秦岭金钱河流域土地利用景观格局变化特征研究

马新萍 韩申山 许晓婷 邓晨晖 郭帅

摘要[目的]为揭示流域土地利用方式与气候变化的响应机制，并制定气候变化的适应策略。[方法]以2000和2015年金钱河流域的遥感影像为数据源，利用遥感影像处理方法对影像进行分类，采用叠置分析得到2000和2015年的土地利用方式转移矩阵;利用Fragstats软件在景观格局分析中采用了景观格局数量分析方法，在类型水平和景观水平上分别选取不同景观指数，系统分析了金钱河流域土地利用方式景观格局变化的时空特征。[结果]近15年来金钱河流域的土地利用类型均发生明显变化，草地、林地、建设用地的面积增加，分别增加了620.33、386.58、45.32km2，而水域、未利用地和耕地面积分别减少了555.34、452.71、44.17km2。景观格局分析结果表明，林地和水域面积始终占据优势，耕地和建设用地面积明显增加且破碎程度降低，分布呈现集中化，水域周边的景观要素增多。[结论]流域内水域面积减少明显，其主要原因是降水变化以及人为活动的影响;草地面积增多，主要转入类型为水域，多为断流的河流以及变小的河道;林地面积的增多以及耕地面积的基本平衡与政府施行的退耕还林、林地耕地保护政策有很大关系，因此短时间内政府政策的导向是土地利用变化的主要驱动因素。在景观格局的数量分析上研究区的破碎程度降低，景观呈均衡化趋势发展。

关键词金钱河流域;土地利用变化;景观格局

中图分类号P901文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）01-0051-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.018

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

土地利用变化研究是揭示区域环境变化的重要途径，是国际地圈生物圈计划（IGBP）和国际全球环境变化人文因素计划（IHDP）的重要内容[1]。土地利用变化研究已成为当前各国学术界的研究热点，其研究内容从全球气候变化效应，扩展到不同空间尺度的土地变化过程及其驱动机制、生态环境效应等[2]。生态环境是人类生存与社会经济发展的重要保证和物质基础。然而，随着生产经济的飞速发展，人类活动对生态环境的改造和破坏越来越严重。土地利用景观格局变化是生态环境受到人类活动的影响最显著的表现，土地利用景观格局变化能够从空间上量化反映人为活动对生态环境的影响程度，有利于生态环境变化影响因素的探寻与分析，从而为人为活动与生态环境响应研究提供基础依据，最终提供科学合理土地利用方式选择依据。

国外有关土地利用景观变化的研究起步较早，最早开始于19世纪70年代。例如，Forman等于1979年对美国新泽西州濒海平原松林景观组成与格局进行了研究[3];我国对于景观生态学的研究开始较晚，但经过近几十年的发展，在景观生态格局研究方面也取得了一定的成绩，1990年研究人员通过构造城市化指数评价了区域的城市化的进程趋势[4];周毅等[5]在北京理工大学学报发表的——中国典型生态脆弱带于贫困相关性分析一文中提出了建立包括13个指标的景观生态格局动态度量指标体系;1999年，研究人员设计了基于GIS技术的数据库管理及空间分析的两种样方取值方法，即基准面积法和样方斑块数法，还提出了景观要素空间关联指数;2010年，张志明等[6]研究了2D、3D景观指数与景观格局的变化关系，得出3D景观指数得到的变化值较2D景观指数更精确。由此可以看出，20世纪以来，GIS和RS技术发展迅速并趋于成熟，在景观格局与动态过程的分析与模拟中得到了广泛的应用，尽管我国景观生态学发展迅速并取得了一定的成果，但与国外的相关领域研究仍存在一定的差距，有技术手段不够成熟、研究方法尚未完善、研究成果与案例有限等问题。

