1990-2014年岷江上游流域景观格局变化及驱动力分析

夏威夷，李 玲，雷孝章

(四川大学水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

近年来，随着社会经济快速发展导致一系列环境问题凸显，景观生态学也逐渐成为研究热点，其中景观格局动态变化的研究是景观生态学研究的重点方向之一。空间格局变化影响生态学过程，通过研究空间格局可以更好地理解生态学过程[1]，从而为治理生态环境问题打好基础。国内外对景观格局的研究越来越重视，如刘振杰等[2]借助GIS对广东省土地利用变化的时空格局和驱动力进行分析；胡冬雪等[3]对海峡西岸经济区景观格局10年变化及驱动力进行研究，揭示了其景观格局变化的驱动因素；J.Pea A.等[4]研究了西班牙传统农业集水区景观过去44年的动态变化及其驱动力，剖析这些变化如何影响该区基本资源，为未来可能的趋势提供清楚的了解；Pan等[5]运用GIS研究了加拿大魁北克地区1958-1993年景观的空间格局变化及驱动力，并以此为该地区制定了景观管理策略。

岷江是长江的上游支流，既是长江上游重要的生态屏障，同时也是成都平原的生态屏障和水源生命线，因此具有显著的生态功能地位。由于对岷江流域自然资源高强度的开发，导致其生态环境遭到严重破坏，滑坡，泥石流等自然灾害频发，水生生物多样性也面临威胁，因此必须采取措施保护岷江的生态环境[6]。陈国阶等[7]早年间对岷江上游流域的景观格局变化进行过一定研究，近几年关于岷江上游流域的研究较少，也并未涉及驱动力的研究，故本文从岷江上游流域景观格局动态变化分析入手，揭示流域内部景观的变化规律极驱动力，为景观生态评价、景观格局的优化以及土地利用管理等提供依据。

1 研究区概况

岷江上游地理位置在31°26′～33°16′ N, 102°59′～104°14′ E之间，海拔700～5 588 m，位于四川省西北地区的阿坝藏族羌族自治州境内，四川盆周丘陵山地向青藏高原的过渡地带，地势由西北向东南倾斜，干流全长为334 m，流域范围包括四川省阿坝藏族羌族自治州的潘松县、黑水县、茂县、理县和汶川县的大部或全部以及都江堰市的小部，本研究区的流域面积为2.26 万km2。研究区地理位置见图1。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of study area

岷江上游处于川西高原季风气候和川东盆地亚热带气候区，受复杂海拔地势的影响，在海拔1 500～2 000 m之间出现了北亚热带气候类型的干旱性河谷气候。由于地域广袤，该区气候、植被的垂直分异较为明显，从河谷到山顶依次为：河谷暖温带半干旱气候、温带半干旱河谷气候、山地寒温带气候、山地亚寒带气候、高山高原高寒气候；植被则相应为干旱河谷灌草丛、常绿阔叶与落叶阔叶混交林、亚高山针叶林、高山灌丛草甸、高山高寒草甸[8]。年均温5～15 ℃ ，年降水量500～850 mm，降水年际变化大且雨量分配不均匀,多集中在5-10月，全年蒸发量1 100～1 600 mm,是降雨量的2～3倍[9]。干旱河谷范围日趋扩大，加之严重的水土流失，流域的生态环境变得极其脆弱。

2 研究方法

2.1 数据的来源及处理

景观格局的分析是在利用土地利用矢量数据建立景观类型图的基础上进行的。采用1990-2014年间6-9月份(这段时间云量少)4期Landsat遥感影像进行研究，分别为1990年的Landsat-5TM数据，2001年Landsat-7ETM+，2007年Landsat-7TM以及2014Landsat8OLI数据，空间分辨率均为30 m。利用遥感软件ENVI5.2，Landsat遥感影像进行解译。先对遥感影像进行坐标系转换、辐射定标、FLAASH大气校正、几何校正，然后对校正的遥感影像进行镶嵌。坐标系为1954北京坐标系，用岷江上游流域的边界对新图像进行裁剪，最终得到研究区的遥感影像。

