邊曉輝， 劉友存， 王杰， 崔玉環(huán)， 劉燕， 丁倩倩

（1.江西理工大學(xué)，a.建筑與測繪工程學(xué)院；b.資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥230601；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，合肥 230036）

0 引 言

景觀格局的演變是一個結(jié)合了綜合性與復(fù)雜性，及其不確定因素的變化過程，因此景觀格局的變化分析研究成為景觀生態(tài)學(xué)中的核心問題[1]．景觀格局的變化又涉及自然、生物和人類因素的多重影響，不同環(huán)境下景觀類型的變化可反應(yīng)出不同區(qū)域景觀的空間異質(zhì)性[2-5]．流域作為一個比較完整的地理生態(tài)圈，可以明確的反映出景觀格局變化的因素[6]．近年來，隨著RS和GIS技術(shù)的不斷完善，國內(nèi)外學(xué)者對于景觀格局的研究主要傾向于時間和空間上的動態(tài)變化，以及驅(qū)動因素的響應(yīng)，并且是以城市和流域的研究為主[7-10]．劉英等[11]利用五期遙感影像從土地利用動態(tài)度和景觀格局指數(shù)方面對紅堿淖地區(qū)做了研究；魏偉等[12]利用四期影像從景觀類型和景觀水平指數(shù)的角度研究了石羊河流域的景觀格局時空演變；任嘉衍等[13]主要利用景觀指數(shù)和驅(qū)動因素的結(jié)合對伊河流域的景觀格局變化進(jìn)行研究．在景觀格局和土地利用變化中大多學(xué)者都是從時空的動態(tài)變化、景觀格局指數(shù)以及驅(qū)動因素之間的相互結(jié)合進(jìn)行研究與分析．

贛江上游太平江流域既屬于我國南方重要地理生態(tài)屏障區(qū)域，也是國家重點生態(tài)保護區(qū)，對其景觀格局時空變化的研究不僅有助于掌握區(qū)域土地覆被的動態(tài)變化，還可以為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)改善提供數(shù)據(jù)支撐．張少偉[14]對贛南地區(qū)的土地利用變化從時間和坡度方面做了分析，李恒凱等[15]對贛南紅土壤地區(qū)的植被覆蓋度從時間上和地貌特征上做了研究．未有學(xué)者從流域的尺度和生態(tài)學(xué)的角度來分析該區(qū)域的景觀格局動態(tài)變化與驅(qū)動因素．因此，本文選取了贛江上游典型的小流域-太平江流域為研究對象，運用過去20年的遙感影像數(shù)據(jù)，從景觀格局的動態(tài)度、開發(fā)度、景觀類型指數(shù)和景觀水平指數(shù)的變化特征，以自然和經(jīng)濟作為驅(qū)動因素進(jìn)行分析．以期為典型流域的景觀格局變化研究提供技術(shù)支持，為研究區(qū)的合理開發(fā)利用提供可靠的科學(xué)依據(jù)．

1 研究區(qū)域概況

太平江發(fā)源于江西省贛州市龍南縣南嶺北坡，不僅是桃江的一級支流，而且是贛江最重要的源頭之一(如圖1所示)．流域主要位于贛州市龍南縣境內(nèi)， 介于 114°28'E-114°43'E，24°31'N-24°48'N 之間，流域總面積為 437．5 km2，海拔介于 236～869 m之間，屬于典型亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候；年均降水量1676 mm，主要集中于4—6月份和11—12月份．研究區(qū)屬于山地丘陵地帶，主要以林地為主，占流域面積的63%，集中于人類活動較少的高海拔地區(qū)．此外，居住區(qū)域相對集中，生態(tài)環(huán)境良好，水資源豐富．

