林國(guó)敏, 蔡宏, 康文華, 吳愈鋒, 王躍躍

赤水河中上游坡景觀特征動(dòng)態(tài)變化研究

林國(guó)敏, 蔡宏, 康文華, 吳愈鋒, 王躍躍

貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550000

近十多年來(lái), 隨著退耕還林政策的實(shí)施, 喀斯特地區(qū)坡地景觀特征發(fā)生了重大變化。以典型喀斯特流域赤水河中上游為研究區(qū), 選用覆蓋研究區(qū)2003年及2016年Landsat系列數(shù)據(jù), 使用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒癎IS的空間分析功能等, 分別探討了研究區(qū)的景觀組成、景觀利用強(qiáng)度及景觀格局的演變特征。結(jié)果表明: 經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展, 研究區(qū)的坡景觀特征發(fā)生了很大的變化。1)坡建設(shè)用地增加了30 km2。坡耕地轉(zhuǎn)出量為498 km2, 其中82.93%轉(zhuǎn)為坡林地和11.85%轉(zhuǎn)為坡灌草, 而僅有5.22%轉(zhuǎn)為坡建設(shè)用地, 陡坡耕地減少了40.66%, 其中有36 km2轉(zhuǎn)為陡坡林地, 46 km2轉(zhuǎn)為陡坡灌草; 2)在該時(shí)間段, 坡地景觀的土地利用強(qiáng)度大于陡坡景觀, 且2003年的坡地景觀及陡坡景觀的景觀利用強(qiáng)度均大于2016年; 3)在景觀水平上, 陡坡景觀及坡景觀的鄰接性增強(qiáng), 多樣性減小, 陡坡景觀連通性增強(qiáng), 破碎程度減小, 坡景觀趨于破碎, 斑塊形狀復(fù)雜。在類型水平上, 陡坡耕地及坡耕地斑塊形狀變得復(fù)雜且破碎, 連通性差, 坡建設(shè)用地破碎程度減小, 斑塊形狀變的簡(jiǎn)單, 連通性變好。

景觀組成; 景觀利用強(qiáng)度; 景觀格局; 赤水河中上游

0 引言

在“人多地少”的喀斯特山區(qū), 耕地少, 貧困人口基數(shù)大, 經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá), 陡坡土地已成為土地資源的重要組成部分而被加以開發(fā)利用[1–2], 土地的不合理開發(fā)使得坡地景觀面臨嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境。另一方面, 西部大開發(fā)以來(lái), 退耕還林政策實(shí)施后, 流域自然生態(tài)環(huán)境退化趨勢(shì)得到遏止, 農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資增加, 水土流失面積減少, 同時(shí)伴隨著人口的增多、城鎮(zhèn)化面積的不斷擴(kuò)大, 區(qū)域內(nèi)景觀格局發(fā)生了極大的變化。學(xué)者在關(guān)于土地利用方面的研究主要集中在從土地利用動(dòng)態(tài)度, 轉(zhuǎn)移矩陣, 景觀格局等方面研究區(qū)域內(nèi)土地利用動(dòng)態(tài)變化, 然而卻忽略了不同坡度尺度下, 人類對(duì)景觀的干擾程度不同[3-5], 特別是在喀斯特地區(qū), 若過(guò)度的開發(fā)坡地景觀, 加劇了區(qū)域的水土流失、土壤侵蝕和生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題, 由此對(duì)坡地景觀的開發(fā)行為和建設(shè)活動(dòng)加以規(guī)范和管理顯就得尤為重要, 如何全面了解近年來(lái)人類活動(dòng)對(duì)喀斯特流域坡地景觀造成的變化一直是人們的關(guān)注熱點(diǎn)[6]。

