封建民,李曉華

(咸陽(yáng)師范學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院關(guān)中古代陵寢文化研究中心,陜西咸陽(yáng)712000)

“景觀生態(tài)學(xué)”一詞最初由德國(guó)著名植物地理學(xué)家T roll.C于1939年首次提出,其目的是為了協(xié)調(diào)統(tǒng)一生態(tài)學(xué)和地理學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域中科學(xué)家的研究工作[1]。景觀空間格局是生態(tài)系統(tǒng)或系統(tǒng)屬性空間變異程度的具體表現(xiàn),它包括空間異質(zhì)性、空間相關(guān)性和空間規(guī)律性等內(nèi)容[2]。在遙感與GIS技術(shù)的支撐下,自20世紀(jì)80年代以來(lái),不同景觀生態(tài)學(xué)家提出了眾多的景觀指數(shù)用來(lái)定量分析景觀格局[3-7]。

以往的景觀格局的研究主要是注重于景觀空間格局定量指標(biāo)的建立、景觀空間格局的測(cè)定[8-10]等。本研究將地理信息系統(tǒng)和景觀空間分析模型相結(jié)合,用地理信息系統(tǒng)顯示景觀的空間分布,用定量模型測(cè)定景觀的空間格局,用驅(qū)動(dòng)力機(jī)制分析其變化原因。在人類活動(dòng)起主導(dǎo)作用的農(nóng)業(yè)景觀里,人類活動(dòng)方式是景觀空間格局的主要決定因素[11],因此,農(nóng)業(yè)景觀比自然景觀具有更大的變異性。咸陽(yáng)五陵原屬于黃土高原南緣的黃土臺(tái)塬,是西漢等朝帝王陵墓的聚居分布區(qū)。五陵原景觀空間格局的動(dòng)態(tài)分析,對(duì)帝王陵寢遺產(chǎn)文化資源的保護(hù)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

五陵原位于東經(jīng) 108°30′35″-108°59′40″,北緯34°14′44″-34°29′40″,地處關(guān)中平原中部偏北的咸陽(yáng)塬上,西起興平市,東到高陵縣,南臨渭水,北接北山山系,東西長(zhǎng)約40 km,南北最寬處約 13.5 km,總面積530 km2。五陵原因其塬高土厚、地勢(shì)開(kāi)闊、自然風(fēng)光絕佳,而被歷代統(tǒng)治者視為風(fēng)水寶地,成為皇家陵墓區(qū)。唐順陵、秦咸陽(yáng)城遺址均在五陵原;西漢11位皇帝中有9位就葬于此。這些皇陵平地鑿穴起冢,沿鄭國(guó)渠走向一字排開(kāi),氣勢(shì)磅礴,高大雄偉,十分壯觀。據(jù)1957年文物普查統(tǒng)計(jì),僅五陵原秦都和渭城區(qū)一帶塬上的帝王陵墓就多達(dá)808座[12],被譽(yù)為中國(guó)的“金字塔”群。其中五陵原的高祖長(zhǎng)陵、惠帝安陵、景帝陽(yáng)陵、武帝茂陵、昭帝平陵五個(gè)陵設(shè)邑建縣,故名“五陵原”。境內(nèi)年平均降水量537～650 mm,年平均溫度9.0～13.2℃,屬大陸性季風(fēng)氣候,氣候溫和、四季分明。地勢(shì)北高南低,北部為黃土臺(tái)塬,地勢(shì)較高,主要分布著農(nóng)田、果園和鄉(xiāng)村聚落。南部為河流階地,地勢(shì)由北向南部的渭河傾斜,分布著大面積的耕地和城鄉(xiāng)聚落。20世紀(jì)80年代后期以來(lái),區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,土地利用變化劇烈。

