地震和人为干扰下紫坪埔水库小时空尺度景观格局变化特征

彭勃, 杨剑



地震和人为干扰下紫坪埔水库小时空尺度景观格局变化特征

彭勃1, 杨剑2*

1. 西南交通大学地球科学与环境工程学院, 四川, 成都 611756 2. 西南科技大学应用技术学院, 四川, 绵阳 621010

运用景观格局指数分析法和GIS技术地图叠加法, 结合2007年、2008年、2012年和2016年四期的卫星遥感影像, 研究了地震和人为干扰下近10年紫坪埔水库区域的景观格局变化特征和干扰分布特征。研究结果表明: (1)研究区土地利用景观要素发生了明显变化, 耕地面积略有增加, 林地面积大幅度减少, 湿地、人工绿地、工程用地和居住用地增加, 土地利用变化最明显的区域主要在集镇区和灾后人工恢复的裸露山区。(2)紫坪铺水库区域的景观斑块数先快速上升, 后逐渐下降; 斑块平均面积先下降后逐渐上升; 最大斑块指数先持续下降后逐渐上升; 斑块密度先上升后逐渐下降; 破碎度指数、多样性指数和优势度指数先上升后下降, 均匀度指数则是先下降后上升, 研究区域内景观异质性程度降低; 廊道要素里的道路、护坡和绿化的长度持续增加, 河流廊道长度没有变化。(3)2007—2016年, 极重度和重度干扰区被大量“渗透”和“分解”, 出现大面积中度、轻度和极轻度干扰区, 说明人为干扰对研究区域的景观格局变化和生态恢复具有积极作用。

地震; 人为干扰; 小时空尺度; 景观格局; GIS

1 前言

景观是由不同生态系统组成的地表综合体[1]。景观格局主要是指构成景观的生态系统或土地利用/覆被类型的形状、比例和空间配置[2–3]。景观格局的静态和动态研究通常借助各种格局指数的设计和分析来实现[4–6]。景观格局变化的分析方法主要有景观格局指数与空间统计特征比较, 马尔柯夫转移矩阵法和主要以细胞自动机理论为基础的景观格局动态模拟[7]。国内外相关研究主要采用景观格局指数和景观动态变化模型研究景观格局演变特征[8–9], 景观格局指数是景观格局信息的高度概况, 是反映景观结构组成、空间配置特征的量化指标, 是景观格局研究的重要指标之一[10–11], 也是景观生态学界广泛使用的一种定量研究方法[12]。

景观格局变化驱动因子指导致景观格局发生变化的要素, 它们影响着景观格局的发展轨迹[13], 国内研究通常将驱动因子分为两大类: 自然因子和人文因子[2]。自然驱动因子一般作用于较大时空尺度的景观格局, 人文驱动因子由于自身活动剧烈及时空限制, 所以对小时空尺度景观格局影响更强烈, 而人为干扰是人文驱动景观格局变化的一个重要因子[14]。在2007—2016年近10年期间, 紫坪埔水库区域同时受到地震(自然因子)和灾后重建人为干扰(人文因子)的影响, 这两种驱动因子在近10年里相互影响, 共同影响该区域的景观格局变化。目前, 多数景观格局变化研究大多基于大尺度进行分析, 对小尺度的景观生态格局涉及较少, 特别是在地震破坏后加上人为干扰等因素对景观格局变化的影响研究较少, 因此该项研究将对地震灾后重建提供一定技术支持。

2 研究区概况

研究区域位于四川省都江堰市和汶川县交界处(图1), 空间范围大致为岷江上游映秀镇区至紫坪铺镇区沿岸0.5—2 km内的区域, 内有辖属汶川县的映秀镇和漩口镇及辖属都江堰市的龙池镇和紫坪铺镇等四个镇区, 包含岷江河道和紫坪埔水库及周边支流水域, 加上周边山体和自然植被, 总面积72.96 km2, 空间尺度较小。时间选择区间为2007—2016年, 时间尺度定义在近10年内, 作者于2012—2016年期间多次赴研究区域进行了实地调查, 收集了大量的生态环境现状与地质灾害资料。

