GIS支持下的三峡库区典型流域景观格局分析——以重庆市万州区五桥河流域为例

周梦佳,陈治谏,廖晓勇,方泽红,王海明

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,四川成都610041;2.中国科学院研究生院,北京100039;3.四川省林业重点工程资金稽查办公室,四川成都610081)

GIS支持下的三峡库区典型流域景观格局分析
——以重庆市万州区五桥河流域为例

周梦佳1,2,陈治谏1,廖晓勇1,方泽红3,王海明1

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,四川成都610041;2.中国科学院研究生院,北京100039;3.四川省林业重点工程资金稽查办公室,四川成都610081)

在 GIS技术支持下,利用三峡库区五桥河流域1992年和2004年土地利用图,在土地利用图基础上编制景观类型图,建立景观类型转移矩阵,揭示各景观类型相互转化的方向及面积;运用景观生态学基本原理,在GIS和景观格局分析软件的支持下,通过选取和计算景观格局指数,分别从景观和景观类型两水平对流域12年来的景观格局变化进行定量研究。分析结果表明:研究区在12年间景观类型主体没有显著变化,仍然以耕地和林地为主;除建设用地增加幅度和水田减少幅度较大外,其它景观类型面积变化不大;景观整体形状复杂性增强,斑块间离散度增大,景观向着多样化、均匀化发展。

三峡库区;五桥河 ;景观格局;GIS

Abstract:By using GIS,themap of landscape patterns has been charted based on the land use classification obtained in 1992 and 2004.The changes of landscape patterns in Wuqiaohe watershed from 1992 to 2004 have been analyzed using GIS and FRAGSTA TS.The results showed:1)there was no significant change of themain landscape pattern during the 12 years;2)the area of landscape patterns has little change except that the area of construction land increased greatly,and the area of paddy field decreased greatly;3)the shapeof landscape pattern wasmore irregular;the isolation index of landscape pattern strengthened,and both of the diversity and evenness increased.

Key words:Three Gorges Reservoir area;Wuqiaohe watershed;landscape patterns;GIS

随着景观生态学的发展,景观格局及其动态变化研究已成为景观生态学的研究热点和重要研究领域。景观指数是能够高度浓缩景观格局信息,反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标[1]。用景观指数描述景观格局及变化,建立格局与景观过程之间的联系,是景观生态学最常用的定量化研究方法[2]。流域作为一个完整的自然地理单元,其景观格局的变化研究对流域资源管理、生态保护和可持续发展具有重要意义[3]。

重庆市万州区地处三峡库区腹心,是库区淹没损失最大、移民迁建任务最重的地区之一。五桥河流域是万州区境内一条重要河流,属长江一级支流,其土壤类型、土地利用方式和人口密度等在三峡库区都具有一定代表性,因此该流域可作为三峡库区的缩影。在GIS支持下,以三峡库区五桥河流域为研究对象,建立景观类型转移矩阵,选取景观指数分析了该区1992～2004年景观格局的总体变化及单一景观类型格局变化,并对其变化原因进行分析,以揭示近12年来五桥河流域景观格局与自然生态过程和人类活动之间的关系。

1 研究区概况

五桥河流域地处东经 108°25′-108°35′,北纬 30°42′-30°48′,位于三峡库区中部的重庆市万州区,流域面积113.9 km2,主河长21.4 km①四川省万县农业区划办公室.四川省万县农业资源与区划资料汇编(中篇)[M].四川省万县农业区划办公室,1987:136-137.。地势东高西低,海拔121～946 m(来源于统计数据),地貌以丘陵、低山为主,出露紫色地层为侏罗系沙溪庙组和蓬莱镇组,土壤类型主要为紫色土、水稻土、冲积土;气候属中亚热带季风气候,年均温14～19°C,年均降水量1 000～1 350 mm,年均日照时数1 300～1 600 h;地带性森林植被为亚热带常绿阔叶林,原生植被破坏殆尽,现有植被以次生林被和灌丛草被为主。