坡度因子是水土保持、植被生長(zhǎng)、景觀形態(tài)的重要地形因子, 不同坡度的景觀格局是人類對(duì)景觀干擾強(qiáng)度與頻度的現(xiàn)實(shí)情景, 奚暉表明坡度是限制人類土地利用方式與管理實(shí)踐選擇的客觀條件[7], 這一特點(diǎn)在喀斯特地區(qū)人們對(duì)土地利用的管理表現(xiàn)得更為明顯。赤水河中上游喀斯特地貌廣泛發(fā)育, 山地和丘陵面積分布廣泛, 地表坡降大, 較大的坡降容易造成水土流失、土壤侵蝕、水質(zhì)污染等問(wèn)題[7], 再加上研究區(qū)人多地少, 石漠化嚴(yán)重, 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無(wú)地可耕, 因此造成了人類對(duì)坡地掠奪式的開發(fā), 形成了特有的坡地景觀, 同時(shí)經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展, 隨著退耕還林政策的實(shí)施加上經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展, 使得區(qū)域內(nèi)特有的坡地景觀發(fā)生了較大的變化。故本文選取典型的喀斯特地貌區(qū)—赤水河中上游為研究區(qū), 從不同坡度尺度出發(fā), 從景觀組成、坡地景觀利用強(qiáng)度及景觀格局等方面探討赤水河中上游近年來(lái)坡地地表景觀特征的時(shí)空演變規(guī)律, 其研究成果對(duì)赤水河中上游坡景觀的合理開發(fā)及管理可以提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)概況

赤水河是長(zhǎng)江上游南岸最重要的一級(jí)支流, 中上游位于川、滇、黔三省交界地帶, 地跨云南省鎮(zhèn)雄縣、威信縣, 貴州省七星關(guān)區(qū), 大方縣、仁懷市, 四川敘永縣、古藺縣8個(gè)縣(市), 河長(zhǎng)263.5 km。該河段內(nèi)泉、井、巖穴、伏流甚多, 巖溶地貌非常發(fā)育, 屬于典型的喀斯特地貌景觀[8-10], 上游是中國(guó)西南部生態(tài)型貧困區(qū)域, 水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)任務(wù)重, 貧困人口集中, 產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)差[11]; 中游地區(qū)工業(yè)化程度低, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)落后, 且長(zhǎng)期陡坡開墾, 導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重, 據(jù)統(tǒng)計(jì)2010年貴州部分現(xiàn)有耕地中25°以上的應(yīng)退耕還林的陡坡耕地占總耕地的15.03%[12]。其中造成赤水河中上游環(huán)境問(wèn)題的人為因素長(zhǎng)期存在, 使得研究區(qū)地表原生植被被破壞, 喀斯特石漠化面積不斷擴(kuò)大, 嚴(yán)重威脅流域的生態(tài)環(huán)境[7]。

2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

本次研究采用的數(shù)據(jù)源包括兩景覆蓋赤水河中上游區(qū)域的Landsat系列衛(wèi)星影像, 分別為2003年09月25日的Landsat TM 5及2016年07月26日的landsat8 OLI, 空間分辨率均為30m, 同時(shí)還有同區(qū)域的DEM, 2000年及2010年的土地利用現(xiàn)狀圖(來(lái)源于西部數(shù)據(jù)網(wǎng)、地理信息專業(yè)知識(shí)服務(wù)系統(tǒng))。預(yù)處理包括對(duì)研究區(qū)的兩景衛(wèi)星影像分別在ENVI5.4軟件進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何配準(zhǔn), 然后選用信息量最為豐富的SWIR1、NIR、Red波段組合配以紅、綠、藍(lán)三種顏色生成假彩色合成影像(landsat8 OLI : 654、Landsat TM : 543), 這種合成能夠充分的顯示各種地物的影像差別, 適合于目視解譯。

2.2 地表景觀結(jié)構(gòu)的提取

隨著人類活動(dòng)的直接介入, 土地利用方式的變化趨于復(fù)雜[13]。土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣具體地刻畫區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征, 反映出人類活動(dòng)所引起的土地利用類型的變化方向[14]。該方法來(lái)源于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述, 其反映在一定時(shí)間間隔下, 一個(gè)亞穩(wěn)定系統(tǒng)從時(shí)刻向+1 時(shí)刻狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程, 從而可以更好地揭示土地利用格局的時(shí)空演化過(guò)程[15], 其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為:

圖1 赤水河中上游行政區(qū)域圖

Figure 1 The administrative region map in the middle and upper reaches of Chishui river

