赫曉慧，李紫薇，郭恒亮，田智慧

景觀格局是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，景觀格局分析是一種研究景觀結(jié)構(gòu)組成特征及空間配置的方法，是景觀功能與動態(tài)分析的基礎(chǔ)［1］。國內(nèi)外關(guān)于景觀格局的研究大多集中在土地利用與景觀格局變化研究［2－3］、景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)［4］、景觀生態(tài)安全［5］等領(lǐng)域。張保華等［2］以黃河下游為例對土地利用與景觀格局變化的空間分異特征進(jìn)行了研究;高賓等［4］構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，利用 GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)對研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分異規(guī)律進(jìn)行探究。這些研究形成了比較完善的評價(jià)方法，然而對于景觀格局脆弱性的研究尚不多見。河南省黃河沿岸地區(qū)農(nóng)業(yè)資源發(fā)達(dá)，多個大城市沿河而建，由于人類活動、黃河多次改道、擺動、黃河水沙變化以及等多種干擾因素綜合作用，景觀類型的分布面積和空間結(jié)構(gòu)等一直在發(fā)生重大的變化，對該地區(qū)開展景觀格局動態(tài)變化及脆弱度分析，了解其成因與機(jī)制，是理解人類活動與自然環(huán)境相互關(guān)系的重要途徑［6］。孫才志等［7］評價(jià)了下遼河平原的景觀格局脆弱性，但是下遼河平原景觀格局特點(diǎn)與黃河中下游平原截然不同。因此，有必要針對黃河沿岸這種人類開發(fā)歷史悠久的局部區(qū)域開展脆弱度的研究。本研究運(yùn)用遙感技術(shù)、Fragstats 3.4軟件和GS+空間分析技術(shù)，以河南省黃河沿岸中東部地區(qū)作為研究區(qū)域，定量分析其景觀格局動態(tài)變化及景觀脆弱度，研究成果對研究區(qū)及類似區(qū)域景觀格局的合理開發(fā)利用具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

河南省黃河沿岸地區(qū)位于河南省北部，地理坐標(biāo)在北緯 34°34'～36°08'，東經(jīng) 110°22'～116°07'之間。橫跨三門峽、濟(jì)源、洛陽、鄭州、新鄉(xiāng)、開封、焦作、濮陽8市。東西長711 km，跨度最寬處50 km。屬與暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，旱澇頻繁。夏季暖熱多雨，冬季寒冷干燥，春季干旱多風(fēng)，秋季晴和涼爽。年平均氣溫在12.0～14.8℃，年平均降雨量為550～650 mm，土壤類型主要有褐土、潮土、鹽堿土、風(fēng)沙土。由于三門峽和洛陽西部黃河沿岸地區(qū)大多為丘陵山地，人為干擾較少，研究其景觀格局動態(tài)變化與脆弱度意義不大。因此，本研究區(qū)域選擇為河南省黃河沿岸中東部地區(qū)。該區(qū)域是河南省黃河沿岸重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，城市集中，人類活動特別是引黃灌溉歷史悠久，人為干擾度大，景觀格局類型齊全、特征典型，在黃河流域具有典型代表意義。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)源主要包括河南省2000年、2006年和2012年3期的TM遙感影像(下載于Global Land CoverFacility， http://www.glcf.umiacs.umd.edu)、河南省行政區(qū)劃矢量圖(1∶50萬)和河南省地形圖(1∶5萬)在ERDAS軟件支持下，對3期的TM遙感影像進(jìn)行裁剪，然后進(jìn)行合成、幾何校正、解譯等處理，得到3期土地利用的分布情況。參考《全國土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，將土地利用的景觀類型劃分為草地、林地、水域、水田、旱地和建設(shè)用地(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置與景觀類型Fig.1 Geographical location of study area and the landscape type

2.2 研究方法

對3個時(shí)期的景觀類型現(xiàn)狀圖進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，求出各時(shí)期間景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣;然后按照等間距采樣法對研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算每一個網(wǎng)格區(qū)域的景觀格局指數(shù)并構(gòu)建景觀脆弱度指數(shù);最后利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+和ArcGIS軟件，得到研究區(qū)景觀脆弱度指數(shù)空間分布圖。

2.2.1 單元網(wǎng)格的劃分 為了保證每個尺度信息的完整性及定量評價(jià)過程中的準(zhǔn)確性，根據(jù)研究區(qū)的范圍和采樣工作量，本研究采用等間距的采樣方法將研究區(qū)劃分為10 km×10 km的正方形單元網(wǎng)格，即景觀脆弱度小區(qū)，共有樣區(qū)80個，計(jì)算每一個采樣區(qū)的景觀脆弱度大小，并把該屬性值賦給采樣區(qū)中心點(diǎn)。

