1990-2014年岷江上游流域景觀格局變化及驅動力分析

夏威夷，李 玲，雷孝章

(四川大學水利水電學院水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065)

近年來，隨著社會經濟快速發展導致一系列環境問題凸顯，景觀生態學也逐漸成為研究熱點，其中景觀格局動態變化的研究是景觀生態學研究的重點方向之一。空間格局變化影響生態學過程，通過研究空間格局可以更好地理解生態學過程[1]，從而為治理生態環境問題打好基礎。國內外對景觀格局的研究越來越重視，如劉振杰等[2]借助GIS對廣東省土地利用變化的時空格局和驅動力進行分析；胡冬雪等[3]對海峽西岸經濟區景觀格局10年變化及驅動力進行研究，揭示了其景觀格局變化的驅動因素；J.Pea A.等[4]研究了西班牙傳統農業集水區景觀過去44年的動態變化及其驅動力，剖析這些變化如何影響該區基本資源，為未來可能的趨勢提供清楚的了解；Pan等[5]運用GIS研究了加拿大魁北克地區1958-1993年景觀的空間格局變化及驅動力，并以此為該地區制定了景觀管理策略。

岷江是長江的上游支流，既是長江上游重要的生態屏障，同時也是成都平原的生態屏障和水源生命線，因此具有顯著的生態功能地位。由于對岷江流域自然資源高強度的開發，導致其生態環境遭到嚴重破壞，滑坡，泥石流等自然災害頻發，水生生物多樣性也面臨威脅，因此必須采取措施保護岷江的生態環境[6]。陳國階等[7]早年間對岷江上游流域的景觀格局變化進行過一定研究，近幾年關于岷江上游流域的研究較少，也并未涉及驅動力的研究，故本文從岷江上游流域景觀格局動態變化分析入手，揭示流域內部景觀的變化規律極驅動力，為景觀生態評價、景觀格局的優化以及土地利用管理等提供依據。

1 研究區概況

岷江上游地理位置在31°26′～33°16′ N, 102°59′～104°14′ E之間，海拔700～5 588 m，位于四川省西北地區的阿壩藏族羌族自治州境內，四川盆周丘陵山地向青藏高原的過渡地帶，地勢由西北向東南傾斜，干流全長為334 m，流域范圍包括四川省阿壩藏族羌族自治州的潘松縣、黑水縣、茂縣、理縣和汶川縣的大部或全部以及都江堰市的小部，本研究區的流域面積為2.26 萬km2。研究區地理位置見圖1。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Location of study area

岷江上游處于川西高原季風氣候和川東盆地亞熱帶氣候區，受復雜海拔地勢的影響，在海拔1 500～2 000 m之間出現了北亞熱帶氣候類型的干旱性河谷氣候。由于地域廣袤，該區氣候、植被的垂直分異較為明顯，從河谷到山頂依次為：河谷暖溫帶半干旱氣候、溫帶半干旱河谷氣候、山地寒溫帶氣候、山地亞寒帶氣候、高山高原高寒氣候；植被則相應為干旱河谷灌草叢、常綠闊葉與落葉闊葉混交林、亞高山針葉林、高山灌叢草甸、高山高寒草甸[8]。年均溫5～15 ℃ ，年降水量500～850 mm，降水年際變化大且雨量分配不均勻,多集中在5-10月，全年蒸發量1 100～1 600 mm,是降雨量的2～3倍[9]。干旱河谷范圍日趨擴大，加之嚴重的水土流失，流域的生態環境變得極其脆弱。

2 研究方法

2.1 數據的來源及處理

景觀格局的分析是在利用土地利用矢量數據建立景觀類型圖的基礎上進行的。采用1990-2014年間6-9月份(這段時間云量少)4期Landsat遙感影像進行研究，分別為1990年的Landsat-5TM數據，2001年Landsat-7ETM+，2007年Landsat-7TM以及2014Landsat8OLI數據，空間分辨率均為30 m。利用遙感軟件ENVI5.2，Landsat遙感影像進行解譯。先對遙感影像進行坐標系轉換、輻射定標、FLAASH大氣校正、幾何校正，然后對校正的遙感影像進行鑲嵌。坐標系為1954北京坐標系，用岷江上游流域的邊界對新圖像進行裁剪，最終得到研究區的遙感影像。

