劉凱，楊琰瑛，師榮光，李青，吳犇，鄭宏艷，米長(zhǎng)虹

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全環(huán)境因子控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191；4.天津市于橋水庫(kù)管理中心，天津 300074；5.天津市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，天津 300191）

土地利用/覆被變化反映不同時(shí)空尺度下土地利用方式受人類活動(dòng)影響的程度，表現(xiàn)了人類活動(dòng)與環(huán)境相互作用關(guān)系[1]。景觀格局是大小不一和形狀各異的景觀要素斑塊在空間上的排列[2]，是各種自然和社會(huì)因素在復(fù)雜時(shí)空尺度上作用的最終結(jié)果[3]。景觀格局時(shí)空演變是土地利用變化最直觀的表現(xiàn)形式，基于土地利用變化的景觀格局演變分析是景觀生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容[4]。景觀指數(shù)對(duì)景觀格局的高度概括性使其成為景觀格局分析的重要手段[2，5]，隨著遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的日益發(fā)展，基于多期土地利用遙感影像，采用景觀指數(shù)法進(jìn)行景觀格局變化的研究數(shù)量近年來(lái)持續(xù)增加，包括土地利用動(dòng)態(tài)變化分析、景觀格局空間特征刻畫、景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)識(shí)別以及未來(lái)景觀發(fā)展預(yù)測(cè)等。研究區(qū)域以大尺度快速城市化地區(qū)、濕地和生態(tài)脆弱區(qū)為主[6-8]。Li 等[9]在上海城市化時(shí)空格局的研究中發(fā)現(xiàn)，城市化增加了景觀多樣性、景觀碎片化和景觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。洪湖濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)土地利用強(qiáng)度增加使景觀趨于破碎、斑塊間連接度和景觀聚集度下降，景觀異質(zhì)性增加[7]。目前研究對(duì)中小尺度流域整體景觀格局變化關(guān)注不足。

景觀格局驅(qū)動(dòng)機(jī)制解析十分重要，可以幫助找出景觀格局變化成因[10]。Kefalas 等[11]的研究表明，地中海島嶼土地利用覆被變化主要發(fā)生在自然植被區(qū)和農(nóng)業(yè)種植區(qū)，自然植被區(qū)變化主要受地形、氣候和自然災(zāi)害的影響，農(nóng)業(yè)區(qū)變化則與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況密切相關(guān)。Ma 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，1987—2015 年疏勒河流域景觀格局變化具有明顯階段性特征，人類活動(dòng)對(duì)景觀形態(tài)、破碎度和連通性產(chǎn)生影響。由于受主觀和客觀因素影響，景觀格局的驅(qū)動(dòng)因子難以完整收集。以往針對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)制的解析多以定性分析、相關(guān)性分析和回歸分析為主，定性分析主觀性較強(qiáng)[13]，相關(guān)性分析所用數(shù)據(jù)較少，統(tǒng)計(jì)意義有效性不足[14-15]，回歸分析數(shù)據(jù)需求量較大，中小尺度適用性較差[16]。而灰色關(guān)聯(lián)分析具有數(shù)據(jù)需求量小、可定量化分析未知因子間關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)[17]，能較好地適用于此類分析的需求。

于橋水庫(kù)流域橫跨河北省和天津市，毗鄰北京市，是京津冀地區(qū)重要的生態(tài)屏障。流域下游于橋水庫(kù)是引灤入津調(diào)蓄水庫(kù)，作為國(guó)家級(jí)水源地，被喻為天津市“大水缸”，是天津市城區(qū)生活和工業(yè)用水的主要來(lái)源之一，其水質(zhì)變化會(huì)對(duì)天津市生產(chǎn)生活用水產(chǎn)生重大影響。流域內(nèi)景觀格局變化直接影響其水質(zhì)的變化。當(dāng)前針對(duì)于橋水庫(kù)流域的研究主要有城區(qū)景觀格局變化研究[18]、基于“源-匯”景觀的流域景觀格局變化與氮磷負(fù)荷關(guān)系探討[19-21]，立足于全流域的景觀格局變化及其驅(qū)動(dòng)力定量化的探究較少。

