2000—2010年辽河流域景观格局动态分析

王 鑫，刘伟玲，张林波，郑娇琦，王德旺，王丽霞

(1.山西农业大学资源环境学院，山西 太谷030800； 2.中国环境科学研究院、国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012； 3.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012； 4.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000)

2000—2010年辽河流域景观格局动态分析

王 鑫1，2，3，刘伟玲2，3，张林波2，3，郑娇琦4，王德旺2，3，王丽霞2，3

(1.山西农业大学资源环境学院，山西 太谷030800； 2.中国环境科学研究院、国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012； 3.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012； 4.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000)

以2000年、2005年、2010年土地利用数据，运用地理信息系统，采用景观转移矩阵、景观指数、土地利用动态度，kappa 指数方法，对辽河流域10 a间的景观格局变化进行综合研究，并对辽河流域内所包含的各市辖区县的土地利用度进行分析。结果表明：研究区景观主要以耕地、林地为主。2000—2010年间，各个景观存在不同程度的变化，其中耕地大幅度减少，城镇用地大幅度增加，城镇用地主要由耕地、湿地转化而来；土地利用度及土地利用动态度逐年提高，市辖区的土地利用度明显高于各县；景观指数与Kappa指数表明：主要类型的景观变化幅度较小，景观总体变化趋势趋于复杂，破碎化加剧，人为影响突出。

景观类型；景观指数；转移矩阵；土地利用度；Kappa系列指数；辽河流域

辽河流域位于辽宁省西南部地区，包含沈阳、鞍山、抚顺、本溪等重要经济区和重工业基地，辽河流域也是辽宁省重要的产粮区，人口集中，活动强烈。景观变化研究，现已成为生态学基础研究之一[1]。同时，流域景观格局的变化与生态环境之间的关系研究更是目前研究的热点领域[2]。景观格局研究最常用的而且有效的方法是景观系列指数法[3]，通过景观格局定量分析可以有效揭示景观状况及空间变异特征，突出景观分布时空变化[4]。此外，还有景观转移矩阵、土地利用动态度、Kappa指数方法。景观转移矩阵定量描述了不同时期景观类型互相转换过程，土地利用动态度反映各类景观转移情况，Kappa系列指数对景观时空变化及总体趋势进行研究。本文以2000—2010作为研究期，利用景观系列指数法、景观转移矩阵、土地利用动态度、Kappa指数方法对辽河流域景观格局进行综合研究，详细分析辽河流域景观格局动态变化及其原因，对进一步合理规划土地利用、分析景观格局导致的生态环境变化具有重要意义。

1 研究区数据与方法

1.1 研究区概况

辽河位于中国东北地区南部，地理坐标117°00′—125°30′E、40°30′—45°10′N，是全国重要的七大流域之一，辽河是东北地区最大的河流，南临黄海、渤海，北临松花江，辽河流域南北狭窄、东西宽，流域面积达27300 km2，河流总长度415 km，气候类型属于温带大陆性季风气候，年均气温4～9 ℃，年均降水量364 mm，多集中在7—8月。辽河流域中下游东部土壤类型主要为棕壤，是森林集中分布；西北区主要为风沙土，生态环境较为脆弱。辽河流域内有沈阳、抚顺、铁岭、盘锦等工业、农业发达地区、人口集中的大中型城市。

1.2 数据来源与预处理

遥感数据来自于中国科学数据平台2000年8月、2005年8月、2010年8月Landsat TM遥感影像，坐标系统采用Albers投影，WGS-84椭球体，在ENVI 5.0下进行景观类型解译，经过非监督分类划分出土地利用二级分类，分类精度为900 m2(30 m×30 m)。以研究区地形图作为参照，对图像进行几何精确校正，最终得到3期土地利用类型图。

1.3 土地利用类型分类

根据GB/T 21010—2007土地利用现状分类[4]，结合辽河流域的卫星航片实际情况，将研究区分为森林、灌丛、草地、湿地、耕地、城镇、未利用地7类土地利用类型[5]。

