近30年来浏阳河流域景观格局动态及稳定性时空变化特征

王志强，曹善浩，周宇航，曹秀婷，高 耶，刘贤赵

(1.湖南科技大学 测绘遥感信息工程湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201； 2.煤炭资源清洁利用与矿山环境保护 湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201； 3.嘉兴国土空间规划研究有限公司，浙江 嘉兴 314050； 4.湖南省水文水资源勘测局，长沙 410000)

1 研究背景

流域是以水系为纽带，将系统内各自然地理要素联结成的、相对完整的自然地理系统[1]；同时，它也是一个相对独立的自然、社会和经济复合景观生态系统[2]。流域景观生态系统的稳定性表现为流域景观格局特征及其生态过程的持续性，是流域景观生态质量评价的重要内容[3]。从流域的视角来研究景观生态系统有助于人们更好地了解区域地球表层系统相互作用的基本规律，也为进行景观生态系统的质量管理和决策提供科学依据[4]。近数十年来许多流域土地利用/覆盖的剧烈变化成为景观格局变化和景观稳定性下降的重要因素，甚至是主要因素，制约着区域经济和社会可持续发展，因而吸引了越来越多的学者的重视。有关流域景观生态系统的时空特征、演化规律及影响机制、稳定性评价及空间分异性、生态修复(恢复)等方面的研究成为了生态学以及区域人地关系等领域的研究热点之一[5-8]。

浏阳河是湘江的一级支河，主要位于长沙市域内，自20世纪80年代以来，城镇化进程的加速推进与土地资源过度开发使得浏阳河流域生态结构受损、流域生态功能退化严重，极大地影响了该区域经济可持续发展，因此该流域成为近年来湖南省及长沙市生态整治和水生态文明建设的重点之一，并入选水利部首批建设的全国17个示范河湖之一。但由于对该流域生态系统的理论研究非常薄弱，迄今研究局限于生态系统服务价值的空间异质性[9]、径流对土地利用和气候变化的协同响应[10]和极端降水变化[11]等方面，而缺乏较全面和系统的流域生态系统的结构和功能现状、流域生态系统的演变规律以及系统的稳定性等方面理论、方法和技术研究。随着生态流域建设的深入，加强该流域的理论研究具有重要的现实意义和迫切性。

本文以浏阳河流域为研究对象，利用土地利用/覆盖数据分析浏阳河流域景观格局变化特征，在此基础上应用景观稳定性模型和局域分析方法来分析流域景观稳定性变化特征及趋势，探讨景观结构变化与景观稳定性的关系，为优化浏阳河流域景观结构、加强流域生态环境建设及可持续发展提供理论依据和决策参考。

2 研究资料与方法

2.1 研究区概况

浏阳河流域主要位于湖南长沙市(图1)，流域面积为4 243.7 km2。浏阳河起源于大围山镇的浏河源村，最后流入湘江，全长223.6 km。流域东部、北部边缘和南部边缘地形多为丘陵，森林覆盖率高，西部和中部地形平坦，人口密集，土地覆盖类型较为复杂。自20世纪80年代以来，主要受城镇化和经济社会等因素影响，流域景观生态质量一度严重下降，引起社会广泛关注。加强浏阳河流域景观生态研究，尤其是景观稳定性研究，对于流域的生态整治和修复具有重要的现实意义。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location map of Liuyang River Basin

2.2 数据来源与处理

本文采用Landsat1-3 MSS、Landsat4-5 TM和Landsat8 OLI卫星的3期多光谱影像为数据源，统一采用西安80坐标系，并在ENVI中进行多波段影像合成与几何校正(误差控制在1个像元以内)；根据中国科学院遥感数据中心提出的遥感解译土地覆盖分类体系，采用监督分类结合目视解译的方法，将研究区内土地覆盖分类分为林地、草地、湿地、耕地、人工表面和裸地共6类。结合野外实地调查进行解译，获得3期土地利用空间分布的矢量数据。采用标准误差矩阵计算3个时期解译数据的总体分类精度，其精度范围介于81%～85%之间，满足分析的精度要求。