本研究基于1990、2000、2010、2020年4期土地利用數(shù)據(jù)，分析于橋水庫(kù)流域30 年的土地利用變化，利用半變異函數(shù)確定了最佳移動(dòng)窗口大小，借助Fragstats 4.2.1 軟件，采用No Sampling 和移動(dòng)窗口法分析于橋水庫(kù)流域景觀格局破碎度、斑塊形狀和多樣性變化及變化程度，闡明各個(gè)景觀組分間的特征差異，評(píng)價(jià)流域景觀格局變化程度，并通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)法分析景觀格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因子，研究結(jié)果有助于掌握流域景觀格局動(dòng)態(tài)，對(duì)流域景觀的規(guī)劃與管理、資源的有效利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

于橋水庫(kù)流域（39°56′～40°23′N，117°26′～118°12′E）位于天津市北部與河北省交界處，流域總面積約2 060 km2，主要河流包括淋河、沙河和黎河（圖1）。78%的流域面積位于河北省，涉及唐山市遵化市、玉田縣和遷西縣，承德市興隆縣和天津市薊州區(qū)。流域地形由西北向東南傾斜，西北和北部為山地地區(qū)，中部為平原區(qū)，南部和東南部地區(qū)為低山丘陵區(qū)。流域內(nèi)土地利用類型以耕地、林地為主，農(nóng)業(yè)是主要的支柱產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，是典型的農(nóng)業(yè)流域。流域內(nèi)氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫10～13 ℃，年平均降雨量748.5 mm[22]。

圖1 研究區(qū)地理位置Figure 1 Geographical location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究所采用的1990、2000、2010、2020 年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/）的中國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，精度為30 m×30 m。利用于橋水庫(kù)流域邊界矢量圖，采用ArcGIS 10.5 掩膜提取功能提取出研究區(qū)土地利用圖，根據(jù)流域內(nèi)土地利用實(shí)際情況，參照資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的土地利用分類系統(tǒng)，將土地利用分類劃分為耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、水域和裸地七類。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉(zhuǎn)移分析

通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)不同類型土地利用的轉(zhuǎn)移方向及轉(zhuǎn)移數(shù)量進(jìn)行分析，土地利用轉(zhuǎn)移矩陣通用形式參考相關(guān)研究[23]。

1.3.2 景觀指數(shù)

從景觀破碎度、斑塊形狀和景觀多樣性三方面篩選分析于橋水庫(kù)流域景觀格局變化的景觀指數(shù)[24]。從類別水平上選擇最大斑塊指數(shù)（LPI）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（MPS）、邊緣密度（ED）和景觀形狀指數(shù)（LSI）；從景觀水平上選擇最大斑塊指數(shù)（LPI）、斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）、平均斑塊面積（MPS）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、聚集度指數(shù)（AI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）。利用Fragstats 4.2.1 軟件從景觀破碎度（LPI、PD 和MPS）、景觀斑塊形狀（ED 和LSI）及景觀多樣性（AI和SHEI）三方面進(jìn)行景觀格局變化分析。

1.3.3 移動(dòng)窗口分析

為避免移動(dòng)窗口大小設(shè)置不合理而增加景觀格局空間異質(zhì)性，通過(guò)設(shè)置不同的移動(dòng)窗口邊長(zhǎng)，生成對(duì)應(yīng)窗口下的景觀指數(shù)（LPI、LSI、AI 和SHEI）變化圖，利用ArcGIS 10.5 的Create Random Points 和Extract Multi Values to Points 功能[25]，提取出空間隨機(jī)分布點(diǎn)的景觀指數(shù)數(shù)值，采用GS+軟件進(jìn)行不同移動(dòng)窗口半徑下景觀指數(shù)半變異函數(shù)模擬，并計(jì)算塊基比，分析確定適宜研究區(qū)的移動(dòng)窗口大小。

采用30 m 的奇數(shù)倍作為試驗(yàn)移動(dòng)窗口大小，在330～1 590 m 區(qū)間內(nèi)共設(shè)置14 個(gè)移動(dòng)窗口尺寸（圖2），當(dāng)移動(dòng)窗口邊長(zhǎng)位于990～1 230 m區(qū)間時(shí)，波動(dòng)幅度開始減小，確定1 110 m 作為移動(dòng)窗口分析的窗口邊長(zhǎng)。移動(dòng)窗口從研究區(qū)左上方開始移動(dòng)，對(duì)整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行分析，生成的景觀指數(shù)圖采用Raster Calculator 進(jìn)行計(jì)算，得到1990—2000、2000—2010 年及2010—2020年景觀指數(shù)空間變化圖。