1.4 研究方法

1.4.1 景观格局指数法 景观指数是定量分析景观格局的主要途径。通过定量分析可以有效解释景观生态状况及空间变异特征[6]，反映研究区景观的连通性、破碎程度及景观整体变化情况[7]。本文选取了斑块数(NP)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、边界密度(ED)、聚集度(AI)、蔓延度(CONTAG)，指数计算应用美国俄勒冈州立大学开发的Frgastats软件完成[8-9]。

1.4.3 土地利用度分析 土地利用度分析揭示出景观类型动态变化总体情况、人类开发利用的强度，某一时期内土地变化速率[12]。包括综合土地利用动态度、单一土地利用动态度、土地利用互相转换强度、土地利用度。

1)单一土地利用变化率：在整个研究期内某一类土地利用类型变化速率[12]。

2)单一土地利用转出率和转入率：单一土地利用转出率和转入率2个指标，能够从数量上揭示土地利用类型变化。单一土地利用转出率主要表现某土地利用类型在整个研究期内转化为其他土地利用类型的幅度，单一土地利用转入率主要反映某土地利用类型在整个研究期内由其他土地利用类型转化而来的幅度[12]。

3)综合土地利用动态度：用来反映在研究时期内，研究区的各种土地利用类型动态变化的总体情况，土地利用动态度值越小，说明研究区土地利用动态变化越弱，反之，越剧烈[12]。

表1 辽河流域土地利用强度分级表[13]

1.4.4 Kappa系数指数分析 Kappa系数由Cohen在1960年提出的用于图像精度评价的一种多变量分析方法[14-15]，通过对地面调查的地物类型数据和遥感影像分类结果建立误差矩阵。Pontius等进一步发展了Kappa指数，可以定量化揭示位置错误和数量错误，位置错误则是由相同景观类型像元空间错位引起的，而数量错误是由2幅图像上景观类型数量的不同引起的。在景观变化过程中，保持像元空间位置和景观类型面积的能力均可分为完全、中等和无[16]，计算公式：随机Kappa指数Kno=(P0-NQNL)/(1-NQNL)、标准Kappa指数Kstandard=(P0-MQNL)/(1-MQNL)、数量Kappa指数Kquanlity=(P0-NQML)/(PQML-NQML)、位置Kappa指数Klocation=(P0-MQNL)/(MQPL-MQNL)，与真实景观格局图相比，模拟景观格局类型图数量的能力分为完全(PQ)、中等(MQ)和无(NQ)；指定景观格局类型图空间位置的能力分为完全(PL)、中等(ML)和无(NL)。PQ为完全保持了各景观类型的原始面积，NQ为无法保持各景观类型的原始面积，MQ的情况正好介于上述2种情况之间。同理，PL为完全准确地保持了各景观类型的空间位置，NL为无法保持各景观类型的空间位置，ML的情况正好介于上述2种情况之间[16-17]。

表2 Kappa指数分类标准[19-20]

2 结果与分析

2.1 景观格局构成与变化过程分析

图1 2000—2010年景观类型面积

辽河流域景观格局主要是由森林、耕地和城镇组成(图1)，辽河流域地区人口集中密集，从而使得与人类生活、生产关系最为密切的耕地比重很大，占总面积的50%以上。耕地是辽河流域景观的基质，由旱地、水田组成，主要分布在辽河各子流域两岸以及中部平原地区。城镇用地占总面积的10%不到，多集中在中、南部一些老工业城市，其面积大小也与研究区的人口数量相关。林地景观包括落叶阔叶林、落叶针叶林、针阔混交林，占整个辽河流域总面积的29%，林地集中分布在辽河流域以西，东部地区分布极少。湿地景观占总面积的3%左右，可见研究区内水资源丰富，河流分布较多，湿地面积较大，达2328.6 km2。草地是该区占地面积较小的景观生态类型，仅占辽河流域面积的1%。未利用土地占整个区域比重最小，近0.2%。

