李瑜, 胡翔, 董鑫,2*

1. 西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637000；

2. 西南野生動(dòng)植物資源保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 南充 637000

近年來(lái)，由地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）、遙感技術(shù)（Remote Sensing, RS）和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）所集成的3S 一體化，以其高效準(zhǔn)確的技術(shù)特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展研究，以及林業(yè)的大尺度區(qū)域動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)與評(píng)估中[1]。目前，在景觀生態(tài)學(xué)中，利用3S 技術(shù)對(duì)區(qū)域生態(tài)景觀格局的監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)變化分析，為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、有效管理資源，特別是地震、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害后的恢復(fù)重建提供了有利的手段[2]。其中，胥忞旻利用該技術(shù)對(duì)北川震后重建農(nóng)村居民點(diǎn)的景觀格局進(jìn)行了分析[3]；楊劍等人基于3S 技術(shù)對(duì)震后唐家山堰塞湖景觀格局進(jìn)行了研究[4]；高慧等人運(yùn)用3S 技術(shù)研究了綿竹市北部山區(qū)震后土地利用景觀格局變化[5]。在生態(tài)景觀格局分析中，通常利用景觀水平指數(shù)（Landscape level index）、斑塊類(lèi)型水平指數(shù)（Class level index）以及斑塊水平指數(shù)（Patch level index）從3 個(gè)不同的層次，對(duì)區(qū)域的景觀格局變化進(jìn)行定量化分析并為災(zāi)后當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)恢復(fù)重建提供了科學(xué)指導(dǎo)。

四川省白河自然保護(hù)區(qū)是以保護(hù)川金絲猴等珍稀野生動(dòng)植物為主的森林和野生動(dòng)物類(lèi)型自然保護(hù)區(qū)，也是目前所知的四川岷山山系川金絲猴種群最大、密度最高、最具代表性的保護(hù)區(qū)[6][7]，除川金絲猴外，區(qū)內(nèi)還有其他國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物如大熊貓、牛羚、豹等[8]。該區(qū)域地處青藏高原東南緣的岷山地震帶[9]。2008 年5 月12 日汶川8.0 級(jí)地震以及2017年8 月8 日九寨溝7.0 級(jí)地震的震中與白河自然保護(hù)區(qū)相距不遠(yuǎn)，且兩次地震在保護(hù)區(qū)的烈度均為Ⅵ度，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)景觀格局可能產(chǎn)生一定影響（損壞動(dòng)植物、破壞棲息地、改變水文等）[10]。迄今為止，在對(duì)白河自然保護(hù)區(qū)的研究中，大多是對(duì)區(qū)內(nèi)川金絲猴、大熊貓等物種生境的研究評(píng)價(jià)，少有對(duì)其生態(tài)景觀格局的分析[11]，而對(duì)地震后的景觀格局變化尚無(wú)相關(guān)研究。

因此，本研究利用ENVI5.3 遙感數(shù)據(jù)處理軟件、ArcGIS10.2 地理信息系統(tǒng)軟件和Fragstats4.2 景觀指數(shù)分析軟件平臺(tái)，結(jié)合2008 年汶川地震與2017 年九寨溝地震發(fā)生的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從2003 年起每隔5 年選取遙感影像，即2003（震前）、2008（震后）、2013（震前）和2018（震后）年4 個(gè)時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)，利用生態(tài)景觀格局類(lèi)型及景觀生態(tài)指數(shù)來(lái)分析兩次地震前后15 年間白河自然保護(hù)區(qū)在景觀水平和斑塊類(lèi)型水平尺度上的生態(tài)景觀格局的變化情況，對(duì)地震前后的生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)，災(zāi)后生態(tài)恢復(fù)重建，以及物種資源尤其是川金絲猴和大熊貓的棲息地保護(hù)提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

四川省白河自然保護(hù)區(qū)（經(jīng)度：104°02′—104°12′E；緯度：33°11′—33°17′N(xiāo)），位于四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣白河鄉(xiāng)。距九寨溝縣城10 km，地處四川盆地向青藏高原過(guò)渡的岷山山系北段高山峽谷區(qū)，保護(hù)區(qū)南北長(zhǎng)約18.8 km，東西寬約15.5 km，總面積16 204.3 km2；平均海拔為3 116 km。保護(hù)區(qū)屬于暖溫帶半溫潤(rùn)氣候，年平均氣溫為12.7 ℃，1 月平均氣溫1.8 ℃，7 月平均氣溫22.4 ℃[12]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