国际上暂时不存在统一的土地利用分类标准，通用的方法包括国际地圈和生物圈(IGBP)土地覆盖分类Olson世界生态系统综合体，美国国家地质局土地分类等[10]。本文根据研究区的实际情况及遥感影像的可解译性等情况，将研究区土地利用类型划分为二级，第一级主要依据国民经济主要用地构成和利用方式，将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地共6大类，而第二级则在第一级的基础上将第一级分类细分，本文土地利用标准件表1。本文利用ENVI5.2软件块对Landsat影像进行解译，使用各二级分类定义模板建立训练区，然后使用软件的监督分类模块，得出各土地利用类型栅格图，为方便后续景观格局分析将相应二级分类合并为一级分类。接着在ArcGIS10.2和FRAGSTATS4.2的支持下，分别计算岷江流域上游4期遥感影像的土地利用景观指数，分析研究区土地利用景观格局的变化。

表1 土地利用标准Tab.1 Standard of land use

2.2 各类景观面积动态变化分析

为了探讨研究区一定时间内各景观类型面积变化程度的大小，引入区域单一景观动态度进行定量分析[11]，其表达公式为：

(1)

式中:Ua和Ub分别为研究初期及末期某景观类型的面积；T为研究时间范围。

2.3 景观格局指数的选择

景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面的简单定理指标。通过景观指数可以对景观的组成特征、空间配置、动态变化等进行定量的研究。景观格局指数分为斑块水平指数、斑块类型水平指数和景观水平指数[12]。在整个区域景观格局分析中，由于单个斑块景观指数的计算分析贡献较小，因此实际研究中对景观格局指数的探讨多采用类型和景观水平这两个尺度[13]。在类型水平上可以计算斑块平均面积指数、平均形状指数、面积、斑块密度指数等；而在景观水平上除了以上指数之外，还可以计算景观的优势度、均匀度、多样性、分维数、聚集度、生境破碎化指数等[14,15]。因此针对研究区景观格局和斑块类型，参照相关研究，选取了斑块数(NP)、散布与并列指数(IJI)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、斑块面积(CA)、最大斑块指数(LPI)、斑块类型面积百分比(PLAND)、7个类型水平指数和斑块数(NP)、散布与并列指数(IJI)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、多样性指数(SHDI)、均匀度指数(SHEI)、蔓延度指数(CONTAG)7个景观水平指数进行景观格局的计算与分析。

2.4 景观格局演变的驱动力分析

景观格局变化的驱动力包括自然驱动力和人为驱动力，其中，自然驱动力主要从较大的时空尺度上作用于景观，人为驱动力则是从中小时空尺度上作用于景观[16]，它又可细分为社会经济因子、政策因子、科技因子、文化因子。岷江上游流域面积较大，导致其景观格局变化的驱动因素较多且相互交叉影响，为避免各因子间相互干扰减少误差，基于前人[17]研究及1990-2014年四川省统计年鉴，选取年末常住人口、城镇人口、就业人口、农林牧渔业总产值、地区生产总值、民营经济增加值、工业总产值、公路里程、年总降水量、年均气温10个指标，运用SPSS软件采用主成分分析法对岷江上游流域的景观格局变化驱动力进行分析。

