付揚(yáng)軍, 師學(xué)義, 和 娟

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100083)

流域是承載人類(lèi)社會(huì)與自然生態(tài)系統(tǒng)重要的地理單元，隨著流域生態(tài)學(xué)的發(fā)展，流域尺度的研究受到更多學(xué)者的關(guān)注[11-13]。汾河流域作為山西省的母親河，黃河第二大支流，位于黃土丘陵溝壑區(qū)，土地支離破碎，自然條件惡劣，生態(tài)環(huán)境較脆弱。此外，早先大面積、高強(qiáng)度、不合理的開(kāi)采礦產(chǎn)資源，造成了地表沉陷和裂縫，土地資源及生態(tài)景觀破壞，河流斷流等生態(tài)問(wèn)題，給原本脆弱的生態(tài)環(huán)境再添創(chuàng)傷。同時(shí)，流域內(nèi)分布有多個(gè)國(guó)家級(jí)貧困縣，在長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人口激增的過(guò)程中，流域景觀格局產(chǎn)生深刻變革，為了流域的生態(tài)保護(hù)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展，其景觀格局脆弱性的研究變得尤為重要。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河是山西境內(nèi)第一大河流，黃河的第二大支流，山西人民的“母親河”，自北向南流經(jīng)忻州市、太原市、呂梁市、晉中市、臨汾市、運(yùn)城市6市的27縣(市、區(qū))，干流全長(zhǎng)716 km，流域面積39 471 km2，其中流域面積超過(guò)50 km2的一級(jí)支流有83條。流域西靠呂梁山、東臨太行山，地勢(shì)北高南低，支流水系發(fā)源于兩大山系之間，是黃土高原的重要組成部分。區(qū)域多年平均(1980—2016年)天然徑流量為16.2億m3,多年平均氣溫13.7～7℃，最大凍土深60—95 cm，無(wú)霜期230～155 d，褐土是其主要土壤之一。流域內(nèi)人口1 266.2萬(wàn)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值占全省的50%左右，多年來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人口激增，流域用水量持續(xù)增加，加之煤炭開(kāi)采、植被退化等對(duì)水資源的影響，生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重破壞。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本次研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源是1990年、2000年、2015年三期19景Landsat遙感影像，時(shí)相為5—9月份，所有影像經(jīng)過(guò)輻射校正、鑲嵌、裁剪等圖像預(yù)處理，運(yùn)用ArcGIS 10.3，ENVI 5.3軟件采取監(jiān)督分類(lèi)的方式獲得三期土地利用解譯數(shù)據(jù)，分為六大景觀類(lèi)型：耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、其他土地。經(jīng)過(guò)野外調(diào)查和高分辨率影像檢驗(yàn)，總體精度大于80%，滿足本次研究的需要。根據(jù)筆者對(duì)汾河流域景觀格局指數(shù)粒度效應(yīng)的分析，選取70 m為最佳分析粒度單元，將土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為70 m分辨率大小。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀脆弱度指數(shù) 景觀脆弱度指數(shù)(LVI)是用來(lái)表征景觀脆弱性的大小，主要是通過(guò)景觀敏感度(LSI)和景觀適應(yīng)度(LAI)兩方面來(lái)體現(xiàn)[9]。景觀敏感度反映了不同景觀類(lèi)型在不同時(shí)空條件下對(duì)外界干擾的反應(yīng)程度，與景觀脆弱性成正相關(guān)，可以通過(guò)景觀干擾度指數(shù)(U)和景觀類(lèi)型易損度指數(shù)(V)來(lái)構(gòu)建；景觀干擾度指數(shù)由破碎化指數(shù)(FN)、分維數(shù)倒數(shù)(FD)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(DO)組成，根據(jù)相關(guān)研究成果[14]，各自權(quán)重取0.5，0.3，0.2；景觀類(lèi)型易損度指數(shù)指不同景觀類(lèi)型在外界干擾下容易發(fā)生改變的程度，綜合他人研究成果[15]，將其他土地賦值為7，林草地為5，耕地為3，建設(shè)用地和水域?yàn)?。景觀適應(yīng)度是指景觀系統(tǒng)在對(duì)外界干擾作出敏感性響應(yīng)后最終的適應(yīng)調(diào)整能力，與斑塊豐富密度指數(shù)(PRD)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)有關(guān)；景觀系統(tǒng)多樣性越豐富、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜且越均勻，系統(tǒng)越穩(wěn)定，適應(yīng)能力越強(qiáng)，脆弱性越低。

