五陵原景观空间格局动态分析

封建民,李晓华

(咸阳师范学院旅游与资源环境学院关中古代陵寝文化研究中心,陕西咸阳712000)

“景观生态学”一词最初由德国著名植物地理学家T roll.C于1939年首次提出,其目的是为了协调统一生态学和地理学两个领域中科学家的研究工作[1]。景观空间格局是生态系统或系统属性空间变异程度的具体表现,它包括空间异质性、空间相关性和空间规律性等内容[2]。在遥感与GIS技术的支撑下,自20世纪80年代以来,不同景观生态学家提出了众多的景观指数用来定量分析景观格局[3-7]。

以往的景观格局的研究主要是注重于景观空间格局定量指标的建立、景观空间格局的测定[8-10]等。本研究将地理信息系统和景观空间分析模型相结合,用地理信息系统显示景观的空间分布,用定量模型测定景观的空间格局,用驱动力机制分析其变化原因。在人类活动起主导作用的农业景观里,人类活动方式是景观空间格局的主要决定因素[11],因此,农业景观比自然景观具有更大的变异性。咸阳五陵原属于黄土高原南缘的黄土台塬,是西汉等朝帝王陵墓的聚居分布区。五陵原景观空间格局的动态分析,对帝王陵寝遗产文化资源的保护利用具有重要意义。

1 研究区概况

五陵原位于东经 108°30′35″-108°59′40″,北纬34°14′44″-34°29′40″,地处关中平原中部偏北的咸阳塬上,西起兴平市,东到高陵县,南临渭水,北接北山山系,东西长约40 km,南北最宽处约 13.5 km,总面积530 km2。五陵原因其塬高土厚、地势开阔、自然风光绝佳,而被历代统治者视为风水宝地,成为皇家陵墓区。唐顺陵、秦咸阳城遗址均在五陵原;西汉11位皇帝中有9位就葬于此。这些皇陵平地凿穴起冢,沿郑国渠走向一字排开,气势磅礴,高大雄伟,十分壮观。据1957年文物普查统计,仅五陵原秦都和渭城区一带塬上的帝王陵墓就多达808座[12],被誉为中国的“金字塔”群。其中五陵原的高祖长陵、惠帝安陵、景帝阳陵、武帝茂陵、昭帝平陵五个陵设邑建县,故名“五陵原”。境内年平均降水量537～650 mm,年平均温度9.0～13.2℃,属大陆性季风气候,气候温和、四季分明。地势北高南低,北部为黄土台塬,地势较高,主要分布着农田、果园和乡村聚落。南部为河流阶地,地势由北向南部的渭河倾斜,分布着大面积的耕地和城乡聚落。20世纪80年代后期以来,区域经济发展迅速,土地利用变化剧烈。

2 研究方法

2.1 景观要素分类

本次研究采用的数据选取美国 Landsat卫星影像数据,根据项目研究的内容、地表景观的季相差异及卫星影像数据的质量,选取2个时段,分别是1988年的Landsat TM和2005年的Landsat ETM影像,影像质量均良好,分辨率分别为30 m和28.5 m。结合非遥感信息源主要包括1∶5万地形图、地貌分区图以及野外考察采集的各种资料和数据等。首先利用1∶5万地形图分别对1998年和2005年的两期影像进行几何精校正,校正误差控制在0.5个像元以内;土地分类系统是参照2007年8月5日颁布的《土地利用分类》国家标准和研究区的具体情况采用土地利用二级分类系统,将研究区的土地利用类型划分为水体、城乡建设用地、果园、林地、耕地、道路、古陵及保护用地、未利用土地等8个类型。

采用监督分类和人机交互解译相结合的方法对两期图像进行解译,得到两个时期的土地利用数据(表1),利用Arcinfo软件Overlay模块下的 Union命令,对1988年和2005年土地利用遥感解译图进行空间叠加分析,得到1988-2005年研究区土地利用类型转化的空间数据,并以部分典型地类变化为例作出各地类间转化关系图,最后对土地利用变化进行定量分析。

表1 五陵原地区1988-2005年土地利用类型统计

2.2 景观生态学评价指标

(1)平均斑块面积Smps与平均斑块周长Lmpe。

式中:i=1,2,…,m表示斑块类型序号;j=1,2,…,n表示斑块序号;aij——斑块的面积;eij——斑块的周长;ni——景观中类型i的斑块数。

(2)斑块分维数Fd

式中:Fd的理论范围为1.0～2.0,其中1.0代表形状最简单的正方形斑块,2.0代表等面积下周边最复杂的斑块。

(3)斑块伸长指数G

(4)景观多样性指数I[13-14]

式中:m——景观类型数;pi——第i类景观所占比例。

(5)景观优势度指数D

式中;ln(n)——最大多样性指数;n——景观类型总数,表明研究区各类型景观所占比例相等时,景观具有最大的多样性指数。

(6)斑块密度PD(块/hm2,Patch Density)