圖2 不同移動(dòng)窗口大小景觀指數(shù)塊基比變化Figure 2 Changes of landscape index Nugget-sill ratio with different moving window sizes

1.3.4 景觀驅(qū)動(dòng)因素選取

社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和氣候因素對(duì)流域景觀格局影響很大，且人類活動(dòng)是影響景觀格局的重要因素。于橋水庫(kù)流域是一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)流域，故選取了人口密度、農(nóng)村人口數(shù)、規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)數(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力作為社會(huì)指標(biāo)。同時(shí)，水庫(kù)的生態(tài)保護(hù)措施是流域景觀格局變化的重要因素，該流域內(nèi)大量植樹造林設(shè)置緩沖帶，人工造林是重要的生態(tài)保護(hù)措施。前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)鐵礦資源和旅游資源豐富，因此選取了地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、工業(yè)企業(yè)總產(chǎn)值和第三產(chǎn)業(yè)增加值作為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。氣候因素一般從整體上對(duì)景觀格局變化產(chǎn)生影響，是一個(gè)不可忽略的驅(qū)動(dòng)因素，30年間，流域內(nèi)年降雨量出現(xiàn)大幅下降，勢(shì)必會(huì)對(duì)流域景觀格局產(chǎn)生影響，因此選擇年降雨量作為氣候驅(qū)動(dòng)因子。

遵化市77%的行政區(qū)劃位于于橋水庫(kù)流域內(nèi)，是流域內(nèi)景觀格局變化的主要區(qū)域，其他四個(gè)縣（區(qū)）的主體地區(qū)未處于流域內(nèi)，因此社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素僅收集遵化市歷年數(shù)據(jù)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于1991、2001、2011、2020 年統(tǒng)計(jì)年鑒，主要包括《唐山統(tǒng)計(jì)年鑒》《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)縣（市）社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》。人工造林?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)林業(yè)和草原統(tǒng)計(jì)年鑒》。采用《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》中提供的全國(guó)零售物價(jià)指數(shù)將2019 年以前的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、工業(yè)企業(yè)總產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)增加值）換算成2019 年的標(biāo)準(zhǔn)值，以便精準(zhǔn)反映經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化。當(dāng)某一年份數(shù)據(jù)缺失時(shí)，用其前后相鄰年份求取的平均值代替或用其相鄰年份代替。氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的中國(guó)氣象數(shù)據(jù)。

1.3.5 灰色關(guān)聯(lián)分析（GRA）

在流域景觀水平上進(jìn)行景觀指數(shù)與驅(qū)動(dòng)因子間關(guān)聯(lián)度計(jì)算。采用灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和氣候因素與景觀指數(shù)間的關(guān)聯(lián)度。用均值法對(duì)驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行無(wú)量綱化，各驅(qū)動(dòng)因子關(guān)聯(lián)度越高，比較序列對(duì)參考序列的影響越大，關(guān)聯(lián)度越低，比較序列對(duì)參考序列的影響越小[26]。分析步驟如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化

1990 年于橋水庫(kù)流域內(nèi)土地利用主要為耕地（39.60%）和林地（34.85%），草地、農(nóng)村居民點(diǎn)、水域和城鎮(zhèn)建設(shè)用地各占流域面積的12.32%、6.33%、6.09%和0.81%，是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主、城鎮(zhèn)化水平較低的流域。2020 年，流域內(nèi)土地利用發(fā)生了巨大變化，城鎮(zhèn)建設(shè)用地較1990年增加了588.89%，農(nóng)村居民點(diǎn)增加了24.19%，林地增加了0.83%，而耕地、草地和水域分別減少了15.14%、5.96%和3.13%。30 年來(lái)，流域整體上呈現(xiàn)城鎮(zhèn)建設(shè)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)明顯增加，耕地、草地和水域減少的趨勢(shì)（圖3和表1）。

表1 1990—2020年于橋水庫(kù)流域土地利用結(jié)構(gòu)變化Table 1 Change of land use structure in Yuqiao Reservoir watershed from 1990 to 2020

圖3 1990—2020年于橋水庫(kù)流域土地利用變化Figure 3 Land use change of Yuqiao Reservoir watershed from 1990 to 2020

