1983-2014年來黃河三角洲景觀類型與景觀格局動態(tài)變化及驅動因素

劉德彬 ，李逸凡 ，王振猛 ，楊慶山 ，李永濤 ，周 健 ，王莉莉 ，馬風云，劉德璽 *

（1.墾利縣林業(yè)局，山東 墾利 257500；2.山東農業(yè)大學農業(yè)環(huán)境與生態(tài)重點實驗室；3.山東省林業(yè)科學研究院，山東 濟南 250014）

自20世紀90年代以來，景觀類型/土地覆被變化與大氣中二氧化碳濃度增加、生物地球化學中全球氮循環(huán)改變被認為是全球環(huán)境變化研究的三大核心問題，被 “國際地圈與生物圈計劃”（IGBP）和“全球環(huán)境變化人文計劃”（IHDP）兩大國際組織于1995年聯(lián)合設為核心項目[1～5］。景觀類型/土地覆被是全球變化的主要原因，體現(xiàn)在對區(qū)域氣候、大氣質量、土地退化、土壤特征、生態(tài)過程、生物化學循環(huán)以及生物多樣性等生態(tài)系統(tǒng)的多方位影響[6］，是人類社會經濟活動行為與自然生態(tài)過程相互作用的具體體現(xiàn)。其研究內容從全球氣候變化效應，擴展到不同尺度的景觀類型和土地覆被變化過程、驅動機制以及資源、生態(tài)和環(huán)境效應影響等方面[7,8］，研究區(qū)域也主要集中于人地關系矛盾尖銳、生態(tài)效應顯著、生態(tài)環(huán)境脆弱、人口與城市化快速發(fā)展的地區(qū)。

黃河三角洲是我國三大河口三角洲之一，是我國乃至世界大河三角洲中海陸變遷最活躍的地區(qū)[9］，景觀類型變化迅速；該區(qū)具有我國最廣闊、最完整的河口新生濕地生態(tài)系統(tǒng)，是我國河口濕地的重要保護區(qū)域[10］；同時又是我國第二大油田勝利油田主體所在地，生態(tài)環(huán)境保護與油田開采、經濟發(fā)展矛盾突出，自1983年東營市建市以來，景觀類型變化更加劇烈、復雜。因此，對于黃河三角洲地區(qū)景觀類型變化研究在全球性變化方面極具代表性。雖然在黃河三角洲地區(qū)，借助遙感和地理信息系統(tǒng)等技術對景觀類型/土地覆被的時空變化過程[11～13］、變化驅動力[14,15］以及區(qū)域環(huán)境響應[6］都做過相應的研究，但隨著近期經濟的急速發(fā)展，對黃河三角洲的開發(fā)力度急劇加強，新的對景觀干擾因子不斷出現(xiàn)，急需對大開發(fā)背景下景觀格局的變化進行新的研究。

本文在總結前人研究成果的基礎上，近一步增加整體時間跨度、減短比較間距，基于ENVI和ArcGIS兩大遙感影像處理平臺，以研究區(qū)1983、1987、1991、1995、1999、2004、2010 以 及 2014 年 Landsat遙感影像為基礎數據，利用景觀類型動態(tài)度、景觀類型景觀指數和轉移矩陣等指標對研究區(qū)景觀類型格局的動態(tài)變化進行定量分析，并對景觀變化的影響因素進行分析，以期對黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)的管理決策提供新的依據。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲是黃河攜帶大量泥沙在魯北平原、渤海凹陷處沉積形成的沖積平原，位于山東省東北部，北鄰渤海灣，東靠渤海灣。國務院確認的“黃河三角洲”的范圍包括山東省東營市5個縣市區(qū)和濱州地區(qū)的沾化縣和無棣縣[14］，因其93%的面積處于東營市境內，考慮到行政區(qū)劃的完整性以及研究與區(qū)域開發(fā)相結合等原因，將整個東營市作為研究區(qū)域， 即東經 118°07′-119°17′， 北緯 36°55′-38°9′之間。由于黃河不斷從黃土高原地區(qū)攜帶大量泥沙在此沉積以及海陸交互作用使得黃河三角洲成為我國乃至全世界造陸速度最快的河口三角洲，平均造陸速度為30km2/a[14］，成為我國最年輕的國土。