3 结果与分析

3.1 各景观类型面积变化

利用ArcGIS10.2软件统计获得岷江上游流域1990-2014年4期景观类型面积及变化趋势(图2)，以及由此计算的土地利用动态变化度(表1)。由图1可知，流域景观类型以草地、林地为主，这2种景观类型始终占研究区总面积的97%以上，这其中草地面积比重最大，占研究区总面积50%以上。从面积变化来看(表2)，1990-2014年间，未利用地面积变化最为剧烈，尤其是2001-2007年，其增幅达到24.07%，在2007-2014年其动态变化度为0，这是地质灾害和城市化发展综合作用的结果，二者对未利用地的影响相互抵消，使得其面积的变化度为0。其次是耕地面积，在1990-2001年快速增加，而后在2001-2007年间又快速减少，2001-2007年间的减幅最大为1.73%，2007-2014年的面积变化度最小减幅仅为0.01%。接着是建设用地和水域，这两类景观的面积在1990-2014年间，持续增长。建设用地面积共增加2 200 hm2，其增幅在2007-2014年达到最大为9.02%。水域面积在整个研究期内共增加2 300 hm2，增幅在2001-2007年最大为4.26%。草地面积先大幅度增加而后略有减少，在2001-2007年变化幅度达到最大为0.36%，虽然2007-2014年间草地面积减少1 000 hm2，但与流域整体草地面积比，这一变化微乎其微。流域林地面积持续减少，其中1990-2001年，面积减少量最大为32 300 hm2，2001-2007年面积减幅最大为0.36% 。耕地面积变化不大，但与研究初期比，耕地面积增加了700 hm2，这与社会经济发展人口增长，人们对粮食需求的增加有关。研究区4期景观覆盖类型分布图见图3。

图2 1990-2014年岷江上游流域各景观类型面积及变化Fig.2 Area and variation of each landscape type in Upper Minjiang River Basin,1990-2014

图3 岷江上游流域4期景观覆盖类型分布Fig 3 Distribution of landscape coverage type of Upper Minjiang River Basin in four periods

3.2 景观指数的变化

3.2.1 景观水平

如表3所示，1990-2014年岷江上游流域景观水平格局指数发生较为明显的变化。NP和PD可以反映景观的破碎化程度，这两项指数在1990-2001年均迅速减少，这很大程度是因为在1990-2001年间社会、经济发展及人口增长，部分林地与破碎的未利用地转化为草地、耕地和建设用地，使得研究区耕地与建设用地斑块间的连通性增强，斑块数目减小，相应的斑块密度也减少；在2001-2014年这两项指数均迅速增加，这主要是因为2008年汶川地震使原来成片的建设用地、耕地及部分林地、草地变得破碎，使得斑块数增加，相应的斑块密度也增加。SHDI和SHEI呈现同步变化，其变化趋势为先增后减再增,SHDI最终保持在0.819，数值较小说明景观整体的破碎度底，斑块比较完整，SHEI最终保持在0.457说明研究区的具有明显的优势景观(林地和草地)，二者与研究初期比均增加说明研究区景观空间是向着多元均衡方向发展的。LPI先减后增而后又减，说明景观中的优势种、内部种的丰富度先下降后上升而后下降。IJI先增后降，说明研究区内景观斑块类型间相邻的类型呈先增后减的变化，也即接壤的景观斑块类型丰富度呈先增后将的变化趋势。CONTAG呈逐步减小的趋势，说明研究区小斑块个数较多，景观破碎化逐步变大。

表3 研究区景观水平指数Tab.3 Landscape index at landscape-level in the survey region

3.2.2 类型水平

草地。1990-2001年斑块数由202个下降到182个，平均斑块面积由5 683.66 hm2增加至6 436.81 hm2(表4)，斑块破碎度减小，2001-2014年斑块数又由182上升至200，平均斑块面又降至5 980.5 hm2，说明斑块破碎度增加，也即草地破碎度呈现先减后增的趋势。研究期间PLAND、边缘密度(ED)、散布与并列指数(IJI)逐步增加，说明斑块的复杂性在逐步上升。岷江上游地区草地公有，牲畜私有，农牧民养畜热情高，而管理、保护、建设草地的热情不高，多数农牧民对草地只索取不投入，草地连年重牧得不到修生养息的机会[18]，使得草地整体性和稳定性遭到较大破坏，这也是草地景观呈现上述变化的主要原因之一。