2.3 研究方法

景观格局与生态过程之间的关系是景观生态学的核心内容，景观指数通过定量描述景观格局及其动态来建立格局与过程之间的联系。通过分析不同时期的景观指数变化特征可揭示景观格局动态的特征，而且该特征若在时间线上具有一定的弹性或恢复性，则反映流域景观与环境条件实现协调，流域景观生态系统具有一定的稳定性[2，12]。根据研究目标和浏阳河流域景观的实际情况，遴选了11个景观指数来反映研究区景观格局时空演变和景观生态过程的变化情况，构建景观稳定性指数模型来衡量景观稳定性变化时空分布特征及其趋势，采用局域运算方法对景观稳定性变化的空间分布特征进行更精确的定量分析。

2.3.1 景观格局及其变化特征分析方法

景观指数高度浓缩景观格局信息，能有效反映景观结构的组成和空间配置等方面特征，是描述景观格局及其变化的经典方法[13]。由于景观指数表征的生态意义各有侧重，但许多指数间又常常存在较大的相关性[14]，因此可以通过计算景观指数间的相关系数，在给定置信度条件下进行相关性检验，以保证筛选的景观指数所反映的景观信息不重复[2]，这样既能有效描述景观格局，反映景观格局与过程之间的相互联系，又可以避免景观生态评价中指数冗杂的问题[15]。

从反映土地利用景观格局特征的景观结构、形状特征及景观异质性3个方面选取景观指数，并在5%的置信度条件下进行指数相关性检验。最终选用了斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、面积加权的平均形状指数(AWMSI)、景观形状指数(LSI)、平均斑块分维数(FRAC-MN)、总边缘对比度(TECI)、Shannon多样性指数(SHDI)、Shannon均匀度指数(SHEI)、散布与并列指数(IJI)、聚合度指数(AI)和蔓延度(CONTAG)共11个景观指数来分析景观格局的变化，指数的统计性质及其生态学含义见表1。

表1 景观指数的统计性质及生态学含义Table 1 Statistical nature and ecological connotation of landscape indicators

2.3.2 景观稳定性评价方法

斑块是景观格局的基本组成单元，其空间分布反映了景观空间结构的多样性和复杂性。景观稳定性程度取决于各类型斑块的稳定程度以及景观斑块的组成结构是否能够保持景观生态过程的连续性和功能的稳定性[16-17]，因而景观稳定性评价可通过流域(区域)斑块的景观空间结构变化与稳定性变化关系来进行测度。研究显示，景观稳定性与斑块密度、蔓延度和总边缘对比度等景观指数密切相关[18-21]，采用式(1)的景观稳定性指数模型能较好地定量评价景观稳定性程度，其公式[22]为

(1)

式中S为景观稳定性指标。景观稳定性指标S越大，表示景观趋于越稳定状态；反之，景观趋于更不稳定状态。

研究[23-24]表明，斑块间边缘对比度会对景观生态系统稳定性产生影响，边缘对比度较高的斑块间景观稳定性较低。因此，应用式(1)研究流域景观稳定性的前提是要确定不同景观斑块之间的边缘对比权重。在设置不同地类斑块间的边缘对比度时，应遵循以下原则：硬边界(建设用地、水田、旱地等)与软边界(各类林地与草地等)之间>硬边界与中性硬度边界(河渠、湖泊、水库坑塘等)之间>软边界与软边界之间[19-20]。对权重矩阵进行一致性检验，检验结果显示矩阵具有中等强度的一致性，说明本文所采用的对比权重设置值合理，具体边缘对比权重见表2。

