羅儀寧，丁 強(qiáng)，趙 蓓，楊玉珍，劉 勇，劉 芳，馬愛(ài)芬

(陜西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，陜西 西安 710054)

景觀生態(tài)學(xué)(Landscape Ecology)是一門新興的學(xué)科，主要研究空間格局和生態(tài)過(guò)程的相互作用及尺度效應(yīng)。其最簡(jiǎn)單的表述是:研究景觀的結(jié)構(gòu)、功能和變化[1－3]。景觀空間格局決定著資源地理環(huán)境的分布形成和組分，制約著各種生態(tài)過(guò)程。研究生態(tài)景觀格局的特征及其變化，可以在表現(xiàn)無(wú)序的景觀中發(fā)現(xiàn)潛在的有意義或有序的規(guī)律，有利于探討景觀空間格局及動(dòng)態(tài)變化與土地利用過(guò)程之間的相互關(guān)系，揭示景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)的相互作用，從而進(jìn)一步對(duì)景觀格局在時(shí)間和空間尺度上的變化方向、程度進(jìn)行模擬、評(píng)估和預(yù)測(cè)，因地制宜的制定可持續(xù)發(fā)展的土地利用政策，為資源利用和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供重要參考[4，5]。

黑河飲水工程是西安市的主要供水水源，占西安市城市供水量76%以上，其水質(zhì)、水量與流域生態(tài)環(huán)境狀況直接關(guān)系到西安市八百萬(wàn)市民的身體健康與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。本研究以黑河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，選擇2000－2010年近十年來(lái)的三期Landsat TM/ETM+影像、ASTER GDEM為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)合遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和景觀生態(tài)學(xué)方法，對(duì)黑河流域生態(tài)景觀格局特征及十年變化進(jìn)行分析，為流域的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)定量分析提供依據(jù)，為流域治理、生態(tài)資源恢復(fù)及環(huán)境管理提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

黑河流域系渭河一級(jí)支流，發(fā)源于周至縣西南厚畛子南北兩側(cè)秦嶺山脈主峰太白山、光頭山一帶，流域全域在陜西省周至縣境內(nèi)，全河長(zhǎng)125.8 km，集水面積 2 258 km2，大部分為茂密森林所覆蓋。在主河道上游70 km的距離內(nèi)，集中發(fā)育了豐富而奇特的地質(zhì)、水文、森林植被、動(dòng)物等自然生態(tài)資源。目前黑河流域已有675 km2劃為國(guó)家自然保護(hù)區(qū)。

黑河引水工程是一項(xiàng)跨流域引水、綜合利用的大型水利工程，是西安市的主要供水水源。該項(xiàng)工程自1986年開(kāi)工建設(shè)至今，累計(jì)向西安城市供水25.6億 m3，農(nóng)業(yè)灌溉供水2億 m3，水力發(fā)電1.3億度。近年來(lái)，伴隨著人類開(kāi)發(fā)利用水資源，流域生態(tài)系統(tǒng)及環(huán)境發(fā)生了不同方向、不同程度的變化。因此，研究黑河流域生態(tài)景觀格局的變化規(guī)律，不僅對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)、資源開(kāi)發(fā)、流域治理和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且對(duì)研究我國(guó)生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)、資源和人口的可持續(xù)發(fā)展也具有重要的參考價(jià)值。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及預(yù)處理

本研究遙感影像采用2000年、2005年及2010年的美國(guó)Landsat衛(wèi)星所接收的TM/ETM數(shù)據(jù)，成像時(shí)間集中于當(dāng)年的4－9月，空間分辨率30 m。數(shù)字高程模型采用 ASTER GDEM V2，即先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型，空間分辨率為30 m;該數(shù)據(jù)是根據(jù)NASA的新一代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Terra的詳盡觀測(cè)結(jié)果制作完成的，第二版數(shù)據(jù)在第一版GDEM的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正和精度提高，更符合地表實(shí)際情況。

在進(jìn)行土地覆被分類及景觀格局變化研究前需要對(duì)遙感影像和GDEM數(shù)據(jù)做以下預(yù)處理。

2.1.1 流域邊界確定

水文分析是DEM數(shù)字地形分析的一個(gè)重要方面。黑河流域的流域分割以ASTER GDEM V2為數(shù)據(jù)源，使用 ArcGIS軟件的水文分析模塊，經(jīng)過(guò)水流方向提取、洼地填充、匯流累積量計(jì)算、水流長(zhǎng)度提取、河網(wǎng)提取和流域分割等步驟，得到黑河流域邊界的矢量數(shù)據(jù)[6，7]。

