五陵原景觀空間格局動態分析

封建民,李曉華

(咸陽師范學院旅游與資源環境學院關中古代陵寢文化研究中心,陜西咸陽712000)

“景觀生態學”一詞最初由德國著名植物地理學家T roll.C于1939年首次提出,其目的是為了協調統一生態學和地理學兩個領域中科學家的研究工作[1]。景觀空間格局是生態系統或系統屬性空間變異程度的具體表現,它包括空間異質性、空間相關性和空間規律性等內容[2]。在遙感與GIS技術的支撐下,自20世紀80年代以來,不同景觀生態學家提出了眾多的景觀指數用來定量分析景觀格局[3-7]。

以往的景觀格局的研究主要是注重于景觀空間格局定量指標的建立、景觀空間格局的測定[8-10]等。本研究將地理信息系統和景觀空間分析模型相結合,用地理信息系統顯示景觀的空間分布,用定量模型測定景觀的空間格局,用驅動力機制分析其變化原因。在人類活動起主導作用的農業景觀里,人類活動方式是景觀空間格局的主要決定因素[11],因此,農業景觀比自然景觀具有更大的變異性。咸陽五陵原屬于黃土高原南緣的黃土臺塬,是西漢等朝帝王陵墓的聚居分布區。五陵原景觀空間格局的動態分析,對帝王陵寢遺產文化資源的保護利用具有重要意義。

1 研究區概況

五陵原位于東經 108°30′35″-108°59′40″,北緯34°14′44″-34°29′40″,地處關中平原中部偏北的咸陽塬上,西起興平市,東到高陵縣,南臨渭水,北接北山山系,東西長約40 km,南北最寬處約 13.5 km,總面積530 km2。五陵原因其塬高土厚、地勢開闊、自然風光絕佳,而被歷代統治者視為風水寶地,成為皇家陵墓區。唐順陵、秦咸陽城遺址均在五陵原;西漢11位皇帝中有9位就葬于此。這些皇陵平地鑿穴起冢,沿鄭國渠走向一字排開,氣勢磅礴,高大雄偉,十分壯觀。據1957年文物普查統計,僅五陵原秦都和渭城區一帶塬上的帝王陵墓就多達808座[12],被譽為中國的“金字塔”群。其中五陵原的高祖長陵、惠帝安陵、景帝陽陵、武帝茂陵、昭帝平陵五個陵設邑建縣,故名“五陵原”。境內年平均降水量537～650 mm,年平均溫度9.0～13.2℃,屬大陸性季風氣候,氣候溫和、四季分明。地勢北高南低,北部為黃土臺塬,地勢較高,主要分布著農田、果園和鄉村聚落。南部為河流階地,地勢由北向南部的渭河傾斜,分布著大面積的耕地和城鄉聚落。20世紀80年代后期以來,區域經濟發展迅速,土地利用變化劇烈。

2 研究方法

2.1 景觀要素分類

本次研究采用的數據選取美國 Landsat衛星影像數據,根據項目研究的內容、地表景觀的季相差異及衛星影像數據的質量,選取2個時段,分別是1988年的Landsat TM和2005年的Landsat ETM影像,影像質量均良好,分辨率分別為30 m和28.5 m。結合非遙感信息源主要包括1∶5萬地形圖、地貌分區圖以及野外考察采集的各種資料和數據等。首先利用1∶5萬地形圖分別對1998年和2005年的兩期影像進行幾何精校正,校正誤差控制在0.5個像元以內;土地分類系統是參照2007年8月5日頒布的《土地利用分類》國家標準和研究區的具體情況采用土地利用二級分類系統,將研究區的土地利用類型劃分為水體、城鄉建設用地、果園、林地、耕地、道路、古陵及保護用地、未利用土地等8個類型。

采用監督分類和人機交互解譯相結合的方法對兩期圖像進行解譯,得到兩個時期的土地利用數據(表1),利用Arcinfo軟件Overlay模塊下的 Union命令,對1988年和2005年土地利用遙感解譯圖進行空間疊加分析,得到1988-2005年研究區土地利用類型轉化的空間數據,并以部分典型地類變化為例作出各地類間轉化關系圖,最后對土地利用變化進行定量分析。