2 数据来源及分析方法

2.1 数据来源及处理

研究的基础数据来源于五桥河流域1992年和2004年 TM影像解译获得的土地利用矢量数据。在A rcGIS软件中,赋予土地利用图斑新的属性(景观类型),合并属性一致的景观类型,在 Spatial A-nalysis模块的支持下,将流域景观类型矢量数据转换成栅格数据(格网分辨率为25m),制作流域景观类型分布图(图1)。

图1 1992年和2004年五桥河流域景观类型分布

2.2 数据分析方法

运用A rcGIS软件对1992年和2004年流域景观类型分布图进行叠加统计分析,建立1992～2004年景观类型转移矩阵;利用景观生态学的理论和方法,运用景观格局分析软件FRAGSTA TS 3.3提取景观指数,从景观水平、景观类型水平2个级别对流域进行景观生态格局特征及其演变规律分析。在类型和景观级别上选用了斑块数(NP)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、最大斑块指数(LPI)、形状指数(LSI)、蔓延度指数(CON TAG)、聚集度(A I)、斑块结合度指数(COHESION)、斑块多度密度(PRD)、香农多样性指数(SHD I)、香农均匀度指数(SHEI)、景观分离度(DIV ISION)等多个指标[4-6],各指标的计算方法详见FRAGSTATS 3.3使用说明书,所有公式都采用FRAGSTATS的表示方式。

3 结果与分析

3.1 景观类型面积变化及转移特征

3.1.1 景观类型面积变化

研究区1992～2004年的景观类型面积变化见表1。

表1 1992～2004年研究区景观类型变化

从图1和表1可以看出:五桥河流域主要景观类型为有林地、灌木林、旱地和水田;在1992年,有林地、灌木林、旱地和水田分别占土地总面积的24.07%,23.28%,19.32%和 18.00%;在 2004 年 ,有林地、灌木林、旱地和水田分别占土地总面积23.92%,23.28%,20.13%和14.55%;12年间景观类型主体没有显著变化,但是在流域的河岸地带和低地、人口密集区,变化很大。1992～2004年期间,五桥河流域内各景观类型面积呈不同程度的增减,其中增加的有:旱地、灌木林、经济林、草地、水域、未利用地和建设用地;减少的有水田和有林地。12年来景观类型中建设用地变化率最大,2004年建设用地面积比1992年增加了297.12%,增大面积314.50 hm2;水田景观类型变化率其次,2004年水田面积比1992年减少了19.18%;其它景观类型的面积变化不大。

3.1.2 景观类型转移矩阵

为了更好地揭示各景观类型相互转化的方向及面积,利用 A rcGIS软件,将1992年、2004年2期数据进行叠加,从而得到2个时段间各景观类型间的转移矩阵(表2)。

表2 1992～2004年研究区景观类型转移矩阵 hm2

从表2中可以看出:(1)水田在12年中的转出面积大于转入面积,它向其它景观类型转化的面积为684.02 hm2,主要是以向建设用地、旱地、林地转化为主,转化面积分别达到了295.12 hm2,189.97 hm2和171.97 hm2。从图1可以看出:五桥河流域下游平坝地区是水田和居民点集中分布区域,随着人口的增加、居民点的扩展及区域工业发展使流域下游部分水田转化为建设用地,人地关系矛盾突出。(2)1992～2004年间,旱地转化为其它景观类型的面积为394.24 hm2,而其它景观类型转化成旱地的面积是487.50 hm2,旱地转出的面积小于转入面积。(3)经济林在12年中转入面积稍大于转出面积。国家的退耕还林政策,使得小部分耕地转化成了经济林。人们为了追求经济利益,又使得部分耕地、有林地和灌木林转化为经济林。(4)1992～2004年间,旱地、林地和草地相互转化较为频繁。一方面是在进行退耕还林还草等生态工程建设,部分坡耕地转化为林地和草地,使得林地和草地的面积有所增加;另一方面又由于人口的增加,人均耕地面积减少,造成耕地的扩垦,部分林地和草地又转为耕地。(5)在12年间,未利用地转出面积小于转入面积,未利用地的转入以水田和旱地为主,水田和旱地向未利用地转化的面积分别为2.49 hm2和2.71 hm2。一方面未利用地通过开发整理转化为水田、旱地和林地等;另一方面由于农村剩余劳动力的转移,部分耕地的搁荒又引起未利用地面积的增大。(6)12年间,大量的水田、旱地和灌木林转化成了建设用地,转化的面积分别为 295.12 hm2,16.42 hm2和11.31 hm2,另有 3.47 hm2的有林地、3.41 hm2经济林、0.44 hm2的草地、4.72 hm2的水域和1.55 hm2的未利用地转化成建设用地。