2.2.2 景觀脆弱度指數(shù)的構(gòu)建 景觀格局的脆弱度與其自身的敏感性以及受到外界干擾時(shí)表現(xiàn)出的恢復(fù)能力有關(guān)，能夠反映出某個地區(qū)的抗干擾程度。本文根據(jù)景觀格局脆弱性的概念及內(nèi)涵［7－8］，利用FRAGSTATS軟件計(jì)算各景觀指數(shù)，通過景觀敏感度指數(shù)和景觀恢復(fù)度指數(shù)構(gòu)建景觀脆弱度指數(shù)。

(1)景觀敏感度指數(shù)

景觀敏感度是景觀某一組分受到自然或人為干擾后發(fā)生變化的速率，速率越大，敏感度越強(qiáng)［9］。本文首先通過基礎(chǔ)指數(shù)構(gòu)建景觀干擾度指數(shù)和景觀類型易損度，然后將兩個指數(shù)疊加來反映景觀格局受外界干擾后的敏感響應(yīng)程度。景觀敏感度指數(shù)LSI表達(dá)式為:

式中:n為景觀類型數(shù)目;i為景觀類型。其中，景觀干擾度指數(shù)Ui采用具有代表性并且與干擾密切相關(guān)的景觀類型破碎度、分離度指數(shù)和優(yōu)勢度3種指數(shù)為基礎(chǔ)指標(biāo)構(gòu)建景觀類型干擾度指數(shù):

式中:FNi為破碎度指數(shù)，其值越小，破碎度越小;Ni為分離度指數(shù);Di為優(yōu)勢度指數(shù)。

權(quán)重反應(yīng)了各指數(shù)對景觀敏感度貢獻(xiàn)的大小，根據(jù)研究區(qū)的現(xiàn)狀并結(jié)合相關(guān)研究成果［9］，將破碎度、分離度和優(yōu)勢度的權(quán)重分別設(shè)定為0.5、0.3和0.2。將研究區(qū)景觀類型的易損度分為4級:旱地與水田是最為敏感的景觀格局類型，人為活動強(qiáng)烈，劃分為高易損度，賦予權(quán)重7;林地與草地由于自身利用價(jià)值較高，也較容易受人類影響，劃分為較高易損度，賦予權(quán)重5;黃河沿岸的水域主要為黃河，一般不發(fā)生改變或與其他類型轉(zhuǎn)化，劃分為較低易損度，賦予權(quán)重3;建設(shè)用地最為穩(wěn)定，故劃分為低易損度，賦予權(quán)重1。用SPSS進(jìn)行景觀類型標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到各景觀類型的易損度Vi。

(2)景觀恢復(fù)度指數(shù)

景觀格局的脆弱性與系統(tǒng)的恢復(fù)性也有密切關(guān)系。利用斑塊豐富度密度指數(shù)PRD、香農(nóng)多樣性指數(shù)SHDI和香農(nóng)均勻性指數(shù)SHEI構(gòu)建景觀適應(yīng)度指數(shù)LRI:(3)景觀脆弱度指數(shù)

根據(jù)所建立的景觀敏感度指數(shù)和景觀恢復(fù)度指數(shù)，構(gòu)建景觀脆弱度指數(shù)LVI。LVI愈高，表明該區(qū)景觀敏感性愈高，而可恢復(fù)性愈差。

2.2.3 空間分析方法 景觀脆弱度指數(shù)本身是一種空間變量，其空間變化特征具有異質(zhì)性和相關(guān)性，可采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的變異函數(shù)的方法，借助半方差函數(shù)進(jìn)行區(qū)域景觀脆弱度的空間分析［11］。具體計(jì)算公式為:

式中:λ(h)為變異函數(shù);h為步長;N(h)為間隔距離為h時(shí)的樣點(diǎn)對數(shù);Z(xi)和Z(xi+h)分別為景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在空間位置xi和xi+h上的觀測值。半方差是度量空間依賴性與空間異質(zhì)性的一個綜合指標(biāo)，它具有3個重要的參數(shù):塊金值、基臺值和變程［7］。

2.2.4 景觀脆弱度空間分布 基于半方差函數(shù)的理論模型擬合分析，運(yùn)用GIS地統(tǒng)計(jì)模塊中的普通克里格法進(jìn)行插值，生成2000年、2006年和2012年的空間分布圖，并采用相對指標(biāo)法對景觀脆弱度小區(qū)的脆弱度指數(shù)進(jìn)行劃分。首先對脆弱度指數(shù)進(jìn)行直方圖處理，并進(jìn)行l(wèi)og變換，本研究設(shè)定脆弱度的間隔為0.1，將研究區(qū)劃分為 5個等級分區(qū)，即Ⅰ級低脆弱區(qū)(LVI≤0.05)、Ⅱ級較低脆弱區(qū)(0.05≤LVI≤0.15)、Ⅲ級中等脆弱區(qū)(0.15≤LVI≤0.25)、Ⅳ級較高脆弱區(qū)(0.25≤LVI≤0.35)和Ⅴ級高脆弱區(qū)(LVI≥0.35)。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀要素類型的動態(tài)變化