國際上暫時不存在統一的土地利用分類標準，通用的方法包括國際地圈和生物圈(IGBP)土地覆蓋分類Olson世界生態系統綜合體，美國國家地質局土地分類等[10]。本文根據研究區的實際情況及遙感影像的可解譯性等情況，將研究區土地利用類型劃分為二級，第一級主要依據國民經濟主要用地構成和利用方式，將研究區土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地共6大類，而第二級則在第一級的基礎上將第一級分類細分，本文土地利用標準件表1。本文利用ENVI5.2軟件塊對Landsat影像進行解譯，使用各二級分類定義模板建立訓練區，然后使用軟件的監督分類模塊，得出各土地利用類型柵格圖，為方便后續景觀格局分析將相應二級分類合并為一級分類。接著在ArcGIS10.2和FRAGSTATS4.2的支持下，分別計算岷江流域上游4期遙感影像的土地利用景觀指數，分析研究區土地利用景觀格局的變化。

表1 土地利用標準Tab.1 Standard of land use

2.2 各類景觀面積動態變化分析

為了探討研究區一定時間內各景觀類型面積變化程度的大小，引入區域單一景觀動態度進行定量分析[11]，其表達公式為：

(1)

式中:Ua和Ub分別為研究初期及末期某景觀類型的面積；T為研究時間范圍。

2.3 景觀格局指數的選擇

景觀指數是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置某些方面的簡單定理指標。通過景觀指數可以對景觀的組成特征、空間配置、動態變化等進行定量的研究。景觀格局指數分為斑塊水平指數、斑塊類型水平指數和景觀水平指數[12]。在整個區域景觀格局分析中，由于單個斑塊景觀指數的計算分析貢獻較小，因此實際研究中對景觀格局指數的探討多采用類型和景觀水平這兩個尺度[13]。在類型水平上可以計算斑塊平均面積指數、平均形狀指數、面積、斑塊密度指數等；而在景觀水平上除了以上指數之外，還可以計算景觀的優勢度、均勻度、多樣性、分維數、聚集度、生境破碎化指數等[14,15]。因此針對研究區景觀格局和斑塊類型，參照相關研究，選取了斑塊數(NP)、散布與并列指數(IJI)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、斑塊面積(CA)、最大斑塊指數(LPI)、斑塊類型面積百分比(PLAND)、7個類型水平指數和斑塊數(NP)、散布與并列指數(IJI)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、多樣性指數(SHDI)、均勻度指數(SHEI)、蔓延度指數(CONTAG)7個景觀水平指數進行景觀格局的計算與分析。

2.4 景觀格局演變的驅動力分析

景觀格局變化的驅動力包括自然驅動力和人為驅動力，其中，自然驅動力主要從較大的時空尺度上作用于景觀，人為驅動力則是從中小時空尺度上作用于景觀[16]，它又可細分為社會經濟因子、政策因子、科技因子、文化因子。岷江上游流域面積較大，導致其景觀格局變化的驅動因素較多且相互交叉影響，為避免各因子間相互干擾減少誤差，基于前人[17]研究及1990-2014年四川省統計年鑒，選取年末常住人口、城鎮人口、就業人口、農林牧漁業總產值、地區生產總值、民營經濟增加值、工業總產值、公路里程、年總降水量、年均氣溫10個指標，運用SPSS軟件采用主成分分析法對岷江上游流域的景觀格局變化驅動力進行分析。