2 研究方法

2.1 景觀要素分類

本次研究采用的數(shù)據(jù)選取美國(guó) Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),根據(jù)項(xiàng)目研究的內(nèi)容、地表景觀的季相差異及衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量,選取2個(gè)時(shí)段,分別是1988年的Landsat TM和2005年的Landsat ETM影像,影像質(zhì)量均良好,分辨率分別為30 m和28.5 m。結(jié)合非遙感信息源主要包括1∶5萬(wàn)地形圖、地貌分區(qū)圖以及野外考察采集的各種資料和數(shù)據(jù)等。首先利用1∶5萬(wàn)地形圖分別對(duì)1998年和2005年的兩期影像進(jìn)行幾何精校正,校正誤差控制在0.5個(gè)像元以內(nèi);土地分類系統(tǒng)是參照2007年8月5日頒布的《土地利用分類》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和研究區(qū)的具體情況采用土地利用二級(jí)分類系統(tǒng),將研究區(qū)的土地利用類型劃分為水體、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、果園、林地、耕地、道路、古陵及保護(hù)用地、未利用土地等8個(gè)類型。

采用監(jiān)督分類和人機(jī)交互解譯相結(jié)合的方法對(duì)兩期圖像進(jìn)行解譯,得到兩個(gè)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)(表1),利用Arcinfo軟件Overlay模塊下的 Union命令,對(duì)1988年和2005年土地利用遙感解譯圖進(jìn)行空間疊加分析,得到1988-2005年研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)化的空間數(shù)據(jù),并以部分典型地類變化為例作出各地類間轉(zhuǎn)化關(guān)系圖,最后對(duì)土地利用變化進(jìn)行定量分析。

表1 五陵原地區(qū)1988-2005年土地利用類型統(tǒng)計(jì)

2.2 景觀生態(tài)學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)平均斑塊面積Smps與平均斑塊周長(zhǎng)Lmpe。

式中:i=1,2,…,m表示斑塊類型序號(hào);j=1,2,…,n表示斑塊序號(hào);aij——斑塊的面積;eij——斑塊的周長(zhǎng);ni——景觀中類型i的斑塊數(shù)。

(2)斑塊分維數(shù)Fd

式中:Fd的理論范圍為1.0～2.0,其中1.0代表形狀最簡(jiǎn)單的正方形斑塊,2.0代表等面積下周邊最復(fù)雜的斑塊。

(3)斑塊伸長(zhǎng)指數(shù)G

(4)景觀多樣性指數(shù)I[13-14]

式中:m——景觀類型數(shù);pi——第i類景觀所占比例。

(5)景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)D

式中;ln(n)——最大多樣性指數(shù);n——景觀類型總數(shù),表明研究區(qū)各類型景觀所占比例相等時(shí),景觀具有最大的多樣性指數(shù)。

(6)斑塊密度PD(塊/hm2,Patch Density)

式中:N——景觀中的斑塊總數(shù);A——景觀總面積。(7)均勻度指數(shù)E

式中:I——Shannon多樣性指數(shù);Imax——最大值。

3 結(jié)果分析

3.1 斑塊多樣性動(dòng)態(tài)分析

斑塊構(gòu)成了景觀的基本空間單元,斑塊的各種組合,構(gòu)成景觀空間格局,是景觀功能、格局和過(guò)程隨時(shí)間發(fā)生變化的主要決定因素。通過(guò)描述這些基本單元的組合結(jié)構(gòu)特征,可對(duì)景觀格局進(jìn)行分析和量化,進(jìn)而與生態(tài)過(guò)程相聯(lián)系,研究格局與過(guò)程之間相互作用、相互影響的機(jī)理。運(yùn)用上述指標(biāo),對(duì)五陵原區(qū)不同時(shí)期景觀類型的斑塊多樣性特征進(jìn)行研究(表2),表明:1988-2005年期間,研究區(qū)域的景觀斑塊數(shù)從967個(gè)減少為901個(gè),斑塊結(jié)構(gòu)變化明顯,其中耕地、林地、果園、水體、建筑等斑塊結(jié)構(gòu)變化最為顯著。耕地斑塊增加了90個(gè),但斑塊結(jié)構(gòu)從研究初期的72.64%減少到2005年的50.94%;林地斑塊增加了27個(gè),斑塊結(jié)構(gòu)也從研究初期的3.28%減少到2005年2.18%;果園斑塊數(shù)從研究初期的367個(gè)減少到2005年的 246個(gè),但是斑塊結(jié)構(gòu)卻從 1988年的6.58%明顯增加到21.51%。水體減少明顯,研究初期水域斑塊為24個(gè),斑塊結(jié)構(gòu)為1.98%,到2005年,水體斑塊減少到13個(gè),斑塊結(jié)構(gòu)也明顯減少到了0.33%。建筑斑塊數(shù)從研究初期的403個(gè)減少到2005年的352個(gè),但斑塊結(jié)構(gòu)卻從1988年的13.13%增加到21.88%;在整個(gè)研究期間內(nèi)未利用土地斑塊只減少了1個(gè),從1988年的9個(gè)減少到2005年的8個(gè),斑塊結(jié)構(gòu)也從1988年的0.64%減少到0.48%。

