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《水土保持研究雜志》2014年第三期

1研究區(qū)概況

雜谷腦河流域?qū)儆谇嗖馗咴蛩拇ㄅ璧剡^渡的高山峽谷區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯31°11′52″—31°55′7″，東經(jīng)102°35′36″—103°6′11″，總面積為2179km2，位于青藏高原東緣褶皺帶最外緣部分，處于岷江水系的一級(jí)支流雜谷腦河匯水區(qū)，該河流域是藏、羌、回及漢族等多個(gè)民族聚集區(qū)，85％以上的農(nóng)村勞動(dòng)力主要從事農(nóng)牧業(yè)，且土地利用方式主要以傳統(tǒng)的林業(yè)和牧業(yè)為主，但耕地多以坡耕地為主。氣候以高原山地溫帶、寒溫帶季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎臼芪鞅焙饔绊懀募臼芪髂吓c東南濕熱氣候影響，基本上常冬無夏，春秋連季［15］，平均氣溫低、地區(qū)差異大、冬冷夏涼、年較差小、日較差大，年均降水量為500～600mm，年蒸發(fā)量為1000～1500mm，干濕季節(jié)交替明顯，典型植被是由云杉、冷杉、松等針葉樹種所組成的純林或者混交林為主。

2研究方法

2．1數(shù)據(jù)處理本研究以美國Landsat衛(wèi)星1980年7月（MSS，60m×60m）和2006年9月（TM，30m×30m）兩期遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，并以研究區(qū)域1∶10萬地形圖、部分植被分布圖、水文地質(zhì)圖、部分土地利用數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)年鑒、部分土壤類型圖及氣象數(shù)據(jù)等為輔，在ERDASIMAGE9．2的支持下，以地形圖為地理坐標(biāo)參照，利用二次多項(xiàng)式的方法完成遙感影像的幾何校正，并保證其校正精度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像增強(qiáng)等一系列的處理，結(jié)合雜谷腦河流域邊界，完成遙感圖像的裁剪，考慮研究區(qū)域遙感影像數(shù)據(jù)光譜信息和紋理特征，參照該區(qū)域的林相圖、森林二類調(diào)查數(shù)據(jù)和部分野外調(diào)查數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際土地利用現(xiàn)狀，建立其土地利用的訓(xùn)練樣本，進(jìn)行監(jiān)督分類和人機(jī)交互解譯，實(shí)現(xiàn)其景觀分類，并隨機(jī)選取300多個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，經(jīng)檢驗(yàn)，準(zhǔn)確率分別達(dá)到82．3％和85．61％，共分為7個(gè)一級(jí)和7個(gè)二級(jí)景觀類型，分別為：耕地、林地（針葉林、針闊混交林、落葉闊葉林）、草地、水域、居民用地、未利用地（非植被景觀）和灌木林地，其中其二級(jí)土地利用主要根據(jù)植被類型來劃分，在ArcGIS9．3的支持下，完成土地利用的拓?fù)洹⒕幋a等處理，并存儲(chǔ)為柵格格式（gird），并與以后的景觀指標(biāo)計(jì)算。

2．2景觀格局指數(shù)景觀指數(shù)不僅高度濃縮了景觀格局信息，而且能反映景觀的結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征。因此，參照其它相關(guān)的研究成果，根據(jù)研究區(qū)自身的特點(diǎn)，本文選取景觀斑塊數(shù)（NP）、邊界密度（ED）、斑塊分維數(shù)（FD）、景觀分離度（S）、景觀蔓延度（CONTAG）、景觀多樣性指數(shù)（SHDI）、優(yōu)勢度指數(shù)（DI）與均勻度指數(shù)（E）等景觀格局指數(shù)，定量分析研究區(qū)景觀格局特征及變化，其中各指標(biāo)生態(tài)學(xué)意義與計(jì)算方法可見相關(guān)文獻(xiàn)［16－17］。

2．3主要土地利用類型空間模型土地覆蓋重心遷移模型不僅可以很好地從空間上描述土地利用主要類型的時(shí)空演變過程［18－20］，而且有助于掌握研究時(shí)段內(nèi)土地利用／覆蓋類型的空間變化特征及變化規(guī)律，基于此，本文在ArcGIS中，通過計(jì)算Centroid其中各土地利用類型的重心坐標(biāo)，揭示其時(shí)空演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。第t年某種土地資源分布重心坐標(biāo)（經(jīng)緯度）計(jì)算方法為：