3 結果與分析

3.1 各景觀類型面積變化

利用ArcGIS10.2軟件統計獲得岷江上游流域1990-2014年4期景觀類型面積及變化趨勢(圖2)，以及由此計算的土地利用動態變化度(表1)。由圖1可知，流域景觀類型以草地、林地為主，這2種景觀類型始終占研究區總面積的97%以上，這其中草地面積比重最大，占研究區總面積50%以上。從面積變化來看(表2)，1990-2014年間，未利用地面積變化最為劇烈，尤其是2001-2007年，其增幅達到24.07%，在2007-2014年其動態變化度為0，這是地質災害和城市化發展綜合作用的結果，二者對未利用地的影響相互抵消，使得其面積的變化度為0。其次是耕地面積，在1990-2001年快速增加，而后在2001-2007年間又快速減少，2001-2007年間的減幅最大為1.73%，2007-2014年的面積變化度最小減幅僅為0.01%。接著是建設用地和水域，這兩類景觀的面積在1990-2014年間，持續增長。建設用地面積共增加2 200 hm2，其增幅在2007-2014年達到最大為9.02%。水域面積在整個研究期內共增加2 300 hm2，增幅在2001-2007年最大為4.26%。草地面積先大幅度增加而后略有減少，在2001-2007年變化幅度達到最大為0.36%，雖然2007-2014年間草地面積減少1 000 hm2，但與流域整體草地面積比，這一變化微乎其微。流域林地面積持續減少，其中1990-2001年，面積減少量最大為32 300 hm2，2001-2007年面積減幅最大為0.36% 。耕地面積變化不大，但與研究初期比，耕地面積增加了700 hm2，這與社會經濟發展人口增長，人們對糧食需求的增加有關。研究區4期景觀覆蓋類型分布圖見圖3。

圖2 1990-2014年岷江上游流域各景觀類型面積及變化Fig.2 Area and variation of each landscape type in Upper Minjiang River Basin,1990-2014

圖3 岷江上游流域4期景觀覆蓋類型分布Fig 3 Distribution of landscape coverage type of Upper Minjiang River Basin in four periods

3.2 景觀指數的變化

3.2.1 景觀水平

如表3所示，1990-2014年岷江上游流域景觀水平格局指數發生較為明顯的變化。NP和PD可以反映景觀的破碎化程度，這兩項指數在1990-2001年均迅速減少，這很大程度是因為在1990-2001年間社會、經濟發展及人口增長，部分林地與破碎的未利用地轉化為草地、耕地和建設用地，使得研究區耕地與建設用地斑塊間的連通性增強，斑塊數目減小，相應的斑塊密度也減少；在2001-2014年這兩項指數均迅速增加，這主要是因為2008年汶川地震使原來成片的建設用地、耕地及部分林地、草地變得破碎，使得斑塊數增加，相應的斑塊密度也增加。SHDI和SHEI呈現同步變化，其變化趨勢為先增后減再增,SHDI最終保持在0.819，數值較小說明景觀整體的破碎度底，斑塊比較完整，SHEI最終保持在0.457說明研究區的具有明顯的優勢景觀(林地和草地)，二者與研究初期比均增加說明研究區景觀空間是向著多元均衡方向發展的。LPI先減后增而后又減，說明景觀中的優勢種、內部種的豐富度先下降后上升而后下降。IJI先增后降，說明研究區內景觀斑塊類型間相鄰的類型呈先增后減的變化，也即接壤的景觀斑塊類型豐富度呈先增后將的變化趨勢。CONTAG呈逐步減小的趨勢，說明研究區小斑塊個數較多，景觀破碎化逐步變大。

表3 研究區景觀水平指數Tab.3 Landscape index at landscape-level in the survey region

3.2.2 類型水平

草地。1990-2001年斑塊數由202個下降到182個，平均斑塊面積由5 683.66 hm2增加至6 436.81 hm2(表4)，斑塊破碎度減小，2001-2014年斑塊數又由182上升至200，平均斑塊面又降至5 980.5 hm2，說明斑塊破碎度增加，也即草地破碎度呈現先減后增的趨勢。研究期間PLAND、邊緣密度(ED)、散布與并列指數(IJI)逐步增加，說明斑塊的復雜性在逐步上升。岷江上游地區草地公有，牲畜私有，農牧民養畜熱情高，而管理、保護、建設草地的熱情不高，多數農牧民對草地只索取不投入，草地連年重牧得不到修生養息的機會[18]，使得草地整體性和穩定性遭到較大破壞，這也是草地景觀呈現上述變化的主要原因之一。