基于2000年、2005年和2010年3期景观类型图，结合景观转移矩阵、单一土地利用动态度、综合土地利用动态度，对辽河流域景观类型的动态变化加以量化[18]。结果表明：10 a间辽河流域景观类型转移矩阵(表3～表5)看出，耕地面积、湿地面积不断减少，城镇用地不断增加。耕地大幅度减少，大部分转化为城镇用地，共1038.79 km2，还有少量耕地转化为未利用地，面积为18.07 km2。随着辽河流域GDP增长和产业结构的调整，人口不断增长，城镇用地的需求量剧增，大量耕地向建设用地转化。部分湿地也转化为城镇，2005—2010年间转换面积最大，达87.14 km2，主要是辽河流域沿海经济带旅游业发展，导致城镇用地增加。森林景观面积呈逐渐减少趋势，减少不明显，森林与耕地之间互相转化处于平衡状态，主要是当地政府采取一系列的退耕还林政策，使得森林面积变化较小。其余灌丛、草地景观转化不明显。总的来看，2005—2010年间各地类相互之间的转化面积相比2000—2005年间要大。

表3 2000—2005年景观转移矩阵 km2

表4 2005—2010年景观转移矩阵 km2

表5 2000—2010年景观转移矩阵 km2

综合土地利用指数、单一土地利动态度计算结果来看(表6)，过去10 a来辽河流域综合土地利用动态度呈上升趋势，2000—2005年综合土地利用动态度为0.7%，2005—2010年综合土地利用动态度上升到1.5%。表明随着辽河流域经济的发展，景观变化越来越剧烈。2000—2005年间、2005—2010年间以及10 a间，研究区的土地变化速率逐渐加快。其中，耕地变化最为剧烈。耕地、湿地转出率较大，转出幅度不断增加，而建设用地转入率最大(表7)，这主要是由于辽河流域内，囊括沈阳、鞍山、抚顺等大工业城市，10 a之内城镇用地不断扩张，大量的耕地被侵占，耕地逐渐被城镇用地所取代。

表6 综合土地利用指数

表7 单一土地利用动态度 %

2.2 辽河流域各地区土地利用度分析

根据土地利用度计算结果(表8)表明，辽河流域10 a来土地利用度从2005年的2.697增加到2010年的2.713，有逐步增大的趋势，其中2000—2005年土地利用度增幅为0.005%，2005—2010年增幅为0.011%，增幅也呈逐渐增大的趋势。说明该地区受到人类开发利用土地的强度日益增大，盘锦市辖区土地利用度最高，而且幅度逐年增长；其次营口市辖区、辽宁市辖区。清原满族自治县土地利用度最低。主要原因有以下几个方面。

2.2.1 建设用地扩张 城市化促使辽河流域建设用地迅速增加。辽河流域近几年来，依据《辽河流域城镇带规划》正在建设以鞍山、营口、城市轴的城镇带，外来人口的增加和农业人口向城镇带的流动都需要更多的建设用地，从而刺激了城镇建成区和基础设施地的扩张。另外，随着辽河流域内城市城镇的深化改革，城镇与城市之间的经济联系不断增强，使道路交通建设用地也得到迅速发展，包括沈阳在内的环城路扩建、环城路车道增加等。

2.2.2 耕地减少 在人口、经济发展的大因素下，居住地、道路、工矿用地增加主要还是依靠侵占其附近的耕地来满足其需求。在辽河流域这种现象较为普遍。此外，由于辽河流域内东北老工业城市居多，加上城镇化水平的不断提高，间接促使耕地减少。