图1 紫坪铺水库区域的位置

5.12汶川特大地震引发的崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害,使地处岷江上游都江堰与汶川交接处的紫坪铺水库区域生态环境遭受损毁, 水土流失严重, 对区域内陆地与河流生态系统造成严重破坏。灾后重建于2008年启动, 基础设施建设于2012年完成, 地震因素和人为干扰加剧了该区域生态问题, 对区域生态安全构成巨大威胁[15]。区域内地形地貌复杂, 90%是山地, 居住用地有限, 大地震的破坏加上灾后重建工程施工的影响, 使得居住环境持续恶化, 裸露土地面积大, 人工绿化面积减少, 但在近两年总体环境逐渐改善, 基础设施建设已经基本完成[20]。紫坪铺水库位于汶川大地震震中核心区域, 对该区域的景观生态格局变化进行研究具有一定代表性, 进行该研究能对自然灾害和人为干扰破坏下的小时空尺度景观生态格局变化过程进行探索, 从而分析自然与人为干扰协同作用下的小时空尺度景观生态格局变化特征。

3 研究方法

3.1 数据选取与处理

数据来源利用国内外多平台、多分辨率卫星遥感数据和航空影像数据, 对紫坪埔水库区域地震前、地震后、重建中和重建后的情况进行卫星图片收集, 以2007年、2008年、2012年和2016年4期(时间跨度近10年)Landsat TM遥感影像(分辨率为15 m)做为研究数据, 结合紫坪埔水库区域景观格局特征, 构建土地分类系统, 将紫坪埔水库区域土地利用/土地覆被类型划分成耕地、林地、湿地(滩涂)、水域(河流与水库)、人工绿地、工程用地(工程建设迹地)居住用地(集镇区与村庄)和裸露山体等8种类型, 总面积72.96 km2。利用GIS技术结合现场调研数据进行评价指标计算。

数据处理使用ArcGIS10.2软件对地图进行数字化分析, 进行耕地、林地、湿地、水域、人工绿地、工程用地、居住用地和裸露山体等用地的分布图像制作。利用景观分析软件Fragstats4.0来分析2007—2016年间的景观生态格局变化。将斑块与廊道数据统计完成后进行数据分析, 之后利用GIS直接叠加技术分析生态干扰, 绘制景观格局干扰分布图, 分析地震与人为干扰协同作用下对景观格局变化的影响, 该方法计算公式如式(1)。

其中,W是第个因子的权重值, 对得到的所有得分进行排序, 相应的值大小直接反映了评价结果。

3.2 景观格局指标选择及分类

景观格局指数指反映景观格局结构和空间配置的定量指标, 被广泛地应用于土地利用景观格局演变研究[21]。根据紫坪埔区域特征, 从景观格局的两类指标斑块与廊道入手, 其指标选择如下。

3.2.1 斑块与廊道指标

(1)斑块指数: 斑块数量()、斑块平均面积()、最大斑块占景观面积比()、斑块密度()、斑块破碎度()、景观多样性指数()、景观均匀度指数()和景观优势度指数(), 具体说明如表1;

(2)廊道指数: 廊道数量()、廊道长度()、廊道宽度()、廊道密度()、周长面积比()和廊道连通指数()等方面, 具体说明如表2。

3.2.2 斑块与廊道类型

基于紫坪埔水库区域具体情况, 选择以下景观格局类型作为评价分析对象。

(1)斑块类型: 耕地斑块、林地斑块(自然植被)、湿地斑块(河流滩涂)、水域斑块(紫坪埔主库区)、居住用地斑块(集镇与村庄)、人工绿化斑块(居民点及道路两旁绿化)工程用地斑块(工程建设迹地)裸露山体斑块。

