嘉陵江流域土地利用景观格局动态分析研究

冷淑娇 张行南，2 夏达忠，2 刘扬扬

（1.河海大学 水文水资源学院，南京 210098；2.河海大学 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，南京 210098）

景观格局通常是指景观的空间结构特征，具体是指由自然或人为形成的，一系列大小、形状各异，排列不同的景观镶嵌体在景观空间的排列，它既是景观异质性的具体体现，同时又是包括干扰在内的各种生态过程在不同尺度上作用的结果.景观格局的变化能够影响生态过程，如通过改变栖息地影响动物迁移，影响生物流，由于地表植被的破坏导致水土流失而影响物质流等［1].景观指数是景观格局分析常用的指标，用它来描述景观格局及变化，建立格局与景观过程之间的联系，是景观生态学最常用的定量化研究方法［2]，但是很多景观指数之间存在显著相关关系［3]，并且大部分的指数所指的格局特征也是不全面的，因此需要了解各指数的实际意义结合各自的研究目标选择合适的指数［4].由于人类活动的加剧，对景观异质性的影响日趋严重，土地利用景观格局的研究已经成为景观生态研究的热门话题.我国作为低森林覆盖率的国家之一，对流域景观格局与生态水文过程之间的关系研究十分重视.自肖笃宁将国际景观生态学研究进展和前沿问题介绍到国内之后，我国对景观格局研究从2000年开始也得到了广泛的应用.2004年，汪朝辉等应用景观破碎度、分维数、优势度和多样性等指数对洞庭湖区景观空间格局的时空演变进行分析［5]；2005年，李崇巍等构建了植被保水指数，对岷江上游不同集水区景观格局与生态水文特征进行分析［6]；2007年，胥晓在遥感影像基础上利用景观指数从斑块、景观异质性、多样性与均匀性以及空间相互关系4个方面从空间尺度比较和分析嘉陵江流域植被景观格局特征［7].本文主要从时间尺度上分析嘉陵江流域的景观格局结构及变化趋势，分析嘉陵江流域从1980～2000年20年间景观破碎度、优势度、规则度以及均匀度的变化趋势，为今后嘉陵江流域水资源的空间变化规律及趋势研究提供科学借鉴.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

嘉陵江发源于秦岭南麓，是长江最大的一条支流，向西南流经陕西、甘肃、四川、重庆4省市，于重庆市朝天门码头注入长江.流域全长1 120km，流域面积约16万km2，地跨东经102°35′36″～109°01′08″，北纬29°17′30″～34°28′11″.嘉陵江流域地势西、北、东高，东南面最低，流域高差4 800m左右，河道落差2 300m，平均比降2.05‰.嘉陵江流域属亚热带季风气候，流域多年平均降水量为935.2mm，由于地形复杂，降水面上分布很不均匀，降水量有明显的旱季和雨季，6～9月降水量占年降水量的66%，12月至次年2月为全年降水量最少的季节，占年降水量的3.2%.整个流域多为紫红色砂泥岩，质地松脆，水土流失严重，成为流域内泥沙产生的主要来源［8].侵蚀面积占流域面积的52.14%.据北碚水文站的实测，一般年份年输沙量可达1.7亿t，多年平均含沙量为2.25kg／m3.流域内坡耕地有212.92万hm2，占耕地面积的54.57%.

图1 嘉陵江流域位置示意图

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

本文所采用的土地利用历史数据为1980年、1995年、2000年3期全国1km网格土地利用数据，由中国1∶10万土地利用数据库生产得到，来源于中国科学院资源与环境数据中心.在GIS平台上，采用面积最大法原则，将3期网格数据处理为单一地物类型的栅格单元，然后使用嘉陵江流域边界对栅格数据进行裁切，得到可用的数据集.该数据集采用两级分层的土地覆盖分类系统，将土地利用分为6个一级类，25个二级类.其中6个一级类分别为：耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地以及未利用土地.1980年、1995年及2000年的土地利用图如图2所示.

图2 1980年、1995年、2000年嘉陵江流域土地利用图

1.2.2 景观格局指数

景观格局指数分为3组级别：斑块水平（patchlevel）指数、斑块类型水平（class－level）指数、景观水平（landscape－level）指数［9].依据实际的研究目标并考虑土地利用数据的精度，排除了相关性较高的指数，在斑块类型水平及景观水平上选取了8个指数，分别利用斑块数目（NP）、斑块平均面积（MPS）、蔓延度指数（CONTAG）分析嘉陵江流域的景观破碎度变化；利用景观形状指数（LSI）、面积加权的平均形状因子（AWMSI）分析景观规则度变化；选取最大斑块指数（LPI）来分析景观优势度变化；香农多样性指数（SHDI）、香农均度指数（SHEI）分析景观均匀度变化.各景观指数的表达式及生态含义见表1［10－11].

表1 景观格局指数及生态含义

2 结果与分析

利用Arc GIS中的Spatial Analyst等模块分别提取斑块类型水平和景观水平2个层次上嘉陵江流域的8个景观格局指数.并运用Fragstats 3.3软件计算得到各景观格局指数结果见表2～3.