2.2.3 森林、湿地减少 辽河流域城镇用地扩张大部分以占用耕地来实现，还有一部分是由湿地而来，主要发生在辽河流域南部入海口地区。依据《辽宁省流域沿海经济带规划》，沿海经济带旅游产业的不断提高，导致盘锦、营口土地利用度较高，使得河口的部分湿地转为城镇用地，而在东部清原满族自治县还是以森林为主的农牧区，土地利用度相对较低。

2.3 景观指数、Kappa指数分析

景观指数计算结果(表9)表明，在辽河流域，景观斑块总数在逐年增加，从2000年的3962块增加到2010年的4106块。香农多样性指数与香农均匀度指数均呈缓慢上升趋势，表明辽河流域的不同景观类型面积有趋于平均的趋势，但速度缓慢。这3个指数的增长都说明了辽河流域景观在逐年的破碎化，其破碎化程度越来越严重。边界密度可以进一步反映景观的破碎化程度，而边界密度不断增大，不仅证明景观的边界长度增长和景观破碎化加剧，还说明景观边界形状复杂程度也在不断增加。

景观蔓延度指标的变化可以说明景观连通性的好坏。景观蔓延度指数在逐年下降，说明了在辽宁沿海经济带景观的连通性在逐年下降，其下降的趋势趋于增大。该区原有耕地的景观优势地位在逐渐下降，不同景观类型面积有趋同发展趋势，这与香农多样性指数、香农均匀度指数反映的趋势一致。聚集度指数反映优势景观在整体中的优势程度，呈下降趋势。辽河流域聚集度指数均大于94，表明景观由少数景观类型所控制，且比重很大。虽然聚集度指数呈下降趋势，但辽河流域景观仍由少数景观类型所控制。

转移矩阵、各景观的土地利用动态度能够有效反映各类景观10 a间面积的变化和相互转化。景观系列指数能够反映景观格局整体情况，却不能反映景观类型空间位置、数量上的变化。采取Kappa 指数不仅能反映辽河流域景观数量变化，同时还能够有效地反映空间位置和数量上的变化，当Kappa≥0.75时，2景观图的一致性较高，变化不大；当0.4≤Kappa≤0.75时，一致性一般，变化明显；当Kappa≤0.4 时，一致性较差，变化较明显[7]。

由Kappa 指数系列计算结果显示(表10)，在不同年段Kappa指数差异明显，2000—2010间3个时间段的数量Kappa指数分别为99.1%、97.9%、97.1%，表示在不考虑空间位置变化的情况下，景观整体分别有0.9%、2.1%、2.9%的数量发生变化。即研究区分别有景观对应的像元发生类型变化。位置Kappa分别为99.8%、99.6%、99.4%，说明在各景观类型面积比例固定的情况下，景观整体在空间位置上有2%、4%、6%的量变，即辽河流域内有相应的像元发生了空间位置变化景观。数量Kappa指数与位置Kappa指数能够说明景观整体在数量和位置上的变化。随机Kappa指数与标准Kappa指数分别结合了位置和数量信息的变化，能够对景观整体信息变化进行量化。3个时期段随机Kappa指数分别为99.2%、98.1%、97.4%，表明景观在没有保持数量和位置的能力情况下有0.8%、1.9%、2.6%空间信息发生变化。标准Kappa指数在3个时间段分别为98.9%、97.6%、96.5%，表明景观具有中等保持面积的能力，变化的信息量为1.1%、2.4%、3.5%。

综合来看，前一时期的Kappa系列指数均大于后一时期，主要原因在于，辽河流域地处东北老工业基地，中部城市发展迅速，城市化进程不断加剧，占用了周边耕地、湿地而引起景观格局变化。随着经济增长，景观转移频繁，使得景观空间位置和数量上均有变化，2个时期数量变化大于位置变化。

