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北京密云水庫古北口鎮(zhèn)景觀動態(tài)研究*

婁會品1，張金瑞2

(1.河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050031；2.廣州市水務(wù)科學(xué)研究所，廣東廣州510220)

摘要：以古北口鎮(zhèn)為研究對象，采用遙感影像數(shù)據(jù)，通過土地利用的動態(tài)變化，研究密云水庫上游水源涵養(yǎng)林的景觀動態(tài)變化。結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)的森林、灌叢和草地景觀面積變化相對劇烈，整體生態(tài)效益降低；在研究期間，人為生態(tài)調(diào)整使水源涵養(yǎng)林整體破壞趨勢得到有效的控制，但景觀的空間分布受到某些生態(tài)因子的限制。

關(guān)鍵詞：土地利用；水源涵養(yǎng)林；古北口鎮(zhèn)；森林景觀

作為陸地主要植被類型之一，森林景觀及其動態(tài)一直是生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)等學(xué)科研究的重要內(nèi)容[1～6]。鑒于密云水庫的重要性及水源涵養(yǎng)林在水庫功能發(fā)揮中的重要作用，水源涵養(yǎng)林建設(shè)及經(jīng)理一直受到北京市各級政府的重視，在水庫上游集水區(qū)開展了多項林業(yè)生態(tài)項目(綠化治理重要工程、“三北”防護林重點工程、京津風(fēng)沙源治理工程等)，很大程度上提升了北京山區(qū)的綠化率(67.85 %)[7]。同時，由于各項林業(yè)生態(tài)項目的開展及森林的更新演替，森林景觀一直處于動態(tài)過程中。因此，明確森林景觀的動態(tài)過程及其機理對正確經(jīng)營森林意義重大。

1研究區(qū)概況

古北口鎮(zhèn)總面積84.71 km2，位于東經(jīng)117°17′30″～117°03′58″，北緯40°36′38″～40°42′23″，地處密云水庫北京集水區(qū)的上游。該地區(qū)植被類型中，原始天然林稀少，僅占集水區(qū)總面積的0.5 %(76.9 km2)；天然次生林分布在低山、中山，占集水區(qū)總面積的22.2 %(3 297.1 km2)，以闊葉混交雜木林為主。研究區(qū)為溫帶大陸季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均降水量約660 mm，年內(nèi)分配不均勻，其中70 %～85 %的降水集中在6-9月。地貌屬燕山余脈淺山丘陵區(qū)，地勢西北高、東南低。土壤以褐土、棕壤、草甸土和栗鈣土為主。

2研究方法

本研究應(yīng)用土地利用/土地覆被變化(LUCC)來研究水源涵養(yǎng)林的景觀動態(tài)變化。LUCC一直是當(dāng)今全球變化、氣候變化及生物多樣性變化的熱點課題[8～11]。試驗中采用遙感技術(shù)對土地利用進行調(diào)查。

本研究采用Landsat5和Landsat7資源衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)(表1)對古北口鎮(zhèn)的土地利用變化狀況進行分析?；贓NVI 4.7和ERDAS Imagine 9.2遙感影像分析平臺，對遙感影像進行糾正，以GPS地面調(diào)查為訓(xùn)練樣本，采用監(jiān)督分類的方法提取研究區(qū)內(nèi)LUCC信息[12～13]。進行監(jiān)督分類時采用波段1～5和波段7共6個波段綜合信息。

表1　研究所采用遙感衛(wèi)星基本信息

注：此表根據(jù)《西藏高原草地退化遙感分析——以藏北高原典型區(qū)為例》一書整理而成。

2.1監(jiān)督分類過程及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

本研究共采用了4期遙感影像數(shù)據(jù)，其基本信息見表2。

通常情況下，所能獲得的遙感數(shù)據(jù)是衛(wèi)星傳感器記錄的電壓或數(shù)字量化值(DN)，需要通過輻射定標(biāo)把其轉(zhuǎn)化為輻射亮度值(地表反射率、溫度等)物理量。同時，衛(wèi)星平臺存在高度、速度變化、傳感器的掃描速度不均勻、地球本身曲率變化、地形遮蔽等因子的綜合作用，遙感影像存在著幾何畸變等不足，需要通過前期處理以消除這些影響[12～15]。

表2　LUCC監(jiān)督分類遙感影像基本信息

在輻射定標(biāo)的基礎(chǔ)上，本研究中采用Flaash模型對遙感影像進行大氣糾正[5]，以30 m精度的DEM進行地形糾正。為了進一步消除衛(wèi)星傳感器等因素所導(dǎo)致的幾何畸變，運用幾何糾正模塊中的多項式變換法對其進行糾正，定義多項式為2次方。地面控制點通過野外調(diào)查獲得，共有40個GPS點，通過調(diào)整保證RMS誤差小于0.5個像元，之后進行3×3像元重采樣生成糾正后數(shù)據(jù)[12～13]。