(2)廊道类型: 河流廊道(岷江主河道及支流)、绿化廊道(人工绿化廊道)、道路廊道(都汶高速及各级道路)、护坡廊道(维护居住、河流和山体稳固的护坡)。

表1 斑块指数表

Tab.1 Plaque index

表2 廊道指数表

Tab.2 Corridor index

图2 2007—2016年景观生态格局与土地类型分类

4 景观生态格局变化特征分析

4.1 土地利用景观要素分布及变化特征

运用ArcGIS10.2软件对2007、2008、2012、2016年四期影像进行分析, 运用斑块和廊道景观指数计算公式(表1)得出景观生态格局相关的土地指标分布图(图2), 包含耕地、林地、湿地、水域、人工绿地、工程用地、居住用地和裸露山体等8类用地及各类斑块与廊道景观格局类型。

根据以上分类结果表明: 斑块类型以林地和水域为主, 2007—2016年林地面积均占到整个研究区总面积的 60%以上, 水域面积变化不大。在不同年份, 裸露山体变化最大, 其次是耕地和居住用地, 主要由于地震破坏干扰, 2012年和2016年耕地和居住用地变化较大, 主要由于人为干扰造成, 这些特征说明研究区域的景观变动剧烈(表3)。单个廊道类型中河流廊道是最长的廊道, 其次是都汶高速、省道、县道和村道为主要廊道, 护坡与绿化廊道较少较短, 且不够完善。不同年份里, 道路廊道、护坡廊道和绿化廊道变化最明显(表4)。

根据表3数据来看, 2007—2008年, 工程用地和裸露山体的面积增加, 其他用地耕地、林地、湿地、水域、人工绿地和居住用地均减少, 说明地震破坏因素造成大量破坏, 灾后重建人为干扰过程已经开始; 2008—2012年, 耕地、湿地、水域、人工绿地和居住用地大幅增加, 说明人为干扰过程产生了大量基础设施减少, 而林地、工程用地和裸露山体则减少, 说明人为干扰过程让生态恢复明显, 林地减少表明部分林地转化成其他用地; 2012—2016年, 耕地、工程用地和裸露山体减少, 说明了部分耕地进行退耕还林以及转化成建设用地, 工程用地和裸露山体减少, 说明当地建设逐渐趋于平稳, 人为干扰已经逐渐结束, 生态环境进入了自我修复阶段。

根据表4数据来看, 2007—2008年, 道路和绿化长度全部下降, 护坡长度上升说明地震破坏导致生态结构破碎化严重; 2008—2012年, 道路、绿化和护坡长度持续上升, 说明人为干扰过程带来明显变化与改善, 廊道结构趋于完整, 特别是道路长度大幅提升; 2012—2016年, 道路、绿化和护坡长度仍然增长, 说明人为干扰过程继续完善廊道结构; 此外, 从表4可以发现河流长度未发生改变, 说明人为干扰过程只影响了河流斑块的面积而没有影响长度变化。

表3 2007—2016年景观斑块面积

表4 2007—2016年景观廊道长度

4.2 景观格局变化特征分析

根据景观格局指数公式计算了紫坪埔区域的斑块数量()、斑块平均面积()、最大斑块占景观面积比()、斑块密度()、斑块破碎度()、景观多样性指数()、景观均匀度指数()和景观优势度指数()得出以下数据(表5)。

4.2.1 景观格局指数分析

表5数据可以看出, 8项景观格局指数反映了紫坪埔水库区域内不同年份景观要素变化特征, 分析结果如下:

(1)斑块总数

2007年斑块总数为2486个, 工程建设主要集中在居民房屋建设和道路建设, 居民点附近人工绿地和工程用地斑块数量增多, 说明2007年人为干扰占据优势; 2008年斑块总数大幅增加至4852个, 主要因为地震破坏和灾后重建使得该地区裸露山体和工程建设斑块数量大增; 2012年斑块总数下降至4167个, 主要因为灾后重建已基本完成, 工程建设减少, 自然恢复能力上升, 裸露山体斑块大部分减少, 耕地、水域和人工绿地逐渐增加, 说明人为干扰作用持续影响研究区域的景观格局; 2016年斑块数量持续下降至3079个, 主要因为大量护坡持续建设使得裸露山体斑块已经得到有效控制并大幅减少, 居民点建设已经完成, 耕地、水体、人工绿地和湿地斑块数量增加, 说明人为干扰开始减弱, 自然恢复力占据主导。