表2 嘉陵江流域1980年、1995年和2000年不同土地利用类型的斑块类型水平指数

表3 嘉陵江流域1980年、1995年和2000年景观水平指数

2.1 景观破碎度分析

景观破碎度主要表现为斑块个数、斑块平均面积的增减及蔓延度值的高低.景观破碎度是生物多样性丧失的重要原因之一，对流域水土流失也有一定的制约作用［12].

由表2和表3数据可以看出嘉陵江流域斑块个数、斑块平均面积以及蔓延度指数的变化趋势.在斑块类型水平上，1980年、1995年及2000年，耕地、草地以及城乡、工矿和居民用地的斑块个数变化比较明显，波动较大，且总体上不断增加.耕地的斑块个数由1980年的1 706个下降到1995年的1 670个，到2000年时增加到1 744个；草地的斑块个数又1980年的1 730个，增加到1995年的1 779个，但到2000年又回降到1 731个；城乡、工矿和居民用地的斑块个数由1980年的110个增加到2000年149个；其他覆被类型斑块个数变化较小.整体上，嘉陵江流域的草地、林地、耕地的斑块个数相比其他土地覆被类型要大的多，2000年草地、林地、耕地的斑块个数分别占全流域斑块个数的27.65%、31.22%、31.45%，破碎度相对较高，表明3种类型景观分布分散，不连片，而水域、城乡用地以及未利用土地的斑块个数比例总体上相对较少，表明其景观分布更加集中、连片.从斑块平均面积上，耕地的斑块平均面积从1980年的4 366.178 2m2增加到1995年的4 407.964 1m2，又降低到2000年的4 270.589 4m2.草地的斑块平均面积由1980年的2 234.748 5m2增加到1995年的2 476.728 7m2后降低到2000年的2 278.669 3m2；林地的斑块平均大小由1980年的2 823.815m2下降到1995年的2 620.404 7m2后增加到2000年的2 769.381 9m2.城乡、工矿、居民用地由1980年的282.727 3m2增加到1995年的307.377m2后持续增加到2000年的326.174 5m2.耕地的斑块平均面积在1980年、1995年和2000年在土地利用类型中均达到最大值，说明嘉陵江流域上耕地的破碎化程度最小，而其他土地利用类型的破碎化程度相对较大.从景观水平上，1980年斑块个数为5 460个，到1995年降低到5 450个，到2000年增加到5 544个，而斑块平均面积由1980年的2 910.586 1m2增加到1995年的2 915.926 6m2，但到2000年减少为2 866.486 3m2，蔓延度指数由1980年的49.362%持续下降到2000年的48.878%，以上数据说明嘉陵江流域景观格局具有多种要素的密集，连接性被严重破坏，流域的破碎度变大，景观异质性增加，受人类干扰程度增大.

2.2 景观规则度分析

本文利用景观形状指数（LSI）、面积加权平均形状因子（AWMSI）分析的嘉陵江流域的规则度变化趋势，由表2和表3中的数据可以看出，草地的LSI值由1980年的65.324 3%增加到1995年的67.276 5%后降低到2000年的65.636 4%，所有的土地利用类型中草地的LSI值最高，说明草地的规则性最差；林地的LSI值由1980年的60.329 6%减少到1995年的60.1181，但到2000年增加到62.086 8%；耕地的LSI值由1980年的43.796 7%降低到1995年的42.990 8%后增加到2000年的44.293%；而城乡、工矿和居民用地的LSI值由1980年的10.75%持续增加到2000年的12.488 9%.由此看出，所有斑块的规则性都变得越来越差.草地的AWMSI值变化最为明显，由1980年的18.428 1增加到1995年的24.072 7，然而到2000年又降低到18.588 1.1995年草地的AWMSI值达到整个研究时段的最大值，说明此时的草地景观要素最为复杂.林地的AWMSI值由1980年的16.567 1急剧增加到2000年的20.439 8，说明林地也越来越复杂，越来越不规则.从景观水平上，1980年、1995年和2000年，嘉陵江流域各土地利用类型的LSI值和AWMSI值都是持续增加，说明整体景观形状变化越来越复杂，越来越不规则.

2.3 景观优势度分析

本文利用最大斑块指数分析嘉陵江流域的优势度变化.由表2～3中的LPI值可以看出，在斑块类型水平上，1980年、1995年和2000年，耕地的最大斑块指数是所有土地利用类型中最大的，1980年、1995年和2000年耕地的LPI值分别为35.7109%、34.957%、35.589 4%，说明耕地在所有土地利用类型中具有最大优势度的；林地的最大斑块指数由1980年的7.700 2%上升到2000年的11.977 9%，增加了近1.5倍，说明林地在嘉陵江流域所占的比重越来越大；草地的LPI值有所波动，由1980年的7.235 2%增加到1995年的9.987 5%，但到2000年降低到7.055 8%；其他土地类型的LPI值相对而言要小得多.从景观水平上，LPI值由1980年的35.710 9%降低到1995年的34.957%又增加到2000年的35.589 4%，说明景观格局的优势度在1995年增大之后到2000年又呈现出有减小的趋势.

