湘江流域近30年景观格局变化研究

陈　希,王克林,祁向坤,李洪斌,李　涛

(1.湖南农业大学生物科学技术学院, 湖南 长沙 410128； 2.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 湖南 长沙 410125； 3.湖南农业大学资源环境学院, 湖南 长沙 410128)

湘江流域近30年景观格局变化研究

陈希1,2,王克林2,祁向坤2,李洪斌3,李涛1

(1.湖南农业大学生物科学技术学院, 湖南 长沙 410128； 2.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 湖南 长沙 410125； 3.湖南农业大学资源环境学院, 湖南 长沙 410128)

摘要：基于湖南省1980、2000和2010年的Landsat MSS和TM卫星照片数据及DEM数据，运用ENVI4.7影像处理软件、ARCGIS9.0 软件与Fragstats3.3软件，提取出湘江流域地区1980、2000年和2010年景观类型图，计算出3个时期的景观格局指数，在此基础上对湘江流域30年间的景观格局变化特征进行了综合分析。结果表明：1980-2010年，湘江流域土地利用程度和人为活动有所增强，其中面积变化最大的景观类型是林地和旱地。林地减少了1 029 km2，而旱地增加了648 km2，可见人为活动干扰增加。近30年间，受人类活动影响，水田与林地景观面积减少，斑块数目增加，破碎度增大。旱地景观破碎度下降。湘江流域景观整体破碎度增加，优势斑块的连通性下降，景观优势类别对景观整体的控制作用减弱。这将给湘江流域地区带来一定的资源和环境问题．需加强规划布局管理，合理配置景观资源，实现湘江流域的经济与生态环境的协调发展。

关键词：景观格局；景观指数；GIS；湘江流域

流域是一种重要的自然地理单元。流域景观格局的研究，是揭示流域生态状况、空间变异性特征、以及与生态过程相关的区域资源环境问题的有效手段。一直以来，景观格局研究都是景观生态学家关注的焦点[1-3]，因此对于流域景观格局及其演变的研究亦比较多。目前，国内研究较多的流域有石羊河流域(朱小华等[4]，2010；张学斌[5]，2014)、东江流域(周婷[6]等，2009)、漓江流域(向悟生等[7]，2009)；向芸芸[8]等，2014)等，这些案例为流域景观格局的研究提供了许多值得借鉴的经验。近年，有关长江流域的景观格局的研究增多, 冷淑娇等(2012)对嘉陵江景观格局动态变化分析研究[9]。李晓文等(2003)从土地利用变化及其生态环境效应角度，对近些年来长江下游的景观格局变化进行了研究[10]。而针对洞庭湖流域的景观格局及其变化的研究较少，并且关于不同流域景观格局与生态服务价值评估的研究报道更少。

洞庭湖有“长江之肾”的美誉，湘江被称洞庭湖之“动脉”。湘江作为洞庭湖流域中流域面积最大，经济地位最重要的一条支流，湘江流域生态环境的变化对于洞庭湖全流域的环境保护与生态安全影响重大。湘江流域中上游景观格局的变化情况，制约着整个湘江流域，乃至洞庭湖全流域的生态环境及经济的可持续发展。因此，本研究基于湖南省1980、2000 和2010年的Landsat MSS和TM卫星照片的数据及数字模型DEM数据，在RS和GIS技术的支持下，,利用ENVI4.7影像处理软件、ARCGIS9.0软件和Fragstats3.3软件，运用景观的空间格局指数方法，对研究区1980-2010 年的景观空间格局动态变化进行分析研究，并探讨其景观格局变化特征，为更好地维持湘江流域的生态环境安全，促进湘江流域经济发展提供理论依据。

