五十年來龍河流域景觀格局變化分析研究

湯慶新,劉子亭,周萬村

(1.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,山東聊城252059;2.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都610041)

基于GIS的景觀格局變化研究已成為景觀生態(tài)學(xué)研究的熱門問題之一。從景觀生態(tài)學(xué)的角度,對特定區(qū)域景觀生態(tài)空間格局進(jìn)行研究,是揭示該區(qū)域生態(tài)狀況及空間變化特征的有效手段。但目前針對小流域的景觀格局研究大都是較短時期內(nèi)的,以三峽庫區(qū)的重點(diǎn)治理區(qū)龍河流域?yàn)檠芯繉ο?對該流域50 a的土地利用景觀格局特征變化進(jìn)行分析,以期為該流域土地資源的合理利用及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

龍河是長江一級支流,發(fā)源于黔江烏龍山,流經(jīng)重慶市石柱和豐都兩縣,在豐都注入長江,全長140 km。龍河流域位于北緯 29°57′-30°28′,東經(jīng) 107°63′-108°54′,屬于三峽庫區(qū)的中部,流域總面積5 940.68 km2,人口26萬,地形多為山地,河谷處較為平坦,該流域是三峽庫區(qū)的重點(diǎn)治理區(qū)之一。流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū),四季分明,年均氣溫18.3℃,平均年降水量1 087.1 mm,日照1 311.8 h,隨海拔高度變化的立體氣候較明顯。該流域的主要土地利用類型主要是耕地、林地、草地及建設(shè)用地。

2 數(shù)據(jù)來源與技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)主要為1953年1∶5萬地形圖及當(dāng)年的統(tǒng)計(jì)年鑒和各種土地利用專題圖,1973年MSS遙感圖像,1986年和2002年的TM遙感圖像。MSS分辨率為80 m×80 m,TM分辨率為30 m×30 m。其中MSS和TM圖像均為相應(yīng)年份9-10月份圖像。首先在ERDAS 8.7中對TM/MSS圖像進(jìn)行幾何糾正,即將圖像投影到統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系統(tǒng)中,糾正過程中保證其誤差不超過半個像元,然后將糾正好的圖像進(jìn)行輻射校正和增強(qiáng)處理。再將地形圖經(jīng)掃描后輸入計(jì)算機(jī)并進(jìn)行幾何糾正。本研究采用Albers等積投影;采用全國統(tǒng)一的中央經(jīng)線和雙標(biāo)準(zhǔn)緯線,中央經(jīng)線為 105°E,雙緯線分別為 25°N 和47°N,采用克拉索夫斯基橢球體。

2.2 技術(shù)路線

將2002年的圖像在MGE軟件平臺下采用人機(jī)交互判讀的方式解譯,根據(jù)本研究的具體需要分出耕地、森林、灌木、疏林、草地、建設(shè)用地6種類型,并沿圖像特征邊緣準(zhǔn)確地勾繪出地類界線,注記屬性代碼,并賦予屬性值,形成2000年.dgn文件。將.dgn文件導(dǎo)入Arc/Info中進(jìn)行編輯,形成2000年土地利用coverage文件。在MGE下將1986年TM圖像和2000年土地利用coverage準(zhǔn)確套合,對比圖像差異,勾繪出變化圖斑,并賦予屬性值,在Arc/Info下編輯形成1986年土地利用/覆被數(shù)據(jù)庫,以同樣的方法得到1973年和1953年土地利用/覆被數(shù)據(jù)庫。

將研究區(qū)各年份的coverage數(shù)據(jù)庫文件轉(zhuǎn)成50 m×50 m的grid文件,然后在景觀分析軟件Fragstats 3.3中來計(jì)算各種指數(shù)。根據(jù)該流域的實(shí)際研究需要,采用斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)從斑塊水平級別和景觀鑲嵌體級別來對研究區(qū)域進(jìn)行分析[1-2]。

