京郊半城子水库流域土地利用及景观格局变化分析*

胡淑萍,余新晓

（1.内蒙古师范大学节水农业工程研究中心,呼和浩特010022;2.北京林业大学水土保持学院,北京 100083）

土地利用/覆被变化是全球环境变化的重要组成部分和主要原因之一[1],也是引起区域环境变化的关键要素[2]。目前土地利用变化研究已经涉及到土地利用变化信息处理与提取、土地利用变化时空动态、土地利用变化生态环境效应、土地利用变化驱动机制分析、土地利用变化模拟等各个方面[3-6],并取得了一系列成果。景观格局的研究是景观生态学研究的核心内容和热点问题之一[7-9]。景观格局是景观异质性的具体表现,同时也是各种生态过程在不同尺度上作用的结果[10]。景观格局深深影响并决定着各种生态过程[11-12]。土地利用变化是全球变化的主题,又是环境变化的驱动因子或结果表现之一[13],而景观格局指数比较准确地反映了土地利用方式变化的时空量化状态[14]。将土地利用变化研究与土地景观格局研究相结合,有助于探讨土地利用变化与景观生态过程的相互关系,进而成为了解人类社会与自然环境相互关系的重要途径[15]。

半城子水库流域属密云水库二级保护区范围,由于地处密云水库上游,对保证北京市饮用水的安全具有重要意义,研究该区土地利用与景观空间格局变化的特点,对实现该区生态环境与社会、经济的可持续发展,保护地区景观健康及维持区域生态安全具有重要意义。

1 研究区概况

半城子水库流域位于密云水库北部的牤牛河流域上游,面积66.1 km2,属密云水库二级保护区。地貌为低山丘陵类型,海拔为250～500 m,山体起伏变化较大,平均坡度 25°～30°。基岩以花岗岩为主,属于酸性岩类,极易物理风化,形成松散的沙质堆积物,多为粗骨土,山脚阶地有少量的黄土堆积物,沟谷为沙质冲积物。土层厚度10～30 cm,土壤类型为山地褐土,pH值呈中性至微酸性。流域年平均气温10.5℃,年无霜期176 d,年日照总数2 801.8 h,年均降雨量669 mm,主要集中在6-8月。

2 研究方法

式中:K——研究时段内某一土地利用类型动态度;Ua——研究初期某一种土地利用类型的数量;Ub——研究期末某一种土地利用类型的数量;T——研究时段长,当T的时段设定为年时,K的值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。

2.1 数据来源及处理

本研究采用的数据有2000年SPORT遥感影像图和2005年的TM遥感影像图,1∶10 000地形图和2005年北京山区森林资源数据。

以1∶10 000地形图为参考,在 ERDAS 9.0和ArcGIS 9.0的支持下对两期遥感影像进行目视解译、数字化、建立拓扑关系,并用野外调查数据对解译结果进行校正,获得土地利用图形数据和属性数据。参照全国土地资源二级分类系统标准和流域土地资源特征,研究流域被分为阔叶林、针叶林、灌木林、混交林、水域、农田和其他土地共7类景观类型(附图7)。

2.2 土地利用变化分析

(1)土地利用动态度。土地资源数量变化用土地利用动态度来表示,土地利用动态度可定量描述区域土地利用变化的速度,它对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势都具有积极的作用[16]。土地利用动态度模型分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[17]。

单一土地利用类型动态度表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况,其表达式为

综合土地利用动态度可描述研究时段的区域土地利用变化速度,用公式表示为

式中:LC——综合土地利用动态度;LUi——监测起始时间i类土地利用类型面积;Δ LUi-j——监测时段i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值;T——监测步长,当T设定为年时,LC的值就是该研究区的土地利用年变化率。

(2)变化强度指数。变化强度指数[18]是指某空间单元在研究时期内的土地利用变化面积占其土地总面积的百分比。可以用来比较某一研究时期土地利用变化的强弱或趋势。其公式为

式中:Ti——研究时段内第i种土地利用类型的变化强度;Uai——研究初期第i种土地利用类型的面积;Ubi——研究期末第i种土地利用类型的面积;B——研究期末研究区土地总面积。

