冷淑嬌 張行南，2 夏達忠，2 劉揚揚

（1.河海大學 水文水資源學院，南京 210098；2.河海大學 水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，南京 210098）

景觀格局通常是指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，具體是指由自然或人為形成的，一系列大小、形狀各異，排列不同的景觀鑲嵌體在景觀空間的排列，它既是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，同時又是包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果.景觀格局的變化能夠影響生態(tài)過程，如通過改變棲息地影響動物遷移，影響生物流，由于地表植被的破壞導致水土流失而影響物質(zhì)流等［1].景觀指數(shù)是景觀格局分析常用的指標，用它來描述景觀格局及變化，建立格局與景觀過程之間的聯(lián)系，是景觀生態(tài)學最常用的定量化研究方法［2]，但是很多景觀指數(shù)之間存在顯著相關(guān)關(guān)系［3]，并且大部分的指數(shù)所指的格局特征也是不全面的，因此需要了解各指數(shù)的實際意義結(jié)合各自的研究目標選擇合適的指數(shù)［4].由于人類活動的加劇，對景觀異質(zhì)性的影響日趨嚴重，土地利用景觀格局的研究已經(jīng)成為景觀生態(tài)研究的熱門話題.我國作為低森林覆蓋率的國家之一，對流域景觀格局與生態(tài)水文過程之間的關(guān)系研究十分重視.自肖篤寧將國際景觀生態(tài)學研究進展和前沿問題介紹到國內(nèi)之后，我國對景觀格局研究從2000年開始也得到了廣泛的應用.2004年，汪朝輝等應用景觀破碎度、分維數(shù)、優(yōu)勢度和多樣性等指數(shù)對洞庭湖區(qū)景觀空間格局的時空演變進行分析［5]；2005年，李崇巍等構(gòu)建了植被保水指數(shù)，對岷江上游不同集水區(qū)景觀格局與生態(tài)水文特征進行分析［6]；2007年，胥曉在遙感影像基礎(chǔ)上利用景觀指數(shù)從斑塊、景觀異質(zhì)性、多樣性與均勻性以及空間相互關(guān)系4個方面從空間尺度比較和分析嘉陵江流域植被景觀格局特征［7].本文主要從時間尺度上分析嘉陵江流域的景觀格局結(jié)構(gòu)及變化趨勢，分析嘉陵江流域從1980～2000年20年間景觀破碎度、優(yōu)勢度、規(guī)則度以及均勻度的變化趨勢，為今后嘉陵江流域水資源的空間變化規(guī)律及趨勢研究提供科學借鑒.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

嘉陵江發(fā)源于秦嶺南麓，是長江最大的一條支流，向西南流經(jīng)陜西、甘肅、四川、重慶4省市，于重慶市朝天門碼頭注入長江.流域全長1 120km，流域面積約16萬km2，地跨東經(jīng)102°35′36″～109°01′08″，北緯29°17′30″～34°28′11″.嘉陵江流域地勢西、北、東高，東南面最低，流域高差4 800m左右，河道落差2 300m，平均比降2.05‰.嘉陵江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，流域多年平均降水量為935.2mm，由于地形復雜，降水面上分布很不均勻，降水量有明顯的旱季和雨季，6～9月降水量占年降水量的66%，12月至次年2月為全年降水量最少的季節(jié)，占年降水量的3.2%.整個流域多為紫紅色砂泥巖，質(zhì)地松脆，水土流失嚴重，成為流域內(nèi)泥沙產(chǎn)生的主要來源［8].侵蝕面積占流域面積的52.14%.據(jù)北碚水文站的實測，一般年份年輸沙量可達1.7億t，多年平均含沙量為2.25kg／m3.流域內(nèi)坡耕地有212.92萬hm2，占耕地面積的54.57%.

圖1 嘉陵江流域位置示意圖

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的土地利用歷史數(shù)據(jù)為1980年、1995年、2000年3期全國1km網(wǎng)格土地利用數(shù)據(jù)，由中國1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)庫生產(chǎn)得到，來源于中國科學院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心.在GIS平臺上，采用面積最大法原則，將3期網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理為單一地物類型的柵格單元，然后使用嘉陵江流域邊界對柵格數(shù)據(jù)進行裁切，得到可用的數(shù)據(jù)集.該數(shù)據(jù)集采用兩級分層的土地覆蓋分類系統(tǒng)，將土地利用分為6個一級類，25個二級類.其中6個一級類分別為：耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地以及未利用土地.1980年、1995年及2000年的土地利用圖如圖2所示.

