北京密云水库古北口镇景观动态研究*



北京密云水库古北口镇景观动态研究*

娄会品1，张金瑞2

(1.河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄050031；2.广州市水务科学研究所，广东广州510220)

摘要：以古北口镇为研究对象，采用遥感影像数据，通过土地利用的动态变化，研究密云水库上游水源涵养林的景观动态变化。结果表明，研究区内的森林、灌丛和草地景观面积变化相对剧烈，整体生态效益降低；在研究期间，人为生态调整使水源涵养林整体破坏趋势得到有效的控制，但景观的空间分布受到某些生态因子的限制。

关键词：土地利用；水源涵养林；古北口镇；森林景观

作为陆地主要植被类型之一，森林景观及其动态一直是生态学、景观生态学等学科研究的重要内容[1～6]。鉴于密云水库的重要性及水源涵养林在水库功能发挥中的重要作用，水源涵养林建设及经理一直受到北京市各级政府的重视，在水库上游集水区开展了多项林业生态项目(绿化治理重要工程、“三北”防护林重点工程、京津风沙源治理工程等)，很大程度上提升了北京山区的绿化率(67.85 %)[7]。同时，由于各项林业生态项目的开展及森林的更新演替，森林景观一直处于动态过程中。因此，明确森林景观的动态过程及其机理对正确经营森林意义重大。

1研究区概况

古北口镇总面积84.71 km2，位于东经117°17′30″～117°03′58″，北纬40°36′38″～40°42′23″，地处密云水库北京集水区的上游。该地区植被类型中，原始天然林稀少，仅占集水区总面积的0.5 %(76.9 km2)；天然次生林分布在低山、中山，占集水区总面积的22.2 %(3 297.1 km2)，以阔叶混交杂木林为主。研究区为温带大陆季风气候，四季分明，多年平均降水量约660 mm，年内分配不均匀，其中70 %～85 %的降水集中在6-9月。地貌属燕山余脉浅山丘陵区，地势西北高、东南低。土壤以褐土、棕壤、草甸土和栗钙土为主。

2研究方法

本研究应用土地利用/土地覆被变化(LUCC)来研究水源涵养林的景观动态变化。LUCC一直是当今全球变化、气候变化及生物多样性变化的热点课题[8～11]。试验中采用遥感技术对土地利用进行调查。

本研究采用Landsat5和Landsat7资源卫星遥感影像数据(表1)对古北口镇的土地利用变化状况进行分析。基于ENVI 4.7和ERDAS Imagine 9.2遥感影像分析平台，对遥感影像进行纠正，以GPS地面调查为训练样本，采用监督分类的方法提取研究区内LUCC信息[12～13]。进行监督分类时采用波段1～5和波段7共6个波段综合信息。

表1　研究所采用遥感卫星基本信息

注：此表根据《西藏高原草地退化遥感分析——以藏北高原典型区为例》一书整理而成。

2.1监督分类过程及数据质量控制

本研究共采用了4期遥感影像数据，其基本信息见表2。

通常情况下，所能获得的遥感数据是卫星传感器记录的电压或数字量化值(DN)，需要通过辐射定标把其转化为辐射亮度值(地表反射率、温度等)物理量。同时，卫星平台存在高度、速度变化、传感器的扫描速度不均匀、地球本身曲率变化、地形遮蔽等因子的综合作用，遥感影像存在着几何畸变等不足，需要通过前期处理以消除这些影响[12～15]。

表2　LUCC监督分类遥感影像基本信息

在辐射定标的基础上，本研究中采用Flaash模型对遥感影像进行大气纠正[5]，以30 m精度的DEM进行地形纠正。为了进一步消除卫星传感器等因素所导致的几何畸变，运用几何纠正模块中的多项式变换法对其进行纠正，定义多项式为2次方。地面控制点通过野外调查获得，共有40个GPS点，通过调整保证RMS误差小于0.5个像元，之后进行3×3像元重采样生成纠正后数据[12～13]。