圖1 贛江上游太平江流域

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

文中的資料主要來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）下載的遙感影像和DEM數(shù)據(jù)，及實地勘察的相關(guān)數(shù)據(jù).主要的遙感數(shù)據(jù)有1995年12月07日、2005年11月23日的Landsat5 TM影像和2015年10月18日的Landsat8 OLI影像，而選擇的影像數(shù)據(jù)云量分別為0.03、0.15和 0.03.DEM數(shù)據(jù)來源于ASTER-GDEMDEM30m，贛州市各縣級行政矢量邊界下載于Google Earth.基于Arcgis10.2對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析，首先根據(jù)實地采集的GPS點位坐標(biāo)對研究區(qū)域進(jìn)行精確定位；其次，根據(jù)河網(wǎng)分布提取研究區(qū)域大致范圍；而后，經(jīng)盆域分析形成匯水面后進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)面，從而獲得研究區(qū)域的矢量邊界.再運用ENVI5.3對研究區(qū)域不同時期的Landsat TM和OLI30m分辨率的遙感影像進(jìn)行解譯.圖像解譯過程主要包括波段合成、輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像裁剪、監(jiān)督分類和分類后圖像的預(yù)處理.在進(jìn)行監(jiān)督分類時采用最大似然值分類方法，其優(yōu)勢在于可將主像元周邊的像元歸為同一類，可減少分類的誤差.圖像裁剪是利用Arcgis提取的矢量邊界在ENVI中進(jìn)行裁剪，并得到研究區(qū)的影像.監(jiān)督分類是根據(jù)實地勘察結(jié)果以及Google Earth地形圖的綜合使用，借助專家分類情況將研究區(qū)域的景觀類型主要分為6大類，即林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地和其它用地（裸地和未利用土地）[16-18].

三期影像的分類結(jié)果如圖2所示,本次三期影像的總體分類精度分別為：1995年94.81%，2005年95.04%和 2015年 92.54%；Kappa系數(shù)為 0.94，0.93和0.9，分類精度符合景觀格局的動態(tài)變化分析[19-20].將分類后數(shù)據(jù)在Arcgis10.2進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，然后導(dǎo)入Fragstat3.3軟件進(jìn)行景觀格局指數(shù)的運算.

圖2 1995—2015年太平江流域景觀類型分布

2.2 景觀格局動態(tài)變化

景觀格局變化率、動態(tài)度和開發(fā)度既可用來描述景觀類型的變化情況，也能預(yù)測未來一段時期內(nèi)景觀格局的變化趨勢[21-26].而景觀格局變化率是分析某種景觀類型的變化速率，景觀格局動態(tài)度可用來定量描述景觀格局變化的速度，景觀格局的開發(fā)度可宏觀的體現(xiàn)某種景觀類型開發(fā)的具體速率.三者對于景觀類型的變化研究都具有一定的積極作用.

其中單一景觀類型的數(shù)量變化計算公式如下：

式（1）中：K表示某一種景觀類型變化率，當(dāng)T為年計算時，則K用來表示景觀格局的年變化率.Ua和Ub代表任意景觀類型研究初期和末期的景觀類型面積.T作為時間序列，在本文中特指年的時間單位.

區(qū)域綜合景觀格局變化速度的計算公式如下：

式（2）中：LU表示景觀格局動態(tài)度（LU的取值范圍參考劉紀(jì)遠(yuǎn)等對中國土地利用動態(tài)特征劃分為4個區(qū)間[27]：緩慢變化（0～3%）；慢速變化（4%～12%）；快速變化(13%～24%)；急速變化(21%～25%），ΔLUi-j表示i種景觀類型初期到末期轉(zhuǎn)換為其它景觀類型的面積總和，LUi表示研究初期第i種景觀類型的面積總和.

單一景觀類型的開發(fā)度公式如下：

式（3）中：LUD表示景觀類型的開發(fā)度，Dab為某種景觀類型研究初期至末期新開發(fā)的景觀類型面積.

2.3 景觀類型指數(shù)

景觀格局的定量分析主要是通過景觀的組成和結(jié)構(gòu)來體現(xiàn)，有助于了解景觀的空間異質(zhì)性.而景觀類型指數(shù)就是具體的反映不同景觀類型之間的特征.主要選取了多個景觀指標(biāo)，其中包括類型水平指數(shù)中的：斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）和斑塊類型面積百分比（PLAND）,景觀水平指數(shù)有：斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、香濃多樣性指數(shù)（SHDI）和香濃均勻度指數(shù)（SHEI）等指數(shù)[28-30].各景觀指數(shù)的計算公式及其公式涵義如表1.

表1 景觀指數(shù)計算公式

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局動態(tài)變化分析

3.1.1 景觀類型整體變化與轉(zhuǎn)移分析

轉(zhuǎn)移矩陣可以從客觀上反映出景觀類型精確的轉(zhuǎn)換情況.1995—2005年贛江上游太平江流域的景觀類型轉(zhuǎn)移如表2所示.這段時間內(nèi)，僅有林地的面積增加47.16 km2，其余景觀類型的面積都處于減少趨勢，減少較多是草地和耕地，分別為25.27 km2和18.22 km2.林地面積增加主要是55.71 km2的草地和7.77 km2的耕地轉(zhuǎn)換而來.

