猫跳河梯级开发流域土地利用与景观格局空间分异

李亦秋，鲁春霞，邓 欧，焦有权

(1.绵阳师范学院 资源环境工程学院，四川 绵阳621000;2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京100101;3.清华大学 工程物理系 公共安全研究院，北京100084;4.北京林业大学 测绘与3S技术中心，北京100083)

0 引言

流域梯级水利水电开发将引起流域内一系列群体性、系统性和累积性的环境响应，并对流域土地利用与景观格局产生深远影响。目前，水电开发工程的土地利用与景观生态影响评价已受到越来越多的重视，加强水电开发对区域土地利用与景观格局的定量评价已成为生态影响评价的重要组成部分［1-2］。不少学者以3S技术为支撑，结合景观格局定量化分析软件FRAGSTATS，开展了许多景观格局定量化研究［3-7］。

猫跳河流域是全国流域梯级开发最早和程度最高的地区之一，本研究在RS与GIS支持下，利用1973—2010年4期遥感数据，通过土地利用变化信息提取和景观格局指数计算，分析以主要干支流为轴线的不同缓冲区内土地利用和景观格局空间分异动态，揭示流域梯级开发对流域内不同地域土地利用和景观格局产生的影响，对于优化本流域土地利用结构、强化流域景观管理具有重要参考价值，对于其他流域梯级开发模式选择和景观生态保护也有重要借鉴意义。

1 研究区域概况

猫跳河流域地处黔中腹地，位于东经106°00＇00″～106°39＇06″和北纬 26°09＇02″～ 26°56＇08″之间，全长 181 km，流域面积2 863.45 km2。猫跳河是乌江中上游南岸的最大支流，多年平均流量55.9 m3/s，天然总落差548.6 m，水能蕴藏量27.1万kW。1958年8月，猫跳河流域“龙头”电站——红枫湖电站开始兴建，此后六级半梯级电站相继建成，共形成7个水库，完成了水库化的进程(表1)。全流域水能资源的控制程度近88.19%，坝址控制集水面积达流域总面积的86.13%。半个世纪以来，流域经济有了很大发展，已成为贵州省电力、冶金、化工、轻工等多门类的工业基地［8］，对贵州省经济发展具有重要影响。

表1 猫跳河各梯级水电站建设日期Tab.1 Construction date of the cascade hydropower stations in Maotiao River

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

随着遥感技术的发展，更加准确和可靠的土地利用/覆盖数据获取变得相对容易。本研究采用MSS、TM和ALOS等多源遥感影像，按照土地利用方式进行景观分类［9］，为土地利用和景观格局变化提供数据基础。在参考国家分类标准的基础上，结合影像特征与土地利用类型的可解译性，综合利用监督、非监督及专家分类，将流域分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个地类，并进行分类后处理和反复检查与评价，提取不同时期的土地利用和景观格局信息。

2.2 研究方法

在ArcGIS 9.3软件辅助下，以猫跳河干流及其主要支流为基础，生成＜2 000 m(内圈)、2 000～5 000 m(中圈)、＞5 000 m(外圈)的缓冲区域，得到各缓冲区内不同时期的土地利用变化及转移矩阵，再采用土地利用与景观格局时空模型，计算分析在梯级开发过程中和开发完成后的土地利用与景观格局的空间分异动态。时空模型包括土地利用变化动态度模型［10-11］、土地利用程度综合指数模型及其衍生的土地利用程度变化量和变化率模型［10，12］、景观指数计算模型等［13-14］。

2.2.1 土地利用变化动态度模型。①单一土地利用变化动态度:Ps=(△Uin-△Uout)/(△Uin+△Uout)，-1＜Ps≤1。式中:Ps为土地利用类型的变化趋势和状态指数;△Uout为时段T内土地利用类型转变为其他类型的面积之和;△Uin为其他类型转变为该类型的面积之和。若0≤Ps≤1，土地利用处于“涨势”。Ps越接近0，增长越缓慢，双向转换频繁;Ps越接近于1，主要为其他类型转换为该类型，呈极端非平衡态势。若 -1＜Ps≤0，则相反。②综合土地利用变化动态度:。式中:Pt为所有类型面积变化的综合变化率;△Uout-i为时段T内类型i转变为其他类型的面积之和;△Uin-i为其他类型转变为第i种类型的面积之和。Pt越接近0，土地利用类型的双向转换越频繁，呈现均衡转换的态势;Pt越接近于1，各土地利用类型为单向极端不均衡转换。

