丹江口水庫庫周景觀格局動態變化分析

秦鈺莉　文力　魏鵬飛　李權國　李學敏

摘要：運用ENVI5.0軟件對丹江口水庫區域1987年、1997年、2007年、2017年4個時期的遙感影像進行土地利用分類，通過景觀格局指數研究分析景觀格局的動態變化特征。研究結果表明：在研究期內，受人類活動和政府政策影響，丹江口水庫庫周耕地面積波動幅度較大，裸地面積出現了大幅度下降，林草地、水域和建設用地面積增加;在經濟建設和人類活動影響下，景觀的空間格局指數變化較明顯，丹江口水庫及周邊區域的整體景觀形狀趨于復雜化，各類土地利用類型的破碎化程度提高;政府政策和水庫蓄水是丹江口水庫庫周景觀格局變化的重要驅動力。

關鍵詞：景觀格局;景觀格局指數;土地利用;驅動力;丹江口水庫

中圖分類號：P901

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j.issn. 1000- 1379.2019. 04.015

景觀是多個生態系統構成的不同地理區域或不同土地利用方式的鑲嵌體[1]，包括景觀要素的類型、數量、空間分布和配置[2-4]。景觀格局變化對生態環境有重要影響，通過景觀格局分析和運用景觀格局指數定量獲取景觀要素的空間分布特征，可以為進一步研究景觀功能和景觀格局動態變化提供基礎信息[5-6]。基于研究分析結果，在社會經濟活動中對景觀格局分布進行優化，預測景觀的變化趨勢，并制定景觀管理和保護措施[7-8]。

在生產活動和經濟建設中，生態環境是可持續發展的保證，也是人類生存和發展的基礎。隨著經濟社會的快速發展，人類對自然資源長期過度開發和利用，生態環境問題日益嚴重，主要問題有森林和耕地面積減少、土地退化、環境污染等。丹江口水庫目前水位還未達到175 m，若水位達到175 m，則庫區水面面積增大，原來的村莊和田地被淹沒，土地覆被和景觀格局將發生很大變化。因此，有必要基于景觀生態學的相關理論，動態監測丹江口水庫及周邊區域土地利用類型變化，探究在自然和人為驅動力影響下景觀格局的動態變化特征，研究和分析人地關系、地表植被數量和質量變化等問題對景觀格局動態變化的影響，進而建立健康的庫區生態系統，維持庫區生態平衡。

1 研究區概況

丹江口水庫庫區涉及河南和湖北兩省，位于漢江中上游。丹江口水庫分為漢江庫區和丹江庫區，南起丹江口市浪河鎮、武當鎮，東起丹江口市區，西至鄖縣，北到淅川縣。丹江口水庫水量豐富，水質良好，是調水和引水工程的理想水源地。丹江口水庫具有養殖、發電、航運、防洪以及旅游等綜合效益。丹江口水庫庫周屬于亞熱帶季風氣候區，夏季受季風影響，高溫多雨;冬季高壓南下，受地形阻擋，到達丹江口水庫區域勢力削弱，溫和少雨。年平均降水量804.3 mm，年平均氣溫15.8℃。土壤以山地黃壤和黃褐土為主，也有少量紫色土發育，土壤較肥沃，土層厚度為20-40 cm。該區域地質構造十分復雜，西北以山地為主，地勢高，坡度大;東南地勢比較平坦，主要由一些河谷平地組成。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源及處理

原始遙感影像數據來源于地理空間數據云（ http：//www.gscloud. cn），從中選擇丹江口水庫及周邊地區1987年、1997年、2007年3期Landsat4- STM影像數據，以及2017年landsat8 0LI_TIRS影像數據，影像數據時相上以上半年5-6月為主，輔助數據為區域1：5萬地形圖及不同時期的統計年鑒等。

對各類數據資料進行預處理，建立影像解譯標準，制定野外實地調查路線，結合地形圖和GPS定位技術對丹江口水庫及周邊區域的土地利用類型和景觀特點進行采樣、記錄，確定其類型特征。在ENVI5.0軟件平臺上，根據野外調查結果和谷歌地球衛星影像地圖建立樣本區，結合《土地利用現狀調查技術規程》將丹江口水庫及周邊地區土地利用類型分為耕地、建設用地、林草地、水域和裸地5種，利用最大似然法[9]進行監督分類，得到4個時期的土地利用類型，見圖1。

2.2 研究方法

景觀格局指數是能高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置的定量指標[1O-11]。景觀格局指數的選取原則是可以反映整個景觀水平或各類斑塊的變化，且相關性比較小，能夠表現景觀的組成和結構。本研究主要從面積、聚集度、形狀和多樣性測量指標中選取了一些經典且具有代表性的景觀格局指數。 景觀面積度量指標主要包括斑塊類型面積（CA）、斑塊類型比（PLAND）、景觀面積（TA）和最大斑塊指數（/P/）。CA值的大小影響著斑塊類型聚集地中的物種數量以及豐度[12].PLAND表示單個斑塊的面積在整個斑塊類型中所占的比例[13].TA是監測生態系統是否穩定的重要指標，/P/主要反映景觀水平上某一斑塊類型中最大斑塊面積占總面積的比例[14]。