從表1、表2可見，河南省黃河沿岸地區(qū)2000年到2012年各個景觀要素類型發(fā)生了十分復(fù)雜的轉(zhuǎn)化。2000—2006年，水田、水域、林地這3類土地與其他類型轉(zhuǎn)化較活躍。水田大面積轉(zhuǎn)化為旱地，占到了總轉(zhuǎn)換面積的75.21%，主要由于城市化建設(shè)時(shí)占用了部分水田作為其對外擴(kuò)展用地;水域轉(zhuǎn)化為耕地的面積最多，占總轉(zhuǎn)換面積的26.38%，其中轉(zhuǎn)化為旱地的面積占總轉(zhuǎn)換面積的21.75%，轉(zhuǎn)化為水田的面積占總轉(zhuǎn)換面積的4.63%，結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)活動對黃河沿岸水域面積的變化有重大影響;林地轉(zhuǎn)換為旱地的面積占總轉(zhuǎn)換面積的70.96%，說明2000年到2006年間對林地進(jìn)行開墾耕作，使黃河沿岸的生態(tài)系統(tǒng)遭到 破壞。

表1 2000—2006年景觀要素轉(zhuǎn)移矩陣Table 1 The transfer matrix of landscape elements from 2000 to 2006 km2

2006—2012年旱地轉(zhuǎn)出總面積最大，大部分轉(zhuǎn)化建設(shè)用地。建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換面積在這一期間占總面積的30.46%，說明這段期間進(jìn)行了大規(guī)模的城市化建設(shè)，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，城市化進(jìn)程對黃河沿岸景觀要素類型的影響比較強(qiáng)烈;水域主要轉(zhuǎn)化為耕地，特別是轉(zhuǎn)化為旱地，水域轉(zhuǎn)化為旱地的面積占總轉(zhuǎn)換面積的58.14%，說明由于黃河漫灘洪水減少后，干涸河道被開墾后轉(zhuǎn)化為旱地、水田等用地;草地的面積大量減少，轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的面積為6.15 km2;林地轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的比例占總量的17.94%，大量轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和旱地。

表2 2006—2012年景觀要素轉(zhuǎn)移矩陣Table 1 The transfer matrix of landscape elements from 2006 to 2012 km2

3.2 基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論模型擬合分析

根據(jù)公式(4)，計(jì)算采樣區(qū)的景觀格局脆弱度值，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+完成樣本變異函數(shù)理論模型的擬合，模型的最優(yōu)選擇用決定系數(shù)R2來決定，并綜合考慮殘差RSS、塊金值和變程，結(jié)果表明，2000年和2006年景觀格局脆弱度均為指數(shù)模型擬合效果最好，而2012年高斯模型擬合效果最佳(表3)。

表3 變異函數(shù)理論模型的相關(guān)參數(shù)Table 3 Parameters of theoretical model of variogram

由表3可知，2000年、2006年和2012年研究區(qū)景觀格局脆弱度空間分異的變程分別為16.70、18.51、16.10 km，表明10 km 采樣間距內(nèi)研究區(qū)景觀格局脆弱度具有高度的空間相關(guān)性。研究區(qū)脆弱度指數(shù)的塊金值2000年和2012年相差不大，2006年較高，表明2006年景觀格局變化受非結(jié)構(gòu)性因素即人類活動的影響最大。隨機(jī)變異塊金值/基臺值2000年為26.20% ，說明在2000年10 km以下的小尺度上的隨機(jī)變異較小;2006年升高至38.24%，表明脆弱度指數(shù)在由隨機(jī)部分引起的空間變異性程度較大;2012年塊金值/基臺值為22.92%，這表明2012年景觀格局之間空間相關(guān)性重新升高。相關(guān)性整體先降低后升高的趨勢，表明隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動對景觀格局的擾動達(dá)到一定水平后趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)，使得2012年景觀格局間又具有強(qiáng)烈的空間結(jié)構(gòu)性。隨著城市化的進(jìn)一步深入發(fā)展，黃河沿岸的受城市化等非結(jié)構(gòu)性因素的影響將會降低。