為了分析白河自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征，每隔5 年左右選取該區(qū)域遙感影像，并考慮到2008 年5 月12 日汶川地震和2017 年8 月8日九寨溝地震的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，盡量選擇較為清晰、含云量在5%以下的兩次地震前后遙感影像。遙感數(shù)據(jù)和30 m×30 m 分辨率的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）影像從地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）和USGS（https://www.usgs.gov）平臺(tái)上獲取，如表1 所示。保護(hù)區(qū)邊界及河流矢量圖由白河保護(hù)區(qū)管理局提供。此外，還收集了2013 年野外實(shí)測(cè)101 個(gè)覆被類(lèi)型樣本點(diǎn)和全國(guó)大熊貓第四次調(diào)查[13]中獲得的九寨溝縣白河自然保護(hù)區(qū)的覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)，以及在google earth 采集的部分檢驗(yàn)樣本，作為本次研究的分類(lèi)的訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用ENVI5.3 軟件處理所選四期遙感影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行幾何校正、裁剪、不同時(shí)相遙感影像配準(zhǔn)、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理，用來(lái)減少不同時(shí)期的遙感影像在大氣、海拔、光照等方面的誤差。在ENVI5.3 軟件中的模塊（見(jiàn)表2）。

表 1 主要數(shù)據(jù)Tab. 1 General information of remote sensing data

表 2 數(shù)據(jù)處理操作Tab. 2 Remote sensing data processing operation

2.3 景觀類(lèi)型的建立

景觀類(lèi)型是對(duì)研究區(qū)域景觀指數(shù)及景觀格局變化進(jìn)行分析的前提條件和基礎(chǔ)[16]。根據(jù)白河自然保護(hù)區(qū)植被野外實(shí)地調(diào)查以及全國(guó)大熊貓第四次調(diào)查的結(jié)果，將研究區(qū)覆被類(lèi)型劃分為裸巖、草地/灌木、溫帶針葉林、針闊混交林和落葉闊葉林[6]。在ENVI5.3 軟件中，4 個(gè)時(shí)相的遙感影像均用近紅外、紅外和綠光波段顯示。參考白河自然保護(hù)區(qū)DEM 數(shù)據(jù)和河流分布矢量圖，對(duì)遙感數(shù)據(jù)色調(diào)、亮度、結(jié)構(gòu)相一致的斑塊建立目視解譯標(biāo)志[17]（見(jiàn)表3）。

2.4 景觀分類(lèi)與景觀指數(shù)選取

本研究采取監(jiān)督分類(lèi)中的最大似然法[18]進(jìn)行景觀分類(lèi)。首先，選取訓(xùn)練樣本，根據(jù)白河自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的河流分布圖以及建立的目視解譯標(biāo)志，分別為五種景觀類(lèi)型選擇樣本。然后，進(jìn)行樣本質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示不同類(lèi)型樣本間的分離度均大于1.9，具有可用性[19]。利用ENVI5.3 軟件對(duì)監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行聚類(lèi)（Clump class）和分類(lèi)聚合（Classification Aggregation）處理，再利用ArcGIS10.2 進(jìn)行重分類(lèi)（見(jiàn)圖1）。

表 3 白河自然保護(hù)區(qū)目視解譯標(biāo)志Tab. 3 Visual interpretation signs of Baihe Nature Reserve

圖 1 白河自然保護(hù)區(qū)2003—2018 年景觀類(lèi)型分類(lèi)圖Fig. 1 Classification of landscape types in Baihe Nature Reserve from 2003 to 2018

景觀格局分析通常利用景觀水平指數(shù)、斑塊類(lèi)型水平指數(shù)以及斑塊水平指數(shù)3 個(gè)不同的層次，分析研究區(qū)域的景觀格局變化。其中，景觀水平指數(shù)用于描述所研究區(qū)域的總體特征，斑塊類(lèi)型水平指數(shù)用于分析不同類(lèi)型斑塊的變化情況，由于斑塊水平指數(shù)表示的是單個(gè)斑塊的構(gòu)成信息，與整體景觀的關(guān)聯(lián)性不大，對(duì)本次研究?jī)r(jià)值不高[20]。因此，本研究利用Fragstats 4.2 軟件，分別從斑塊類(lèi)型和景觀層次對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行分析。斑塊類(lèi)型水平指數(shù)選取斑塊數(shù)量（Number of Patches, NP）、斑塊類(lèi)型面積（Class Area, CA）、斑塊類(lèi)型所占景觀面積百分比（Percentage of Landscape, PLAND）和平均斑塊面積（Mean Patches Area, AREA_MN）。景觀水平指數(shù)選取景觀形狀指數(shù)（Landscape Shape Index, LSI）、聚集度（Aggregation Index, AI）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（Shannon's Diversity Index, SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（Shannon's Evenness Index, SHEI）對(duì)白河自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行分析[21]，各景觀指數(shù)的計(jì)算公式及描述（見(jiàn)表4 和表5）。