表2 边缘对比权重设置Table 2 Weight setting for edge contrast

2.3.3 景观稳定性时空变异特征定量化分析方法

为进一步定量分析不同时期景观稳定性时空演变特征与趋势，引入基于栅格数据结构的局域运算方法。用于局域运算方法的函数需要通过实际用途来确定，本研究采用差值函数，即通过前一时期稳定性分布图的像元属性值减去后一时期稳定性分布图相应像元的属性值，从而得到稳定性分布分异图，并分别统计正值、零值和负值3类的面积及比例，以实现不同时期空间稳定性变化的定量分析。其中，零值表示在相邻年份间稳定性程度不变；负值表示该位置在相邻年份稳定性指数增大，稳定性增强；正值表示稳定性指数下降，景观稳定性下降。

3 结果分析

3.1 流域土地利用景观结构变化总体特征

综合1985、2000、2015年3期的土地利用数据可知该流域的土地利用景观的结构呈现以下特征(见图2)：林地和耕地是该领域的主要土地利用/覆盖景观要素类型，在3个不同年度这2种类型的面积占比之和都高达90%以上，林地更是在每个时间段都高达71%以上，结合其空间分布来看，林地具有较好的连通性，对整个流域景观要素也具有较高的控制程度，构成整个流域景观的基底，而耕地形成团聚式分布格局；其他景观要素面积占比小(在整个景观面积中占比<10%)，其中草地、人工表面和裸地以斑块的形式形成散斑状格局，而水体主要是浏阳河及其支流，构成了该流域景观的主要自然廊道。

图2 1985—2015年土地利用景观组分变化趋势Fig.2 Change trends of landscape compositions of land use during 1985-2015

在整个研究时段内，景观要素的数量结构发生了明显的变化：林地面积在不同时段内都在减少，且经历了从快速减少过渡到缓慢减少或基本稳定的变化过程(图2(a))，草地也经历类似的减少过程(图2(b))；而耕地和人工表面的变化过程都经历了较大的增长过程，但耕地的增长主要在1985—2000年时段，而在2000—2015年时段有小幅下降(图2(a))；这主要是由于在20世纪80年代初开始实行农村家庭联产责任制，农民积极开垦林地和未利用地，导致耕地面积快速增加；而在20世纪90年代末期以后，随着城镇化的加速，以及国家为保护环境而实行退耕还林等环境保护措施，从而导致耕地面积减少；而人工表面在2个时段的增幅都比较大，且后一时段增幅更大(图2(b))，反映了在研究时段中后期内该流域城市化进程仍在加速推进的特点。

3.2 景观格局动态变化特征

由表3可以看出，在1985—2000年间，面积加权的平均形状指数(AWMSI)、斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、Shannon多样性指数(SHDI)、Shannon均匀度指数(SHEI)和聚合度指数(AI)上升，而最大斑块指数(LPI)、总边缘对比度(TECI)、散布与并列指数(IJI)、蔓延度(CONTAG)下降，反映出在该时段内流域景观破碎化加重，景观斑块的几何形状和边缘变得复杂，景观各类型斑块的聚集程度下降，景观多样性增加。结合第3.1节的分析可知，该时段内景观要素的变化尤其是林地和草地面积的减少使流域景观自然生态系统趋于恶化，从而对流域的景观生态系统的稳定性产生了较大的影响。

表3 1985—2015年间浏阳河流域景观格局指数变化Table 3 Changes in the landscape pattern indicators of Liuyang River Basin from 1985 to 2015

而在2000—2015年间，景观形状指数(LSI)、平均斑块分维数(FRAC-MN)、Shannon多样性指数(SHDI)、面积加权的平均形状指数(AWMSI)和斑块密度(PD)下降，而最大斑块指数(LPI)、散布与并列指数(IJI)、聚合度指数(AI)和蔓延度(CONTAG)均上升；反映了流域的景观破碎化程度有所减轻，景观中同类型斑块的聚集程度提高，景观斑块的形状复杂度下降，表明该时段内流域景观自然生态系统趋于改善，有利于提高流域景观生态系统的稳定性。

