秦岭南北流域景观格局特征及脆弱性差异研究

来源:用户上传      作者:

　　摘要：选择秦岭金钱河流域和灞河流域为研究对象，采用景观格局分析来评估流域生态状况、诠释生态过程。以2000年、2008年、2016年遥感影像为主要信息源，研究两流域土地利用状况和景观格局。结果表明，金钱河流域林地、未利用地、水域面积均有所增加，草地、建设用地、耕地减少;灞河流域林地、建设用地面积增加，未利用地、水域、耕地、草地均减少;从两流域的景观格局指数来看，金钱河水域发展的优势度越来越高，灞河水域发展的优势高于其他土地类型，2000年、2015年两流域景观破碎化程度有所减小，研究区发展更趋向于集中分布;两河流域的景观脆弱度空间分布及各等级分布形式均存在差异，景观脆弱度的高低与土地利用强度均相吻合。研究结果可为秦岭山地流域生态经济协调发展规划提供科学依据。
　　关键词：秦岭南北流域;景观格局;脆弱性
　　中图分类号：F301.24 文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）07-0151-09
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.07.031
　　Abstract： The Qinling Jinqian River Basin and Bahe River Basin were selected as the research objects，and landscape pattern analysis was used to evaluate the ecological status of the basin and interpret the ecological process. Based on the remote sensing images of 2000，2008 and 2016 as the main information sources，the land use status and landscape pattern of the two river basins were studied. The results showed that the area of forest land，unused land and water areas in the Jinqian River Basin increased，while grassland，construction land，and cultivated land decreased. The area of forest land and construction land in the Bahe River Basin increased，and unused land，waters，cultivated land，and grassland decreased. Judging from the landscape pattern index of the two river basins，the advantage of the Jinqian River waters development is getting higher and higher，and the advantage of Bahe waters development is higher than other land types. In 2000 and 2015，the fragmentation of the landscape in the two river basins decreased，and the development of the study area tended to be concentrated. There are differences in the spatial distribution of landscape vulnerability and the distribution of each level in the two river basins. The level of landscape vulnerability is consistent with the intensity of land use. The research results can provide a scientific basis for the coordinated development of eco-economic development in the Qinling Mountain Basin.
