蘇亞輝，周火艷，張蕓香，郭晉平

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院//北方功能油料樹種培育與研發(fā)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太谷 030801)

定量研究流域景觀格局動(dòng)態(tài)演變有利于系統(tǒng)探究植被覆蓋時(shí)空演變規(guī)律，深入了解流域植被覆蓋變化過(guò)程、成因，預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展變化趨勢(shì)及其對(duì)環(huán)境影響，為流域植被資源今后的保護(hù)利用以及經(jīng)營(yíng)措施提供重要參考[1-2]。因此，眾多學(xué)者對(duì)流域景觀格局變化展開了一系列的研究。呂樂(lè)婷等以土地利用解譯結(jié)果為基礎(chǔ)，綜合分析了近年來(lái)東江流域的景觀格局時(shí)空變化特征，并采用FLUS模型對(duì)流域未來(lái)20多年景觀格局進(jìn)行了預(yù)測(cè)[3]。賈艷艷等利用土地利用數(shù)據(jù)定量分析了長(zhǎng)江中下游流域景觀格局變化，發(fā)現(xiàn)近20年景觀格局變化顯著、人為干擾增強(qiáng)[4]。莫素芬等利用景觀面積動(dòng)態(tài)度和景觀格局指數(shù)等方法分析了廣西西江流域10年的景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征，得出隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，廣西西江流域景觀動(dòng)態(tài)變化明顯[5]。

文峪河流域是汾河上游重要的一級(jí)支流，地處太原盆地西北，是下游大面積農(nóng)田灌溉的水源地，整個(gè)流域以國(guó)有林為主，屬于關(guān)帝山山地天然次生林區(qū)，是山西有限天然次生林資源的重要分布區(qū)[6]。流域山地主要由森林植被覆蓋，在水源涵養(yǎng)、水土保持、維護(hù)景觀異質(zhì)性和穩(wěn)定性方面起著不可替代的作用，也為社會(huì)提供了大量的林產(chǎn)品、生態(tài)服務(wù)和就業(yè)機(jī)會(huì)等，有利于維護(hù)當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展。很多學(xué)者做了相關(guān)研究，白晉華等以航片和森林經(jīng)理調(diào)查資料為數(shù)據(jù)源，在地理信息系統(tǒng)軟件的支持下，揭示文峪河流域植被景觀總體布局，分析流域景觀格局的空間變化規(guī)律[7]。劉宏文基于實(shí)地調(diào)查結(jié)果結(jié)合遙感技術(shù)對(duì)龐泉溝地區(qū)森林群落特征、景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行分析研究，并構(gòu)建了龐泉溝森林景觀健康評(píng)價(jià)體系[8]。夏偉偉等基于RS和GIS對(duì)龐泉溝自然保護(hù)區(qū)森林景觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析[9]。

隨著2000年國(guó)家天然林保護(hù)工程實(shí)施以來(lái)，文峪河流域森林資源得到了恢復(fù)性增長(zhǎng)。本文以Landsat系列遙感影像為數(shù)據(jù)源，通過(guò)ArcGIS 10.2、ENVI 5.3、Fragstats 4.2等軟件[10]，從植被覆蓋度、景觀要素組成以及森林景觀破碎化等方面定量地綜合分析文峪河流域上游森林景觀動(dòng)態(tài)變化特征，旨在為文峪河流域森林資源今后的保護(hù)利用以及經(jīng)營(yíng)措施提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于文峪河流域上游，是文峪河流域的一個(gè)子流域(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置

研究區(qū)溝長(zhǎng)13.76 km，平均海拔 1 583.9 m，整體呈北南流向，兩側(cè)支溝縱橫，分別有末后溝、大沙溝、小沙溝、神尾溝、柴祿溝、關(guān)子溝(銀洞溝)、刁窩溝、八道溝、青沖溝、西塔溝、八水溝、大草坪溝和西窯溝13條[11]?？傮w表現(xiàn)為葉脈狀縱橫于主河道兩側(cè)，沿東南走向。流域內(nèi)地形復(fù)雜，溝壑縱橫，水氣龐雜，氣候多樣，森林植被繁茂，是華北地區(qū)典型的暖溫帶亞高山針葉林帶[12]。屬于受季風(fēng)影響和控制的暖溫帶大陸性山地氣候，夏季涼爽多雨，冬季寒冷干燥，年均溫4.5℃，年均降水量 600～820 mm，7—9 月降水集中，占全年降水量的65%以上，年均相對(duì)濕度70.9%，年均無(wú)霜期 100～130 d，雪期和凍土期6個(gè)月[13]。