1990—2000 年，流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地（城鎮(zhèn)）和農(nóng)村居民點(diǎn)（農(nóng)居）快速擴(kuò)張，侵占周邊耕地，遵化市城區(qū)和水庫(kù)北岸變化最為明顯（圖4），同時(shí)，總計(jì)888.75 hm2的林地、草地和水域轉(zhuǎn)化為耕地。2000—2010 年是流域內(nèi)土地利用變化最劇烈的十年，其中耕地和草地轉(zhuǎn)出面積最多，分別減少6 013.35 hm2和1 144.08 hm2，同時(shí)城鎮(zhèn)建設(shè)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)分別增長(zhǎng)263.30%和13.77%。空間上，耕地和草地向城鎮(zhèn)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在遵化市城區(qū)及郊區(qū)，呈發(fā)散狀向流域北部及東北部山區(qū)延伸。其他用地的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在水庫(kù)周邊平原地區(qū)，強(qiáng)度低但分散度高。2010—2020 年，流域的城鎮(zhèn)化趨勢(shì)放緩，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加34.94%，主要增長(zhǎng)區(qū)域在遵化市城區(qū)，呈現(xiàn)向郊區(qū)擴(kuò)張趨勢(shì)。此外，林地增加了2.30%，主要分布在于橋水庫(kù)河流入庫(kù)口，由大量耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)。

圖4 1990—2020年于橋水庫(kù)流域土地利用變化空間分布Figure 4 Spatial distribution of land use change in Yuqiao Reservoir watershed from 1990 to 2020

2.2 景觀格局變化

2.2.1 景觀破碎度

從圖5可以看出，1990—2020年，景觀水平上（景觀）最大斑塊指數(shù)（LPI）下降54.17%，斑塊密度（PD）上升了50.71%，平均斑塊面積（MPS）下降了36.54%，表明整個(gè)流域內(nèi)景觀破碎度增加。土地利用類型水平上，流域內(nèi)LPI 變化以城鎮(zhèn)建設(shè)用地（城鎮(zhèn)）和農(nóng)村居民點(diǎn)（農(nóng)居）上升、耕地及草地下降為主。城鎮(zhèn)建設(shè)用地的LPI 增幅最大，從0.60 增加到1.98，增加了230.0%，農(nóng)村居民點(diǎn)增加87.41%。耕地LPI 降幅最大，由33.46 下降到13.05，降幅為61.00%，草地LPI 下降了23.29%。所有土地利用類型的PD 在30 年間均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中城鎮(zhèn)建設(shè)用地的變化最為劇烈，上升了1 486.77%，其次是水域（71.83%）、耕地（53.26%）和農(nóng)村居民點(diǎn)（42.66%）。除裸地外，各土地利用類型的MPS 均不同程度下降，其中城鎮(zhèn)建設(shè)用地、耕地和水域降幅最大，分別下降56.36%、46.55%和43.81%。30 年間，城鎮(zhèn)建設(shè)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)的PD和LPI均正向增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)建設(shè)用地PD 增幅大于LPI增幅，且MPS 大幅下降，表明城鎮(zhèn)建設(shè)用地以遠(yuǎn)離城區(qū)擴(kuò)張為主。農(nóng)村居民點(diǎn)LPI增幅大于PD，同時(shí)MPS降幅較小，說(shuō)明農(nóng)村居民點(diǎn)表現(xiàn)出逐漸聚集化趨勢(shì)。水域的PD 出現(xiàn)較大上升趨勢(shì)，MPS 降幅較大，LPI 保持平穩(wěn)，表明流域內(nèi)水體面積有減小的趨勢(shì)，但變化面積小而分散。

圖5 1990—2020年于橋水庫(kù)流域景觀破碎度變化Figure 5 Changes of landscape fragmentation degree of Yuqiao Reservoir watershed from 1990 to 2020

1990—2000年，LPI變化在水庫(kù)周邊較集中，在其他地區(qū)呈點(diǎn)狀變化。2000—2010 年，流域內(nèi)LPI 在流域中部、遵化市城區(qū)和流域西北部變化劇烈，流域南部變化較弱。2010—2020年，遵化市城區(qū)LPI升高，城區(qū)西部和于橋水庫(kù)周邊LPI降低。30年間，流域內(nèi)整體上景觀破碎度增加，變化集中在于橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)周邊和遵化市城區(qū)，人為干擾少的西北、東南和北部山區(qū)景觀破碎度變化?。▓D5）。

