丹江口水库库周景观格局动态变化分析

2019-09-10秦钰莉文力魏鹏飞李权国李学敏

人民黄河 2019年4期

秦钰莉　文力　魏鹏飞　李权国　李学敏

摘要：运用ENVI5.0软件对丹江口水库区域1987年、1997年、2007年、2017年4个时期的遥感影像进行土地利用分类，通过景观格局指数研究分析景观格局的动态变化特征。研究结果表明：在研究期内，受人类活动和政府政策影响，丹江口水库库周耕地面积波动幅度较大，裸地面积出现了大幅度下降，林草地、水域和建设用地面积增加;在经济建设和人类活动影响下，景观的空间格局指数变化较明显，丹江口水库及周边区域的整体景观形状趋于复杂化，各类土地利用类型的破碎化程度提高;政府政策和水库蓄水是丹江口水库库周景观格局变化的重要驱动力。

关键词：景观格局;景观格局指数;土地利用;驱动力;丹江口水库

中图分类号：P901

文献标志码：A

doi：10. 3969/j.issn. 1000- 1379.2019. 04.015

景观是多个生态系统构成的不同地理区域或不同土地利用方式的镶嵌体[1]，包括景观要素的类型、数量、空间分布和配置[2-4]。景观格局变化对生态环境有重要影响，通过景观格局分析和运用景观格局指数定量获取景观要素的空间分布特征，可以为进一步研究景观功能和景观格局动态变化提供基础信息[5-6]。基于研究分析结果，在社会经济活动中对景观格局分布进行优化，预测景观的变化趋势，并制定景观管理和保护措施[7-8]。

在生产活动和经济建设中，生态环境是可持续发展的保证，也是人类生存和发展的基础。随着经济社会的快速发展，人类对自然资源长期过度开发和利用，生态环境问题日益严重，主要问题有森林和耕地面积减少、土地退化、环境污染等。丹江口水库目前水位还未达到175 m，若水位达到175 m，则库区水面面积增大，原来的村庄和田地被淹没，土地覆被和景观格局将发生很大变化。因此，有必要基于景观生态学的相关理论，动态监测丹江口水库及周边区域土地利用类型变化，探究在自然和人为驱动力影响下景观格局的动态变化特征，研究和分析人地关系、地表植被数量和质量变化等问题对景观格局动态变化的影响，进而建立健康的库区生态系统，维持库区生态平衡。

1 研究区概况

丹江口水库库区涉及河南和湖北两省，位于汉江中上游。丹江口水库分为汉江库区和丹江库区，南起丹江口市浪河镇、武当镇，东起丹江口市区，西至郧县，北到淅川县。丹江口水库水量丰富，水质良好，是调水和引水工程的理想水源地。丹江口水库具有养殖、发电、航运、防洪以及旅游等综合效益。丹江口水库库周属于亚热带季风气候区，夏季受季风影响，高温多雨;冬季高压南下，受地形阻挡，到达丹江口水库区域势力削弱，温和少雨。年平均降水量804.3 mm，年平均气温15.8℃。土壤以山地黄壤和黄褐土为主，也有少量紫色土发育，土壤较肥沃，土层厚度为20-40 cm。该区域地质构造十分复杂，西北以山地为主，地势高，坡度大;东南地势比较平坦，主要由一些河谷平地组成。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及处理

原始遥感影像数据来源于地理空间数据云（ http：//www.gscloud. cn），从中选择丹江口水库及周边地区1987年、1997年、2007年3期Landsat4- STM影像数据，以及2017年landsat8 0LI_TIRS影像数据，影像数据时相上以上半年5-6月为主，辅助数据为区域1：5万地形图及不同时期的统计年鉴等。

对各类数据资料进行预处理，建立影像解译标准，制定野外实地调查路线，结合地形图和GPS定位技术对丹江口水库及周边区域的土地利用类型和景观特点进行采样、记录，确定其类型特征。在ENVI5.0软件平台上，根据野外调查结果和谷歌地球卫星影像地图建立样本区，结合《土地利用现状调查技术规程》将丹江口水库及周边地区土地利用类型分为耕地、建设用地、林草地、水域和裸地5种，利用最大似然法[9]进行监督分类，得到4个时期的土地利用类型，见图1。

