抚河中上游流域景观格局演变研究

朱亚楠，李满根，胡宝群，翟宏宇

(东华理工大学，江西 南昌 330013)

近30多年来，中国城市化进程不断加快，城镇化率由1979年的17.92%上升到2014年的53.73%，增长近2倍。人口的增加和城市的扩张使得景观格局越来越复杂，生态过程及功能受格局的影响也不断发生变化，表现为景观受到强烈的分割与转化，引发了高敏感性、脆弱性和频发性的生态环境问题[1-6]。景观格局及其变化是区域生态环境在自然因素和人类活动相互作用下的综合反映,同时景观结构的变化又影响着区域的生态过程[2-4]。因此，研究景观格局演变是探讨生态状况、空间变异规律以及与生态过程相关的区域资源环境问题的重要途径[5]。

抚河流域生态本底良好，具备使抚州绿色崛起、跨越发展的生态环境基础。但随着经济社会发展与人口的增长，工业化、城镇化进程加快，抚河流域生态环境仍有恶化趋势。本文以抚河流域中上游为研究区，借助2001年、2009年、2017年3期的遥感影像，采用景观格局指数分析法，分析了抚河流域中上游景观格局的时空变化特征，为流域资源合理开发利用与环境可持续发展提供科学参考。

1 研究区概况

抚河流域地处江西省东南部，属于鄱阳湖水系，是江西省第二大河流。抚河干流河长约344 km，流域面积16493 km2。抚河中上游(抚州境内)长301.4 km，面积15608.81 km2，占全市面积的82.95%，属低山丘陵区，流域地势自东南向西北倾斜(图1)。抚河流域属亚热带季风湿润气候区，雨量充沛，全流域多年平均降水量为1720 mm，多年平均蒸发量为1100 mm，流域内各地区平均气温在17.4～18.3 ℃之间；流域以红壤为主，沿河两岸分布冲积土，为农作物主要产地。

图1 抚河中上游位置示意图

2 数据来源及研究方法

2.1 数据的来源与处理

本研究选取了2001年、2009年、2016年3期Landsat TM/OLI影像。运用ENVI 5.1软件进行大气校正、镶嵌裁剪、图像增强等预处理，结合Google Earth影像，采用监督分类及人工目视解译方法，得到3期景观类型图。具体参照2017年全国土地利用分类系统标准(GB/T21010─2017)及景观类型分类原则，分为林地、农用地(包括耕地和园地)、建设用地、水域、滩地、草地及其他用地7类。

2.2 景观结构变化分析

在ArcGIS中构建3期景观类型图的转移矩阵，分析研究时段内各类型的转移变化情况，具体刻画景观类型的构成变化特征及研究期初、期末各类型的流向[6-7]。转移矩阵的数学表达形式如式(1)：

(1)

其中，S代表面积，n代表景观类型个数，i、j分别代表研究期初、研究期末的景观类型，Sij表示i地类转向j地类的变化面积。

2.3 景观格局变化的分析

景观格局的研究主要集中于空间异质性和时间异质性2个方面[8-9],包括景观结构在空间分布的复杂性、景观结构在不同时段的差异性[10]。景观指数是定量分析景观格局的常用方法，能够高度浓缩景观格局信息，反映景观结构的组成和空间配置等方面特征[11-12]。本文结合抚河流域中上游的实际情况及各景观指数的实际意义，从斑块类型水平和景观水平2个方面，选取了8个指标(表1)，在Fragstats 4.2软件中计算景观格局指数。

3 结果与分析

3.1 景观总体构成的动态变化

运用GIS软件统计3期遥感影像分类结果，分析抚河中上游流域3个时期的景观类型数量特征。从表2可知，抚河中上游流域在2001～2017年间，景观类型以林地和农用地景观为主，水域及建设用地景观次之，草地、滩地及其他用地景观占比极少，研究期内的3种景观共占比约为1%。研究期内，建设用地景观面积持续增加，2001～2017年增加了34492.5 hm2，增长幅度为99.49%；农用地、林地和水域面积持续减少，16年间分别减少了3.00%、1.62%和21.62%；草地、滩地景观面积呈先减少后增加的趋势，但研究期内总体仍呈减少趋势；抚河流域中上游的其他用地景观面积持续增加，2001～2009年变化较大，为115.90%；2009～2017年增幅稍微减小，为84.99%，主要是其他用地景观中包含将转化为建设用地的裸露土地，所以随着城市化进程的加快，其面积也相应增多，与建设用地景观变化趋势基本一致。

