河流景观格局时空演变范文

《水土保持研究杂志》2014年第三期

1研究区概况

杂谷脑河流域属于青藏高原向四川盆地过渡的高山峡谷区，地理坐标为北纬31°11′52″—31°55′7″，东经102°35′36″—103°6′11″，总面积为2179km2，位于青藏高原东缘褶皱带最外缘部分，处于岷江水系的一级支流杂谷脑河汇水区，该河流域是藏、羌、回及汉族等多个民族聚集区，85％以上的农村劳动力主要从事农牧业，且土地利用方式主要以传统的林业和牧业为主，但耕地多以坡耕地为主。气候以高原山地温带、寒温带季风气候为主，冬季受西北寒流影响，夏季受西南与东南湿热气候影响，基本上常冬无夏，春秋连季［15］，平均气温低、地区差异大、冬冷夏凉、年较差小、日较差大，年均降水量为500～600mm，年蒸发量为1000～1500mm，干湿季节交替明显，典型植被是由云杉、冷杉、松等针叶树种所组成的纯林或者混交林为主。

2研究方法

2．1数据处理本研究以美国Landsat卫星1980年7月（MSS，60m×60m）和2006年9月（TM，30m×30m）两期遥感影像为主要数据源，并以研究区域1∶10万地形图、部分植被分布图、水文地质图、部分土地利用数据、统计年鉴、部分土壤类型图及气象数据等为辅，在ERDASIMAGE9．2的支持下，以地形图为地理坐标参照，利用二次多项式的方法完成遥感影像的几何校正，并保证其校正精度，在此基础上进行图像增强等一系列的处理，结合杂谷脑河流域边界，完成遥感图像的裁剪，考虑研究区域遥感影像数据光谱信息和纹理特征，参照该区域的林相图、森林二类调查数据和部分野外调查数据，并根据实际土地利用现状，建立其土地利用的训练样本，进行监督分类和人机交互解译，实现其景观分类，并随机选取300多个样点进行精度评价，经检验，准确率分别达到82．3％和85．61％，共分为7个一级和7个二级景观类型，分别为：耕地、林地（针叶林、针阔混交林、落叶阔叶林）、草地、水域、居民用地、未利用地（非植被景观）和灌木林地，其中其二级土地利用主要根据植被类型来划分，在ArcGIS9．3的支持下，完成土地利用的拓扑、编码等处理，并存储为栅格格式（gird），并与以后的景观指标计算。

2．2景观格局指数景观指数不仅高度浓缩了景观格局信息，而且能反映景观的结构组成和空间配置特征。因此，参照其它相关的研究成果，根据研究区自身的特点，本文选取景观斑块数（NP）、边界密度（ED）、斑块分维数（FD）、景观分离度（S）、景观蔓延度（CONTAG）、景观多样性指数（SHDI）、优势度指数（DI）与均匀度指数（E）等景观格局指数，定量分析研究区景观格局特征及变化，其中各指标生态学意义与计算方法可见相关文献［16－17］。

2．3主要土地利用类型空间模型土地覆盖重心迁移模型不仅可以很好地从空间上描述土地利用主要类型的时空演变过程［18－20］，而且有助于掌握研究时段内土地利用／覆盖类型的空间变化特征及变化规律，基于此，本文在ArcGIS中，通过计算Centroid其中各土地利用类型的重心坐标，揭示其时空演变的驱动机制。第t年某种土地资源分布重心坐标（经纬度）计算方法为：

3结果与分析

3．1研究区域土地利用变化过程1980—2006年杂谷脑河流域土地利用变化发生了一定的变化（表1），主要表现为林地和未利用地面积减少，林地的面积减少最多，灌木林地、草地、耕地、居民地面积增加，灌木林地的面积增加最多，水域面积几乎没有发生变化，增加量仅为0．01km2。近30a间，林地面积减少了117．66km2，面积比例由1980年的47．03％减少到2006年的41．63％，年均减少率为20．76％，主要归因于建国后尤其是时期大量森林被砍伐［21］，尤其以处于群落演替后期的云杉、冷杉寒温性暗针叶林为主，森林资源锐减，林地大面积的减少，区域环境质量下降。未利用地年平均减少0．05km2，随着经济作物的推广和退耕还林政策的推行，研究区域大量的荒山荒地被开发利用，造成部分未利用地的面积减少；灌木林地面积增加了82．60km2，年平均增加3．18km2，草地年平均增长为1．36km2。灌木林地和草地的大量增加主要归因于在高海拔地区的亚高山云杉、冷杉林，在受到强烈、频繁、大规模的人为干扰（采伐或开荒）时［22］，由于该区域山体结构破坏、坡陡山险［14］，生态环境相对恶劣，森林更新缓慢，亚高山针叶林通常会逆向演替，退化为以林内植物为主的次生性亚高山落叶阔叶林或针阔混交林，受到过度采伐、放牧等人为干扰的影响或水分条件差的地段，就形成亚高山灌丛，加上持续过度放牧、毁灌开垦和随意砍伐取薪柴等人类干扰活动，灌木林地将退化为亚高山草甸［23］，灌木林地和草地的增加主要由林地的退化所致，表现为原始森林景观逐步向人为干扰景观演变。

