基于土地利用的丹江胡村—商镇断面控制流域景观格局研究

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(1. 西安外事学院 人文艺术学院， 陕西 西安 710077； 2.江西农业大学 林学院/园林与艺术学院， 江西 南昌 330045)

景观格局(也称空间格局)，是指斑块及其组成的单元类型、数量和空间布置等[1]，对景观格局的分析已成为景观生态规划、建设、管理及评价等各方面应用的重要基础。景观的空间格局对控制物质、能量、信息的传递及其功能的发挥过程和形式有一定的影响[2-3]，在很大程度上决定着景观性质的变化。从对景观格局的数据分析中揭示出看似无序的景观生态现象的内在规律，能将景观的空间特征、时间的动态变化机制以及对景观格局产生影响的外界因素表现出来，能够为研究景观格局和生态过程之间存在的作用关系提供理论上的支持。

自然界中存在最多且占据重要地位的景观类型就是土地利用景观，这种景观受到自然环境和人为活动的影响比较大[4-5]。在景观空间分析过程中，土地利用的景观格局指数是一个重要的指标，这种方法的存在加大了空间格局和度量生态之间存在相互联系的可能性[6]。利用景观生态学的原理和方法对区域内景观格局的一系列结构变化进行深入的研究，在区域尺度上分析人为影响下土地利用类型的变化以及功能发生变化的规律就是土地景观格局的变化分析过程，这一过程的存在表明了在景观区域内人地之间的关系存在着动态的变化[7-8]。

本文中利用丹江上游1985、1996及2000年土地利用数据和数字高程模型(DEM)为基本数据源，在地理信息处理软件ArcGIS支持下，结合景观格局分析软件FRAGSTATS 3.3对丹江上游胡村、麻街、南秦化、南秦贺、商镇共5个断面控制流域景观格局进行研究，从流域不同尺度上理解景观格局，认识人类的社会活动对该流域的景观格局以及生态过程产生的影响，从而确定人类各种不同强度的干扰活动导致该地区景观格局改变的强度、方向性以及有效性，对该流域土地利用管理及区域规划的合理布局提供数据，更为本区域可持续发展提供参考。

1 研究方法与内容

1.1 研究区概况

丹江是长江流域中较为重要的一条分支， 它始于秦岭南麓， 经过了陕西、 河南、 湖北省， 于湖北省丹江口汇入汉江。 丹江流域面积为16 812 km2(其中陕西省境内流域面积为7 552 km2)，干流全长443 km(其中陕西省境内长为259 km)。 胡村、 麻街、 南秦化、 南秦贺、 商镇这5个断面控制流域属于丹江水系(图1)， 地理位置位于东经109°30′8.841″—110°22′51.798″，北纬33°37′6.652″—34°11′9.912″。受气候和地形的影响，丹江流域降水量分布极不均匀，山地为多雨区且多暴雨，河谷及附近川道为少雨区。气候季节性变化导致径流不平衡，在某些季节会出现枯水期，这个时期水源主要来自地下水，它的供给虽然小但很稳定。1989年我国开始实施长江上游水土保持重点防治工程，营造经济林和生态林，因而规划区内居民根据种植及生产的需要，土地利用方式由单一农地向多种类型发展。

图1 丹江上游5个控制断面分布示意图

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源与处理

DEM数据主要来源于网站http://datamirror.csdb.cn。该数据集利用ASTER GDEM第1版本(V1)的数据整理而来。在研究区域内的空间分辨率是30 m，经过投影会转变为安全网关(UTM)的数字高程数据，数据被下载之后采用ERDAS 9.1软件进行处理。经过上述过程分析处理后形成研究区DEM，同时对生成的丹江流域DEM进行填挖预处理、水流流向生成、提取河网、生成小流域、生成各断面控制流域数据处理。

研究采用我国1985、1996及2000年的1∶10万土地利用数据，该数据来源于网站http://westdc.westgis.ac.cn，从中国科学院“八五”重大项目“全国环境遥感宏观调查与动态研究”(96-B02-01)数据库中获得。该数据采用美国陆地卫星Landsat MSS、TM和ETM等信息源，并请该领域的专家对数据进行认知，结合研究区的地形进行解译得到。数据库在经过了严格的野外考察之后发现，准确率近乎100%。