2.2 研究方法

景观格局指数是能高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置的定量指标[1O-11]。景观格局指数的选取原则是可以反映整个景观水平或各类斑块的变化，且相关性比较小，能够表现景观的组成和结构。本研究主要从面积、聚集度、形状和多样性测量指标中选取了一些经典且具有代表性的景观格局指数。景观面积度量指标主要包括斑块类型面积（CA）、斑块类型比（PLAND）、景观面积（TA）和最大斑块指数（/P/）。CA值的大小影响着斑块类型聚集地中的物种数量以及丰度[12].PLAND表示单个斑块的面积在整个斑块类型中所占的比例[13].TA是监测生态系统是否稳定的重要指标，/P/主要反映景观水平上某一斑块类型中最大斑块面积占总面积的比例[14]。

景观形状指数是反映景观生态功能和生态过程的重要指标，景观形状指数/S/[15]反映了景观和斑块形状的分散和规则程度，值越大说明景观形状越复杂。以正方形为参照，景观形状指数/S/为

在景观聚集与分散度测量指标中，选取蔓延度指数（CONTAG）[16]、聚集度指数（A/） [17]、散布与并列指数（/J/）[18]进行分析。蔓延度指数反映了景观类型的聚集程度和延展程度，值越小，景观破碎化程度越高：值越大，斑块类型连通性越好。蔓延度指数为

3 结果与分析

3.1 4期景观格局动态变化分析

由表1和图2可以看出，耕地在丹江口水库及周边区域的景观类型中占主导地位。耕地面积起伏大，1997年耕地面积比1987年增加了19 851. 13 hmm，2007年耕地面积比1997年增加了22 980.50 hrri2.2017年耕地面積比2007年减少了4 002.57 hmm，但耕地面积总体呈上升趋势。耕地的斑块类型比和最大斑块指数总体呈上升趋势，耕地占研究区面积的比重越来越大。1987年到2007年耕地的景观形状指数逐年减小，表明耕地相对集中且形状规则.2007年到2017年耕地的景观形状指数增大，表明耕地趋于分散，形状不规则。在研究时期内，耕地的散布与并列指数变化幅度小，总体呈减小趋势;聚集度指数呈增大趋势，说明耕地的斑块聚集程度越来越高。

林草地面积在1987-1997年增加了16 486.50hm2，1997-2007年增加了5 985. 21 hmm. 2007-2017年增加了2 472.51 hmm。结合图2可以看出.1987-2007年林草地主要是从裸地转化而来.2007-2017年林草地主要从耕地转化而来。林草地的聚集程度在1987-2017年呈增大趋势。受人类活动影响趋于聚集，林草地连贯性增强，形状更为规则。林草地面积和耕地面积变化主要受退耕还林还草和农民开垦荒地等影响。

1987-2017年裸地面积呈减少趋势，1987-1997年面积减少了48 511.03 hmm ，1997-2007年面积减少了33 099.17 hmm ，2007-2017年面积减少了2 052.97hrr12。由图1可以看出，裸地在1987-1997年分散于整个研究区域，面积比重大;2007年和2017年裸地面积占整个景观面积的比值减小，裸地斑块趋于集中且形状更加规则。在经济建设过程中，通过对土地的开发利用，裸地面积减少，散布与并列指数与聚集度指数呈下降趋势，连贯性变差。

水域面积在研究期内呈递增趋势，1987-1997年面积增加了7 200.90 hmm，1997-2007年面积增加3 017.61 hmm. 2007-2017年面积增加了3 203. 73hmm。从1987年到2017年斑块类型比和景观形状指数增大。聚集度指数趋于稳定。丹江口水库蓄水是水域面积增大的主要原因，与水域相邻的景观要素变少，连通性增强，但水域形状却在人类活动的影响下变得不规则。

1987-1997年建设用地面积增加了4 972. 50hm2 ，1997-2007年增加了1 115.85 hmm，2007-2017年面积减少了379.30 hm。建设用地面积持续增大，占研究区面积的比例越来越大。随着城市化的发展，建设用地面积的需求越来越大。不合理的土地利用规划，致使建设用地聚集程度提高但形状越来越不规则。建设用地面积主要包括城乡居民点、交通设施用地以及其他建设用地。城市用地主要分布在地势较平坦的东南地区以及丹江口水库库区。乡村用地相对较分散，分布于河谷平地或低山丘陵间。城市用地聚集程度高，形状比较规则，乡村用地受地形地势影响，相对比较分散。