3．2景观格局特征变化分析

3．2．1景观总体特征研究区域内各景观类型面积、斑块数量与优势度分布不均衡，区域自然景观（森林景观、草地、灌木林地和未利用地等）占绝对主导地位，面积总和均达到90％以上，其中林地和草地景观的比例较大，二者占研究区总面积70％以上（表1），对区域景观格局起控制作用［24］，而半自然景观、人为景观（未利用地、耕地和居民地等）占据较小的比例，表明杂谷脑河流域以自然景观主导区域景观格局特征，人为景观则明显处于支配地位，这与研究区居住的人口数量、自然条件及经济发展程度有关，由于该地区人口总数相对较小，自然条件相对恶劣，因而人为活动形成的景观类型面积比例相对很小。

3．2．2主要景观类型特征变化由图1分析可知，林地景观的斑块数目增加相对较少，而其边界密度，从1980年的9．8335增加到2006年的10．9542，由于该区域的森林长期受人类经营活动的影响，特别是被大规模采伐后，致使其分布由大斑块集中向小斑块镶嵌，道路两旁尤为突出，林地景观破碎度增加的同时，以桦木林、山杨林为主的阔叶先锋树种在采伐迹地上普遍而大量发生，在其适生范围内边界扩展侵入其他森林类型中，形成复杂的交错带，总体上边界总长度的增加，造成边界密度的增加。2006年林地景观的分维数大于1980年的，源于自1998年实行天然林保护工程以来，人类对森林资源有组织的开发和干扰逐渐减弱，对林地的破坏有所减缓，致使林地的斑块形状趋于不规则化和复杂化，分维数增大。草地景观在研究区域占据较大的比例，仅次于林地景观。其斑块数目和边界密度呈现增加的趋势，而分维数呈现减少的趋势，草地景观在该区域分布较为广泛，受生态造林、农业耕作等影响，原来连续的草地景观被人类活动分割和占用，分布愈加分散，破碎度日益增加，斑块空间分布散落性增强、聚集度和连接性降低，斑块呈零散分布，大型斑块日益减少，在导致边界总长度增大的同时，致使其边界密度也增大。由于草地在人类活动的干扰下，其斑块的形状趋于规则化和简单化，并不断向荒漠化和半荒漠化演变，尤其干旱河谷区地势相对较平坦的区域，受到频繁的人类活动（耕种、放牧和刈割灌草）［14］干扰，对此地带植被破坏较大，致使其分维数降低。灌木林地景观面积所占比例次于林地和草地。1980—2006年，灌木林地景观的斑块数目由24增加到44，表明其分布由集中趋于分散，边缘密度和分维数呈现增大，表明其破碎度有所增加，森林群落遭破坏后形成的次生植被是其面积增加的主要来源，由于森林采伐后，部分区域的生境恶劣，森林更新困难，致使采伐迹地被灌木所取代，虽然灌木种类很多，但其结构零乱且类型较复杂，优势种不明显。灌木林地不断的扩大且其大块的灌丛植被林地、疏林地被分割蚕食，形成岛状分布，造成灌木林地的边缘曲折多，形状呈现不规则化和复杂化，形成由于其边界扩展侵入其他森林类型复杂的交错带格局。未利用地景观主要由迹地（采伐迹地和火烧迹地）、弃耕地、荒山荒地和岩石裸露地等景观类型构成，斑块数目相对变化不大，但其边缘密度增加，分维数减少。20世纪80年代末以前，该景观类型的面积增加主要源于森工局对森林的大量采伐，造成采伐迹地的大量增加，1998—2006年主要源于退耕还林工程、生态环境保护工程、天然林保护工程等一系列生态建设和环境保护政策的调整，人类加大了部分区域的撂荒地和弃耕地的改造利用，推行“退耕还林、还草”工程，致使其面积有所减少。