表3為2005—2015年的景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣，這十年中景觀類型的面積處于增長的是林地和建設(shè)用地，增加面積分別為20.49 km2和16.07 km2.林地的面積增加主要由39.01 km2的草地轉(zhuǎn)換而來，建設(shè)用地增長的面積主要是5.32 km2的草地和7.51 km2的耕地轉(zhuǎn)換所得.

總體來看，這20年中，林地面積一直處于增長趨勢，是研究區(qū)域的主要景觀類型，2015年占流域總面積的67%，從1995年的224.2 km2增加到2015年291.85 km2，增加15%.草地一直處于較少狀態(tài)，從1995年的占地面積29%減少至2015年的20%.水域和其它用地在該區(qū)域地面積較小，其年際變化也不顯著.建設(shè)用地由2005年的0.5%增加至2015年的4%，是該區(qū)域變化最為顯著的景觀類型.

3.1.2 景觀格局變化速度分析

景觀類型的變化率和開發(fā)度用來描述單一景觀類型的年際變化情況，景觀格局動態(tài)度用來反映景觀格局整體變化情況.太平江流域近20年景觀格局的速度變化如表4所示.1995—2005年單一景觀類型變化率最大值為水域和其它用地，都是-3.1%，對應(yīng)的景觀類型開發(fā)度也為該時期的最大值，分別為3.7%和5.9%.建設(shè)用地的變化率-1.75%為最小，開發(fā)度為2.3%.2005—2015年，變化率最為顯著的是建設(shè)用地82.4%，對應(yīng)的開發(fā)度也為最大值82.9%，同時，變化率最小的林地0.1%，開發(fā)度也是最小值1.6%.水域和其它用地的變化率有所上升，分別為-4.4%和-5%，開發(fā)度為2.7%和4.3%.這兩個時間段的綜合景觀格局動態(tài)度分別為2%和1.9%，屬于緩慢變化型，主要是該區(qū)域的人類活動強度減弱導(dǎo)致該區(qū)域的景觀動態(tài)度有所減少，景觀類型偏向單一化.

表2 1995—2005年太平江流域景觀類型面積轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表3 2005—2015年太平江流域景觀類型面積轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表4 1995—2015年太平江流域景觀類型變化速率

3.2 景觀格局指數(shù)分析

3．2．1 景觀類型指數(shù)分析

1995—2015年太平江流域的景觀類型指數(shù)如表5所示，林地斑塊數(shù)量由1995年的1517減少到2015年的1133個，斑塊類型面積百分比逐漸增長，斑塊密度逐步縮減，最大斑塊指數(shù)自2005年后趨于平穩(wěn)，斑塊形狀指數(shù)下降，說明該區(qū)域的自然與人為因素的破壞系數(shù)降低，對于森林生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)及時有效[31-32]．草地的斑塊數(shù)量、斑塊密度逐步上升，斑塊類型面積百分比、斑塊形狀指數(shù)逐漸下降，最大斑塊指數(shù)先增后減，主要原因是草地面積急劇減少導(dǎo)致．水域和其它用地的斑塊數(shù)量、斑塊類型面積百分比和最大斑塊指數(shù)都出現(xiàn)逐漸減少趨勢．耕地的斑塊數(shù)量、斑塊類型面積百分比、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)均先減后增，只有最大斑塊指數(shù)逐漸較小．建設(shè)用地的斑塊數(shù)量、斑塊類型面積百分比、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)和最大斑塊指數(shù)均逐漸上升．該流域景觀類型的變化趨勢主要由林地和建設(shè)用地擴張使得草地和耕地破碎化程度加劇．

表5 1995—2015年太平江流域景觀類型指數(shù)

3．2．2 景觀水平指數(shù)分析

1995—2005年太平江流域的景觀水平指數(shù)如表6所示，1995—2005年中景觀格局的斑塊數(shù)目、斑塊密度和斑塊形狀指數(shù)明顯降低，這一原因主要是由于1999年以來退耕還林政策的實施，使得最主要的景觀類型林地面積迅速增加，破碎化的景觀類型有所回升．2005—2015年期間，景觀斑塊數(shù)目、斑塊密度和斑塊形狀指數(shù)有所回升，這主要是城鄉(xiāng)建設(shè)使得建設(shè)用地的急劇增加以及林地面積的穩(wěn)定增長導(dǎo)致．20年中最大斑塊指數(shù)未發(fā)生變化，香濃多樣性指數(shù)和香濃均勻度指數(shù)都趨于下降的趨勢，多樣性指數(shù)僅大于1，均勻度指數(shù)小于0．7，說明景觀格局的多樣性比較簡單，景觀類型的均勻性不平衡，主要是因為林地面積占據(jù)所有景觀類型的比重過大，使得該區(qū)域景觀類型單一化比較嚴(yán)重．