式中:N——景观中的斑块总数;A——景观总面积。(7)均匀度指数E

式中:I——Shannon多样性指数;Imax——最大值。

3 结果分析

3.1 斑块多样性动态分析

斑块构成了景观的基本空间单元,斑块的各种组合,构成景观空间格局,是景观功能、格局和过程随时间发生变化的主要决定因素。通过描述这些基本单元的组合结构特征,可对景观格局进行分析和量化,进而与生态过程相联系,研究格局与过程之间相互作用、相互影响的机理。运用上述指标,对五陵原区不同时期景观类型的斑块多样性特征进行研究(表2),表明:1988-2005年期间,研究区域的景观斑块数从967个减少为901个,斑块结构变化明显,其中耕地、林地、果园、水体、建筑等斑块结构变化最为显著。耕地斑块增加了90个,但斑块结构从研究初期的72.64%减少到2005年的50.94%;林地斑块增加了27个,斑块结构也从研究初期的3.28%减少到2005年2.18%;果园斑块数从研究初期的367个减少到2005年的 246个,但是斑块结构却从 1988年的6.58%明显增加到21.51%。水体减少明显,研究初期水域斑块为24个,斑块结构为1.98%,到2005年,水体斑块减少到13个,斑块结构也明显减少到了0.33%。建筑斑块数从研究初期的403个减少到2005年的352个,但斑块结构却从1988年的13.13%增加到21.88%;在整个研究期间内未利用土地斑块只减少了1个,从1988年的9个减少到2005年的8个,斑块结构也从1988年的0.64%减少到0.48%。

研究期间内,景观斑块的平均斑块面积增加了4.036 hm2,平均斑块周长增加了966.69 m。各景观平均斑块面积变化以耕地和林地减少最为显著,1988年耕地平均斑块面积为1 074.85 hm2,林地的平均斑块面积为193.92 hm2,2005年分别减少到 215.51 hm2和 32.27 hm2,分别减少了 859.34 hm2和161.65 hm2。水体、道路和未利用土地的平均斑块面积,也有不同程度的减少,其变化量分别为 30.52,15.39,6.48 hm2。而果园和建设用地平均斑块面积分别增加了37.04,15.75 hm2。平均斑块周长减少较明显的是耕地斑块及林地,分别减少了30 880.1 m和8 079.81 m;而果园的平均斑块周长有明显增加,由1 771.64 m增加到4 433.10 m,增加了2 661.46 m。不同景观类型的斑块分维数变化情况是耕地、林地、水域、古陵及保护用地和未利用地略有下降,园地及建设用地则略有上升。从斑块伸长指数来看,耕地、林地和水体斑块下降较明显,分别达到4.61,2.7,1.43,果园和建筑略有增加,其它下降不是很多。

表2 不同时期景观类型斑块特征

从不同类型的面积变化特征来看,耕地变化最明显,其他类型斑块也都发生相应的变化。主要的变化类型是耕地与果园和建设用地之间的相互转化(图1)。

图1 五陵原景观格局动态变化图

3.2 景观异质性动态分析

景观异质性是景观生态学的重要属性。景观本质上是一个异质的系统,正是因为异质性,才形成了景观内部的物质流、能量流、信息流和价值流,从而导致了景观的演化、发展与动态平衡[15]。斑块的景观异质性分析,主要是从不同的侧面,来描述景观的异质性程度。譬如景观多样性指数反映了景观类型的丰富度和景观异制性的高低。多样性指数越大,表示景观多样性越高。景观多样性由景观类型的丰富度和均匀性两方面所组成,当景观由单一要素组成时,其多样性为零;有两个以上景观要素组成的景观,当景观类型所占比例相等时,其景观多样性最高。各景观类型所占比例差异较大时,则景观多样性下降[16]。均匀度指数表征景观空间格局中不同景观类型分配的均匀程度,景观均匀性指数大说明各景观类型所占比例大小比较均匀,相差不是很悬殊。反之,景观均匀性指数小,表明景观中以一种或少数几种景观类型占优势。若景观均匀性指数为零,表明景观中各景观类型所占比例完全相等,则景观完全均质。

五陵原区不同时期景观异质性差异较明显(表3),具体表现为:研究初期,景观多样性指数为0.98,2005年为1.25,研究期间内,景观多样性指数增加0.27;优势度指数1988年为1.099,2005年减少到0.829,整个研究期间内优势度指数减少了0.27。表明该区域景观多样性上升,优势度下降的趋势;景观均匀度指数从研究初期的0.47,增加到2005年的0.60,增加了0.13;景观斑块密度从1988年的0.018减少到0.017,表明破碎化程度有所加剧。

表3 不同时期景观多样性、优势度、均匀度及破碎度指数的比较

3.3 景观动态变化的驱动机制

从五陵原地区不同时期土地利用情况(表1)来看,1988-2005年该区域土地利用类型的面积比例发生了很大的变化,其中耕地是最为明显,1988年该区域耕地面积为38 694.71 hm2,2005年耕地面积为27 153.79 hm2,减少了 11 540.92 hm2;林地从1 745.25 hm2减少到了1 161.84 hm2;园地和建设用地,都不同程度地增加,其增加量为别为7 956.62,4 658.41 hm2;水体和未利用地也分别减少了879.47,583.47 hm2。