由于研究区域范围广，因此为了确保研究所得到数据的准确性及科学性，对土地利用分类中存在的二级地类进行合并，建立一个地理信息系统(GIS)数据库，数据库包含6种不同的土地利用景观类型，然后运用ArcGIS系统在Spatial Analyst空间分析模块支持下，将土地利用矢量数据转换为分辨率30 m的栅格数据后在分析计算中使用。

1.2.2 分析方法

首先使用定量方法进行分析，利用景观指数对景观格局特征及其变化规律进行相应的描述，并对构建景观格局和流域内景观过程之间的联系进行分析[9-10]。在计算过程中，通过分析对景观格局指数有效性产生影响的因素发现，空间尺度、数据分辨率、各景观指数生态学意义的可解释性和相关性4个因素影响作用较大，同时土地利用分类方法因素的影响也较大。

其次应用景观格局分析软件FRACSTATS 3.3对5个控制断面流域的参数进行分析并计算出相关指标，方法参照《FRAGSTATS 3.3操作手册》。FRAGSTATS软件把景观指标按一定条件进行分类后得到3种级别，即斑块级别(patch level)、斑块类型(class level)、景观级别(landscape level)。FRAGSTATS软件所能计算的指标大多都存在一定联系。由于丹江流域河谷众多，考虑到当地社会经发展现状及地形地貌因素，同时兼顾景观生态学、美学因子，因此在选择景观指标时选择的是斑块密度(PD)、斑块个数(NP)、蔓延度指数(CONTAG)、Shannon均匀度指数(SHEI)、聚集度(AI)、边缘密度(ED)、Shannon多样性指数(SHDI)、周长-面积分维数(PAFRAC)、面积加权形状指数(SHAPE-AM)共9个指标； 在类型级别上分析景观指标时重点选用了NP、 最大斑块指数(LPI)、 PD、 ED、 PAFRAC、 面积加权的周长面积比(AREA-AM)、 SHAPE-AM、 聚集度(AI)、 最大形状指数(LSI)、类型分离度(SPLIT)共10个指标。2种级别的景观格局指数可以综合反映区域土地利用的分布状况、连通程度、多样性及受人为干扰的程度，且所反映的上述指标能够全面反映景观格局中存在的问题。具体的计算方法与生态学意义详见文献[11-15]。

2 结果与分析

2.1 研究区土地利用变化特征

表1所示为丹江胡村—商镇断面控制流域土地利用年际变化。控制流域总面积为2 308.35 km2，其中在1985—2000年期间，胡村断面控制流域内各种土地利用类型基本上没有发生大的变化，土地利用保持稳定。

在这16年中，麻街断面控制流域内耕地和林地面积先减少后增加，耕地最终增加0.78%；而草地是先增加后减少，最终减少0.2%，其原因是经济发展和人口增加，需要更多的耕地来种植。南秦化断面控制流域内耕地面积持续增长，增长比例为0.54%；林地面积有所减少，减少比例为0.12%；草地面积持续减少，减少比例为0.42%。

1985—2000年期间南秦化断面所在地区人口的持续增长使得耕地面积整体呈增加态势， 而耕地面积的增加主要是通过林地和草地的转变而得以实现。南秦贺断面控制流域内耕地面积最终仅增加0.04%；林地面积是先减少再增加，但最终减少0.01%；草地面积是先增加后减少，最终减少0.08 km2； 建筑用地增加近0.04 km2， 草地主要转变为耕地和建筑用地， 而且建筑用地与耕地变化较为明显。商镇断面控制流域内耕地和建筑用地最终分别增加0.28%、 0.03%；林地和草地面积最终分别减少0.04%、 0.27%，原因是大量的人类活动导致林草区域被破坏。