黃河三角洲屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，氣溫適中，雨熱同期，光照充足，年均降水量為530～630mm，70%集中分布在夏季，常有旱、澇、風、霜、雹和風暴潮等自然災害，是風暴潮多發(fā)區(qū)[11］。黃河三角洲具有我國最完整、最年輕的溫帶濕地生態(tài)系統(tǒng)，是以保護黃河口濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀瀕危鳥類為目標的國家級自然保護區(qū)，在全球生態(tài)系統(tǒng)和候鳥保護方面都具有不可替代的作用。此外，黃河三角洲地區(qū)還是我國第二大石油基地勝利油田所在地，蘊藏有豐富的石油、天然氣資源，同時黃河三角洲地區(qū)也是《黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》和《山東半島藍色經濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》重點規(guī)劃地區(qū)，在經濟發(fā)展方面有無限潛力。

1.2 數據來源與處理方法

研究所用數據為黃河三角洲1983年Landsat MSS 影 像 ，1987、1991、1995、1999、2004、2010 年 的Landsat TM/ETM影像以及最新的2014年Landsat 8 OLI影像?；贓NVI 5.1遙感影像處理平臺和ArcGIS10.1地理信息技術平臺對已有的影像資料進行處理，依據影像的色調、飽和度、紋理、陰影、形狀、位置、大小等勾繪斑塊，進行人機交互翻譯通過解譯標志構建、野外實地調查并結合區(qū)域土壤圖、植被圖等相關資料對8個時期黃河三角洲地區(qū)遙感影像數據進行專題解譯，野外實地GPS定位調查對解譯結果進行綜合分析和修正。參照景觀類型分類系統(tǒng)，結合黃河三角洲地區(qū)景觀類型現(xiàn)狀和不同景觀的功能，將該區(qū)域用地類型劃分為城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地、耕地、濕地、林地、灘涂和鹽場/養(yǎng)殖6大類。

1.3 研究方法

選取景觀格局指數、景觀類型動態(tài)度和轉移矩陣等指標分析研究區(qū)的景觀類型變化。

1.3.1 景觀類型動態(tài)度：景觀類型動態(tài)度模型是用來表示土地資源利用情況變化速率的重要模型，可定量描述景觀類型變化幅度與變化速度，分為單一景觀類型動態(tài)度和綜合景觀類型動態(tài)度。單一景觀類型動態(tài)度描述該區(qū)研究時段內某一類景觀類型數量變化的速率，著重研究單個景觀類型的變化速率。

1.3.2 景觀格局指數：景觀指數作為景觀格局分析的定量化指標，能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置等方面的特征[17］，是景觀格局分析的主要工具。

1.3.3 景觀類型轉移矩陣：景觀類型轉移矩陣來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)和狀態(tài)轉移的定量描述[18］。利用景觀類型轉移矩陣對黃河三角洲的景觀類型過程進行定量描述，可以充分揭示研究時段內各種景觀類型的相互轉化情況。

表1 黃河三角洲1983-2014年景觀類型變化及動態(tài)指數表Tab.1 Dynamic change of landscape type in the Yellow River Delta from 1983 to 2014

2 結果與分析

2.1 景觀類型結構變化特征

研究區(qū)各景觀類型變化情況顯示 （表1），32a間，研究區(qū)耕地和濕地分布最為廣泛，分別占總面積的32.47%～40.44%、24.35%～48.08%；其次是灘涂，占總面積的5.92%～16.62%；濕地和灘涂占總面積比例分別減少了49.36%和64.38%；耕地、林地、城鎮(zhèn)村/工礦/交通和鹽場/養(yǎng)殖用地占總面積比例分別增加了24.55%、389.47%、567.34%和4796.30%。

2.2 景觀類型變化速率

研究區(qū)各種景觀類型類型的單一景觀類型動態(tài)度（K）如表1。由表 1看出，1983-1995年間，鹽場/養(yǎng)殖用地的K值最高，為98.03%，變化幅度最大；其次為城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地，為22.25%；濕地和灘涂變化速率適中，分別為-2.97%和-1.22%；耕地和林地的變化較小，分別為0.93%和0.35%。1995-2004年間，各種景觀類型類型的K值較上一時段均有明顯減?。畸}場/養(yǎng)殖用地的K值最高，為14.08%，依舊為變化幅度最大的用地類型；其次為林地、城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地和濕地，分別為7.76%、3.85%和-2.04%；灘涂和耕地變化較小，分別為0.95%和0.42%。2004-2014年，林地的K最高，為20.17%，變化幅度最大；其次為鹽場/養(yǎng)殖、灘涂、城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地和濕地，分別為7.02%、-4.88%、3.56%和-2.04%；耕地變化依舊較小，為0.85%。