　　Key words： Qinling North and South Basin; landscape pattern; vulnerability
　　土地利用與覆被变化（LUCC）被认为是全球变化的主要决定因素之一[1]，其研究的本质是促进土地利用类型空间配置合理化，促进经济、社会、环境三者相协调，实现土地资源可持续利用[2]。选择秦岭南北地区具有代表意义的金钱河和灞河流域作为研究对象，分析两区域土地利用和景观特征，以期为研究区的资源环境保护提供科学依据。
　　景观格局（Landscape pattern）指的是景观的空间构造特征，包含有景观组成单元的多样性和空间配置[3]。选择灞河流域和金钱河流域作为秦岭南北典型流域，经过分析识别流域的景观格局，有效诠释生态过程的变化机制[4]，根据景观环境的变化为研究区提供结构布局及环境治理方法。
　　土地利用与覆盖变化的研究为全球环境变化研究热点领域[5]。在国际地圈与生物圈计划（IGBP）和全球环境变化人文计划（IHDP）共同推进下[6]，对土地利用与覆盖变化的特征及过程进行了大量的研究[7]。中国学者利用遥感和GIS技术，分析了近20年来秦岭土地利用与土地覆盖变化情况，研究表明，秦岭地区20年间草地和建设用地呈增长趋势，耕地、水域和未利用地呈减少趋势，而林地基本呈稳定状态[8]。对长安河地区景观格局进行调查表明，景观要素多样性增多、破碎度指数上升、景观分维数增加，景观异质性加强，进而影响生态环境[9]。 　　政策及人类活动的影响推动了景观格局变化，从而影响了生态环境。研究土地利用景观格局对指导政策制定和人类生产活动、改善秦岭生态环境有较大意义。
　　选择秦岭地区金钱河流域和灞河流域，对两流域土地利用景观格局对比研究，揭示秦岭南北流域不同地理条件下景观生态差异，通过对两流域土地利用景观格局对比研究，使用遥感和GIS方法，计算出两流域2000年、2008年、2015年土地利用情况，对比两流域的土地利用状况与景观格局，讨论土地利用变化对景观格局所起的作用，为地区资源合理利用和生态环境改善提供科学依据[10]，进而为两流域规划、治理、保护，为秦岭南北地区典型流域景观生态优化与可持续发展研究提供数据基础。
　　1 研究区概况
　　灞河地处陕西省西安市东南部，发源于秦岭北坡，为黄河二级支流，在高陵县内汇入渭河，属渭河一级支流[11]。河流全长104.1 km2，流域总面积 2 581 km2，地理坐标109°00′ —109°47′ E，33°50′ —34°27′ N。灞河流域上游的河床较大，汛期一般在夏季3个月，水流比较凶猛，而枯水期一般在冬季。
　　金钱河位于陕西秦岭地区，发源于海拔2 320.5 m的秦岭主脊南侧，是汉江在秦岭南坡的一条支流，主要受降水补给[12]，在陕西秦岭河段长度为199 km，地理坐标为109°9′ —110°19′ E，33°11′ —33°52′ N，研究区位于金钱河上游。
　　灞河流域覆盖秦岭以北关中地区（图1），是秦岭北坡河流的典型代表;金钱河属汉江在秦岭南坡的主要支流，流经秦岭以南深处，两河流域均可作为秦岭南北典型流域的代表。
　　2 数据来源与研究方法
　　2.1 数据来源
　　选取金钱河流域2000年5月13日、2008年5月18日、2015年6月1日三幅Landsat系列遥感影像。2000年5月13日和2008年5月18日的影像为Landsat 7遥感影像，来源于陕西生态十年调查项目，影像空间分辨率为30 m×30 m，时间分辨率为16 d，共8个波段，机载传感器为ETM+;2015年6月1日的影像来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn），空间分辨率为30 m×30 m，时间分辨率为16 d，共11个波段，机载传感器为OLI、TIRS。灞河流域采用2000年5月1日、2008年5月20日和2015年6月10日三期land sat ETM+遥感影像，影像数据均下载于地理空间数据云。研究区流域是基于ArcGIS软件的水文分析模块利用DEM数据提取来获取的。
　　2.2 研究方法
　　对遥感图像进行精确的几何校正和地理校正与配准、镶嵌和裁切，经过波段融合与增强处理，参照遥感影像土地利用解译指标，采用最大似然法进行监督分类，分别得到金钱河与灞河流域2000年、2008年和2015年土地利用类型图。采用景观格局指数来反应秦岭南北流域生态变化过程的差异性。
　　2.2.1 监督分类 该方法也称训练场地法，是指根据已知地面覆盖类型的训练样本区，通过计算机选择特征参数，建立判别函数以对各待分类影像进行的图像分类[13]。公式为