景觀形狀指數是反映景觀生態功能和生態過程的重要指標，景觀形狀指數/S/[15]反映了景觀和斑塊形狀的分散和規則程度，值越大說明景觀形狀越復雜。以正方形為參照，景觀形狀指數/S/為

在景觀聚集與分散度測量指標中，選取蔓延度指數（CONTAG）[16]、聚集度指數（A/） [17]、散布與并列指數（/J/）[18]進行分析。蔓延度指數反映了景觀類型的聚集程度和延展程度，值越小，景觀破碎化程度越高：值越大，斑塊類型連通性越好。蔓延度指數為

3 結果與分析

3.1 4期景觀格局動態變化分析

由表1和圖2可以看出，耕地在丹江口水庫及周邊區域的景觀類型中占主導地位。耕地面積起伏大，1997年耕地面積比1987年增加了19 851. 13 hmm，2007年耕地面積比1997年增加了22 980.50 hrri2.2017年耕地面積比2007年減少了4 002.57 hmm，但耕地面積總體呈上升趨勢。耕地的斑塊類型比和最大斑塊指數總體呈上升趨勢，耕地占研究區面積的比重越來越大。1987年到2007年耕地的景觀形狀指數逐年減小，表明耕地相對集中且形狀規則.2007年到2017年耕地的景觀形狀指數增大，表明耕地趨于分散，形狀不規則。在研究時期內，耕地的散布與并列指數變化幅度小，總體呈減小趨勢;聚集度指數呈增大趨勢，說明耕地的斑塊聚集程度越來越高。

林草地面積在1987-1997年增加了16 486.50hm2，1997-2007年增加了5 985. 21 hmm. 2007-2017年增加了2 472.51 hmm。結合圖2可以看出.1987-2007年林草地主要是從裸地轉化而來.2007-2017年林草地主要從耕地轉化而來。林草地的聚集程度在1987-2017年呈增大趨勢。受人類活動影響趨于聚集，林草地連貫性增強，形狀更為規則。林草地面積和耕地面積變化主要受退耕還林還草和農民開墾荒地等影響。

1987-2017年裸地面積呈減少趨勢，1987-1997年面積減少了48 511.03 hmm ，1997-2007年面積減少了33 099.17 hmm ，2007-2017年面積減少了2 052.97hrr12。由圖1可以看出，裸地在1987-1997年分散于整個研究區域，面積比重大;2007年和2017年裸地面積占整個景觀面積的比值減小，裸地斑塊趨于集中且形狀更加規則。在經濟建設過程中，通過對土地的開發利用，裸地面積減少，散布與并列指數與聚集度指數呈下降趨勢，連貫性變差。

水域面積在研究期內呈遞增趨勢，1987-1997年面積增加了7 200.90 hmm，1997-2007年面積增加3 017.61 hmm. 2007-2017年面積增加了3 203. 73hmm。從1987年到2017年斑塊類型比和景觀形狀指數增大。聚集度指數趨于穩定。丹江口水庫蓄水是水域面積增大的主要原因，與水域相鄰的景觀要素變少，連通性增強，但水域形狀卻在人類活動的影響下變得不規則。

1987-1997年建設用地面積增加了4 972. 50hm2 ，1997-2007年增加了1 115.85 hmm，2007-2017年面積減少了379.30 hm。建設用地面積持續增大，占研究區面積的比例越來越大。隨著城市化的發展，建設用地面積的需求越來越大。不合理的土地利用規劃，致使建設用地聚集程度提高但形狀越來越不規則。建設用地面積主要包括城鄉居民點、交通設施用地以及其他建設用地。城市用地主要分布在地勢較平坦的東南地區以及丹江口水庫庫區。鄉村用地相對較分散，分布于河谷平地或低山丘陵間。城市用地聚集程度高，形狀比較規則，鄉村用地受地形地勢影響，相對比較分散。

由表2可知.1987-1997年和1997-2007年最大斑塊指數分別上升了3.04%和8.53%，2007-2017年下降了0.12%.總體呈上升趨勢，表明最大斑塊景觀總面積比值不斷增大。隨著對土地的合理規劃和利用，景觀破碎度減小。景觀形狀指數在1987-1997年和2007-2017年分別上升了13.09和17.14，1997-2007年下降了22.94，呈波動上升趨勢，說明各類景觀趨于離散，且形狀越來越不規則。蔓延度指數在1987-1997年下降了5.19，在2007-2017年上升了3.95，先減小后增大，總體呈增大趨勢，說明相鄰的斑塊類型之間具有良好的連通性。散布與并列指數在1987-1997年上升了5.52，1997-2017年下降了11.19，總體呈減小趨勢，說明相鄰的斑塊類型變少且連通性增強。香農多樣性指數在1987-1997年上升了0.14.表明各類土地利用類型的破碎化程度提高，受人類活動影響，土地利用類型越來越豐富;1997-2017年下降了0.25，土地利用類型減少。聚集度指數在1987-1997年下降了1.64，1997-2017年上升了6.90，總體呈增大趨勢，說明各類土地利用類型聚集程度提高。