2.4 景观均匀度分析

在景观异质性分析中，常采用香农多样性指数和香农均匀度指数来分析景观的均匀度.由表3数据可以看出，香农多样性指数由1980年的1.098 3快速地上升到1995年的1.108 5，而到2000年小降到1.105 9；香农均匀度指数的变化趋势与SHDI相似，1980年，SHEI值为0.613，而到1995年时上升到了0.618 7，但是到2000年时又有所下降，值为0.617 2.虽然SHDI和SHEI在1980～2000年期间有所波动，但是总体上是增加的，说明各景观类型所占比例差异增大，没有明显的优势类型且各土地利用类型在面积上均匀分布.

从整个流域的植被分布情况可以看出，在嘉陵江流域的东、西、北部等各支流的上游地区，由于地形复杂，地势险峻，人口密度小，自然植被如林地、草地主要分布上游地区，受人类活动的影响也相对较小，因此林地、草地发育集中，景观格局比较完整，植被景观以林地、草地等自然植被为主，而耕地、城乡用地等人为景观类型分布小而零散，整个地区的破碎化程度、景观多样性都比较低.而在嘉陵江流域中下游地区，由于地势平坦，城镇发展较快，人口相对比较密集，整个地区受人类活动的干扰程度也比较大，林地、草地等自然植被遭到破坏，零星分散在局部地区，而耕地、和城乡用地等人为景观类型发育比较完整.各种景观类型嵌套分布在中下游地区，形成了嘉陵江流域多样性、均匀度以及破碎化程度较高的总体景观特征.另外，由于嘉陵江由于上游黄土区土质疏松，中下游紫红色页岩又易于风化，加之岸坡很陡，耕垦过度，植被覆盖很差，造成坡面侵蚀强烈，流域内出现两个水土流失严重的地区，一个在上游陕西、甘肃境内，一个在中下游四川盆地中部丘陵区.水土的严重流失，成为流域内泥沙产生的主要来源.这也是导致嘉陵江流域景观格局动态变化的重要原因之一.

3 结 语

1980年、1995年和2000年嘉陵江流域的整体景观格局发生了很大的变化.通过对比不同时期的景观格局指数可以看出，20年间嘉陵江流域的斑块数目总体呈上升趋势，斑块平均面积不断减小，流域的蔓延度指数不断地降低，说明1980年、1995年和2000年嘉陵江流域的景观连接性已经被严重破坏，破碎化趋势增加；从景观结构的规则性来看，景观形状指数、面积加权平均形状因子明显增加，反映了整体景观斑块的形状趋于复杂化、不规则化；最大斑块指数整体呈上升趋势，说明景观中占有优势的土地利用类型不明显.香农多样性指数、香农均度指数表现出“先升后降”的变化过程，整体上呈增加趋势，说明研究区内各景观类型所占比例差异减小且各组成在面积上分布的越来越均匀.

关注研究时段内嘉陵江流域土地利用景观格局的动态分析，在今后的研究中将结合径流、蒸散发以及输沙量等水文资料，探讨土地利用景观格局变化对流域水沙过程的影响，从而深入分析研究土地利用景观格局的动态变化对嘉陵江流域水沙资源时空变化规律及趋势的影响.

［1]Turner，Monica Goigel，Ruscher C.Lynn.Changes in Landscape Patterns in Georgia，USA［J].Landscape E－cology，1988，1（4）：241－251.

［2]陈文波，肖笃宁，李秀珍.景观指数分类、应用及构建研究［J].应用生态学报，2002，13（1）：121－125.

［3]布仁仓，胡远满.景观指数之间的相关分析［J].生态学报，2005，25（10）：2764－2775.

［4]李秀珍，布仁仓.景观格局指标对不同景观格局的反应［J].生态学报，2004，24（1）：123－134.

［5]汪朝辉，王克林.水陆交错生态脆弱带景观格局时空变化分析——以洞庭湖区为例［J].自然资源学报，2004，19（2）：240－246.

［6]李崇巍，刘世荣.岷江上游景观格局及生态水文特征分析［J].生态学报，2005，25（4）：691－698.

［7]胥 晓，郑伯川，陈友军.嘉陵江流域植被景观的空间格局特征［J].长江流域资源与环境，2007，16（3）：373－378.

［8]杨 泉，何文社.嘉陵江水土保持对三峡工程水沙的影响［J].兰州交通大学学报：自然科学版，2005，24（3）：37－40.

［9]邬建国.景观生态学——格局、过程、尺度与等级［M].北京：高等教育出版社，2000：96－112.

［10]刘士余.降雨与植被变化对赣西北大坑小流域水文特征的影响研究［D].北京：北京林业大学，2008.

［11]张玉虎.流域典型区土地利用／覆被变化与生态安全格局构建分析——以永定河流域门头沟段为例［D].新疆：新疆大学，2008.

［12]马克明，傅伯杰.北京东灵山地区景观格局及破碎度评价［J].2000，24（3）：320－326.