3 結(jié)果與分析

3.1 斑塊類(lèi)型水平指數(shù)分析

本次研究通過(guò)對(duì)白河自然保護(hù)區(qū)各斑塊類(lèi)型的斑塊類(lèi)型面積（CA）、斑塊類(lèi)型所占景觀面積百分比（PLAND）、斑塊數(shù)量（NP）和平均斑塊面積（AREA_MN）的計(jì)算，分析景觀類(lèi)型及變化情況。

由表6 所示，2003 年白河自然保護(hù)區(qū)各景觀斑塊類(lèi)型面積（CA）排序?yàn)獒橀熁旖涣郑緶貛п樔~林＞草地/灌木＞落葉闊葉林＞裸巖；斑塊數(shù)量（NP）排序

為溫帶針葉林＞針闊混交林＞落葉闊葉林＞草地/灌木＞裸巖；平均斑塊面積（AREA_MN）排序?yàn)獒橀熁旖涣郑韭銕r＞草地/灌木＞溫帶針葉林＞落葉闊葉林，其中，溫帶針葉林和針闊混交林為整個(gè)白河自然保護(hù)區(qū)的主體，分別占區(qū)面積的24.64%和46.97%，并且針闊混交林的平均斑塊面積相對(duì)較大，表明其成片分布，連接性較好。2008 年白河自然保護(hù)區(qū)各景觀斑塊類(lèi)型面積（CA）排序?yàn)獒橀熁旖涣郑緶貛п樔~林＞草地/灌木＞裸巖＞落葉闊葉林；斑塊數(shù)量（NP）排序?yàn)闇貛п樔~林＞針闊混交林＞落葉闊葉林＞草地/灌木＞裸巖；平均斑塊面積（AREA_MN）排序?yàn)獒橀熁旖涣郑韭銕r＞草地/灌木＞溫帶針葉林＞落葉闊葉林，其中，針闊混交林基本為白河自然保護(hù)區(qū)的主體，占區(qū)面積的46.36%，且該景觀類(lèi)型與其他景觀類(lèi)型的平均斑塊面積差異大，表明針闊混交林在白河自然保護(hù)區(qū)內(nèi)成片分布，連接性好，經(jīng)過(guò)5 年的發(fā)展變化，針闊混交林仍然是白河自然保護(hù)區(qū)的主要景觀。2013 年白河自然保護(hù)區(qū)各景觀斑塊類(lèi)型面積（CA）排序?yàn)獒橀熁旖涣郑緶貛п樔~林＞落葉闊葉林＞草地/灌木＞裸巖；斑塊數(shù)量（NP）排序?yàn)槁淙~闊葉林＞溫帶針葉林＞針闊混交林＞裸巖＞草地/灌木；平均斑塊面積（AREA_MN）排序?yàn)獒橀熁旖涣郑静莸?灌木＞溫帶針葉林＞裸巖＞落葉闊葉林，其中，針闊混交林和溫帶針葉林以及落葉闊葉林構(gòu)成了白河自然保護(hù)區(qū)的主體，分別占區(qū)面積的31.43%、20.55%和19.88%，但溫帶針葉林和落葉闊葉林斑塊數(shù)量多，平均斑塊面積卻偏小，表明其景觀破碎性相對(duì)較高。2018 年白河自然保護(hù)區(qū)各景觀斑塊類(lèi)型面積（CA）排序?yàn)椴莸?灌木＞針闊混交林＞溫帶針葉林＞落葉闊葉林＞裸巖；斑塊數(shù)量（NP）排序?yàn)槁淙~闊葉林＞溫帶針葉林＞針闊混交林＞裸巖＞草地/灌木；平均斑塊面積（AREA_MN）排序?yàn)椴莸?灌木＞針闊混交林＞溫帶針葉林＞落葉闊葉林＞裸巖，其中，2018 年草地/灌木、溫帶針葉林和針闊混交林為白河自然保護(hù)區(qū)的主體，分別占區(qū)面積的29.95%、23.37%和29.26%，且草地/灌木和針闊混交林的斑塊數(shù)量雖不高，但平均斑塊面積偏高，表明這兩種景觀類(lèi)型的分布較連續(xù)，而溫帶針葉林雖然斑塊數(shù)量多，但平均斑塊面積偏小，其斑塊成破碎化分布。