3結(jié)果與分析

3．1研究區(qū)域土地利用變化過程1980—2006年雜谷腦河流域土地利用變化發(fā)生了一定的變化（表1），主要表現(xiàn)為林地和未利用地面積減少，林地的面積減少最多，灌木林地、草地、耕地、居民地面積增加，灌木林地的面積增加最多，水域面積幾乎沒有發(fā)生變化，增加量僅為0．01km2。近30a間，林地面積減少了117．66km2，面積比例由1980年的47．03％減少到2006年的41．63％，年均減少率為20．76％，主要?dú)w因于建國后尤其是時(shí)期大量森林被砍伐［21］，尤其以處于群落演替后期的云杉、冷杉寒溫性暗針葉林為主，森林資源銳減，林地大面積的減少，區(qū)域環(huán)境質(zhì)量下降。未利用地年平均減少0．05km2，隨著經(jīng)濟(jì)作物的推廣和退耕還林政策的推行，研究區(qū)域大量的荒山荒地被開發(fā)利用，造成部分未利用地的面積減少；灌木林地面積增加了82．60km2，年平均增加3．18km2，草地年平均增長為1．36km2。灌木林地和草地的大量增加主要?dú)w因于在高海拔地區(qū)的亞高山云杉、冷杉林，在受到強(qiáng)烈、頻繁、大規(guī)模的人為干擾（采伐或開荒）時(shí)［22］，由于該區(qū)域山體結(jié)構(gòu)破壞、坡陡山險(xiǎn)［14］，生態(tài)環(huán)境相對惡劣，森林更新緩慢，亞高山針葉林通常會(huì)逆向演替，退化為以林內(nèi)植物為主的次生性亞高山落葉闊葉林或針闊混交林，受到過度采伐、放牧等人為干擾的影響或水分條件差的地段，就形成亞高山灌叢，加上持續(xù)過度放牧、毀灌開墾和隨意砍伐取薪柴等人類干擾活動(dòng)，灌木林地將退化為亞高山草甸［23］，灌木林地和草地的增加主要由林地的退化所致，表現(xiàn)為原始森林景觀逐步向人為干擾景觀演變。

3．2景觀格局特征變化分析

3．2．1景觀總體特征研究區(qū)域內(nèi)各景觀類型面積、斑塊數(shù)量與優(yōu)勢度分布不均衡，區(qū)域自然景觀（森林景觀、草地、灌木林地和未利用地等）占絕對主導(dǎo)地位，面積總和均達(dá)到90％以上，其中林地和草地景觀的比例較大，二者占研究區(qū)總面積70％以上（表1），對區(qū)域景觀格局起控制作用［24］，而半自然景觀、人為景觀（未利用地、耕地和居民地等）占據(jù)較小的比例，表明雜谷腦河流域以自然景觀主導(dǎo)區(qū)域景觀格局特征，人為景觀則明顯處于支配地位，這與研究區(qū)居住的人口數(shù)量、自然條件及經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度有關(guān)，由于該地區(qū)人口總數(shù)相對較小，自然條件相對惡劣，因而人為活動(dòng)形成的景觀類型面積比例相對很小。