监督分类过程中以野外观测时GPS记录的40样本建立训练样本，以Jeffries-Matusita距离表征训练样本间的分离性，把Jeffries-Matusita距离大于1.9的样本作为合格样本。之后，采用支持向量机模块对纠正后的遥感数据进行监督分类，并通过Kappa系统控制分类结果的准确度(Kappa大于85 %)。最后，以Sieve法对分类结果进行过滤处理，最终把研究区内的土地利用类型分为7类[12～13，16](图1)，各类地物的编码及其所包含的地物见表3。

图1　1992-2010年不同时期土地利用监督分类结果

编码自然/人为名称地物类1N水体 水溪、水库、河滩地2A城镇 村镇、山村、道路3A农业用地农田、果园4N/A森林 针叶林、阔叶林、人工林、天然林5N灌丛 灌木、草丛6N草地 放牧地、杂草地7N裸地 裸岩、陡崖

注：表中N表示地物类为自然景观；A则表示地物类为人工景观。

2.2遥感影像分类结果

在监督分类的基础上，土地利用类型被分为7类(图1)。从图1可以看出，城镇用地、农业用地主要集中在河流附近或与河流平行分布[17]；裸地则主要集中在古北口镇的东北及中部相对高海拔陡峭山区；灌丛、草地以及林地的分布则相对分散；森林景观类型是研究区的主要景观类型，在研究期间发生了相对剧烈的变化[18～20]，整体上，监督分类结果与实地调查结果吻合状况较好。

3结果与分析

3.1古北口镇1992-2010年LUCC动态

1992-2010年期间，古北口镇水体面积变化不大，只降低了0.33 %(图2)，由遥感影像变化分析得出，水体占地主要流转为农业用地、村镇用地和灌丛用地，部分草地、农业用地流转为水体；村镇面积保持持续增大的变化趋势，由4.33 %升高到5.17 %，城镇用地面积略有增大，这一变化主要是由于村镇用地、农业用地之间相互转变引起的。农业用地面积略有下降，从1992年的10.39 %降低到2010年的8.65 %，农业用地的减少主要是因为大面积的农田在退耕还林(草)政策的作用下转化为草地、灌丛或裸地，以及城镇的发展占用了部分农业用地；森林面积由1992年的21.10 %到2010年的21.29 %，基本保持不变。由图2可以看出，森林面积在研究时间段内呈现波动变化，在2006年时达到最大值，2006年到2010年之间不断减小，森林占地流向了灌丛以及裸地；灌丛面积增加了1.01 %，稍有上升，草地面积由1992年的19.53 %下降到15.65 %，下降了近4 %，裸地面积升高了近4 %，森林、灌丛、草地和裸地间的转换仍然比较剧烈，不过更多的森林、草地流向了灌丛和裸地。综合来看，人为景观，例如城镇和农业用地，变化较小，略有减少，呈现稳定状态；自然景观整体面积基本稳定，略有增加。森林景观由于人类的介入(退耕还林草)，导致其他自然景观(裸地，草地和灌丛)之间出现剧烈的波动，更多的林地草地流向了灌丛和裸地，人类活动是导致本地自然生态不能稳定发挥生态作用以及自然景观的生态效益有所下降的重要因素。

3.2水源涵养林动态研究

古北口镇内的水源涵养林主要分为两大类，森林植被和灌丛植被。本研究中，水源涵养林景观动态的分析是基于森林景观和灌丛景观的动态特征，综合比较分析所得。

图2　研究区1992-2010年LUCC变化百分率

年份景观指数EDLSILPIMESHPDSPLITAIIJI199240.4730.9716.26561.772.2935.9887.0672.62200047.8634.709.07307.132.7665.7185.3764.32200654.2341.0114.67510.482.5839.5982.7159.61201054.2341.0114.67510.482.5839.5982.7159.61