1研究区域与方法

1.1研究区概况

湘江是长江第二大支流。它发源于广西兴安县海阳山近峰岭，于东安县庙头进入湖南省，在湘阴县濠河口分东西两支注入洞庭湖。纵贯南岭山地向洞庭湖平原过渡的山丘盆地之间，沿途接纳各支流后，至湘阴县濠河口分两支汇入洞庭湖，全长856 km，流域总面积 94 660 km2，介于111 °01 ′~114 °14 ′ E，111 °33 ′~113 °22 ′ N之间。本研究选择整个湘江流域湖南省内部分，涵盖了湖南省45 个县级行政区，其中湖南省境内干流里程670 km，湘境流域面积为85 403 km2，分别占总里程的78.27 %和总流域面积的90.2 %。流域内的南岭山地和罗霞山脉，海拔一般在1 000 m以上，丘陵多在500 m以下，是典型的亚热带湿润季风气候。

1.2景观空间格局指标选择

本文数据主要来自国家科学数据共享工程-地球系统科学数据共享(www.geodata.cn)。参考了1980、2000年和2010年的湖南省土地利用类型图(比例尺为1∶10万，格式为ARC/INFO的COVERAGE)和DEM数据(比例尺为1∶25 万，网格大小为100 m×100 m，格式为GRID)。目前，根据常用的土地利用分类系统[11]，结合研究区土地利用实情，水田、旱地变化显著，将该区的耕地的水田、旱地从一级地类划分出来，本研究将地类划分为水田、旱地、林地、草地、水域、建设地和未利用地7个景观类型。

在Arctoolbox中运行Polygon coverage to Grid命令，将1980、2000年和2010年三期矢量土地利用类型图转换为栅格图，栅格大小为100 m×100 m，再运用FRAGSTATS3.3 软件对栅格化后的数据进行运算，得到湘江流域景观指标数据。

图1　湘江流域1980、2000和2010年景观要素类型分布Fig.1　Distribution of the landscape components of the Xiangjiang river watershed in 1980, 2000 and 2010

1.3景观指数

景观指数是指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。它能用来描述景观格局，进而建立景观结构与过程或现象的联系，更好地解释与理解景观功能[12,13]。在FRAGSTATS软件中计算3种类型的景观指数，包括斑块水平、斑块类型水平和景观水平。根据研究区区域的景观格局特点及实用性原则，本文主要选择的景观指数指标单元包括斑块数(NP)、平均斑块面积(AREA_MN)、最大斑块指数(LPI)、斑块类型面积(CA)、斑块面积百分比(PLAND)和斑块密度(PD)，景观形状指数(LSI)，聚集度(CLUMPY)，蔓延度(CONT)，景观丰度(PR)，香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)。这些指标可以反映各景观类型面积、景观破碎化程度、景观形状复杂度、景观均衡性等景观格局情况。具体景观格局指数及其计算参考文献[14,15](傅伯杰，2011)的方法。

2结果与分析

2.1景观类型水平特征分析

根据1980、2000、2010年三个年份湘江流域景观类型水平指标(表1)，可以看出湘江流域各地类景观指数的变化情况及趋势。湘江流域水田景观的景观形状指数先减少再增加，斑块密度增加，由于人类对水田的改造的变化，使水田斑块形状从1980 年至2000年越来越规则再到2010 年越来越不规则，但是景观的破碎化程度有所加剧；旱地景观的指标中斑块面积到2010 年增加幅度达到9.2 %，斑块密度下降，聚集度上升，景观形状指数减少，说明景观的破碎化程度减少，人类的开垦利用使旱地的形状趋于规则，斑块连通性增加，而且从1980 年至2000 年的发展趋势是新旱地斑块包围老旱地斑块，最终连片成带，2010 年维持2000 年变化趋势；林地的斑块面积一直在减少，而斑块数却一直在增加，林地景观破碎度的增加，林地的聚集度在各地类中最高，这主要是由于湘江流域东南部大量林地曾被开垦为旱地，使当地原本面积的林地支离破碎，人类在将林地开垦为旱地时，习惯性的保持耕地边界形状的规整，从而导致了林地景观形状指数的30 年间变化不大；草地景观的景观形状指数先减少再增加，表明草地的形状也先趋于规则后趋于不规则，破碎度在2000 年后增加,这是因为原来分布在草地-林地交错带的分散而破碎的草地斑块转化为林地，与部分破碎的草地斑块相互连接成片，导致草地景观斑块有转化为林地的趋势；水域和建设用地由于水利开发与城镇化进程的加快，30 年间面积逐步增加；未利用地面积由于湘江流域上游地区植被遭到破坏，也略有增加，但斑块面积较小。