圖2 1980年、1995年、2000年嘉陵江流域土地利用圖

1.2.2 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)分為3組級別：斑塊水平（patchlevel）指數(shù)、斑塊類型水平（class－level）指數(shù)、景觀水平（landscape－level）指數(shù)［9].依據(jù)實際的研究目標并考慮土地利用數(shù)據(jù)的精度，排除了相關(guān)性較高的指數(shù)，在斑塊類型水平及景觀水平上選取了8個指數(shù)，分別利用斑塊數(shù)目（NP）、斑塊平均面積（MPS）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）分析嘉陵江流域的景觀破碎度變化；利用景觀形狀指數(shù)（LSI）、面積加權(quán)的平均形狀因子（AWMSI）分析景觀規(guī)則度變化；選取最大斑塊指數(shù)（LPI）來分析景觀優(yōu)勢度變化；香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）分析景觀均勻度變化.各景觀指數(shù)的表達式及生態(tài)含義見表1［10－11].

表1 景觀格局指數(shù)及生態(tài)含義

2 結(jié)果與分析

利用Arc GIS中的Spatial Analyst等模塊分別提取斑塊類型水平和景觀水平2個層次上嘉陵江流域的8個景觀格局指數(shù).并運用Fragstats 3.3軟件計算得到各景觀格局指數(shù)結(jié)果見表2～3.

表2 嘉陵江流域1980年、1995年和2000年不同土地利用類型的斑塊類型水平指數(shù)

表3 嘉陵江流域1980年、1995年和2000年景觀水平指數(shù)

2.1 景觀破碎度分析

景觀破碎度主要表現(xiàn)為斑塊個數(shù)、斑塊平均面積的增減及蔓延度值的高低.景觀破碎度是生物多樣性喪失的重要原因之一，對流域水土流失也有一定的制約作用［12].

由表2和表3數(shù)據(jù)可以看出嘉陵江流域斑塊個數(shù)、斑塊平均面積以及蔓延度指數(shù)的變化趨勢.在斑塊類型水平上，1980年、1995年及2000年，耕地、草地以及城鄉(xiāng)、工礦和居民用地的斑塊個數(shù)變化比較明顯，波動較大，且總體上不斷增加.耕地的斑塊個數(shù)由1980年的1 706個下降到1995年的1 670個，到2000年時增加到1 744個；草地的斑塊個數(shù)又1980年的1 730個，增加到1995年的1 779個，但到2000年又回降到1 731個；城鄉(xiāng)、工礦和居民用地的斑塊個數(shù)由1980年的110個增加到2000年149個；其他覆被類型斑塊個數(shù)變化較小.整體上，嘉陵江流域的草地、林地、耕地的斑塊個數(shù)相比其他土地覆被類型要大的多，2000年草地、林地、耕地的斑塊個數(shù)分別占全流域斑塊個數(shù)的27.65%、31.22%、31.45%，破碎度相對較高，表明3種類型景觀分布分散，不連片，而水域、城鄉(xiāng)用地以及未利用土地的斑塊個數(shù)比例總體上相對較少，表明其景觀分布更加集中、連片.從斑塊平均面積上，耕地的斑塊平均面積從1980年的4 366.178 2m2增加到1995年的4 407.964 1m2，又降低到2000年的4 270.589 4m2.草地的斑塊平均面積由1980年的2 234.748 5m2增加到1995年的2 476.728 7m2后降低到2000年的2 278.669 3m2；林地的斑塊平均大小由1980年的2 823.815m2下降到1995年的2 620.404 7m2后增加到2000年的2 769.381 9m2.城鄉(xiāng)、工礦、居民用地由1980年的282.727 3m2增加到1995年的307.377m2后持續(xù)增加到2000年的326.174 5m2.耕地的斑塊平均面積在1980年、1995年和2000年在土地利用類型中均達到最大值，說明嘉陵江流域上耕地的破碎化程度最小，而其他土地利用類型的破碎化程度相對較大.從景觀水平上，1980年斑塊個數(shù)為5 460個，到1995年降低到5 450個，到2000年增加到5 544個，而斑塊平均面積由1980年的2 910.586 1m2增加到1995年的2 915.926 6m2，但到2000年減少為2 866.486 3m2，蔓延度指數(shù)由1980年的49.362%持續(xù)下降到2000年的48.878%，以上數(shù)據(jù)說明嘉陵江流域景觀格局具有多種要素的密集，連接性被嚴重破壞，流域的破碎度變大，景觀異質(zhì)性增加，受人類干擾程度增大.