3.3 景观稳定性时空变化特征

景观的稳定性受景观组成要素本身的性质及其空间分布格局的综合制约，景观组成要素及其空间格局的变化也相应地引起景观稳定性的改变。探讨景观格局动态变化下的景观稳定性评价，可为流域景观生态系统的管理和规划提供重要的理论依据。对研究区景观进行稳定性指数计算后得到其稳定性分布，见图3。并以0.25和0.75为界，将景观稳定性分为低值、中值和高值3个水平来定量分析景观稳定性时空变化趋势。

图3 浏阳河流域不同时期景观稳定性分布Fig.3 Distribution of landscape stability in Liuyang River Basin in different periods

从图3可知：研究区景观稳定性分布呈现明显的空间分异，各稳定性高值区域集中分布在研究区东北部和西南部。通过图3与浏阳河流域各个时期土地利用/覆盖数据进行叠加并进行统计分析可知，上述区域土地覆盖类型多为林地，人类活动干扰较少，景观完整性较好，因而景观稳定性较好。

在不同时期来看，景观稳定性的分布呈现出如下变化特征：在1985年，低值区多分布在人工表面和耕地内部等人类活动剧烈的区域；到2000年，人工表面和耕地内部景观稳定性上升，多为中值，而低值区开始向人工表面与耕地和人工表面与林地的交界处转移；到2015年该变化趋势更加明显。而在整个研究时段内，林地都是维持流域景观稳定性高值的主要景观，而耕地和人工表面是造成该流域景观稳定性下降的最重要因素。

在上述景观时空变异特征定性分析的基础上，通过不同时期土地利用景观的GIS局域运算分析方法进一步定量分析了研究区景观稳定性时空变异特征(见图4 和图5)。为简化描述，将1985—2000年时段称为第1时段，2000—2015年时段称为第2时段。

图4 浏阳河流域稳定性空间变化分布Fig.4 Spatial changes of landscape stability of Liuyang River Basin

图5 1985—2015浏阳河流域景观稳定性指数变化趋势Fig.5 Change trend of landscape stability value in Liuyang River Basin from 1985 to 2015

由图5可知，1985—2015年间研究区景观稳定性呈先降低后增加的趋势。在第1时段，稳定性变化区域主要分布在长沙市东部边缘和浏阳河上游沿岸等地势相对平缓的地带。结合表4可知，稳定性变化区域占整个研究区面积的15%，其中稳定性降低的区域面积占10%，稳定性增加的区域面积占5%，反映这一阶段景观稳定性呈下降的趋势。到第2时段，稳定性变化区域主要分布在流域西部和中部，变化区域面积与第1时段相比增幅高达40%，而且稳定性不变的区域面积下降了25%，反映了该流域景观稳定性经历了较大的变化过程；其中稳定性增加区域达28%，比第1时段增加了5.6倍，而稳定性下降区域面积占12%，比第1时段也少量增加，说明在第2时段内流域景观稳定性总体上呈增加的趋势。

表4 浏阳河稳定性变化面积变化Table 4 Changes in the area of stability of Liuyang River Basin

4 讨 论

4.1 流域景观稳定性与各景观类型之间的关系

土地利用斑块数量和空间结构是景观空间格局的主要决定因素[2]，土地利用过程导致的土地利用景观格局的改变是引起景观稳定性变化的重要原因，探讨流域稳定性与各景观类型的关系，可为流域的管理和规划提供重要的理论依据。将景观稳定性分布图以稳定性统计中值为界，按低值(<统计中值)和高值(>统计中值)进行重分类，并与研究区同期景观分布图进行叠加分析，形成新的叠加分析结果图；并分别统计低值区与高值区每种土地利用景观类型所占的面积比例，得出不同土地利用景观类型与景观稳定性的以下关系特点：

稳定性低值区域分布与人工表面、耕地、林地和水体等类型平均面积比分别为62%、24%、13%、1%，反映不同景观类型受稳定性低值影响的面积关系为人工表面>耕地>林地>水体；高值区与林地、人工表面、耕地和水体等类型平均面积比分别为83%、5%、3%、0.3%，反映不同类型景观受稳定性高值影响的面积关系为林地>耕地>人工表面>水体。