2.1.2 遙感影像預(yù)處理

遙感影像預(yù)處理使用ENVI和ERDAS軟件，包括影像融合、幾何校正、影像鑲嵌、影像裁切等步驟，最終得到黑河流域2000年、2005年和2010年的影像數(shù)據(jù)。其中，2000年為ETM+數(shù)據(jù)，使用1－5和7共6個(gè)多光譜波段;2005和2010年為TM數(shù)據(jù)，使用1－7波段。保留較多波段能夠在土地覆蓋分類中根據(jù)不同分類目的采用不同的波段組合，更準(zhǔn)確的辨別不同地類[8－10]。

2.2 研究方法

本研究的土地覆蓋分類采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒╗9－11]。黑河流域土地覆蓋一級(jí)分類為林地、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)及裸地共六類;二級(jí)分類為:闊葉林、針葉林、針闊混交林、稀疏林、闊葉灌叢、草地、沼澤、湖泊、河流、耕地、園地、居住地、工礦交通、裸地等十四類(分類體系基于《全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化(2000－2010年)遙感調(diào)查與評(píng)估項(xiàng)目》中的生態(tài)系統(tǒng)分類體系)。

使用ENVI軟件，對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的流域影像數(shù)據(jù)進(jìn)行土地覆蓋分類后，將其導(dǎo)入 ArcGIS，統(tǒng)計(jì)各生態(tài)系統(tǒng)景觀類型的土地覆蓋狀況并得到流域各生態(tài)系統(tǒng)景觀類型專題圖。本研究在景觀水平指數(shù)和斑塊水平指數(shù)選取了斑塊數(shù)、平均斑塊面積、類斑塊平均面積、邊界密度、聚集度指數(shù)和平均斑塊分維數(shù)為景觀格局特征研究對(duì)象，使用Fragstats軟件進(jìn)行指數(shù)的計(jì)算，對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，研究生態(tài)景觀格局特征及變化[5，12－14]。具體步驟如圖 1 所示。

圖1 研究步驟

2.3 景觀格局評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)生態(tài)系統(tǒng)景觀類型面積

土地覆被分類系統(tǒng)中，一級(jí)分類、二級(jí)分類各類生態(tài)系統(tǒng)面積統(tǒng)計(jì)值(單位 km2)。

(2)生態(tài)系統(tǒng)景觀類型構(gòu)成比例

土地覆被分類系統(tǒng)中，基于一級(jí)和二級(jí)分類的各類生態(tài)系統(tǒng)面積比例。

(3)斑塊數(shù)(Number of Patches)

評(píng)價(jià)范圍內(nèi)斑塊的數(shù)量，用來(lái)衡量目標(biāo)景觀的復(fù)雜程度。

(4)平均斑塊面積(Mean Patch Size)

評(píng)價(jià)范圍內(nèi)平均斑塊面積。該指標(biāo)可以用于衡量景觀總體完整性和破碎化程度。

式中:MPS為平均斑塊面積;NP為斑塊數(shù)量;TS為評(píng)價(jià)區(qū)域總面積。

(5)邊界密度(Edge Density)

從邊形特征描述景觀破碎化程度。

式中:ED為景觀邊界密度(邊緣密度);Pij為景觀中第 i類景觀要素斑塊與相鄰第j類景觀要素斑塊間的邊界長(zhǎng)度。

(6)聚集度指數(shù)(Contagion index)

反映景觀中不同斑塊類型的非隨機(jī)性或聚集程度。

式中:Cmax為Pij=PiPj/i指數(shù)的最大值;n為景觀中斑塊類型總數(shù);Pij為斑塊類型i與j相鄰的概率。(7)類斑塊平均面積

式中:景觀中某類景觀要素斑塊面積的算術(shù)平均值，反映該類景觀要素斑塊規(guī)模的平均水平;Ni為第i類景觀要素的斑塊總數(shù);Aij為第i類景觀要素第j個(gè)斑塊的面積。