林地。研究期间林地的斑块数与平均斑块面积变化波动较大，1990-2001年间斑块数由281个下降至270个，平均斑块面积由3 746.62 hm2增加至3 779.63 hm2，之后这两个指数又出现先升后降和先降后升的变化，但变化速度有所减缓，林地斑块的稳定性较差；斑块类型面积百分比、最大斑块指数均持续减小；边缘密度、散布与并列指数逐渐增大，说明林地接壤的景观类型丰富度逐渐增大，斑块形状逐渐变得破碎，其中2007-2014年的变化速度要缓于1990-2001的速度。研究区森林资源丰富，新中国成立以来由于区域经济建设的需求，开始对森林资源进行不合理的开发，使得森林遭到大面积破坏，而后人们逐渐意识到环境保护的重要性，于是在1998年启动“天保工程”和退耕还林工程，在一定程度上减缓森了林景观恶化的速度，这是森林景观类型呈上述变化的主要原因。

耕地。研究期间耕地斑块数由1900年的261个持续下降至2014年的241个，耕地的破碎程度逐渐减小；斑块类型面积百分比、最大斑块指数、平均斑块面积在均在2001年达到各自的最大值，而后均逐渐减小；边缘密度也在2001年达到最大值但之后又降至研究初期的0.75，但整个研究期其变化相对稳定；散布与并列指数由1990年的41.60逐渐上升至2014年的46.34，耕地接壤景观类型的丰富度在逐步上升。年末常住人口由1990年34.3万人增长至2014年的39.5万人，人口的增加导致粮食需求增大，这一定程度上会导致耕地面积增大，但研究区为山地系统，农耕用地受到一定限制，加之1998年启动的退耕还林还草工程，故而耕地景观类型指数在整个研究期变化不大。

未利用地。1990-2014年间未利用地斑块数变化较为剧烈由研究初期的7个直线上升至2007的18个，之后保持不变，斑块类型面积百分比和边缘密度均在2001年达到各自的最小值(0.04%和0.015)，而后又均逐渐增大，在2007年均达最大值(0.097%和0.037)，接着又均维持各自的最值不变，未利用地的斑块破碎度上升；最大斑块指数在研究期间保持为0.01不变，平均斑块面积逐渐减小，散布与并列指数由1990年的27.99迅速增加至2007年的40.91而后保持这一值不变，未利用地接壤景观类型的丰富度也在逐步上升。

建设用地。研究期间建设用地的斑块数、斑块类型面积百分比、最大斑块指数、边缘密度、平均斑块面积变化都比较大，斑块数由1990年的9个增加至2014年的26个，斑块类型面积百分比由0.04%增加至0.137%，最大斑块面积由100 hm2增加至119.23 hm2，最大斑块指数由研究初期的0增加至2001年的0.01而后保持不变，边缘密度由0.016增加至0.051，散布与并列指数在2001年达到最大为64.51，而后又逐渐减小至60.24，建设用地破碎度逐步增大，其接壤的景观类型丰富度减小。受高度、坡度和土壤条件的限制，岷江上游适于居住的土地所占比例很小，期地形条件也限制了区域城市化进程的速度，故而建设用地景观指数变化不大。

水域。研究期间水域的各项类型水平上的景观指数除散布与并列指数外均逐步增大，说明水域斑块的集聚程度降低，散布与并列指数呈先减后增趋势在2001年减至最小值35.11而后又逐渐增大至52.51，水域接壤的景观类型丰富度最终表现为增加。岷江上游河流比降大，水能资源丰富，随着社会经济发展，人们对水资源的开采与利用逐渐增大，研究初期此地仅有5座规模较大的水电站，截至2013年5月，岷江上游大小水电站共计211座[19]，这是导致水域指数呈上述变化的主要原因。

表4 不同景观类型的景观指数Tab.4 Landscape index of different landscape types

3.3 流域景观格局演变驱动力分析

本研究将选取的10个指标在SPSS22.0软件中进行主成分分析，以特征值大于1，特征值占方差百分数的累加值大于85%作为标准提取主因子，共提取了两个主成分，累积方差贡献率为97.238%。主成分荷载矩阵代表了各主成分与驱动因子的相关系数，反映综合因子与各指标之间的相关程度。由表5可以看出，第一主成分与社会经济相关性较强，第二主成分与年总降水量相关性较强。根据主成分提供的信息，将两个主成分分别命名为社会经济与人口发展因子和气候因子。