2.3 不同坡度級(jí)別下地表景觀開發(fā)強(qiáng)度

2.4 不同坡度級(jí)別下地表景觀格局指數(shù)的提取

景觀格局決定著資源和環(huán)境的分布形式, 與景觀中的各種生態(tài)過(guò)程密切相關(guān), 對(duì)于抗干擾能力、恢復(fù)能力、系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性有著深刻的影響[18]。赤水河中上游喀斯特地貌發(fā)育, 石漠化問(wèn)題嚴(yán)重、墾殖率高、地表坡降大、地形復(fù)雜且景觀破碎。鑒于此, 本文選取能反映研究區(qū)景觀斑塊形狀、異質(zhì)性、多樣性以及破碎度的5個(gè)景觀指數(shù), 并根據(jù)每個(gè)指數(shù)的含義和值的大小來(lái)分析赤水河中上游坡景觀格局空間結(jié)構(gòu)特征, 具體景觀指數(shù)的含義如表2:

表1 土地利用程度分級(jí)賦值表

表2 地表景觀格局指數(shù)

3 結(jié)果與分析

研究顯明, 不同坡度等級(jí)下人類對(duì)地表景觀的干擾程度不一樣, 同時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的景觀特征也不同, 其中《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查規(guī)程》顯示坡度小于6°被認(rèn)為是無(wú)水土流失現(xiàn)象或者可發(fā)生輕度土壤侵蝕; 《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查規(guī)程》表明坡度介于6°至 25°為中度至重度水土流失, 同時(shí)隨著坡度增大土壤侵蝕面積也相應(yīng)增加, 其侵蝕臨界坡度為25°左右[2]; 鑒于以上規(guī)程及前期研究基礎(chǔ), 本文以6°和25°為坡度分界點(diǎn), 根據(jù)第二次全國(guó)土地調(diào)查中的《全國(guó)土地分類標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)行)》(《GB/T21010—2007》)一級(jí)分類, 結(jié)合云貴川三省地物在假彩色遙感影像上的特征和野外調(diào)查建立解譯標(biāo)志, 并采用坡度、歸一化建筑物指數(shù)(NDBI)及歸一化植被指數(shù)(NDVI)等指數(shù), 利用閾值法進(jìn)行土地利用分類, 將研究區(qū)的土地利用類型分為水體、未利用地、平地建設(shè)用地、坡建設(shè)用地、平地耕地、坡耕地、陡坡耕地、平地灌草、坡灌草、陡坡灌草、平地林地、坡林地、陡坡林地。其中0°至6°為平地, 6°至25°為坡地, 大于25°的為陡坡, 由于大于25°的建設(shè)用地較少, 本文將大于6°以上的建設(shè)用地均稱為坡建設(shè)用地, 然后用2000年土地利用規(guī)劃圖輔以修正2003年的分類結(jié)果, 用2010年的土地利用規(guī)劃圖輔以修正2016年的分類結(jié)果, 最后采用Google Earth等高分別率影像和野外采集的驗(yàn)證點(diǎn)對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià), 經(jīng)評(píng)價(jià)2003年及2016年分類結(jié)果的kappa系數(shù)分別為83.04%及87.1%, 能夠滿足大范圍中尺度研究, 從而得到本研究中研究區(qū)兩期的不同坡度級(jí)別的土地利用類型圖。