为消除面积大小的差异对分析结果的影响，采用每一种生境类型中稳定性高值面积占该种类型总面积之比(简称为高值关联度)来反映稳定性高值与景观类型的关系。计算结果表明：与景观稳定性的高值区域关联度最高的景观类型为林地，高达94%，反映了林地对浏阳河流域景观稳定性高值的影响最大；且林地破碎化程度低，连续性较好、景观连接度较高，因此流域林地是流域生态保护的重点对象。其次是耕地、人工表面和水体，分别有17%、11%和6%，草地和裸地景观占比太小，其影响可忽略不计；而低值区关联度最高的对应景观类型是人工表面与耕地，分别为53%和42%，而林地和水体等类型与低值区的关联度很小。

4.2 景观稳定性变化的影响因素

影响景观稳定性变化的因素包括自然和社会因素两大方面，自然因素包括气象、地质和地貌等因素，但在几十年的时间尺度内，这些自然因子的变化小，对景观格局和稳定性变化影响较小；而社会的经济与政策等因素，可以通过影响人们在土地利用上的决策对区域土地利用变化产生直接影响，从而导致景观稳定性发生变化。

(1)经济因素：随着人口的迅速增长、经济发展和城市化进程的推进，对建设用地的需求越来越大，特别是农村和城市居民用地、交通用地的增速最大，导致大量耕地和林地被占用，在30 a间，建设用地增加117 km2，并且随着人们经济水平的进一步提高，人们对居住条件提出了更高的要求，因此建设用地在第2时段仍呈快速增加的趋势，说明该流域的城镇化进程仍呈现快速增长的态势。

(2)政策因素：20世纪80—90年代，由于农村家庭联产承包责任制的实行，解放了农村生产力，调动了广大农民的生产经营积极性，导致大量林地和未利用地被开垦成为耕地(包括旱地)，1985—2000年间林地面积减少了175 km2，草地、水体和裸地都经历了不同程度的减少，而耕地面积增加值达260 km2，导致流域景观的稳定性下降。

在2000—2015年间，由于土地生态环境保护意识的增强，湖南省在土地和环境方面的政策也由增加耕地的目标向农村土地综合治理、改善人居环境、优化城乡用地结构和提高土地利用率等多目标转变，开展了土地综合治理，把零碎、分散和贫瘠的农用地整治成尽量集中连片，对条件不好的坡耕地进行退耕还林等政策措施，同时通过全面摸底核查和清理农村废弃建设用地、农村“一户多宅”的现象，将这些零散的农村建设用地进行复垦或还林，从而大幅度地降低了景观碎碎化程度。同时改造城市旧城区和城中村，提高城市土地利用率和集约化程度，使得流域在推进城镇化水平的进程中同时兼顾到土地利用方式与环境条件的协调，因而使该时段的景观稳定性得以提高。

5 结 论

(1)近年来浏阳河流域内景观破碎化好转，斑块边缘复杂度下降，景观多样性有所下降，人为因素对景观格局变化的干扰增强，景观斑块的团聚程度也有所增强。

(2)研究期间浏阳河流域整体景观稳定性呈先降低后增加的变化趋势，且稳定性分布呈现明显的地域差异，总体表现为东部和南部稳定性较高，中部和西部稳定性较低。

(3)该流域景观稳定性时空分布及其动态变化主要是不同土地利用景观类型的分布方式及其变化直接作用的结果，林地广泛分布的区域，景观稳定性较高，是维持流域景观稳定性的关键景观；中部和西部多为耕地和人工表面，人类活动较为频繁，景观类型复杂多样，稳定性较低。

(4)社会经济和政策因素是该流域景观稳定性最重要的驱动因素。通过有效的政策调控，可以遏制和改善景观稳定性恶化的状况。

因此加强流域景观稳定性的理论研究，对提高决策的科学性和有效性具有十分重要的意义。