2.2.2 景觀斑塊形狀

30年間，在景觀水平上，景觀形狀指數(shù)（LSI）和邊緣密度（ED）均呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)（圖6），增長(zhǎng)率分別為17.80%和18.94%，表明流域內(nèi)景觀斑塊形狀日趨復(fù)雜化。各土地利用類型LSI 均表現(xiàn)出不同程度增長(zhǎng)，其中城鎮(zhèn)建設(shè)用地（城鎮(zhèn)）增長(zhǎng)了218.44%，農(nóng)村居民點(diǎn)（農(nóng)居）和耕地分別增長(zhǎng)25.46%和24.83%。城鎮(zhèn)建設(shè)用地的ED 增長(zhǎng)728.71%，農(nóng)村居民點(diǎn)和耕地的ED 分別增長(zhǎng)39.52%和14.72%。由此可見(jiàn)，流域內(nèi)景觀斑塊形狀變化主要受城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和耕地變化的影響。

圖6 1990—2020年于橋水庫(kù)流域景觀斑塊形狀變化Figure 6 Change of landscape patch shape in Yuqiao Reservoir watershed from 1990 to 2020

LSI變化區(qū)域集中在于橋水庫(kù)周邊和遵化市中心城區(qū)及郊區(qū)（圖6），是流域內(nèi)景觀斑塊形狀變化的主要區(qū)域。水庫(kù)周邊地區(qū)和遵化市郊區(qū)LSI 整體呈上升趨勢(shì)，表明于橋水庫(kù)周邊和遵化市郊區(qū)景觀斑塊形狀趨于復(fù)雜化。遵化市城區(qū)LSI 下降，表明遵化市城區(qū)呈現(xiàn)景觀斑塊形狀單一化趨勢(shì)。

2.2.3 景觀多樣性

1990—2020 年，流域內(nèi)景觀多樣性上升，聚集度指數(shù)（AI）降低了7.06%，香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）上升了0.78%，但變化強(qiáng)度低于景觀破碎度和景觀斑塊形狀變化（圖7）。30 年間，流域內(nèi)大部分地區(qū)景觀多樣性均發(fā)生變化（圖8）。1990—2000 年，流域內(nèi)景觀多樣性指數(shù)變化小。2000—2010 年，景觀多樣性指數(shù)變化集中在遵化市區(qū)及郊區(qū)，遵化市區(qū)景觀多樣性降低，郊區(qū)景觀多樣性增加。2010—2020 年，流域內(nèi)景觀多樣性變化集中在于橋水庫(kù)周邊，庫(kù)區(qū)周邊景觀多樣性增加。

圖7 1990—2020年于橋水庫(kù)流域景觀多樣性指數(shù)Figure 7 Landscape diversity index in Yuqiao Reservoir watershed from 1990 to 2020

圖8 1990—2020年于橋水庫(kù)流域景觀多樣性變化Figure 8 Change of landscape diversity in Yuqiao Reservoir watershed from 1990 to 2020

2.3 景觀變化驅(qū)動(dòng)力分析

2.3.1 社會(huì)因素對(duì)景觀格局的影響

選取的5個(gè)社會(huì)因素（X1～X5）與7個(gè)景觀指數(shù)的關(guān)聯(lián)度在0.561～0.963 之間，平均關(guān)聯(lián)度為0.771，表明社會(huì)因子對(duì)景觀格局產(chǎn)生了較大影響（表2）。整體上，人口密度、農(nóng)村人口數(shù)與7 個(gè)景觀指數(shù)關(guān)聯(lián)度強(qiáng)，人口密度和農(nóng)村人口數(shù)與MPS、ED、SHEI、AI 和LSI的灰色關(guān)聯(lián)度均在0.9以上，表明于橋水庫(kù)流域內(nèi)景觀格局變化與流域內(nèi)人口數(shù)量及人口的遷移有密切聯(lián)系。同時(shí)，工業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度提升和人工造林也對(duì)流域內(nèi)景觀格局的改變有較強(qiáng)的作用。

表2 景觀指數(shù)與驅(qū)動(dòng)因素關(guān)聯(lián)度Table 2 Correlation between landscape index and driving factors

