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(yīng)機(jī)制，并制定氣候變化的適應(yīng)策略。[方法]以2000和2015年金錢河流域的遙感影像為數(shù)據(jù)源，利用遙感影像處理方法對(duì)影像進(jìn)行分類，采用疊置分析得到2000和2015年的土地利用方式轉(zhuǎn)移矩陣;利用Fragstats軟件在景觀格局分析中采用了景觀格局?jǐn)?shù)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(shù)，系統(tǒng)分析了金錢河流域土地利用方式景觀格局變化的時(shí)空特征。[結(jié)果]近15年來金錢河流域的土地利用類型均發(fā)生明顯變化，草地、林地、建設(shè)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(jié)果表明，林地和水域面積始終占據(jù)優(yōu)勢(shì)，耕地和建設(shè)用地面積明顯增加且破碎程度降低，分布呈現(xiàn)集中化，水域周邊的景觀要素增多。[結(jié)論]流域內(nèi)水域面積減少明顯，其主要原因是降水變化以及人為活動(dòng)的影響;草地面積增多，主要轉(zhuǎn)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(hù)政策有很大關(guān)系，因此短時(shí)間內(nèi)政府政策的導(dǎo)向是土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。在景觀格局的數(shù)量分析上研究區(qū)的破碎程度降低，景觀呈均衡化趨勢(shì)發(fā)展。

關(guān)鍵詞金錢河流域;土地利用變化;景觀格局

中圖分類號(hào)P901文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2019）01-0051-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.018

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

土地利用變化研究是揭示區(qū)域環(huán)境變化的重要途徑，是國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）和國(guó)際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃（IHDP）的重要內(nèi)容[1]。土地利用變化研究已成為當(dāng)前各國(guó)學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，其研究?jī)?nèi)容從全球氣候變化效應(yīng)，擴(kuò)展到不同空間尺度的土地變化過程及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等[2]。生態(tài)環(huán)境是人類生存與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保證和物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，隨著生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的改造和破壞越來越嚴(yán)重。土地利用景觀格局變化是生態(tài)環(huán)境受到人類活動(dòng)的影響最顯著的表現(xiàn)，土地利用景觀格局變化能夠從空間上量化反映人為活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度，有利于生態(tài)環(huán)境變化影響因素的探尋與分析，從而為人為活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境響應(yīng)研究提供基礎(chǔ)依據(jù)，最終提供科學(xué)合理土地利用方式選擇依據(jù)。

國(guó)外有關(guān)土地利用景觀變化的研究起步較早，最早開始于19世紀(jì)70年代。例如，F(xiàn)orman等于1979年對(duì)美國(guó)新澤西州瀕海平原松林景觀組成與格局進(jìn)行了研究[3];我國(guó)對(duì)于景觀生態(tài)學(xué)的研究開始較晚，但經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，在景觀生態(tài)格局研究方面也取得了一定的成績(jī)，1990年研究人員通過構(gòu)造城市化指數(shù)評(píng)價(jià)了區(qū)域的城市化的進(jìn)程趨勢(shì)[4];周毅等[5]在北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)發(fā)表的——中國(guó)典型生態(tài)脆弱帶于貧困相關(guān)性分析一文中提出了建立包括13個(gè)指標(biāo)的景觀生態(tài)格局動(dòng)態(tài)度量指標(biāo)體系;1999年，研究人員設(shè)計(jì)了基于GIS技術(shù)的數(shù)據(jù)庫管理及空間分析的兩種樣方取值方法，即基準(zhǔn)面積法和樣方斑塊數(shù)法，還提出了景觀要素空間關(guān)聯(lián)指數(shù);2010年，張志明等[6]研究了2D、3D景觀指數(shù)與景觀格局的變化關(guān)系，得出3D景觀指數(shù)得到的變化值較2D景觀指數(shù)更精確。由此可以看出，20世紀(jì)以來，GIS和RS技術(shù)發(fā)展迅速并趨于成熟，在景觀格局與動(dòng)態(tài)過程的分析與模擬中得到了廣泛的應(yīng)用，盡管我國(guó)景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展迅速并取得了一定的成果，但與國(guó)外的相關(guān)領(lǐng)域研究仍存在一定的差距，有技術(shù)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(xù)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(fā)源于海拔2320.5m的秦嶺主脊南側(cè)，總體流向呈東北-西南向，流經(jīng)陜西省柞水縣和山陽縣，后進(jìn)入湖北省鄖西縣，金錢河在陜西秦嶺河段長(zhǎng)度為199km。金錢河是中國(guó)南水北調(diào)工程中線調(diào)水的給水地[7]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)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(shè)等，流域內(nèi)不同土地利用類型面積的變化對(duì)徑流、植被、生態(tài)環(huán)境變化都會(huì)產(chǎn)生很大影響。90年代以來國(guó)家實(shí)行退耕還林、還草政策，加之近些年來旅游景區(qū)大力開發(fā)，一系列的人為活動(dòng)使秦嶺南坡土地利用景觀格局發(fā)生巨大改變，土地利用景觀格局的變動(dòng)與氣候變化之間的響應(yīng)機(jī)制是全球氣候變化研究的重點(diǎn)。