　　利用GIS的空间分析功能，对金钱河和灞河2000年、2008年和2015年的景觀类型图叠加运算，获得各自区域景观类型转移矩阵，在此基础上，定量化计算景观要素类型在研究时段内的转移情况[14]。
　　2.2.2 土地利用动态变化模型 运用土地利用转移矩阵能反映某一区域某一时段期初和期末各地类面积之间相互转化的动态过程信息[15]，土地利用转移矩阵通用形式为
　　2.2.3 景观格局分析 景观格局指数是能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置的定量指标[16]。在景观指数选择中，依据实际情况共选择7个景观格局指标，包括最大斑块指数（LPI）、斑块数目指数（NP）、散布并列指数（IJI）、分散指数（SPLIT）、斑块密度指数（PD）、香农多样性指数（SHDI）、聚集度指数（AI）。7种指标的计算公式及生态学含义参考文献[16]。
　　2.2.4 景观脆弱度分析 某一地区的景观生态系统所受到的干扰程度和脆弱程度可用景观脆弱度来表示，景观脆弱度（LVI）可通过景观敏感度（LSI）和景观适应度（LAI）来构建，LVI值越大，则生态系统脆弱性越严重，景观脆弱度公式为
　　式中，U为景观干扰度指数，V为景观易损度指数，FN为景观破碎度、FD为分维数倒数、DO为优势度，分别赋以权重0.5、0.3、0.2;V为景观易损度，表示不同景观类型对干扰的抵抗度，对各种景观类型赋以不同的权重，根据秦岭山区不同土地利用类型特征，建设用地赋值为2，林地和水域赋值为1，耕地赋值为3，草地赋值为4，未利用地赋值为5。
　　3 结果与分析
　　3.1 秦岭南北典型流域土地利用变化特征对比
　　秦岭南北典型流域土地利用分类结果见图2，灞河与金钱河流域3个时期土地利用类型面积见图3。3个时期的6种土地类型面积变化情况如下，灞河流域建设用地增多117.13 km2，林地增多11.23 km2，耕地增多13.31 km2，水域增多10.04 km2，草地减少22.73 km2;金钱河流域总体变化表现为耕地面积减少最多，面积增加的主要是建设用地和未利用地;对比来看灞河流域主要变化类型为建设用地，一方面由于西安市城市发展，另一方面是世园会建设导致建设用地增多，金钱河流域的主要变化类型为耕地，其转变方向为建设用地和未利用地，这可能与流域内景区建设以及城镇发展有很大关系。 　　表1为灞河流域2000—2008年土地利用转移矩阵，灞河流域2008—2015年土地利用转移矩阵见表2;表3为金钱河流域2000—2008年土地利用转移矩阵，金钱河流域2008—2015年土地利用转移矩阵见表4。从土地利用转移矩阵来看，2000—2008年，灞河流域建设用地、草地和未利用地均有所减少，林地、耕地、水域均有增多，其变化没有较为突出的特征;金钱河流域变化较明显的是耕地面积减少，其主要转变方向为林地和未利用地，这可能与流域内退耕还林政策实施与城镇扩张发展有关。2008—2015年，灞河流域变化最明显的为建设用地面积增加，其主要来源为未利用地;金钱河流域变化最明显的是未利用地和林地面积减少，其主要转变方向为耕地，这与同时期的耕地保护政策有关。
　　综上可见，两河流域内的土地类型变化与短期内的政策因素以及城市发展有很大关系，其主要驱动力为政策导向下的人为因素;另外灞河流域内土地利用变化程度大于金钱河流域，说明秦岭北坡人为活动影响要明显大于南坡。
　　3.2 灞河流域与金钱河流域景观格局变化对比分析
　　3.2.1 类型水平上景观格局对比 选取斑块数目指数（NP）、最大斑块指数（LPI）、散布并列指数（IJI）以及分散指数（SPLIT）4种类型水平上的景观格局指数进行分析（图4），2000年两流域斑块数目指数最大的为建设用地，但建设用地的斑块数目指数随时间逐渐减小，灞河流域建设用地、耕地、水域和林地斑块数目指数均较高，金钱河相对较低;最大斑块指数变化最明显的是灞河流域的草地、水域，这可能与灞河流域近几十年的城市建设、世园会修建以及水域生态保护等活动相关，金钱河流域最大斑块指数变化较明显的是耕地，这与2000年左右的退耕还林政策有很大关系;计算两流域的散布并列指数，两者变化都不大，并且各地类对比也没有明显差异;灞河流域分散指数变化较明显的地类有草地、建设用地、水域，草地增加、建设用地减少、水域减少明显，金钱河流域分散指数变化明显的是耕地、林地和未利用地。