3.3 景觀脆弱度的時(shí)空演變

綜合分析圖2和圖3，研究區(qū)景觀格局脆弱度整體上呈上升趨勢。其中較低脆弱區(qū)的面積最大;較高脆弱區(qū)和高脆弱區(qū)的面積增加的最快，并且空間格局變化較為顯著。2000年研究區(qū)內(nèi)處于低脆弱區(qū)和較低脆弱區(qū)的面積占全區(qū)總面積的23%和40%，主要分布在鄭州市、開封市以及焦作市的南部地區(qū)，基質(zhì)景觀類型主要以建設(shè)用地和黃河沿岸濕地、林地為主;中等脆弱區(qū)、較高脆弱區(qū)和高脆弱區(qū)形成了典型的“同心圓”結(jié)構(gòu)，主要分布在鄭州市黃河以北，新鄉(xiāng)市原陽縣和開封封丘縣一帶，該地區(qū)是河南省重要的農(nóng)作物耕種區(qū)，景觀類型以水田、旱地為主，斑塊本身較為破碎，特別是有“中國第一米”之稱的原陽水稻種植區(qū)，系統(tǒng)易受干擾，景觀脆弱度高。

圖2 2000年、2006年和2012年景觀脆弱度克里格插值空間分布Fig.2 Kriging interpolation of the landscape patterns vulnerability degree in spatial distribution of 2000，2006 and 2012

與2000年相比，2006年較低脆弱區(qū)向中等脆弱區(qū)的年均轉(zhuǎn)換面積速度最快，達(dá)到了171.52 km2·a－1，說明這期間研究區(qū)內(nèi)人類進(jìn)行的干擾活動較強(qiáng)烈，脆弱度等級由低級別向高級別過渡;處于較高脆弱區(qū)和高脆弱區(qū)較2000年都有所上升，都占到了全區(qū)總面積的7.5%，空間位置變化最突出的是鄭州市北部的黃河以南地區(qū)，表明近幾年隨著城市化的發(fā)展，人類對當(dāng)?shù)鼐坝^格局的破壞程度加大，導(dǎo)致景觀敏感性指數(shù)增加，景觀脆弱度指數(shù)上升。

圖3 2000年、2006年和2012年各級脆弱度面積比例Fig.3 Distribution of the vulnerability grades of 2000，2006 and 2012

2012年，景觀脆弱度等級分布狀況最明顯的變化是處于較高脆弱區(qū)和高脆弱區(qū)的區(qū)域范圍顯著擴(kuò)大，特別是高脆弱區(qū)面積幾乎是2000年的3倍，其他脆弱度等級轉(zhuǎn)化為高脆弱度等級的面積占到了7.68%，這種變化主要發(fā)生在建設(shè)用地和水田變化最明顯的區(qū)域，除了鄭州市北部地區(qū)繼續(xù)進(jìn)行建設(shè)用地?cái)U(kuò)張之外，鞏義和滎陽等地區(qū)的近幾年也進(jìn)行了大規(guī)模的城市化建設(shè)，第二、三產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)使得當(dāng)?shù)鼐坝^格局脆弱度逐漸上升。

4 結(jié)論

1)隨著城市化的進(jìn)程，河南省黃河沿岸景觀格局變化較為劇烈，2000—2006年、2006—2012年2個研究時(shí)段內(nèi)，各個景觀類型之間進(jìn)行了復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)化。旱地是轉(zhuǎn)換面積最大的景觀類型;水田大面積轉(zhuǎn)化為旱地;林地和草地的斑塊面積在減少;水域主要轉(zhuǎn)化為耕地;建設(shè)用地斑塊面積增加的速度非?？?。河南省黃河沿岸整體景觀破碎度增加，景觀異質(zhì)性增加，城市化建設(shè)對原有土地有一定切割作用，景觀要素空間分布不均衡。這一系列的變化是人類活動的干預(yù)和自然因素的綜合作用，人類活動起著主要作用，特別是城市化的進(jìn)程對各景觀類型間轉(zhuǎn)換的影響。

2)2000年和2012年研究區(qū)各景觀格局之間空間相關(guān)性很強(qiáng)，2006年脆弱度指數(shù)在由隨機(jī)部分引起的空間變異性程度較大;2000年到2012年間研究區(qū)景觀格局脆弱度整體呈上升的趨勢，低脆弱區(qū)和較低脆弱區(qū)的分布范圍在減少;較高脆弱區(qū)和高低脆弱區(qū)的分布范圍逐漸擴(kuò)大，并形成了同心圓結(jié)構(gòu)，說明研究區(qū)內(nèi)的人類活動對景觀脆弱度起著至關(guān)重要的作用，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)要綜合考慮對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響程度。

3)城市化進(jìn)程是黃河沿岸景觀格局脆弱度變化的主要影響因素，隨著城市化進(jìn)程的逐步完成，黃河沿岸的生態(tài)脆弱度會逐漸穩(wěn)定。此外，本文所構(gòu)建的景觀脆弱度指數(shù)有一定的局限性，如低脆弱度并不表示生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量優(yōu)良，僅代表了區(qū)域生態(tài)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，可恢復(fù)性較好。

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