浑河太子河流域景观格局时空动态分析

姚 欣 ，常 禹 ，刘 淼 ，朱君君 ，胡远满 ，贺红仕 ，郗凤明

（1.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016；2.中国科学院研究生院，北京 100039）

浑河太子河流域位于10个城市群之一的辽中南城市群，是我国最重要的经济区和重工业基地之一，浑河太子河流域同时也是辽宁省重要的产粮区，是人类活动最为强烈的区域。城市群扩展及其区域景观格局变化和生态环境影响已成为当前研究的热点和前沿[1]。研究浑河太子河流域景观格局的演变，分析其变化的趋势对于研究城市群扩展导致的生态效应具有重要意义，同时能够为城市群的区域规划和发展决策提供科学依据。

景观格局时空变化的研究是景观生态学研究的基础，也是核心问题之一，目前仍是景观生态学研究的热点[2]。景观格局的研究方法最为常用且有效的是景观指数法，并得到越来越广泛的应用[3]。通过景观指数描述景观格局，不但可以使空间数据获得统计性质，而且还可以针对不同空间尺度上的景观格局特征进行比较分析，定量描述和检测景观空间结构的时空变化[4]，用景观指数成功描述景观结构及动态的研究很多[5]。然而，单纯依靠基于数理统计或拓扑计算公式所产生的各类景观指数对于揭示真实景观的结构组成和时空变化还有欠缺[6]。笔者在应用传统景观指数和转移矩阵分析方法的基础上引入kappa指数系列方法，对浑河—太子河流域景观时空变化进行研究，从不同角度对景观变化进行综合研究，旨在更全面、更客观地反映研究区景观时空变化的情况。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

浑河太子河流域位于辽宁省中部，是辽河的子流域，地理坐标在 122.00°E～125.30°E、40.45°N～42.30°N 之间，流域面积 2.73 ×104km2，河流长 415 km，集水区面积1.15×104km2。气候类型属于温带大陆性季风气候，全年日照充足，年平均气温5～10℃，多年平均降水量500～800 mm，雨热同季。流域东北部为低山丘陵区，土壤类型主要为棕壤，森林茂密，植被覆盖率高；西南部为平原，土壤类型主要为水稻土和草甸土，区内分布有沈阳、鞍山、抚顺、本溪、辽阳、营口6个城市，是辽宁乃至东北亚地区的经济核心，但经济发展的同时也对区域的生态环境造成了较大的影响。

1.2 数据处理

1.2.1 数据来源及处理 采用的遥感数据为1988年8月（Landsat TM），1997年 8月（Landsat TM）和2004年8月（Landsat TM）遥感影像，行列号为11831、11931、11932。以研究区 1∶5 万地形图作为参照对原始影像进行几何精校正，误差控制在0.5个象元以内。坐标系统采用Transverse Mecator投影，Krasovsky椭球体，中央经线为123°E。采用人工目视解译方法来保证解译精度。分别对1988、1997、2004年影像进行解译得到相应年份的土地利用图。应用研究区实地采样的2 680个采样点数据中的1 300个作为目视解译的参考，余下的1 380个采样数据对三期的解译结果进行精度评价，三期的kappa指数精度分别为86.20%，88.52%和90.32%。

1.2.2 土地利用类型分类 根据2007年8月10日中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会联合发布的《土地利用现状分类》，同时结合浑河太子河流域的地表覆盖特征和影像分辨率，将研究区分为10类土地利用类型，分别是有林地、灌木林、水田、旱地、城镇、农村居民点、水域、草地、湿地、裸地。

1.3 研究方法

1.3.1 景观空间格局分析方法 景观指数是生态学研究的常用方法，它是用来反映景观结构组成和空间配置特征的定量指标[7]，能有效地反映研究区的整体变化情况，特别是反映景观的破碎化程度和多样性的变化[8]。根据各景观指数的生态学意义和研究目的，本研究选取以下指数：形状指数（LSI）、斑块密度（PD）、香农多样性指数（SHDI）、分维数（PAFRAC）、蔓延度指数（CONTAG）和聚集度（AI），各景观格局指数的计算公式与生态学意义可参见相关文献[7，9]。指数计算用美国俄勒冈州立大学森林科学系开发的景观指数计算软件FRAGSTATS version3.3中以grid文件格式（网格为30×30 m）在景观水平上进行运算。

1.3.2 转移矩阵分析方法 转移矩阵可以清楚地观察流域不同景观类型之间的转移变化情况。在ArcGIS9.0支持下将3个年份的矢量土地利用图转换为栅格数据，栅格大小为30×30 m，然后在空间分析模块中计算转移矩阵。