圖2 2003、2016年研究區(qū)土地利用類型圖

Figure 2 The type of land use in 2003 and 2016

3.1 不同坡度級(jí)別下地表景觀組成的變化

由于平地景觀、水體非本文的研究重點(diǎn), 另外未利用地占地面積較少, 所以在做景觀轉(zhuǎn)移分析的時(shí)候, 未將這幾類景觀納入轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算。在像貴州省這樣典型的喀斯特地區(qū), 山地和丘陵占全省面積的92.5%生態(tài)系統(tǒng)對(duì)抵抗外界干擾的能力弱, 容易發(fā)生石漠化, 當(dāng)面臨人口壓力大, 農(nóng)村人口數(shù)量多同時(shí)依靠農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展等問(wèn)題時(shí), 極少的平地耕地加上高度集中的貧困人口, 人們對(duì)土地的需求便指向了坡地及陡坡地, 很多山體被從山腳直接開墾到山頂, 形成了特有的坡地景觀, 這種特有的坡地景觀經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展, 各景觀類型均出現(xiàn)一定程度的變化。表3記錄了各類坡地景觀及陡坡景觀的面積及所占面積百分比, 從表中可以研究區(qū)林地、灌草及耕地所占比例相對(duì)較高, 為研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀類型。其中坡灌草、坡耕地、陡坡建設(shè)用地面積減少, 坡建設(shè)用地、坡林地及陡坡灌草面積增加。2003年坡耕地及陡坡耕地的百分比為11.75%, 2016年坡耕地及陡坡耕地的百分比為9.96%, 耕地面積減少了1.79%, 其中坡耕地減少了11.68%, 陡坡耕地減少了40.66%, 這說(shuō)明經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展, 陡坡耕地的退耕力度大于坡耕地, 表明退耕力度隨著坡度的增高而增強(qiáng), 這一結(jié)論與張躍紅對(duì)貴州省喀斯特山區(qū)陡坡土地利用變化的研究結(jié)果相一致。從空間分布上來(lái)看, 耕地的減少主要體現(xiàn)在古藺縣的雙沙鎮(zhèn)、摩尼鎮(zhèn), 鎮(zhèn)雄縣, 清池鎮(zhèn)及長(zhǎng)石鎮(zhèn), 以及仁懷市的部分地區(qū)耕地的減少。隨著的發(fā)展及人口增長(zhǎng), 人們對(duì)建設(shè)用地的需求也隨之增大, 其中近十多年以來(lái)研究區(qū)的坡建設(shè)用地的面積增加了30 km2, 建設(shè)用地的擴(kuò)張主要是在威信縣, 茅臺(tái)鎮(zhèn), 雙沙鎮(zhèn)及五馬鎮(zhèn)從中心對(duì)外的擴(kuò)張, 另外交通要道等建設(shè)用地的面積增加得也很明顯, 如: 夏蓉高速及茅臺(tái)鎮(zhèn)附近的公路用地。為了了解土地利用變化的速度, 本文還計(jì)算各坡地景觀的單一土地利用動(dòng)態(tài)度, 它表示某一時(shí)段內(nèi)某種土地利用類型的年變化率, 從單一土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)看, 坡建設(shè)用地的單一土地利用動(dòng)態(tài)度最大, 值為3.91。

現(xiàn)分別從表4及表5來(lái)仔細(xì)了解研究區(qū)坡地景觀及陡坡景觀中各地類之間的轉(zhuǎn)移方向及轉(zhuǎn)移量, 具體特征如下:

坡耕地轉(zhuǎn)為其他地類的面積為498 km2, 減少的耕地主要轉(zhuǎn)為82.93%的坡林地和11.85%的坡灌草, 而僅有5.22%轉(zhuǎn)為了坡建設(shè)用地, 最終坡耕地面積減少了75 km2。建設(shè)用地的面積增加了30 km2, 主要來(lái)自26 km2的坡耕地及26 km2的坡林地轉(zhuǎn)化, 另外有29 km2來(lái)自坡灌草的轉(zhuǎn)化。坡灌草和坡林地之間的轉(zhuǎn)化較為明顯, 2016年坡林地的轉(zhuǎn)入量1369 km2, 其中有925 km2來(lái)自于坡灌草的轉(zhuǎn)化, 另外來(lái)自413 km2坡耕地的轉(zhuǎn)化, 而也有部分264 km2的林地轉(zhuǎn)為灌草, 同時(shí)也有59 km2的耕地轉(zhuǎn)為灌草, 最終灌草的面積減少了786 km2。林地面積增加了831 km2。耕地減少的原因可能是由于農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步更加有效地保證以往毀林開荒得到遏制, 人們生存的方式從依靠農(nóng)業(yè)到其他方式的轉(zhuǎn)變, 如: 人們選擇外出打工(2011年, 畢節(jié)市常住人口653多萬(wàn), 戶籍人口830多萬(wàn))、開辟果園或發(fā)展?jié)O業(yè)、旅游業(yè)等; 另一方面, 由于國(guó)家政策的實(shí)施和人們環(huán)保意識(shí)的提高, 退耕還林還果的面積也在不斷的擴(kuò)大, 如: 仁懷市的植樹造林等綠化工程等, 這些都使得坡耕地的面積減少。灌叢面積的減少及林地面積的增加, 這可能主要得益于土地開發(fā)的合理管理和石漠化的綜合治理以及植被自然的生長(zhǎng)規(guī)律。建設(shè)用地的增長(zhǎng)主要受人類活動(dòng)干擾程度大, 據(jù)2000年第五次人口普查資料計(jì)算, 昭通市城鎮(zhèn)化水平為17.07%, 在云南省排列倒數(shù)第二, 畢節(jié)地區(qū)城鎮(zhèn)化水平16.5%、遵義市城鎮(zhèn)化率為20%, 流域各縣(市)的城鎮(zhèn)化率均低于貴州省平均水平(27%), 更低于全國(guó)36.92%的平均水平。然而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)及政策的引導(dǎo), 赤水河中上游城鎮(zhèn)化速率每年以1%的速度增加, 國(guó)務(wù)院《關(guān)于促進(jìn)貴州經(jīng)濟(jì)社會(huì)又好又快發(fā)展的若干意見(jiàn)》指出: 國(guó)家層面上加大力度支持貴州發(fā)展, 在貴州省重點(diǎn)實(shí)施工業(yè)強(qiáng)省戰(zhàn)略和城鎮(zhèn)帶動(dòng)化戰(zhàn)略, 研究區(qū)內(nèi)大批的公路、工業(yè)園區(qū)及其他工程項(xiàng)目相繼開工建設(shè), 另外人口的增長(zhǎng)也伴隨著建設(shè)用地的擴(kuò)張, 據(jù)全國(guó)第五次及第六次人口普查數(shù)據(jù)顯示, 2000至2010年, 研究區(qū)內(nèi)威信縣常住人口從32.81萬(wàn)增加到38.58萬(wàn), 鎮(zhèn)雄縣人口從109.71萬(wàn)增加到152.66萬(wàn), 畢節(jié)市人口從632.75增加到653.64, 其中城鎮(zhèn)人口比值上升13.59%, 仁懷市人口從52.07萬(wàn)增加到66.30萬(wàn)。