由表2可知.1987-1997年和1997-2007年最大斑块指数分别上升了3.04%和8.53%，2007-2017年下降了0.12%.总体呈上升趋势，表明最大斑块景观总面积比值不断增大。随着对土地的合理规划和利用，景观破碎度减小。景观形状指数在1987-1997年和2007-2017年分别上升了13.09和17.14，1997-2007年下降了22.94，呈波动上升趋势，说明各类景观趋于离散，且形状越来越不规则。蔓延度指数在1987-1997年下降了5.19，在2007-2017年上升了3.95，先减小后增大，总体呈增大趋势，说明相邻的斑块类型之间具有良好的连通性。散布与并列指数在1987-1997年上升了5.52，1997-2017年下降了11.19，总体呈减小趋势，说明相邻的斑块类型变少且连通性增强。香农多样性指数在1987-1997年上升了0.14.表明各类土地利用类型的破碎化程度提高，受人类活动影响，土地利用类型越来越丰富;1997-2017年下降了0.25，土地利用类型减少。聚集度指数在1987-1997年下降了1.64，1997-2017年上升了6.90，总体呈增大趋势，说明各类土地利用类型聚集程度提高。

3.2 景观格局驱动力分析

在南水北调中线工程中，丹江口水库是理想的水源地，也是我国中部的生态敏感地区。丹江口水库及其周边区域的土地利用方式和景观格局变化影响着水库水质。自然因素和人文因素是景观格局变化的重要驱动力。在短时期内相较于人类活动等人文因素，自然因素对景观格局的影响比较小，因此外界干扰对景观格局变化起主导作用。

（1）研究区景观格局变化主要是由人类活动和政府政策决定的。1987-1997年裸地大部分转变为林草地，主要原因是退耕還林政策的执行以及对裸地进行植树造林。因此，政策的实施是丹江口水库及周边区域景观格局变化的根本原因。随着人口的增长，人多地少的矛盾突显，当地居民通过砍伐森林和开垦荒地来提高耕地面积，林草地大部分转变为耕地，耕地面积增加。同时人们通过伐林增加收入，从而导致森林覆盖率降低。2007-2017年为了保护水库水质，政府进行监管，开始封山育林使得林草地面积有所增加，植被覆盖率增大。由此可以看出，如今丹江口水库中林地主要为次生林。随着城市化的发展，在经济建设中裸地被开发利用，转变成建设用地，也有一部分建设用地从耕地转变而来。

人类活动和丹江口水库库周的社会经济发展加速了景观格局的变化，是重要的驱动力之一。社会经济的发展和人口的增长刺激了对土地资源利用与开发的需求，开始将其他用地转变为建设用地。随着政策的实施和经济水平的发展，丹江口水库及其周边区域景观格局变化比较显著。

（2）水库蓄水是景观格局变化的重要驱动力。丹江口大坝在2005年10月加高并开始蓄水，水域面积的增加淹没了库区周边的耕地、裸地、建设用地和林草地，对丹江口水库及周边区域的景观格局变化产生了重要影响，但并没有破坏生态系统的稳定性。

（3）丹江口水库及周边区域小气候的形成是研究区域生态环境改变的重要原因之一。在丹江口水库及其周围存在地面热容量的差异，大气湿度提高，形成局部小气候，裸露地区环境逐渐改善，水体和林草地面积增加，林草地更为茂盛。

4 结语

（1）根据4个时期研究区中高分辨率遥感影像获取土地利用分类结果，结合景观指标对丹江口水库及周边区域进行了景观动态变化分析。从分析结果来看：在研究时期内，耕地在丹江口水库及周边区域中占主导地位，斑块类型比最大，面积变化显著，形状趋向不规则：建设用地面积和水域面积增大：裸地面积呈减少趋势，连贯性变差;林草地调整频繁，主要与耕地面积相互转化，但形状趋于规则化。

（2）借助景观生态指标对丹江口水库及其周边区域景观格局变化进行了定量分析，景观的整体形状趋于复杂化，不同土地利用类型面积变化大，景观的空间格局指数变化较明显，反映了當地城乡居民在丹江口水库及周边区域的活动强度大，尤其是农村居民。蔓延度指数先减小后增大，总体呈增大趋势，说明在人类活动中，相邻的景观要素具有良好的连通性。散布与并列指数总体呈减小趋势，相邻的景观要素变少且连通性增强。香农多样性指数总体呈下降趋势。在经济建设和城市化过程中，各类土地利用类型聚集程度提高。

（3）丹江口水库及其周边区域的景观格局变化受自然因素和人文因素的共同影响。水库蓄水、移民工程，以及人类社会经济活动是丹江口水库及其周边区域景观格局变化的主要驱动力。在库区未来生态景观规划和水土保持研究中，政府要结合丹江口水库的特色资源加强政策引导。首先，根据地形地势对地势较高的西北地区发展无公害绿色农业，水库周边种植耐水淹、生长周期短的农作物，提高农村土地生产力;其次，结合丹江口水库自然和文化资源，发展旅游和养殖产业;最后，阻止当地居民盲目开垦荒地和砍伐森林，合理规划城市建设用地，保护生态系统的稳定性。

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