　　金钱河流域林地、水域面积大，退耕还林政策的严格实施对金钱河流域的林地、水域有较好保护效果，建设用地略有增加;灞河流域随着城市化的发展，人类对草地、林地周围生态环境的开发利用造成建筑用地增加，但同时人类对水生态环境也十分重视。相比来看，秦岭北坡流域人类活动强度明显高于南坡，但是北坡在开发利用的过程中也较为重视生态环境保护，因此对于水域等的保护也有一定的效果，南坡由于林地面积大及保护政策的严格实施，其生态效果明显优于北坡。
　　3.2.2 景观水平上的景观格局分析 综合表5、表6来看，两河流域各景观水平指数在时间变化上没有太大变动，两流域的香农多样性指数和聚集度指数十分接近，灞河流域的斑块密度指数和最大板块指数均略大于金钱河，同时两流域的斑块密度指数和最大斑块指数均随时间呈下降趋势，说明破碎度降低，香农多样性指数有所增加，表明该流域景观丰富和复杂化，景观异质性增加，聚集度变化不明显。
　　3.3 灞河、金钱河流域景观脆弱性对比分析
　　根据研究区域特点以及各地类斑块的分布状况，分别将研究区域分成5 km×5 km的网格，利用ArcGIS软件对每个网区域对应的格栅格数据进行裁剪，并借助Fragstats3.4软件计算每个网格的景观脆弱度指数，最后采用克里金插值法对脆弱度指数进行空间插值，结果见图5。
　　为突显金钱河与灞河流域景观脆弱度空间分布的等级差异，对流域景观脆弱度进行等级划分，共分为5级：I级为低脆弱度区（脆弱度指数<4）;Ⅱ级为较低脆弱度区（4～6）;Ⅲ级为中脆弱度区（6～8）;Ⅳ级为较高脆弱区（8～10）;Ⅴ级为高脆弱度区（脆弱度指数≥10）。
　　从3个时期的景观脆弱度指数（图6）来看，灞河流域景观脆弱度较高的区域分布在流域的中部偏西北部区域，脆弱度较低的区域在流域的东南部区域，从空间上看，灞河流域景观脆弱度与人类土地利用强度分布十分吻合，西北部与西安市东郊相连，流域中部偏西北部人为活动影响较大，流域东南部为流域发源山地，基本分布为林地，受人为活动较小。金钱河流域景观脆弱度较高地区分布在流域东南部，脆弱度较低区域在流域西北部，依然与人类活动空间分布一致。
　　灞河流域景观以I、IV、V级区为主，占流域总面积的65.6%，说明灞河流域景观脆弱度呈现两头高，中间低的形式。金钱河流域景观以II、III、IV级区为主，占流域总面积的92.38%，由此可见，金钱河流域景观脆弱度呈现中间高两头低的形式。
　　5 结论与讨论
　　5.1 结论
　　1）两流域内主要的土地利用类型均为林地，金钱河流域林地的面积和比例均高于灞河流域，灞河流域建设用地、耕地、草地和未利用地所占比例均高于金钱河流域，从近16年的土地利用类型空间变化看，灞河流域的土地利用强度明显高于金钱河流域，说明秦岭南坡受城市扩张影响较小，同时受益于林地保护政策，土地利用类型变化程度均较小;秦岭北坡土地利用强度大，建设用地扩张明显，但同时环境保护活动也取得了较好的效果。北坡由于其有利的地形因素为人类活动创造了便利，但在未来的土地利用规划中应进一步协调好生态环境、耕地保护与建设发展之间的关系。
　　2）景观指数变化对人为活动的影响也十分敏感，景观脆弱度与人类活动在空间上相吻合。从两流域研究区的景观格局指数变化来看，金钱河水域发展的优势度越来越高，水域、林地周围的景观要素较多，呈均衡化发展，建设用地和耕地由集中向分散變化;灞河水域发展的优势也高于其他土地类型，这是人为的水环境政策实施的结果，其余各土地利用类型斑块数目指数都有下降，草地、林地周围的景观要素较多，呈均衡化发展;除了林地外其他土地类型由分散向集中变化。2000—2015年两流域景观破碎化程度有所减小，研究区发展更趋向于集中分布。 　　5.2 讨论
　　金钱河与灞河流域在社会、政治、经济以及自然环境作用下，土地利用、景观格局发生了明显改变。灞河流域因地理位置原因，人类活动影响较多，城市化发展加快，同时水域环境保护政策也响应及时，灞河流域水体得到治理，并使其生态经济效益得到很好发挥。灞河流域建设湿地公园、世园会等具有生态协调作用，同时也是能带动经济产业发展的生态规划项目。灞河流域更好地体现了人类对经济发展与环境保护之间的协调意识，而这一思想在未来的发展中还需更好地发扬和改进。
　　金钱河流域开发水资源，建立水电站，地理位置优越，风景优美，主要产业转型为旅游业。在发展旅游业的同时也要做好生态环境保护工作，对于景区的开发要做好生态与经济的协调发展。从秦岭南北典型流域土地类型变化、景观格局及人为活动影响对比来看，不同的地理条件下两河流域呈现出差异特点，根据不同区域特征，要注重采取针对性的协调政策，确保生态、社会、经济的和谐统一发展。
　　参考文献：
　　[1] 冯异星，罗格平，周德成，等. 近50a土地利用变化对干旱区典型流域景观格局的影响——以新疆玛纳斯河流域为例[J]. 生态学报，2010，30（16）：4295-4305.