林區(qū)土壤類型主要有山地棕色森林土、山地淋溶褐土和山地褐土，土層 10～60 cm 厚薄不等。主要喬木有華北落葉松(Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii(Mayr)Pilg.)、油松(PinustabuliformisCarrière)、白扦(PiceameyeriRehder & E.H.Wilson)、青扦(PiceawilsoniiMast.)、山楊(PopulusdavidianaDode)、白樺(BetulaplatyphyllaSukaczev)、紅樺(BetulaalbosinensisBurkill)、蒙古櫟(QuercusmongolicaFisch.ex Ledeb.)等；主要灌木有土莊繡線菊(SpiraeapubescensTurcz.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)、美薔薇(RosabellaRehd.et Wils.)、灰栒子(CotoneasteracutifoliusTurcz.)、剛毛忍冬(LonicerahispidaPall.ex Schult.)、黃刺玫(RosaxanthinaLindl.)、山刺玫(RosadavuricaPall.)等；主要草本有披針葉苔草(CarexlanceolataBoott)、茜草(RubiacordifoliaL.)、鼠掌老鶴草(GeraniumsibiricumL.)、地榆(SanguisorbaofficinalisL.)、小紅菊(ChrysanthemumchanetiiH.Lév.)、敗醬(PatriniascabiosifoliaLink)、鈴蘭(ConvallariamajalisL.)、金蓮花(TrolliuschinensisBunge)等。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

研究區(qū)域的遙感影像和DEM高程數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)[14]。綜合考慮研究區(qū)域的時(shí)間跨度、成像日期以及云覆蓋度的可行性，最終選取2009年Landsat-7 ETM+ 以及2014、2018年的Landsat-8 OLI 3期遙感影像，云量分別為0%、0.49%、0.08%，行列號(hào)為126/34，分辨率均為30 m。運(yùn)用遙感影像處理軟件ENVI 5.3對(duì)數(shù)據(jù)源影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、DEM高程數(shù)據(jù)地形校正、圖像增強(qiáng)等數(shù)據(jù)處理[15-16]。

2.2 植被指數(shù)與植被覆蓋度計(jì)算方法

1)歸一化植被指數(shù)[17]計(jì)算公式為：

(1)

式中,NDVI為歸一化植被指數(shù)，NIR為近紅外波段的表觀反射率,R為紅光波段的表光反射率。

(2)

式中，F(xiàn)V為植被覆蓋度，NDVI為像元的歸一化植被指數(shù)，NDVIS為無(wú)植被的NDVI值，NDVIV為完全有植被覆蓋的像元NDVI值。以5%、95%的累積百分比為置信度作為各期影像的NDVIS、NDVIV。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際植被情況，并參照《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190-1996)將其分為5個(gè)等級(jí)，即低蓋度(0～20%)、中低蓋度(20%～40%)、中蓋度(40%～60%)、中高蓋度(60%～80%)、高蓋度(80%～100%)。

2.3 景觀要素類型分類

基于遙感影像和研究區(qū)現(xiàn)狀特征，參考《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 21010-2015)[19]，將景觀要素類型劃分為：針葉林、針闊混交林、疏林灌叢、草地、耕地、建筑用地和水域[20](圖2)。

圖2 景觀要素類型分類

本研究依據(jù)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model),在ArcGIS 10.2中利用SWAT水文模型計(jì)算得到區(qū)域范圍[21]，并在ENVI 5.3中對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行裁剪。采用人工目視解譯與監(jiān)督分類相結(jié)合的方法對(duì)3期遙感影像進(jìn)行解譯。訓(xùn)練樣本分離性均達(dá)到1.8以上，分離性良好。監(jiān)督分類采用支持向量機(jī)(Support Vector Machine)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法[22],SVM可以自動(dòng)尋找對(duì)分類有較強(qiáng)區(qū)分能力的支持向量，由此構(gòu)造出分類器，可以將類與類之間的間隔最大化，因此有較高的分類準(zhǔn)確率。為提高分類結(jié)果的準(zhǔn)確性，將監(jiān)督分類結(jié)果通過(guò) Majority/Minority 分析工具進(jìn)行主成分分析，去除孤零斑塊。在Google Earth勾選驗(yàn)證樣本，對(duì)分類圖進(jìn)行精度驗(yàn)證，3景分類圖精度均大于90%，滿足精度要求[23]。