LVI=LSI×(1-LAI)

(1)

(2)

Ui=a·FNi+b·FDi+c·DOi

(3)

LAI=PRD×SHDI×SHEI

(4)

式中：n為景觀類(lèi)型數(shù)目；i為景觀類(lèi)型。

第八步：評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方式包括自評(píng)、互評(píng)等形式。練兵完畢后，應(yīng)由兩隊(duì)?wèi)?zhàn)斗班組組長(zhǎng)對(duì)練兵情況進(jìn)行互評(píng)，中隊(duì)長(zhǎng)做總結(jié)，查找練兵時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，供其他人員借鑒、提升；其他練兵人員，應(yīng)引以為戒，在后續(xù)的練兵過(guò)程中杜絕同類(lèi)行為發(fā)生。

本研究將研究區(qū)域劃分為8 km×8 km的方形網(wǎng)格，共得到665個(gè)網(wǎng)格，以各網(wǎng)格為基本單元計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格景觀格局脆弱度指數(shù)，并將其值賦予網(wǎng)格中心點(diǎn)，運(yùn)用Kriging插值得到三期的景觀格局脆弱度空間分布圖。

1.3.2 質(zhì)心及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓 質(zhì)心用來(lái)識(shí)別一組要素的地理中心；標(biāo)準(zhǔn)差橢圓是用來(lái)測(cè)量一組數(shù)據(jù)在空間分布上的趨勢(shì)，通過(guò)判斷要素的分布是否為狹長(zhǎng)型，使要素的方向趨向更為明確，主要由3個(gè)要素組成：沿x軸標(biāo)準(zhǔn)差、沿y軸標(biāo)準(zhǔn)差和方位角。短半軸表征要素的空間分布范圍，長(zhǎng)半軸表征要素的主要分布方向，長(zhǎng)短半軸比值越接近1要素空間離散程度越大，反之方向性越明顯。具體計(jì)算方式參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[16]。

1.3.3 探索性空間數(shù)據(jù)分析 采用探索性空間數(shù)據(jù)分析方法能夠通過(guò)可視化方式描述數(shù)據(jù)在空間分布上的格局以及分布模式，在此基礎(chǔ)上，深入探索數(shù)據(jù)在空間的集聚性和異質(zhì)性。本文采用全局和局部自相關(guān)分別探索汾河流域全域和局域的景觀格局脆弱度分布規(guī)律。

全局空間自相關(guān)是用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)骋灰卦谡麄€(gè)空間上的分布模式，分為聚集、離散和隨機(jī)。本研究采用全局Moran′sI指數(shù)來(lái)反映研究區(qū)脆弱性的空間相關(guān)關(guān)系。計(jì)算公式如下[17]：

(5)

(6)

式中：S2為方差；xi表示第i個(gè)單元的觀測(cè)值；n為柵格數(shù)；Wij為二進(jìn)制的鄰接空間權(quán)重矩陣；i=1，2，…，n；j=1,2,…，m；當(dāng)區(qū)域i和區(qū)域j相鄰時(shí)，Wij=1；當(dāng)區(qū)域i和區(qū)域j不相鄰時(shí)，Wij=0。Moran′sI在行標(biāo)準(zhǔn)化下取值[-1，1]之間，小于0為空間負(fù)相關(guān)，表示不同屬性值的空間單元趨向于聚集在同一區(qū)域；等于0表示空間單元彼此不相關(guān)；大于0表示空間正相關(guān)，表示相似屬性值的空間單元分布趨向于聚集在同一區(qū)域。

局部空間自相關(guān)是將全局空間自相關(guān)分解到各個(gè)空間單元上，用以反映整個(gè)大區(qū)域內(nèi)，局部小區(qū)域上某一要素的屬性值與相鄰要素之間的空間關(guān)聯(lián)性，其公式為[18]：

(7)

(8)

式中：S2為方差；Wij為空間權(quán)重矩陣的元素；xi，xj為經(jīng)過(guò)行標(biāo)準(zhǔn)化后的空間單元。局部Moran′sI取值范圍在[-1，1]，依據(jù)LISAi值的正負(fù)，空間單元可分為高—高、低—低兩種正相關(guān)和高—低、低—高兩種負(fù)相關(guān)類(lèi)型以及不顯著5種類(lèi)型，正相關(guān)表示相似屬性值的面積單元在空間集群現(xiàn)象,負(fù)相關(guān)表示不相似屬性值的面積單元在空間集群。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀格局脆弱度時(shí)空演變