3 結(jié)果與分析

3.1 斑塊水平上指數(shù)分析

3.1.1 斑塊數(shù)量(NP) 統(tǒng)計(jì)出了景觀中各種土地利用類型的斑塊數(shù)如表1所示。從表1可以看出:(1)耕地的斑塊數(shù)在1953-1986年間是一直快速增加,從1953年的499個增加到1973年的614個,再到1986年的820個,但到2000年時下降為780個,這一變化說明在1953-1986年間該區(qū)域開墾耕地的時候并沒有太多在原有耕地邊緣上增加新耕地,而是在離原有耕地較遠(yuǎn)的地方另外開墾的土地。至2000年耕地斑塊數(shù)減少,說明這時的退耕還林還草計(jì)劃啟動后,原來在林地內(nèi)部或邊緣地帶開墾的部分耕地又恢復(fù)為林地或草地。(2)林地中森林的斑塊數(shù)變化與耕地的變化類似,但由于該地區(qū)森林面積在1953-1986年間是減少而1986-2000年間是增加,所以可以判定在1953-1986年間森林的破碎度增加,平均斑塊面積減小,這也說明當(dāng)時毀林開荒運(yùn)動并不是把某一整片森林全部采伐,而是大多將其分割為了幾個不同部分。灌木林的斑塊數(shù)一直在減少,這說明無論是早期的毀林開荒運(yùn)動還是后來的退耕還林還草,灌木林都是一個重點(diǎn)整治的對象,早期時被開墾為耕地,面積由1953年的35 701 hm2一直減少到1986年的31 797 hm2,而在后期通過人工種植,其面積又增加到2000年的32 091 hm2,雖然斑塊數(shù)減少到70個,但斑塊的平均面積卻有所增加。(3)草地在1953-1986年的變化比較平穩(wěn),一直是緩慢減少,但后來由1986年的165個猛增到253個,這說明在退耕還林還草計(jì)劃啟動后,該區(qū)增加了大量的人工種植的小片草地。(4)建設(shè)用地?cái)?shù)目一直在增加,這與其面積增加是相一致的,也說明建設(shè)用地在原有城鎮(zhèn)村上增加的同時也出現(xiàn)了一些建設(shè)飛地。

表1 各土地利用類型在不同年份的NP 個

3.1.2 斑塊密度(PD) 斑塊密度是衡量一個地區(qū)景觀破碎化程度的重要指標(biāo),計(jì)算出該區(qū)幾個年份的斑塊密度如表2所示。從表2可以看出:(1)耕地的斑塊密度持續(xù)增大,說明耕地的破碎度在一直增加,但斑塊密度在1953-1986年間明顯要比1986-2000年增加快,說明在1953-1986年間開荒出了許多小面積的分散的耕地,而在1986-2000年間,這種現(xiàn)象已經(jīng)得到了有效的遏制,破碎度增加的幅度也就大大減少。(2)三種林地中,除了疏林在這時期變化不明顯外,森林和灌木都有一定的變化,而且兩者的變化方向都是先增加后減少。說明森林和灌木在1953-1986年間破碎度增加,而在1986-2000年間,這種趨勢得以改觀,破碎度有所減小。(3)草地的斑塊密度是先減小后增大,這與前面分析的草地斑塊數(shù)是一致的,說明草地在1986-2000年間破碎度急劇增大。(4)建設(shè)用地斑塊密度持續(xù)增加,其破碎度也隨之增大,這與該區(qū)特別是近期的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人口增加導(dǎo)致住房增加也是相對應(yīng)的。