1.3.3 kappa指数系列分析方法 地学中常用的Kappa系数主要用来评价两图件的一致性和遥感解译的精度[10]。Kappa系数已被引入到景观变化分析中来，它们能够从空间位置、数量角度定量地揭示景观变化的空间信息、数量信息和空间与数量的综合信息[11]。把前一期和后一期的景观类型图进行空间叠加，得到景观类型在两幅图上的转移矩阵（表1），以此计算Kappa指数，公式为：

表1 两图件的转移矩阵（Cj代表景观类型j）

式中，Po=P11+P22+…+PJJ，两期图件上类型一致部分的百分比，即观测值（见表1）；Pc=R1×S1+R2×S2+…+RJ×SJ，后一期景观类型图上的期望值（见表1）；Pp=R1+R2+…+RJ，前一期与后一期景观类型变化程度，即真实值，两个图完全相同的情况下等于1。通常，当Kappa≥0.75时，两图件间的一致性较高，变化较小；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，变化较大。

由于以上的标准kappa指数没有说明错误产生的原因，Pontius等人进一步发展了Kappa系数家族，主要包括标准kappa指数、随机kappa指数、位置kappa指数、数量Kappa指数，它们可以量化数量错误（Quantity Error）和位置错误（Location Error）[17]，详细意义和计算公式参见相关文献[14]。

2 结果与分析

2.1 面积统计分析

浑河太子河流域主要的土地利用类型是有林地、灌木林、旱地和水田。水田和旱地主要分布于西南部，3个年份占整个研究区面积的比例保持在37%左右；有林地和灌木林主要分布于东北部山区，3个年份占整个研究区面积的比例都保持在49%左右，其中面积最大的是有林地，占总面积的30%以上（图1），其面积和质量的好坏直接关系到整个流域经济的发展以及生态环境的改善。城镇和农村居民点占地也很多，总比例在3个年份分别为8.68%、9.07%、10.75%。浑河太子河流域这种以林地和耕地为主导、城镇和农村居民点占地比例高的格局与其处于我国东北高植被覆盖区和悠久的工农业发展历史密切相关。

图1 浑河太子河流域1988～2004年间各景观类型面积

结合土地利用图和转移矩阵分析可知，土地利用类型面积变化存在4个明显的特征：

（1）旱地、水田和草地面积持续减少，并且均为1997年到2004年减少得更快，其中水田减少的幅度较大。1988～1997年间水田减少了249.95 km2，其主要转化为有林地和农村居民点，1997～2004年间水田减少了377.59 km2，不同的是其主要转化为农村居民点、有林地和水域（表2和表3），转化为水域主要是水产养殖业发展的结果，特别是后一时期。

表2 浑河太子河流域1988～1997年各景观类型转移矩阵 （km2）

表3 浑河太子河流域1997～2004年各景观类型转移矩阵 （km2）

（2）有林地和灌木林虽有增减的变化，但增减幅度较小。有林地面积先增加51.47 km2，后减少61.29 km2，增幅分别为0.17%和-0.21%；灌木林面积两个时期都在增加，年均增加量不到0.4 km2（表2和表3）。在流域内经济发展的同时森林面积没有减少主要归功于天然林保护工程[12]和封山育林的实施，以及政府坚持不懈地加强森林资源保护管理工作。

（3）城镇用地和农村居民点用地一直处于增加的状态，这主要是由人口增加和快速城市化导致的。由表2和表3可以看出，农村居民点在两个时期主要都是由水田和有林地转化而来。城镇用地的增长在两个时间段来源不同：1988～1997年间的增长主要由农村居民点转化而来；1997～2004年间的增长主要由水田和有林地转化而来，这反映出两个时期城镇扩张方式有差异。两个时期城镇面积增加的速率都高于农村居民点，这主要是因为农村居民用地虽有增长但以内部填充为主，并且还有一部分农村居民点转化为城镇用地，而我国的城市化进程正处于高速发展时期，城市化过程引起了剧烈的景观格局变化，在“振兴东北老工业基地”等政策的驱动下，辽宁省城市化速度在不断加快，特别是以沈阳为中心的辽宁省中部城市群快速发展，导致城市大面积扩张。

（4）水域面积大幅增加。在研究时段内浑河太子河流域水域面积年均增加20.5 km2，增加的原因主要有3个：一是1990以来流域内降水持续增加[13]和浑河综合治理方针的实施在一定程度上保证了河流的补给；二是大量水利设施的修建（例如观音阁水库）和农业节水灌溉措施的推广应用使得许多小河流和湖泊的蓄水量有一定的增加；三是水产养殖业的发展占用了大片的水田和旱地（表2、表3）。