2.3 景观空间格局分析

利用景观格局分析软件Fragstats 3.3对两期土地利用分类进行景观格局指数计算,考虑到指标之间的相关性,选取类型水平上的景观格局指数3个,景观水平上的景观格局指数8个,各指数生态含义及计算方法参考Fragstats软件说明。

3 结果分析

3.1 土地利用数量变化

土地利用类型变化状况见表1,2000年时针叶林所占面积最大,为2 245.16 hm2,农田的面积最小,仅占10.34 hm2。2005年时各类土地利用类型的面积比例大小依次为:针叶林＞阔叶林＞混交林＞灌木林＞其他土地＞水域＞农田。2000-2005年间,流域土地利用类型发生了一定变化,但林地面积均达96%以上,是流域主导土地利用类型,其中针叶林从2 245.15 hm2增长到2 585.63 hm2,增长了15.16%,混交林从1 940.00 hm2减少到1 545.92 hm2,减少了20.31%;从变化比例看,其他土地的变化比例最大,为121.1%,灌木林地变化比例最小,仅为-1.84%。林地数量总体稳定主要是因为该区林木从林种划分看属于水源涵养林,又位于密云水库上游,生态地位重要,加之近年来国家对生态公益林管护较严格,所以林地总量稳定,而不同林型之间数量变化与林业生态工程项目在该区的实施有关。

表1 半城子水库流域2000-2005年土地利用类型变化状况

3.2 土地利用结构变化

单一土地利用动态度值越低,转移变化为其他类型数量越小,表明该类土地在研究期内相对稳定[19]。依据表2,2000-2005年间,半城子水库流域阔叶林的动态度最低,年平均转移率为0.12%,说明该土地利用类型在研究时段内基本没有发生转移或转移量很小,是最稳定的土地利用类型;而其他土地在该时段内动态度最高,达24.22%,是阔叶林动态度的202倍,表明该土地利用类型是研究时段内最活跃的土地利用类型。导致这一现象的主要原因是当地的阔叶林包含有相当数量的经济林树种(板栗居多),且近年来经济效益较好,所以在研究期内阔叶林的土地利用动态度值相对稳定,而其他土地由于受人为因素的影响较大,故单一动态度值较高。土地利用综合动态度显示,2000-2005年半城子水库流域土地利用年变化速度为1.30%。土地利用变化强度指数表明混交林的变化强度最大,其余土地利用类型依次为针叶林＞其他土地＞水域＞灌木林＞阔叶林＞农田。

表2 2000-2005年半城子水库流域土地利用结构变化

3.3 景观空间格局特征

Fragstats是由美国俄勒冈州立大学森林科学系开发的景观分析软件,可计算60多种景观指标,但许多指标是高度相关的[20],本文选取景观形状指数(LSI)、景观斑块密度(PD)和景观分离度(SPLIT)3个类型水平上的景观格局指数,斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、蔓延度指数(CONTAG)、斑块结合度指数(COHESION)、分离度(SPLIT)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)8个景观水平上的景观格局指数,各指标计算结果见表3-4。

3.3.1 类型水平上的景观格局指数分析 2000-2005年间半城子水库流域类型水平格局指数如表3所示。从表3可知,2000-2005年,针叶林的景观形状指数变化最大,从11.274 8增加到的15.717 7,而景观形状指数越大说明其形状越复杂,所以2005年针叶林的斑块形状最复杂。景观斑块密度反映景观整体斑块分化程度,其值越大表明其异质性越高,由表3知2000年斑块密度最大的是混交林562.685 3,最小的为其他土地64.925 2;2005年各类型景观的斑块密度大小顺序为:针叶林＞水域＞灌木林＞混交林＞阔叶林＞农田＞其他地类。景观分离度显示不同时期景观的分离程度变化较大,2000年其他土地的分离度指数最大,斑块分布较分散,针叶林的分离度指数最小,分布相对集中;2005年,各景观要素分离度的变化规律为:农田＞其他土地＞灌木林＞水域＞阔叶林＞针叶林＞混交林。