3.2 景观空间格局变化

3.2.1 景观尺度上的景观格局变化分析

1992～2004年研究区在景观水平的景观指数变化见表3。

表3 1992～2004年研究区在景观水平的景观指数变化

(1)景观斑块密度与边缘分析

1992年研究区内共有1 451个斑块,而到了2004年斑块数增加到1 538个,同时景观斑块密度和边缘密度都有所上升,说明五桥河流域景观呈现破碎化趋势;LPI指数降低,表明2004年五桥河流域景观中最大斑块和最小斑块面积的差距减小,斑块面积较1992年均匀。

(2)景观形状特征分析

1992～2004年,五桥河流域的景观水平上形状指数(LSI)上升了1.288 9,表明12年来景观整体形状复杂程度有所增大。由于耕地的退耕、搁荒、城镇建设等人为干扰和自然灾害的破坏等自然干扰过程的共同作用,景观形状变得较为复杂。

(3)景观聚集度与分离度比较

蔓延度(CON TAG)、聚集度(A I)及景观分割指数(D IV ISION)是度量景观聚集度与分离度的指数。从表3中可以看出,1992年和2004年流域的蔓延度均小于50%,说明2个时期流域均比较破碎,小斑块较多;从聚集度来看,2004年流域景观聚集度小于1992年,说明景观中各类型聚集的程度有所降低;1992年和2004年流域景观分割指数均接近1,表明景观中的小斑块数多,其中2004年景观中小斑块相对较多[7]。

(4)景观多样性比较

由表3可知,1992年和2004年研究区景观斑块多度密度保持不变,说明单位面积上景观类型数保持不变;景观多样性指数由1.773 5上升到1.829 3,说明了2004年研究区景观类型更为丰富且各类型分布均匀;均匀度指数也显示出2004年研究区景观多样性较高并且相对均匀;均匀度的增大意味着优势度的减小,说明占主导地位的耕地和林地在景观中的比重有所下降,主要原因是城镇化建设和移民安置工程等使建设用地比重增加[8]。多样性指数和均匀度指数增大反映出随着人类活动的加剧,流域景观类型更趋向多样性和均匀化。

3.2.2 主要景观类型的格局变化分析

1992～2004年研究区景观类型水平上的景观指数变化见表4。

从表4中可以看出研究区景观类型水平上的如下变化:

(1)水田:水田的面积减少了398.19 hm2,但是水田的斑块数和斑块密度都有所增加;最大斑块指数减小说明了水田在景观中的优势逐渐减小,结构变得复杂;边缘密度、景观形状指数有所增加,由于人类活动的影响使水田形状越来越不规则;聚集度指数、斑块结合度指数降低,表明水田的空间连接性降低,斑块间分布更为分散,说明了人类对水田的开垦利用规模小且较分散。

(2)旱地:从1992年到2004年,旱地斑块数增加了6个,斑块密度从2.471 3上升到2.523 4;边缘密度和形状指数增大,表明旱地景观的破碎度增大,形状越来越复杂;最大斑块指数增大,说明了旱地在景观中的优势有所增加;聚集度、斑块结合度增大,这是由于人类活动的影响,使得旱地的分布趋向于集中,也增强了旱地斑块间的连接性,旱地斑块间的物质和能量迁移畅通性增强。