表2 不同年份各類型的斑塊密度 個/km2

3.1.3 景觀形狀指數(shù)(LSI) 景觀形狀指數(shù)反映一個地區(qū)景觀斑塊形狀的復(fù)雜性。從表3看出:(1)耕地的景觀形狀指數(shù)1953-1986年一直在上升,這與該區(qū)的特殊情況有很大的關(guān)系,由于流域內(nèi)的原有耕地大都是沿河兩側(cè)來分布的,因此,在原有耕地的基礎(chǔ)上來增加的耕地多是在山坡上毀林開荒,開墾出大量的小塊耕地,這就造成了耕地形狀的不規(guī)則,導(dǎo)致耕地的景觀形狀指數(shù)增大。而在國家實(shí)行退耕還林還草計(jì)劃后,開墾的許多小塊耕地重新恢復(fù)為林地和草地,導(dǎo)致耕地破碎度減小,景觀形狀指數(shù)的上升。(2)林地中除了疏林變化仍不明顯外,森林和灌木的景觀形狀指數(shù)都呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,這是因?yàn)樵?953-1986年間大量的盲目采伐森林導(dǎo)致森林被分割為許多不規(guī)則小片森林,而在20世紀(jì)90年代以后國家進(jìn)行了大面積的還林工作,新種植的林地的形狀就相對規(guī)則了許多,從而使其景觀形狀指數(shù)都有所上升。(3)與森林和灌木類似,草地的景觀形狀指數(shù)也是先增加后減小,原因與上面相同,也是開始破壞,后來人為種植使其景觀形狀指數(shù)發(fā)生變化。(4)建設(shè)用地是唯一的景觀形狀指數(shù)一直上升的類型,這說明該區(qū)城市化過程一直在繼續(xù),城鎮(zhèn)不斷擴(kuò)大。

表3 不同年份各類型的景觀形狀指數(shù)

3.2 景觀鑲嵌體水平上指數(shù)分析

由表4可以看出:流域內(nèi)的整體斑塊密度在1953-1986年間一直在增大,表明在該時期內(nèi)細(xì)小斑塊增多,區(qū)域的景觀破碎化程度增大,而在1986-2000年間斑塊密度又有所減小,說明這段時期內(nèi)實(shí)行的一系列有效的措施使本區(qū)的景觀有所恢復(fù)[3]。流域的形狀指數(shù)一直在增加,說明人類活動對該區(qū)的影響日益增強(qiáng),由于人類的干擾,人們在耕地中建住房,在森林中墾耕地,導(dǎo)致流域內(nèi)的總體斑塊形狀越來越不規(guī)則[4]。

表4 不同年份景觀水平指數(shù)

4 結(jié)論和建議

(1)通過對斑塊類型級別指標(biāo)的研究,耕地的斑塊數(shù)量在1953-1986年增加,1986-2000年減少,景觀形狀指數(shù)是先減小后增大,從而導(dǎo)致耕地的破碎度先期下降后,后期又得到了回升;林地和草地的斑塊數(shù)1953-1986年增加在1986-2000年減少,破碎度也隨之先增大后減小;建設(shè)用地斑塊數(shù)目在1953-2000年間一直增多,景觀形狀指數(shù)持續(xù)增大,破碎度一直在增加。

(2)通過對景觀級別指標(biāo)的分析,流域整體斑塊密度在1953-1986年間一直在增大,景觀破碎程度增加,在1986-2000年間斑塊密度又有所減小,景觀破碎度也有所下降,流域的形狀指數(shù)一直在增加,說明人類活動對該流域的影響越來越大。

(3)人類活動對該流域的影響越來越大,1953-1986年間對該地區(qū)的無節(jié)制開墾到1986年后進(jìn)行的退耕還林可以明顯看出人類政策和景觀格局的變化密切相關(guān)。建議以后繼續(xù)實(shí)行退耕還林政策,以保護(hù)該區(qū)的生態(tài)環(huán)境,進(jìn)一步遏制水土流失,同時還要調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),積極開發(fā)土地內(nèi)涵,集約利用土地,提高單產(chǎn),在耕地減少的同時保證人們正常的糧食需求。實(shí)行嚴(yán)格的土地管理政策特別是耕地保護(hù)政策,嚴(yán)厲打擊非法占用耕地的各種行為。根據(jù)實(shí)際需求科學(xué)合理地預(yù)測和計(jì)劃非農(nóng)建設(shè)用地供給,嚴(yán)格控制總量,以保護(hù)有限的土地資源,避免盲目征地導(dǎo)致的土地閑置浪費(fèi)。

[1] 鄔建國.景觀生態(tài)學(xué):格局、過程、尺度與等級[M].北京:高等教育出版社,2000.

[2] 肖篤寧,李秀珍,高峻,等.景觀生態(tài)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[3] 劉宗群.三峽庫區(qū)萬縣市城市景觀的生態(tài)研究[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),1994,7(2):11-16.

[4] 布仁倉,王憲禮,肖篤寧.景觀尺度變化分析:以黃河三角洲為例[C]//肖篤寧.景觀生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展.長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1999:127-135.