3.2 景觀格局驅動力分析

在南水北調中線工程中，丹江口水庫是理想的水源地，也是我國中部的生態敏感地區。丹江口水庫及其周邊區域的土地利用方式和景觀格局變化影響著水庫水質。自然因素和人文因素是景觀格局變化的重要驅動力。在短時期內相較于人類活動等人文因素，自然因素對景觀格局的影響比較小，因此外界干擾對景觀格局變化起主導作用。

（1）研究區景觀格局變化主要是由人類活動和政府政策決定的。1987-1997年裸地大部分轉變為林草地，主要原因是退耕還林政策的執行以及對裸地進行植樹造林。因此，政策的實施是丹江口水庫及周邊區域景觀格局變化的根本原因。隨著人口的增長，人多地少的矛盾突顯，當地居民通過砍伐森林和開墾荒地來提高耕地面積，林草地大部分轉變為耕地，耕地面積增加。同時人們通過伐林增加收入，從而導致森林覆蓋率降低。2007-2017年為了保護水庫水質，政府進行監管，開始封山育林使得林草地面積有所增加，植被覆蓋率增大。由此可以看出，如今丹江口水庫中林地主要為次生林。隨著城市化的發展，在經濟建設中裸地被開發利用，轉變成建設用地，也有一部分建設用地從耕地轉變而來。

人類活動和丹江口水庫庫周的社會經濟發展加速了景觀格局的變化，是重要的驅動力之一。社會經濟的發展和人口的增長刺激了對土地資源利用與開發的需求，開始將其他用地轉變為建設用地。隨著政策的實施和經濟水平的發展，丹江口水庫及其周邊區域景觀格局變化比較顯著。

（2）水庫蓄水是景觀格局變化的重要驅動力。丹江口大壩在2005年10月加高并開始蓄水，水域面積的增加淹沒了庫區周邊的耕地、裸地、建設用地和林草地，對丹江口水庫及周邊區域的景觀格局變化產生了重要影響，但并沒有破壞生態系統的穩定性。

（3）丹江口水庫及周邊區域小氣候的形成是研究區域生態環境改變的重要原因之一。在丹江口水庫及其周圍存在地面熱容量的差異，大氣濕度提高，形成局部小氣候，裸露地區環境逐漸改善，水體和林草地面積增加，林草地更為茂盛。

4 結語

（1）根據4個時期研究區中高分辨率遙感影像獲取土地利用分類結果，結合景觀指標對丹江口水庫及周邊區域進行了景觀動態變化分析。從分析結果來看：在研究時期內，耕地在丹江口水庫及周邊區域中占主導地位，斑塊類型比最大，面積變化顯著，形狀趨向不規則：建設用地面積和水域面積增大：裸地面積呈減少趨勢，連貫性變差;林草地調整頻繁，主要與耕地面積相互轉化，但形狀趨于規則化。

（2）借助景觀生態指標對丹江口水庫及其周邊區域景觀格局變化進行了定量分析，景觀的整體形狀趨于復雜化，不同土地利用類型面積變化大，景觀的空間格局指數變化較明顯，反映了當地城鄉居民在丹江口水庫及周邊區域的活動強度大，尤其是農村居民。蔓延度指數先減小后增大，總體呈增大趨勢，說明在人類活動中，相鄰的景觀要素具有良好的連通性。散布與并列指數總體呈減小趨勢，相鄰的景觀要素變少且連通性增強。香農多樣性指數總體呈下降趨勢。在經濟建設和城市化過程中，各類土地利用類型聚集程度提高。

（3）丹江口水庫及其周邊區域的景觀格局變化受自然因素和人文因素的共同影響。水庫蓄水、移民工程，以及人類社會經濟活動是丹江口水庫及其周邊區域景觀格局變化的主要驅動力。在庫區未來生態景觀規劃和水土保持研究中，政府要結合丹江口水庫的特色資源加強政策引導。首先，根據地形地勢對地勢較高的西北地區發展無公害綠色農業，水庫周邊種植耐水淹、生長周期短的農作物，提高農村土地生產力;其次，結合丹江口水庫自然和文化資源，發展旅游和養殖產業;最后，阻止當地居民盲目開墾荒地和砍伐森林，合理規劃城市建設用地，保護生態系統的穩定性。

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【責任編輯呂艷梅】