表1 五陵原地區1988-2005年土地利用類型統計

2.2 景觀生態學評價指標

(1)平均斑塊面積Smps與平均斑塊周長Lmpe。

式中:i=1,2,…,m表示斑塊類型序號;j=1,2,…,n表示斑塊序號;aij——斑塊的面積;eij——斑塊的周長;ni——景觀中類型i的斑塊數。

(2)斑塊分維數Fd

式中:Fd的理論范圍為1.0～2.0,其中1.0代表形狀最簡單的正方形斑塊,2.0代表等面積下周邊最復雜的斑塊。

(3)斑塊伸長指數G

(4)景觀多樣性指數I[13-14]

式中:m——景觀類型數;pi——第i類景觀所占比例。

(5)景觀優勢度指數D

式中;ln(n)——最大多樣性指數;n——景觀類型總數,表明研究區各類型景觀所占比例相等時,景觀具有最大的多樣性指數。

(6)斑塊密度PD(塊/hm2,Patch Density)

式中:N——景觀中的斑塊總數;A——景觀總面積。(7)均勻度指數E

式中:I——Shannon多樣性指數;Imax——最大值。

3 結果分析

3.1 斑塊多樣性動態分析

斑塊構成了景觀的基本空間單元,斑塊的各種組合,構成景觀空間格局,是景觀功能、格局和過程隨時間發生變化的主要決定因素。通過描述這些基本單元的組合結構特征,可對景觀格局進行分析和量化,進而與生態過程相聯系,研究格局與過程之間相互作用、相互影響的機理。運用上述指標,對五陵原區不同時期景觀類型的斑塊多樣性特征進行研究(表2),表明:1988-2005年期間,研究區域的景觀斑塊數從967個減少為901個,斑塊結構變化明顯,其中耕地、林地、果園、水體、建筑等斑塊結構變化最為顯著。耕地斑塊增加了90個,但斑塊結構從研究初期的72.64%減少到2005年的50.94%;林地斑塊增加了27個,斑塊結構也從研究初期的3.28%減少到2005年2.18%;果園斑塊數從研究初期的367個減少到2005年的 246個,但是斑塊結構卻從 1988年的6.58%明顯增加到21.51%。水體減少明顯,研究初期水域斑塊為24個,斑塊結構為1.98%,到2005年,水體斑塊減少到13個,斑塊結構也明顯減少到了0.33%。建筑斑塊數從研究初期的403個減少到2005年的352個,但斑塊結構卻從1988年的13.13%增加到21.88%;在整個研究期間內未利用土地斑塊只減少了1個,從1988年的9個減少到2005年的8個,斑塊結構也從1988年的0.64%減少到0.48%。

研究期間內,景觀斑塊的平均斑塊面積增加了4.036 hm2,平均斑塊周長增加了966.69 m。各景觀平均斑塊面積變化以耕地和林地減少最為顯著,1988年耕地平均斑塊面積為1 074.85 hm2,林地的平均斑塊面積為193.92 hm2,2005年分別減少到 215.51 hm2和 32.27 hm2,分別減少了 859.34 hm2和161.65 hm2。水體、道路和未利用土地的平均斑塊面積,也有不同程度的減少,其變化量分別為 30.52,15.39,6.48 hm2。而果園和建設用地平均斑塊面積分別增加了37.04,15.75 hm2。平均斑塊周長減少較明顯的是耕地斑塊及林地,分別減少了30 880.1 m和8 079.81 m;而果園的平均斑塊周長有明顯增加,由1 771.64 m增加到4 433.10 m,增加了2 661.46 m。不同景觀類型的斑塊分維數變化情況是耕地、林地、水域、古陵及保護用地和未利用地略有下降,園地及建設用地則略有上升。從斑塊伸長指數來看,耕地、林地和水體斑塊下降較明顯,分別達到4.61,2.7,1.43,果園和建筑略有增加,其它下降不是很多。