(8)平均斑塊分維數(shù)(MPFD)

描述景觀和斑塊周邊幾何形狀的復(fù)雜程度。

3 結(jié)果與分析

(1)十年間黑河流域生態(tài)系統(tǒng)各景觀類型空間分布特征明顯。流域上中游多林地、草地，下游多農(nóng)田、城鎮(zhèn)和裸地。

黑河流域全境主要土地覆被類型為林地，三期林地面積在景觀中所占比例分別為 81.50%、81.58%、81.59%，因此流域基質(zhì)景觀是林地，且屬于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)景觀。除林地外農(nóng)田也是黑河流域的主要土地覆被類型:2010年，林地和農(nóng)田兩類占到了流域總面積的95.41%，其他四類僅占不到5%。與2000年一致，2010年各景觀類型面積從大到小依次為:林地、農(nóng)田、草地、城鎮(zhèn)、裸地、濕地。

十年間，各景觀類型面積發(fā)生了不同程度的增減變化，按增加面積由大到小排序?yàn)?城鎮(zhèn)、林地、濕地、裸地;草地在這十年間未發(fā)生變化;農(nóng)田是唯一一個(gè)面積減少的景觀類型，也是面積變化最大的景觀類型，十年間農(nóng)田面積共計(jì)減少 5.57 km2，其中增加 2.00 km2，減少 7.57 km2，轉(zhuǎn)化方向?yàn)榱值?、城?zhèn)、濕地和裸地，且對(duì)林地貢獻(xiàn)率最高、城鎮(zhèn)次之。各景觀類型面積在2000－2010年基本保持前五年變化程度較為劇烈、后五年變化趨于平緩。

圖2 黑河流域生態(tài)系統(tǒng)景觀類型分布

表1 黑河流域生態(tài)系統(tǒng)景觀格局特征

(2)十年間黑河流域景觀格局逐步走向完整。黑河流域在三個(gè)研究時(shí)期其土地覆被解譯結(jié)果斑塊數(shù)(NP)呈減少趨勢(shì)，景觀結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)化;平均斑塊面積(MPS)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，與斑塊數(shù)變化一致;邊界密度(ED)是描述景觀破碎化程度的指標(biāo)，10年間流域邊界密度呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，說(shuō)明斑塊的破碎化程度在降低，景觀從破碎走向完整;聚集度指數(shù)(CONT)反映了景觀中不同斑塊類型的非隨機(jī)性或聚集程度，2005年聚集度指數(shù)最高，說(shuō)明2005年景觀格局組分空間配置斑塊團(tuán)聚性最好，十年間聚集度指數(shù)呈上漲趨勢(shì)，十年間景觀格局趨于完整化。

由此得出結(jié)論，黑河流域2000－2010年生態(tài)系統(tǒng)景觀格局空間分布得到整合、趨于大塊狀化分布，景觀破碎化程度降低、景觀格局走向完整。

圖3 黑河流域生態(tài)系統(tǒng)景觀類型十年面積變化

表2 黑河流域景觀類型格局特征

(3)十年間，黑河流域景觀斑塊數(shù)減少，大多數(shù)景觀類型 分布格局得到整合。各景觀類型斑塊數(shù)從大到小依次為:農(nóng)田、城鎮(zhèn)、裸地、濕地、林地、草地。農(nóng)田和城鎮(zhèn)作為人工景觀類型在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的分布相對(duì)分散;林地、草地等自然景觀類型在研究區(qū)內(nèi)的分布相對(duì)集中。2000－2010年，大多數(shù)景觀類型的斑塊數(shù)有所減少，草地?zé)o變化，這種變化與國(guó)家和地方對(duì)生態(tài)保護(hù)及合理利用土地等政策的大力宣傳有很大關(guān)系，大力宣傳使得人們對(duì)生態(tài)保護(hù)和土地利用的觀念有所轉(zhuǎn)變，原本破碎的斑塊在這十年間得到一定的整合，尤其是2000－2005年整合效果更為明顯。