表 4 斑塊類(lèi)型水平景觀指數(shù)Tab. 4 Patch type horizontal landscape index

表 5 景觀水平景觀指數(shù)Tab. 5 Landscape horizontal landscape index

表 6 白河自然保護(hù)區(qū)2003—2018 年斑塊類(lèi)型水平景觀指數(shù)Tab. 6 Horizontal type landscape index of patch type in Baihe Nature Reserve from 2003 to 2018

如表6 所示，CA 與PLAND 變化趨勢(shì)一致。2003 年至2018 年針闊混交林所占比例最重且波動(dòng)幅度最大，裸巖和落葉闊葉林較小。2008 年汶川地震后，針闊混交林、溫帶針葉林和落葉闊葉林所占面積比均有輕微下降；經(jīng)過(guò)5 年的恢復(fù)，2013 年大多數(shù)景觀類(lèi)型所占面積比呈上升趨勢(shì)；2017 年九寨溝地震后，針闊混交林、裸巖和落葉闊葉林所占面積比均減少，而溫帶針葉林和草地/灌木的所占面積增加。2003 年至2018 年期間所有景觀類(lèi)型均有較大幅度波動(dòng)，2008 年的汶川地震后，所有景觀類(lèi)型的斑塊數(shù)量（NP）均比2003 年高，表明2008 年的地震使得白河自然保護(hù)區(qū)的景觀破碎化程度加重；經(jīng)過(guò)5 年的發(fā)展，2013 年的溫帶針葉林、針闊混交林以及草地/灌木的斑塊數(shù)量下降，一些小斑塊聚合成為了大斑塊；2017 年九寨溝地震后，各景觀類(lèi)型的斑塊數(shù)量（NP）再次上升，使得白河自然保護(hù)區(qū)景觀再次破碎化。2008 年汶川地震，使得除裸巖外的其他景觀類(lèi)型的平均斑塊面積（AREA_MN）減?。唤?jīng)過(guò)5 年的恢復(fù)，2013 年所有景觀類(lèi)型的平均斑塊面積（AREA_MN）均增大，表明一些小斑塊已經(jīng)轉(zhuǎn)變成了大斑塊；而由于2017 年九寨溝地震的影響，在2018 年，除草地/灌木外，各景觀類(lèi)型的平均斑塊面積（AREA_MN）再一次變小。

3.2 景觀水平指數(shù)分析

由圖2a 所示，2003—2008 年白河自然保護(hù)區(qū)的景觀形狀指數(shù)（LSI）增大，而聚集度指數(shù)（AI）減小，表明其景觀的整體形狀趨于復(fù)雜化，景觀聚集程度呈下降趨勢(shì)。2008—2013 年，經(jīng)過(guò)5 年的發(fā)展，白河自然保護(hù)區(qū)的LST 減小，AI 增大，與2003 年基本持平。2013—2018 年，白河自然保護(hù)區(qū)LST 再次增大，AI 減小，使得其整體景觀形狀更復(fù)雜。因此，經(jīng)過(guò)15 年的發(fā)展變化，白河自然保護(hù)區(qū)的景觀整體形狀趨于復(fù)雜，但斑塊間的聚集程度呈下降趨勢(shì)，景觀破碎化的程度呈增加趨勢(shì)。

由圖2b 所示，2003—2008 年白河自然保護(hù)區(qū)香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）均有所下降，分別降低了0.15 和0.09，說(shuō)明其景觀多樣性稍有降低，景觀空間異質(zhì)性程度呈下降趨勢(shì)，各類(lèi)型面積所占比例間的差距增大。2008—2013 年，白河自然保護(hù)區(qū)SHDI 和SHEI 增大，說(shuō)明經(jīng)過(guò)5 年的恢復(fù)，其景觀空間異質(zhì)性增大，各類(lèi)型面積所占比例間的差距減小。2013—2018 年，白河自然保護(hù)區(qū)SHDI、SHEI 再次降低，表示其景觀多樣性降低，景觀空間異質(zhì)性程度呈下降趨勢(shì)，各類(lèi)型面積所占比例間的差距增大，而SHEI 都在0.9 左右，都趨于1，說(shuō)明這5 年間白河自然保護(hù)區(qū)并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)明顯的景觀類(lèi)型。

圖 2 白河自然保護(hù)區(qū)2003—2018 年LSI、AI、SHDI 及SHEI 變化情況Fig. 2 Changes of LSI, AI, SHDI and SHEI in Baihe Nature Reserve from 2003 to 2018