表6 1995—2015年太平江流域整體景觀水平指數(shù)

4 景觀格局變化驅(qū)動因素分析

4.1 自然因素分析

太平江流域地形處于平原與山地的過渡區(qū)，屬于低緩丘陵地帶，并且降雨充足，氣候適宜．它位于龍南縣最南部，其地形顯示出西南高，中部以及東北區(qū)域地勢偏低，所以導(dǎo)致人類活動集中于中部平緩區(qū)域，林業(yè)用地基本在坡度7%～11%之間，位于地勢較高區(qū)域和平原與丘陵過渡區(qū)，海拔在360～900 m之間．草場大部分集中在坡度為4%～6%之間，主要集中在人類活動區(qū)域與林地之間．而人類活動大多集中于地勢平坦地帶，致使建設(shè)用地基本都位于河流的兩側(cè)以及中部平緩地帶海拔高度都集中于300～360 m之間．人類生活的集中化減少了人為因素對于環(huán)境的破壞程度，使得該地區(qū)的林地大量恢復(fù)．在這樣的自然地理環(huán)境下，地形地貌很大程度上決定了人類活動的大致去向，也直接影響著某些景觀類型的變化．總之，自然因素對于該流域景觀格局的結(jié)構(gòu)和組成有一定的約束性作用[31-33]．

4.2 社會經(jīng)濟因素分析

由龍南縣部分年鑒記載和實地勘察資料整理得出[34]，龍南縣GDP和建設(shè)用地與耕地面積變化的趨勢如圖3所示．自1995年以來，太平江流域的耕地面積逐年縮減，建設(shè)用地面積在2005—2015年這10年期間增長迅速，GDP也是逐年上升．隨著研究區(qū)域人口城鎮(zhèn)化的發(fā)展和國民經(jīng)濟的不斷上升，人民生活水平大幅度提高．大多數(shù)人口向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致農(nóng)村人口基數(shù)減小，對于農(nóng)業(yè)用地的使用減弱，由于生活質(zhì)量的優(yōu)越，人們的農(nóng)業(yè)耕作意識淡化，外加鄉(xiāng)鎮(zhèn)周邊農(nóng)業(yè)用地大部分被建設(shè)用地所替代，這也是影響耕地面積直接下滑的主要因素．但這也為林業(yè)的發(fā)展給予了一定的幫助，使得研究區(qū)域的林地面積擴長，保證了2015年森林覆蓋率達(dá)到67%．因此，國民經(jīng)濟的增長是影響太平江流域整體景觀格局變化的主要驅(qū)動因素[35]．

圖3 GDP變化與太平江流域景觀類型的變化趨勢

5 結(jié) 論

1）從景觀動態(tài)變化來看，1995—2005年林地面積增加增幅最大，主要由草地和耕地轉(zhuǎn)換而來，除林地以外，其余景觀類型面積都處于減少狀態(tài)，水域和其它用地景觀類型動態(tài)度和開發(fā)度出現(xiàn)峰值．2005—2015年景觀類型面積增長的有林地和建設(shè)用地，建設(shè)用地主要由耕地轉(zhuǎn)換而來，景觀類型動態(tài)度和開發(fā)度均高于80%．由于水域和其它用地面積較小，在整個景觀動態(tài)變化上較為敏感．

2）從景觀指數(shù)方面來看，因為林地占地面積比重較大，斑塊連通性較強，斑塊數(shù)量逐漸減小，成為優(yōu)勢景觀類型，直接決定著整個景觀分布的趨勢．研究區(qū)域的草地、耕地和建設(shè)用地的斑塊數(shù)量和斑塊密度增加，說明局部區(qū)域的破碎化程度提高．景觀多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)分別減小，主要是小范圍的復(fù)雜化和均勻化很難決定整體景觀格局．從景觀格局變化的驅(qū)動因素來看，研究區(qū)域的景觀類型主要受自然因素地形的約束，但經(jīng)濟的快速增長是影響整個景觀格局變化的主要因素．