2.3 景觀格局變化

2.3.1 各景觀類型面積變化

黃河三角地區(qū)景觀類型面積統(tǒng)計顯示該地區(qū)主要的景觀類型為耕地和濕地，兩類用地占黃河三角洲地區(qū)總面積的70%以上，且整體變化呈現(xiàn)負相關。在6類景觀類型中，灘涂面積逐年減少，1983-2014年間共減少79799.40hm2，占原有面積的64.22%；鹽場/養(yǎng)殖和城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地逐年增加，1983-2014年間分別增長97249.77hm2和84819.33hm2，分別增長48倍和5.7倍，以1999-2004年間增長最為迅速，年均增長率分別為17.1%和6.3%；林地面積在1983-1987年間處于增長狀態(tài)，年均增長率3.9%，1987-1995年處于減少狀態(tài)，年均減少率為2.4%，1995-2014年增幅顯著，共增長16880.22hm2，以2010-2014年增長最為迅速，年均增長率為13.04%。

圖1 黃河三角洲景觀類型面積變化曲線Fig.1 Class area of landscape type in the Yellow River Delta from 1983 to 2014

圖2 黃河三角洲地區(qū)1983年至2014年景觀指數時間變化圖Fig.2 Landscape index of land use in the Yellow River Delta from 1983 to 2014

2.3.2 景觀類型破碎化變化

黃河三角洲地區(qū)各景觀類型景觀指數結果如上表，圖表中MPS指數的變化趨勢可分為三類。第一類：濕地、耕地、林地的MPS指數呈現(xiàn)顯著下降趨勢，年均減少率分別為15.02%、8.5%和8.2%，同時三者NP指數呈現(xiàn)持續(xù)平緩上升趨勢，后期出現(xiàn)大量小粒徑斑塊，平均粒徑逐步減小。第二類：城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地和鹽場/養(yǎng)殖用地的MPS指數呈現(xiàn)兩段式、先下降后增長，NP指數呈現(xiàn)負相關變化，前期以大量小粒徑斑塊為主要存在形式，后期以中心區(qū)域擴大為主，趨向于區(qū)域整體發(fā)展；第三類：灘涂的MPS指數整體為下降趨勢，雖局部時間受NP指數變化影響明顯呈現(xiàn)一定波動，但其整體的下降趨勢明顯，斑塊面積被其他用地類型侵占，粒徑逐步減小。IJI指數變化過程中，林地IJI指數較小，分布分散；鹽場/養(yǎng)殖用地IJI指數變化顯著，2014年時為各用地類型最高，分布最為集中。

2.4 景觀類型轉化特征

1983-1995 年、1995-2004年及2004-2014年三個時段研究區(qū)景觀類型/覆被變化轉移矩陣如表2-4所示。由表2和圖3看出，1983-1995年，研究區(qū)內61.42%景觀類型方式未發(fā)生變化。該時段內景觀類型主要轉出類型為濕地、耕地和灘涂，原有濕地的28.57%轉變?yōu)楦?，同時分別有588.58 km2的耕地和258.63 km2的灘涂轉化為濕地，占濕地新生面積的67.82%和29.80%；城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地和鹽場/養(yǎng)殖用地的轉入情況較為明顯，城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地的主要來源為濕地和耕地，分別有197.36 km2的耕地和136.30 km2的濕地在這一時期轉為城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地，鹽場/養(yǎng)殖用地主要來源為濕地和灘涂；這段時間內轉為林地和灘涂用地的土地較少，主要來源分別為耕地和灘涂邊緣的濕地。