2.3.2 經(jīng)濟(jì)和氣候因素對(duì)景觀格局的影響

選取的4 個(gè)經(jīng)濟(jì)因素（X6～X9）與流域景觀指數(shù)的關(guān)聯(lián)度分布在0.362～0.734 之間，平均關(guān)聯(lián)度為0.480。整體上經(jīng)濟(jì)因素與景觀指數(shù)間關(guān)聯(lián)度低，僅農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值與景觀指數(shù)有較高關(guān)聯(lián)度，其與景觀斑塊形狀指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)和景觀多樣性指數(shù)的平均關(guān)聯(lián)度分別為0.618、0.611 和0.603，表明流域內(nèi)第一產(chǎn)業(yè)即農(nóng)林牧漁業(yè)的發(fā)展對(duì)景觀破碎度、景觀斑塊形狀和景觀多樣性均有重要影響。年降雨量（X10）與景觀指數(shù)間關(guān)聯(lián)度分布在0.612～0.745之間，平均關(guān)聯(lián)度為0.702，其與景觀多樣性指數(shù)平均關(guān)聯(lián)度最高，表明年降雨量是影響流域內(nèi)景觀格局尤其是景觀多樣性變化的重要因素。

3 討論

1990—2020 年，于橋水庫(kù)流域景觀格局發(fā)生了劇烈變化。建設(shè)用地大幅增加，耕地大量減少，并且景觀格局破碎化、形狀復(fù)雜化、景觀多樣性增加。1990—2000 年，流域內(nèi)景觀格局變化較??；2000—2010 年，流域內(nèi)景觀格局變化劇烈，主要表現(xiàn)為遵化城區(qū)建設(shè)用地的大量擴(kuò)張；2010—2020 年，流域城鎮(zhèn)擴(kuò)張速率下降，流域內(nèi)土地利用變化集中在于橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)周邊，主要是耕地轉(zhuǎn)化為林地。

城鎮(zhèn)化是影響于橋水庫(kù)流域景觀格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。城鎮(zhèn)化分為人口城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化和土地城鎮(zhèn)化三個(gè)方面。30年間流域內(nèi)人口密度、GDP不斷增加，遵化市人口密度和GDP 分別增長(zhǎng)了15%和1 600%，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積增大以及工礦企業(yè)數(shù)量的增加和規(guī)模的擴(kuò)大也導(dǎo)致流域內(nèi)景觀格局的變化。遵化市是唐山市重要的鐵礦產(chǎn)區(qū)，遵化市城區(qū)北部和東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)形成了以礦業(yè)開采為主的相關(guān)產(chǎn)業(yè)區(qū)，主要沿河分布。同時(shí)城西旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使建設(shè)用地進(jìn)一步增加，耕地破碎化加劇。1990—2020 年，流域內(nèi)城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加了588.89%，農(nóng)村居民點(diǎn)增加了24.19%，城鎮(zhèn)建設(shè)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)的最大斑塊指數(shù)（LPI）增加，表現(xiàn)出遵化城區(qū)建設(shè)用地集中連片發(fā)展的趨勢(shì)。城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)的增加加劇了耕地破碎化，景觀水平上最大斑塊指數(shù)（LPI）下降了54.17%，流域的斑塊密度（PD）增大，流域景觀破碎度增加。與人口增長(zhǎng)速率相比，遵化市的土地城鎮(zhèn)化水平大幅提升，土地轉(zhuǎn)化效率不高，為粗放式發(fā)展。2013 年，我國(guó)提出新型城鎮(zhèn)化建設(shè)方針，著力提升城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量，更加注重生態(tài)保護(hù)[27]。遵化市開始從資源型城市向生態(tài)旅游型城市過(guò)渡，表現(xiàn)為嚴(yán)控工礦業(yè)發(fā)展，注重生態(tài)保護(hù)、旅游業(yè)發(fā)展和城鄉(xiāng)發(fā)展質(zhì)量提升。2010—2020 年流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速率比1990—2000年下降了約70%。