随着全球气温持续升高，近55年来秦岭山地年均温上升率为0.0174℃/a。金钱河是汉江在秦岭南坡的一条主要支流，发源于海拔2320.5m的秦岭主脊南侧，总体流向呈东北-西南向，流经陕西省柞水县和山阳县，后进入湖北省郧西县，金钱河在陕西秦岭河段长度为199km。金钱河是中国南水北调工程中线调水的给水地[7]。随着经济的发展，人类活动造成流域下垫面变化，如水土保持措施、土地利用变化及水利工程建设等，流域内不同土地利用类型面积的变化对径流、植被、生态环境变化都会产生很大影响。90年代以来国家实行退耕还林、还草政策，加之近些年来旅游景区大力开发，一系列的人为活动使秦岭南坡土地利用景观格局发生巨大改变，土地利用景观格局的变动与气候变化之间的响应机制是全球氣候变化研究的重点。

笔者以金钱河为研究对象，基于景观格局分析法来研究金钱河流域的景观动态特征，并探讨其影响因素，揭示金钱河流域近15年在气候变化背景下的景观格局动态规律。采用景观格局数量分析方法，并与遥感技术相结合，对金钱河土地利用景观格局变化进行分析，以期为金钱河流域未来土地利用规划发展方向的确定提供参考，为实现该流域土地资源的合理开发以及对气候变化的适应策略贡献科学依据，从而实现区域协调发展。

1材料与方法

1.1研究区概况

金钱河（109°9′～110°19′E，33°11′～33°52′N）发源于陕西省柞水县金井河，是汉江在秦岭南坡的一条支流，流经陕西省柞水县、山阳县，流入湖北省郧西县夹河镇，最终与汉江交汇（图1）。金钱河全长245.7km，流域面积4543.224km2。流域多年平均气温13.1℃，多年平均最高气温30.9℃，多年平均最低气温-2.4℃，多年平均日照时数1950.3h，多年平均蒸发量889mm，多年平均降雨量752.4mm，降雨年内分配多集中7—9月份，约占年降雨量的49%以上，汛期5—10月份降水量占年降水总量的80.8%。

近年来，许多研究表明从上世纪90年代以来，金钱河流域人类活动对径流的影响逐渐开始成为主导因素，人类活动引起的土地利用与土地覆被变化、水利工程建设以及地下水的开发利用等对流域内的气候、水文、植被等自然环境均会产生一定影响，一系列自然环境的变化又在某种程度上影响着该地区土地利用变化的方式。

1.2数据来源

选取了金钱河流域2000年5月13日和2015年6月1日2幅Landsat系列遥感影像。2000年5月13日的影像来源于“陕西生态十年调查”项目Landsat7遥感影像，影像空间分辨率为30m×30m，时间分辨率为16d，共8个波段，机载传感器为ETM+;2015年6月1日的影像来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/），为Landsat8遥感影像，空间分辨率也为30m×30m，时间分辨率为16d，共11個波段，机载传感器为OLI、TIRS。两幅影像分别采用波段3＼4＼5进行融合。

47卷1期马新萍等秦岭金钱河流域土地利用景观格局变化特征研究

1.3研究方法

1.3.1遥感影像预处理及影像分类。

1.3.1.1影像融合与增强。图像融合的目的是通过综合不同数据所含信息优势或互补性，得到最优化的信息，以减少或抑制对被感知对象或环境解译中可能存在的多义性、不完全性、不确定性和误差，最大限度的利用各种信息源提供的信息[8-10]。图像融合主要是使用计算机操作，对对比度和亮度进行调节，从而达到影像信息丰富、视觉效果好的目的，该研究所选取的两幅影像在融合时采用的波段都是3＼4＼5。

1.3.1.2监督分类。该研究采用最大似然法对处理好的遥感影像进行监督分类。最大似然法又称最大概似估计或极大似然估计，是一种具有理论性的点估计法。基本思想是从模型中抽取n组样本观测值，最合理的参数估计量是使得样本观测值的的概率最大。该研究选取了国土资发[2001]255号试行的《土地分类》的二级分类体系作为土地分类标准，分别为未利用地、草地、林地、建设用地、耕地。