1988-2005年,五陵原不同类型斑块动态变化(表2)来看,耕地、林地、果园、水域及建筑用地斑块动态变化相对明显,其中耕地和林地斑块数明显增加,表现出明显的破碎化趋势;而果园及建设用地斑块数减少明显,但总面积增加较多,表现出明显的扩张趋势。导致五陵原土地利用变化的因素主要受人口、经济、政策的影响,首先,人口增长和消费方式的改变是土地利用变化的重要驱动力,对城镇建设用地的规模起着决定性的影响。其次,经济发展是土地利用结构变化的最主要驱动力。建设用地的增加,除人口增长因素外,主要是近年来五陵原地区城市化快速发展,城市扩展和农村大量新建住宅占用了大量土地。由研究区土地利用数据还可以看出,近17 a来果园面积以年均0.88%的速度扩展,因而果业经济的发展是研究区景观变化的又一重要驱动因素。

2005年景观多样性指数比1988年增加了0.23,表明该试区景观斑块数的复杂性有所上升,而景观优势度的降低及均匀度的增加,表明该试区景观由少数几个主要的景观类型控制的程度降低,各景观类型所占的比例差异有所减少。从表2可以看出,1988年该区域的景观类型,主要为耕地和建筑用地,共占总面积的 85.77%,其中,耕地占总面积的 72.64%,建筑用地占总面积的13.13%。2005年,由于耕地、果园和建筑用地的变化,导致景观格局异质性减小,其表现为优势度指数的下降及均匀度指数的增加,耕地、果园及建设用地面积占总面积的94.36%,耕地占总面积的50.97%,而果园和建筑用地占总面积的43.39%,表明1988年该区的主要景观类型为耕地,而2005年变为以耕地、果园和建筑用地为主的景观类型。

4 结论

(1)1988-2005年五陵原地区斑块总数减少了66个,平均斑块面积及平均斑块周长,分别增加了4.036 hm2和966.69 m。

(2)17 a中五陵原地区景观异质性特征表现为:景观多样性指数增加了 0.27,优势度指数减少了0.27,这表明该区景观由少数几个主要的景观类型控制的程度有所降低,景观格局中各景观类型所占比例的差异减少。景观均匀度指数增加了0.13,景观斑块密度略有减少,表明破碎化程度有所加剧。

(3)近17 a来,五陵原地区景观格局主要表现为耕地受政策因素导向向林地、果园及城镇建设、居民点用地转化。因此,人为干预引起土地利用方式的改变,是景观多样性及空间格局变化的主要驱动力。

(4)随着果园面积的扩大和城市化发展,有些古陵已处于果园和城市建筑的包围中,而部分乡村已经扩展到帝陵区,这极大地破坏了五陵原原始的古陵寝景观结构,影响了旅游者的旅游价值体验,因而在以后的土地利用规划中,应为古陵寝划出合理的保护范围,以加强帝陵遗产资源的保护,为区域经济社会发展服务。

[1] 何东进,洪伟,胡海清.景观生态学的基本理论及中国景观生态学的研究进展[J].江西农业大学学报,2003,25(2):276-282.

[2] 肖秀珍,高峻,常禹,等.景观生态学[M].北京:科学出版社,2003.

[3] O'Neill R V,Krummel J R,Gardner R H,et al.Indices of landscape pattern[J].Landsc.Ecol.,1988,1:153-162.

[4] Turner M G,Gardner R H.Quantitative Methods in Landscape Ecology[M].New York:Springer-Verlag,1990:3-16.

[5] Riitters K H,O'Neill R V,Hunsaker C T,et al.A factor analysis of landscape pattern and structure metrics[J].Landsc.Ecol.,1995,10:23-39.

[6] 邬建国.景观生态学[M].北京:高等教育出版社,2000.

[7] 郝仕龙,李壁成,赵小敏,等.黄土丘陵小流域景观空间格局动态分析:以固原市上黄试区为例[J].中国水土保持科学,2005,3(2):107-112.

[8] 傅伯杰.黄土区农业景观空间格局分析[J].生态学报,1995,15(2):113-120.

[9] 陈利顶,傅伯杰,王军.黄土丘陵区典型小流域土地利用变化研究[J].地理科学,2001,21(1):46-51.

[10] 王晓燕,徐志高,杨明义,等.黄土高原小流域景观多样性动态分析[J].应用生态学报,2004,15(12):273-278.

[11] 胡震峰.土地利用与景观格局动态变化研究[J].科技情报开发与经济,2003,13(12):143-145.

[12] 咸阳服饰文物事业管理局.咸阳市文物志[M].西安:三秦出版社,2008.

[13] 王继夏,孙虎,李俊霖,等.秦岭中山区山地景观格局变化及驱动力分析:以宁陕县长安河流域为例[J].山地学报,2008,26(5):546-552.

[14] 孟涛,王明常,梁立恒,等.长白山生态景观格局动态变化分析[J].世界地质,2008,27(3):338-345.

[15] 傅伯杰,陈利顶,马克明,等.景观生态学原理及应用[M].北京:科学出版社,2001.

[16] 傅伯杰,陈利顶.景观多样性的类型及其生态意义[J].地理学报,1996,51(5):454-462.