水質(zhì)保護(hù)工程也是影響于橋水庫(kù)流域景觀格局變化的重要因素。2010—2020 年，流域內(nèi)林地增加了1 616 hm2，主要分布在于橋水庫(kù)河流入庫(kù)口。2000 年以來(lái)，當(dāng)?shù)卣疄楸Ｗo(hù)于橋水庫(kù)水質(zhì)，采取了大量生態(tài)保護(hù)措施，帶來(lái)了水庫(kù)周圍土地利用和景觀格局的改變。水庫(kù)周圍進(jìn)行環(huán)湖生態(tài)防護(hù)帶建設(shè)，在水庫(kù)入庫(kù)口建設(shè)前置庫(kù)濕地，占用了庫(kù)區(qū)周邊部分耕地及水域。當(dāng)?shù)卣畬?shí)施“南遷北管”措施，對(duì)水庫(kù)南岸農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行搬遷，嚴(yán)控北岸開展對(duì)水質(zhì)有害的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)[28]。同時(shí)在流域上游也實(shí)行水質(zhì)協(xié)同保護(hù)措施，如上游水庫(kù)生態(tài)防護(hù)帶建設(shè)和植樹造林等。2002 年，天津市實(shí)施《天津市引灤水源污染防治管理?xiàng)l例》，劃定了于橋水庫(kù)三級(jí)保護(hù)區(qū)范圍，并在一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)開展湖濱生態(tài)防護(hù)帶建設(shè)[29]。2009年，天津市水務(wù)局與原薊縣政府聯(lián)合成立于橋水庫(kù)水資源保護(hù)工作領(lǐng)導(dǎo)小組，進(jìn)一步加強(qiáng)于橋水庫(kù)水質(zhì)安全管理[30]。2015年，天津市水務(wù)局和薊州區(qū)政府聯(lián)合發(fā)布《于橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)封閉管理實(shí)施意見(jiàn)》，實(shí)行庫(kù)區(qū)一級(jí)保護(hù)區(qū)封閉管理。2015—2018 年，相關(guān)部門進(jìn)行入庫(kù)河口前置庫(kù)濕地建設(shè)。2018 年天津市出臺(tái)《天津市打好水源地保護(hù)攻堅(jiān)戰(zhàn)三年作戰(zhàn)計(jì)劃（2018—2020年）》，要求開展于橋水庫(kù)周邊非法經(jīng)營(yíng)活動(dòng)排查，構(gòu)建入庫(kù)濕地示范區(qū)[31]。流域生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施驅(qū)動(dòng)流域內(nèi)景觀格局發(fā)生改變。此外，經(jīng)濟(jì)因素尤其是農(nóng)林牧漁業(yè)的發(fā)展與景觀變化的相關(guān)性也較強(qiáng)。1990 年以來(lái)，流域內(nèi)年降雨量持續(xù)減少，水域面積減少了3.13%，這也對(duì)流域內(nèi)景觀格局產(chǎn)生了一定影響。

庫(kù)區(qū)周邊一系列生態(tài)工程措施的實(shí)施，已基本消除了庫(kù)區(qū)周圍污染對(duì)水庫(kù)水質(zhì)的影響，但流域上游景觀格局變化帶來(lái)的農(nóng)業(yè)和工業(yè)結(jié)構(gòu)變化，以及城鄉(xiāng)居民點(diǎn)和旅游業(yè)排污增加，仍然對(duì)引灤水有嚴(yán)重影響[32-33]，建議在今后的研究中關(guān)注流域上游區(qū)域，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管理。

4 結(jié)論

基于ArcGIS 和Fragstats 4.2.1 軟件，本研究對(duì)1990—2020 年于橋水庫(kù)流域土地利用和景觀格局變化過(guò)程進(jìn)行了量化和可視化，采用半變異函數(shù)法確定移動(dòng)窗口大小，較好地消除了景觀幅度效應(yīng)對(duì)原始景觀格局變化的影響，并采用灰色關(guān)聯(lián)法分析了景觀格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。研究結(jié)論如下：

（1）30 年間于橋水庫(kù)流域內(nèi)發(fā)生了劇烈的土地利用變化，城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和林地面積增加，耕地、草地和水域面積減少。城鎮(zhèn)建設(shè)用地增長(zhǎng)集中在遵化市城區(qū)，林地在于橋水庫(kù)周邊區(qū)域增加。2010 年以來(lái)，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的增長(zhǎng)速率放緩，林地開始增加。

（2）流域內(nèi)景觀斑塊形狀趨于復(fù)雜化，景觀破碎度和景觀多樣性增加。城鎮(zhèn)建設(shè)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)呈現(xiàn)連片化和跨越式增長(zhǎng)，而耕地和草地呈現(xiàn)破碎化趨勢(shì)，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的跨越式增長(zhǎng)是流域景觀斑塊形狀復(fù)雜化的主要成因。

（3）流域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局變化主要受城鎮(zhèn)化和于橋水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)工程措施的影響，農(nóng)村居民點(diǎn)擴(kuò)張、農(nóng)林牧漁業(yè)和工礦業(yè)發(fā)展也對(duì)流域景觀格局產(chǎn)生了重要影響。