林地。研究期間林地的斑塊數與平均斑塊面積變化波動較大，1990-2001年間斑塊數由281個下降至270個，平均斑塊面積由3 746.62 hm2增加至3 779.63 hm2，之后這兩個指數又出現先升后降和先降后升的變化，但變化速度有所減緩，林地斑塊的穩定性較差；斑塊類型面積百分比、最大斑塊指數均持續減??；邊緣密度、散布與并列指數逐漸增大，說明林地接壤的景觀類型豐富度逐漸增大，斑塊形狀逐漸變得破碎，其中2007-2014年的變化速度要緩于1990-2001的速度。研究區森林資源豐富，新中國成立以來由于區域經濟建設的需求，開始對森林資源進行不合理的開發，使得森林遭到大面積破壞，而后人們逐漸意識到環境保護的重要性，于是在1998年啟動“天保工程”和退耕還林工程，在一定程度上減緩森了林景觀惡化的速度，這是森林景觀類型呈上述變化的主要原因。

耕地。研究期間耕地斑塊數由1900年的261個持續下降至2014年的241個，耕地的破碎程度逐漸減??；斑塊類型面積百分比、最大斑塊指數、平均斑塊面積在均在2001年達到各自的最大值，而后均逐漸減??；邊緣密度也在2001年達到最大值但之后又降至研究初期的0.75，但整個研究期其變化相對穩定；散布與并列指數由1990年的41.60逐漸上升至2014年的46.34，耕地接壤景觀類型的豐富度在逐步上升。年末常住人口由1990年34.3萬人增長至2014年的39.5萬人，人口的增加導致糧食需求增大，這一定程度上會導致耕地面積增大，但研究區為山地系統，農耕用地受到一定限制，加之1998年啟動的退耕還林還草工程，故而耕地景觀類型指數在整個研究期變化不大。

未利用地。1990-2014年間未利用地斑塊數變化較為劇烈由研究初期的7個直線上升至2007的18個，之后保持不變，斑塊類型面積百分比和邊緣密度均在2001年達到各自的最小值(0.04%和0.015)，而后又均逐漸增大，在2007年均達最大值(0.097%和0.037)，接著又均維持各自的最值不變，未利用地的斑塊破碎度上升；最大斑塊指數在研究期間保持為0.01不變，平均斑塊面積逐漸減小，散布與并列指數由1990年的27.99迅速增加至2007年的40.91而后保持這一值不變，未利用地接壤景觀類型的豐富度也在逐步上升。

建設用地。研究期間建設用地的斑塊數、斑塊類型面積百分比、最大斑塊指數、邊緣密度、平均斑塊面積變化都比較大，斑塊數由1990年的9個增加至2014年的26個，斑塊類型面積百分比由0.04%增加至0.137%，最大斑塊面積由100 hm2增加至119.23 hm2，最大斑塊指數由研究初期的0增加至2001年的0.01而后保持不變，邊緣密度由0.016增加至0.051，散布與并列指數在2001年達到最大為64.51，而后又逐漸減小至60.24，建設用地破碎度逐步增大，其接壤的景觀類型豐富度減小。受高度、坡度和土壤條件的限制，岷江上游適于居住的土地所占比例很小，期地形條件也限制了區域城市化進程的速度，故而建設用地景觀指數變化不大。

水域。研究期間水域的各項類型水平上的景觀指數除散布與并列指數外均逐步增大，說明水域斑塊的集聚程度降低，散布與并列指數呈先減后增趨勢在2001年減至最小值35.11而后又逐漸增大至52.51，水域接壤的景觀類型豐富度最終表現為增加。岷江上游河流比降大，水能資源豐富，隨著社會經濟發展，人們對水資源的開采與利用逐漸增大，研究初期此地僅有5座規模較大的水電站，截至2013年5月，岷江上游大小水電站共計211座[19]，這是導致水域指數呈上述變化的主要原因。

表4 不同景觀類型的景觀指數Tab.4 Landscape index of different landscape types

3.3 流域景觀格局演變驅動力分析

本研究將選取的10個指標在SPSS22.0軟件中進行主成分分析，以特征值大于1，特征值占方差百分數的累加值大于85%作為標準提取主因子，共提取了兩個主成分，累積方差貢獻率為97.238%。主成分荷載矩陣代表了各主成分與驅動因子的相關系數，反映綜合因子與各指標之間的相關程度。由表5可以看出，第一主成分與社會經濟相關性較強，第二主成分與年總降水量相關性較強。根據主成分提供的信息，將兩個主成分分別命名為社會經濟與人口發展因子和氣候因子。