图2所示为丹江胡村—商镇断面控制流域土地利用空间变化情况。 胡村断面位于流域最上游， 分布有大面积山区， 当地居民多以务农为主， 因而林地面积比例最大。 沿丹江干流向下游延伸， 人口密度及经济发展水平逐渐增加， 麻街断面控制流域已出现多处畜牧业用地， 并进行了畜牧示范户建设。 南秦化、 南秦贺断面地区畜牧产业得到了快速发展，对林地的破坏程度增大。商镇断面控制流域交通便利， 基础设施齐全， 经济社会发展势头迅猛， 工业、 畜牧业、 城镇化等方面都较上游各断面控制流域好。可以看出，林地占各断面控制流域面积的比例在减小(由48.83%减小至31.49%)，说明随着流域总面积的增加，林地渐渐从原来的优势景观类型变成了现在的劣势景观，代替其地位的草地景观类型占据的总面积比例从24.35%增加至41.73%。大、中、小城市往外扩展和新农村建设的实施也导致了建筑用地增加。各断面控制流域从上游至下游方向耕地面积增加，主要原因是人口的增加使得粮食生产需求日益迫切，其比例的波动性变化主要缘于流域总面积增长幅度与耕地面积增长幅度相互制约。

表1 丹江胡村—商镇断面控制流域土地利用年际变化

图2 丹江胡村—商镇断面控制流域土地利用空间变化

2.2 景观格局指数变化特征

2.2.1 各断面的景观级别指数变化

丹江胡村—商镇断面控制流域的景观格局指数见表2。从表中可以看出，从上游到下游方向各断面的NP指数依次增大，这与其各自控制断面流域面积增加相符。 通过数据分析可知， PD指数越大， 景观的破碎化程度以及空间异质性程度就越高， 表2中PD数值从上游至下游方向呈现先增大后减小的趋势， 南秦化断面控制流域PD值最大(0.948)，说明在南秦化断面控制流域景观类型破碎度较高，人为干扰较大； ED指数也以南秦化断面最大(51.197)，表明其斑块边缘割裂度高， 连通性较差； ED值越小则景观保存越完好，连通性越好，以商镇断面控制流域为最好。

表2 丹江胡村—商镇断面控制流域的景观格局指数

SHAPE-AM指数是度量景观形状的一个重要指标。当斑块形状在最大程度上紧凑类似正方形时，SHAPE-AM值为1；如果斑块的形状变得越来越复杂，SHAPE-AM指数值也会越来越大且不存在最大值。在表2中，SHAPE-AM数值从上游至下游方向呈现出逐渐增大的趋势，表明胡村—商镇各断面斑块形状不规则度增加，仅在商镇断面有微弱减小，分布规模越来越趋向复杂。

PAFRAC指数的存在主要是为了表达不同类型中景观所呈现的聚集程度及延伸趋势，高蔓延度值说明该类型下的景观中存在某种优势明显的拼块类型且聚集程度较高，低蔓延度值则说明景观的破碎程度高。PAFRAC呈现逐渐增加的态势，这与SHAPE-AM所体现出的景观类型特征一致。

SHDI指数主要反映景观类型的数量以及它们所占据的比例，是斑块的丰富度和面积分布均匀程度的综合反映。表2中胡村—商镇断面的SHDI指数逐渐增大，说明随着面积的增加，各断面土地利用愈加丰富，景观破碎度逐渐增加。

SHEI指数是SHDI指数除以给定景观丰度下的最大可能多样性[16]，其数值范围为0～1。当数值越接近于1时，表明景观中各个类型的斑块分布是较为均匀的，不存在优势斑块。各断面均匀度指数在波动中降低的趋势说明其景观类型分布均匀度降低，与SHDI的变化趋势一致。

AI指数能够很好地反映出景观中斑块的聚集程度[12,15]，研究区域内该数值与均匀度指数基本呈相反的规律，从总体上看，5个断面从上游至下游方向相同斑块类型连接度逐渐增加，各景观类型的空间配置趋向集中。

斑块间散布和分散程度对CONTAG指数有较为重要的影响。表2中CONTAG指数在各个断面的变化趋势是逐渐增大的，表明人类对绿洲景观的开发、利用程度的加强，最终导致景观多样性、均一性的逐年降低。