表2 不同時期景觀類型斑塊特征

從不同類型的面積變化特征來看,耕地變化最明顯,其他類型斑塊也都發生相應的變化。主要的變化類型是耕地與果園和建設用地之間的相互轉化(圖1)。

圖1 五陵原景觀格局動態變化圖

3.2 景觀異質性動態分析

景觀異質性是景觀生態學的重要屬性。景觀本質上是一個異質的系統,正是因為異質性,才形成了景觀內部的物質流、能量流、信息流和價值流,從而導致了景觀的演化、發展與動態平衡[15]。斑塊的景觀異質性分析,主要是從不同的側面,來描述景觀的異質性程度。譬如景觀多樣性指數反映了景觀類型的豐富度和景觀異制性的高低。多樣性指數越大,表示景觀多樣性越高。景觀多樣性由景觀類型的豐富度和均勻性兩方面所組成,當景觀由單一要素組成時,其多樣性為零;有兩個以上景觀要素組成的景觀,當景觀類型所占比例相等時,其景觀多樣性最高。各景觀類型所占比例差異較大時,則景觀多樣性下降[16]。均勻度指數表征景觀空間格局中不同景觀類型分配的均勻程度,景觀均勻性指數大說明各景觀類型所占比例大小比較均勻,相差不是很懸殊。反之,景觀均勻性指數小,表明景觀中以一種或少數幾種景觀類型占優勢。若景觀均勻性指數為零,表明景觀中各景觀類型所占比例完全相等,則景觀完全均質。

五陵原區不同時期景觀異質性差異較明顯(表3),具體表現為:研究初期,景觀多樣性指數為0.98,2005年為1.25,研究期間內,景觀多樣性指數增加0.27;優勢度指數1988年為1.099,2005年減少到0.829,整個研究期間內優勢度指數減少了0.27。表明該區域景觀多樣性上升,優勢度下降的趨勢;景觀均勻度指數從研究初期的0.47,增加到2005年的0.60,增加了0.13;景觀斑塊密度從1988年的0.018減少到0.017,表明破碎化程度有所加劇。

表3 不同時期景觀多樣性、優勢度、均勻度及破碎度指數的比較

3.3 景觀動態變化的驅動機制

從五陵原地區不同時期土地利用情況(表1)來看,1988-2005年該區域土地利用類型的面積比例發生了很大的變化,其中耕地是最為明顯,1988年該區域耕地面積為38 694.71 hm2,2005年耕地面積為27 153.79 hm2,減少了 11 540.92 hm2;林地從1 745.25 hm2減少到了1 161.84 hm2;園地和建設用地,都不同程度地增加,其增加量為別為7 956.62,4 658.41 hm2;水體和未利用地也分別減少了879.47,583.47 hm2。

1988-2005年,五陵原不同類型斑塊動態變化(表2)來看,耕地、林地、果園、水域及建筑用地斑塊動態變化相對明顯,其中耕地和林地斑塊數明顯增加,表現出明顯的破碎化趨勢;而果園及建設用地斑塊數減少明顯,但總面積增加較多,表現出明顯的擴張趨勢。導致五陵原土地利用變化的因素主要受人口、經濟、政策的影響,首先,人口增長和消費方式的改變是土地利用變化的重要驅動力,對城鎮建設用地的規模起著決定性的影響。其次,經濟發展是土地利用結構變化的最主要驅動力。建設用地的增加,除人口增長因素外,主要是近年來五陵原地區城市化快速發展,城市擴展和農村大量新建住宅占用了大量土地。由研究區土地利用數據還可以看出,近17 a來果園面積以年均0.88%的速度擴展,因而果業經濟的發展是研究區景觀變化的又一重要驅動因素。