監(jiān)督分類過程中以野外觀測時GPS記錄的40樣本建立訓(xùn)練樣本，以Jeffries-Matusita距離表征訓(xùn)練樣本間的分離性，把Jeffries-Matusita距離大于1.9的樣本作為合格樣本。之后，采用支持向量機模塊對糾正后的遙感數(shù)據(jù)進行監(jiān)督分類，并通過Kappa系統(tǒng)控制分類結(jié)果的準(zhǔn)確度(Kappa大于85 %)。最后，以Sieve法對分類結(jié)果進行過濾處理，最終把研究區(qū)內(nèi)的土地利用類型分為7類[12～13，16](圖1)，各類地物的編碼及其所包含的地物見表3。

圖1　1992-2010年不同時期土地利用監(jiān)督分類結(jié)果

編碼自然/人為名稱地物類1N水體 水溪、水庫、河灘地2A城鎮(zhèn) 村鎮(zhèn)、山村、道路3A農(nóng)業(yè)用地農(nóng)田、果園4N/A森林 針葉林、闊葉林、人工林、天然林5N灌叢 灌木、草叢6N草地 放牧地、雜草地7N裸地 裸巖、陡崖

注：表中N表示地物類為自然景觀；A則表示地物類為人工景觀。

2.2遙感影像分類結(jié)果

在監(jiān)督分類的基礎(chǔ)上，土地利用類型被分為7類(圖1)。從圖1可以看出，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)業(yè)用地主要集中在河流附近或與河流平行分布[17]；裸地則主要集中在古北口鎮(zhèn)的東北及中部相對高海拔陡峭山區(qū)；灌叢、草地以及林地的分布則相對分散；森林景觀類型是研究區(qū)的主要景觀類型，在研究期間發(fā)生了相對劇烈的變化[18～20]，整體上，監(jiān)督分類結(jié)果與實地調(diào)查結(jié)果吻合狀況較好。

3結(jié)果與分析

3.1古北口鎮(zhèn)1992-2010年LUCC動態(tài)

1992-2010年期間，古北口鎮(zhèn)水體面積變化不大，只降低了0.33 %(圖2)，由遙感影像變化分析得出，水體占地主要流轉(zhuǎn)為農(nóng)業(yè)用地、村鎮(zhèn)用地和灌叢用地，部分草地、農(nóng)業(yè)用地流轉(zhuǎn)為水體；村鎮(zhèn)面積保持持續(xù)增大的變化趨勢，由4.33 %升高到5.17 %，城鎮(zhèn)用地面積略有增大，這一變化主要是由于村鎮(zhèn)用地、農(nóng)業(yè)用地之間相互轉(zhuǎn)變引起的。農(nóng)業(yè)用地面積略有下降，從1992年的10.39 %降低到2010年的8.65 %，農(nóng)業(yè)用地的減少主要是因為大面積的農(nóng)田在退耕還林(草)政策的作用下轉(zhuǎn)化為草地、灌叢或裸地，以及城鎮(zhèn)的發(fā)展占用了部分農(nóng)業(yè)用地；森林面積由1992年的21.10 %到2010年的21.29 %，基本保持不變。由圖2可以看出，森林面積在研究時間段內(nèi)呈現(xiàn)波動變化，在2006年時達(dá)到最大值，2006年到2010年之間不斷減小，森林占地流向了灌叢以及裸地；灌叢面積增加了1.01 %，稍有上升，草地面積由1992年的19.53 %下降到15.65 %，下降了近4 %，裸地面積升高了近4 %，森林、灌叢、草地和裸地間的轉(zhuǎn)換仍然比較劇烈，不過更多的森林、草地流向了灌叢和裸地。綜合來看，人為景觀，例如城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)用地，變化較小，略有減少，呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；自然景觀整體面積基本穩(wěn)定，略有增加。森林景觀由于人類的介入(退耕還林草)，導(dǎo)致其他自然景觀(裸地，草地和灌叢)之間出現(xiàn)劇烈的波動，更多的林地草地流向了灌叢和裸地，人類活動是導(dǎo)致本地自然生態(tài)不能穩(wěn)定發(fā)揮生態(tài)作用以及自然景觀的生態(tài)效益有所下降的重要因素。

3.2水源涵養(yǎng)林動態(tài)研究

古北口鎮(zhèn)內(nèi)的水源涵養(yǎng)林主要分為兩大類，森林植被和灌叢植被。本研究中，水源涵養(yǎng)林景觀動態(tài)的分析是基于森林景觀和灌叢景觀的動態(tài)特征，綜合比較分析所得。

圖2　研究區(qū)1992-2010年LUCC變化百分率

年份景觀指數(shù)EDLSILPIMESHPDSPLITAIIJI199240.4730.9716.26561.772.2935.9887.0672.62200047.8634.709.07307.132.7665.7185.3764.32200654.2341.0114.67510.482.5839.5982.7159.61201054.2341.0114.67510.482.5839.5982.7159.61