表3 2003、2016年各景觀類別面積及單一土地利用動(dòng)態(tài)度

(2)在喀斯特山區(qū)中成土母質(zhì)為碳酸鹽沉積, 土壤特征表現(xiàn)為圖層薄且土壤肥力弱, 這種相對(duì)惡劣的生長(zhǎng)環(huán)境植被主要以灌木樹種, 矮化成灌木型的喬木樹種及雜灌草組成, 因此研究區(qū)的陡坡景觀中除了林地, 灌草也為主要的植被。2003年及2016年陡坡林地的面積分別占了55.71%、44.43%, 陡坡灌草及坡灌草的面積分別占了39.26%、28.53%, 經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展, 陡坡林地轉(zhuǎn)為其他地類的面積為440 km2, 其中有418 km2轉(zhuǎn)為了陡坡灌草, 剩余的轉(zhuǎn)為陡坡耕地, 同時(shí)也有290 km2的陡坡耕地及陡坡灌草一同轉(zhuǎn)為陡坡林地, 最終使得陡坡林地減少了150 km2; 陡坡灌草的面積增加了148 km2, 陡坡灌草的轉(zhuǎn)入量為464 km2, 其中由418 km2的林地轉(zhuǎn)化而來(lái), 46 km2來(lái)源于陡坡耕地的轉(zhuǎn)化。陡坡耕地的轉(zhuǎn)出量為82 km2, 其中有22 km2轉(zhuǎn)為陡坡林地, 23 km2轉(zhuǎn)為陡坡灌草, 陡坡耕地的減少與國(guó)家對(duì)陡坡耕地實(shí)行退耕還林還草的政策是相符合的, 但是從表3及圖2可以看出, 2016仍然有一定數(shù)量的陡坡耕地分布在研究區(qū)的各個(gè)地區(qū), 同時(shí)經(jīng)過(guò)計(jì)算, 陡坡耕地減少了40.66%, 坡耕地減少了11.68%, 這說(shuō)明對(duì)陡坡耕地的退耕強(qiáng)度大于坡耕地的退耕強(qiáng)度, 那么在研究區(qū)接下來(lái)的發(fā)展中要持續(xù)實(shí)施陡坡退耕還林并且要加強(qiáng)坡耕地的退耕力度。

表4 赤水河流中上游2003、2016年坡景觀土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 (km2)

表5 赤水河流中上游2003、2016年陡坡景觀土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(km2)