(4)十年間，黑河流域基質(zhì)景觀始終為林地且林地及其他各類自然景觀格局逐步趨于完整。類斑塊平均面積最大的是林地，其平均斑塊面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他幾類，且十年間林地斑塊面積持續(xù)增加、聚集度指數(shù)增大，說(shuō)明林地斑塊在優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上不斷得到整合，林地景觀格局趨于完整，說(shuō)明流域退耕還林已見(jiàn)成效。2000年類斑塊平均面積最小的為濕地，2005年則變?yōu)榱寺愕兀?010年依舊是裸地，說(shuō)明濕地景觀類型在前五年整合強(qiáng)度較大。

(5)十年間，黑河流域人工景觀格局逐步趨于完整，農(nóng)田和城鎮(zhèn)此消彼長(zhǎng)。農(nóng)田面積減少的同時(shí)平均斑塊面積的增大說(shuō)明農(nóng)田景觀得到整合，減少的農(nóng)田面積從另一個(gè)側(cè)面反映了流域退耕還林的成效。城鎮(zhèn)景觀在面積增加的同時(shí)類斑塊平均面積也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其邊界密度的增加更說(shuō)明城鎮(zhèn)景觀趨于完整。這種變化與十年間城市化進(jìn)程的推進(jìn)以及新農(nóng)村建設(shè)是分不開(kāi)的。

(6)十年間，黑河流域景觀斑塊形狀簡(jiǎn)單、變化較小。平均斑塊分維數(shù)屬于景觀斑塊形狀指標(biāo)，黑河流域各景觀類型斑塊形狀簡(jiǎn)單，平均斑塊分維數(shù)在十年間變化非常小，說(shuō)明流域斑塊形狀整體保持穩(wěn)定，變化較小。濕地平均斑塊分維數(shù)在三個(gè)時(shí)期都是最大的，說(shuō)明研究區(qū)濕地景觀斑塊形狀最為復(fù)雜;同理，林地景觀斑塊形狀最為簡(jiǎn)單。

4 結(jié)語(yǔ)

從生態(tài)景觀格局變化來(lái)看，2000－2010年黑河流域生態(tài)系統(tǒng)景觀格局空間分布得到整合，景觀破碎化程度降低、景觀格局走向完整，景觀形狀簡(jiǎn)單且變化較小。

三個(gè)研究時(shí)期內(nèi)，黑河流域大部分生態(tài)景觀類型在斑塊數(shù)、面積及空間格局上都發(fā)生了不同程度的變化，但林地始終是其景觀基質(zhì)，屬于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)景觀。

十年間黑河流域上中游多林地、草地，下游多農(nóng)田、城鎮(zhèn)和裸地。十年間，林地景觀在優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上不斷得到整合，林地和其他自然景觀類型格局趨于完整;濕地景觀類型在研究期的前五年得到更多整合且面積有所增加。十年間，人工景觀格局同樣逐步趨于完整，農(nóng)田與城鎮(zhèn)此消彼長(zhǎng):農(nóng)田是唯一一個(gè)面積減少的景觀類型，也是面積變化最大的景觀類型，在這十年間農(nóng)田轉(zhuǎn)化為了林地、城鎮(zhèn)、濕地和裸地，且對(duì)林地貢獻(xiàn)率最高、城鎮(zhèn)次之;城鎮(zhèn)景觀面積增加最多，景觀格局趨于完整，反映了城市化進(jìn)程的推進(jìn)作用。

可以看出，2000－2010年，在國(guó)家“退耕還林還草”等各項(xiàng)生態(tài)環(huán)境治理項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)流域景觀格局產(chǎn)生影響的同時(shí)，城市化進(jìn)程也推動(dòng)著黑河流域生態(tài)景觀格局向另一方向前進(jìn)。多種自然和人為力量的不同作用，加之黑河流域特殊的生態(tài)保護(hù)意義，探尋一條可持續(xù)發(fā)展的道路是流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)需要關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。在今后的發(fā)展中，應(yīng)根據(jù)不同時(shí)期、不同情況對(duì)流域核心區(qū)和敏感區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，加強(qiáng)流域全境生態(tài)景觀格局建設(shè)和保護(hù)，以增強(qiáng)抵御自然及人為災(zāi)害的能力;對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)實(shí)行有限制有條件的開(kāi)發(fā)、科學(xué)規(guī)劃，加強(qiáng)流域的生態(tài)環(huán)境景觀建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)資源利用與環(huán)境建設(shè)的相互促進(jìn)和共同發(fā)展。

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