格局研究方面也取得了一定的成績，1990年研究人員通過構造城市化指數評價了區域的城市化的進程趨勢[4];周毅等[5]在北京理工大學學報發表的——中國典型生態脆弱帶于貧困相關性分析一文中提出了建立包括13個指標的景觀生態格局動態度量指標體系;1999年，研究人員設計了基于GIS技術的數據庫管理及空間分析的兩種樣方取值方法，即基準面積法和樣方斑塊數法，還提出了景觀要素空間關聯指數;2010年，張志明等[6]研究了2D、3D景觀指數與景觀格局的變化關系，得出3D景觀指數得到的變化值較2D景觀指數更精確。由此可以看出，20世紀以來，GIS和RS技術發展迅速并趨于成熟，在景觀格局與動態過程的分析與模擬中得到了廣泛的應用，盡管我國景觀生態學發展迅速并取得了一定的成果，但與國外的相關領域研究仍存在一定的差距，有技術手段不夠成熟、研究方法尚未完善、研究成果與案例有限等問題。

隨著全球氣溫持續升高，近55年來秦嶺山地年均溫上升率為0.0174℃/a。金錢河是漢江在秦嶺南坡的一條主要支流，發源于海拔2320.5m的秦嶺主脊南側，總體流向呈東北-西南向，流經陜西省柞水縣和山陽縣，后進入湖北省鄖西縣，金錢河在陜西秦嶺河段長度為199km。金錢河是中國南水北調工程中線調水的給水地[7]。隨著經濟的發展，人類活動造成流域下墊面變化，如水土保持措施、土地利用變化及水利工程建設等，流域內不同土地利用類型面積的變化對徑流、植被、生態環境變化都會產生很大影響。90年代以來國家實行退耕還林、還草政策，加之近些年來旅游景區大力開發，一系列的人為活動使秦嶺南坡土地利用景觀格局發生巨大改變，土地利用景觀格局的變動與氣候變化之間的響應機制是全球氣候變化研究的重點。

筆者以金錢河為研究對象，基于景觀格局分析法來研究金錢河流域的景觀動態特征，并探討其影響因素，揭示金錢河流域近15年在氣候變化背景下的景觀格局動態規律。采用景觀格局數量分析方法，并與遙感技術相結合，對金錢河土地利用景觀格局變化進行分析，以期為金錢河流域未來土地利用規劃發展方向的確定提供參考，為實現該流域土地資源的合理開發以及對氣候變化的適應策略貢獻科學依據，從而實現區域協調發展。

1材料與方法

1.1研究區概況

金錢河（109°9′～110°19′E，33°11′～33°52′N）發源于陜西省柞水縣金井河，是漢江在秦嶺南坡的一條支流，流經陜西省柞水縣、山陽縣，流入湖北省鄖西縣夾河鎮，最終與漢江交匯（圖1）。金錢河全長245.7km，流域面積4543.224km2。流域多年平均氣溫13.1℃，多年平均最高氣溫30.9℃，多年平均最低氣溫-2.4℃，多年平均日照時數1950.3h，多年平均蒸發量889mm，多年平均降雨量752.4mm，降雨年內分配多集中7—9月份，約占年降雨量的49%以上，汛期5—10月份降水量占年降水總量的80.8%。

近年來，許多研究表明從上世紀90年代以來，金錢河流域人類活動對徑流的影響逐漸開始成為主導因素，人類活動引起的土地利用與土地覆被變化、水利工程建設以及地下水的開發利用等對流域內的氣候、水文、植被等自然環境均會產生一定影響，一系列自然環境的變化又在某種程度上影響著該地區土地利用變化的方式。

1.2數據來源

選取了金錢河流域2000年5月13日和2015年6月1日2幅Landsat系列遙感影像。2000年5月13日的影像來源于“陜西生態十年調查”項目Landsat7遙感影像，影像空間分辨率為30m×30m，時間分辨率為16d，共8個波段，機載傳感器為ETM+;2015年6月1日的影像來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/），為Landsat8遙感影像，空間分辨率也為30m×30m，時間分辨率為16d，共11個波段，機載傳感器為OLI、TIRS。兩幅影像分別采用波段3＼4＼5進行融合。

47卷1期馬新萍等秦嶺金錢河流域土地利用景觀格局變化特征研究

1.3研究方法

1.3.1遙感影像預處理及影像分類。

1.3.1.1影像融合與增強。圖像融合的目的是通過綜合不同數據所含信息優勢或互補性，得到最優化的信息，以減少或抑制對被感知對象或環境解譯中可能存在的多義性、不完全性、不確定性和誤差，最大限度的利用各種信息源提供的信息[8-10]。圖像融合主要是使用計算機操作，對對比度和亮度進行調節，從而達到影像信息豐富、視覺效果好的目的，該研究所選取的兩幅影像在融合時采用的波段都是3＼4＼5。