3.2 不同坡度級(jí)別下景觀利用強(qiáng)度的變化

從圖3研究區(qū)兩年的土地利用綜合程度指數(shù)變化值來(lái)看, 隨著坡度的增大, 土地利用綜合指數(shù)降低, 這說(shuō)明坡度大的地方土地利用程度低, 景觀利用強(qiáng)度弱, 即平地土地利用程度>坡地土地利用程度>陡坡地土地利用程度。2016年坡地景觀的土地利用綜合指數(shù)為216.83, 2003年坡地景觀的土地利用綜合指數(shù)的值為217.17, 土地綜合利用指數(shù)的值減少了 0.34, 2003年土地利用程度高, 對(duì)坡地景觀的干擾程度大, 2016年陡坡景觀的土地利用綜合指數(shù)值為202.98, 2003年的值為205.02, 土地利用綜合指數(shù)的值減少了2.04, 2003年人們對(duì)陡坡景觀的干擾仍然比2016年大, 結(jié)合景觀的轉(zhuǎn)移方向來(lái)看, 這段時(shí)間人們對(duì)陡坡景觀的干擾主要表現(xiàn)為林地的增加和耕地的減少, 對(duì)坡景觀的干擾主要是林地, 建設(shè)用地的增加, 耕地的減少。

3.3 不同坡度級(jí)別下景觀格局變化分析

(1)坡景觀格局變化分析

陡坡景觀類型主要以林地、灌草等為主。本文將從景觀水平和景觀類型水平分別來(lái)探究研究區(qū)景觀整體水平和各類型水平景觀的斑塊特征。從表6表示陡坡景觀在景觀水平上的景觀格局指數(shù)的值可以看出, 經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展, IJI指數(shù)值及COHE-SION增大, 景觀之間的鄰接性增強(qiáng), 斑塊在逐漸連城一片, 連通性增大; 另一方面, ED值及SHDI值減小, 景觀的破碎程度及多樣性降低。

結(jié)合圖4表示在景觀類型水平上的陡坡景觀指數(shù)的值可知: 景觀的破碎程度降低主要是占據(jù)陡坡景觀高覆蓋面積的林地和灌草的破碎程度降低, 同時(shí)表3中顯示陡坡耕地面積減少了37 km2, 也使得陡坡景觀的景觀多樣性降低。陡坡耕地的IJI值來(lái)看, 2016年耕地的IJI值為76.2723, 2003年耕地的IJI值為98.195, IJI值的降低說(shuō)明耕地與別的景觀的鄰接性減弱, 混雜程度減小, 2003年研究區(qū)的耕地不僅分布在緩坡, 也有一部分在崇山峻嶺之中, 耕地面積不斷減少, 使得其鄰接性減小, 雖然耕地的IJI值降低了, 但是林地和灌草的IJI值增大, 特別是陡坡灌草的IJI值增幅為35.6377, 所以導(dǎo)致了景觀水平上2016年的景觀之間的鄰接性增強(qiáng), 陡坡林地及陡坡灌草的斑塊形狀變得簡(jiǎn)單, 且連通性有所增強(qiáng)。此外陡坡耕地的COHESION值減小, PAFRAC值及ED增大, 景觀的連通性變低, 斑塊形狀變得復(fù)雜, 破碎。

圖3 赤水河中上游2003、2016年土地利用綜合程度指數(shù)變化圖

Figure 3 The change map of land use integration index in 2003 and 2016

Figure 6 The steep slope landscape pattern index on the landscape level in 2003 and 2016

表6 2003、2016景觀水平上陡坡景觀格局指數(shù)

(2)坡景觀格局變化分析

從表7研究區(qū)兩年坡景觀水平上的景觀格局指數(shù)的變化值可以看出, 2016年IJI的值為68.9008, 2003年IJI的值為58.4948, 這表明研究區(qū)經(jīng)過(guò)十三年的發(fā)展坡景觀類型之間的鄰接性增強(qiáng), 同時(shí)ED值及PAFRAC值均增大, 坡景觀破碎且斑塊形狀復(fù)雜, 另一方面, COHESION的值降低了2.4692, SHDI值降低了0.1949, 這說(shuō)明在坡景觀斑塊趨于破碎、復(fù)雜的同時(shí), 坡景觀的連通性及多樣性也隨著降低。