(2)斑块平均面积

2007年斑块平均面积0.0293km2, 说明斑块数量较少, 斑块分布较均衡, 人为干扰占据主导但不强烈; 2008年斑块平均面积0.0151 km2, 说明斑块数量较多, 斑块分布较为分散, 地震灾害和人为干扰非常强烈; 2012年斑块平均面积0.0175 km2, 说明斑块数量开始下降, 分布仍然分散, 人为干扰作用占据一定优势, 自然恢复力开始和人为干扰共同影响景观格局; 2016年斑块平均面积0.0237 km2, 开始接近2007年, 说明斑块分布开始均衡, 人为干扰持续影响景观格局, 生态恢复能力较好。

(3)最大斑块指数

2007年最大斑块指数0.7057, 说明林地占据比例很大, 生态质量良好, 自然和人为干扰较少, 没有对景观格局造成影响; 2008年最大斑块指数0.6311, 说明林地比例陡降, 主要是因为地震灾害和灾后重建人为干扰对生态环境破坏, 导致林地面积减少, 并且出现协同干扰作用, 持续影响景观格局; 2012年最大斑块指数为0.6163, 说明2008—2012年以来, 地震影响已经结束, 但人为干扰破坏了景观优势斑块, 对景观格局的影响十分巨大; 2016年最大斑块指数上升至0.6261, 说明2012—2016年, 人为干扰开始逐渐减弱, 使得林地面积有一定恢复, 景观格局逐渐均衡。

(4)斑块密度

2007年板块密度34.07个·km-2, 说明斑块数量不多, 斑块多样性不突出; 人为干扰还未体现优势性, 景观格局均衡; 2008年斑块密度66.50个·km-2, 说明在地震和人为干扰影响下斑块数量陡增, 生态环境质量下降, 景观出现多样性特征; 2012年板块密度57.11个·km-2, 说明灾后重建人为干扰对景观格局影响较大, 生态环境质量有一定恢复, 自然恢复力开始逐渐占据主导; 2016年板块密度42.20个·km-2说明人为干扰开始减弱, 并使得景观斑块多样性降低, 自然恢复力持续增加。

(5)破碎度指数

2007年破碎度很低, 只有0.192, 说明该区域景观结构完整, 没有大的破坏, 人类活动痕迹少, 生态结构完善; 2008年破碎度上升很快, 达到0.673, 说明地震灾害的影响很剧烈, 加上立刻开展的灾后重建工程建设, 导致在人为干扰与自然灾害共同作用下该区域的景观结构出现大面积破碎, 多种斑块出现, 生态结构不够完善; 2012年的破碎度下降到0.422, 主要是因为2012年该地区灾后重建基本完成, 仅剩下后续工程建设存在, 例如道路建设, 农村房屋建设等; 2016年破碎度持续下降到0.287, 说明后续人为干扰在持续减少, 使得该区域景观结构逐渐稳定。

表5 2007—2016年斑块景观格局指数

(6)多样性指数

2007年该区域的多样性指数为1.165, 说明整体景观结构较为简单, 主要以森林和水域为主, 只有少数人为活动痕迹, 生态系统相对比较完整, 波动不大; 2008年多样性指数上升到1.357, 说明在地震灾害和人为建设作用下出现大面积裸露区域, 使得多样性上升; 2012年多样性指数持续上升到1.642, 说明在人为干扰下, 该区域出现大量新的景观斑块和廊道, 特别是都汶高速和大量新增道路加上新建居民点使得景观格局出现多样化; 2016年多样性指数减少到1.279, 说明该区域在人为干扰下景观格局趋近完整, 裸露区域减少, 新景观格局和旧景观格局出现融合, 生态系统也趋于稳定, 景观异质性降低。