3.3.1 社會經濟與人口發展因素

社會經濟發展與人口增長是影響岷江上游流域景觀格局發生變化的主要因素，岷江上游為阿壩州的經濟命脈與工業生產基地，1990年地區生產總值為78 986 萬元，到2014年增加至142.51 億元，占阿壩州地區生產總值的57.51%，同時，公路里程由1990年的988 km增加到2014年的4 859 km，在2007-2014年期間，隨著公路里程的迅速增加，岷江上游的地區生產總值也迅速增加，交通條件的改善使得地區經濟迅速發展(見圖4)，從而導致2007-2014年草地、耕地面積減小，建設用地面積迅速增大，交通的發展也導致景觀破碎度增加。工業總產值由1990年的85 468 萬元增加至2014年的1 928 345 萬元，截止到2014年底其工業總產值占阿壩州的91.16%，工業的迅速發展，加速了林地和草地景觀的縮減的趨勢。由圖5可以看出，1990-2014年，岷江上游流域的年末總人口由1990年的34.3 萬人增加到2014年的39.7 萬人，增加了5.4 萬人，年均增長率為22.5%。其中城鎮人口由6.31 萬人增加到15.38 萬人，增加了9.07 萬人，年均增長率為37.8%，遠高于總人口的增長速率?？側丝诘脑黾訉е氯藗儗ψ》啃枨笤龃?，隨著經濟的快速發展，人民生活水平的提高，為了追求更好的生活，人們大批量搬入城鎮，使得城鎮建設面積不斷擴張，林地及農村耕地面積逐步減小。因此，社會經濟發展與人口因子是景觀格局變化的主要驅動因子。

表5 主成分荷載矩陣Tab.5 Matrix of principal component factors

圖4 1990-2014年公路里程與地區生產總值變化Fig.4 Changes of highway mileage and regional a GDP

圖5 1990-2014年年末常住人口與城鎮人口變化Fig.5 Changes of resident population at year-end and urban population

3.3.2 氣候因素

岷江上游的徑流以降雨補給為主，約占年徑流量的50%～60%，這使得降水對徑流的限制作用十分突出。由于受自然供水能力的限制，水分生產潛力小且波動性大，因而嚴重制約著植被的生長，同時也會對土壤等其他環境資源的發育和穩定性構成威脅。1990-2014年，岷江上游流域的年總降水量呈減小的趨勢，年平均氣溫逐步升高，表明其干旱河谷氣候在進一步惡化，這也是導致其林地、草地面積縮減的原因之一，從而說明氣候因子也是景觀格局變化的主要驅動因子。

3.3.3 政策因素

岷江上游流域的社會經濟發展、人口增長、氣候惡化均對其林地景觀構成嚴重威脅，但從總體來看，林地以23 km2/a的速率減少，減小速度并不是很快，這主要是由于在20世紀90年代末，國家在岷江上游實施了“退耕還林，封山綠化”工程和“天然林保護”工程，使得林地得到部分恢復，從而減緩了林地面積減少的速度，可見政策因子也是景觀格局的變化驅動因子。

4 討論與結論

1990-2014年，岷江上游流域的景觀格局發生了較大的變化，主要是部分林地轉化成了草地、耕地、建設用地，部分草地、耕地、林地轉化成了水域和為利用地，研究區整體的最大斑塊指數、多樣性指數、均勻度指數呈上升趨勢，說明岷江上游流域各類型景觀呈現均衡化趨勢分布；蔓延度指數表現出逐步下降趨勢，說明研究區小斑塊數目增加，優勢斑塊連接度降低；斑塊數呈先降后升趨勢但最終與研究初期比變化不大，說明整體斑塊的聚集度變化不大。

在研究期間景觀空間格局發生的變化，其主要驅動力是社會經濟發展，人口、氣候因素以及相關政策因素，同時還受地形條件和自然災害的影響。其中政策因素對保護林地景觀起到有力的推動作用。

平衡經濟發展與生態環境保護的關系十分重要。通過對岷江上游流域景觀格局演變及驅動力的分析，為該地區土地資源利用和景觀生態恢復與建設提供一定依據和參考。