研究期間內(nèi),景觀斑塊的平均斑塊面積增加了4.036 hm2,平均斑塊周長(zhǎng)增加了966.69 m。各景觀平均斑塊面積變化以耕地和林地減少最為顯著,1988年耕地平均斑塊面積為1 074.85 hm2,林地的平均斑塊面積為193.92 hm2,2005年分別減少到 215.51 hm2和 32.27 hm2,分別減少了 859.34 hm2和161.65 hm2。水體、道路和未利用土地的平均斑塊面積,也有不同程度的減少,其變化量分別為 30.52,15.39,6.48 hm2。而果園和建設(shè)用地平均斑塊面積分別增加了37.04,15.75 hm2。平均斑塊周長(zhǎng)減少較明顯的是耕地斑塊及林地,分別減少了30 880.1 m和8 079.81 m;而果園的平均斑塊周長(zhǎng)有明顯增加,由1 771.64 m增加到4 433.10 m,增加了2 661.46 m。不同景觀類型的斑塊分維數(shù)變化情況是耕地、林地、水域、古陵及保護(hù)用地和未利用地略有下降,園地及建設(shè)用地則略有上升。從斑塊伸長(zhǎng)指數(shù)來(lái)看,耕地、林地和水體斑塊下降較明顯,分別達(dá)到4.61,2.7,1.43,果園和建筑略有增加,其它下降不是很多。

表2 不同時(shí)期景觀類型斑塊特征

從不同類型的面積變化特征來(lái)看,耕地變化最明顯,其他類型斑塊也都發(fā)生相應(yīng)的變化。主要的變化類型是耕地與果園和建設(shè)用地之間的相互轉(zhuǎn)化(圖1)。

圖1 五陵原景觀格局動(dòng)態(tài)變化圖

3.2 景觀異質(zhì)性動(dòng)態(tài)分析

景觀異質(zhì)性是景觀生態(tài)學(xué)的重要屬性。景觀本質(zhì)上是一個(gè)異質(zhì)的系統(tǒng),正是因?yàn)楫愘|(zhì)性,才形成了景觀內(nèi)部的物質(zhì)流、能量流、信息流和價(jià)值流,從而導(dǎo)致了景觀的演化、發(fā)展與動(dòng)態(tài)平衡[15]。斑塊的景觀異質(zhì)性分析,主要是從不同的側(cè)面,來(lái)描述景觀的異質(zhì)性程度。譬如景觀多樣性指數(shù)反映了景觀類型的豐富度和景觀異制性的高低。多樣性指數(shù)越大,表示景觀多樣性越高。景觀多樣性由景觀類型的豐富度和均勻性兩方面所組成,當(dāng)景觀由單一要素組成時(shí),其多樣性為零;有兩個(gè)以上景觀要素組成的景觀,當(dāng)景觀類型所占比例相等時(shí),其景觀多樣性最高。各景觀類型所占比例差異較大時(shí),則景觀多樣性下降[16]。均勻度指數(shù)表征景觀空間格局中不同景觀類型分配的均勻程度,景觀均勻性指數(shù)大說(shuō)明各景觀類型所占比例大小比較均勻,相差不是很懸殊。反之,景觀均勻性指數(shù)小,表明景觀中以一種或少數(shù)幾種景觀類型占優(yōu)勢(shì)。若景觀均勻性指數(shù)為零,表明景觀中各景觀類型所占比例完全相等,則景觀完全均質(zhì)。