筆者以金錢河為研究對(duì)象，基于景觀格局分析法來研究金錢河流域的景觀動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)規(guī)律。采用景觀格局?jǐn)?shù)量分析方法，并與遙感技術(shù)相結(jié)合，對(duì)金錢河土地利用景觀格局變化進(jìn)行分析，以期為金錢河流域未來土地利用規(guī)劃發(fā)展方向的確定提供參考，為實(shí)現(xiàn)該流域土地資源的合理開發(fā)以及對(duì)氣候變化的適應(yīng)策略貢獻(xiàn)科學(xué)依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

金錢河（109°9′～110°19′E，33°11′～33°52′N）發(fā)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(jīng)陜西省柞水縣、山陽縣，流入湖北省鄖西縣夾河鎮(zhèn)，最終與漢江交匯（圖1）。金錢河全長(zhǎng)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(shí)數(shù)1950.3h，多年平均蒸發(fā)量889mm，多年平均降雨量752.4mm，降雨年內(nèi)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(jì)90年代以來，金錢河流域人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響逐漸開始成為主導(dǎo)因素，人類活動(dòng)引起的土地利用與土地覆被變化、水利工程建設(shè)以及地下水的開發(fā)利用等對(duì)流域內(nèi)的氣候、水文、植被等自然環(huán)境均會(huì)產(chǎn)生一定影響，一系列自然環(huán)境的變化又在某種程度上影響著該地區(qū)土地利用變化的方式。

1.2數(shù)據(jù)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(tài)十年調(diào)查”項(xiàng)目Landsat7遙感影像，影像空間分辨率為30m×30m，時(shí)間分辨率為16d，共8個(gè)波段，機(jī)載傳感器為ETM+;2015年6月1日的影像來源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），為L(zhǎng)andsat8遙感影像，空間分辨率也為30m×30m，時(shí)間分辨率為16d，共11個(gè)波段，機(jī)載傳感器為OLI、TIRS。兩幅影像分別采用波段3＼4＼5進(jìn)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(yù)處理及影像分類。

1.3.1.1影像融合與增強(qiáng)。圖像融合的目的是通過綜合不同數(shù)據(jù)所含信息優(yōu)勢(shì)或互補(bǔ)性，得到最優(yōu)化的信息，以減少或抑制對(duì)被感知對(duì)象或環(huán)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(jì)算機(jī)操作，對(duì)對(duì)比度和亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)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(shí)采用的波段都是3＼4＼5。

1.3.1.2監(jiān)督分類。該研究采用最大似然法對(duì)處理好的遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類。最大似然法又稱最大概似估計(jì)或極大似然估計(jì)，是一種具有理論性的點(diǎn)估計(jì)法。基本思想是從模型中抽取n組樣本觀測(cè)值，最合理的參數(shù)估計(jì)量是使得樣本觀測(cè)值的的概率最大。該研究選取了國(guó)土資發(fā)[2001]255號(hào)試行的《土地分類》的二級(jí)分類體系作為土地分類標(biāo)準(zhǔn)，分別為未利用地、草地、林地、建設(shè)用地、耕地。