2.2 景觀規(guī)則度分析

本文利用景觀形狀指數(shù)（LSI）、面積加權(quán)平均形狀因子（AWMSI）分析的嘉陵江流域的規(guī)則度變化趨勢，由表2和表3中的數(shù)據(jù)可以看出，草地的LSI值由1980年的65.324 3%增加到1995年的67.276 5%后降低到2000年的65.636 4%，所有的土地利用類型中草地的LSI值最高，說明草地的規(guī)則性最差；林地的LSI值由1980年的60.329 6%減少到1995年的60.1181，但到2000年增加到62.086 8%；耕地的LSI值由1980年的43.796 7%降低到1995年的42.990 8%后增加到2000年的44.293%；而城鄉(xiāng)、工礦和居民用地的LSI值由1980年的10.75%持續(xù)增加到2000年的12.488 9%.由此看出，所有斑塊的規(guī)則性都變得越來越差.草地的AWMSI值變化最為明顯，由1980年的18.428 1增加到1995年的24.072 7，然而到2000年又降低到18.588 1.1995年草地的AWMSI值達到整個研究時段的最大值，說明此時的草地景觀要素最為復雜.林地的AWMSI值由1980年的16.567 1急劇增加到2000年的20.439 8，說明林地也越來越復雜，越來越不規(guī)則.從景觀水平上，1980年、1995年和2000年，嘉陵江流域各土地利用類型的LSI值和AWMSI值都是持續(xù)增加，說明整體景觀形狀變化越來越復雜，越來越不規(guī)則.

2.3 景觀優(yōu)勢度分析

本文利用最大斑塊指數(shù)分析嘉陵江流域的優(yōu)勢度變化.由表2～3中的LPI值可以看出，在斑塊類型水平上，1980年、1995年和2000年，耕地的最大斑塊指數(shù)是所有土地利用類型中最大的，1980年、1995年和2000年耕地的LPI值分別為35.7109%、34.957%、35.589 4%，說明耕地在所有土地利用類型中具有最大優(yōu)勢度的；林地的最大斑塊指數(shù)由1980年的7.700 2%上升到2000年的11.977 9%，增加了近1.5倍，說明林地在嘉陵江流域所占的比重越來越大；草地的LPI值有所波動，由1980年的7.235 2%增加到1995年的9.987 5%，但到2000年降低到7.055 8%；其他土地類型的LPI值相對而言要小得多.從景觀水平上，LPI值由1980年的35.710 9%降低到1995年的34.957%又增加到2000年的35.589 4%，說明景觀格局的優(yōu)勢度在1995年增大之后到2000年又呈現(xiàn)出有減小的趨勢.

2.4 景觀均勻度分析

在景觀異質(zhì)性分析中，常采用香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)來分析景觀的均勻度.由表3數(shù)據(jù)可以看出，香農(nóng)多樣性指數(shù)由1980年的1.098 3快速地上升到1995年的1.108 5，而到2000年小降到1.105 9；香農(nóng)均勻度指數(shù)的變化趨勢與SHDI相似，1980年，SHEI值為0.613，而到1995年時上升到了0.618 7，但是到2000年時又有所下降，值為0.617 2.雖然SHDI和SHEI在1980～2000年期間有所波動，但是總體上是增加的，說明各景觀類型所占比例差異增大，沒有明顯的優(yōu)勢類型且各土地利用類型在面積上均勻分布.