為了更好地可視化景觀格局脆弱度空間分布的等級(jí)差異，本研究對(duì)克里金插值的結(jié)果進(jìn)行了重采樣，劃分了5個(gè)等級(jí)區(qū)域。從表1可以看出，3個(gè)時(shí)期景觀格局脆弱度等級(jí)區(qū)域整體上都呈現(xiàn)正態(tài)分布，中等脆弱度區(qū)域所占比例始終高于其他等級(jí)。1990年以較低、中等脆弱度為主，占到流域總面積70%以上，脆弱度情況較好；2000年較高、高脆弱度等級(jí)區(qū)域的比例明顯增加，流域整體景觀格局脆弱度呈惡化趨勢(shì)；2015年中等脆弱度等級(jí)區(qū)域增長(zhǎng)尤為顯著，較高脆弱度等級(jí)一直居高不下，但是高脆弱度等級(jí)區(qū)域的比例又恢復(fù)到1990年的水平，流域整體景觀格局脆弱度情況有所好轉(zhuǎn)。

表1 不同時(shí)期各景觀格局脆弱度等級(jí)區(qū)域占流域面積比例

從圖1可以看出，1990年景觀格局脆弱度高的區(qū)域空間分布相對(duì)集中，主要呈帶狀分布，脆弱度高的區(qū)域分布與汾河走向基本一致，大體分布在干流兩岸。干流兩岸人口分布集中，農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)和城市化快速發(fā)展，耕地和建設(shè)用地為優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型，土地開(kāi)發(fā)利用程度高，景觀破碎化嚴(yán)重，景觀生態(tài)系統(tǒng)自穩(wěn)定性降低，脆弱度較低。2000年脆弱度高的區(qū)域空間分布與流域地形分布具有一致性。地勢(shì)較低的區(qū)域由于土地開(kāi)發(fā)利用程度不斷提高，土地利用結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，景觀系統(tǒng)多樣性豐富，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且均勻，這對(duì)景觀格局脆弱度有緩和的作用；流域的東北、西南、東部以山地丘陵為主，林草地為主要的景觀基質(zhì)，景觀類(lèi)型易損度較高，以致景觀敏感度提升，景觀格局脆弱度較高。2015年，景觀脆弱度不同等級(jí)區(qū)域占比呈現(xiàn)明顯的兩頭低中間高的分布態(tài)勢(shì)，且空間分布較為分散。脆弱度低的區(qū)域主要分布在南部臨汾市的堯都區(qū)、太原市的市區(qū)以及晉中市的榆次市，這些區(qū)域是城市化水平高度發(fā)達(dá)的區(qū)域，建設(shè)用地分布集中，在中分辨率影像土地利用解譯數(shù)據(jù)中基本呈現(xiàn)一個(gè)完整的大的斑塊類(lèi)型，景觀破碎化程度低，且景觀易損度低，從而大大降低了景觀格局脆弱度。

圖1 1990-2015年汾河流域景觀格局脆弱度空間分布

2.2 景觀格局脆弱度空間格局變化

以不同等級(jí)的景觀格局脆弱度網(wǎng)格為研究單元，分別對(duì)1990年、2000年、2015年三期景觀格局脆弱度進(jìn)行質(zhì)心和標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的計(jì)算，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2，空間分布態(tài)勢(shì)見(jiàn)圖2。結(jié)合圖表可以看出，1990—2000年汾河流域的脆弱度質(zhì)心總體呈現(xiàn)“東北—西南”的空間分布格局，質(zhì)心轉(zhuǎn)移距離29.7 km，受人類(lèi)活動(dòng)的影響，質(zhì)心的位置不斷向北移動(dòng)，且移動(dòng)方向逐漸由東北向正北轉(zhuǎn)移，這是由于研究區(qū)北部分布有省會(huì)城市太原，受太原市城市發(fā)展及城市輻射效應(yīng)的影響，人類(lèi)活動(dòng)廣泛，交通條件便利，使北部許多開(kāi)發(fā)初期不便開(kāi)發(fā)的宜農(nóng)荒地得到進(jìn)一步開(kāi)墾利用，景觀破碎化程度加劇，進(jìn)而使北部景觀格局脆弱度有所增加。不同時(shí)期脆弱度標(biāo)準(zhǔn)差橢圓以質(zhì)心為中心，呈現(xiàn)“東北—西南”的空間分布格局。從方位角的變化來(lái)看，1990—2015年，方位角由降低轉(zhuǎn)為升高，表明東北—西南的分布格局由弱化轉(zhuǎn)為了加強(qiáng)，向正東南方向轉(zhuǎn)變。沿X，Y坐標(biāo)軸標(biāo)準(zhǔn)差的變化可以代表標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長(zhǎng)短半軸的變化，1990—2015年沿X軸標(biāo)準(zhǔn)差不斷增加，沿Y軸標(biāo)準(zhǔn)差先增加后下降，表明了景觀格局脆弱度在X軸方向上出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象且變化趨勢(shì)明顯，在Y軸方向上景觀格局脆弱度先擴(kuò)散后出現(xiàn)縮減；且1990—2015年短半軸與長(zhǎng)半軸的比值不斷增大，表明脆弱度空間分布的方向性越發(fā)不明顯，數(shù)據(jù)的離散程度變大，在空間分布上越發(fā)分散。