3．2．2主要景觀類型特征變化由圖1分析可知，林地景觀的斑塊數(shù)目增加相對較少，而其邊界密度，從1980年的9．8335增加到2006年的10．9542，由于該區(qū)域的森林長期受人類經(jīng)營活動(dòng)的影響，特別是被大規(guī)模采伐后，致使其分布由大斑塊集中向小斑塊鑲嵌，道路兩旁尤為突出，林地景觀破碎度增加的同時(shí)，以樺木林、山楊林為主的闊葉先鋒樹種在采伐跡地上普遍而大量發(fā)生，在其適生范圍內(nèi)邊界擴(kuò)展侵入其他森林類型中，形成復(fù)雜的交錯(cuò)帶，總體上邊界總長度的增加，造成邊界密度的增加。2006年林地景觀的分維數(shù)大于1980年的，源于自1998年實(shí)行天然林保護(hù)工程以來，人類對森林資源有組織的開發(fā)和干擾逐漸減弱，對林地的破壞有所減緩，致使林地的斑塊形狀趨于不規(guī)則化和復(fù)雜化，分維數(shù)增大。草地景觀在研究區(qū)域占據(jù)較大的比例，僅次于林地景觀。其斑塊數(shù)目和邊界密度呈現(xiàn)增加的趨勢，而分維數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢，草地景觀在該區(qū)域分布較為廣泛，受生態(tài)造林、農(nóng)業(yè)耕作等影響，原來連續(xù)的草地景觀被人類活動(dòng)分割和占用，分布愈加分散，破碎度日益增加，斑塊空間分布散落性增強(qiáng)、聚集度和連接性降低，斑塊呈零散分布，大型斑塊日益減少，在導(dǎo)致邊界總長度增大的同時(shí)，致使其邊界密度也增大。由于草地在人類活動(dòng)的干擾下，其斑塊的形狀趨于規(guī)則化和簡單化，并不斷向荒漠化和半荒漠化演變，尤其干旱河谷區(qū)地勢相對較平坦的區(qū)域，受到頻繁的人類活動(dòng)（耕種、放牧和刈割灌草）［14］干擾，對此地帶植被破壞較大，致使其分維數(shù)降低。灌木林地景觀面積所占比例次于林地和草地。1980—2006年，灌木林地景觀的斑塊數(shù)目由24增加到44，表明其分布由集中趨于分散，邊緣密度和分維數(shù)呈現(xiàn)增大，表明其破碎度有所增加，森林群落遭破壞后形成的次生植被是其面積增加的主要來源，由于森林采伐后，部分區(qū)域的生境惡劣，森林更新困難，致使采伐跡地被灌木所取代，雖然灌木種類很多，但其結(jié)構(gòu)零亂且類型較復(fù)雜，優(yōu)勢種不明顯。灌木林地不斷的擴(kuò)大且其大塊的灌叢植被林地、疏林地被分割蠶食，形成島狀分布，造成灌木林地的邊緣曲折多，形狀呈現(xiàn)不規(guī)則化和復(fù)雜化，形成由于其邊界擴(kuò)展侵入其他森林類型復(fù)雜的交錯(cuò)帶格局。未利用地景觀主要由跡地（采伐跡地和火燒跡地）、棄耕地、荒山荒地和巖石裸露地等景觀類型構(gòu)成，斑塊數(shù)目相對變化不大，但其邊緣密度增加，分維數(shù)減少。20世紀(jì)80年代末以前，該景觀類型的面積增加主要源于森工局對森林的大量采伐，造成采伐跡地的大量增加，1998—2006年主要源于退耕還林工程、生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程、天然林保護(hù)工程等一系列生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)政策的調(diào)整，人類加大了部分區(qū)域的撂荒地和棄耕地的改造利用，推行“退耕還林、還草”工程，致使其面積有所減少。

3．2．3景觀要素空間距離由表2可知，CONTAG由1980年的64．9317減少到2006年的63．4710，1980年以來，隨著被會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，原來斑塊較大的景觀類型被分割為許多較小斑塊，呈現(xiàn)出以林地大面積減少和灌木林地顯著增加為主要特點(diǎn)，受到人類活動(dòng)的干擾，部分連接性好的自然景觀逐漸向連接性差的半自然景觀和人為景觀演變，致使斑塊之間團(tuán)聚程度減弱，區(qū)域景觀之間的鑲嵌性增加，景觀空間分布均勻性有所增強(qiáng)，景觀的空間異質(zhì)性增加，其連通性降低且破碎化程度增強(qiáng)，景觀整體完整性較差，物種生存和繁衍的自然生境萎縮，適于生物生存的環(huán)境在減少，不利于景觀中生物和資源的保護(hù)，將直接影響到物種的繁殖、擴(kuò)散、遷移和保護(hù)［25］，主要?dú)w因于研究區(qū)域優(yōu)勢景觀類型（云杉、冷杉林景觀）在此期間大量減少，在采伐道路兩旁的景觀格局尤為突出。分離度由1980年的3．7615增加到2006年的4．7726，近30a來研究區(qū)域斑塊總數(shù)由368個(gè)增加到396個(gè)，增加了28個(gè)，平均斑塊面積由1980年的5．91km2／個(gè)減少到2006年的5．50km2／個(gè)，部分大的斑塊分裂成形狀略為規(guī)則的小斑塊，景觀格局多以形狀較為簡單的小斑塊為主，在整體上加速景觀類型的破碎化程度，景觀類型斑塊分布趨向離散，個(gè)別斑塊呈零星、散落狀，在一定程度上斑塊分布更加均勻，單一的優(yōu)勢景觀類型對整體景觀的控制作用減弱了，還呈現(xiàn)出以云杉、冷杉暗針葉林為地帶性植被并主導(dǎo)著區(qū)域森林景觀格局，但景觀整體景觀的優(yōu)勢度在減少，不利于景觀功能的整體發(fā)揮［25］，從而使自然生態(tài)環(huán)境的凈化和維系能力下降［26］，對景觀結(jié)構(gòu)的逆向影響十分突出［27］，源于該區(qū)域的森林景觀長期受到人類持續(xù)的經(jīng)營活動(dòng)（森林采伐）的影響。