五陵原區(qū)不同時(shí)期景觀異質(zhì)性差異較明顯(表3),具體表現(xiàn)為:研究初期,景觀多樣性指數(shù)為0.98,2005年為1.25,研究期間內(nèi),景觀多樣性指數(shù)增加0.27;優(yōu)勢(shì)度指數(shù)1988年為1.099,2005年減少到0.829,整個(gè)研究期間內(nèi)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)減少了0.27。表明該區(qū)域景觀多樣性上升,優(yōu)勢(shì)度下降的趨勢(shì);景觀均勻度指數(shù)從研究初期的0.47,增加到2005年的0.60,增加了0.13;景觀斑塊密度從1988年的0.018減少到0.017,表明破碎化程度有所加劇。

表3 不同時(shí)期景觀多樣性、優(yōu)勢(shì)度、均勻度及破碎度指數(shù)的比較

3.3 景觀動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

從五陵原地區(qū)不同時(shí)期土地利用情況(表1)來(lái)看,1988-2005年該區(qū)域土地利用類型的面積比例發(fā)生了很大的變化,其中耕地是最為明顯,1988年該區(qū)域耕地面積為38 694.71 hm2,2005年耕地面積為27 153.79 hm2,減少了 11 540.92 hm2;林地從1 745.25 hm2減少到了1 161.84 hm2;園地和建設(shè)用地,都不同程度地增加,其增加量為別為7 956.62,4 658.41 hm2;水體和未利用地也分別減少了879.47,583.47 hm2。

1988-2005年,五陵原不同類型斑塊動(dòng)態(tài)變化(表2)來(lái)看,耕地、林地、果園、水域及建筑用地斑塊動(dòng)態(tài)變化相對(duì)明顯,其中耕地和林地斑塊數(shù)明顯增加,表現(xiàn)出明顯的破碎化趨勢(shì);而果園及建設(shè)用地斑塊數(shù)減少明顯,但總面積增加較多,表現(xiàn)出明顯的擴(kuò)張趨勢(shì)。導(dǎo)致五陵原土地利用變化的因素主要受人口、經(jīng)濟(jì)、政策的影響,首先,人口增長(zhǎng)和消費(fèi)方式的改變是土地利用變化的重要驅(qū)動(dòng)力,對(duì)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的規(guī)模起著決定性的影響。其次,經(jīng)濟(jì)發(fā)展是土地利用結(jié)構(gòu)變化的最主要驅(qū)動(dòng)力。建設(shè)用地的增加,除人口增長(zhǎng)因素外,主要是近年來(lái)五陵原地區(qū)城市化快速發(fā)展,城市擴(kuò)展和農(nóng)村大量新建住宅占用了大量土地。由研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)還可以看出,近17 a來(lái)果園面積以年均0.88%的速度擴(kuò)展,因而果業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是研究區(qū)景觀變化的又一重要驅(qū)動(dòng)因素。

2005年景觀多樣性指數(shù)比1988年增加了0.23,表明該試區(qū)景觀斑塊數(shù)的復(fù)雜性有所上升,而景觀優(yōu)勢(shì)度的降低及均勻度的增加,表明該試區(qū)景觀由少數(shù)幾個(gè)主要的景觀類型控制的程度降低,各景觀類型所占的比例差異有所減少。從表2可以看出,1988年該區(qū)域的景觀類型,主要為耕地和建筑用地,共占總面積的 85.77%,其中,耕地占總面積的 72.64%,建筑用地占總面積的13.13%。2005年,由于耕地、果園和建筑用地的變化,導(dǎo)致景觀格局異質(zhì)性減小,其表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的下降及均勻度指數(shù)的增加,耕地、果園及建設(shè)用地面積占總面積的94.36%,耕地占總面積的50.97%,而果園和建筑用地占總面積的43.39%,表明1988年該區(qū)的主要景觀類型為耕地,而2005年變?yōu)橐愿?、果園和建筑用地為主的景觀類型。