表2 不同時(shí)期各景觀格局脆弱度等級(jí)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)

圖2 1990-2015年汾河流域景觀格局脆弱度質(zhì)心和標(biāo)準(zhǔn)差橢圓動(dòng)態(tài)變化

2.3 景觀格局脆弱度空間關(guān)聯(lián)性

2.3.1 全局空間自相關(guān)分析 為進(jìn)一步挖掘景觀格局脆弱度的空間分異和聚類(lèi)特征，利用GeoDa 1.12軟件計(jì)算了1990—2015年3個(gè)時(shí)期的景觀格局脆弱度全局和局部Moran′sI，得到3個(gè)時(shí)期的全局Moran′sI散點(diǎn)圖(圖3),所有結(jié)果均已通過(guò)假設(shè)性檢驗(yàn)，可以用于下一步的分析。從圖中可以看出，3個(gè)時(shí)期的Moran′sI分別為0.390 7，0.408 875，0.320 361。表明：(1) 3個(gè)時(shí)期全流域景觀格局脆弱度全局空間自相關(guān)特征顯著，散點(diǎn)大部分位于第1、3象限內(nèi)，表明景觀格局脆弱度在空間分布上呈高值—高值、低值—低值的集聚狀態(tài)，全域空間上表現(xiàn)為脆弱度高的單元彼此趨于相鄰，脆弱度較低的單元也趨于集聚。(2) 研究期內(nèi)全局Moran′sI均為正，波動(dòng)中呈上升趨勢(shì)。1990—2000年指數(shù)增加，說(shuō)明了全域景觀格局脆弱度的差異性逐漸變小，級(jí)間聯(lián)系增強(qiáng)；2000—2015年指數(shù)下降，表明了景觀格局脆弱度的差異有所增大，空間集聚性減弱。(3) 就總體而言，25 a間的Moran′sI整體降低了，說(shuō)明了景觀格局脆弱度變化動(dòng)態(tài)平穩(wěn)且分布變得較為分散。