由表3和圖3看出，1995-2004年，研究區(qū)內72.63%的土地其利用方式未發(fā)生變化。該時段內景觀類型轉移情況主要發(fā)生在濕地和耕地之間，有605.28 km2的濕地轉為耕地，同時有375.25 km2的耕地轉變?yōu)闈竦兀謩e占總轉移土地面積的30.23%和18.80%；該時期內鹽場/養(yǎng)殖用地和城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地的轉入情況較為明顯，鹽場/養(yǎng)殖用地增長顯著，主要來源為濕地（185.57 km2）和灘涂（167.40 km2），耕地和濕地是城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地的主要來源，分別占總轉移面積的7.15%和7.01%；林地面積增長29.07 km2，其主要來源為耕地；灘涂面積減少78.69 km2，主要轉變?yōu)辂}場/養(yǎng)殖用地和少量濕地。

表2 1983—1995年黃河三角洲景觀類型變化轉移矩陣Tab.2 Land use/cover change transfer matrix of the Yellow River Delta from 1983 to 1995 km2

表3 1995-2004年黃河三角洲景觀類型變化轉移矩陣Tab.3 Land use/cover change transfer matrix of the Yellow River Delta from 1995 to 2004 km2

由表4和圖3看出，2004-2014年，研究區(qū)內67.83%的土地未發(fā)生利用方式變化。該時段內景觀類型轉移情況主要發(fā)生在濕地、耕地、灘涂和鹽場/養(yǎng)殖用地之間，分別有714.03 km2和210.26 km2的濕地轉變?yōu)楦睾望}場/養(yǎng)殖用地，占濕地總轉移面積的62.53%和18.41%，有268.91 km2的灘涂轉為鹽場/養(yǎng)殖用地，是鹽場/養(yǎng)殖用地的第一來源，耕地退化為濕地的面積為233.91 km2；該時段內分別有177.35 km2的濕地和177.24 km2的耕地轉變?yōu)槌擎?zhèn)村/工礦交通用地；林地面積增長顯著，有146.88 km2的耕地轉變?yōu)榱值?，該時段是研究區(qū)林地面積增長最迅速的時段。

表4 2004-2014年黃河三角洲景觀類型/土地覆被變化轉移矩陣Tab.4 Land use/cover change transfer matrix of the Yellow River Delta from 2004 to 2014 km2

表5 1983-2014年黃河三角洲景觀類型/覆被變化主要類型Tab.5 Main diversion types of land use/cover changes in the Yellow River Delta from 1983 to 2014

黃河三角洲景觀主要類型及統(tǒng)計分析結果見表5。該表中共統(tǒng)計1983-2014年32年間，黃河三角洲景觀類型/覆被變化面積超過50.00 km2的10種主要轉換類型，共計轉換面積4239.33 km2，占總轉換面積的97.51%；主要轉換類型有耕地和濕地之間的相互轉換、灘涂與濕地轉變?yōu)辂}場/養(yǎng)殖用地以及耕地與濕地轉變?yōu)槌擎?zhèn)村/工礦/交通用地三大類，累計轉換率高達87.08%，。其中，有1580.78 km2的濕地轉為耕地，面積最多，占總轉移面積的36.36%，轉換過程貫穿整個研究時期；灘涂轉為鹽場/養(yǎng)殖用地占總轉換面積的13.28%，轉換過程主要發(fā)生在1995-2014年間；耕地轉為林地的面積為139.94 km2，占總轉換面積的3.22% ，轉換過程主要發(fā)生在2004-2014年間。

3 結論

1）1983-2014 年32 a間，黃河三角洲區(qū)域景觀類型格局變化明顯。耕地和濕地分布最廣，濕地、灘涂面積分別減少49.36%和64.38%，其他土地類型面積增長，以城鎮(zhèn)村/工礦/交通和鹽場/養(yǎng)殖用地減少顯著，分別為567.34%和4796.30%。

2）研究區(qū)景觀類型動態(tài)度分析顯示，1983-1995年間，鹽場/養(yǎng)殖用地變化幅度最大，其次為城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地；1995-2004年間，鹽場/養(yǎng)殖用地變化幅度最大，其次為林地；2004-2014年間，林地變化幅度最大，鹽場/養(yǎng)殖用地下降為第二位。三個研究時段內，耕地的變化幅度始終最小。