從圖5景觀類型水平的坡景觀格局指數(shù)來(lái)看, 在該坡度等級(jí)下, 2016年景觀的破碎主要來(lái)源于坡林地和坡耕地較為破碎, 同時(shí)這兩類景觀的PAFRAC值的增大也表明坡林地和坡景觀的斑塊形狀變得更加復(fù)雜, 坡林地的IJI值減小, 鄰接性減弱,這表明坡林地與其他幾類景觀的分布關(guān)系變得簡(jiǎn)單, 但是坡耕地的IJI值增大, 這說(shuō)明坡耕地與別的幾類景觀鄰接性增強(qiáng), 另外隨著時(shí)間的推移坡耕地的COHESION值從94.2436減小到71.1534, 坡灌草的COHESION值從89.7186減小到59.6116, 說(shuō)明坡耕地及坡灌草的連通性均降低, 這可能與坡耕地和坡灌草的面積減少有關(guān), 同時(shí)與陡坡耕地相比, 2016年坡耕地更為破碎, 斑塊形狀更為復(fù)雜。另外坡建設(shè)用地的ED值和PAFRAC值減小COHESION值及IJI值增大, 這表明經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展, 坡建設(shè)用地的破碎程度減小、斑塊形狀變得簡(jiǎn)單, 隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快, 城區(qū)在不斷的往外擴(kuò)張, 建設(shè)用地在不斷的連接成塊, 分布變得集中, 這使得坡建設(shè)用地的連通性增強(qiáng), 同時(shí)坡建設(shè)用地面積的增加也使得坡建設(shè)用地與別的景觀的鄰接性增強(qiáng)。

4 結(jié)論

赤水河中上游流域內(nèi)坡地耕地比重大, 水土流失嚴(yán)重, 生態(tài)環(huán)境建設(shè)面臨巨大威脅, 流域內(nèi)耕地占流域土地面積的27.90%, 面臨著布局不合理, 陡坡墾殖嚴(yán)重等問(wèn)題[20], 本文利用RS和GIS技術(shù), 從不同坡度等級(jí)出發(fā), 借助土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用程度綜合指數(shù)及景觀指數(shù)深入的研究了赤水河中上游坡景觀特征動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明: 經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展, 研究區(qū)的景觀組成的分布、景觀利用強(qiáng)度及景觀格局得到了發(fā)生了一系列的變化, 具體結(jié)論如下:

Figure 4 The steep slope landscape pattern index on the class level in 2003 and 2016

Figure 7 The sloping landscape pattern index on the landscape level in 2003 and 2016

表7 2003、2016景觀水平上坡景觀格局指數(shù)

(1)隨著時(shí)間的推移, 坡耕地及陡坡耕地面積減少, 陡坡耕地減少了40.66%, 坡耕地減少了11.68%, 這說(shuō)明對(duì)陡坡耕地的退耕強(qiáng)度大于坡耕地的退耕強(qiáng)度。耕地逐漸的向自然生態(tài)環(huán)境過(guò)渡, 主要轉(zhuǎn)為林地和灌草, 這與王成在淺丘帶壩區(qū)不同坡度下耕地景觀格局中的結(jié)論一致[21]。另外隨著人口的增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城鎮(zhèn)化擴(kuò)張的需求, 使得建設(shè)用地面積不斷增加, 增加的坡建設(shè)用地主要來(lái)源于坡灌草、坡林地及坡耕地的轉(zhuǎn)化, 同時(shí)坡建設(shè)用地的年變化率最大。

(2)坡度越大的地方土地利用程度越低, 即景觀利用強(qiáng)度越低。在該時(shí)間段, 坡地景觀的土地利用強(qiáng)度大于陡坡景觀, 且2003年的坡地景觀及陡坡景觀的景觀利用強(qiáng)度均大于2016年, 人們對(duì)陡坡景觀的干擾主要表現(xiàn)為林地的增加和耕地的減少, 對(duì)坡景觀的干擾主要是林地, 建設(shè)用地的增加, 耕地的減少。