表11980、2000、2010年湘江流域景观类型水平指标

Tab.1Indexes on landscape class level of the Xiangjiang river watershed in 1980, 2000 and 2010

类型斑块类型面积CA(104hm2)斑块面积比例PLAND(%)斑块数NP景观形状指数LSI聚集度CLUMPY斑块密度PD最大斑块指数LPI(%)平均斑块面积AREA_MN(hm2)水田1980180.8912.1938457329.300.720.00450.62472000179.7812.1138527329.090.720.00450.62472010178.3112.0240311331.590.720.00470.5244旱地198070.534.7541154272.480.660.00480.0517200077.885.2539333260.640.690.00460.6320201077.015.1939435261.300.690.00460.6220林地1980552.9137.2624612223.640.850.002914.912252000543.9736.6625305223.150.850.003014.182152010542.6236.5726686224.480.850.003112.88203草地198024.861.686991120.310.760.00080.0836200024.891.686153119.280.760.00070.0837201024.821.6718568119.770.760.00220.003636水域198012.270.837206105.090.700.00080.2117200013.550.917482104.280.710.00090.1518201013.700.927852105.700.710.00090.1518建设用地198012.420.8415641133.340.620.00180.048200013.800.9315951133.310.640.00190.059201017.411.1718568142.170.660.00220.069未利用地19800.150.0114613.990..640.000020.00071020000.160.0117415.320..640.000020.0007920100.160.0117415.440.630.000020.00079

2.2景观级别水平特征分析

整个湘江流域，从斑块形状来看，景观形状指数(LSI) 在1980-2000 年间下降，在2000-2010 年间上升，但整个过程是呈上升趋势，说明人类活动干预将景观形状改造趋于离散；蔓延度(CONTAG)30 年间一直在下降，林地优势斑块的连通性降低，这是因为在湘南农业大开发战略背景下，人类的生产活动与开发强度加大，部分林地斑块遭到破坏，加剧了林地的破碎化程度。景观整体破碎化程度略有降低，斑块数由134207(1980年)下降到139933(2010年)。前20 年，斑块数的下降主要是由于旱地与草地斑块数目的减少导致的，而最大斑块面积的下降是因为林地最大斑块面积下降造成,后10 年斑块数增加，因为水田、旱地、林地等各地类的斑块数都有不同程度的增加。研究区景观破碎化呈前20 年里降低后10 年里增加的趋势，但由于最具优势且生态环境影响大的林地景观破碎度增加，湘江的生态环境与生态安全状态并没有由于破碎化程度的改变而得到明显改善；香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)持续增加，香农多样性指数(SHEI)增加，说明各景观类型在景观中呈均衡化趋势分布；香农均匀度指数的增加，说明近30年湘江流域景观优势度在持续减少；景观优势类别对景观整体的控制作用减弱。主要原因是林地斑块和水田斑块的面积下降，对景观的控制作用减弱，其它类别斑块的影响作用上升造成的(见表2)。