(7)均匀度指数

2007年均匀度指数为0.726, 说明该区域结构完善, 景观要素分布均匀, 未受到大破坏; 2008年, 均匀度下降到0.305, 说明地震灾害和人为干扰共同作用下, 景观要素出现零散分布, 大小不一; 2012年均匀度为0.518, 说明人为干扰占据主导, 生态环境逐渐恢复; 2016年均匀度为0.652, 说明人为干扰逐渐结束, 景观要素趋近融合。

(8)优势度指数

2007年优势度为0.329, 说明景观要素较为均衡; 2008年优势度为0.753, 优势度的增加, 表明优势景观类型的份额增加, 单一组分对景观的控制作用增强, 这主要是因为研究区受地震灾害和人为干扰共同影响下, 裸露区域陡增, 占据了大量景观格局份额; 2012年和2016年优势度下降说明近年来的人为植树造林和退耕还林过程使林地所占比例进一步提高, 加上裸露区域减少以及道路和房屋建设完成, 使得景观要素更为均匀。

4.2.2 景观格局干扰分析

利用GIS直接叠加技术分析景观生态干扰, 绘制景观格局干扰分布图(图3), 分析地震与人为干扰协同作用下对景观格局变化的影响, 其结果如下:

(1)2007年干扰特征

通过2007年干扰分布情况可以看出, 干扰较强的地区是水库沿岸一带, 干扰较弱的地区主要位于研究区的东部和北部, 并且逐渐向外围扩散; 研究区大部分为极轻度和轻度干扰, 由于地处高山峡谷地区, 人为干扰很少; 重度干扰主要分布在紫坪铺、龙池、漩口和映秀四个镇区及周边耕地, 且分布较为集中, 极重度干扰分布在映秀镇往卧龙镇方向河道附近, 且面积很小。

(2)2008年干扰特征

通过2008年干扰分布情况可以看出, 相对2007年, 极重度和重度干扰区占据大量面积, 围绕水库周边曾均衡分布; 由于地震破坏出现大量裸露山体, 加上水体侵蚀作用, 紫坪埔水库周边和省道S303线(映秀—卧龙)两侧山体, 水土质量较差, 山体垮塌面积加大, 干扰非常明显; 人为干扰快速进入后, 四个镇区裸露工程迹地增多, 景观连通性大幅降低, 导致裸露山体和工程迹地成为优势景观斑块; 大量道路建设增加了新的劣质景观廊道, 破坏了原有景观生态廊道, 将轻度干扰区打散分化, 导致生态环境质量严重下降。

(3)2012年干扰特征

通过2012年干扰分布情况可以看出, 相对2008年, 干扰分布出现明显变化, 从大面积沿水域周边集中分布变为小面积沿水域两侧分散分布, 并出现大量轻度干扰区域, 主要是人为干扰和其他小部分次生灾害干扰; 由于灾害重建已经全面完成, 原有基础建设工程迹地由重度干扰变为中度和轻度干扰, 都汶高速和部分乡村村道建设完成, 形成新的景观廊道, 改善原有景观质量, 但省道S303线(映秀-卧龙)两侧由于次生地质灾害影响, 加上人为干扰进行道路重复建设, 景观格局一直处于极重度和重度干扰下。

(4)2016年干扰特征

通过2016年干扰分布情况可以看出, 相对2012年, 干扰分布更加分散, 极重度干扰区主要分布在省道S303线(映秀-卧龙)两侧以及漩口镇镇区附近, 重度干扰仍然沿水域周边分布, 但干扰面积大幅减少并更靠近水域, 中度干扰主要集中在居住区周边, 轻度干扰和极轻度干扰区大面积出现; 大面积极重度和重度干扰区已经大幅减少, 开始被中度和轻度干扰区逐渐“渗透”和“分解”, 人工环境和原有自然环境逐渐融合, 有效地分散了极重度和重度干扰区, 促使中度干扰和轻度干扰区互相连接产生生态互补效应。

图3 2007—2016年景观格局干扰分布

5 结论

通过对紫坪铺水库区域2007—2016年在地震后人为干扰作用下景观格局变化特征进行研究, 可以得出如下结论:

(1)研究区土地利用景观要素发生了明显变化, 主要表现为耕地面积略有增加, 林地面积大幅度减少, 人均所占耕地比例大幅下降, 水域减少, 湿地、人工绿地、工程用地和居住用地增加, 土地利用变化最明显的区域主要集中在人口集中的镇区和灾后人工恢复的裸露山区。

(2)由于人为干扰, 紫坪铺水库区域的景观斑块数先快速上升, 后逐渐下降; 斑块平均面积先下降后逐渐上升; 最大斑块指数先持续下降至2012年, 2016年后逐渐上升; 斑块密度先大幅上升后逐渐下降。此外, 破碎度指数、多样性指数和优势度指数先上升后下降, 均匀度指数先下降后上升, 研究区域内景观异质性程度有所降低。廊道要素里的道路、护坡和绿化的长度持续增加, 而河流廊道长度没有变化。

(3)2007—2016年, 极重度和重度干扰区被“渗透”和“分解”, 出现大量中度、轻度和极轻度干扰区, 说明人为干扰对研究区域的景观格局变化和生态恢复具有积极作用。

(4)紫坪铺水库区域地处龙门山断裂带, 震后地质隐患较多, 未来次生灾害还将长期处于活跃状态, 应在该区域减少人为干扰, 从人工生态修复以转为自然修复; 本次研究受遥感图像分辨率和图像时间的限制, 在进行土地利用类型和景观要素分类解译时存在一定不足, 未来将在图像分析上有待于进一步提高; 人为干扰对生态环境的化学影响过程研究还需要多次深入灾区进行生态环境评估和定位监测, 以便对该区域生态修复工作的顺利进行提供技术支持。

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Changes characteristics of small space-time scales landscape patterns under earthquake and human disturbance: an example of Zipingpu Reservoir

PENG Bo1, YANG Jian2*

1. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 611756,China 2. Faculty of Applied Technology, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010, China

Using the method of landscape pattern index analysis and GIS technology, this paper combined the satellite remote sensing images of 2007, 2008, 2012 and 2016 to study the landscape pattern of Zipingpu Reservoir area under the influence of earthquakes and human interference change characteristics and interference distribution characteristics. Results are as follows. (1) The landscape elements of land use in the study area changed obviously; the area of arable land increased slightly; the area of forest land decreased significantly; wetland, artificial green space, engineering land and residential land increased, and the areas with the most obvious land use change were mainly in the township and post-disaster recovery bare mountain area. (2) The number of landscape patches in Zipingpu Reservoir firstly increased rapidly and then decreased gradually; the average area of patches first decreased and then gradually increased; the maximum patch index increased gradually and then increased gradually; the patch density first increased and then decreased gradually; the degree of fragmentation index, diversity index and dominance index firstly increased and then decreased; while evenness index increased first and then decreased, and the degree of landscape heterogeneity in the study area decreased. The length of roads, revetments and greenery in corridor elements continued to increase. Corridor length was not changed. (3) From 2007 to 2016, severe and severe disturbance areas were heavily infiltrated and decomposed, showing a large area of moderate, mild and minimal disturbance areas, indicating that the change in landscape pattern and ecological restoration of the study area caused by human disturbance had a positive effect.

earthquake; human disturbance; small space-time scale; landscape pattern; GIS

P901; X826

A

1008-8873(2018)01-136-09

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.018

2017-03-09;

2017-04-07

四川省科技厅科技支撑项目 (2014SZ0058)

彭勃(1986—), 男, 四川绵阳人, 博士生, 讲师, 主要从事生态修复与景观生态格局研究, E-mail: 56353309@qq.com

杨剑(1963—), 男, 四川绵阳人, 博士, 教授, 主要从事景观生态格局研究, E-mail: yangj616@126.com

彭勃, 杨剑. 地震和人为干扰下紫坪埔水库小时空尺度景观格局变化特征 [J]. 生态科学, 2018, 37(1): 136-144.

PENG Bo, YANG Jian. Changes characteristics of small space-time scales landscape patterns under earthquake and human disturbance: an example of Zipingpu Reservoir[J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 136-144.