4 結(jié)論與討論

斑塊類(lèi)型方面，2003—2018 年針闊混交林的數(shù)量始終在白河自然保護(hù)區(qū)占大多數(shù)，其次是溫帶針葉林和落葉闊葉林。2008 年汶川地震后，針闊混交林、溫帶針葉林和落葉闊葉林所占面積有所下降，各景觀類(lèi)型斑塊數(shù)量增多，除裸巖外的各景觀類(lèi)型平均面積減小，表明地震使得白河自然保護(hù)區(qū)的斑塊破碎，景觀的破碎化程度增大；2013 年的白河自然保護(hù)區(qū)PLAND 和AREN_MN 均呈上升趨勢(shì)，NP 減少，表明因2008 年汶川地震而產(chǎn)生的一些小斑塊已聚集成了大斑塊，白河自然保護(hù)區(qū)的景觀破碎化程度減??；2018 年，由于2017 年九寨溝地震對(duì)白河自然保護(hù)區(qū)的影響，各景觀類(lèi)型的斑塊再次破碎，平均斑塊面積多數(shù)呈減小趨勢(shì)，區(qū)內(nèi)景觀的破碎度再次變大。

景觀方面，白河自然保護(hù)區(qū)2008、2018 年的AI、SHDI、SHEI 分 別 小 于2003、2013 年，而2008、2018 年的LSI 分別大于2003、2013 年，表明在2008 年和2017 年的兩次地震均導(dǎo)致白河自然保護(hù)區(qū)內(nèi)原有大斑塊破碎成小斑塊，景觀破碎化程度增加，景觀多樣性降低，景觀整體形狀趨于復(fù)雜，景觀空間異質(zhì)性程度呈下降趨勢(shì)，各景觀類(lèi)型面積所占比例的差距增大，整體景觀朝著非均衡化方向發(fā)展。

本研究通過(guò)對(duì)四川省白河自然保護(hù)區(qū)生態(tài)景觀格局變化的初步分析，得出地震后白河自然保護(hù)區(qū)景觀破碎化程度加大，景觀整體形狀趨于復(fù)雜，景觀多樣性降低，景觀空間異質(zhì)性呈下降趨勢(shì)，整體景觀朝著非均衡化方向發(fā)展的結(jié)論。地震后白河自然保護(hù)區(qū)地面景觀遭受破壞，最主要的表現(xiàn)就是地面的植被發(fā)生了變化[22]，而研究白河自然保護(hù)區(qū)生態(tài)景觀格局的變化，能夠更好地維護(hù)白河自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能，同時(shí)也能為白河自然保護(hù)區(qū)在震后進(jìn)行生態(tài)修復(fù)重建工作提供科學(xué)可靠的理論依據(jù)，利用保護(hù)區(qū)的景觀空間異質(zhì)性和景觀多樣性等特點(diǎn)，提出合理的震后修復(fù)重建規(guī)劃。

本研究中仍存在以下局限和不足：（1）本次研究使用的遙感數(shù)據(jù)為30 m×30 m 的中等空間分辨率數(shù)據(jù)，以致對(duì)結(jié)果的精度有一定影響。同時(shí)在目視解譯及建立分類(lèi)標(biāo)志過(guò)程中，由于人機(jī)交互所導(dǎo)致的誤差難以避免，最終結(jié)果存在一定誤差。因此，在以后的研究中要盡量選擇高分辨率影像進(jìn)行分析；（2）景觀指數(shù)并非全部具有實(shí)際意義，故在選擇景觀指數(shù)時(shí)不能保證所選指數(shù)能完全表明該區(qū)域景觀特征。在15 年這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度上，雖然地震對(duì)區(qū)域景觀格局的變化造成的影響較其他環(huán)境因素較明顯，比如區(qū)域的氣候、降水量、溫度、人為干擾等環(huán)境因素，但這些環(huán)境因素也會(huì)在一定程度上影響區(qū)域景觀格局，因數(shù)據(jù)獲取等問(wèn)題，本研究未對(duì)其進(jìn)行考慮。在相關(guān)數(shù)據(jù)獲取后，后續(xù)研究將進(jìn)一步對(duì)各個(gè)環(huán)境因素和景觀格局指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，從多角度評(píng)估整個(gè)研究區(qū)域的生態(tài)景觀格局的影響因素，以便為白河自然保護(hù)區(qū)物種資源和棲息地的保護(hù)提供更全面的科學(xué)依據(jù)。