(3)有林地:林地的斑块数增加,这主要是由1998年以来先后实施的长江上游水源涵养林营造工程和水土保持工程,进行退耕还林的结果,但是由于人口的增加,耕地需求加大,一些林地又开垦为耕地,所以12年来有林地的面积并未增加;斑块密度、边缘密度和形状指数增大,这可能是由于许多小块耕地转化为林地,导致了林地的破碎度的增加,形状复杂化增大;聚集度有所降低,但斑块结合度增大,说明尽管斑块相对分散,但是空间的连通性有所增强。

表4 1992～2004年研究区景观类型水平上的景观指数变化

(4)未利用地:未利用地的斑块数增加了1个,斑块密度有所上升,说明未利用地的破碎化程度在增强;边缘密度、最大斑块指数、斑块形状指数上升,说明未利用地的斑块形状更加复杂;聚集度指数和斑块结合度降低,这可能是由于少部分耕地搁荒,使得未利用地分布更为分散,空间连通性减弱。

(5)建设用地:面积增加了314.50 hm2,斑块数和斑块密度都有所增加,这是因为随着人口的增加和经济的发展,大量耕地和林地被占为工矿、城镇及公路等建设用地;边缘密度、最大斑块指数和形状指数增大,表面破碎化程度增加;聚集度、斑块结合度指数都有所增加,这是由于建设用地的规划有所加强,虽然建设用地破碎化程度增强,但是分布更集中,斑块的连通性增强。

4 结论

通过对三峡库区五桥河流域的景观格局进行研究,可以较好的表征1992～2004年该流域景观空间格局的变化,并得到以下结论:

(1)在12年间,人类活动和自然生态过程相互作用、相互影响使五桥河流域景观类型发生了复杂的结构变化和相互转化。在1992～2004年间,流域景观类型的面积均发生了不同程度的变化,其中建设用地和水田的面积变化率最大,其它类型面积变化不大。

(2)通过对景观尺度上的景观指数的分析,可以看出:2004年与1992年相比,由于人类干扰强度加强,使得流域破碎化程度加强,斑块形状越来越不规则,斑块分布更加离散,景观的多样性和均匀性增强,景观结构日趋破碎和复杂。

(3)从主要景观类型的景观指数来看,12年间水田的斑块面积减少,斑块数和斑块密度增加,斑块形状更加不规则,优势度减少,离散度加大,空间连接性降低,复杂性增强;旱地斑块数和斑块密度加大,形状越来越复杂,优势度、聚集度和斑块结合度增大;林地斑块数和斑块密度增大,形状更为复杂,聚集度降低,而斑块结合度增大;未利用地的斑块形状更加复杂,离散度加大,空间连通性减弱;建设用地破碎化程度增强,但是分布更集中,斑块的连通性增强。

[1] 邬建国.景观生态学[M].2版.北京:高等教育出版社,2007.

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An Analysis on the Landscape Patterns Based on the GIS Technology in the Typical Watershed of Three Gorges Reservoir Area——A Case Study on Wuqiaohe Watershed,Wanzhou District,Chongqing City

ZHOU M eng-jia1,2,CHEN Zhi-jian1,L IAO Xiao-yong1,FANG Ze-hong3,WANG Hai-ming1

(1.Institute of Mountain Hazards and Environment,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610041,China;2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China;3.Fund Inspect Office of Forest Priority Project in Sichuan,Chengdu 610081,China)

Q 149

A

1674-2842(2010)05-0001-05

2010-06-01

中国科学院知识创新工程重大项目“重大工程生态环境效应遥感监测与评估”、中科院成都山地所前沿项目(1100001007)、中科院西部行动计划项目(KZCX2-XB2-07)、国务院三建委办公室资助项目(SX2001-021)。

周梦佳(1983-),女,四川宜宾人,在读硕士研究生。研究方向:流域生态与可持续发展。E-mail:mengjia_zhou@yahoo.cn

陈治谏(1962-),男,四川眉山人,研究员,E-mail:chenzhijian@sina.com