2005年景觀多樣性指數比1988年增加了0.23,表明該試區景觀斑塊數的復雜性有所上升,而景觀優勢度的降低及均勻度的增加,表明該試區景觀由少數幾個主要的景觀類型控制的程度降低,各景觀類型所占的比例差異有所減少。從表2可以看出,1988年該區域的景觀類型,主要為耕地和建筑用地,共占總面積的 85.77%,其中,耕地占總面積的 72.64%,建筑用地占總面積的13.13%。2005年,由于耕地、果園和建筑用地的變化,導致景觀格局異質性減小,其表現為優勢度指數的下降及均勻度指數的增加,耕地、果園及建設用地面積占總面積的94.36%,耕地占總面積的50.97%,而果園和建筑用地占總面積的43.39%,表明1988年該區的主要景觀類型為耕地,而2005年變為以耕地、果園和建筑用地為主的景觀類型。

4 結論

(1)1988-2005年五陵原地區斑塊總數減少了66個,平均斑塊面積及平均斑塊周長,分別增加了4.036 hm2和966.69 m。

(2)17 a中五陵原地區景觀異質性特征表現為:景觀多樣性指數增加了 0.27,優勢度指數減少了0.27,這表明該區景觀由少數幾個主要的景觀類型控制的程度有所降低,景觀格局中各景觀類型所占比例的差異減少。景觀均勻度指數增加了0.13,景觀斑塊密度略有減少,表明破碎化程度有所加劇。

(3)近17 a來,五陵原地區景觀格局主要表現為耕地受政策因素導向向林地、果園及城鎮建設、居民點用地轉化。因此,人為干預引起土地利用方式的改變,是景觀多樣性及空間格局變化的主要驅動力。

(4)隨著果園面積的擴大和城市化發展,有些古陵已處于果園和城市建筑的包圍中,而部分鄉村已經擴展到帝陵區,這極大地破壞了五陵原原始的古陵寢景觀結構,影響了旅游者的旅游價值體驗,因而在以后的土地利用規劃中,應為古陵寢劃出合理的保護范圍,以加強帝陵遺產資源的保護,為區域經濟社會發展服務。

[1] 何東進,洪偉,胡海清.景觀生態學的基本理論及中國景觀生態學的研究進展[J].江西農業大學學報,2003,25(2):276-282.

[2] 肖秀珍,高峻,常禹,等.景觀生態學[M].北京:科學出版社,2003.

[3] O'Neill R V,Krummel J R,Gardner R H,et al.Indices of landscape pattern[J].Landsc.Ecol.,1988,1:153-162.

[4] Turner M G,Gardner R H.Quantitative Methods in Landscape Ecology[M].New York:Springer-Verlag,1990:3-16.

[5] Riitters K H,O'Neill R V,Hunsaker C T,et al.A factor analysis of landscape pattern and structure metrics[J].Landsc.Ecol.,1995,10:23-39.

[6] 鄔建國.景觀生態學[M].北京:高等教育出版社,2000.

[7] 郝仕龍,李壁成,趙小敏,等.黃土丘陵小流域景觀空間格局動態分析:以固原市上黃試區為例[J].中國水土保持科學,2005,3(2):107-112.

[8] 傅伯杰.黃土區農業景觀空間格局分析[J].生態學報,1995,15(2):113-120.

[9] 陳利頂,傅伯杰,王軍.黃土丘陵區典型小流域土地利用變化研究[J].地理科學,2001,21(1):46-51.

[10] 王曉燕,徐志高,楊明義,等.黃土高原小流域景觀多樣性動態分析[J].應用生態學報,2004,15(12):273-278.

[11] 胡震峰.土地利用與景觀格局動態變化研究[J].科技情報開發與經濟,2003,13(12):143-145.

[12] 咸陽服飾文物事業管理局.咸陽市文物志[M].西安:三秦出版社,2008.

[13] 王繼夏,孫虎,李俊霖,等.秦嶺中山區山地景觀格局變化及驅動力分析:以寧陜縣長安河流域為例[J].山地學報,2008,26(5):546-552.

[14] 孟濤,王明常,梁立恒,等.長白山生態景觀格局動態變化分析[J].世界地質,2008,27(3):338-345.

[15] 傅伯杰,陳利頂,馬克明,等.景觀生態學原理及應用[M].北京:科學出版社,2001.

[16] 傅伯杰,陳利頂.景觀多樣性的類型及其生態意義[J].地理學報,1996,51(5):454-462.