3 结论与讨论

1)辽河流域景观主要由耕地、林地、城镇和湿地组成，占总面积的90%以上，作为辽宁地区粮食主产区，耕地为整个研究区的基质。研究区由于人口密度较高，使得与人类活动直接相关的耕地、建设用地面积比重较大。由转移矩阵可知，2000—2010年间建设用地变化显著，增幅较大，主要由耕地、湿地转化而来，耕地面积逐年减少。从土地利用度可知，土地利用度高的区域集中在经济发达的市区，城镇用地转入率最高，而耕地的转出率最高，特别以重工业城市为代表的沈阳，南部鞍山等周边耕地大幅度转化为城镇用地，还有一部分海水入侵导致土壤盐渍化，导致未利用土地出现少量增加。从景观指数可知，10 a间辽河流域景观变化不大，主要是由于比重较大的森林、耕地变化不大，比重较小的城镇虽然变化较大但没有表现出来；景观的破碎化程度越来越严重，优势景观逐年下降，形状更加复杂，人为行动是影响辽河流域景观格局的关键因素。鉴于辽河流域生态文明建设下，西部可适当进行退耕还林，增加森林面积。在推进沿海经济带建设中，增加沿海人工湿地，提高其生态环境质量。以沈阳、鞍山为轴心的城市带建设中，以在消耗耕地增加城镇用地时，增加生态用地形成生态保护屏障，使得辽河流域经济生态协调发展。

表8 辽河流域各市县土地利用度

表9 景观指数计算结果

表10 Kappa指数计算结果 %

2)本研究通过景观转移矩阵、土地利用度、景观指数对辽河流域2000—2010年间景观格局变化进行综合分析，特别是对以往采用转移矩阵、景观指数的进一步完善，本文较为系统研究了辽河流域10 a间景观格局变化过程。Kappa系列指数计算结果虽然有差异，但并未提出合理的显著性检验。其背后的驱动因子以及未来景观格局动态模拟成为下一步工作重点，因此要全面揭示辽河流域景观格局演变过程，有待于进行更广泛的探索。

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Dynamic Analysis of Landscape Pattern in Liaohe Watershed in the past Ten Years

WANG Xin1，2，3，LIU Wei-ling2，3，ZHANG Lin-bo2，3，ZHENG Jiao-qi4，WANG De-wang2，3，WANG Li-xia2，3

(1.CollegeofResourcesandEnvironment，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030800，Shanxi，China； 2.KeyLaboratoryofRegionalEco-ProcessandFunctionAssessmentandStateEnvironmentProtection，ChineseAcademyofEnvironmentalSciences，Beijing100012，China； 3.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment，ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences，Beijing100012，China； 4.SchoolofGeodesyAndGeomatics，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，Liaoning，China)

Based on the landuse data of 2000，2005 and 2010，the landscape pattern changes of Liaohe Watershed from 2000 to 2010 were analyzed by using GIS technology and methods of transfer matrix，landscape metrics，land use dynamic index and kappa coefficient.The results showed that：research area composed chiefly of woodland and farmland；since the year of 2000，the landscape patterns of Liaohe watershed had changed during the study periods.The urban area increased peisistently，but farmland decreased oppsite.The substantial increase of urban area were transferred from water area and farmland；Durning 2000—2010，land utilization were increasing，land utilization of urban was higher than the rural apparent；the result of landscape metrics and Kappa coefficient showed that the main landscape types changed slightly，the landscape shape，heterogeneity and fragmentation in Liaohe Watershed were enhanced to some extent，which was affected by human interference.

landscape meteics；transfer matrix；land utilization；Kappa coefficient；Liaohe Watershed

2014-05-27；

2014-06-24

中国工程院咨询研究项目(辽河流域生态文明建设发展战略研究，2014-X-Z-14)资助

王鑫(1989—)，男，山西长治人，山西农业大学资源环境学院硕士研究生，从事3S技术与应用。E-mail：wangxin_king1989@126.com。

张丽(1964—)，女，山西农业大学软件学院副教授，从事计算机教学与管理。E-mail：zl@sxau.edu.cn。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.02.003

P901；U412.1+4

A

1002-7351(2015)02-0009-07