1.3.2景觀格局分析法。

景觀生態(tài)學(xué)是研究景觀單元的類型組成、空間配置及其生態(tài)學(xué)過程相互作用的綜合性學(xué)科[8]，景觀格局可以反映出景觀異質(zhì)性，同時(shí)可以對(duì)不同尺度上的各種生態(tài)過程作出分析，景觀格局分析方法在景觀生態(tài)學(xué)中起很重要的作用[12-13]。根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)和研究需要從類型水平和景觀水平2方面選取指標(biāo)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(gè)數(shù)（NP）、散布與并列指數(shù)（IJI）、分散指數(shù)（SPLIT）;在景觀水平上選取了斑塊密度指數(shù)（PD）、最大斑塊所占景觀面積的比例（LPI）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、聚集度指數(shù)（AI）。具體的指數(shù)含義及其公式見參考文獻(xiàn)[13]。

2結(jié)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(duì)影像進(jìn)行融合、裁剪，根據(jù)影像呈現(xiàn)的色調(diào)及紋理特征，采用最大似然法對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類，得到2000年和2015年金錢河流域的土地利用分類結(jié)果（圖2），精度評(píng)價(jià)結(jié)果顯示兩期土地利用類型的分類精度均在80%以上，達(dá)到了該研究的精度要求。在此基礎(chǔ)上對(duì)2幅土地利用分類圖進(jìn)行空間疊加分析統(tǒng)計(jì)得到了各種土地利用方式面積變化情況表（表1）。

根據(jù)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(qū)域的中部（圖2A）。2015年，耕地面積略有減少且分布中心發(fā)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，其中未利用地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移至研究區(qū)南部地區(qū)（圖2B），主要轉(zhuǎn)入類型是水域，水域轉(zhuǎn)入草地的面積達(dá)465.1km2，其原因主要是因?yàn)?000—2015年金錢河流域河流徑流減少，許多河流出現(xiàn)斷流以及河道變小的現(xiàn)象，從轉(zhuǎn)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(zhǎng)最多的土地利用方式，達(dá)620.327km2（表1）。

2000—2015年，建設(shè)用地面積略有增加，2015年建設(shè)用地的主要轉(zhuǎn)入類型為未利用地。林地面積增加386.58km2，轉(zhuǎn)入類型主要為耕地，這與國(guó)家的退耕還林以及林地保護(hù)政策有很大關(guān)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(shí)空上的數(shù)量變化情況，景觀格局層面上的數(shù)量分析能夠詳細(xì)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(shù)分析。

在類型水平上對(duì)景觀格局進(jìn)行分析，可以明確不同的景觀類型的景觀動(dòng)態(tài)特征及其對(duì)整個(gè)景觀類型的影響[8]。由表2可得出以下結(jié)論：

①?gòu)腖PI指數(shù)來看，2000—2015年林地和水域的LPI指數(shù)均較高并且持續(xù)增大，表明林地與水域在研究區(qū)中始終保持較大的優(yōu)勢(shì)且該優(yōu)勢(shì)有擴(kuò)大的趨勢(shì)。未利用地、建設(shè)用地、耕地的LPI指數(shù)表現(xiàn)出減少趨勢(shì)，表明未利用地、建設(shè)用地、耕地在研究區(qū)中的景觀程度降低。

②從NP指數(shù)來看，未利用地、草地、水域和耕地的NP指數(shù)也有所減少，其中未利用地的NP指數(shù)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(shè)用地的NP指數(shù)出現(xiàn)增加，表明林地與建設(shè)用地相對(duì)于其他土地利用類型來說，破碎程度較高，表明人類對(duì)其干擾程度大。

③從IJI指數(shù)來看，2000、2015年的IJI指數(shù)，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(fā)展，其原因主要是金錢河流域水域面積廣大，人們對(duì)其周圍的土地不斷進(jìn)行農(nóng)業(yè)的開墾和旅游業(yè)的開發(fā)導(dǎo)致景觀要素增多。耕地的IJI指數(shù)不斷增加是由于人類開墾荒地和進(jìn)行工程建設(shè)，導(dǎo)致耕地附近的景觀要素不斷增多。未利用地的IJI指數(shù)出現(xiàn)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(qiáng)。