3．2．3景观要素空间距离由表2可知，CONTAG由1980年的64．9317减少到2006年的63．4710，1980年以来，随着被会经济的发展，原来斑块较大的景观类型被分割为许多较小斑块，呈现出以林地大面积减少和灌木林地显著增加为主要特点，受到人类活动的干扰，部分连接性好的自然景观逐渐向连接性差的半自然景观和人为景观演变，致使斑块之间团聚程度减弱，区域景观之间的镶嵌性增加，景观空间分布均匀性有所增强，景观的空间异质性增加，其连通性降低且破碎化程度增强，景观整体完整性较差，物种生存和繁衍的自然生境萎缩，适于生物生存的环境在减少，不利于景观中生物和资源的保护，将直接影响到物种的繁殖、扩散、迁移和保护［25］，主要归因于研究区域优势景观类型（云杉、冷杉林景观）在此期间大量减少，在采伐道路两旁的景观格局尤为突出。分离度由1980年的3．7615增加到2006年的4．7726，近30a来研究区域斑块总数由368个增加到396个，增加了28个，平均斑块面积由1980年的5．91km2／个减少到2006年的5．50km2／个，部分大的斑块分裂成形状略为规则的小斑块，景观格局多以形状较为简单的小斑块为主，在整体上加速景观类型的破碎化程度，景观类型斑块分布趋向离散，个别斑块呈零星、散落状，在一定程度上斑块分布更加均匀，单一的优势景观类型对整体景观的控制作用减弱了，还呈现出以云杉、冷杉暗针叶林为地带性植被并主导着区域森林景观格局，但景观整体景观的优势度在减少，不利于景观功能的整体发挥［25］，从而使自然生态环境的净化和维系能力下降［26］，对景观结构的逆向影响十分突出［27］，源于该区域的森林景观长期受到人类持续的经营活动（森林采伐）的影响。

3．2．4景观异质性由表3的计算可知，杂谷脑河流域景观多样性指数由1980年的1．2328上升到2006年的1．2754，均匀度由0．6335增加到0．6554，说明单一的优势景观类型对整体景观的控制作用减弱了，景观类型组成相对比较均匀，且各景观类型所占比例差异减小，区域景观呈现出以林地为基质的草地、灌木林、岩石裸露地等自然斑块交错的森林—草地荒原分布态势，其余景观类型呈补丁状散布于区域之中，景观的破碎化程度加深，景观异质性程度和复杂性加大，不利于该生态系统的稳定。该区域的景观优势度由1980年的1．5746减小到2006年的1．5320，在一定程度上表明处于主导地位的景观类型与其它景观类型所占比例的差异在缩小，景观结构趋于均匀，致使林地景观对流域景观控制作用逐渐减弱，改变了仅由少数地带性植被景观控制该区域景观格局现状的局面。

3．3土地利用类型时空特征分析从表4可看出，林地景观的重心坐标由低纬度向高纬度地区转变，主要缘于20世纪80年代末以前森工局对森林的大量采伐，低纬和低海拔区域的云杉、冷衫林被大规模采伐，森林景观大幅度减少，对于高纬和高海拔的地区而言，受自然环境条件的影响，在一定程度上限制了部分人类的干扰活动，致使该区域的原始景观得以保存，此外，特别是在1998年起施行退耕还林工程、天然林保护工程和生态环境保护工程，也使得该区域保留了部分完整原始森林景观结构，故其重心向纬度较高的高海拔地段转移；对于草地而言，其重心坐标由低纬度向高纬度转变，在低纬度和低海拔的地段，草地受到过渡放牧和开荒等的人为影响，草地退化和沙化现象严重，面积减少，逐步向高山和相对高纬度地带转移。灌木林地的重心坐标由高纬度区域向低纬度转变，由于低纬、低海拔的森林被采伐后，灌木林在采伐迹地迅速更新并形成一定的规模，受人为的过度干扰（采伐和放牧），特别是藏民的居住地附近，部分针叶林作为薪柴随意被砍伐，致使针叶林景观类型逐步演化为灌丛针叶林混交景观，形成灌丛景观的逆向演替发展，故重心坐标向相对低的纬度地区转移。未利用地由低纬度和低海拔区域向高纬度高海拔区域转变，源于高海拔区域存在着大量的裸崖地、火烧迹地和部分雪山。

4结论

利用RS与GIS技术并结合景观生态学理论，完成对杂谷脑河流域近30a年间土地利用过程及景观格局时空演变研究。结果表明：该流域内各土地利用类型面积和斑块数量不均衡，林地和灌木林地变化显著，呈现大面积减少和增加的变化趋势，此外草地、耕地、居民地和水域面积增加，区域景观格局呈现以自然景观（森林景观、草地、灌木林地）为主，半自然景观、人为景观（采伐迹地、耕地、居民地等）为辅的格局现状。整个研究时段内，该流域景观多样性和均匀度两指数增加，分别由1980年的1．2328和0．6335增加到2006年的0．2754和0．6554，其优势度由1．5746减少到1．5320，该结果表明近30a间各景观类型所占比例差异减小，景观类型的分布由集中趋向分散交错，均匀程度较大，景观的完整性减弱，连通性降低，景观的异质性增强。近30a期间，研究区域土地利用类型重心坐标发生了一定变化，其中林地、草地和未利用地的重心坐标由低海拔、低纬度区域向高海拔、高纬度地带转变，灌木林地的重心坐标由高纬度、高海拔区域向低纬度、低海拔地段转变。

作者：刘铁冬单位：东北林业大学园林学院