3）研究區(qū)土地格局變化明顯，濕地和耕地占總面積的70%以上，呈現(xiàn)變化負相關；灘涂32年減少64.22%；林地后期增長迅速，分布分散；人工建設（城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地和鹽場/養(yǎng)殖用地）面積增加顯著，以1999-2004年為集中發(fā)展時期，前期為多小粒徑斑塊分散分布，后期以中心區(qū)域擴大為主；研究區(qū)土地破碎化程度顯著增加。

圖3 黃河三角洲景觀類型變化圖譜Fig.3 Land use changes atlas of the Yellow River Delta during different period

4）研究區(qū)景觀類型/覆被變化統(tǒng)計分析顯示，每時段內約有30%的景觀類型方式發(fā)生變化；濕地和耕地之間變換頻繁，始終是研究區(qū)主要的景觀類型/覆被變換方式；濕地和灘涂向鹽場/養(yǎng)殖用地的轉換以及耕地和濕地向城鎮(zhèn)村/工礦/交通用地的轉換較多，合計轉換率為41.07%。

5）地理位置、地形地貌、水文條件和氣候變化等自然因素作為影響研究區(qū)景觀類型格局的先決條件，確定了區(qū)域內植被分布總體狀況；人口變化、政策導向、經濟發(fā)展以及景觀類型技術水平等人為因素是景觀類型格局變化的主導因素，同時也是完善區(qū)域景觀類型格局的可調控因素。

[1］TunerⅡ B L.Two types of global environmental change:definitional and spatial scale issues in their human dimensions [J］.Global Environmental Change,1990,1(1):14-22.

[2］Meyer W B,Turner Ⅱ B L.Change in Land Use and Land Cover:A Global Perspective[M］.London:Cambridge University Press,1994.

[3］IGBP/HDP.IGBP/HBP LUCC science plan [R］,1994.

[4］Turner Ⅱ B L,Skole D,Sanderson S et al.Land-use and land-cover change science/research plan,IGBP Report No.35 and IHDP Report No.7.Stochkholm:IGBP,1995.

[5］李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領域—土地利用/土地覆被變化的國際研究動向 [J］.地理學報,1996,51(6)：551-557.

[6］郭旭東,陳利項,傅伯杰.土地利用/土地覆被變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響 [J］.環(huán)境科學進展,1991,7(6):66-75.

[7］鄭云龍,高鵬,張立勇.遼西大黑山生態(tài)修復區(qū)土地利用格局變化及驅動力[J］.山地學報,2014,32(6):691-697.

[8］蔡運龍.土地利用/土地覆被變化研究：尋求新的綜合途徑 [J］.地理研究,2001,20(6):645-652.

[9］許學工,林輝平,付在毅.黃河三角洲濕地區(qū)域生態(tài)風險評價[J］.北京大學學報(自然科學版),2001,37(1):111-120.

[10］中國生物多樣性保護行動計劃總報告編寫組.中國生物多樣性保護行動計劃[M］.北京:中國環(huán)境科學出版社,1994,35-41.

[11］劉高煥,劉慶生,葉慶華,等.黃河三角洲土地利用動態(tài)監(jiān)測與海岸帶綜合管理[J］.資源科學,2006,28(5):171-175.

[12］王海梅,李政海,韓國棟,等.黃河三角洲土地利用及景觀格局的動態(tài)分析[J］.水土保持通報,2007,27(1):81-85.

[13］汪小欽,王欽敏,劉高煥,等.黃河三角洲土地利用/覆蓋格局與演化分析[J］.水土保持學報,2006,20(5):158-161.

[14］李靜,趙庚星,范瑞彬.黃河三角洲土地利用及土地覆蓋格變化驅動力分析[J］.西北農林科技大學學報(自然科學版),2003,31(3):117-122.

[15］汪小欽,王欽敏,勵慧國,等.黃河三角洲土地利用/覆蓋變化驅動力分析[J］.資源科學,2007,29(5):175-181.

[16］王紅,宮鵬,劉高煥.黃河三角洲土地利用/土地覆蓋變化研究現(xiàn)狀與展望[J］.自然資源學報,2004,19(1):110-118.

[17］陳文波,肖篤寧,李秀珍.景觀指數分類應用及構建研究[J］.應用生態(tài)學報,2002,13(1):121-125.

[18］徐嵐,趙羿.利用馬爾柯夫過程預測東陵區(qū)土地利用格局的變化[J］.應用生態(tài)學報,1993,4(3):272-277.