從整個流域的植被分布情況可以看出，在嘉陵江流域的東、西、北部等各支流的上游地區(qū)，由于地形復雜，地勢險峻，人口密度小，自然植被如林地、草地主要分布上游地區(qū)，受人類活動的影響也相對較小，因此林地、草地發(fā)育集中，景觀格局比較完整，植被景觀以林地、草地等自然植被為主，而耕地、城鄉(xiāng)用地等人為景觀類型分布小而零散，整個地區(qū)的破碎化程度、景觀多樣性都比較低.而在嘉陵江流域中下游地區(qū)，由于地勢平坦，城鎮(zhèn)發(fā)展較快，人口相對比較密集，整個地區(qū)受人類活動的干擾程度也比較大，林地、草地等自然植被遭到破壞，零星分散在局部地區(qū)，而耕地、和城鄉(xiāng)用地等人為景觀類型發(fā)育比較完整.各種景觀類型嵌套分布在中下游地區(qū)，形成了嘉陵江流域多樣性、均勻度以及破碎化程度較高的總體景觀特征.另外，由于嘉陵江由于上游黃土區(qū)土質(zhì)疏松，中下游紫紅色頁巖又易于風化，加之岸坡很陡，耕墾過度，植被覆蓋很差，造成坡面侵蝕強烈，流域內(nèi)出現(xiàn)兩個水土流失嚴重的地區(qū)，一個在上游陜西、甘肅境內(nèi)，一個在中下游四川盆地中部丘陵區(qū).水土的嚴重流失，成為流域內(nèi)泥沙產(chǎn)生的主要來源.這也是導致嘉陵江流域景觀格局動態(tài)變化的重要原因之一.

3 結(jié) 語

1980年、1995年和2000年嘉陵江流域的整體景觀格局發(fā)生了很大的變化.通過對比不同時期的景觀格局指數(shù)可以看出，20年間嘉陵江流域的斑塊數(shù)目總體呈上升趨勢，斑塊平均面積不斷減小，流域的蔓延度指數(shù)不斷地降低，說明1980年、1995年和2000年嘉陵江流域的景觀連接性已經(jīng)被嚴重破壞，破碎化趨勢增加；從景觀結(jié)構(gòu)的規(guī)則性來看，景觀形狀指數(shù)、面積加權(quán)平均形狀因子明顯增加，反映了整體景觀斑塊的形狀趨于復雜化、不規(guī)則化；最大斑塊指數(shù)整體呈上升趨勢，說明景觀中占有優(yōu)勢的土地利用類型不明顯.香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均度指數(shù)表現(xiàn)出“先升后降”的變化過程，整體上呈增加趨勢，說明研究區(qū)內(nèi)各景觀類型所占比例差異減小且各組成在面積上分布的越來越均勻.

關(guān)注研究時段內(nèi)嘉陵江流域土地利用景觀格局的動態(tài)分析，在今后的研究中將結(jié)合徑流、蒸散發(fā)以及輸沙量等水文資料，探討土地利用景觀格局變化對流域水沙過程的影響，從而深入分析研究土地利用景觀格局的動態(tài)變化對嘉陵江流域水沙資源時空變化規(guī)律及趨勢的影響.

［1]Turner，Monica Goigel，Ruscher C.Lynn.Changes in Landscape Patterns in Georgia，USA［J].Landscape E－cology，1988，1（4）：241－251.

［2]陳文波，肖篤寧，李秀珍.景觀指數(shù)分類、應用及構(gòu)建研究［J].應用生態(tài)學報，2002，13（1）：121－125.

［3]布仁倉，胡遠滿.景觀指數(shù)之間的相關(guān)分析［J].生態(tài)學報，2005，25（10）：2764－2775.

［4]李秀珍，布仁倉.景觀格局指標對不同景觀格局的反應［J].生態(tài)學報，2004，24（1）：123－134.

［5]汪朝輝，王克林.水陸交錯生態(tài)脆弱帶景觀格局時空變化分析——以洞庭湖區(qū)為例［J].自然資源學報，2004，19（2）：240－246.

［6]李崇巍，劉世榮.岷江上游景觀格局及生態(tài)水文特征分析［J].生態(tài)學報，2005，25（4）：691－698.

［7]胥 曉，鄭伯川，陳友軍.嘉陵江流域植被景觀的空間格局特征［J].長江流域資源與環(huán)境，2007，16（3）：373－378.

［8]楊 泉，何文社.嘉陵江水土保持對三峽工程水沙的影響［J].蘭州交通大學學報：自然科學版，2005，24（3）：37－40.

［9]鄔建國.景觀生態(tài)學——格局、過程、尺度與等級［M].北京：高等教育出版社，2000：96－112.

［10]劉士余.降雨與植被變化對贛西北大坑小流域水文特征的影響研究［D].北京：北京林業(yè)大學，2008.

［11]張玉虎.流域典型區(qū)土地利用／覆被變化與生態(tài)安全格局構(gòu)建分析——以永定河流域門頭溝段為例［D].新疆：新疆大學，2008.

［12]馬克明，傅伯杰.北京東靈山地區(qū)景觀格局及破碎度評價［J].2000，24（3）：320－326.