(3)在景觀水平上, 陡坡景觀的鄰接性及連通性增強(qiáng), 破碎程度及多樣性減小, 坡景觀鄰接性增強(qiáng), 景觀變得破碎且斑塊形狀變得復(fù)雜, 連通性及多樣性降低; 在類型水平上, 陡坡林地及陡坡灌草破碎程度減小, 斑塊形狀變得簡(jiǎn)單, 陡坡耕地及坡耕地破碎程度增大, 斑塊形狀變得復(fù)雜且連通性降低, 坡建設(shè)用地破碎程度降低, 斑塊形狀變得簡(jiǎn)單, 連通性變得更好, 其中坡耕地比陡坡耕地更為破碎, 斑塊形狀更為復(fù)雜。

綜上所述, 研究區(qū)隨著退耕還林政策實(shí)施以來(lái), 其坡地景觀特征發(fā)生了很大的變化, 坡建設(shè)用地顯著增加, 陡坡耕地的退耕力度較大, 人們對(duì)坡景觀的干擾程度相對(duì)比陡坡景觀的干擾程度大。另隨著時(shí)間的推移, 研究區(qū)坡地景觀比陡坡景觀更加破碎, 斑塊形狀更為復(fù)雜, 而坡地景觀的破碎化, 坡地耕種以及坡地景觀城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張等極易造成水土流失, 這必須引起人們對(duì)研究區(qū)坡地景觀管理開發(fā)的重視, 建議在耕地條件良好的農(nóng)耕區(qū)發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì), 提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化效益, 同時(shí)對(duì)陡坡耕地實(shí)行退耕還林, 增加坡林地及陡坡林地斑塊數(shù)目和增強(qiáng)林地的連通程度。

圖5 2003、2016類型水平上坡景觀格局指數(shù)

Figure 5 The sloping landscape pattern index on the class level in 2003 and 2016

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The study on dynamic change of the hillsides landscape feature in the middle and upper reaches of Chishui River

LING Guomin，CAI Hong, KANG Wenhua, WU Yufeng,WANG Yueyue

College of Mining, Guizhou University, Guiyang 550000, China

In recent ten years, with the implementation of the policy of returning farmland to forestry, the landscape characteristics of sloping land in karst areas have undergone significant changes. The sampling cases of the upper and middle reaches of the Chishui River were chosen in the typical karst watershed.The U.S Landsat data series were used as the main data source, through the object-oriented classification method with the eCognition software and spatial analysis functions of the Geographic Information System, combined with landscape pattern analysis methods of Fragstates software. The landscape composition, landscape intensity, and landscape pattern evolution were explored respectively in different slope. The results showed that after ten years of development, the sloping landscape characteristics had changed greatly in the research area. 1) The sloping construction land increased 30km2. The sloping farmland roll-out 498km2, which of 82.93% converted to sloping forest land and another of 11.85% converted to sloping brushwood, while only 5.22% converted to sloping construction land. The steep slope farmland reduced by 40.66%, of which 36km2 converted to steep slope woodland, and 46km2 to steep slope irrigation grass. 2) During this period, the land use intensity of slope landscape was higher than that of steep slope landscape, and the landscape use intensity of slope landscape and steep slope landscape in 2003 was higher than that in 2016. 3) On the landscape level, the adjacency of steep slope landscape and slope landscape increased, the diversity decreased, the connectivity of steep slope landscape increased, the degree of fragmentation decreased, the slope landscape was fragmentation, and the patch shape was complex. On the class level, the patch shapes of steep slope farmland and slope farmland became complex and fragmented, the connectivity was poor, the degree of fragmentation of slope construction land was reduce, the patch shapes became simple, and the connectivity was better.

the landscape composition; the landscape intensity; the landscape pattern; the middle and upper reaches of Chishui River

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.020

P237

A

1008-8873(2019)05-151-09

2018-08-26;

2016-10-26

貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合基礎(chǔ)[2016]1028); 貴州省水利廳科技基金(KT201508)

林國(guó)敏(1995—), 女, 碩士研究生, 研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。E-mail: 1243669176@qq.com

蔡宏(1980— ), 女, 博士, 副教授, 研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境遙感。E-mail: 588cai@163.com

林國(guó)敏, 蔡宏, 康文華, 等. 赤水河中上游坡景觀特征動(dòng)態(tài)變化研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(5): 151-159.

LING Guomin, CAI Hong, KANG Wenhua, et al. The study on dynamic change of the hillsides landscape feature in the middle and upper reaches of Chishui River[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 151-159.