4 結(jié)論

(1)1988-2005年五陵原地區(qū)斑塊總數(shù)減少了66個(gè),平均斑塊面積及平均斑塊周長(zhǎng),分別增加了4.036 hm2和966.69 m。

(2)17 a中五陵原地區(qū)景觀異質(zhì)性特征表現(xiàn)為:景觀多樣性指數(shù)增加了 0.27,優(yōu)勢(shì)度指數(shù)減少了0.27,這表明該區(qū)景觀由少數(shù)幾個(gè)主要的景觀類型控制的程度有所降低,景觀格局中各景觀類型所占比例的差異減少。景觀均勻度指數(shù)增加了0.13,景觀斑塊密度略有減少,表明破碎化程度有所加劇。

(3)近17 a來(lái),五陵原地區(qū)景觀格局主要表現(xiàn)為耕地受政策因素導(dǎo)向向林地、果園及城鎮(zhèn)建設(shè)、居民點(diǎn)用地轉(zhuǎn)化。因此,人為干預(yù)引起土地利用方式的改變,是景觀多樣性及空間格局變化的主要驅(qū)動(dòng)力。

(4)隨著果園面積的擴(kuò)大和城市化發(fā)展,有些古陵已處于果園和城市建筑的包圍中,而部分鄉(xiāng)村已經(jīng)擴(kuò)展到帝陵區(qū),這極大地破壞了五陵原原始的古陵寢景觀結(jié)構(gòu),影響了旅游者的旅游價(jià)值體驗(yàn),因而在以后的土地利用規(guī)劃中,應(yīng)為古陵寢劃出合理的保護(hù)范圍,以加強(qiáng)帝陵遺產(chǎn)資源的保護(hù),為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)。

[1] 何東進(jìn),洪偉,胡海清.景觀生態(tài)學(xué)的基本理論及中國(guó)景觀生態(tài)學(xué)的研究進(jìn)展[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(2):276-282.

[2] 肖秀珍,高峻,常禹,等.景觀生態(tài)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[3] O'Neill R V,Krummel J R,Gardner R H,et al.Indices of landscape pattern[J].Landsc.Ecol.,1988,1:153-162.

[4] Turner M G,Gardner R H.Quantitative Methods in Landscape Ecology[M].New York:Springer-Verlag,1990:3-16.

[5] Riitters K H,O'Neill R V,Hunsaker C T,et al.A factor analysis of landscape pattern and structure metrics[J].Landsc.Ecol.,1995,10:23-39.

[6] 鄔建國(guó).景觀生態(tài)學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[7] 郝仕龍,李壁成,趙小敏,等.黃土丘陵小流域景觀空間格局動(dòng)態(tài)分析:以固原市上黃試區(qū)為例[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2005,3(2):107-112.

[8] 傅伯杰.黃土區(qū)農(nóng)業(yè)景觀空間格局分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào),1995,15(2):113-120.

[9] 陳利頂,傅伯杰,王軍.黃土丘陵區(qū)典型小流域土地利用變化研究[J].地理科學(xué),2001,21(1):46-51.

[10] 王曉燕,徐志高,楊明義,等.黃土高原小流域景觀多樣性動(dòng)態(tài)分析[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2004,15(12):273-278.

[11] 胡震峰.土地利用與景觀格局動(dòng)態(tài)變化研究[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì),2003,13(12):143-145.

[12] 咸陽(yáng)服飾文物事業(yè)管理局.咸陽(yáng)市文物志[M].西安:三秦出版社,2008.

[13] 王繼夏,孫虎,李俊霖,等.秦嶺中山區(qū)山地景觀格局變化及驅(qū)動(dòng)力分析:以寧陜縣長(zhǎng)安河流域?yàn)槔齕J].山地學(xué)報(bào),2008,26(5):546-552.

[14] 孟濤,王明常,梁立恒,等.長(zhǎng)白山生態(tài)景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析[J].世界地質(zhì),2008,27(3):338-345.

[15] 傅伯杰,陳利頂,馬克明,等.景觀生態(tài)學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[16] 傅伯杰,陳利頂.景觀多樣性的類型及其生態(tài)意義[J].地理學(xué)報(bào),1996,51(5):454-462.