表3 2000-2005年半城子水库流域类型水平格局指数

3.3.2 景观水平上的景观格局指数分析 景观水平的格局指数变化如表4所示。由表4可以看出,斑块数量有所增加,斑块密度显著增加,说明区域景观破碎化程度增加。蔓延度指数从 2000年的52.995 6下降到2005年的52.536 1,说明景观镶嵌体以较小的规模出现,景观破碎化程度增加。蔓延度指数减少、结合度指数降低、分离度指数增加也说明斑块之间分离度增大,景观破碎化程度增加,研究区逐渐向密集格局演变。多样性指数对景观中各斑块类型非均衡分布状况较为敏感,研究区香农多样性指数从 2000年的 1.412 1增加到 2005年的1.422 3,香农均匀度指数从2000年的0.725 7增加到2005年的0.730 9,说明研究区的多样性增加,均匀度增强。

表4 2000-2005年半城子水库流域景观水平格局指数

4 结论

(1)2000-2005年,流域土地利用类型发生了一定变化,针叶林面积增长了15.16%,混交林减少了20.31%,但林地始终是流域主导土地利用类型。

(2)研究期内半城子水库流域土地利用年变化速度为1.30%,其中阔叶林的动态度最低,年平均转移率仅0.12%,而其他土地在该时段内动态度最高,达24.22%,说明其他土地是活跃的土地利用类型。

(3)类型水平上格局指数显示,针叶林斑块形状最复杂,混交林的其异质性较高,而景观分离度显示不同时期景观的分离程度变化较大。

(4)景观水平的格局指数显示,区域景观破碎化程度增加,研究区逐渐向密集格局演变,多样性增加,均匀度增强。

[1]陈百明,刘新卫,杨红.LUCC研究的最新进展评述[J].地理科学进展,2003,22(1):22-29.

[2]刘军会,高吉喜,耿斌,等.北方农牧交错带土地利用及景观格局变化特征[J].环境科学研究,2007,20(5):148-154.

[3]Rao K S,Rekha P.Land use dynamics and landscape change pattern in a typical micro watershed in the mid elevation zone of central Himalaya,India[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2001,86(2):113-124.

[4]郭旭东,陈利顶,傅伯杰.土地利用/土地覆被变化对区域生态环境的影响[J].环境科学进展,1999,7(6):66-75.

[5]李平,李秀彬,刘学军.我国现阶段土地利用变化驱动力的宏观分析[J].地理研究,2001,20(2):130-138.

[6]Elena G,Irwin J.Theory,data,methods:developing spatially explicit economic models of land use change[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2001,8(5):7-23.

[7]Forman RT T,Godron M.Landscape ecology[M].New York:John Wiley and Sons,1986.

[8]肖笃宁.国际景观生态学研究的最新进展[J].生态学杂志,1999,18(6):75-76.

[9]Turner M G,Gardner R H.Quantitative methods in landscape ecology[M].London:Springer-Verlag,1991.

[10]陈文波,肖笃宁,李秀珍.景观空间分析的特征和主要内容[J].生态学报,2002,22(7):1135-1142.

[11]Forman R T T.Land mosaics:the ecology of landscapes and regions[M].Cambridge:Cambridge University Press,1995.

[12]O′Neill R V,Riitters K H,Wickham J D,et al.Landscape pattern metrics and regional assessment[J].Ecosystem Health,1999,5(4):225-233.

[13]李秀彬.全球环境变化研究的核心领域:土地利用/覆被变化的国际研究动向[J].地理学报,1996,51(6):553-558.

[14]潘竟虎,刘普幸,赵军.黑河下游土地利用与景观格局时空特征分析[J].土壤,2008,40(2):306-311.

[15]刘贤赵,王巍.烟台沿海地区土地利用景观格局演变研究[J].农业工程学报,2007,23(10):79-86.

[16]王秀兰,包玉海.土地利用动态变化研究方法探讨[J].地理科学进展,1999,18(1):81-86.

[17]张世文,唐南奇.土地利用/土地覆被变化(LUCC)研究现状与展望[J].亚热带农业研究,2006,2(3):221-225.

[18]朱会义,李秀彬.关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J].地理学报,2003,58(5):643-650.

[19]张钰,刘桂民,马海燕,等.黑河流域土地利用与覆被变化特征[J].冰川冻土,2004,26(6):86-92.

[20]吴波,慈龙骏.毛乌素沙地景观格局变化研究[J].生态学报,2001,21(2):191-196.