1.3.2景观格局分析法。

景观生态学是研究景观单元的类型组成、空间配置及其生态学过程相互作用的综合性学科[8]，景观格局可以反映出景观异质性，同时可以对不同尺度上的各种生态过程作出分析，景观格局分析方法在景观生态学中起很重要的作用[12-13]。根据研究区特点和研究需要从类型水平和景观水平2方面选取指标展开研究。在类型水平上选取了最大斑块所占景观面积的比例（LPI）、斑块个数（NP）、散布与并列指数（IJI）、分散指数（SPLIT）;在景观水平上选取了斑块密度指数（PD）、最大斑块所占景观面积的比例（LPI）、香农多样性指数（SHDI）、聚集度指数（AI）。具体的指数含义及其公式见参考文献[13]。

2结果与分析

2.1金钱河流域土地利用类型变化特征

在ENVI4.8软件支持下，对影像进行融合、裁剪，根据影像呈现的色调及纹理特征，采用最大似然法对影像进行监督分类，得到2000年和2015年金钱河流域的土地利用分类结果（图2），精度评价结果显示两期土地利用类型的分类精度均在80%以上，达到了该研究的精度要求。在此基础上对2幅土地利用分类图进行空间叠加分析统计得到了各种土地利用方式面积变化情况表（表1）。

根据两年的土地利用分类图可以看出，金钱河流域主要的土地类型为林地、水域和草地以及耕地。从2000年和2015年的土地利用变化来看，变化较为明显的土地类型为草地、水域以及未利用地。

2000年，耕地主要分布在河流的中游和研究区域的中部（图2A）。2015年，耕地面积略有减少且分布中心发生转移。2015年耕地面积的增加主要来源于未利用地以及草地的转换，其中未利用地转换最多。

2000年，草地主要分布于河流周围，且分布较分散（图2A）;2015年，草地面积增加明显，且分布中心转移至研究区南部地区（图2B），主要转入类型是水域，水域转入草地的面积达465.1km2，其原因主要是因为2000—2015年金钱河流域河流径流减少，许多河流出现断流以及河道变小的现象，从转移矩阵中可看出金钱河水域面积减少555.34km2，取而代之的是大面积的草地，因此，草地面积是15年间增长最多的土地利用方式，达620.327km2（表1）。

2000—2015年，建设用地面积略有增加，2015年建设用地的主要转入类型为未利用地。林地面积增加386.58km2，转入类型主要为耕地，这与国家的退耕还林以及林地保护政策有很大关系。

土地利用类型变化图在一定程度上反映了土地利用类型时空上的数量变化情况，景观格局层面上的数量分析能够详细地反映出各类土地类型在空间上的分布状况。

2.2金钱河流域景观格局变化特征

2.2.1类型水平上的景观格局指数分析。

在类型水平上对景观格局进行分析，可以明确不同的景观类型的景观动态特征及其对整个景观类型的影响[8]。由表2可得出以下结论：

①从LPI指数来看，2000—2015年林地和水域的LPI指数均较高并且持续增大，表明林地与水域在研究区中始终保持较大的优势且该优势有扩大的趋势。未利用地、建设用地、耕地的LPI指数表现出减少趋势，表明未利用地、建设用地、耕地在研究区中的景观程度降低。

②从NP指数来看，未利用地、草地、水域和耕地的NP指数也有所减少，其中未利用地的NP指数减少程度最大。表明未利用地、草地、水域、耕地的破碎度降低，趋于有序、集中分布。林地与建设用地的NP指数出现增加，表明林地与建设用地相对于其他土地利用类型来说，破碎程度较高，表明人类对其干扰程度大。

③从IJI指数来看，2000、2015年的IJI指数，水域与耕地较高，尤其是水域，表明与水域相邻的景观要素多，呈均衡化发展，其原因主要是金钱河流域水域面积广大，人们对其周围的土地不断进行农业的开垦和旅游业的开发导致景观要素增多。耕地的IJI指数不断增加是由于人类开垦荒地和进行工程建设，导致耕地附近的景观要素不断增多。未利用地的IJI指数出现大幅度的减少，这表明与未利用的相邻的景观要素减少，景观连通性强。