2.2.2 不同景观类型景观指数分析

1)耕地景观变化。丹江胡村—商镇断面控制流域不同景观类型的景观指数见表3。从表中可以看出，从流域上游至下游方向耕地景观类型的PD指数以南秦化为最大(0.162)，说明其景观破碎化程度最高，空间异质性也最高；LPI、ED指数逐渐减小，同时整体大于其他景观类型；LSI、AREA-AM、SHAPE-AM、PAFRAC、AI和SPLIT指数均呈增大趋势，同时耕地LPI、ED和AREA-AM指数整体大于其他景观类型，表明随着流域控制面积的增大，从上游至下游方向耕地景观类型形状趋向复杂，人为干扰强度逐渐增加，破碎程度增加。

2)林地景观变化。林地景观的NP、LSI、PAFRAC和SPLIT指数逐渐增大，LPI、ED、SHAPE-AM和AI指数总体呈减小趋势，仅ED指数在南秦贺断面有微小增加，表明胡村—商镇断面林地景观类型的斑块形状逐渐复杂，不规则度增加，人为活动影响逐渐减小，但斑块之间较为相邻连通性较好。

3)草地景观变化。草地景观格局指数变化较为复杂，其中ED指数以南秦贺断面控制流域最大，表明该控制流域内景观割裂度较高，连通性低；而NP、LSI、PAFRAC和AI指数以最靠下游方向的商镇断面控制流域最大，表明随着控制面积的增大，草地景观的斑块表现聚集的趋势，并且连通性逐渐增加；SPLIT指数以南秦化断面控制流域最大(243.3)，表明在该小流域内草地割裂程度较高，分布较为分散，景观保存较差，连通性低。同时草地PD指数大于其他景观类型，表明草地受人为干扰较大破碎度和空间异质性最高。

4)水域景观变化。 水域景观的ED、LSI、AREA-AM和SHAPE-AM指数随着控制流域面积的增大呈现增大的态势， AI和SPLIT指数则减小， 说明该水域内的景观分布较为散乱， 且各个斑块之间的联系也很弱， 但从另一个侧面说明了该水域存在扩张现象。

5)居民建设用地景观变化。建设用地景观的PD、ED、LSI、AREA-AM、SHAPE-AM、PAFRAC和AI指数均表现出增大的趋势，而SPLIT指数的波动范围却减小了，这一现象表明建设用地景观的聚集度增大，与此同时，其地形也变得更加复杂，相比其他景观类型，其连接性与聚集程度也越来越高。

6)未利用土地的景观变化。未利用土地仅在南秦贺、商镇断面控制流域出现，与其他景观相比PD指数最小，SPLT指数最大，其他各项指数都相对较小，尤其AI指数均小于其他景观类型，表明未利用土地受人类活动影响较大，大斑块逐渐破碎成小斑块，斑块更分散不稳定性愈强。

表3 丹江胡村—商镇断面控制流域不同景观类型的景观指数

3 结论

本文中通过对丹江胡村—商镇断面控制流域土地利用及景观格局的分析，初步得出以下结论：

1)经济发展和人口增加使得研究区域从上游至下游方向流域整体表现出林地、草地景观面积减少的趋势，并逐渐向耕地景观转化。

2)丹江胡村—商镇断面控制流域的总面积为2 308.35 km2， 从上游到下游方向优势景观类型渐渐从林地变为草地，耕地景观类型占总面积比例为波动性变化；随着社会的发展，大、中、小城市逐渐开始往外扩展，国家实行新农村建设都导致了建筑用地的增加。

3)在景观级别上，胡村—商镇各断面斑块形状不规则度增加， 分布规模越来越趋向复杂。沿丹江上游至下游方向， 随着控制流域面积各断面土地利用愈加丰富， 人类对景观的开发、利用程度不断加强， 最终导致景观破碎度逐渐增加， 景观多样性、 均一性随之逐年降低，各景观类型的空间配置趋向集中。

4)根据对类型级别的景观格局指数的分析可以看出，从上游至下游方向，耕地、建筑用地景观类型形状趋向复杂，人为干扰强度逐渐增加，破碎程度增加；随着封育措施不断发挥作用，林地、草地景观类型均表现出聚集的趋势，且连通性逐渐增加；未利用土地受人类活动影响较大，大斑块逐渐破碎成小斑块，斑块不稳定性增强。

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