2.3景观类型面积变化分析及相互转化

运用ArcGIS9.3 统计1980、2000 和2010 年遥感解译图中各景观类型的面积，并计算景观面积的变化量(表3)。从表中可以看出，湘江流域面积变化最大的景观类型是林地和旱地，林地在30 年里减少了1 029 km2，而旱地30 年里增加了648 km2；建设用地、水田、水域的面积变化量其次；草地和未利用地的变化量较小。在30 年中，林地和水田呈持续下降趋势，而旱地、建设用地、水域呈上升趋势，大面积的水田和林地转换成了旱地和建设用地。水域30 年里增加了143 km2，这是因为以前长江水量稳定，加上人口增多，人们就围湖造田，使湖面不断缩小，但在1998 年百年不遇的洪水后，长江沿岸的湖泊面积缩小，分洪蓄洪力下降甚至丧失，政府为保护环境能源实现可持续利用，有了退田还湖的举措，将围垦湖边或湖内淤地改造成的农田恢复为湖面，水域面积自然增加。

表21980、2000、2010年湘江流域景观级别水平指标

Tab.2Indexes on landscape level of the Xiangjiang river watershed in 1980,2000 and 2010

年份斑块数NP斑块密度PD香农多样性SHDI香农均匀度SHEI景观形状指数LSI蔓延度CONTAG景观丰富度PR平均斑块面积AREA_MN最大斑块指数LPI19801342070.01571.04310.5206175.280758.80547.06414.910920001335250.02291.07080.5503174.998957.99497.06414.177720101399330.01641.08230.5562176.830257.51167.06112.8760

表3湘江流域各类景观面积及变化量

Tab.3 The area and variable quantity of different landscape types of the Xiang River Region (km2)

1980年2000年2010年1980-2000年变化量2000-2010年变化量1980-2010年变化量水田180891797817831-111-147-258旱地705377887701735-87648林地552915439754262-894-135-1029草地2486248924823-7-4水域12271355137012815143建设用地124213801741138361499未利用地151616101合计854038540385403000

为进一步研究景观类型间的转换关系、探索景观格局变化规律，本研究采用转移矩阵方法[16]进一步分析(表4)。1980-2010 年间，湘江流域地区最明显的景观变化类型是林地与旱地及林地与水田之间的相互转化，占到了整个研究区变化面积的64.81 %，这可能是因为湖南省在2000年之前大力发展农业，导致了大面积的林地转化成了水田与旱地，而在2000 年后开始实行退耕还林政策，将易造成水土流失的坡耕地和易造成土地沙化的耕地，有计划、分步骤地停止耕种，因地制宜地造林种草，恢复林草植被。同时，受经济建设的发展和城镇化进程不断加速的影响，水田、旱地、林地景观向水域和建设用地景观发生了较大面积的转化，尤其是城镇化进程中，建设用地占用的往往是城郊生产条件好的高质量耕地，可见城市与乡镇的发展，是以牺牲一定的生态环境为代价。

表41980-2010年湘江流域景观类型面积转移矩阵

Tab.4 Transition matrixes of the Xiangjiang river watershed landscape area from 1980 to 2010 (hm2)

水田旱地林地草地水域建设用地未利用地2010年总计水田-32685136630477663761281137193315旱地31249-14329544881570237829183009林地13874268248-2197971514237140240497草地4839363523053-33418111132153水域12597425413446535-6866031578建设用地316609409266736891759-4770237未利用地685631253653-5571980年总计219155118287343409325201725520296424-

3讨论

运用RS和GIS技术，分析了湘江流域相关景观空间格局信息的定量指标。从景观类型水平特征(表1)和景观级别指标的分析(表2)可以得到，近30年，水田景观破碎度增加，斑块形状趋势有变化；旱地景观连通性与聚合度增加，景观破碎度减少；林地景观斑块密度增大，破碎度增加；草地在30 年中景观形状指数先减少再增加，景观斑块密度也先减少再增加，破碎度和聚合度有变化；对湘江流域景观级别指标的分析中，可以得出整个区域景观破碎度增加，优势斑块的连通性下降[17]，各景观类型在景观中呈均衡化趋势分布，景观优势类别对景观整体的控制力度减弱。