2.3.2 局部空間自相關(guān)分析 全局空間自相關(guān)分析中已經(jīng)判斷出3個(gè)時(shí)期的景觀格局脆弱度指數(shù)在空間分布上具有集聚現(xiàn)象，為了可視化具體體現(xiàn)出某一相鄰區(qū)域之間的空間關(guān)系，進(jìn)一步開(kāi)展局部空間自相關(guān)分析，得到局部空間自相關(guān)LISA集群圖(圖4)。從圖中可以看出，在總體空間分布上，1990—2015年3個(gè)時(shí)期高—高值與低—低值集聚區(qū)分布范圍發(fā)生了很大的變化，由相對(duì)集中轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為分散；高低值集聚區(qū)相間分布，形成明顯的空間集聚。從具體表現(xiàn)來(lái)看，1990年高—高值集聚區(qū)主要分布在汾河流域的中游，以呂梁市的汾陽(yáng)市、孝義市，晉中市的介休市、平遙縣為核心；低—低值集聚區(qū)主要分布在汾河下游入黃口處以及流域的東南部，以運(yùn)城市北部各區(qū)縣、臨汾市南部和東部區(qū)縣為主。高值集聚區(qū)城市發(fā)展相對(duì)滯后，境內(nèi)林草地覆蓋率高，容易受人類(lèi)活動(dòng)影響，景觀易損度高，景觀格局脆弱度相對(duì)較高。另外汾河流域中部分布有范圍較大的國(guó)家級(jí)規(guī)劃礦區(qū)汾陽(yáng)—孝義鋁土礦區(qū)，長(zhǎng)期人類(lèi)開(kāi)山鑿礦，破壞了區(qū)域景觀生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使其景觀格局脆弱度增大；低值集聚區(qū)分布范圍較大的是在水量較為豐富的汾河入黃口地區(qū)，地勢(shì)平坦，土壤肥沃，受農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)和城市發(fā)展的影響，大量土地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地，耕地集中連片，建設(shè)用地以點(diǎn)狀式分布為主，景觀生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，景觀類(lèi)型多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，景觀格局脆弱度相對(duì)較低。2000年高—高值集聚區(qū)主要分布在汾河上游地區(qū)，流域的東北部和西南部也有局部分布，以忻州市靜樂(lè)縣，太原市婁煩縣、古交市，臨汾市的鄉(xiāng)寧縣、堯都區(qū)，晉中市的西部區(qū)縣為主；低—低值集聚區(qū)主要分布在汾河中游以及下游入黃口處，以呂梁市東部、運(yùn)城市北部、晉中市西部各區(qū)縣為核心。西北高值區(qū)域處于西山礦區(qū)，受?chē)?guó)家和山西省發(fā)展戰(zhàn)略的影響，土地開(kāi)發(fā)利用程度高，景觀破碎化嚴(yán)重，加劇了地區(qū)景觀格局脆弱度，其他高值區(qū)域地勢(shì)相對(duì)較高，林草地為主要景觀基質(zhì)，景觀易損度高；南部低值區(qū)域同1990年分布范圍基本一致，土地利用變化相對(duì)穩(wěn)定。2015年，高—高值與低—低值集聚區(qū)分布范圍較為分散，相對(duì)于前兩個(gè)時(shí)期而言，范圍較大的集聚區(qū)都破碎成小的區(qū)域，原來(lái)并未集聚的區(qū)域出現(xiàn)了新的集聚，一些本是集聚的區(qū)域消失。如汾河入黃口處，在1990年、2000年是大范圍的低—低值集聚區(qū)，目前均已消失，且部分區(qū)域轉(zhuǎn)化為了高—高值聚集區(qū)。

圖3 1990-2015年汾河流域景觀格局脆弱度Moran′s I散點(diǎn)圖

圖4 1990-2015年汾河流域景觀格局脆弱度局部空間自相關(guān)LISA集群圖

3 結(jié) 論

(1) 1990—2015年3個(gè)時(shí)期不同等級(jí)景觀格局脆弱度區(qū)域所占比例呈現(xiàn)正態(tài)分布，中等脆弱度區(qū)域占流域總面積的比重始終高于其他等級(jí)；高脆弱度等級(jí)區(qū)域面積先增加后減少，表明流域整體景觀格局脆弱度情況有所好轉(zhuǎn)。1990年景觀格局脆弱度高的區(qū)域空間分布與汾河流域走向基本一致；2000年脆弱度等級(jí)高的區(qū)域空間分布與流域地形分布具有一致性；2015年不同等級(jí)景觀格局脆弱度空間分布較為分散。

(2) 1990—2015年質(zhì)心的位置不斷向北移動(dòng)，3個(gè)時(shí)期的脆弱度標(biāo)準(zhǔn)差橢圓呈現(xiàn)“東北—西南”的空間分布格局，且這一分布格局由弱化轉(zhuǎn)向了加強(qiáng)，向正東南方向轉(zhuǎn)變；景觀格局脆弱度在X軸方向上出現(xiàn)擴(kuò)散，在Y軸方向上先擴(kuò)散后縮減，且短半軸與長(zhǎng)半軸的比值不斷增大。

(3) 1990年、2000年、2015年景觀格局脆弱度全局Moran′sI均大于0，表明3個(gè)時(shí)期景觀格局脆弱度存在正的相關(guān)現(xiàn)象；研究期內(nèi)全局Moran′sI波動(dòng)中呈上升趨勢(shì)，散點(diǎn)大部分位于第一、三象限內(nèi)，空間分布上表現(xiàn)為高值—高值、低值—低值的集聚狀態(tài)。

(4) 在總體空間分布上，1990—2015年高低值區(qū)域形成明顯的空間集聚，且分布范圍由相對(duì)集中轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為分散；從具體表現(xiàn)來(lái)看，1990年高—高值集聚區(qū)主要分布在汾河的中段，低—低值集聚區(qū)主要分布在汾河下游入黃口處以及流域的東南部；2000年高—高值集聚區(qū)向西北、西南、東部進(jìn)行了轉(zhuǎn)移，低—低值集聚區(qū)主要分布在汾河中下游；2015年景觀格局脆弱度空間分布范圍較為分散，集群分布發(fā)生明顯的變化。