1.3.1.2監督分類。該研究采用最大似然法對處理好的遙感影像進行監督分類。最大似然法又稱最大概似估計或極大似然估計，是一種具有理論性的點估計法。基本思想是從模型中抽取n組樣本觀測值，最合理的參數估計量是使得樣本觀測值的的概率最大。該研究選取了國土資發[2001]255號試行的《土地分類》的二級分類體系作為土地分類標準，分別為未利用地、草地、林地、建設用地、耕地。

1.3.2景觀格局分析法。

景觀生態學是研究景觀單元的類型組成、空間配置及其生態學過程相互作用的綜合性學科[8]，景觀格局可以反映出景觀異質性，同時可以對不同尺度上的各種生態過程作出分析，景觀格局分析方法在景觀生態學中起很重要的作用[12-13]。根據研究區特點和研究需要從類型水平和景觀水平2方面選取指標展開研究。在類型水平上選取了最大斑塊所占景觀面積的比例（LPI）、斑塊個數（NP）、散布與并列指數（IJI）、分散指數（SPLIT）;在景觀水平上選取了斑塊密度指數（PD）、最大斑塊所占景觀面積的比例（LPI）、香農多樣性指數（SHDI）、聚集度指數（AI）。具體的指數含義及其公式見參考文獻[13]。

2結果與分析

2.1金錢河流域土地利用類型變化特征

在ENVI4.8軟件支持下，對影像進行融合、裁剪，根據影像呈現的色調及紋理特征，采用最大似然法對影像進行監督分類，得到2000年和2015年金錢河流域的土地利用分類結果（圖2），精度評價結果顯示兩期土地利用類型的分類精度均在80%以上，達到了該研究的精度要求。在此基礎上對2幅土地利用分類圖進行空間疊加分析統計得到了各種土地利用方式面積變化情況表（表1）。

根據兩年的土地利用分類圖可以看出，金錢河流域主要的土地類型為林地、水域和草地以及耕地。從2000年和2015年的土地利用變化來看，變化較為明顯的土地類型為草地、水域以及未利用地。

2000年，耕地主要分布在河流的中游和研究區域的中部（圖2A）。2015年，耕地面積略有減少且分布中心發生轉移。2015年耕地面積的增加主要來源于未利用地以及草地的轉換，其中未利用地轉換最多。

2000年，草地主要分布于河流周圍，且分布較分散（圖2A）;2015年，草地面積增加明顯，且分布中心轉移至研究區南部地區（圖2B），主要轉入類型是水域，水域轉入草地的面積達465.1km2，其原因主要是因為2000—2015年金錢河流域河流徑流減少，許多河流出現斷流以及河道變小的現象，從轉移矩陣中可看出金錢河水域面積減少555.34km2，取而代之的是大面積的草地，因此，草地面積是15年間增長最多的土地利用方式，達620.327km2（表1）。

2000—2015年，建設用地面積略有增加，2015年建設用地的主要轉入類型為未利用地。林地面積增加386.58km2，轉入類型主要為耕地，這與國家的退耕還林以及林地保護政策有很大關系。

土地利用類型變化圖在一定程度上反映了土地利用類型時空上的數量變化情況，景觀格局層面上的數量分析能夠詳細地反映出各類土地類型在空間上的分布狀況。

2.2金錢河流域景觀格局變化特征

2.2.1類型水平上的景觀格局指數分析。

在類型水平上對景觀格局進行分析，可以明確不同的景觀類型的景觀動態特征及其對整個景觀類型的影響[8]。由表2可得出以下結論：

①從LPI指數來看，2000—2015年林地和水域的LPI指數均較高并且持續增大，表明林地與水域在研究區中始終保持較大的優勢且該優勢有擴大的趨勢。未利用地、建設用地、耕地的LPI指數表現出減少趨勢，表明未利用地、建設用地、耕地在研究區中的景觀程度降低。

②從NP指數來看，未利用地、草地、水域和耕地的NP指數也有所減少，其中未利用地的NP指數減少程度最大。表明未利用地、草地、水域、耕地的破碎度降低，趨于有序、集中分布。林地與建設用地的NP指數出現增加，表明林地與建設用地相對于其他土地利用類型來說，破碎程度較高，表明人類對其干擾程度大。

③從IJI指數來看，2000、2015年的IJI指數，水域與耕地較高，尤其是水域，表明與水域相鄰的景觀要素多，呈均衡化發展，其原因主要是金錢河流域水域面積廣大，人們對其周圍的土地不斷進行農業的開墾和旅游業的開發導致景觀要素增多。耕地的IJI指數不斷增加是由于人類開墾荒地和進行工程建設，導致耕地附近的景觀要素不斷增多。未利用地的IJI指數出現大幅度的減少，這表明與未利用的相鄰的景觀要素減少，景觀連通性強。