1980-2010 年间，受退耕还林政策的影响，大量旱地被开垦为林地，这成为了湘江流域地区近30 年最显著的景观变化类型；各类景观都向林地转化面积最大，其次是水田，林地向其他各类景观转移最为突出。这30 年来，随着人口的快速增加及经济利益的驱使，居住面积的增加和城镇化进程占用了大量的水田和旱地。还有交通事业的飞速发展与和水利设施等的建设的不断增加，也占用了大量的耕地与林地[18]；水田、旱地所组成的耕地面积净增390 km2，但如耕地总体的质量是否提高，湘江流域一些地区是否会有水土流失加剧现象等今后值得关注的问题，可以成为未来进一步研究的方向。

4结论

1980-2010 年间，湘江流域土地利用程度、人为活动仍有所增强。湘江流域面积变化最大的景观类型是林地和旱地，林地在30 年里减少了1 029 km2，而旱地30 年里增加了648 km2，说明人为活动干扰增加，生态破坏程度可能进一步加剧。水田、旱地的景观要素的变化也可能产生水土流失等生态环境问题。

因此，建议继续实施退耕还林政策，同时发展林地资源，提高森林覆盖面积，在宜林荒坡上加强水源涵养林和水土保持林的种植与养护，加强上游地区对天然林的保护以及对次生林的改造；做好生态规划，解决景观类型分配不均匀等问题，应当在规划中要逐渐增加适宜的景观类型，引导景观类型多样化发展。特别是湘江沿江两岸需增加绿地廊道数量，使其能更好地发挥保持水土、改善生态环境及净化空气的作用；优化景观格局结构，促进湘江流域经济、社会与生态保护的可持续发展。

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Study on Landscape Pattern and its change of the

Xiangjiang River Watershed River region in the nearly 30 years

CHENXi1,2,WANGKelin2,QIXiangkun2,LIHongbin3,LITao1

(1.College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, Hunan, China;2.Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region , Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, Hunan, China; 3.College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, Hunan, China)

Abstract：The landscape data used was interpreted from the Landsat MSS and TM satellite imagary and DEM data for Hunan Province in 1980, 2000 and 2010,and supported by ENVI4.7 image processing software, ARCGIS9.0 software and Fragstats3.3 software, derived the Xiangjiang River area 1980,2000 and 2010 landscape type map，calculated the three different periods of landscape pattern index, based on the analysis of the characteristics of the landscape pattern changes in the 30 years of the Xiangjiang River watershed were analyzed. The results showed that: Between 1980 and 2010, the extent of land use and human activities have enhanced the Xiangjiang River watershed, where the greatest change in the area of woodland and dry land landscape type. Woodland decreased by 1 029 km2, while the dry land increased by 648 km2, and the human activity disturbance increased.In the last 30 years, the area of paddy field and forest land decreased, patch number increased and the fragmentation degree increased, with the influence of human activities. Dry land landscape fragmentation degree decreased. The overall fragmentation degree in the Xiangjiang River watershed increased, and the connectivity of the dominant patch decreases, and the control effect of the landscape dominant category is weakened.This will bring some resources and environmental issues the Xiangjiang River watershed, to strengthen the planning layout management, reasonable allocation of landscape resources, to achieve coordinated development of economy and ecological environment of the Xiangjiang River region.

Key words：Landscape pattern; Landscape indexes; GIS; Xiangjiang river watershed

文章编号：1007-7146(2015)06-0584-07

文献标志码：A

中图分类号：Q149

*通讯作者：王克林 (1963-)，男，汉族，湖北老河口人，研究员、博士生导师，主要从事景观格局变化与生态过程研究。(电话)0731-84615201；(电子邮箱)kelin@isa.ac.cn

作者简介：陈希, (1982-),女,汉族，湖南长沙人,博士研究生,主要研究方向为景观生态。(手机)18273566918；(电子邮箱)chenxi1102_2008@163.com

基金项目：国家自然科学基金项目(41071340)

收稿日期：2015-07-13;修回日期:2015-09-25

doi:10.3969/j.issn.1007-7146.2015.06.016