2.2.3 景观格局指数模型。① 景观形状指数:Is=(0.25 E)/。式中:E是景观中所有斑块边界的总长度;A为景观总面积。Is≥0，无上限，Is值越大，斑块的形状越复杂或越扁长。② 景观破碎度指数:If=Ni/Si，式中:If为景观i的破碎度(个/hm2);Ni为景观i的斑块数;Ai为景观i的总面积。景观破碎度指数表征景观被分割的破碎程度，反映人类对景观的干扰程度。③ 香农多样性指数。式中:Pi是i种景观类型占总面积的比;m是景观类型的总数。Id＞0，无上限，Id增加，景观结构的复杂性也趋于增加。④景观聚集度指数:Ic=。式中:n是景观斑块类型总数;Pij是斑块类型i与j相邻的概率。聚集度指数通常度量同一类型斑块的聚集程度，但其取值还受到类型总数及其均匀度的影响［14］。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化动态度空间分异

土地利用数量变化可用单一土地利用变化动态度和综合土地利用变化动态度来表示［11］。对各缓冲区内不同时期土地利用图层运算，得到土地利用变化转移矩阵，再根据土地利用变化动态度模型，计算流域不同缓冲区域内不同时期土地利用动态变化度(表2，图1)。

流域各缓冲区内不同时期综合土地利用变化动态度在0.13～0.39之间变动，流域土地利用类型的双向转换较为频繁，呈现均衡转换态势。1973—2010年的3个时间段内，在＜2 000 m缓冲区内综合土地利用变化动态度分别为 0.13，0.21，0.35;在 2 000 ～5 000 m 缓冲区内分别为0.17，0.27，0.30;在 2 000 ～5 000 m 缓冲区内分别为 0.21，0.30，0.39;由内向外的各圈层综合土地利用变化动态度总体上有增大的趋势，均衡转换态势在向着非均衡转换态势发展。

耕地在1973—1990年处于“涨势”状态，由内向外的“涨势”越来越明显;在1990—2010年的2个时间段内处于“落势”状态;1990—2000年越向外圈，耕地“落势”越明显;2000—2010年内、外圈的“落势”大于中圈。1973—1990年是流域梯级开发基本完成和运营的早期阶段，水资源的开发利用带来了流域经济发展和人口快速增长，1973年流域总人口不足50万，1990年增长到90万，且以农业人口增长为主，而水土条件较好的河流阶地和沿岸平坝早已经开发，在边远地方陡坡开荒和毁林毁草开垦耕地的现象十分突出，耕地由内向外“涨势”越来越明显。1990—2000年，一方面外出务工农民撂荒了部分偏远的耕地，另一方面退耕还林等生态工程退耕了部分耕地，致使越向外圈耕地“落势”越明显。2000—2010年，内圈耕地面积的减少主要是因为城市化进程的加快，新增建设用地占用了耕地，河流沿岸的“长江上游水土保持重点治理工程”等生态工程也退耕了部分耕地，外圈主要还是生态工程进一步推进的结果，使得内、外圈的耕地“落势”更为明显。

表2 土地利用动态变化度空间分异Tab.2 Spatial differentiation of the land use dynamic change degree

图1 综合土地利用动态变化度时空变化趋势Fig.1 Spatial-temporal variation tendency of the integrated land use dynamic change degree

林地在1973—1990年基本处于“落势”，但“落势”不算太快，而外圈的“落势”相对较快。在1990—2010年的2个时间段内都处于“涨势”，2000—2010年“涨势”更快，内圈和中圈在这2个时间段内“涨势”更为明显。1973—1990年，流域农业人口的剧增与这一时期耕地的“涨势”相对应，林地、草地和未利用地由于流域边远地方的陡坡开荒和毁林毁草开垦耕地总体上都处于“落势”，越往缓冲区外圈“落势”越明显。在1990—2010年的2个时间段内，由于生态建设工程的逐步推进，林地面积大大增加，距离河流两岸越近增加越明显。