2.4 景觀要素類型面積年變化率

(3)

式中，Sa、Sb分別為某一景觀要素類型研究期初和期末面積，t為研究期(a)。

2.5 景觀要素類型轉(zhuǎn)移矩陣

景觀各要素類型面積變化雖然對(duì)研究區(qū)域內(nèi)景觀總體格局情況有一定的參考價(jià)值，但是不能很好地反映景觀內(nèi)各要素類型面積的轉(zhuǎn)移情況。而景觀要素類型轉(zhuǎn)移矩陣可以定量描述不同時(shí)間段內(nèi)景觀要素類型的相互轉(zhuǎn)移情況，明確地反映研究區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)變化。本研究利用ENVI 5.3軟件中的Change Detection Statistics工具進(jìn)行交叉分析，再用Excel表進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，得出研究期內(nèi)景觀要素類型面積的轉(zhuǎn)移方向以及轉(zhuǎn)移數(shù)量[25]。

2.6 景觀格局分析

為探究研究區(qū)域破碎度、景觀異質(zhì)性、斑塊形狀、景觀連通度、景觀多樣性等特征變化，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，選取了斑塊數(shù)量(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、周長(zhǎng)面積分維數(shù)(PAFRAC)、蔓延度(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)7個(gè)景觀水平格局指數(shù)[26]，利用ENVI監(jiān)督分類的結(jié)果，在Fragstats 4.2平臺(tái)進(jìn)行景觀格局指數(shù)的計(jì)算分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化

2009—2018年植被覆蓋度總體變化表明(表1)，近10年來(lái)植被覆蓋度普遍較高。3個(gè)研究時(shí)段低蓋度區(qū)域均不足1%，中高蓋度區(qū)域均超過(guò)19.59%，高蓋度區(qū)域均超過(guò)68.72%，中低蓋度和中蓋度區(qū)域占有一定比例，中高蓋度以上區(qū)域超過(guò)88.31%。其中2009—2014年植被覆蓋度變化較大，高蓋度區(qū)域增加4.34%，中高蓋度區(qū)域增加2.62%，中蓋度區(qū)域減少5.83%；2014—2018年植被覆蓋度變化不大。

表1 2009—2018年不同等級(jí)植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)

3.2 景觀要素類型動(dòng)態(tài)變化

3.2.1景觀要素類型組成

研究區(qū)總面積為492.75 km2。3個(gè)研究時(shí)段面積最大的景觀要素類型均為針葉林，每個(gè)時(shí)段面積所占比例均超過(guò)43%，并且呈連續(xù)增加的趨勢(shì)。針闊混交林面積所占比例每年均超過(guò)35%，并且呈連續(xù)下降的趨勢(shì)。每個(gè)研究時(shí)段針葉林和針闊混交林面積之和均超過(guò)84%。疏林灌叢和草地占有一定比例。耕地與建筑用地面積大小相差不多，在1%～2%之間。面積最小的景觀要素類型均為水域，所占比例不足1%(表2)。

表2 2009—2018年景觀要素類型組成結(jié)構(gòu)

3.2.2景觀要素類型的面積變化

研究區(qū)2009—2018年景觀要素類型面積年變化統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 2009—2018年景觀要素類型面積年變化

如表3所示，在研究期間研究區(qū)各個(gè)景觀要素類型的面積和年變化率均有不同程度的差異。針葉林和針闊混交林作為區(qū)域主要核心景觀要素類型，面積變化顯著，針葉林在研究期間增加最多，增加了40.86 km2；針闊混交林減少了25.40 km2。疏林灌叢減少了31.98 km2。草地和耕地面積有少許增加。建筑用地和水域面積變化不大。

2009—2014年針葉林、草地、耕地面積呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，針闊混交林、疏林灌叢面積減少，建筑用地和水域面積幾乎沒(méi)有變化。針葉林增加速率最為明顯，為6.89 km2/a。疏林灌叢減少速率最為明顯，為6.11 km2/a。2014—2018年各景觀要素類型面積變化速率較之前年份變得有所減緩。針葉林、草地面積持續(xù)呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，針闊混交林、疏林灌叢面積持續(xù)減少，建筑用地、水域面積幾乎沒(méi)有變化。針葉林增加速率依舊最為明顯，為1.60 km2/a。針闊混交林減少速率最明顯，為1.92 km2/a。