3.3.1 社会经济与人口发展因素

社会经济发展与人口增长是影响岷江上游流域景观格局发生变化的主要因素，岷江上游为阿坝州的经济命脉与工业生产基地，1990年地区生产总值为78 986 万元，到2014年增加至142.51 亿元，占阿坝州地区生产总值的57.51%，同时，公路里程由1990年的988 km增加到2014年的4 859 km，在2007-2014年期间，随着公路里程的迅速增加，岷江上游的地区生产总值也迅速增加，交通条件的改善使得地区经济迅速发展(见图4)，从而导致2007-2014年草地、耕地面积减小，建设用地面积迅速增大，交通的发展也导致景观破碎度增加。工业总产值由1990年的85 468 万元增加至2014年的1 928 345 万元，截止到2014年底其工业总产值占阿坝州的91.16%，工业的迅速发展，加速了林地和草地景观的缩减的趋势。由图5可以看出，1990-2014年，岷江上游流域的年末总人口由1990年的34.3 万人增加到2014年的39.7 万人，增加了5.4 万人，年均增长率为22.5%。其中城镇人口由6.31 万人增加到15.38 万人，增加了9.07 万人，年均增长率为37.8%，远高于总人口的增长速率。总人口的增加导致人们对住房需求增大，随着经济的快速发展，人民生活水平的提高，为了追求更好的生活，人们大批量搬入城镇，使得城镇建设面积不断扩张，林地及农村耕地面积逐步减小。因此，社会经济发展与人口因子是景观格局变化的主要驱动因子。

表5 主成分荷载矩阵Tab.5 Matrix of principal component factors

图4 1990-2014年公路里程与地区生产总值变化Fig.4 Changes of highway mileage and regional a GDP

图5 1990-2014年年末常住人口与城镇人口变化Fig.5 Changes of resident population at year-end and urban population

3.3.2 气候因素

岷江上游的径流以降雨补给为主，约占年径流量的50%～60%，这使得降水对径流的限制作用十分突出。由于受自然供水能力的限制，水分生产潜力小且波动性大，因而严重制约着植被的生长，同时也会对土壤等其他环境资源的发育和稳定性构成威胁。1990-2014年，岷江上游流域的年总降水量呈减小的趋势，年平均气温逐步升高，表明其干旱河谷气候在进一步恶化，这也是导致其林地、草地面积缩减的原因之一，从而说明气候因子也是景观格局变化的主要驱动因子。

3.3.3 政策因素

岷江上游流域的社会经济发展、人口增长、气候恶化均对其林地景观构成严重威胁，但从总体来看，林地以23 km2/a的速率减少，减小速度并不是很快，这主要是由于在20世纪90年代末，国家在岷江上游实施了“退耕还林，封山绿化”工程和“天然林保护”工程，使得林地得到部分恢复，从而减缓了林地面积减少的速度，可见政策因子也是景观格局的变化驱动因子。

4 讨论与结论

1990-2014年，岷江上游流域的景观格局发生了较大的变化，主要是部分林地转化成了草地、耕地、建设用地，部分草地、耕地、林地转化成了水域和为利用地，研究区整体的最大斑块指数、多样性指数、均匀度指数呈上升趋势，说明岷江上游流域各类型景观呈现均衡化趋势分布；蔓延度指数表现出逐步下降趋势，说明研究区小斑块数目增加，优势斑块连接度降低；斑块数呈先降后升趋势但最终与研究初期比变化不大，说明整体斑块的聚集度变化不大。

在研究期间景观空间格局发生的变化，其主要驱动力是社会经济发展，人口、气候因素以及相关政策因素，同时还受地形条件和自然灾害的影响。其中政策因素对保护林地景观起到有力的推动作用。

平衡经济发展与生态环境保护的关系十分重要。通过对岷江上游流域景观格局演变及驱动力的分析，为该地区土地资源利用和景观生态恢复与建设提供一定依据和参考。