2.2 景观指数分析

由表4可以看出，景观形状指数和斑块密度指数在研究时段内不断增长，表明斑块形状越来越不规则，更加破碎，景观被斑块边界切割严重，连通性减小。研究区形状特征的这种趋于复杂的变化将会对景观中物种的扩散、能量的流动、物质的迁移产生影响[14]。分维数指数的数值中等[15]表明研究区斑块形状复杂程度中等，自相似性高，受干扰的程度较高。研究区景观蔓延度指数16年来呈下降趋势，且整体处于较低的水平[15]，表明景观由大量小斑块组成，破碎化程度越来越高。聚集度指数数值较大，表明研究区内少数几种土地利用类型分布集中，16年来略有升高，但变化不大。香农多样性指数在研究时段内有所增加，且数值均较大，表明研究区内各土地利用类型所占比例越来越均匀，景观由一个或少数几个要素控制的程度在减弱，景观异质性增加，各类景观斑块呈均衡化趋势发展，表明人类对研究内的景观影响在不断加剧。总之，以上6种景观指数从不同的方面反映了浑河太子河流域景观变化的总体趋势是异质性增加，破碎度增大，景观形状的复杂性和不规则性增加。

表4 研究区各景观指数

2.3 kappa指数系列分析

如表5所示，不同的时间段kappa指数值差异较大。1988～2004年2个时间段的数量kappa指数分别为98.2%和97.3%，表明在不考虑空间位置变化的情况下，研究区内土地利用数量分别有1.8%和2.7%的变化，即研究范围内分别有相应的象元发生类型变化。位置kappa指数分别为94.4%和94.5%，说明在各景观类型面积比固定的情况下，景观在空间位置上有5.6%和5.5%的信息发生了变化，即浑河太子河流域内有相应的象元发生了空间位置的变化。数量kappa指数和位置kappa指数能够分别说明景观在数量和位置上的变化，并且数量kappa指数与位置kappa指数的乘积等于标准kappa指数。随机kappa指数和标准kappa指数分别综合了位置和数量的变化，能够对综合信息的变化进行量化。2个时段的随机kappa指数分别为94.2%和93.6%，表明景观在没有保持数量和位置的能力情况下2个时期分别有5.8%和6.3%的空间信息发生变化。标准kappa指数在2个时段的值分别为92.7%和92.0%，说明如果景观具有中等的保持面积的能力，丢失的信息将为7.30%和8.00%。

表5 kappa指数计算结果

总体来看，两个时段的标准kappa指数和随机kappa指数变化较大，并且后一时段的变化大于前一时段的变化。这主要有两个原因：一是后一时段内国家提出了振兴东北老工业基地的政策，辽宁中部城市群的快速发展，浑河太子河流域内城市化进程不断加快，城市面积扩张以及维持城市正常运作的各种配套设施占用了大量城市周边的农业和林业用地，引起土地利用类型的变化；二是水产养殖利润高，见效快，近几年需求不断增长，沿海地区大量水田已转做水产养殖基地。同时也可以看到，两个时段内均是位置变化稍大于数量变化。随着经济的发展和政策的转变，流域内各景观类型之间转换频繁，使得景观在空间位置和数量上变化较大，但数量上可以抵消，位置上却不可能完全重合。因此，建议在使用kappa指数研究土地利用变化时尽可能选用位置kappa指数。

3 结论与讨论

1988到2004年间研究区土地利用方式一直以有林地、灌木林、水田和旱地为主；有林地和灌木林面积基本保持稳定；水田、旱地和草地面积持续减少；水域、城镇和农村居民点用地一直处于增长的趋势，且城镇面积增加的速度更快；裸地和湿地面积变化不大。借助于转移矩阵可以清楚地看到各种景观类型的转移：水域主要由草地和水田转化而来，城镇和农村居民点用地主要由水田和有林地转化而来。景观指数分析得到浑河太子河流域景观变化的总趋势是：形状更加复杂，异质性增加，破碎化程度不断加剧。由kappa指数的计算结果发现，1988～2004年间浑太流域景观变化不大（各种kappa指数都大于0.9），这主要是由于研究区面积大，作为其主要土地利用方式的有林地、灌木林、旱地和水田变化幅度不是很大，而数量和位置变化大的水域、城镇、农村居民点用地因其在研究区所占比例较小没有被表现出来。同时可以得出，1988～2004年间浑河太子河流域景观位置变化大于数量变化，主要原因是经济、政策导致的景观类型之间频繁的转换使面积得到一定的补偿。

本研究表明，传统的转移矩阵方法能有效地反映景观类型面积变化的数量和速率；景观指数分析方法能够很好地检测景观的整体变化和空间格局的演变；kappa指数分析方法能够反映景观数量变化、空间变化和综合信息变化，而且能够计算在有或无保持数量能力下景观空间信息的变化，是传统的景观指数和转移矩阵方法全面反映景观变化的有效补充。因此，建议在以后研究景观变化时根据研究区特点选择合适的方法或采用多种方法相结合来分析。

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