總的來(lái)看，針葉林、草地、耕地、建筑用地面積增加，針闊混交林、疏林灌叢、水域面積減少。

3.2.3景觀要素類型之間的轉(zhuǎn)移

通過(guò)景觀要素類型轉(zhuǎn)移矩陣(表4)可知，2009—2018年在面積轉(zhuǎn)出方面， 以針闊混交林、疏林灌叢、針葉林的轉(zhuǎn)出為主，轉(zhuǎn)出面積分別為79.723 8 km2、35.734 5 km2、21.761 1 km2。草地的轉(zhuǎn)出也比較明顯，轉(zhuǎn)出面積為 9.504 9 km2。轉(zhuǎn)入面積以針葉林、針闊混交林、草地為主，轉(zhuǎn)入面積為 62.567 1 km2、54.437 4 km2、21.432 6 km2。針葉林轉(zhuǎn)為針闊混交林、針闊混交林轉(zhuǎn)為針葉林、針闊混交林轉(zhuǎn)為草地、疏林灌叢轉(zhuǎn)為針闊混交林以及草地轉(zhuǎn)為針闊混交林的轉(zhuǎn)移面積較大，分別為 20.799 9 km2、60.702 3 km2、16.949 7 km2、27.224 1 km2、4.633 2 km2。

表4 2009—2018年景觀要素類型轉(zhuǎn)移矩陣

3.3 森林景觀的破碎化

由斑塊數(shù)量(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、周長(zhǎng)面積分維數(shù)(PAFRAC)、蔓延度(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)7個(gè)景觀格局指數(shù)的變化反映森林景觀的破碎化尺度，如表5所示。

2009—2018年文峪河上游景觀斑塊數(shù)量先增加再減少，在研究時(shí)間段內(nèi)增加了535個(gè)。最大斑塊指數(shù)基本保持不變。結(jié)合NP和LPI可知，龐泉溝流域景觀破碎化程度正在逐步加大。邊緣密度和景觀形狀指數(shù)呈先升高后降低的趨勢(shì)，反映出景觀異質(zhì)性增強(qiáng)、斑塊形狀趨于復(fù)雜。周長(zhǎng)面積分維數(shù)基本不變，而蔓延度增加，這2個(gè)指標(biāo)表明景觀連通度增加。香農(nóng)多樣性指數(shù)總體保持不變，說(shuō)明流域景觀多樣性基本不變。綜合來(lái)看，2009—2014年景觀破碎化程度最大，整個(gè)研究期間景觀總體呈現(xiàn)破碎度增加、景觀異質(zhì)性增強(qiáng)、斑塊形狀趨于復(fù)雜、景觀連通度增加、流域景觀多樣性基本不變等特征。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

4.1.1景觀要素組成及其動(dòng)態(tài)變化

2009—2018年，針葉林在每個(gè)時(shí)段都是面積最大的景觀要素類型，面積占比均超過(guò)43%，針闊混交林面積占比均超過(guò)35%，針葉林和針闊混交林面積之和均超過(guò)84%，是研究區(qū)域的主要景觀要素類型，始終處于景觀主體地位，森林覆蓋率約84%。李旭華等對(duì)龐泉溝自然保護(hù)區(qū)森林群落物種多樣性的研究中提到：保護(hù)區(qū)內(nèi)植物資源豐富，森林保存完好，森林覆蓋率可達(dá)85%[27]。本研究區(qū)森林覆蓋率略低于龐泉溝自然保護(hù)區(qū)。