古北口鎮(zhèn)域內(nèi)水源涵養(yǎng)林斑塊的景觀呈現(xiàn)波動變化現(xiàn)象(表4)。斑塊邊緣密度指數(shù)(Edge Density，ED，m/hm2)、景觀形狀指數(shù)(Landscape Shape Index，LSI)呈上升趨勢，表明古北口鎮(zhèn)域內(nèi)水源涵養(yǎng)林景觀之間生態(tài)過程活躍、斑塊形狀規(guī)則性變差的趨勢。

最大斑塊指數(shù)(Largest Path Index，LPI，%)、有效粒度面積指數(shù)(Effective Mesh Size，MESH，%)表現(xiàn)為先降后升至穩(wěn)定的變化過程，表明早期的人為活動使研究區(qū)內(nèi)森林景觀變得破碎、整體異質(zhì)性增強，林分分布較分散，森林景觀地帶性優(yōu)勢性不明顯(最大斑塊指數(shù)均低于9 %)，隨著各項林業(yè)生態(tài)工程的實施，水源涵養(yǎng)林在斑塊水平上的優(yōu)勢性開始趨向穩(wěn)定發(fā)展階段。

斑塊密度指數(shù)(Patch Density，PD，個/hm2)、分離度指數(shù)(Splitting Index，SPLIT，%)表現(xiàn)為先升后降至穩(wěn)定的動態(tài)過程，說明研究區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)林在早期的人為干擾下斑塊數(shù)量增加、斑塊間空間分離加大，到后期的人為生態(tài)調(diào)整過程中的斑塊數(shù)量降低、空間分布相對集中的動態(tài)過程，即人為干預(yù)后，破碎的小型斑塊進行了整合及合并，形成較大斑塊。

聚合度(Aggregation Index，AI)、散布與并列指數(shù)(Interspersion and Juxtaposition Index，IJI，%)整體表現(xiàn)為先下降，后至穩(wěn)定不變，表明在整個研究階段內(nèi)古北口鎮(zhèn)內(nèi)水源涵養(yǎng)林斑塊之間聚集程度下降、空間分布趨于均勻的變化趨勢；同時，散布與并列指數(shù)的降低(整體水平相對較低)也表明在研究區(qū)內(nèi)，水源涵養(yǎng)的空間分布受某些生態(tài)因子的限制。

綜上所述，古北口鎮(zhèn)內(nèi)森林景觀和灌叢景觀的動態(tài)特征表明各項林業(yè)生態(tài)工程的實施是有效的，原來人為破壞的趨勢得到控制。

4結(jié)論

(1)研究表明，人為景觀(農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn))，變化較小，略有減少，呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；自然景觀整體面積基本穩(wěn)定，略有增加。研究區(qū)內(nèi)的森林、灌叢和草地景觀面積變化相對劇烈，三者間相互轉(zhuǎn)換率非常大，更多的林地草地流向了灌叢和裸地；整個研究階段內(nèi)，人類活動的介入導(dǎo)致了自然景觀之間的波動，人類活動是導(dǎo)致本地自然生態(tài)不能穩(wěn)定發(fā)揮生態(tài)作用以及自然景觀的生態(tài)效益有所下降的重要因素。

(2)古北口鎮(zhèn)內(nèi)森林景觀和灌叢景觀的動態(tài)特征表明各項林業(yè)生態(tài)工程的實施使水源涵養(yǎng)林景觀生態(tài)過程活躍性增強，斑塊形狀規(guī)則性變差，景觀斑塊之間趨于合并的趨勢，形成較大的斑塊，景觀斑塊的優(yōu)勢性和空間分布趨于穩(wěn)定，但水源涵養(yǎng)的空間分布受某些生態(tài)因子的限制；研究結(jié)果可以表明林業(yè)生態(tài)工程的實施使古北口鎮(zhèn)水源涵養(yǎng)林的景觀動態(tài)向穩(wěn)定方向發(fā)展，人為破壞的趨勢得到控制，水源涵養(yǎng)景觀空間分布受某些生態(tài)因子的限制。

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Landscape Dynamics of Gubeikou Town in Beijing

LOU Hui-pin1，ZHANG Jin-rui2

(1.Hebei Electric Power Design & Research Institute, Hebei Shijiazhuang 050031, P.R.China;

2.Guangzhou Water Research Institute ，Guangzhou Guangdong 510220, P.R.China)

Abstract:landscape dynamics of water-source protection forest in the Miyun reservoir upstream of Gubeikou town was studied by using remote sensing image and analyzing land use dynamics.The results showed that the landscape of forest, shrub and grassland were changing dramatically and the overall ecological contribution decreased.During research period, by artificial ecological adjustment, the tendency of water-sources forest destruction was controlled，while landscape spatial distribution was limited by some ecological factors.

Key words:land use;water-source forest;Gubeikou town；forest landscape

中圖分類號：F 301.2；Q 149

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-8246(2015)05-0103-05

作者簡介：第一婁會品(1984-)，女，工程師，碩士，主要從事森林生態(tài)工程研究。E-mail：snowwhite969@163.com

收稿日期：*2015-04-01

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.05.020