　　[2] 田锡文，王新军，贾宏涛，等. 近40a凯拉库姆库区土地利用/覆盖变化及景观格局分析[J]. 农业工程学报.2014，30（6）：232-241.
　　[3] 张爱静，董哲仁，赵进勇，等. 流域景观格局分析研究进展[J]. 水利水电技术，2012，43（7）：17-20.
　　[4] 刘丽娟，李小玉，何兴元. 流域尺度上的景观格局与河流水质关系研究进展[J]. 生态学报，2011，31（19）：5460-5465.
　　[5] 史洪超. 土地利用/覆被变化（LUCC）研究进展综述[J]. 安徽农业科学，2012，40（26）：13107-13110，13125.
　　[6] 刘新卫，陈百明，史学正. 国内LUCC研究进展综述[J]. 土壤，2004，36（2）：132-135.
　　[7] 潘竟虎，刘 晓. 讨赖河流域近30年土地利用与景观格局动态[J]. 干旱地区农业研究，2013，31（5）：142-149.
　　[8] 胥彦玲，刘 康，秦耀民，等. 秦岭地区近20年来土地利用/土地覆盖变化及分析[J]. 水土保持学报，2006，20（2）：144-148.
　　[9] 王继夏，孙 虎，李俊霖，等. 秦岭中山区山地景观格局变化及驱动力分析——以宁陕县长安河流域为例[J]. 山地学报，2008，26（5）：546-552.
　　[10] 张 勇，蔡继清，孙雁君，等. 王家沟小流域50a土地利用动态变化分析[J]. 山西农业科学，2011，39（8）：897-899.
　　[11] 马新萍，白红英，侯钦磊，等. 1959年至2010年秦岭灞河流域径流量变化及其影响因素分析[J]. 资源科学，2012，34（7）：1298-1305.
　　[12] 马新萍，白红英，冯海鹏，等. 52a来秦岭南北径流变化对比及影响因素[J]. 干旱区地理，2013，36（6）：1032-1040.
　　[13] 杨 鑫. 浅谈遥感图像监督分类与非监督分类[J]. 四川地质学报，2008，28（3）：251-254.
　　[14] 张 荣. 黄前流域景观格局现状与动态研究[D]. 山东泰安：山东农业大学，2010.
　　[15] 乔伟峰，盛业华，方 斌，等. 基于转移矩阵的高度城市化区域土地利用演变信息挖掘——以江苏省苏州市为例[J]. 地理研究，2013，32（8）：1497-1507.
　　[16] 安春华. 基于3S的明清黄河故道与黄河下游沿岸区景观格局变化研究[D]. 河南开封：河南大学，2007.
　　[17] 焦 胜，杨 娜，彭 楷，等. 沩水流域土地景观格局对河流水质的影响[J]. 地理研究，2014，33（12）：2263-2274.
　　[18] 楊 勇，任志远. 基于GIS的关中地区土地利用/覆盖变化对比研究[J]. 干旱区资源与环境，2013，27（5）：40-45.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15281774.htm