高潤(rùn)梅等以文峪河上游河岸林為研究對(duì)象，利用Markov模型對(duì)群落的演替趨勢(shì)和演替過(guò)程進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)，構(gòu)建了闊葉林階段→闊針混交林階段→針闊混交林階段→針葉林階段的文峪河上游河岸林演替系列，并預(yù)測(cè)楊樺云杉混交林和楊樺落葉松混交林都朝著云杉優(yōu)勢(shì)加強(qiáng)的方向發(fā)展[28]。郭玉永設(shè)置33塊典型樣地，利用Markov模型模擬文峪河上游河岸林群落的動(dòng)態(tài)演替過(guò)程。經(jīng)過(guò)600多年的森林演替，文峪河上游河岸林群落最終將發(fā)展成為以云杉林為主的頂級(jí)群落[29]。研究中針闊混交林轉(zhuǎn)為針葉林 60.702 3 km2、疏林灌叢轉(zhuǎn)為針闊混交林 27.224 1 km2、針葉林轉(zhuǎn)為針闊混交林 20.799 9 km2、針闊混交林轉(zhuǎn)為草地 16.949 7 km2、草地轉(zhuǎn)為針闊混交林 4.633 2 km2，是景觀要素類型轉(zhuǎn)移的5種主要方式。高潤(rùn)梅和郭玉勇等得出的演替過(guò)程恰好反應(yīng)了本研究中數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.1.2森林景觀植被覆蓋度和破碎化

2000年國(guó)家天然林保護(hù)工程在山西省黃河流域正式實(shí)施以來(lái)，天然林全面停止采伐，采取了人工造林、飛播造林、改變經(jīng)營(yíng)措施、實(shí)行封山育林等措施。森林資源得到有效的管護(hù)和修養(yǎng)生息，進(jìn)入自我恢復(fù)的階段。從本研究植被覆蓋度的變化來(lái)看，2009—2014年植被覆蓋度變化較大，高蓋度區(qū)域增加4.34%，中高蓋度區(qū)域增加2.62%，中蓋度區(qū)域減少5.83%；2014—2018年植被覆蓋度變化不大。2009—2014年森林資源處于快速生長(zhǎng)恢復(fù)階段，所以森林景觀動(dòng)態(tài)變化明顯。2014—2018年森林資源在經(jīng)歷快速生長(zhǎng)階段后，進(jìn)入穩(wěn)定生長(zhǎng)期，所以森林景觀動(dòng)態(tài)變化相對(duì)較小。

2011年以來(lái)交城縣花費(fèi)巨資啟動(dòng)了龐泉溝峽谷漂流項(xiàng)目，果老峰景區(qū)開發(fā)，八道溝、大沙溝、分水嶺景區(qū)修繕，修建景區(qū)道路、拓展停車場(chǎng)等，大力發(fā)展鄉(xiāng)村生態(tài)旅游。雖然生態(tài)旅游為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民就業(yè)和增收致富起到了積極的帶動(dòng)作用，但是也對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一些負(fù)面效應(yīng)。針葉林、針闊混交林作為研究區(qū)主要景觀要素類型，研究末期面積占比分別為52.18%、35.24%，是研究區(qū)域的優(yōu)勢(shì)景觀要素類型，平均斑塊面積較大，且處于遠(yuǎn)離居民地以及道路兩側(cè)的坡地，保持著整體景觀格局的穩(wěn)定。人為干擾帶來(lái)建筑用地、耕地的增加以及疏林灌叢、水域面積的減少，導(dǎo)致2014年景觀破碎程度達(dá)到最大。因此，人為干擾是研究區(qū)景觀破碎度增加、景觀異質(zhì)性增強(qiáng)、斑塊形狀趨于復(fù)雜的關(guān)鍵原因。

4.2 結(jié)論

1)研究區(qū)針葉林和針闊混交林面積之和均超過(guò)84%，是主要的景觀要素類型，始終處于景觀主體地位。

2)研究區(qū)植被在研究時(shí)期內(nèi)發(fā)生著正向演替，逐漸向頂級(jí)群落方向發(fā)展。針闊混交林轉(zhuǎn)為針葉林 60.702 3 km2、疏林灌叢轉(zhuǎn)為針闊混交林 27.224 1 km2、針葉林轉(zhuǎn)為針闊混交林 20.799 9 km2、針闊混交林轉(zhuǎn)為草地 16.949 7 km2、草地轉(zhuǎn)為針闊混交林 4.633 2 km2，是景觀要素類型轉(zhuǎn)移的5種主要方式。

3)2009—2014年是森林資源快速生長(zhǎng)恢復(fù)階段，2014—2018年是森林資源穩(wěn)定生長(zhǎng)期。

4)2009—2018年研究區(qū)景觀總體呈現(xiàn)破碎度增加、景觀異質(zhì)性增強(qiáng)、斑塊形狀趨于復(fù)雜、景觀連通度增加、流域景觀多樣性基本不變等特征。