水域在1973—1990年处于“涨势”，在内圈和中圈“涨势”更为明显，除了流域干流梯级水库在这一时期建成蓄水增加水域面积外，流域内还新建了大大小小的水利水电、人畜饮用水和工业用水工程。在1990—2010年的2个时间段内，水域基本都处于“落势”状态。1990—2000年，缓冲区内圈“落势”更为明显。2000—2010年各个缓冲区“落势”都比较明显，内圈和中圈“落势”更甚。水域面积的减少一方面缘于工农业用水的大量增加，一方面缘于近年来暖干气候的影响和流域梯级开发对于原有水循环系统的破坏所产生的负效应。

建设用地在不同缓冲区域内各相同时期均处于“涨势”状态，1973—1990年“涨势”最快，1990—2000年次之，2000—2010年“涨势”最慢。各相同时期内，由内向外的缓冲区建设用地“涨势”总体上有变慢的趋势，这与内外圈的社会经济发展速度紧密相关。1973—1990年，流域建设用地以外延扩张为主，建设用地面积增长很快。20世纪90年代以后，外延扩张与内生增长并进，建设用地看似“涨势”较慢，但建设用地面积绝对数增长仍然很快，这期间城乡建设用地、交通建设用地都在不断得以改造和加速发展，城市化进程加快。

草地和未利用地在不同缓冲区域内各个时期基本处于“落势”状态。随着社会经济的发展，流域草地和未利用地得以充分利用，草地和未利用地在今后的开发利用应该遵循适宜性和适度开发的原则。

3.2 土地利用程度空间分异动态

根据刘纪远等提出的土地利用程度综合分析方法［10］，土地自然综合体在自然平衡保持状态下可分为土地未利用级、土地自然再生利用级、土地人为再生利用级、土地非再生利用级4个级，将其分别赋予指数1，2，3，4，然后再用其面积百分比加权相乘，就可以计算出土地利用程度综合指数(表2)。综合指数的大小即反映了土地利用程度的高低，而土地利用程度变化量和变化率可定量地揭示该范围土地利用的变化趋势［10，12］。根据土地利用程度综合指数及其变化量和变化率计算公式，计算得到各缓冲区内不同时期的土地利用综合指数空间分异动态变化(表3，图2)。

1973—2010 年的3个时间段内，各缓冲区圈层内土地利用程度综合指数都在240以上，均达到理论可利用程度的60%以上，土地利用程度较高;土地利用程度内圈最高，中圈次之，外圈最小;1973—2010年，各圈层内土地利用程度综合指数呈现出先增加后减少的趋势。

1973—1990，1990 —2000年时段内，内圈的土地利用程度综合指数变化率分别为1.02%，0.67%，综合指数变化率大于0，土地利用都处于发展时期;2000—2010年内圈的土地利用程度综合指数变化率为-2.12%，综合指数变化率小于0，土地利用进入调整时期。中、外圈1973—1990年的综合指数变化率分别为 1.38%和2.56%，综合指数变化率大于0，土地利用都处于发展时期;在1990—2010年综合指数变化率都小于0，土地利用进入调整时期。

表3 土地利用程度综合指数空间分异动态Tab.3 Spatial differentiation of the land use degree comprehensive index and its change

图2 土地利用程度综合指数时空变化趋势Fig.2 Spatial-temporal variation tendency of the land use degree comprehensive index

流域梯级开发主体工程的相继完成和运营极大地推动了流域土地利用的发展演变，内圈受到梯级开发的影响更大，土地资源的开发更加活跃，处于土地利用发展时期的时间也更长。随着时间的推移，流域梯级开发的负效应开始突显，水库水质发生了剧烈的演化，黑藻、网箱缺氧死鱼、藻华等水质恶化事件不断发生，流域陆生生态系统也受到不同程度的影响和破坏。为改善流域生态环境，国家和地方政府开始注重生态环境恢复和生态经济的可持续发展，长江上游水土保持重点治理、天然林保护、退耕还林、农业产业结构调整和水资源环境保护等政策的贯彻实施，使得不同缓冲区的土地利用先后进入了调整时期，流域生态环境得以逐步恢复。