古北口镇域内水源涵养林斑块的景观呈现波动变化现象(表4)。斑块边缘密度指数(Edge Density，ED，m/hm2)、景观形状指数(Landscape Shape Index，LSI)呈上升趋势，表明古北口镇域内水源涵养林景观之间生态过程活跃、斑块形状规则性变差的趋势。

最大斑块指数(Largest Path Index，LPI，%)、有效粒度面积指数(Effective Mesh Size，MESH，%)表现为先降后升至稳定的变化过程，表明早期的人为活动使研究区内森林景观变得破碎、整体异质性增强，林分分布较分散，森林景观地带性优势性不明显(最大斑块指数均低于9 %)，随着各项林业生态工程的实施，水源涵养林在斑块水平上的优势性开始趋向稳定发展阶段。

斑块密度指数(Patch Density，PD，个/hm2)、分离度指数(Splitting Index，SPLIT，%)表现为先升后降至稳定的动态过程，说明研究区内水源涵养林在早期的人为干扰下斑块数量增加、斑块间空间分离加大，到后期的人为生态调整过程中的斑块数量降低、空间分布相对集中的动态过程，即人为干预后，破碎的小型斑块进行了整合及合并，形成较大斑块。

聚合度(Aggregation Index，AI)、散布与并列指数(Interspersion and Juxtaposition Index，IJI，%)整体表现为先下降，后至稳定不变，表明在整个研究阶段内古北口镇内水源涵养林斑块之间聚集程度下降、空间分布趋于均匀的变化趋势；同时，散布与并列指数的降低(整体水平相对较低)也表明在研究区内，水源涵养的空间分布受某些生态因子的限制。

综上所述，古北口镇内森林景观和灌丛景观的动态特征表明各项林业生态工程的实施是有效的，原来人为破坏的趋势得到控制。

4结论

(1)研究表明，人为景观(农业用地、城镇)，变化较小，略有减少，呈现稳定状态；自然景观整体面积基本稳定，略有增加。研究区内的森林、灌丛和草地景观面积变化相对剧烈，三者间相互转换率非常大，更多的林地草地流向了灌丛和裸地；整个研究阶段内，人类活动的介入导致了自然景观之间的波动，人类活动是导致本地自然生态不能稳定发挥生态作用以及自然景观的生态效益有所下降的重要因素。

(2)古北口镇内森林景观和灌丛景观的动态特征表明各项林业生态工程的实施使水源涵养林景观生态过程活跃性增强，斑块形状规则性变差，景观斑块之间趋于合并的趋势，形成较大的斑块，景观斑块的优势性和空间分布趋于稳定，但水源涵养的空间分布受某些生态因子的限制；研究结果可以表明林业生态工程的实施使古北口镇水源涵养林的景观动态向稳定方向发展，人为破坏的趋势得到控制，水源涵养景观空间分布受某些生态因子的限制。

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Landscape Dynamics of Gubeikou Town in Beijing

LOU Hui-pin1，ZHANG Jin-rui2

(1.Hebei Electric Power Design & Research Institute, Hebei Shijiazhuang 050031, P.R.China;

2.Guangzhou Water Research Institute ，Guangzhou Guangdong 510220, P.R.China)

Abstract:landscape dynamics of water-source protection forest in the Miyun reservoir upstream of Gubeikou town was studied by using remote sensing image and analyzing land use dynamics.The results showed that the landscape of forest, shrub and grassland were changing dramatically and the overall ecological contribution decreased.During research period, by artificial ecological adjustment, the tendency of water-sources forest destruction was controlled，while landscape spatial distribution was limited by some ecological factors.

Key words:land use;water-source forest;Gubeikou town；forest landscape

中图分类号：F 301.2；Q 149

文献标识码：A

文章编号：1672-8246(2015)05-0103-05

作者简介：第一娄会品(1984-)，女，工程师，硕士，主要从事森林生态工程研究。E-mail：snowwhite969@163.com

收稿日期：*2015-04-01

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.05.020