3．2．4景觀異質(zhì)性由表3的計(jì)算可知，雜谷腦河流域景觀多樣性指數(shù)由1980年的1．2328上升到2006年的1．2754，均勻度由0．6335增加到0．6554，說明單一的優(yōu)勢景觀類型對整體景觀的控制作用減弱了，景觀類型組成相對比較均勻，且各景觀類型所占比例差異減小，區(qū)域景觀呈現(xiàn)出以林地為基質(zhì)的草地、灌木林、巖石裸露地等自然斑塊交錯(cuò)的森林—草地荒原分布態(tài)勢，其余景觀類型呈補(bǔ)丁狀散布于區(qū)域之中，景觀的破碎化程度加深，景觀異質(zhì)性程度和復(fù)雜性加大，不利于該生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。該區(qū)域的景觀優(yōu)勢度由1980年的1．5746減小到2006年的1．5320，在一定程度上表明處于主導(dǎo)地位的景觀類型與其它景觀類型所占比例的差異在縮小，景觀結(jié)構(gòu)趨于均勻，致使林地景觀對流域景觀控制作用逐漸減弱，改變了僅由少數(shù)地帶性植被景觀控制該區(qū)域景觀格局現(xiàn)狀的局面。

3．3土地利用類型時(shí)空特征分析從表4可看出，林地景觀的重心坐標(biāo)由低緯度向高緯度地區(qū)轉(zhuǎn)變，主要緣于20世紀(jì)80年代末以前森工局對森林的大量采伐，低緯和低海拔區(qū)域的云杉、冷衫林被大規(guī)模采伐，森林景觀大幅度減少，對于高緯和高海拔的地區(qū)而言，受自然環(huán)境條件的影響，在一定程度上限制了部分人類的干擾活動(dòng)，致使該區(qū)域的原始景觀得以保存，此外，特別是在1998年起施行退耕還林工程、天然林保護(hù)工程和生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程，也使得該區(qū)域保留了部分完整原始森林景觀結(jié)構(gòu)，故其重心向緯度較高的高海拔地段轉(zhuǎn)移；對于草地而言，其重心坐標(biāo)由低緯度向高緯度轉(zhuǎn)變，在低緯度和低海拔的地段，草地受到過渡放牧和開荒等的人為影響，草地退化和沙化現(xiàn)象嚴(yán)重，面積減少，逐步向高山和相對高緯度地帶轉(zhuǎn)移。灌木林地的重心坐標(biāo)由高緯度區(qū)域向低緯度轉(zhuǎn)變，由于低緯、低海拔的森林被采伐后，灌木林在采伐跡地迅速更新并形成一定的規(guī)模，受人為的過度干擾（采伐和放牧），特別是藏民的居住地附近，部分針葉林作為薪柴隨意被砍伐，致使針葉林景觀類型逐步演化為灌叢針葉林混交景觀，形成灌叢景觀的逆向演替發(fā)展，故重心坐標(biāo)向相對低的緯度地區(qū)轉(zhuǎn)移。未利用地由低緯度和低海拔區(qū)域向高緯度高海拔區(qū)域轉(zhuǎn)變，源于高海拔區(qū)域存在著大量的裸崖地、火燒跡地和部分雪山。

4結(jié)論

利用RS與GIS技術(shù)并結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)理論，完成對雜谷腦河流域近30a年間土地利用過程及景觀格局時(shí)空演變研究。結(jié)果表明：該流域內(nèi)各土地利用類型面積和斑塊數(shù)量不均衡，林地和灌木林地變化顯著，呈現(xiàn)大面積減少和增加的變化趨勢，此外草地、耕地、居民地和水域面積增加，區(qū)域景觀格局呈現(xiàn)以自然景觀（森林景觀、草地、灌木林地）為主，半自然景觀、人為景觀（采伐跡地、耕地、居民地等）為輔的格局現(xiàn)狀。整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，該流域景觀多樣性和均勻度兩指數(shù)增加，分別由1980年的1．2328和0．6335增加到2006年的0．2754和0．6554，其優(yōu)勢度由1．5746減少到1．5320，該結(jié)果表明近30a間各景觀類型所占比例差異減小，景觀類型的分布由集中趨向分散交錯(cuò)，均勻程度較大，景觀的完整性減弱，連通性降低，景觀的異質(zhì)性增強(qiáng)。近30a期間，研究區(qū)域土地利用類型重心坐標(biāo)發(fā)生了一定變化，其中林地、草地和未利用地的重心坐標(biāo)由低海拔、低緯度區(qū)域向高海拔、高緯度地帶轉(zhuǎn)變，灌木林地的重心坐標(biāo)由高緯度、高海拔區(qū)域向低緯度、低海拔地段轉(zhuǎn)變。

作者：劉鐵冬單位：東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院