表1 景观格局指数

表2 抚河流域中上游2001～2017年的景观变化

3.2 景观类型的转移特征

景观类型的动态变化除了其数量特征，还可以从各景观类型间的转化上体现。通过构建抚河中上游景观类型转移矩阵，分析各景观类型的转移方向(表3)。抚河中上游景观类型的转化主要是农用地和建设用地、林地和建设用地、农用地和林地之间的相互转化，以农用地和林地转出，建设用地的转入为主要特征。2001～2009年农用地、林地面积减少，农用地主要转向林地和建设用地，分别转化了68107.05、23166 hm2；林地主要转向农用地和建设用地，分别转化了9683.93、6865.65 hm2；2001～2009年建设用地面积大幅增加，建设用地的增加主要由农用地转化而来，部分来自林地和水域。2009～2017年农用地、林地及水域面积持续减少，农用地的面积减少幅度有所下降，建设用地面积持续增加，但增长幅度有所减缓。2009～2017年农用地、林地、建设用地的主要转变方向基本不变，但是林地向建设用地转化的面积增加，农用地转化为建设用地的面积减少。

3.3 景观格局的变化特征

3.3.1 斑块类型水平的景观格局变化 2001～2017年抚河中上游流域农用地和其他用地2种景观类型的NP指数呈增加趋势，林地、草地、建设用地和滩地的NP指数呈“先减后增”的趋势(图2)。研究期内，抚河中上游林地的LPI指数始终处于较高水平，且远超过其他景观类型(图3)，且林地景观的面积占研究区总面积70%以上，表明林地景观是抚河中上游的优势景观类型；农用地景观的LPI指数相对较高，建设用地、草地、水域、滩地及其他用地景观的LPI指数均较小(图3)。2001～2017年间林地景观和农用地景观的LPI指数持续降低，但林地的变化幅度不大，而农用地的变化相对剧烈，表明抚河中上游区域林地景观一直保持优势，农用地景观的地位稍有降低；建设用地景观的LPI指数不断增大，且变化剧烈，表明建设用地的优势度不断增长，建设用地景观中大的斑块面积不断增加；草地、滩地及其他用地景观的LPI指数在2个研究阶段均呈增加趋势，但变化不明显。

图2 2001～2017年NP指数的变化

从图4可知，2001～2017年间，林地、农用地、水域的COHESION一直处于较高水平，且研究期内变化幅度不大，表明这3种景观的斑块的破碎化程度较小，且聚集程度较大；建设用地景观的COHESION指数呈增加态势，2001～2009年变化剧烈，2009年后变化幅度减小，表明建设用地景观集聚程度增加，建设用地的空间上趋于集中分布；草地、滩地、其他用地的COHESION指数呈先增后减趋势，草地、滩地景观的变化不明显，研究期内集聚程度相对平稳；而其他用地景观2001～2009年的COHESION指数明显增加至较高水平，2009年后稍有下降，表明其他用地景观的集聚程度由2001年的较低水平明显提高后趋于平稳发展，同时反映了其他用地景观中因建设规划而转为裸露地表的景观集聚程度较高。

表3 抚河中上游2001～2017年景观类型的转移矩阵 hm2

图3 2001～2017年LPI指数的变化

3.3.2 景观水平格局变化 研究区2001～2017年的PD指数呈先减后增趋势，但总体降低，CONTAG、AI指数不断降低(表4)，说明研究区的景观破碎化程度有所增长，景观的空间连接性减弱，景观斑块的聚集程度降低，大斑块数量有所减少；SHDI指数呈不断增长态势，说明抚河中上游区域景观异质性增大，景观类型不断丰富，景观趋向于复杂化；SHEI指数相对较小，但不断增加，说明抚河中上游流域景观仍受优势种林地所支配，但随着社会经济的发展和基础设施的建设，各景观类型在研究区内逐渐趋向于均衡发展。

4 结论

本文以2001、2009、2017年抚河中上游地区TM和OLI遥感影像数据为基础，经解译其景观类型，研究了抚河中上游地区景观类型变化及各景观类型转移特点，然后运用景观格局指数，分析了研究区景观格局变化特征。结果如下。

图4 2001～2017年COHESION指数的变化

年份PDCONTAGSHDIAISHEI200117.832669.53230.794889.36530.4084200916.165768.69070.819488.76590.4211201717.351167.52710.844388.13360.4339

(1)从景观总体构成变化来看，林地和农用地是抚河中上游流域的主要景观类型，水域及建设用地景观次之，2001～2017年间，抚河流域中上游的建设用地景观和其他用地景观面积呈增加趋势，林地、农用地和水域景观面积持续减少，草地、滩地景观面积虽呈先减少后增加的趋势，但整个研究期内面积是减少的。

(2)从景观转移动态变化来看，抚河中上游景观的转化主要是农用地和建设用地、林地和建设用地、农用地和林地之间的相互转化，以农用地和林地的转出，建设用地的转入为主要特征。

(3)从景观格局动态变化来看，斑块类型水平上，林地景观始终是抚河中上游流域的优势景观，农用地次之，且分布较为集中，但农用地景观的地位稍有降低；建设用地景观优势度不断增长且趋于集中分布。在景观水平上，抚河中上游流域景观破碎化程度增加，连通性降低，异质性增大，景观类型不断丰富，且研究区内各景观趋于均衡化发展。