3.3 景观格局空间分异动态

人为活动所产生的土地利用变化是土地自然、社会属性综合作用的结果，能够全面反映实际存在的多种多样的景观类型［9，15］。按照土地利用方式进行景观分类，并从景观水平上分析猫跳河流域景观格局空间分异动态。景观指数能够高度浓缩景观格局信息，是反映景观结构组成和空间配置某方面特征的定量指标，可以定量描述和监测景观结构随时间的变化和不同景观之间的对比［16-20］。选用景观形状指数(Is)、景观破碎度指数(If)、香农多样性指数(Id)、景观聚集度指数(Ic)，采用FragStats 3.3进行计算，得到各缓冲区内不同时期的景观指数空间分异动态变化(表4，图3)。

1973—2010 年间，各缓冲区圈层内景观形状指数(Is)总体上表现为外圈 ＞中圈 ＞内圈。内圈受到的人为干扰最大，形状指数最小，斑块的几何形状最简单;外圈受到的人为干扰最小，形状指数最大，斑块的几何形状最复杂。景观破碎度指数(If)总体上表现为中圈 ＞内圈 ＞外圈;在自然因素和人为干扰的综合作用下，1973—1990年，各圈层的景观破碎度指数呈减小趋势，1990—2010年，各圈层的景观破碎度指数呈增加趋势;景观多样性指数(Id)总体上表现为内圈 ＞外圈 ＞中圈。内圈由于受到流域梯级开发影响最大，剧烈的人为活动使得景观结构组成最复杂;外圈由于地形地貌差异大，自然景观本身比较复杂，使得景观结构组成也相对复杂;景观聚集度指数(Ic)总体上表现为中圈 ＞外圈＞内圈，中圈的斑块组成聚集度最大，外圈次之，内圈的斑块组成聚集度最小。外圈聚集度指数在1973—1990年呈增大趋势，1990—2010年呈减小趋势，内圈和中圈聚集度指数变化不明显。

4 结论与讨论

(1)各缓冲区内不同时期的综合土地利用变化动态度在0.13～0.39之间变动，流域土地利用类型的双向转换较为频繁，呈现均衡转换态势。1973—2010年的3个时间段内，由内向外的各圈层综合土地利用变化动态度总体上有增大的趋势，均衡转换态势在向着非均衡转换态势发展，各土地利用类型的“涨落势”呈现出明显的时空分异特征。

(2)1973—2010年的3个时段内，由内向外的各缓冲区圈层内土地利用程度综合指数都在240以上，均达到理论可利用程度的60%以上，土地利用程度较高。内圈受到流域梯级开发的影响更大，土地资源的开发利用更加活跃，处于土地利用发展时期的时间也更长。

(3)各缓冲区圈层内景观指数呈现出明显的时空分异特征:内圈受到人为干扰最大，形状指数最小，斑块几何形状最简单，外圈受到人为干扰最小，形状指数最大，斑块几何形状最复杂。在自然因素和人为干扰的综合作用下，1973—1990年各圈层的景观破碎度指数呈减小趋势，1990—2010年各圈层的景观破碎度指数呈增加趋势。内圈由于受到流域梯级开发影响最大，剧烈的人为活动使得景观结构组成最复杂;外圈由于地形地貌差异大，自然景观本身比较复杂，使得景观结构组成也相对复杂。中圈的斑块组成聚集度最大，外圈次之，内圈的斑块组成聚集度最小，外圈聚集度指数呈先增大后减小的趋势，内圈和中圈聚集度指数变化不明显。

表4 景观指数空间分异动态Tab.4 Spatial differentiation of the landscape index and its change

图3 景观指数时空变化趋势Fig.3 Spatial-temporal variation tendency of the landscape index

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